Plaxis

PLAXIS 2D/3D程式是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強大的通用岩土有限元計算軟體，現在已廣泛套用於各種複雜岩土工程項目的有限元分析中，如：大型基坑與周邊環境相互影響、盾構隧道施工與周邊既有建築物相互作用、大型樁筏基礎（橋樁基礎）與鄰近基坑的相互影響、板樁碼頭應力變形分析、庫水位驟升驟降對壩體穩定性的影響、軟土地基固結排水分析、基坑降水滲流分析及完全流固耦合分析、建築物自由振動及地震荷載作用下的動力分析、邊坡開挖及加固後穩定性分析等等。PLAXIS系列程式以其專業、高效、強大、穩定等特點得到世界各地岩土工程專業人員的廣泛認可，日漸成為其日常工作中不可或缺的數值分析工具。尤其在歐洲、新加坡、馬來西亞、香港等地套用廣泛，PALXIS 2D甚至用於常規的二維設計計算中。截至2012年初，世界範圍內PLAXIS用戶多達16000多家；其中中國用戶已有百餘家，涵蓋了鐵路、電力、石化、建築、航務、冶金等行業設計院、高校、科研院所及少量施工單位。

基本介紹

• 名稱：PLAXIS 2D/3D
• 國別：荷蘭
• 所屬公司：PLAXIS B.V.
• 專業方向：岩土工程
• 功能類別：有限元分析
• 最新版本：PLAXIS 2D AE; PLAXIS 3D 2013
• 套用領域：基坑、基礎、隧道、邊坡、碼頭等
• 分析功能：塑性、固結、安全性、滲流、動力

發展歷程

PLAXIS軟體研發始於1987年，當時為了解決荷蘭本地特有的軟土地基相關的工程問題，代爾夫特理工大學（Technische Universiteit Delft，TUD）在荷蘭公共事業與水利管理委員會的提議下開始研發一款專業的、簡便易用的岩土有限元程式，即後來的PLAXIS。PLAXIS最初只有2D版本，且是在DOS系統下運行的。1993年，PLAXIS公司正式成立，並於1998年發布第一版在Windows系統下運行的PLAXIS軟體。同時，著手三維計算核心的研發，並在2001年、2003年逐步推出兩個準三維程式：PLAXIS三維隧道分析程式（3DT）、PLAXIS三維基礎分析程式（3DF），這為後來的全三維軟體PLAXIS3D程式的推出打下了堅實的基礎。隨著技術的不斷累積及逐漸成熟，PLAXIS公司於2010年推出了自己第一款真三維軟體PLAXIS 3D 2010，該軟體與之前的3DF和3DT屬於完全不同的軟體，具有全新的操作界面和自由方向三維建模的真三維特性，並以幾乎每年一個大的更新版本的速度繼續不斷更新完善，目前最新版本為PLAXIS 3D 2013。PLAXIS 2D最新版為2014年初發布的20周年紀念版PLAXIS 2D AE。

國際上有超過30家公司加入了PLAXIS發展共同體（Plaxis Development Community，PDC），為PLAXIS研發提供資金支持，並對研發成果的性能和品質進行測試和檢驗。

功能概述

前處理功能

PLAXIS系列程式界面友好，操作便捷。PLAXIS程式的【輸入】程式界面下包括土層、結構、格線、水位、分步施工等五個標籤，整個建模計算過程按此分析流程依次進行即可。PLAXIS程式具有互動式圖形界面，其土層數據、結構、施工階段、荷載和邊界條件等都是在類似CAD繪圖環境的操作界面中輸入，支持DXF、DWG、3DS及地形圖的導入，有曲線生成器可建立曲線，有多種工具可以進行交叉、合併、平移、分類框選、旋轉、陣列等操作以建立複雜幾何模型。PLAXIS可以自動生成非結構化有限元格線，2D中土體採用15節點三角形單元，3D中土體採用10節點四面體單元模擬。模型中可使用的結構單元包括板、梁、錨桿、土工格柵以及PLAXIS特有的Embedded樁單元，既可直接在模型中像繪製CAD圖形一樣畫出，也可在命令行通過輸入命令建立。土與結構相互作用採用界面單元模擬，比如板單元與土體之間的相互作用，建立板之後，可通過右鍵選單一鍵生成接觸界面。再比如滲流邊界條件，可指定常水頭、時間相關變化水頭，既可在模型中直接繪製水位面，也可通過數據表格、水頭變化函式等指定滲流邊界條件。

計算分析功能

（1）計算功能強大，適用範圍廣。PLAXIS 2D/3D共包括三個模組，即主模組、滲流模組、動力模組，可進行塑性、安全性、固結、滲流、流固耦合、動力等各種分析。可對常規岩土工程問題（變形、強度）如地基、基礎、開挖、支護、載入等進行塑性分析，可對涉及超孔壓增長與消散的問題進行固結分析，可對涉及水位變化的問題進行滲流（穩態、瞬態）計算以及完全流固耦合分析，可對涉及動力荷載、地震作用的問題進行動力分析，可對涉及穩定性（安全係數）的問題進行安全性分析。從工程類型角度來看，可對基坑、地基基礎、邊坡、隧道、碼頭、水庫壩體等工程進行分析。另外，PLAXIS程式還有專門的子程式用於模擬常規土工試驗並可進行模型參數最佳化（土工試驗室程式）。

（2）運算穩定，結果可靠。PLAXIS公司加入了NAFEMS（一個旨在促進各類工程問題的有限元方法套用的非盈利性組織），PLAXIS研發團隊始終與世界各地的岩土力學與數值方法研究人員保持密切聯繫，以使PLAXIS程式能夠採用最先進的專業理論與技術，在業界保持高技術標準。眾所周知，本構模型是一個岩土有限元軟體的靈魂，PLAXIS程式率先引入了土體硬化模型（HS）和小應變土體硬化模型（HSS）這兩個高級本構模型，能夠考慮土體剛度隨應力狀態的變化，其典型套用如基坑開挖支護模擬，對於坑底回彈和地表沉降槽、以及支護結構的變形和內力等的計算結果，經過與眾多工程實例監測數據的對比，已經得到世界範圍內的廣泛認可，成為開挖類有限元計算的首選本構，使得廣大工程師擺脫了使用莫爾-庫侖等初級本構難以考慮土體變剛度特性、甚至得到基坑連同地表整體上抬的計算結果的困擾。

後處理功能

PLAXIS程式具有強大的後處理功能，能夠輸出結果等值線、彩色雲圖、等值面及矢量分布圖，能夠輸出結構單元的內力，能夠直接輸出實體單元內力，能夠輸出各階段孔壓變化，能夠在輸出視圖上添加注釋，能夠繪製監測點變化曲線（曲線管理器），能夠自動生成計算結果報告和動畫，在計算過程中能夠預覽計算結果以便於及時檢查和修正模型。

PLAXIS 2D

自1987年推出PLAXIS 2D V1版本以來，至2014年初推出全新界面的PLAXIS 2D AE（20周年紀念版），共發布了13個主版本。操作方式、程式界面、建模分析功能和輸出功能等等都在不斷發展變化中趨於更加完善。

PLAXIS 2D AE（20周年紀念版）是為了慶祝PLAXIS B.V.公司成立20周年於2014年初發布的2D最新版本，與之前的版本在用戶界面和操作方式上有了重大改進，開始與最新的PLAXIS 3D 2013操作界面和操作方式相統一。

PLAXIS 2D AE新特性

全新的操作界面，集成的【輸入】、【計算】程式；

新界面下引入選擇瀏覽器和模型瀏覽器，可進行多項選擇、多項編輯；

【土層】模式下提供鑽孔工具生成土層，也可導入CAD圖形檔案輔助建模；

可輸入命令、可運行命令流檔案（VIP）；

可讀入CPT記錄曲線創建土層（VIP）；

在【結構】模式下創建樁、板等結構，提供新的建模工具創建開挖、填築區域；

改進的隧道設計器；

全新的格線模式，提供多個工具進行格線粗化和細化；

【水力】模式下可定義各種水力邊界條件；

【分步施工】模式下定義各種類型計算階段；

全新的階段瀏覽器和階段視窗；

提供了膨脹岩本構（VIP，UDSM）、粘-彈理想塑性本構（VIP，UDSM）；

遠程腳本API（VIP），可以phyon作為程式語言；

實體單元模擬隧道襯砌能夠直接給出內力。

PLAXIS 2D溫度模組

PLAXIS 2D 2015版本將發布新的溫度模組(Thermal)，與之前發布的動力(Dynamics)和滲流(PlaxsFlow)共同組成新的2D包。

概述

• 2D溫度模組是PLAXIS 2D的一個擴展。一些岩土工程套用需要考慮熱流場對土層水力和力學行為的影響。PLAXIS 2D溫度模組提供了分析土層中熱流場的工具，同時又能分析熱流對土層中地下水滲流和應力、應變的影響。這一重要擴展拓寬了程式在土木、環境、能源、礦山和極地工程中的套用範圍。
  

建模

• 材料模型和結構單元的熱性能
  
• 熱流邊界條件的繪製工具
  
• 施加溫度，熱量的流入和流出，熱對流（氣候和凍結管）邊界條件
  
• 時間相關的熱邊界條件的簡諧、線性和列表輸入
  
• 土和結構的熱膨脹
  
• 部分飽和土
  
• 階段修改
  

計算

• 穩態和瞬態熱分析
  
• 熱流-水力-力學的耦合與半耦合分析
  

結果

• 土和結構中的溫度和熱流分布
  
• 土和結構中的溫度和熱流曲線
  

套用

• 基坑工程中由於內支撐的熱膨脹導致的支撐內力和圍護牆內力（由陽光吸收和溫度變化引起）
  
• 人工地層凍結法的開挖工程中凍結管周圍的溫度分布
  
• 考慮地下管線熱膨脹情況下的地表位移和穩定性
  
• 氣候改變對地表溫度分布的影響（比如永久凍土地區），評估土層性質的相應變化
  
• 含水層中鑽孔熱交換的效率和持續性
  
• 地下核廢料存儲引起的溫度變化
  

PLAXIS 2D基本功能

PLAXIS 2D程式可分析平面應變問題和軸對稱問題，基本功能如下：

本構模型：線彈性模型、莫爾庫侖模型、土體硬化模型、小應變土體硬化模型、軟土蠕變模型、軟土模型、修正劍橋模型、霍克-布朗模型、節理岩體模型、NGI-ADP模型、Sekiguchi-Ohta模型、用戶自定義本構模型。

幾何建模：五個標籤引導符合岩土工程分析習慣的操作流程，圖形化用戶界面，互動式的CAD建模方式，支持CAD圖形檔案導入，可通過隧道設計器施加曲線荷載，可指定各向異性應變，可設定集中荷載和分布荷載的任意組合模式，可設定鉸和轉動彈簧，提供專門的隧道設計器。

結構單元：提供岩土工程中常見的板、Embedded排樁、土工格柵、錨桿等結構單元，可以考慮結構單元的彈塑性行為，可以考慮板端承載力以模擬板端反力，錨桿單元可考慮殘餘強度屬性；此外還提供了界面單元以模擬土-結構相互作用及岩土體中軟弱面，可以考慮界面單元的殘餘強度屬性。

格線劃分：全自動格線劃分，自動生成15節點三角形單元，可指定局部格線加密或加粗及整體加密或加粗。

施工階段模擬：方便模擬施工階段，可考慮各種複雜支護結構體系的力學效應，可獲得各階段的地下水瞬態滲流過程，可以引入分項係數。

計算分析功能：塑性計算，固結計算，安全性計算（強度折減法），地下水滲流計算（可考慮隨時間變化的複雜的水頭邊界），完全流固耦合分析（可考慮不飽和土中的吸力及滲透係數衰減），動力分析（自由振動、動力時程分析，可施加自由場邊界、粘性吸收邊界、波速及瑞利阻尼，可施加水平、豎向加速度乘子）；支持64位+多核計算（VIP）；修改模型後支持施工階段自動重生成；內置參數變化和敏感性分析工具。

結果輸出：等值線、彩色雲圖、矢量圖，結構內力、結構變形，數據表格，結果變化曲線（如荷載-位移曲線、應力應變曲線等），可生成結果報告文檔和結果動畫；能夠在視圖上添加注釋；計算過程中可暫停計算並輸出中間計算結果便於及時檢查和修正。

特色功能：土工試驗模擬（可模擬三軸試驗、直剪試驗、側限壓縮試驗、等應變率壓縮試驗、常規三軸試驗，可導入實際的室內土工試驗數據進行曲線擬合和參數最佳化）；階段位移求和；實體單元內力積分；HS、HSS本構。

PLAXIS 3D

PLAXIS B.V.公司分別於2001年和2003年先後推出了三維隧道分析程式（3DT）和三維基礎分析程式（3DF），後來不斷升級至2.0以上的版本；直到2010年，PLAXIS B.V.公司推出了第一款全三維程式PLAXIS 3D 2010，截至2014年已升級至PLAXIS 3D 2013版。目前PLAXIS B.V.公司已不再出售3DT和3DF程式，也不再對之前的3DT和3DF用戶提供技術支持，而是全面推廣建模分析功能和操作體驗都遠勝於前者的PLAXIS 3D程式，即3DT和3DF目前已被淘汰，用戶如想獲得技術支持需先向PLAXIS B.V.公司繳納一定的升級費用升級到新版本後才可享受相應的技術支持服務。

PLAXIS 3D 2013新特性

1 根據CPT曲線生成土層（VIP）

2 遠程腳本API（VIP）

3 NGI-ADP模型（VIP）

4 土工試驗參數最佳化

5 自由場 / 柔性基礎邊界（動力 + VIP）

6 板端承載力

7 錨桿和界面殘餘強度

8 界面張開閉合

9 3D滲流模組（可選）

PLAXIS 3D基本功能

PLAXIS 3D程式可建立各種複雜的三維模型，如地表地形起伏變化、多個非水平分布土層、大量結構單元與各種荷載等，分析功能與PLAXIS 2D AE基本一致（可參見3.2節的內容）。

輸入界面友好：

· 利用勘察孔數據輸入土層

· 支持DXF、DWG 、3DS及地形圖導入

· 模型瀏覽器可以連結到所有幾何對象

· 命令流操作及模型重現功能

· 交叉和合併工具方便模擬複雜幾何形狀

· 邏輯性強的岩土分析流程

· 便捷的圖形化用戶界面

· 以勘察孔為嚮導的土層建模

· 真三維建模

3D計算特性：

· 廣受認可、功能強大的計算程式

· 命令流：模型定義、重現；

· EXCEL表格數據導入

· 64位計算核心

· 並行計算（針對相互獨立的計算階段）

· 批處理

輸出特性：

· 等值線、雲圖、等勢面及矢量分布圖

· 可移動剖面輸出

· 高級數據分割

· 報告及動畫生成器

工程套用

基坑工程：PLAXIS程式內嵌的HS和HSS本構模型對於開挖類問題具有獨特的優勢，在建築基坑、捷運基坑等開挖支護分析中有大量套用，廣受認可。

地基基礎：PLAXIS程式提供了獨特的Embedded樁單元，可模擬包含大量樁構件的大型樁筏基礎。

隧道工程：PLAXIS程式提供了專門的隧道設計器工具以及模擬地層損失的斷面收縮設定，對於模擬盾構隧道、新奧法隧道及其他施工方法提供了便利條件。

港口碼頭：PLAXIS程式的滲流模組功能強大、設定簡便，模擬拉錨板樁施工及軟土變形效果良好。

邊坡工程：PLAXIS程式內置基於強度折減法的安全性計算類型，可在邊坡開挖、加固施工後快速進行穩定性分析，獲得潛在滑移範圍和安全係數。

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