一、概述
PLAXIS 2D 是一款用于分析岩土工程变形和稳定性的二维有限元软件。它提供方便的建模方式、先进的本构模型和计算方法，以模拟土和岩石的非线性、时间相关性和各向异性，计算土的静水压力及超静水压力，分析土与结构的相互作用。PLAXIS 2D 由主程序、渗流模块、动力模块、热力学模块共同组成，可以完成 THM（热 + 渗流 + 力学）多场完全耦合的岩土工程力学仿真模拟。至今，PLAXIS 软件已广泛应用于各种基础设施的岩土工程项目，如：基坑、挡墙、边坡、抗滑桩、隧道、桩（筏）基础、码头工程等，并得到世界各地岩土工程师的认可，日渐成为其日常工作中不可或缺的数值分析工具。截至 2019 年初，世界范围内 PLAXIS 售出多达 22,000 个产品；其中国内用户已有 300 多个产品，分别是：交通、建筑、航务、电力、石化、等行业设计院及高校和科研院所。
1.1 传统计算方法的问题
传统设计分析方法总是将土体简化为弹簧或者荷载。对于岩土工程结构设计本身分析而言，计算结果能够定性难以定量。因此需要留有足够的安全系数来确保安全，往往并不经济，而且更无法对周边既有建筑进行评估。
1.2 计算更精确更经济
Plaxis 有限元程序将土体和结构建立在同一个数值模型，采用 Plaxis 特有的著名土体本构模型 HSS (小应变土体硬化本构模型) 进行精细化的分析。可以更精确的获得计算出结构的受力和变形，从而优化岩土结构设计，节约成本，还可以通过施工过程的模拟，将施工方案进行优化，节约工期。
1.3 结构与岩土共同作用
Plaxis 将周边既有建筑物一起建立数值模型中，再进行施工过程的模拟，可以定量的获得周边既有建筑物的变形和受力影响，从而确保施工方案安全可行。
二、功能
2.1 主程序功能：
本构模型：
• 线弹性、莫尔库伦、节理岩体（JR）、土体硬化（HS）、小应变土体硬化（HSS）、液化砂土（PM4sand）、喷射混凝土、不排水循环累积模型（UDCAM-S）、软土蠕变（SSC）、软土（SS）、修正剑桥粘土（MCC）、霍克 - 布朗准则 (岩石)、NGI-ADP 各向异性剪切强度模型 (近海)、Sekiguchi-Ohta 模型（针对正常固结粘土）、用户自定义本构。
建模：
• CAD 式建模并支持 CAD 图形导入、命令流、基于 python 的高级汇编语言（API 远程脚本）；
• 施工过程仿真模拟、逻辑性施工阶段、真实的模拟各种复杂支护体系、精确获得各阶段的地下水瞬态渗流过程、按需进行各施工阶段的稳定性分析、分项系数设计（结合规范）、64 位计算内核，多核并行运算。
土工实验室：
• 模拟静、动三轴试验、侧限压缩试验、循环加载；
• 等应变率压缩试验、直剪试验、常规三轴试验可导入真实土工试验室曲线进行拟合和参数优化。
隧道设计器：
• 圆形及非圆形的隧道断面可施加曲线荷载；
• 盾构隧道及新奥法隧道的模拟初衬、二衬等支护条件模拟。
二次开发模块：
• 支持客户进行自定义土体本构模型的嵌入；
• 支持初级命令流和高级汇编语言的控制及二次开发。
2.2 渗流模块功能：
渗流（PlaxFlow）模块是提供非稳态渗流与完全耦合计算的可选模块。对于大量的实际应用，需要同时考虑变形和渗流。对于时间相关分析，需要混合的位移和孔隙水压力方程，称为耦合力学方法，必须同步求解。这类分析基于 Biot 固结原理，用户可以对具有时间相关边界条件的饱和及非饱和土体同时计算变形和渗流。
应用
• 疏降水设计
• 疏降水对地层和既有结构的影响
• 模拟非饱和土行为
• 边坡稳定分析（滑坡、边坡稳定里的环境影响（降雨、洪水等））
• 具有坍陷风险的土体 (压实土)
• 排水系统
• 施工顺序
• 水位快速下降分析
建模
• 时间相关边界条件（线性、简谐和用户定义）
• 各种流体边界条件（渗透、水头、给定边界流量、渗透量 / 析出、排水沟 / 墙）
• 各种土体水特征曲线 (SWCC) (Mualem-Van Genuchten、近似 Van Genuchten 和用户定义)
• 各种 SWCC 预定义数据集，基于不同土分类体系（标准、Hypres，USDA 和 Staring）
• 作为不饱和土模型状态变量的 Bishop 应力和吸力
• 著名的 Barcelona 基本模型
• 用户定义的非饱和土模型
• 瞬态水头自动用应用到封闭边界上
计算
• 仅地下水流动选项
• 全耦合的渗流 - 变形分析
• 可以模拟部分饱和土在所有类型分析（塑性、Phi/C 折减、动力和固结分析）中的力学行为
结果
• 流量
• 位移和应力
• Darcy 流速
• 基质吸力
• 饱和度
• 相对渗透率
• 地下水头
2.3 动力模块功能
用来分析通过土体中波的传播，及对结构的影响，可以用来分析地震荷载和由于施工活动导致的振动。2D 动力模块提供了在一个独立计算阶段进行动力分析的功能。
应用
• 单源振动
• 地震模拟
• 土 - 结构动力相互作用
• 评估固有频率和共振
• 动力作用下堤坝稳定分析
• 机械或交通振动
• 冲击荷载
• 结构在地震作用下的响应
• 隧道衬砌的变形
建模
• 自由场和柔性基底边界（VIP）
• 自由度绑定的动力边界条件（VIP）
• 不同动力荷载类型：谐波，表，SMC 数据
• 对节点荷载、分布荷载和规定的位移（速度、加速度）定义为时间相关的动力荷载
• 独立的横向和纵向位移（速度、加速度）分量
• 吸收（粘性）边界可以在模型边界处吸收波
• 各层土体和结构的材料数据集的瑞利阻尼
• 平滑网格，防止数值震荡和内部反射
• HS 模型包括小应变刚度、模量折减和滞回阻尼
• UBCSAND 液化模型（可用于用户自定义土模型）
计算
• 动力乘子类型：指定位移，荷载和弯矩
• 使用动力子步的自动化的时间步
• 选择 Newmark 时间积分方法（αN and βN）
• 自由振动分析
• 简谐荷载
• 导入 SMC 文件进行时间相关的动力加载
结果
• 位移、速度、加速度
• 结构内力和位移的包络
• 时间 - 位移、时间 - 速度、时间 - 加速度曲线
• 利用快速傅立叶变换的时间曲线和频率曲线
• 伪谱加速度反应谱
• 动画（生成 AVI 文件）
2.4 热分析模块
一些岩土工程应用需要考虑热流场对土层水力和力学行为的影响。PLAXIS 2D 温度模块提供了分析土层中热流场的工具，同时又能分析热流对土层中地下水渗流和应力、应变的影响。这一重要扩展拓宽了程序在土木、环境、能源、矿山和极地工程中的应用范围。
建模
• 材料模型和结构单元的热性能
• 热流边界条件的绘制工具
• 施加温度，热量的流入和流出，热对流（气候和冻结管）边界条件
• 时间相关的热边界条件的简谐、线性和列表输入
• 土和结构的热膨胀
• 部分饱和土
• 阶段修改
计算
• 热流 - 水力耦合分析
• 稳态和瞬态热分析
• 热流 - 力学耦合分析
结果
• 土和结构中的温度和热流分布
• 土和结构中的温度和热流曲线
应用
• 基坑工程中由于内支撑的热膨胀导致的支撑内力和围护墙内力（由阳光吸收和温度变化引起）
• 人工地层冻结法的开挖工程中冻结管周围的温度分布
• 考虑地下管线热膨胀情况下的地表位移和稳定性
• 气候改变对地表温度分布的影响（比如永久冻土地区），评估土层性质的相应变化
• 含水层中钻孔热交换的效率和持续性
• 地下核废料存储引起的温度变化
混凝土本构模型
