Программы, основанные на методе конечных элементов.

Одним из наиболее функционально полных, применяемых при сложных геотехнических расчетах различными организациями, включая НИИОСП им. Герсеванова, является программный комплекс PLAXIS.

PLAXIS представляет собой пакет конечно-элементных программ для выполнения расчётов сложных комплексных геотехнических проектов в области современного высокотехнологического строительства.

В процессе двухмерных и трёхмерных расчётов, доступных в программах PLAXIS, определяются напряжения, деформации, прочность (устойчивость) в сложных геотехнических системах с учётом совместной работы инженерных конструкций и их взаимодействия с грунтом на этапах строительства, эксплуатации и реконструкции.

Рис.28. Моделирование работы котлована и шпунта с существующими зданиями в комплексе PLAXIS

Программа PLAXIS 2D предназначена для комплексных расчётов напряжённо-деформированного состояния и устойчивости геотехнических объектов различного назначения методом конечных элементов в условиях плоской задачи. Программа учитывает различные особенности геотехнических конструкций и процессов возведения сооружения.

Программа PLAXIS 3D предназначена для комплексных расчётов напряжённо-деформированного состояния и устойчивости геотехнических объектов различного назначения методом конечных элементов в условиях пространственной задачи.

Созданные пространственные модели автоматически пересекаются и разбиваются на конечные элементы. Режим задания поэтапного строительства позволяет моделировать возведение сооружения и процессы экскавации грунта путём активирования и деактивирования кластеров грунта и элементов конструкции. Расчётное ядро позволяет моделировать реалистичное нелинейное, зависящее от времени и анизотропное поведение грунтов. Специальные процедуры позволяют проводить расчёты с учётом гидростатических и не гидростатических поровых давлений в грунте, что позволяет учесть грунт как многокомпонентный материал.

Области применения программы PLAXIS: оценка мульды оседания дневной поверхности при проходке туннеля, расчёт консолидации насыпей, перемещения грунта рядом с котлованом, устойчивость плотины при различных уровнях воды и многое другое.

Не менее интересной является программа FEM-models, разработанная специалистами ведущих научных институтов Санкт-Петербурга. Разрабатывавшаяся изначально, как программа, в основном, связанная с расчетами основания, на данный момент FEM-models заявляется как мировой лидер в практике совместных расчетов зданий и оснований, при которых здание и его основание рассматривается как единая система.

Программа FEM-models 2.0 успешно прошла сертификацию на соответствие требованиям всех геотехнических норм - СНиП, СП и ТСН, посвященных основаниям зданий и сооружений, свайным фундаментам, основаниям гидротехнических сооружений, мерзлым грунтам, основаниям мостов и труб, а также СНиП "Нагрузки и воздействия". Сертификация была проведена центром сертификации программной продукции в строительстве.

В настоящее время в рамках программы разработан ряд моделей, описывающих работу основания и сооружения. Среди них:

• линейно и нелинейно упругие модели (изотропные, ортотропные, анизотропные среды), модели объемно несжимаемых сред;

• упруго-пластические модели (идеальная упруго-пластичность, шатровые модели);

• реологические модели;

• геометрически нелинейные модели сплошных сред;

• напорная и безнапорная фильтрация;

• стационарная и нестационарная задача теплопроводности;

• задачи термо-вязко-упруго-пластичности;

• модели структурно неустойчивых сред;

• задачи динамики сплошных сред.

Рис.29. Модель для совместных расчетов надземной части Концертного зала Мариинского театра, подземной части театра и его основания (грунта), выполненная в программе FEM-models

 

Кроме крупных программных комплексов, с помощью которых можно решать большой спектр геотехнических задач, существуют и более узкоспециализированные программы, которые решают локальные задачи, стоящие перед проектировщиком.

Одной из важных геотехнических задач является расчет устойчивости откосов, как свободных, так и пригруженных, например, в результате строительства сооружения. Разработано большое количество программ, реализующих стандартные методы механики грунтов, такие как метод Маслова и метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения, а также иные методы.

Программы позволяют увеличить количество расчетных вариантов, что увеличивает надежность полученных результатов и позволяет более обоснованно выполнять проектирование потребных ссоружений.

К таким программам относится программа ОТКОС, GeoStab из комплекса GeoSoft, программы, входящие в комплект SCAD Soft и другие.

Рис.30. Расчет устойчивости откоса в программе GeoStab с учетом выполнения усиливающих анкеров

Еще одной из часто встречающихся задач является расчет на прочность и устойчивость ограждений котлованов. Примером такой программы является, например, программа Alterra из того же комплекса GeoSoft.

Рис.31. Расчет устойчивости откоса в программе Alterra с учетом выполнения усиливающих анкеров

 

Конечно, перечисленные программы и решаемые задачи лишь небольшая часть из существующих в настоящее время. С каждым годом увеличивается мощность компьютеров, появляется возможность реализации все более сложных геотехнических моделей, развиваются программные комплексы. Результатом чего является уточнение и приближение к реальности получающихся расчетных значений, что позволяет увеличить экономичность применяемых решений при неизменно высоком уровне надежности, а в отдельных случаях и с ее повышением.

 ЛИТЕРАТУРА

1. Цытович Н. А. Механика грунтов / Н. А. Цытович. – М.: Высшая школа, 1973.
2. Далматов Б.И. и др. Механика грунтов. Часть 1. Основы геотехники. – М.; СПб.: Изд-во АСВ, 2000.
3. Котов М.Ф. Механика грунтов в примерах. М.: Высшая школа, 1968. 271 с.
4. Бартоломей А.А. Механика грунтов: Учебник.-М.:АСВ.2003.304с.
5. Ухов, С. Б. Механика грунтов, основания и фундаменты / С. Б. Ухов, В. В. Семенов, В. В. Знаменский и др. – М.: Изд-во АСВ, 2005.
6. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии).-2-ое изд. перераб и доп.-Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1988.–415 с.
7. Бугров А. К. Механика грунтов: учебное пособие / А. К. Бугров. – СПб.: СПбГТУ, 2007.
8. Мангушев Р. А. Механика грунтов: учебник / Р. А. Мангушев, В. Д. Карлов, И. И. Сахаров. – М.: Изд-во АСВ, 2010.
9. Малышев, М. В. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах): учебное пособие / М. В. Малышев, Г. Г. Болдырев. – М.: Издательство АСВ, 2001.
10. ГОСТ 25100–2011. Грунты. Классификация. – М., 2013.
11. ГОСТ 5180–84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. – М., 1985.
12. ГОСТ 20522–2012. Грунты. Метод статистической обработки результатов испытаний. – М., 2013.
13. ГОСТ 22733–2002. Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности. – М., 2003.
14. ГОСТ 12071–2014. Отбор, упаковка, транспортировка и хранение образцов. – М., 2015.
15. ГОСТ 12248–2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. – М., 2011.
16. ГОСТ 20276–2012. Грунты. Методы полевого определения деформируемости. – М., 2013.
17. ГОСТ 25584–90*. Грунты. Метод лабораторного определения коэффициента фильтрации. – М., 1991.
18. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. – М., 2011.
19. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. – М., 2011.

 

Примеры решения задач для самостоятельной

 подготовки