Моделирование свай в midas GTS NX инженеру необходимо для достижения следующих целей:

• Корректный расчет модели со свайным или свайно-плитным фундаментом

  В этом случае несущая способность закладывается в параметры контакта на границе свая или грунт. Контакт может быть реализован в виде интерфейса, свайного интерфейса или грунта с пониженными характеристиками в окрестностях сваи. Для наиболее корректных результатов параметры контакта сваи с грунтом нужно получать по калибровке статических испытаний сваи.

• Расчет несущей способности сваи с помощью проведения виртуальных испытаний

  Виртуальные испытания необходимо проводить в случае, когда нет данных по испытаниям, а несущую способность по СП 24.13330 невозможно определить из-за ограничений, заложенных в нормативную документацию (например, для винтовой сваи с 3-мя лопастями невозможно определить несущую способность аналитическим расчетом).

В midas GTS NX есть несколько основных способов моделирования свай:

• Моделирование сваи стержневыми элементами без учета контакта свая или грунт;
• Моделирование сваи стержневыми элементами с учетом контакта сваи или грунта с помощью окрестного грунта с пониженными характеристиками;
• Моделирование сваи стержневым элементом с учетом контакта свая или грунт с помощью свайного интерфейса;
• Моделирование сваи объемными элементами с интерфейсом по поверхности.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки, далее в этой статье будет рассмотрен каждый метод более детально.

Моделирование свай стержневыми элементами без учета контакта свая или грунт

В каких случаях применяется?

Данный способ можно использовать при расчете только в первой итерации, так как данный способ противоречит нормативной документации из-за невозможности учесть поведение грунта на контакте со сваей (пункт 7.7.10 СП 24.13330, текст данного пункта представлен ниже), стержневой элемент в этом случае жестко связан с грунтом. Главное преимущество этого способа — это ускорение процесса моделирования и простота моделирования относительно других способов.

Пункт 7.7.10 из СП 24.13330: «Концентрацию сдвиговых деформаций и пластическое течение грунта по границе „свая-грунт“ следует описывать путем использования „интерфейсных“ (контактных) элементов или надлежащего сгущения конечно-элементной (конечно-разностной) разбивки с введением элементов с пониженными прочностными характеристиками. Характеристики таких элементов должны назначаться в зависимости от типа свай путем снижения прочностных характеристик грунтов с учетом коэффициента условий работы сваи в соответствии с таблицей 7.6.»

Моделирование

Свайный элемент возможно задать 2-мя способами:

а) стержневым элементом «Beam» при условии соблюдения узловой связи элементов грунта и сваи;

б) стержневым встроенным элементом «Embedded Beam», при использовании данного элемента узловую связь элементов грунта и сваи соблюдать необязательно, данный вариант предпочтительнее из-за своей простоты.

Плюсы метода

• Скорость моделирования;
• Скорость расчета при применении Embedded Beam;
• Простота в моделировании

Минусы метода

• Не соответствует требованиям нормативной документации;
• Не учитывается поведение грунта на контакте грунт/свая, что ведет к некорректному формированию НДС в модели;
• Не учитываются габариты сваи

Моделирование сваи стержневыми элементами с учетом контакта свая/грунт с помощью окрестного грунта с пониженными характеристиками

В каких случаях применяется?

Данная методика уже не противоречит нормативной документации, главное ее преимущество — простота калибровки сваи по натурным испытаниям, так как калибровка сводится к подбору параметров окрестного грунта. При учете контакта свая/грунт предпочтительнее использовать моделирование стержневого элемента со свайным интерфейсом, данный метод описан в настоящей статье в пункте 4.

Моделирование

Свайный элемент возможно задать двумя путями:

а) стержневым элементом «Beam» при условии соблюдения узловой связи элементов грунта и сваи;

б) стержневым встроенным элементом «Embedded Beam», при использовании (данный вариант предпочтительнее из-за своей простоты)

Для соблюдения пункта 7.7.10 СП 24.13330 нужно размельчить сетку и ввести в окрестностях каждого стержневого элемента дополнительный набор конечных элементов с пониженными характеристиками грунта.

Плюсы метода

• Учет требований нормативной документации;
• Можно корректно учесть параметры на контакте свая/грунт;
• Параметры контакта просто калибровать по статическим испытаниях, так как калибровка сводится к калибровке параметров окрестного грунта;
• Скорость расчета

Минусы метода

• Сложность моделирования: для реализации данного метода нужно вводить дополнительные наборы КЭ вокруг свай;
• Невозможно ввести параметры несущей способности по боковой поверхности и острию напрямую;
• Не учитываются габариты сваи

Моделирование сваи стержневым элементом с учетом контакта свая/грунт с помощью свайного интерфейса

В каких случаях применяется?

Данная методика не противоречит нормативной документации, является наиболее оптимальной и востребованной для моделирования свай. Данный метод позволяет напрямую заносить несущую способность сваи в параметры свайного интерфейса, и получить корректные результаты НДС. Калибровка по статическим испытаниям происходит за счет итерационного изменения параметров свайного интерфейса.

Моделирование

Свая моделируется стержневым ОДНИМ стержневым элементом, и далее для сваи (стержневого элемента) создается свайный интерфейс «Mesh» — «Element» — «Pile/Pile Tip». Следует отличать свайный интерфейс и обычный интерфейс. Элемент «Pile» отвечает за контакт боковой поверхности грунта о сваю, а «Pile Tip» — за контакт острия сваи и грунта. Учет 7.7.10 СП 24.13330 реализуется за счет моделирования интерфейса.

Параметры интерфейса можно представить в виде пружин в нормальном и касательном направлении с прочностными характеристиками. За счет пружин между грунтом и сваей реализуется проскальзывание сваи относительно грунта, то есть свая и грунт не работают совместно (Kt и Kn — это жесткость элемента «Pile» в касательном направлении, а «Tip Spring Stiffness» — жесткость для элемента «Pile Tip»).

Прочностные характеристики интерфейсных пружин представляют собой по сути несущую способность сваи («Ultimate Shear Force» — для элемента «Pile» [для боковой поверхности], а «Tip Bearing Capacity» — для элемента «Pile Tip» [для острия]). Если, например, у свайного интерфейса одного элемента заложена несущая способность «Ultimate Shear Force» в 50кН/м2, то «Pile Force» (результаты по боковой поверхности свайного интерфейса): «TANGENTIAL X» (продольное усилие в касательном направлении) для этого элемента не может принять значение больше 50кН/м2, при достижении 50кН/м2 нагрузка будет распределяться на недогруженные свайные интерфейсы (в том числе на острие Pile Tip), если все свайные интерфейсы («Pile» и «Pile Tip») получат предельное значение в пределах одной сваи, то нагрузка от ростверка будет распределяться на недогруженные сваи и грунт под ростверком. Если проинтегрировать результаты «Pile Force: TANGENTIAL X» по длине сваи и просуммировать полученное значение со значением по острию сваи «Pile Tip Force: TANGENTIAL X», то должно получиться значение несущей способности сваи Fd.

При калибровке по статическим испытаниям для получения корректных результатов итерационно меняются жесткостные и прочностные параметры свайного интерфейса до достижения сходимости графиков реального испытания и виртуального. Для лучшей сходимости иногда требуется сильно завышать параметры Kt и Kn.

Для корректного сравнения работы сваи в midas GTS NX с работой сваи в комплексе конкурентов необходимо Kt и Kn в midas GTS NX так же сильно завышать. Но завышенные параметры Kt и Kn не является всегда правильным решением при моделировании.

Для упрощения моделирования наша компания разработала утилиту «Свайный интерфейс», данная утилита позволяет быстро вычислить и импортировать параметры интерфейса в GTS NX. Данную утилиту возможно скачать по данной ссылке. 

Плюсы метода

• Учет требований нормативной документации;
• Можно корректно учесть параметры на контакте свая/грунт;
• Простота калибровки, так как калибровка сводится к калибровке параметров интерфейса;
• Скорость моделирования;
• Скорость расчета;
• Возможно вводить напрямую несущую способность полученную по СП 24.13330 в параметры интерфейса;
• Через параметры интерфейса возможно учесть габариты сваи (опция «Consider Elastic Zone» на рисунке 1);
• Можно задать исходные параметры сваи по статическому зондированию (опция «Function» на рисунке 1)

Минусы метода

Много вводных параметров;
Для корректного учета габаритов сваи нужно выполнить дополнительные действия, габариты некоторых свай невозможно учесть. 

Рисунок 1. Параметры материала свайного интерфейса «Pile» (для боковой поверхности)

Рисунок 2. Параметры свойства «Pile Tip» (для острия)

Моделирование сваи объемными элементами с интерфейсом по поверхности

В каких случаях применяется?

Данная методика не противоречит нормативной документации и необходима в случаях, когда нет данных по испытаниям сваи, а несущую способность невозможно вычислить аналитически из-за ограничений СП 24.13330, либо в случаях, когда учет реальных геометрических параметров сваи может значительно повлиять на результаты расчета. Преимущественно этот метод используют для проведения виртуальных статических испытаний свай с целью получения несущей способности сваи. Главный плюс данного метода — это учет истинных габаритов сваи, а главный недостаток — это скорость расчета, так как при моделировании свай объемными элементами вырождается большое количество конечных элементов, поэтому при возможности нужно избегать данный способ моделирования.

Моделирование

Свая моделируется объемными конечными элементами, по поверхности сваи создается обычный интерфейс. Инженер должен внимательно отнестись к определению параметров интерфейса, так как параметры интерфейса очень сильно влияют на итоговые результаты определения несущей способности сваи по виртуальным испытаниям. Обычный интерфейс, по сути, не отличается от свайного интерфейса, но отличаются только вводные параметры, прочностные параметры не вводятся напрямую, а задаются через удельное сцепление и угол внутреннего трения. Можно задать данные параметры автоматически через понижающий коэффициент в «Wizard» при создании интерфейса.

Плюсы метода

• Учет требований нормативной документации;
• Можно корректно учесть параметры на контакте свая/грунт;
• Можно максимально корректно учесть габариты сваи.

Минусы метода

• Скорость моделирования;
• Скорость расчета;
• Невозможно ввести параметры несущей способности по боковой поверхности и острию напрямую.

Рисунок 3. Параметры обычного интерфейса

Заключение

Для большинства задач достаточно моделировать сваю стержневым элементом со свайным интерфейсом, данный способ является оптимальным и инженеру доступно множество настроек для достижения максимально корректных результатов. Но если необходимо получить несущую способность для сваи, для которой нет испытаний и при этом невозможно вычислить несущую способность аналитически, то рекомендуется выполнять вычисление несущей способности сваи по виртуальным статическим испытаниям и моделировать сваю трехмерными элементами с созданием интерфейса по поверхности.