Расчет консолидации необходим, когда требуется рассчитать стабилизацию осадки во времени (рассеивание избыточного порового давления во времени). Как правило, расчет консолидации необходимо выполнять при быстром нагружении грунтового основания: очень часто такие задачи встречаются в дорожном строительстве при отсыпке насыпи на слабом основании. В автодорожном строительстве важно корректно выполнять расчет консолидации для таких задач, так как в СП 34. 13330 в пункте 7.31 содержатся следующие положения по поводу возведения насыпи на слабых основаниях:

К насыпям на слабых основаниях предъявляются дополнительные требования:

• Боковое выдавливание слабого грунта в основании насыпи в период эксплуатации должно быть исключено;
• Интенсивная часть осадки основания должна завершиться до устройства покрытия (исключение допускается при применении сборных покрытий в условиях двухстадийного строительства);
• Упругие колебания насыпей на торфяных основаниях при движении транспортных средств не должны превышать величины, допустимой для данного типа дорожной одежды;
• Устойчивость и осадки основания насыпи, а также ее упругие колебания прогнозируют на основе расчетов.

Примечания

1. За завершение интенсивной части осадки допускается принимать момент достижения 90%-ной консолидации основания или интенсивности осадки не более 2,0 см/год при дорожных одеждах капитального типа и 80%-ной консолидации или интенсивности осадки не более 5,0 см/год при дорожных одеждах облегченного типа.
2. Допустимую интенсивность осадки разрешается уточнять на основе опыта эксплуатации дорог в тех или иных природных условиях.

Для моделирования слабого грунта рекомендуется применять модель «Soft Soil» (с помощью этой модели можно учесть первичную [фильтрационную консолидацию]), или «Soft Soil Creep» (с помощью этой модели можно учесть первичную и вторичную консолидацию). Для использования этих моделей необходимо иметь соответствующие изыскания и выполнить их калибровку. Материалы с выполнением калибровки доступны по данной ссылке.

Алгоритм моделирования задач с консолидацией

В данной главе рассмотрены основные шаги при моделировании задач с консолидацией, а также наиболее популярные инструменты, которые используются при решении таких задач.

1. Задание материалов и свойств

При задании материала грунта помимо классических параметров грунта нужно внимательно отнестись к заданию параметров, которые влияют на расчет консолидации напрямую. Данные параметры представлены на рисунке 1 в красном прямоугольнике:

• Нужно выбрать тип дренирования грунта, для Мора-Кулона доступно 3 типа недренированного поведения (эффективная жесткость/эффективная прочность, эффективная жесткость/недренированная прочность, недренированная жесткость/недренированная прочность). При задании недренированной прочности параметр cu задается, как c, а угол внутреннего трения не учитывается. Если грунт оставить по умолчанию, как «Drained», то midas GTS NX все равно будет считать его недренированным.
• Отношение доли нагрузки в начальный момент времени, которая воспринимается водой и скелетом грунта, сильно зависит от недренированного коэффициента Пуассона или коэффициента Скемптона.
• kx, ky, kz — это коэффициенты фильтрации относительно глобальных осей.
• Параметр ck влияет на изменение коэффициентов фильтрации при сжатии.

Параметры, описанные выше, необходимо получать в лаборатории и калибровать для корректного результата.

Рисунок 1. Задание параметров материала для расчета консолидации

2. Моделирование грунтовых вод

Уровень грунтовых вод при расчете консолидации (тип расчета «Consolidation» при создании расчетного случая) недопустимо определять узловыми напорами: «Seepage/Consolidation Analysis» — «Boundary» — «Nodal Head», инструмент «Nodal Head» расчет типа «Consolidation» не воспринимает. Воду для типа «Consolidation» необходимо задавать стандартными способами: «Seepage/Consolidation Analysis» — «Boundary» — «Water Level» и далее созданную функцию нужно включить в настройках стадии, либо грунтовые воды можно определить сразу в настройках стадии, если их уровень горизонтальный. Если не задать уровень WL, то поровое давление будет равно избыточному. Если WL учитывать, то поровое давление будет состоять из 2-х слагаемых: гидростатического давления воды и избыточного давления воды.

В midas GTS NX также есть полностью совмещенный расчет («Fully Coupled Stress Seepage»), в котором учитывается консолидация, данный расчет рекомендуется применять для сложных гидротехнических сооружений. В «Fully Coupled Stress Seepage» воду возможно задавать и через «Nodal Head» и через «Water Level».

Если есть необходимость запретить образование избыточного порового давления воды, то для этого нужно воспользоваться инструментом «Seepage/Consolidation Analysis» — «Boundary» — «Non ConSolidation» и далее выбрать элементы, в которых будет запрет на образование избыточного порового давления. При работе с этим инструментом создается именно граничное условие, поэтому созданное граничное условие нужно активировать при настройке стадии.

3. Определение закрытых/открытых границ

По умолчанию границы в midas GTS NX являются закрытыми, вода может фильтроваться только сверху вниз. Для открытия границ нужно «Seepage/Consolidation Analysis» — «Boundary» — «Draining Condition», далее выбрать нужные узлы и активировать созданное граничное условие на стадиях. Данная опция очень сильно влияет на расчет.

На рисунке 2 представлены изополя избыточного порового давления. В данном примере рассмотрена половина насыпи, если открыть левую границу, то результат не будет корректным (не будет образовываться ярко выраженной зоны с избыточным поровым давлением по центру насыпи), поэтому для такой задачи левую границу нужно обязательно оставить закрытой.

Рисунок 2. Изополя с избыточным поровым давлением воды для насыпи

4. Моделирование дополнительных мероприятий

В midas GTS NX есть все необходимые инструменты для моделирования любых геотехнических дополнительных мероприятий. Ниже приведен список некоторых из них:

• Моделирование дрен;
• Моделирование щебеночных свай;
• Моделирование геосинтетических материалов.

Моделирование дрен

Идеальную дрену возможно замоделировать инструментом «Seepage/Consolidation Analysis» — «Boundary» — «Draining Condition» и далее необходимо выделить узлы, которые принадлежат дрене, и активировать созданное условие на нужной стадии. Данную задачу корректнее решать в 3D постановке, так как в 2D постановке не учитывается шаг дрен из плоскости модели. Данный способ позволяет сократить путь фильтрации и ускоряет рассеивание избыточного порового давления воды. На рисунке 3 представлен пример результатов избыточного порового давления для насыпи с дренами в момент активации дрен.

Рисунок 3. Изополя с избыточным поровым давлением воды для насыпи с идеальными дренами 

Моделирование щебеночных свай

Щебеночные сваи служат для уменьшения осадки и за счет большего коэффициента фильтрации сваи увеличивают скорость диссипации избыточного порового давления. Моделировать щебеночные сваи необходимо объемными элементами, процесс моделирования не отличается от моделирования классической объемной сваи, только нужно ввести характеристики материала, которые соответствуют щебеночной сваи. Данную задачу наиболее корректно решать в 3D, так как в 2D постановке не учитывается шаг из плоскости модели и необходимо высчитывать приведенную жесткость для зоны, где расположены щебеночные сваи. На рисунке 3 и 4 представлен пример модели насыпи со щебеночными сваями с результатами.

Рисунок 4. Модель насыпи со щебеночными сваями 

Рисунок 5. Изополя с избыточным поровым давлением воды для насыпи с щебеночными сваями

Моделирование геосинтетических материалов

Геосинтетические материалы создаются в 3 этапа:

1) Создание материала. Для создания геосинтетического материала нужно перейти в «Mesh-Prop./Csys./Func.-Material-Create-Orthotropic» и далее в открывшемся в окне в пункте «Model Type» необходимо выбрать «Geogrid», см. рисунок 6. В параметрах материала нужно указать параметры жесткости: E1, E2 и G12, а также прочность на разрыв относительно оси 1 и 2: «Tensile Strength 1» и «Tensile Strength 2». При задании геосетки для 2D задачи E2, G12 и «Tensile Strength 2» не учитываются.

Рисунок 6. Параметры материала «Geogrid»

2) Создание свойства. «Mesh-Prop./Csys./Func.-Property-Create-1D-Geogrid» для 2D задачи и «Mesh-Prop./Csys./Func.-Property-Create-2D-Geogrid» для 3D задачи. То есть в случае с 2D задачей геосетка моделируется в виде стержневого элемента, а в случае с 3D — оболочкой. В параметрах материала нужно указать материал, который был создан на предыдущем этапе и приведенную толщину геосетки.

3) Генерация сетки КЭ со свойством, созданным на предыдущем этапе. При необходимости для геосетки возможно учесть контакт геосетки о грунт, для этого нужно создать интерфейс по такому же принципу, как и для ограждения котлована.

5. Создание стадийности

Стадийность нужно создавать с типом «Stage Type „Consolidation“», см. рисунок 7. Далее при создании стадии нужно задавать время для каждого этапа, В настройках стадии нужно перейти в «Time Step» — см. рисунок 8. Для начальной стадии тоже необходимо формально определить время, но при этом при расчете начальной стадии будет произведен статический анализ. Для задания времени есть 2 способа:

1) Время указать в «Duration», а также нужно указать количество инкрементов в «Step Number», для вывода каждого инкремента (а не только последнего) необходимо активировать «Save Result», далее нужно нажать на «Generate Step» и «OK» внизу окна — см. рисунок 9. Нагрузка, активированная на текущей стадии, делится на количество инкрементов и прикладывается постепенно, на последнем инкременте прикладывается 100% от активированной нагрузки на текущем этапе.

Рисунок 7. Создание стадийности

Рисунок 8. Окно настройки стадии

Рисунок 9. Окно «Time Step» и определение инкрементов вручную

2) Время стадии указать в «Duration», а инкременты программа может определить автоматически в зависимости от изменения избыточного порового давления. Для определения инкрементов в автоматическом режиме нужно активировать «Auto Time Step» и задать начальный шаг «Initial Time Step», определить пороговое значение изменения избыточного порового давления воды для автоматического создания инкремента «Max. Pore Pressure Changes Per Step» и пороговое значения отношения максимального времени шага к начальному «Ratio of Max Time Step to Initial» — см. рисунок 10. Для вывода каждого инкремента в «Save Step» нужно выставить «Every Increment». Использование данной опции оправдано на стадии с выдержкой нагрузки, то есть не рекомендуется использовать эту опцию, если на данной стадии активируется какая-либо нагрузка.

Рисунок 10. Окно «Time Step» и определение инкрементов автоматически

6. Анализ результатов

В midas GTS NX возможно выполнить анализ в виде графиков (это наиболее наглядный способ), для этого нужно воспользоваться инструментом «Result» — «Advanced» — «Extract» и далее нужно выбрать расчетный случай, тип выводимых результатов, стадии и выбрать узел, для которого будут выводиться результаты, и нажать на «Table» — см. рисунок 11. Результаты отобразятся в табличном виде — см. рисунок 12. Далее результаты в табличном виде можно скопировать в Excel и далее работать с ними в Excel. В столбце с наименованием «Step Value» отображается время в секундах. Если выделить 2 столбца, нажать правую кнопку мыши и выбрать «Show Graph», то можно отобразить график непосредственно в midas GTS NX. На рисунке 13 показан пример настройки некоторых опций графика, а на рисунке 14 — пример графика деформации от времени. По такому же принципу можно построить график избыточного порового давления (EXCESSIVE PORE STRESS) от времени.

Рисунок 11. Окно «Extract»

Рисунок 12. Результаты в табличном виде

Рисунок 13. Настройка параметров графика

Рисунок 14. График изменения осадки во времени

Выводы

Для расчета консолидации в midas GTS NX есть все необходимые инструменты для моделирования абсолютно любых мероприятий, в данной статье были представлены лишь некоторые способы из множества. Также в midas GTS NX удобно анализировать результаты расчета консолидации, в данной статье был рассмотрен только самый наглядный тип результата — это результат в виде графиков, но также доступны и другие инструменты, которые рассматривались в других статьях: можно создать анимацию изменения избыточного порового давления воды во времени, можно в векторном виде анализировать пути фильтрации и т. д.