Выбор модели грунта для различных задач

Геотехники в своей практике встречаются с различными задачами. Ниже представлен список наиболее популярных геотехнических задач, которые пользователи midas GTS NX решают в программных комплексах компании Midas:

• расчет оценки влияния,
• расчет свайно-плитного фундамента, 
• расчет подпорных стен,
• расчет ограждения котлована, 
• расчет плитного фундамента, 
• расчет усиления окружающей застройки,
• расчет устойчивости склонов, 
• расчет насыпи на слабом основании,
• расчет тоннелей,
• расчет зданий и сооружений в сейсмоопасных районах и т. д.

Инженеру необходимо определить модель грунта, которая позволит достичь необходимого качества результата, а это зависит в первую очередь от типа задачи и от условий конкретной задачи. Очевидно, что если нужно выполнить расчет оценки влияния, который включает в себя расчет ограждения котлована и расчет усиления окружающей застройки, то модель «Mohr-Сoulomb» использовать нельзя, нужно использовать более совершенные модели грунта. Ниже перечислены наиболее популярные модели грунта:

• Mohr-Coulomb

  Идеально упругопластическая модель грунта, которая подходит для моделирования дисперсных и скальных грунтов. Данная модель требует малое количество исходных данных и является самой простой в понимании из всех упругопластических моделей грунта, но использовать ее для большинства задач допустимо только в первой итерации для приближенного расчета; 

• Soft Soil

  Более совершенная модель грунта, чем модель «Mohr-Coulomb». Данная модель так же требует небольшой объем испытаний: для задания жесткостных параметров необходимы компрессионные испытания, а прочностные характеристики определяются стандартными испытаниями. «Soft Soil» хорошо подходит для моделирования фундаментов и насыпей на слабых основаниях, так как учитывает изменения жесткостных параметров в зависимости от напряжений. В отличие от модели «Mohr-Coulomb» в «Soft Soil» можно учесть жесткость при разгрузке и повторном нагружении и параметры переуплотнения OCR и POP. Но выполнять расчет осадки окружающей застройки от откопки котлована уже некорректно; 

• Soft Soil Creep

  Модель немного отличается от «Soft Soil»: учитывает ползучесть с помощью коэффициента ползучести (учитывает вторичную консолидацию). Для корректного использования этой модели потребуются дополнительно фильтрационные испытания. Данная модель хорошо подходит для расчета насыпей на слабом водонасыщенном основании. 

• Hardening Soil

  Модель более совершенна, чем «Soft Soil», так как учитывает упрочнение при объёмном сжатии и при сдвиге. Большой минус этой модели в том, что для ее корректного использования требуется большой объем исходных данных: помимо компрессионных испытаний необходимы трехосные испытания. Данная модель очень хорошо подходит для задач с преобладающими сдвиговыми деформациями. С помощью этой модели можно корректно решать множество задач: расчет оценки влияния, расчет ограждения котлована, расчет подпорных стен, расчет усиления окружающей застройки и т. д.

• Hardening Soil Small Strain

  Модель имеет преимущество перед «Hardening Soil»: она учитывает жесткость грунта при малых деформациях. Она лучше подходит для расчета размера зоны влияния, но и требует больше изысканий: в дополнение к испытаниям для «Hardening Soil» необходимо иметь испытания по методу малоамплитудных динамических колебаний в резонансной колонке.

• Hoek-Brown

  Изотропная модель грунта предназначена для моделирования скальных пород, у которых нет выраженной слоистости и систем трещин. Данная модель учитывает нелинейную зависимость прочности от напряжений. В качестве исходных данных для этой модели выступают эмпирические коэффициенты, упругость и прочность на одноосное сжатие. 

• Jointed Rock

  Анизотропная модель для моделирования скального грунта с выраженными поверхностями ослабления: выраженная слоистость и система трещин. Для получения вводных параметров для «Jointed Rock» необходимы традиционные испытания.

Роль изысканий в моделировании

После выбора модели грунта инженеру необходимо определить достаточный объем геологических изысканий. В идеальном случае инженер-геотехник должен работать совместно с геологом, но очень часто инженеры-геотехники сталкиваются с ситуацией, когда имеют недостаточный объем изысканий для своих задач. В этом случае рекомендуется запрашивать дополнительные испытания, потому что если вводных параметров недостаточно, а расчетчик все равно считает задачу, принимая недостающие исходные данные по допущениям, которые не регламентированы российскими нормами (а прописаны в мануалах к программе), то это может привести к нерациональным инженерным решениям или даже к аварийной ситуации. Например, если у инженера есть только компрессионные испытания, то нельзя корректно использовать «Hardening Soil».

У инженеров-геотехников не должно возникать ситуаций, когда имеющиеся изыскания в недостаточном объеме являются определяющим фактором при выборе модели грунта.

Роль калибровки исходных параметров грунта

Если все необходимые данные для задания грунта у инженера-геотехника имеются, то последний этап подготовки исходных данных для расчета — это калибровка/расчет исходных параметров. Вводные параметры в большинстве случаев не осязаемы: нельзя, например, точно увидеть по численному параметру m (Power of Stress Level Dependency), как поведет себя грунт, тем более нельзя этого сделать в совокупности с другими параметрами. Инженер должен примерно понимать, с каким грунтом он имеет дело, как поведет грунт при изменении одного какого-либо параметра в большую или меньшую сторону, но геотехника требует точности. А для точности инженеру-геотехнику необходимо задать поведение грунта в программе таким же, каким оно проявляется в лабораторных приборах, а оценивать точность нужно не по каким-то значениям, а именно по графикам, по их наложению друг на друга. Различные испытания можно моделировать в КЭ постановке, но для этого потребуется самостоятельно разбивать нагрузку по итерациям, продумывать корректные настройки решателя, граничные условия и т. п.

Soil Test

Для упрощения процедуры калибровки параметров разработчики midas GTS NX создали «Soil Test». «Soil Test» — это подпрограмма в midas GTS NX, с помощью которой можно выполнять виртуальные испытания грунта: трехосные испытания (Tri-Axial), компрессионные испытания (Oedometer), испытание с постоянной скоростью нагружения (CRS), испытания на простой сдвиг (DSS), пользовательское испытание (General Test) — см. рисунок 1. В идеальном случае в виртуальной лаборатории «Soil Test» нужно повторить графики реальной лаборатории, а для этого необходимо итерационно менять параметры до наложения графиков. Пример калибровки с использованием «Soil Test» возможно посмотреть в видео. 

Рисунок 1. Список доступных испытаний в «Soil Test»

Для создания виртуального испытания в «Static Slope Analysis» — «Wizard» — «Soil Test» необходимо проделать следующие шаги:

• задать имя испытания (см. рисунок 2 обозначение 1);
• выбрать тип испытания, для разных типов испытаний будут немного отличаться настройки (см. рис. 2 обозначение 2);
• выбрать испытываемый материал (см. рисунок 2 обозначение 3);
• настроить параметр «Initial Stress» (начальное давление, с минусом — сжатие), для трехосных испытаний «Initial Stress» — это боковое давление (см. рисунок 2 обозначение 4);
• настроить параметры стадийности испытания на вкладке «Stage»: для одометрического испытания в столбце «Stage» требуется указать тип подстадии («Loading» — нагрузка, «Constant» — выдержка, «Unloading» — разгрузка), в столбце «Inc.» нужно указать количество выводимых инкрементов, в столбце «Time(day)» указывается время подстадии, в столбце «sigmazz(кН/м2)» нужно указать нагрузку (в «Loading» — до какой нагрузки происходит сжатие, в «Unloading» — какая нагрузка снимается). Настройка параметров отличается для разных типов испытаний, но по наименованиям столбцов интуитивно понятно, за что отвечает конкретный столбец, так как в наименованиях столбцов используются общеизвестные обозначения. На вкладке «Analysis» можно поменять настройки решателя для «Soil Test» (не рекомендуется этого делать), а на вкладке «Output» — настроить параметры вывода результатов (см. рисунок 2 обозначение 5);
• последним действием необходимо нажать клавишу «Add», и виртуальное испытание будет создано. Если в дальнейшем потребуется изменить параметры испытания, то из списка созданных виртуальных испытаний, нужно выбрать испытание для редактирования, далее изменить параметры испытания и нажать на «Modify» (см. рисунок 2 обозначение 6).

Рисунок 2. Создание виртуального испытания в «Soil Test»

Созданные испытания отображаются в левой части окна «Soil Test» — см. рисунок 3. Далее для запуска испытания на расчет нужно активировать левый столбец (включить галочку напротив нужного испытания) и нажать на «Analysis» (см. рисунок 3), далее появится небольшое окно статуса расчета, в этом окне для доступа к результатам нужно нажать на «Close». Статус испытания отображается в правом столбце (см. рисунок 3): крестик означает, что испытание не рассчитано, и результаты для данного испытания недоступны, а кружок означает рассчитанное испытание, и для доступа к результатам достаточно нажать на «Show Graph».

Рисунок 3. Запуск на расчет виртуальных испытаний в «Soil Test»

На рисунке 4 представлен пример результатов рассчитанных испытаний. В левой части окна (см. рисунок 4) пользователь может активировать необходимые графики для анализа. В окне анализа результата есть 2 режима: «Independence» и «Overlap». Данные режимы отличаются друг от друга тем, что в режиме «Overlap» можно наложить графики двух и более разных испытаний, см. рисунок 4. Отображение графиков можно менять в настройках «Chart Setting».

Рисунок 4. Анализ результатов в «Soil Test» в режиме «Overlap»

При реализации наложения графиков виртуальных испытаний на реальные испытания и дальнейшей калибровке вводных параметров нужно экспортировать результаты виртуальных испытаний в табличном виде в Excel, для этого в окне результатов «Soil Test» нужно нажать на «Data Grid» — см. рисунок 5. Экспорт результатов доступен только в режиме «Independence», при этом должна быть активирована только одна зависимость, в противном случае может возникнуть ошибка в программе. Далее табличные данные можно скопировать и вставить в Excel, и уже в Excel накладывать графики виртуальных испытаний на лабораторные. В несколько итераций можно получить корректные исходные параметры.

Рисунок 5. Экспорт результатов графика в табличном виде

Заключение

«Soil Test» обязательно нужно использовать при решении геотехнических задач, так как инженер обязан задавать себе вопросы: «Как программа воспринимает исходные данные, которые я ввожу?» Вводные параметры очень сильно влияют на итоговые инженерные решения. Калибровка поможет принять наиболее рациональные решения или же избежать аварийной ситуации.

Тему выбора модели грунта и калибровки вводных параметров невозможно уместить в рамках одной статьи или видео. Будущие наши материалы будут дополнять эту тему.

Пройдите бесплатный вводный курс по midas GTS NX

Решите три базовых геотехнических задачи и изучите возможности расчетного комплекса