PLAXIS
Геотехнические расчеты
Инженерный анализ — завершающий этап любого строительного проекта, определяющий надежность и качество возводимого объекта. Рынок программ для инженерных расчетов предлагает достаточно много как российских, так и зарубежных разработок, позволяющих с высокой степенью достоверности выполнять расчеты несущих конструкций в их надземной части. К сожалению, куда меньше освоена область связанных с геотехнической инженерией расчетов, в основу которых положены процессы моделирования грунтов, взаимодействия между конструкциями и грунтами. Качественных, понятных и удобных программ для профессионалов здесь пока немного. Программа PLAXIS предназначенна для выполнения конечно-элементного анализа деформаций и устойчивости конструкций в проектах, связанных с геотехнической инженерией.
Назначение и состав программы
PLAXIS предназначен главным образом для проектных организаций и высших учебных заведений. Это мощный, удобный инструмент и для исследований, и для практического применения в сфере промышленного и гражданского строительства. PLAXIS может быть применен для решения большинства задач в сфере традиционной механики грунтов. Он охватывает вопросы закладки и возведения фундаментов, земляных работ (устройство котлованов, траншей и т.д.), строительства подпорных стен, расчетов устойчивости откосов, расчетов дорожной насыпи (в том числе и на динамическое воздействие), инфильтрации, прокладки тоннелей. Программа используется как для расчета отдельных элементов, так и для комплексных вычислений.
Программные продукты фирмы PLAXIS BV представлены следующими расчетными пакетами:
PLAXIS Professional — пакет, предназначенный для двумерного конечно-элементного анализа деформаций и устойчивости в проектах, связанных с геотехнической инженерией.
PLAXIS Dynamics module — дополнение к Plaxis Professional, расширяющее возможности последнего при моделировании динамических воздействий.
+ PLAXIS 3D Tunnel — геотехнический пакет, разработанный специально для конечно-элементного трехмерного анализа деформаций и устойчивости при проектировании тоннелей. Теперь рассмотрим основные возможности программ, их структуру, методы расчетов
Рис. 1. Устройство подпорной стенки
Начало работы
При проведении геотехнических расчетов необходимо наличие основных почвенных моделей для имитации нелинейного и нестационарного поведения почв. При этом следует обязательно учитывать и сам субстрат почвы как таковой, гидростатическое и негидростатическое поровое давление в ней. Таким образом, основной акцент делается именно на взаимодействии почвы и тех сооружений, которые могут быть возведены на данном участке.
Входные данные
Ввод геометрии слоев грунта, конструкции, нагрузок и граничных условий базируется на CAD-процедурах черчения, которые обеспечивают подробное и точное моделирование реальной ситуации. Для ввода геометрии в PLAXIS представлены такие элементы, как балка, шарнир, контактные поверхности, анкеры, геотекстиль (георешетки), тоннели, граничные условия, нагрузки. Из созданной геометрической модели программа в автоматическом режиме генерирует неструктурированную конечно-элементную сетку с возможностью глобального и локального изменения ее плотности. Использование в модели элементов высокого порядка полезно для равномерного распределения напряжений в грунте и точного предсказания недопустимых нагрузок. Пользователю предоставлен выбор между 6-узловыми и 15-узловыми элементами, что можно с успехом использовать в осесимметричном анализе.
Рис. 2. Препроцессор PLAXIS
Модели грунтов
Самая простая из используемых в PLAXIS моделей грунтов — модель Кулона-Мора. Эта нелинейная модель базируется на параметрах грунтов, которые в большинстве случаев известны. Модель Кулона-Мора может применяться, например, для вычислений реальных конечных нагрузок кольцевых фундаментов, коротких свай, а также для расчета запаса прочности. Модель рыхлых гру нтов используется для точного анализа логарифмической работы на сжатие нормально консолидированного рыхлого грунта. Модель мягких ползучих грунтов — это усовершенствованная версия модели мягких грунтов, включающая моделирование второй стадии ползучести. Твердая модель применяется для более твердых грунтов — таких, как сверхконсолидированные глины и пески. Здесь используется упруго-пластичный тип гиперболической модели.
Для генерации устойчивого состояния порового давления существует два альтернативных подхода:
· анализ потока подземных вод, где комплексное распределение порового давления может генерироваться на основе двумерного анализа течения грунтовых вод;
· уровень грунтовых вод. В простых случаях мультилинейное поровое давление может быть сгенерировано непосредственно на основе уровня грунтовых вод. Для каждого слоя почвы можно выделить различные уровни грунтовых вод. Более того, поровое давление в слое может быть интерполировано от порового давления в смежных слоях грунта.
При моделировании проницаемых песков и почти непроницаемых глин PLAXIS различает дренированные и недренированные грунты. Избыточное поровое давление определяется при расчете пластичности, когда недренированный слой грунта подвергается нагрузке. Нагрузки на недренированные грунты часто являются решающими для устойчивости геотехнических сооружений. В случаях недостаточной устойчивости для уменьшения избыточного порового давления требуется ввод вспомогательных периодов консолидации.
Рис. 3. Конечно-элементная сетка модели земляной плотины
Расчетные возможности
PLAXIS предлагает различные виды расчетов: расчет пластичности, анализ консолидации и анализ усовершенствованной конечно-элементной сетки. Расчетные фазы для каждого проекта могут определяться непосредственно перед выполнением вычислений.
Расчет пластичности. Коэффициенты нагрузки используются для активизации установленных нагрузок (сосредоточенных или распределенных), установленных перемещений, веса и усадки грунта (для моделирования щитовой проходки тоннелей). Предусмотрена возможность моделировать процесс строительства.
Поэтапное возведение. Активизируя и деактивизируя группы элементов, пользователь может моделировать процесс строительства и экскавации. Эта процедура позволяет дать реалистическую оценку напряжений и перемещений, вызванных, например, строительством земляных дамб или котлованов для фундаментов глубокого заложения. Опция этапного конструирования используется также для активизации изменений в распределении порового давления.
Консолидация. Снижение избыточного порового давления во времени может быть вычислено при анализе консолидации. Анализ консолидации требует ввода коэффициента проницаемости для различных слоев грунта. Процедура автоматического пошагового изменения времени делает анализ ясным и простым в использовании.
Усовершенствованный анализ Лагранжа. С помощью этой опции можно постоянно корректировать сетку конечных элементов во время расчета. Если пользователь сталкивается с ситуацией, при которой обычный анализ малых деформаций может привести к существенным изменениям геометрии, рекомендуется выполнить более точный расчет с помощью усовершенствованного анализа Лагранжа.
Коэффициент устойчивости. Коэффициент запаса обычно определяется как отношение разрушающей нагрузки к действующей нагрузке. Это определение годится для фундаментов, но не для насыпных сооружений и шпунтовых стен. Для указанных конструкций более подходит используемое в механике грунтов понятие «коэффициент устойчивости», который определяется в PLAXIS как отношение действительной поперечной силы к минимальной требуемой для равновесия.
При выполнении расчетов PLAXIS может быть запущен в режиме автоматического выбора шага величины и шага времени. Это позволяет избежать выбора подходящего приращения нагрузки для расчетов пластичности, что гарантирует эффективность и точность процесса вычислений.
Контроль длины дуги. Это свойство позволяет точно рассчитать разрушающие нагрузки и выявить механизм разрушения. В обычных расчетах контролируемых нагрузок процедура итерации прекращается, когда возрастающая нагрузка превысит пиковую. При использовании метода контроля длины дуги приложенная нагрузка понижается до такого уровня, чтобы зафиксировать пиковую нагрузку и любые остаточные нагрузки.
Выходные данные
Постпроцессор PLAXIS имеет развитые возможности графического представления результатов расчета. В выходные таблицы заносятся точные значения перемещений, напряжений, структурных воздействий. Все данные могут быть выведены на принтер или плоттер в табличном либо полноцветном формате.
Осуществляется графический вывод деформированной сетки, общие или дискретные перемещения. Производится графический вывод действующего напряжения, порового давления и избыточного порового давления.
PLAXIS позволяет создавать графики всех типов напряжений и перемещений в любом сечении. Существует специальный инструмент для черчения кривых «нагрузка-перемещение», траектории напряжения и диаграмм «напряжение-деформация». Визуализация траектории напряжения дает возможность проникнуть в поведение локального грунта и облегчает анализ рассчитанных в PLAXIS результатов.
Рис. 4. Расчет устойчивости откоса (на рисунке хорошо видна кривая обрушения)
Заключение...
При кажущейся простоте, интуитивно понятном графическом представлении, достаточно небольшом количестве выполняемых программой операций PLAXIS — это многофункциональный комплекс, полностью решающий задачи, связанные с геотехнической инженерией.+ Программа очень многогранна; детальное ее изучение открывает новые и новые возможности, которые в значительной степени упрощают и оптимизируют процесс проектирования.
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, используя при этом хорошо отлаженные и теоретически обоснованные вычислительные процедуры.
С помощью PLAXIS 2D Вы можете легко создать геометрическую модель в режимах задания грунтового основания и задания конструкций. 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 и/или скальных пород. Специальные процедуры позволяют проводить расчёты с учётом гидростатических и не гидростатических поровых давлений в грунте, что позволяет учесть грунта как многокомпонентный материал. Программа вывода данных содержит разнообразные инструменты визуализации результатов.
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.
PLAXIS 2D – геотехническая программа с дружественным пользовательским интерфейсом, предлагающая гибкую и унифицированную геометрию, реалистичное моделирование этапов строительства, устойчивое к ошибкам и надёжное расчётное ядро, подробная обработка результатов расчёта – всё это даёт полное комплексное решение Ваших геотехнических проектов и расчётов.
Функциональные возможности
Моделирование:
• Удобный графический пользовательский интерфейс;
• Командная строка и исполнитель команд (VIP);
• Удалённое выполнение скриптов через API с помощью оболочки Python (VIP);
• Создание геологических колонок для моделирования грунтового основания;
• Импорт и интерпретация данных измерений по грунту CPT для создания геологического стратиграфического разреза (VIP);
• Набор конструкционных элементов: плиты, геосинтетика, анкеры, ряд погруженных балок;
• Шарниры и поворотные пружины;
• Произвольные комбинации сосредоточенных сил и распределённых нагрузок;
• Проводники Model (Модель) и Selection (Выбор), предоставляющие прямой доступ ко всем объектам в модели;
• Одновременный выбор нескольких объектов и их редактирование;
• Возможность создания криволинейных поверхностей (Tunnel designer) с опцией импорта геометрии из CAD-приложений;
• Возможности импорта элементов из CAD-приложений (VIP);
• Моделирование стандартных лабораторных испытаний грунта (SoilTest);
• Обратный расчёт параметров материалов (оптимизация параметров)
• Проектные методы (Eurocode 7, LRFD и др.).
Модели материалов:
• Линейная упругая модель (Linear elastic);
• Модель Мора-Кулона (Mohr-Coulomb);
• Упругопластическая модель с упрочнением грунта (Hardening Soil);
• Упругопластическая модель с упрочнением грунта и жесткостью при малых деформациях (HS Small strain stiffness);
• Модель слабого грунта (Soft soil);
• Модель ползучести слабого грунта (Soft Soil creep);
• Модель трещиноватой скальной породы (Jointed Rock);
• Модифицированная модель типа Cam-Clay (Modified Cam Clay);
• Модель NGI-ADP (VIP);
• Модель Хёка-Брауна (VIP) (Hoek-Brown);
• Модель Секигучи-Ота невязкого материала (VIP) (Sekiguchi-Ohta, Inviscid);
• Пользовательские модели грунта (VIP) (User Defined Soil Models);
Расчёты:
• Удобный проводник этапов расчёта;
• Пластический расчёт, расчёт фильтрации грунтовых вод, расчёт консолидации, расчёт безопасности (устойчивости);
• Автоматическое восстановление расчётных этапов;
• Апробированные и устойчивые методики вычислений;
• Возможность расчёта на 64-разрядных системах с использованием многоядерного процессора (VIP);
• Расчёты установившейся фильтрации грунтовых вод с учётом изменяющихся фильтрационных характеристик, граничных условий, дрен и колодцев.
• Результаты:
• Реалистичный прогноз перемещений и напряжений;
• Изображение деформаций и напряжений в изолиниях, в цветовой заливке, в изоповерхностях и в векторах;
• Создание отчётов и анимационных роликов;
• Усилия в кластерах (обделка туннеля, подпорная стенка);
• Добавление комментариев;
• Построение кривых для анализа развития напряжённо-деформированного состояния;
• Интерактивные подсказки;
• Отображение результирующих сил;
• Предварительный просмотр результатов.
Модуль PLAXIS 2D Dynamics является расширением программы PLAXIS 2D. Геотехнические расчёты требуют использования усовершенствованных определяющих моделей, учитывающих нелинейное, анизотропное и развивающееся во времени поведение грунтов и скальных пород. Хотя моделирование самого грунта является важным результатом, многие проекты затрагивают вопросы моделирования работы конструкций и их взаимодействия с грунтом. Модуль 2D Dynamics позволяет рассчитывать процесс распространения волн в грунте и оценивать их влияние на работу сооружений при сейсмическом нагружении, а также вибрациях, возникающих при строительстве. PLAXIS Dynamics предоставляет возможность выполнять динамические расчёты в отдельных расчётных фазах.