Программный комплекс PLAXIS – эффективный инструмент для геотехнических расчетов транспортных сооружений

При расчетном обосновании проекта инженер сталкивается с рядом весьма сложных и порой взаимосвязанных задач, требующих исследовательского подхода, когда изменение конструктивного или технологического элемента приводит к изменению ряда других стартовых параметров проекта. И в первую очередь, требуется вдумчиво и ответственно подойти к прогнозу поведения грунтов, на которых будет строиться сооружение, ведь их природное состояние и свойства будут изменяться в зависимости от процессов, инициированных запроектированной конструкцией сооружения и выбранной технологией его возведения.

Такой творческий подход в инженерном деле может быть реализован с помощью программного комплекса PLAXIS, ориентированного на выполнение комплексных геотехнических расчетов напряженно-деформированного состояния системы "основание-сооружение" в процессе ее формирования и дальнейшей эксплуатации.

Используя PLAXIS, инженер имеет возможность оперативного сопоставления различных проектных вариантов с учетом различных факторов, влияющих на выбор оптимального решения:

• геологическое строение неоднородного грунтового основания, свойства грунтов;
• строительство в стесненных условиях с близко расположенными зданиями и инженерными коммуникациями;
• технология строительства, искусственное улучшение грунтов;
• статические и динамические нагрузки при строительстве и эксплуатации сооружения.

В программный комплекс PLAXIS в настоящее время входит ряд прикладных вычислительных программ для конечно-элементных расчетов сложных комбинированных геотехнических систем с различными по назначению объектами, в том числе транспортного строительства (дорожные насыпи, путепроводы, мосты, тоннели):

• PLAXIS 2D предназначена для статических расчетов напряженно-деформированного состояния, устойчивости и фильтрации в условия плоской задачи;
• Dynamics module представляет собой дополнение к программе PLAXIS 2D для динамических расчетов с циклическими (вибрационными), импульсными (ударными) и сейсмическими нагрузками;
• PlaxFlow module представляет собой дополнение к программе PLAXIS 2D для расчетов сложных режимов установившейся и неустановившейся фильтрации в насыщенных и ненасыщенных водой грунтовых массивах;
• PLAXIS 3D предназначена для трехмерных расчетов деформаций и устойчивости пространственных строительных объектов совместно с грунтовым основанием.

С помощью этих программ могут быть решены сложные геотехнические задачи, связанные с проектированием транспортных сооружений:

• Обеспечение устойчивости грунтового сооружения и основания
• Расчет осадки насыпей на слабых основаниях
• Усиление грунтовых сооружений и их оснований
• Оценка совместной работы насыпей и подземных сооружений
• Расчеты трасс на подрабатываемых территориях и в зонах затопления
• Проходка транспортных тоннелей
• Проектирование специальных сооружений и мостовых опор

В PLAXIS реализована концепция простых в использовании программ для инженеров-расчетчиков, которые не обязательно должны быть специалистами в области численных методов расчета и современной нелинейной механики грунтов. PLAXIS можно рассматривать как некоторый математический конструктор, с помощью которого можно создавать сложные геотехнические структуры, используя графические методики (CAD-черчение или импорт из AutoCAD), и затем рассчитывать их. В распоряжении инженера находится набор конечных элементов с определенными свойствами, отражающими работу компонентов геотехнической системы: грунт, массивный бетон (железобетон), зоны взаимодействия между сооружением и грунтом, плиты, балки, стойки, распорки, анкеры, геосетки, сваи. Моделирование нелинейного, зависящего от времени и анизотропного поведения грунтов и горных пород в PLAXIS осуществляется с помощью ряда моделей разной степени сложности, достаточно полно отражающих особенности поведения грунтов при нагружении и разгрузке. Для выбора адекватной модели и ее расчетных параметров имеется опция Soil test (испытание грунта), являющаяся математическим (компьютерным) аналогом стандартных (ГОСТ 12248-96) лабораторных испытаний грунтов.

Следует отметить, что в PLAXIS грунт моделируется как многокомпонентный материал (частицы, вода, газ), в котором могут возникать давления в поровой воде (гидростатическое и избыточное), что нашло свое отражение в специальных расчетах (фильтрация, консолидация). Программа PLAXIS позволяет моделировать поэтапные процессы возведения сооружения, выемки и отсыпки грунта, приложения различных по величине и направлениям нагрузок, создавать сценарии аварийных ситуаций и оценивать их последствия в работе сооружения.

Динамичное развитие программного обеспечения PLAXIS проводится при поддержке Сообщества по разработке PLAXIS, в котором участвуют более 30 компаний, оказывающих финансовую поддержку и контролирующих эффективность и качество программных продуктов, обеспечивая связь с инженерной практикой. Кроме того, компания PLAXIS является членом некоммерческой организации NAFEMS по использованию конечно-элементных методов для моделирования в различных инженерных областях. Разработка и усовершенствование PLAXIS были бы невозможны без проведения научных исследований в различных университетах и научно-исследовательских институтах мира. Для поддержания высокого технического уровня и внедрения новых технологий коллектив разработчиков Plaxis находится в контакте с группой ведущих исследователей и ученых в области геомеханики и численных методов расчета.

Для пользователей Plaxis действует сервисная программа PLAXIS VIP для получения оперативной информации, новых версий установленных программ и консультаций специалистов. Для успешного освоения программ при решении геотехнических задач проводятся курсы по теоретическим и практическим аспектам компьютерного моделирования (www.plaxis.nl, www.plaxis.ru).  Два раза в год выходит международный бюллетень, в котором публикуется описания проектов с расчетами в программах PLAXIS, примеры использования усовершенствованных моделей грунта, информация о новых разработках, советы по оптимальному использованию программ и календарь событий. Ежегодно в июне компания ООО "НИП-Информатика", являющаяся официальным представителем компании PLAXIS b.v. в России, проводит в Санкт-Петербурге научно-практическую конференцию российских пользователей PLAXIS. Практически на всех последних научно-технических конференциях в России, посвященных геотехническим проблемам в различных областях строительства, приводятся результаты расчетов, выполненных с помощью программ PLAXIS.

Уже 10 лет программный комплекс PLAXIS широко и эффективно применяется в России. За этот период коллективными пользователями PLAXIS стали более 150 ведущих проектных, научно-исследовательских институтов, инженерных и конструкторских бюро, строительных компаний и высших учебных заведений. В области транспортного строительства программы PLAXIS успешно используются в ЦНИИС (Москва), НИИОСП (Москва), Ленгипротранс (Санкт-Петербург), Трансмост (Санкт-Петербург), Стройпроект (Санкт-Петербург), Минскметропроект (Минск), Метрогипротранс (Москва), Сочитранстоннельпроект (Сочи), Бамтоннельпроект (Новосибирск), Уралгипротранс (Екатеринбург) и других организациях.

Программный комплекс PLAXIS имеет сертификат ГОССТАНДАРТа РОССИИ, удостоверяющий соответствие выполняемых с его помощью геотехнических расчетов требованиям положений нормативных документов.

Располагая современными упругопластическими моделями для грунтов и нелинейными моделями для конструкционных материалов, программный комплекс PLAXIS позволяет в полной мере реализовать основной принцип проектирования по предельным деформациям сооружения вплоть до его разрушения, как на стадии строительства, так и на стадии эксплуатации или реконструкции. Эти три важные этапа жизни сооружения могут быть последовательно смоделированы с учетом развивающихся во времени процессов и ситуаций. Особенно следует подчеркнуть возможность расчетов консолидации, необходимость выполнения которых продиктовано строительством на слабых, водонасыщенных грунтах, а также расчетов устойчивости (безопасности) с определением потенциальных поверхностей разрушения и значения коэффициента запаса по достигнутому напряженному состоянию в грунтах.

Постпроцессор PLAXIS имеет эффективные графические средства для вывода на экран результатов вычислений деформаций, напряжений, усилий (моментов, продольных и перерезывающих сил) в элементах конструкции в различных форматах представления (векторы, изолинии, изополя, эпюры в сечениях), а также таблицы выходных данных. Графики и таблицы могут быть отправлены на устройства вывода данных или занесены в буфер обмена Windows® для экспорта в другие программные средства.

В качестве примеров расчетного обоснования проектов с помощью PLAXIS, в которых принимали участие специалисты компании OOO "НИП-Информатика", можно привести проект насыпи участка кольцевой автодороги вокруг Санкт-Петербурга (ОАО "Трансмост"), проект реконструкции участка автодороги "Раздольное-Хасан" в Приморском крае (ОАО "Ленгипротранс").

Рис. 1.  Распределение вертикальных перемещений в армогрунтовой насыпи и основании с грунтоцементными сваями (КАД, Санкт-Петербург)

Рис.2 Оценка общей устойчивости насыпи на слабом основании (автодорога "Раздольное-Хасан")

В заключении отметим, что, занимая, вполне заслуженно, ведущее место среди специальных (прикладных) компьютерных программ у инженеров-проектировщиков в различных областях строительства, программный комплекс PLAXIS обеспечивает высокие показатели эффективности, надежности и экономичности проектируемых сооружений.

А.И. Голубев,
к.т.н., с.н.с.
А.В. Селецкий,
нач. геотехнического отдела
ООО "НИП-Информатика"