Оценка и прогноз геотехнических ситуаций является одной из важнейших задач при возведении строительных объектов. Теоретически и технически обоснованный геотехнический расчет — залог надежности и долговечности строительного объекта. Именно поэтому многие компании вкладывают значительные средства в разработку программного обеспечения для геотехнических расчетов.
На сегодняшний день существует достаточное количество программ для решения названных задач. В этой статье мы рассмотрим пример инженерного геотехнического расчета с применением широко известного российским геотехникам программного комплекса PLAXIS.
Но вначале — несколько слов о программе.
Работа с моделью реализуется через различные режимы, что позволяет быстро и легко собрать модель, разбить ее на конечные элементы, учесть технологию возведения и получить оптимальный результат.
PLAXIS предлагает более 15 моделей грунта, с помощью которых можно рассчитать и спрогнозировать НДС системы «грунтовое основание — сооружение». Дополнительные инструменты позволяют учесть взаимодействие грунта с конструкциями (геосетки, плиты, анкеры, распорки, сваи, контактные элементы).
Расчетное ядро программного комплекса PLAXIS обеспечивает достаточно быстрое получение стабильного результата.
Универсальность применения позволяет применять PLAXIS во многих отраслях строительства: в промышленно-гражданском, гидротехническом, транспортном, атомном и нефтегазовом, а также в туннелестроении (рис. 1).
Модульная система программного комплекса PLAXIS обеспечивает выполнение основных видов расчетов: напряженно-деформируемое состояние (НДС), консолидация, устойчивость, фильтрация, динамические и температурные воздействия (рис. 2).
Работа программы основана на принципах численного моделирования с использованием метода конечных элементов. Это позволяет моделировать многие геотехнические задачи, такие как возведение сооружений, устройство фундаментов, откопка котлованов и их ограждение, решение гидротехнических задач, учет динамического воздействия от транспорта, оборудования или от сейсмических нагрузок. Численное моделирование обеспечивает возможность прогнозировать развитие событий при негативных природных или техногенных воздействиях. Это позволяет адекватно оценить ситуацию и выбрать оптимальный вариант конструктивного решения или мероприятия по инженерной защите.
Рассмотрим применение программного комплекса PLAXIS на примере дорожного строительства.
На одном из крупнейших объектов транспортной инфраструктуры подрядной организацией стала зарубежная строительная компания. Первоначальное проектное решение предусматривало устройство насыпи на слабых грунтах большой (около 35 м) мощности с необходимостью формирования на некоторых участках вертикального откоса (в условиях городской застройки) со свайным основанием. Для протяженного линейного объекта, имеющего широкую (местами более 50 м) подошву, использование большого количества буронабивных свай диаметром около метра означало существенный рост стоимости. Рассмотренные на первом этапе альтернативные решения предполагали другие варианты свай (щебеночные, DDS), и следует отметить, что крупные петербургские компании, предлагающие эти технологии, предоставляли свои расчеты в программном геотехническом комплексе PLAXIS. Кроме того, обсуждались различные методы обеспечения вертикального откоса: армогрунтовая, габионная и железобетонная конструкции.
Окончательное решение, принятое проектным институтом, предполагало использование буронабивных свай, гибкого геосинтетического ростверка из высокопрочного тканого геотекстиля, а также армогрунтовую конструкцию для обеспечения вертикального откоса. Однако зарубежный подрядчик с целью экономии решил использовать естественную прочность грунта, повышающуюся в процессе консолидации, и свести к минимуму затраты на мероприятия по стабилизации грунтового основания. В связи с этим проект подлежал изменению для оптимизации его стоимости. Следует отметить, что первоначальное проектное решение было достаточно консервативным и тиражировалось на всех объектах с аналогичными инженерно-геологическими условиями. При этом расчетное обоснование выполнялось с использованием методов, применявшихся в прошлом столетии для, по возможности, надежных расчетов вручную. Новое же решение требовало более современного подхода, обеспечивающего снижение затрат, неизбежных при консервативной методике, основанной на применении упрощенных приемов. Этого предполагалось достичь путем использования инструмента, потенциал которого был определен еще в 80-х годах прошлого века. Метод конечных элементов (МКЭ) считается наиболее подходящим для решения геотехнических задач самой разной сложности. Программный комплекс PLAXIS не только имеет в своем арсенале более реалистичные модели грунтов (от достаточно простой SoftSoil, параметры которой могут быть получены по результатам стандартных испытаний, до Hardening SoilSmall — одной из лучших из доступных на сегодняшний день моделей, или модели NGIADP, позволяющей оценивать сложное анизотропное напряженное состояние сооружений на слабых грунтах), но и обеспечивает возможность производить расчет с учетом изменений прочности в процессе консолидации (упрочнение), что и требовалось для рассматриваемого объекта.
Благодаря использованию PLAXIS с универсальным типом поведения моделей по условиям дренирования UndrainedA было получено решение, альтернативное дорогостоящей свайной конструкции. Возведение насыпи производится в две стадии: первая — отсыпка крутого армированного откоса на вертикальной системе дренирования с применением геосинтетических ленточных дрен, а также мешков с пригрузом на месте последующего возведения облицовочной системы; вторая начинается после полного рассеивания избыточного порового давления и завершения процесса консолидации. Мешки с временным пригрузом убирают, а на их месте устанавливается облицовочная стена из вибропрессованных блоков, которая крепится к армогрунтовому откосу (рис. 3).
После успешного прохождения государственной экспертизы и многочисленных дополнительных проверок со стороны заказчика строительство объекта началось. Основная его часть была построена в соответствии с рабочей документацией, однако на одном из участков возникли осложнения, связанные с согласованием проведения работ вблизи ЛЭП. Ситуация потребовала отступлений от рабочей документации, что привело к временному отсутствию насыпи в том месте, где она должна была своим весом обеспечивать процесс консолидации (рис. 4).
В ходе совещания проектной и подрядной организаций с привлечением для консультации специалистов-геотехников было выработано решение начать возводить насыпь на месте прогала обычными темпами, а параллельно выполнить расчеты требуемого пригруза и времени консолидации. Зарубежная геотехническая компания предложила свою помощь в выполнении численного моделирования сложившейся ситуации и прогноза принятого решения в трехмерной постановке в программе PLAXIS 3D. Потребность в трехмерном моделировании связана с необходимостью учесть в продольном направлении, с одной стороны, цементацию грунта по технологии Jet, а с другой — ленточные дрены и уже возведенную на полную высоту насыпь и отсутствие влияющих воздействий в поперечном направлении. Такая схема не имеет отношения к одномерной консолидации, и поэтому задача решается только в пространственной постановке.
Выполненные расчеты показали, что величина временного пригруза и время его выдержки для стабилизации слабого основания вполне приемлемы для отведенных сроков и возможностей подрядной организации (рис. 5). Кроме того, быстро выполненный расчет позволил убедиться в правильности выбранного решения, которое было намного выгоднее рассматриваемых альтернативных вариантов (свайное основание или облегченная насыпь из пенополистирола).
В строительной практике нередко встречаются ситуации, когда требуется принимать решения, которые не были проработаны и предусмотрены проектной документацией. До появления доступных программ численного моделирования такие проблемы решались прикидочными инженерными расчетами, однако необходимость использования коэффициентов запаса, компенсирующих простоту вычислительных формул и методик, приводит к сложностям при выборе альтернативных вариантов, поскольку разница между результатами не всегда существенна.
Моделирование с помощью геотехнических программ обеспечивает более реалистичную оценку как самой сложившейся ситуации, так и моделируемого на ее основе прогноза.
В рассмотренном примере использование программного комплекса PLAXIS позволило снизить стоимость строительства без ущерба для надежности, а также оперативно решить возникшие на строительной площадке задачи.
