Проектирование инженерных объектов в любой области современного строительства не обходится без проблемы взаимодействия конструкций с грунтом на стадиях строительства, включая обустройство котлована, и эксплуатации. Существенную роль в решении этого сложного вопроса играет возможность адекватного учета вида и последовательности технологических операций, приводящих к изменению сформировавшегося напряженно-деформированного состояния геосистемы и физико-механических свойств грунтов. Простые методики, используемые в нормативных документах, не позволяют решать такие сложные задачи и единственный путь их решения — использование соответствующих современных компьютерных программ. При этом надо четко понимать, что никакая, даже самая универсальная программа не выдаст готового проектного решения и всю полноту ответственности за полученные результаты расчетов и рекомендации несет сам пользователь. Поэтому современный инженер-проектировщик должен владеть не только навыками работы с программой, но также знать основы теории математического моделирования и современной нелинейной механики грунтов для правильного выбора адекватных моделей и режимов расчетов.

Одним из наиболее популярных сегодня является программный комплекс PLAXIS, предназначенный для выполнения сложных геотехнических расчетов развития напряженно-деформированного состояния системы «грунтовое основание — сооружение» в процессе строительства, эксплуатации и реконструкции с учетом изменения свойств грунтов и материалов конструкционных элементов.

С помощью PLAXIS инженер может оперативно создавать различные варианты проектируемого сооружения, учитывая многие факторы, влияющие на выбор оптимального решения. Наиболее важными из них являются: геологическое строение неоднородного грунтового основания, переменные свойства грунтов, строительство в стесненных условиях с близко расположенными зданиями и инженерными коммуникациями, технология строительства, искусственное улучшение грунтов, статические и динамические нагрузки.

В программный комплекс PLAXIS входит ряд прикладных вычислительных программ для конечно-элементных расчетов комбинированных геотехнических систем с различными по назначению строительными объектами:

  • программа PLAXIS 2D предназначена для статических расчетов напряженно-деформированного состояния, устойчивости и фильтрации в условиях плоской задачи;
  • программа 2D Dynamics представляет собой дополнение к программе PLAXIS 2D для динамических расчетов с циклическими (вибрационными), импульсными (ударными) и сейсмическими нагрузками;
  • программа 2D PlaxFIow является дополнением к программе PLAXIS 2D для расчетов сложных режимов установившейся и неустановившейся фильтрации в грунтовых массивах в условиях полного и неполного водонасыщения;
  • программа PLAXIS 3D предназначена для статических расчетов деформаций, устойчивости и фильтрации в условиях пространственной задачи;
  • программа 3D Dynamics представляет собой дополнение к программе PLAXIS 3D для динамических расчетов с циклическими (вибрационными), импульсными (ударными) и сейсмическими нагрузками в пространственной постановке.

С помощью этих программ могут быть решены многие сложные задачи, возникающие при проектировании сооружения:

  • обеспечение устойчивости ограждений котлованов и соседних зданий;
  • прогноз развития во времени осадки зданий и сооружений на слабых грунтах;
  • влияние нового строительства на существующую застройку;
  • усиление фундаментов и оснований сооружений;
  • оценка совместной работы зданий и подземных сооружений;
  • влияние фильтрационных процессов;
  • изменение режимов эксплуатации строительных объектов.

Программный комплекс PLAXIS следует рассматривать как математический конструктор, в котором могут быть созданы сложные геотехнические структуры (используя CAD-черчение или импорт из AutoCAD), учитывающие все необходимые объекты, действующие нагрузки, последовательность и технологию строительства. В распоряжении инженера находится набор специальных конечных элементов с определенными свойствами, отражающими работу отдельных составляющих геотехнической системы: грунта, массивного бетона (железобетона), зон взаимодействия между сооружением и грунтом, плит, балок, стоек, распорок, анкеров, геосеток, свай.

Для моделирования нелинейного, зависящего от времени и анизотропного поведения грунтов и горных пород в PLAX-IS используется несколько моделей, отражающих особенности поведения грунтов разного вида и состояния при нагружении и разгрузке. Для выбора адекватной модели и ее расчетных параметров имеется опция виртуальных (компьютерных) испытаний грунтов в лабораторных условиях согласно ГОСТ 12248–96. Возможна корректировка модели и ее параметров по результатам тестовых расчетов крупномасштабных экспериментов, выполненных на строительной площадке, а также по результатам поэтапного мониторинга строящегося сооружения.

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

В качестве иллюстрации работы постпроцессора PLAXIS на рис. 1−2 показаны геометрическая модель геотехнической системы, конечно-элементная сетка и результат расчета устойчивости ограждения котлована в условиях городской застройки, полученные при использовании программ PLAXIS 2D и PLAXIS 3D. Динамичное развитие программного обеспечения PLAXIS и поддержка высокого технического уровня обеспечивается разработчиками программы в постоянном контакте с группой ведущих исследователей в области геомеханики и численных методов расчета в различных университетах и научно-исследовательских институтах мира. Контроль эффективности и качества программ, а также связь с инженерной практикой осуществляет Сообщество по разработке PLAXIS, в котором участвуют более 30 компаний.

Рис. 1. Котлован подземного гаража в условиях городской застройки (PLAXIS 2D)
Рис. 1. Котлован подземного гаража в условиях городской застройки (PLAXIS 2D)
Рис. 2. Котлован подземного гаража в условиях городской застройки (PLAXIS 3D)
Рис. 2. Котлован подземного гаража в условиях городской застройки (PLAXIS 3D)

Получение оперативной информации, новых версий программ и консультаций специалистов PLAXIS обеспечивается сервисной программой V.I.PLAXIS. Для успешного освоения программных продуктов проводятся курсы по теоретическим и практическим аспектам компьютерного моделирования (www.PLAXIS.nl, www.PLAXIS.ru). Два раза в год выходит международный бюллетень, в котором публикуются 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.

Программный комплекс PLAXIS имеет сертификат Госстандарта России, удостоверяющий соответствие выполняемых с его помощью геотехнических расчетов требованиям нормативных документов.

Уже более 10 лет программный комплекс PLAXIS широко и эффективно используется в России инженерами-проекти-ровщиками широкого профиля. За это время коллективными пользователями PLAXIS стали более 150 ведущих проектных и научно-исследовательских институтов, инженерных и конструкторских бюро, строительных компаний и высших учебных заведений. Популярность PLAXIS подтверждается многочисленными публикациями в различных инженерных журналах и докладами на научно-технических конференциях, посвященных геотехническим проблемам в различных областях строительства.

Алексей Голубев,
к.т.н., старший научный сотрудник
Андрей Селецкий,
начальник геотехнического отдела
«НИП-Информатика» (Санкт-Петербург)
Тел.: (812) 321−0055
E-mail: