CADmaster

В последнее время в условиях пандемии всё чаще звучит мнение, что в кризисные моменты необходимо осуществлять глобальные проекты по строительству. В частности, этой концепции придерживается вице-премьер Марат Хуснуллин, который заявляет о необходимости ускорить реализацию крупных инфраструктурных проектов, выражая уверенность, что это обеспечит развитие других отраслей экономики. Премьер-министр Михаил Мишустин поддерживает идею продолжения строительства масштабных объектов: автомобильных и железных дорог, портовых и аэродромных комплексов. Основной посыл — сокращение сроков строительства.

Из транспортных объектов приоритетными являются:

• автодорога Европа — Западный Китай;
• обходы, кольцевые дороги и выезды из крупных городов (Москва, Барнаул, Уфа, Тюмень и др.);
• Северный железнодорожный широтный ход (Надым — Салехард — Лабытнанги);
• высокоскоростные магистрали по разным направлениям;
• строительство и развитие метрополитена крупных городов (Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Волгоград, Самара и др.);
• крупные мостовые переходы (о. Сахалин, р. Лена, Обь и др.);
• морские порты, аэродромы
• и многое другое.

В условиях замедления экономики строительство таких крупных объектов инфраструктуры окажет благотворное влияние на развитие многих регионов России. Помимо глобальных, немало проблем накопилось и в каждом регионе. Небольшие населенные пункты также нуждаются в инфраструктурном развитии на своем уровне. Пандемия изменила требования к компоновке спальных районов: специалисты по урбанистике говорят о необходимости расположения в зоне шаговой доступности не только школ и магазинов, но и центров бытовых услуг, развлекательных и торговых центров и других объектов, а главное офисов, куда человек, работающий удаленно, мог бы прийти со своим ноутбуком, чтобы не мешали домашние.

Таким образом, перед проектно-изыскательскими организациями стоит сложная задача реализации новых проектов в кратчайшие сроки, особенно в свете распоряжения министерства строительства использовать информационные технологии (BIM, цифровые двойники). Как известно, последовательность следующая: результаты инженерных изысканий должны быть переданы в проектные отделы, где на основе геотехнических расчетов проектировщик сможет подобрать основные параметры своих конструкций, а затем и оценить стоимость строительства сооружений.

Однако в области геотехники существует ряд сложностей, связанных и консервативными представлениями в расчетах и закоснелой работой изыскательских организаций. Конечно, действующая система вполне работает и позволяет выполнить расчет нужного объекта, но говорить об оптимизации затрат и ускорении сроков строительства в таких условиях не приходится.

Появление в нашей стране в начале 2000-х годов программы численного моделирования PLAXIS внесло существенные изменения в устоявшийся процесс проектирования. Эти изменения происходят до сих пор и сегодня проявляются не только в разговорах пользователей о применении той или иной модели грунта, но и в актуализации основных проектных нормативных документов (СП) практически во всех отраслях строительства. Вслед за изменениями в нормах для проектировщиков, где кроме аналитических расчетов регламентируется использовать еще и численные, происходят изменения в нормативном обеспечении инженерно-геологических изысканий. Численное моделирование методом конечных элементов было признано перспективным еще в 80-е годы прошлого века, и сегодня этот метод является наиболее востребованным.

Геотехнический программный комплекс PLAXIS является универсальным инструментом, который может быть использован для решения задач как в самой простой постановке (например, выступая полным аналогом ручному счету по методу послойного суммирования), так и в высокопрофессиональных вопросах, позволяя, например, оценивать разжижение грунтов при сейсмическом (волновом) воздействии или выполнять оценку влияния нового строительства на окружающую застройку с точностью до 1 мм (при необходимости и менее). В числе разработчиков программы — ведущие мировые научные институты в области геотехники: Технический университет в Граце (Австрия), Оксфордский университет (Великобритания), Технический университет Чалмерса (Швеция), Массачусетский технологический университет (США), Норвежский геотехнический институт (Норвегия), Дрезденский технический университет (Германия), Университет Британской Колумбии (Канада), Болонский университет (Италия) и другие.

Универсальность программы PLAXIS позволяет решать самые разнообразные геотехнические задачи в любой отрасли строительства.

Возьмем для примера проектирование транспортных магистралей. Для нашей страны весьма актуальна проблема слабых грунтов, которая чаще всего возникает при пересечении крупных рек: подходные участки дорожных насыпей к мостам располагаются на слабых водонасыщенных основаниях. Проектировщику предстоит обеспечить устойчивость (надежность) насыпи и оценить скорость ее осадки, а в случае длительных сроков (для таких проектов типично 3−5 лет) — выбрать решение по стабилизации и ускорению сроков ввода в эксплуатацию.

На рис. 1 показан план строительной площадки подхода к путепроводу транспортной магистрали. Проектное решение предполагало исключение дорогостоящих бетонных свай на большом расстоянии от путепровода и замену их на конструкцию осадочной насыпи на ленточных дренах, предназначенных для ускорения консолидации слабого основания и упрочнения грунтов естественным образом.

Рис. 1. План строительной площадки подхода к путепроводу транспортной магистрали

Решение сложной задачи было выполнено в PLAXIS с проверкой устойчивости на каждой стадии и оценкой прогнозируемых деформаций (рис. 2).

Рис. 2. Результат моделирования (расчет устойчивости)

В отличие от традиционной конструкции, полностью расположенной на сваях, за счет выполнения расчетов консолидации с выбранными мероприятиями (вертикальное дренирование) конструкция насыпи была построена в отведенные сроки. Использование численного моделирования в программе PLAXIS позволило вести конструктивный диалог с иностранным заказчиком на высоком геотехническом уровне, существенно снизить консервативное решение, тиражируемое в схожих условиях, и впервые в России внедрить новую двухстадийную технологию строительства подобных сооружений.

Высокоскоростное движение поездов — одна из приоритетных программ строительства. При проектировании высокоскоростной магистрали (ВСМ) Москва — Казань одной из проблем, с которой столкнулись проектные институты, стало развитие карстовых процессов (рис. 3). При выполнении геотехнического обоснования конструктивных решений одним из вариантов было использование высокопрочных тканых геополотен для предотвращения катастрофических разрушений. Применение PLAXIS для оценки надежности выбранного решения позволило назначить параметры армирующих элементов и определить стоимость затрат на подобные превентивные мероприятия.

Рис. 3. Модель расчетного карстового провала

После переключения фокуса высокоскоростного строительства на направление Москва — Санкт-Петербург проблема карста отпала, однако ведущие проектные институты стали более внимательно изучать проблемы динамических расчетов, позволяющих моделировать проходы поездов с высокими скоростями (рис. 4). Выполнение динамических расчетов — наиболее актуальная и сложная проблема на сегодняшнем уровне развития геотехники. Аналитические методы, заложенные в нормативные документы, весьма упрощенные и предлагают оценивать динамическое воздействие путем увеличения статической нагрузки. Численное моделирование при использовании специальных моделей позволяет прогнозировать изменение свойств грунта, оценивать такие процессы, как разжижение и накопление деформаций, а также тиксотропное упрочнение между проходом поездов.

Рис. 4. Фрагмент расчетной схемы для ВСМ

Транспортное развитие городов требует прокладки новых линий метрополитена. В условиях плотной городской застройки такие конструкции весьма опасны и требуют от проектировщика выполнить оценку влияния на окружающую застройку. Решать такую сложную проблему аналитическими способами (вручную) можно, но это приведет к консервативной оценке, что в большинстве случаев означает надежное, но излишне дорогое решение. На рис. 5 приведен пример оценки влияния проходки метро на жилую застройку, выполненный в трехмерной постановке.

Рис. 5. Пример оценки влияния проходки тоннеля на жилой массив

Проблема оценки влияния актуальна не только для транспортного воздействия, но и для строительства новых зданий и торговых центров. При прохождении экспертизы достаточно жесткие требования предъявляются к выполнению геотехнического прогноза — расчета зоны влияния котлована на окружающую плотную городскую застройку. Уровень развития лабораторного оборудования и программного обеспечения для такого прогноза позволяет получать необходимые исходные данные для выполнения детальной высокоточной оценки влияния. На рис. 6 приведен пример геотехнической оценки в трехмерной постановке в программе PLAXIS 3D. Конфигурация котлована и зданий зачастую не позволяет решать задачу корректно в плоской (двумерной) постановке, а требует трехмерного представления.

Рис. 6. Трехмерное решение задачи геотехнического прогноза

Выполнить оценку влияния с установлением границы области, в которой деформации будут менее 1 мм, — достаточно сложная задача. Прежде всего ее результаты существенно зависят от исходных данных. Традиционные итоги инженерно-геологических изысканий предоставляют информацию о деформативности грунтов в виде одного модуля деформации. Такие данные позволяют выполнить только предварительную оценку, которая с учетом коэффициентов надежности, как правило, будет весьма консервативной, то есть потребует мощного дорогостоящего ограждения. Затраты на конструкцию усиления существенно возрастают пропорционально экономии на инженерных изысканиях. Если в ходе таких изысканий получают необходимые для точного прогноза данные (в соответствии с действующими ГОСТ), выполнить оценку влияния не составляет труда. В программе PLAXIS для этого заложен специальный вариант вывода результатов. На рис. 7 показаны изополя специального расчетного показателя, на основании которых можно, во-первых, судить о достаточности размеров расчетной схемы (в примере размеры можно уменьшить до области, обозначенной пунктирной линией); во-вторых, оптимально определить зону влияния и деформации, в том числе такие небольшие, как 1 мм.

Рис. 7. Результаты для оценки влияния

Заключение

Современные представления в области геотехники, реализованные в профессиональном программном обеспечении PLAXIS, являются неотъемлемой частью процесса проектирования объектов инфраструктуры. Геотехник как специалист обеспечивает взаимодействие между изыскателями, которые получают исходные данные, и проектировщиком, осуществляющим разработку конструкции сооружений. Такое взаимодействие обеспечивается путем анализа исходных данных (результатов инженерно-геологических изысканий), их интерпретации с учетом особенностей выполнения расчетов конструкций (что является проблемой для изыскателей и обеспечивается только геотехником) и выполнением геотехнических расчетов, по результатам которых получают конструкцию сооружения, ее параметры и объемы материалов, что в конечном счете позволяет оценить стоимость проекта.

То, насколько квалифицирован геотехник, определяет степень оптимизации проектного решения. Это означает, что в организациях, не имеющих геотехнического отдела, проектные решения, как правило, оказываются дорогостоящими и низкоэффективными. Специалист-геотехник обеспечивает запрос на полные и необходимые данные в техническом задании на инженерные изыскания (без лишних бросовых затрат), на основе которых, с использованием современных инструментов анализа (например, программы PLAXIS), разрабатываются проектные решения поставленных задач: сокращение сроков и снижение расходов на строительство инфраструктурных объектов любого уровня сложности.

ПО для геотехнических расчетов и материалы от экспертов по геотехнике вы сможете найти на сайтах компании «НИП-Информатика»:

• nipinfor.ru;
• plaxis.ru.

Скачать статью в формате PDF — 2.57 Мбайт