В статье представлен обзор программного комплекса GeomechaniCS, разработанного АО «СиСофт Разработка» для решения широкого круга геотехнических задач. Описаны основные модули комплекса, позволяющие моделировать напряженнодеформированное состояние грунтовых массивов и сооружений с учетом статических, динамических, фильтрационных и тепловых воздействий. Особое внимание уделено практическому применению GeomechaniCS на примере реальных проектов, демонстрирующих возможности комплекса в обеспечении надежности и экономической эффективности строительства.
Современное проектирование и строительство в сложных инженерногеологических условиях требует не только интуиции и опыта инженеров, но и мощных, надежных вычислительных инструментов. Взаимодействие зданий, сооружений и транспортной инфраструктуры с грунтовым массивом — ключевой аспект безопасности и экономической эффективности проектов. Здесь на помощь приходит специализированное программное обеспечение, способное учитывать всё многообразие факторов, влияющих на поведение грунтов.
Программный комплекс GeomechaniCS от АО «СиСофт Разработка» является зрелым и эффективным решением для задач геотехнического моделирования. Он предназначен для расчета сложного взаимодействия массива грунта с фундаментами и конструкциями зданий и сооружений в различных отраслях: промышленногражданском, дорожном, гидротехническом строительстве, горном деле, нефтегазовой отрасли и др. GeomechaniCS позволяет выполнять трехмерные расчеты напряжений и деформаций в сооружениях и грунте, определять осадку, устойчивость и несущую способность грунтовых массивов.
Актуальность и необходимость комплексного анализа
Для того чтобы приступить к проектированию, необходимы данные о геологических, гидрогеологических и климатических условиях, а также о физикомеханических свойствах грунтов строительной площадки, получаемые в результате инженерногеологических изысканий.
Под действием нагрузок от сооружения в грунтовом основании возникают напряжения, приводящие к его деформации. Важно учитывать не только деформации от собственного веса грунта, но и дополнительные деформации от нагрузок сооружения. Поскольку грунты являются дисперсными телами, помимо законов деформируемости сплошных тел (упругость, пластичность) необходимо учитывать изменение объема пор при сжатии (закон уплотнения, или компрессии), а также сопротивление сдвигу, зависящее от угла внутреннего трения и удельного сцепления. Деформируемость и сопротивление сдвигу грунтов также существенно зависят от долей напряжений, передаваемых на скелет грунта и на поровою воду, а также от фильтрационных способностей грунта.
Таким образом, для адекватного моделирования необходимо учитывать три основные закономерности: закон уплотнения (сжимаемость), закон сопротивления сдвигу (сопротивляемость сдвигу) и закон фильтрации (водопроницаемость). Все эти закономерности учтены и реализованы в программном комплексе GeomechaniCS.
Модульная архитектура для разносторонних задач
Программный комплекс GeomechaniCS имеет модульную структуру, состоящую из трех независимых модулей, объединенных в одной оболочке:
- QUASISTATIC. Этот модуль предназначен для расчета напряженнодеформированного состояния (НДС) пространственных зданий и сооружений совместно с грунтовым массивом в 3Dпостановке. Он позволяет анализировать воздействие статических, квазистатических и динамических нагрузок, учитывая упруговязкопластическое поведение материалов и фактор времени. С помощью QUASISTATIC можно моделировать НДС грунтов, рассчитывать осадку фундаментов, оценивать устойчивость конструкций и грунтового массива, а также анализировать воздействия сейсмических нагрузок или мягкого удара. В основе модуля лежат продвинутые модели грунтов, учитывающие такие особенности, как двойная пластичность (сдвиг и объемное сжатие), зависимость от среднего напряжения и вязкость по объемному сжатию, а также изотропное и кинематическое упрочнение;
- FILTRATION. Модуль ориентирован на расчет НДС в грунтовых средах с учетом фильтрационных параметров пластов. Он необходим для моделирования медленных процессов деформации пористых грунтов и течения насыщающей их жидкости. FILTRATION позволяет рассчитывать фильтрационные процессы с учетом изменения порового давления и оценивать осадки грунта в задачах консолидации. Он основан на современных моделях, таких как обобщение теории Био, что делает его эффективным инструментом для анализа сложных систем слоистых грунтов и взаимодействия грунта и жидкости. Модуль позволяет предсказывать осадку грунта, распределение порового давления и учитывать влияние слоистой структуры;
- THERMOELAST. Этот модуль используется для расчета НДС и температурных параметров зданий и сооружений совместно с грунтовым массивом, с учетом фазовых переходов замораживания — оттаивания, нагрева и воздействия нагрузок. Он эффективен для задач, связанных с изменением температуры в грунтах, включая сезонные колебания. Модуль моделирует фазовые переходы поровой воды, что важно, поскольку жесткость талого грунта значительно меньше, чем мерзлого. Модель основана на обобщенной формулировке задачи Стефана и позволяет вычислять поля температур и деформаций, учитывая влияние температурных изменений на механическое поведение грунтов. Комплекс также включает модели для бетонов и арматуры, позволяющие учитывать их вязкопластическое поведение при динамических нагрузках и их вклад в общую работу конструкции.
Практическая ценность: примеры решения реальных задач
Виртуальное моделирование в GeomechaniCS является существенным подспорьем при принятии ответственных решений, позволяя избежать ошибок и, как следствие, сократить материальные и финансовые издержки. Оно дает возможность проводить многовариантные расчеты для выбора оптимальных проектных решений.
Рассмотрим два примера практического использования программного комплекса.
Пример 1. Восстановление планововысотного положения здания методом компенсационного нагнетания (г.Дубна)
Задача состояла в подъеме и возврате высокоэтажного здания в проектное положение. Для этого использовалась технология компенсационного нагнетания инъекционных смесей в грунтовый массив. Выбор параметров нагнетания (последовательность, объемы, давление) является нетривиальной задачей. В GeomechaniCS была создана расчетная модель, включающая здание и грунтовый массив. На основании данных инженерногеологических изысканий и с помощью метода «обратного инжиниринга» (коррекция параметров модели грунта для соответствия измеренным перемещениям здания) была достигнута высокая точность модели. Расчеты воспроизводили фактическую последовательность строительства для корректного учета исходного НДС. Была выполнена серия многовариантных расчетов по двум разным подходам (теория связанной фильтрации и пластичности, теория пластичности) для определения оптимальной технологии нагнетания. Результаты расчетов позволили сформировать детальную таблицу с параметрами инъецирования для каждой захватки и уровня. На основе этих данных были разработаны технологический регламент и проект производства работ, обеспечившие безопасный подъем здания. Программа показала распределение напряжений и деформаций на различных этапах работ (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид сооружения до (а) и после подъема (две проекции — б и в). Значения вертикальных перемещений W, м показаны цветовой индикацией
Пример 2. Защита объектов метрополитена от осадочных деформаций (Москва, м. «Чкаловская»)
Проблема заключалась в защите действующих сооружений метрополитена (вестибюль, эскалаторные тоннели) от значительных осадочных деформаций, вызванных строительством многофункционального комплекса рядом. Расчетные осадки могли достигать 140 мм, что требовало исключения вертикальных смещений фундаментной плиты эскалаторов для предотвращения аварий. Решением стало управляемое компенсационное нагнетание. Для моделирования использовалась нелинейная модель упрочняющегося грунта типа Рыкова — Григоряна, способная учитывать изменение модуля деформации при обжатии грунта в процессе нагнетания. Была решена связанная задача движения жидкости по порам грунта и одновременно происходящих деформаций. На основе многовариантных расчетов было определено, как последовательность, объем и давление инъецируемого раствора в каждую зону должны меняться на разных этапах строительства МФК, чтобы не допустить смещения вестибюля метро и сохранить его неизменное пространственновысотное положение. Моделирование НДС грунта на разных стадиях нагнетания позволило установить порядок инъекционных работ, обеспечивающий удержание стыка эскалаторов и вестибюля на одной отметке при надстройке здания. Это гарантировало эксплуатационную надежность объектов метрополитена в условиях плотной городской застройки (рис. 2).
Рис. 2. Распределение вертикальных перемещений W, м после реализации первого (а) и третьего (б) этапов строительства
Эти примеры демонстрируют, как численное моделирование в GeomechaniCS позволяет детально проработать технологию производства работ, предсказать поведение системы «сооружение — грунт» и оптимизировать параметры вмешательства, будь то подъем здания или защита существующих подземных объектов.
Преимущества использования GeomechaniCS для инженеров
Для инженеровпроектировщиков и специалистов в области САПР использование GeomechaniCS дает ряд ключевых преимуществ:
- повышение точности расчетов. Применение сложных реологических моделей грунтов, реализованных в комплексе, позволяет более точно прогнозировать несущую способность и деформации грунтового основания;
- снижение рисков. Возможность моделировать различные сценарии и воздействия (статические, динамические, температурные, фильтрационные) позволяет выявить потенциальные проблемы на этапе проектирования и разработать меры по их предотвращению. Виртуальное моделирование помогает избежать ошибок при принятии ответственных решений;
- оптимизация проектных решений. Многовариантные расчеты позволяют выбрать наиболее эффективную и экономичную технологию работ. Точное прогнозирование поведения грунта позволяет в конечном счете снизить экономические издержки при возведении зданий и сооружений;
- детальная проработка технологий. Комплекс помогает разработать технологические регламенты и проекты производства работ, определяя последовательность, объемы и параметры воздействия (например, при компенсационном нагнетании);
- визуализация результатов. Постпроцессор предоставляет мощные инструменты для анализа и наглядного представления результатов расчетов (3Dполя, графики, изолинии и т.д.).
Технические аспекты для пользователей
Программный комплекс GeomechaniCS состоит из препроцессора, процессоров (модулей) и постпроцессора. Препроцессор служит для создания расчетной модели, включающей геометрию сооружений и грунтового массива, задание свойств материалов и граничных условий. Он позволяет запускать расчет и отслеживать его ход (рис. 3).
Рис. 3. Пример модели, собранной в препроцессоре
Постпроцессор предназначен для обработки и визуализации результатов (напряжений, деформаций, перемещений, температур, порового давления) в удобном для анализа виде. Генерация трехмерной конечноэлементной сетки, необходимая для численных расчетов методом конечных элементов, производится в программном комплексе (рис. 4).
Рис. 4. Цветовое отображение на деформированной конструкции одной из компонент перемещений
Перспективы развития
АО «СиСофт Разработка» продолжает работать над развитием программного комплекса GeomechaniCS. В будущих версиях планируется снятие ограничений, связанных с конечноэлементным представлением объектов нестандартных форм и сложных грунтовых массивов, в том числе за счет автоматического разбиения трехмерных областей произвольной геометрии на тетраэдральную сетку. Также по мере совершенствования пользовательского интерфейса пре и постпроцессора будут добавляться реализованные сложные реологические модели грунтов.
Программный комплекс GeomechaniCS — это не просто расчетный инструмент, это мощная платформа для виртуального моделирования, позволяющая инженерам решать сложнейшие геотехнические задачи, возникающие в процессе проектирования, строительства и эксплуатации объектов в самых разнообразных и часто непростых геологических условиях. Интегрируя фундаментальные законы механики грунтов с современными численными методами, GeomechaniCS предоставляет специалистам САПР необходимый арсенал для обеспечения надежности, безопасности и экономической эффективности строительных проектов.
