Модель Hardening Soil - интервью с Анатолием Мирным, доцентом Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Модель упрочняющегося грунта Hardening Soil - один из дорогостоящих геотехнических расчетов. В России не так много специалистов, которые разбираются в теме. И далеко не все изыскательские компании берутся за работу ввиду отсутствия ресурсов.

Однако модель Hardening Soil востребована, например, при расчетах свайных фундаментов, ограждающих конструкций котлованов, анкерных креплений и прочих конструкций, в которых преобладают деформации сдвига и образуются пластические зоны.

Пообщались с Анатолием Мирным, доцентом Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Эксперт разбирает актуальные темы современной механики грунтов и геотехнического строительства. Задали Анатолию главные вопросы про модель Hardening Soil. Делимся с вами, что это такое и почему необходимо в нашей сфере деятельности.

Что такое модель Hardening Soil?

Модель Hardening Soil - это математическая модель нелинейного поведения дисперсных грунтов, используемая для численных расчетов оснований сооружений методом конечных элементов.

Модель воспроизводит нелинейную зависимость деформаций от напряжений при объемном и сдвиговом деформировании, а также содержит две нефиксированных поверхности текучести - то есть воспроизводит упрочнение при сдвиге и объемном сжатии (отсюда название - модель упрочняющегося грунта). Кроме того, модель воспроизводит процессы дилатансии и контракции, характерные для дискретных сред.

Все это позволяет уточнить результат геотехнического расчета и, в конечном итоге, повысить надежность сооружения и снизить стоимость проектных решений.

В каких случаях используется модель Hardening Soil?

Наиболее эффективно применение модели в задачах с глубокими котлованами и большим количеством этапов расчета, где напряженное состояние постоянно меняется. Модель позволяет учитывать изменение жесткости при изменении уровня напряжений, что особенно важно при расчете влияния нового строительства на существующую застройку.

Также модель успешно применяется при расчетах свайных фундаментов, ограждающих конструкций котлованов, анкерных креплений и прочих конструкций, в которых преобладают деформации сдвига и образуются пластические зоны. Возможность учета упрочнения позволяет более корректно оценить несущую способность подобных элементов.

Менее эффективно применение модели при расчетах плитных фундаментов большой площади, где большая часть основания находится в условиях компрессионного сжатия: большая часть функциональных возможностей при этом не используется, а расходы на определение параметров растут.

В таких случаях целесообразнее использовать модель Hardening Soil только для тех ИГЭ, которые непосредственно примыкают к ограждающей конструкции котлована, а для подстилающих использовать более простые модели - Soft Soil или даже Mohr-Coulomb.

Также не имеет смысла применение модели при расчетах ползучести: она просто не обладает требуемыми функциональными возможностями.

Тем не менее, с применением модели Hardening Soil возможно проведение расчетов фильтрационной консолидации - жесткость скелета в этом случае будет нелинейной, а прочность будет определяться эффективными значениями параметров сопротивления сдвигу. При этом для каждого этапа расчета следует указывать не только нагрузки и граничные условия, но и длительность в реальных единицах времени (обычно сутках).

Из чего состоят результаты работ?

Результатом работ является сводная таблица, содержащая набор параметров модели для каждого из назначенных ИГЭ.

В каком виде результаты передаются заказчику?

Результаты работ передаются Заказчику в составе отчета по результатам второго этапа ИГИ. Обычно параметры моделей приводятся в виде отдельной сводной таблицы, а текст отчета содержит дополнительную главу с пояснениями по интерпретации результатов и частными значениями параметров. В качестве приложения к отчету приводится программа работ, содержащая методику интерпретации результатов.

Какие могут быть риски для клиентов в случае, если подрядчик выполняет работу “недобросовестно”?

Принято считать, что увеличение количества параметров в моделях снижает надежность расчета, так как погрешности определения отдельных параметров “суммируются”. Это не так.

В простых моделях, например модели Mohr-Coulomb, жесткость грунта определяется единственным параметром (модулем общей деформации), и ошибка его определения напрямую отразится на результате расчета осадки. В многопараметрических моделях ошибки определения отдельных параметров в меньшей степени влияют на результат, поэтому и риски снижаются.

Кроме того, параметры модели связаны между собой математически, и программный комплекс просто не позволит пользователю использовать нереалистичные значения, либо как минимум предупредит об этом.

Значительно сложнее обстоит дело с осознанной недобросовестностью - проще говоря, фальсификацией результатов работ. В таких случаях представленные в отчете результаты обычно идеально соответствуют теоретическим зависимостям, отклонения минимальны, статистическая достоверность на высоте. Но еще наши учителя говорили, что в геотехнических расчетах ошибка в 50% - удача, а в 20% - подгон результата под ответ. Поэтому не следует доверять “слишком хорошим” результатам.

В некоторой степени, надежность и безопасность обеспечивается тем, что при фальсификации обычно используют рекомендуемые значения Приложения А СП 22.13330.2016 и предложенные разработчиками модели эмпирические зависимости - следовательно, результат расчета будет достаточно консервативным.

Однако не следует забывать, что Приложение А зачастую значительно занижает значения параметров, а эмпирические зависимости имеют ограничения применения.

В этом случае основным риском для Заказчика является потеря вложенных средств: результат расчета не будет отличаться от “нормативного”, а стоимость изыскательских работ увеличится (от 150 до 300 тыс. руб на один ИГЭ, для среднестатистического площадного объекта).

В каких программах производятся расчеты?

На настоящий момент модель Hardening Soil реализована в программных комплексах PLAXIS, MIDAS GTS NX и Z-Soil. Однако, учитывая, что само название “Hardening Soil” является скорее товарным знаком, в прочих программных комплексах могут присутствовать под другими названиями аналогичные модели, полностью или частично воспроизводящие функциональные возможности Hardening Soil и использующие тот же набор параметров.

Что касается определения параметров модели, то она может выполняться средствами MS Office. Модуль для интерпретации результатов испытаний реализован в программном комплексе EngGEO, широко применяемом изыскательскими организациями.

В расчетном комплексе PLAXIS также имеется модуль оптимизации, позволяющий производить подбор оптимальных значений параметров для набора загруженных экспериментальных кривых.

Несмотря на кажущуюся простоту, применение такого способа затруднено по ряду причин:

• изыскательские организации не приобретают дорогостоящий комплекс ради использования единственного модуля;
• все, используемые в расчетах значения параметров, должны быть отражены в отчете по результатам ИГИ, следовательно, их определение не может выполняться проектной организацией;
• получаемые значения являются “нормативными”, то есть определены без учета коэффициентов надежности, а следовательно требуют дальнейшей статистической обработки, что сводит к минимуму преимущества.

Для достоверного расчета Модели упрочняющегося грунта обратитесь в компанию Гектар Групп.