Возможности gINT Professional, OpenRoads Designer и PLAXIS 2D при проектировании транспортных сооружений

Одна из наиболее актуальных проблем при проектировании сооружений связана с недостаточной оптимизацией процесса передачи информации между специалистами смежных отделов. Например, геотехник получает от изыскателей информацию о геологическом строении площадки в неудобном формате, который требует дальнейшей обработки. Это приводит к потерям времени и излишним затратам труда.
Автор статьи на примере геотехнических расчетов при проектировании линейных транспортных сооружений рассказывает о повышении эффективности работы при совместном использовании взаимодействующих программных комплексов.
В настоящее время на рынке есть много программных комплексов, которые решают задачи, возникающие на всех стадиях проектирования сооружения. Эти программы чаще всего используют общепринятые форматы исходных и выдаваемых данных. При этом данные, как правило, требуют дополнительной обработки при передаче между программами. Инженер-геотехник при задании грунтового основания работает с большим объемом информации в виде таблиц, разрезов, карт фактического материала и др. Он отбирает необходимые данные для построения модели и фактически повторяет работу инженера-геолога, затрачивая много времени и сил. Намного удобнее было бы напрямую использовать данные по геологии и получать модель с сооружением и с геологическим строением основания одновременно.
Для наглядности рассмотрим линейные транспортные сооружения. Важным этапом при их строительстве является создание насыпей и выемок, при проектировании которых возникают задачи расчета устойчивости откосов, осадок, консолидации. При проведении таких расчетов необходимо учитывать как грунтовое основание, так и сооружение. Эти и другие геотехнические задачи решаются с помощью специализированных программных комплексов, например PLAXIS 2D.
Для задания грунтового основания необходимо определить положение кровли и подошвы каждого слоя. Для этого в расчетных комплексах есть инструменты для построения геометрии с нуля или с помощью импорта готовой геометрии из сторонних программ. Проектирование сооружений осуществляется в специальных программах, например OpenRoads Designer для дорог.
Создание совместной модели сооружения и геологического строения осуществляется в расчетных комплексах. Если нужно провести расчеты по множеству сечений, то это потребует много времени и труда. Более эффективным было бы создание модели сооружения и грунтового основания в программе для проектирования с последующей передачей необходимых расчетных сечений в расчетную программу для вычисления требуемых параметров.
Это можно сделать с помощью трех программных комплексов из линейки Bentley Systems (американской компании Bentley Systems Inc., представленной более чем в 50 странах и являющейся мировым лидером в области поставок комплексных программных решений для поддержки инфраструктуры):
- задание геологии выполняется в gINT Professional;
- проектирование трассы – в OpenRoads Designer;
- геотехнические расчеты – в PLAXIS 2D.

Возможности указанных программ охватывают процесс проектирования транспортных сооружений от изысканий до принятия конечных проектных решений. Рассмотрим подробно эти возможности с использованием примеров рассчитанных проектов.
gINT Professional — это программа для хранения, обработки и экспорта данных инженерно-геологических изысканий. Информация представляет собой набор таблиц, куда заносятся сведения о скважинах (рис. 1), полевых и лабораторных испытаниях, в том числе необходимые плановые координаты и абсолютные отметки скважин, глубины границ слоев и др. Программа может выдавать графические отчеты в виде колонок и таблиц. Эти данные можно передавать в другие программы.

Рассмотрим пример проектирования автомобильной дороги в OpenRoads Designer с начальной стадии проектирования. Например, уже проведены геодезические изыскания, а поверхность рельефа смоделирована и загружена в OpenRoads Designer. Затем была смоделирована трасса автодороги (рис. 2), задан ее продольный профиль и некоторый типовой шаблон поперечного профиля. Также были определены два характерных сечения, по которым необходимо провести геотехнические расчеты.

Для расчетов надо создать такой разрез, на котором была бы и автодорожная насыпь (или выемка), и грунтовое основание. OpenRoads Designer предназначен для проектирования линейных сооружений и, кроме того, позволяет подключить базу данных из программы для изысканий gINT Professional или из базы данных Excel и создать трехмерную модель геологического строения участка.
Необходимо зайти в геотехнический модуль и подключить проект из gINT Professional, в котором есть таблицы с данными. Надо выбрать сопоставление с той таблицей, в которую занесены плановые координаты и абсолютные отметки устья скважин.
Также можно добавить новое сопоставление с таблицей, в которой содержится информация о глубинах кровли и подошвы слоев, а также столбец с идентификатором грунтов.
После подключения базы из нее можно запросить сопоставленные данные, которые отобразятся в модели.
После добавления данных по скважинам появится возможность создания трехмерной сетки для каждого слоя.
Построенная таким образом трехмерная модель состоит из модели автодороги и геологического строения исследуемого участка.
Для создания поперечных сечений нужно выполнить еще одно подготовительное действие – создать в OpenRoads Designer трехмерные тела выемки/насыпи между существующим рельефом и верхней поверхностью коридора.
После этого можно создать поперечное сечение для импорта в PLAXIS 2D. Сечение можно открыть в отдельном окне, рассмотреть и отредактировать. Аналогично создаются сечения на других участках трассы (рис. 3).

Проект можно экспортировать в формате DXF. Все созданные модели сохраняются в отдельных файлах и доступны для импорта в другие программы, в том числе в PLAXIS 2D.
В PLAXIS 2D есть несколько режимов работы:
- в режиме Soil можно смоделировать грунтовое основание по геологическим колонкам;
- в режиме Structures можно создать элементы конструкций, задать нагрузки, перемещения, интерфейсы, границы, а также импортировать геометрию из сторонних программ.
Рассмотрим пример геотехнических расчетов для выемки. При импорте поперечного сечения в режиме Structures появляются полигоны, которые определяют слои грунта и выемку (рис. 4).

Чтобы закончить создание геологической модели, необходимо назначить материалы слоев грунта. В PLAXIS 2D есть пятнадцать встроенных моделей, и доступно создание пользовательских. Можно создать новые или использовать ранее созданные материалы и назначить их каждому слою.

Перед переходом к расчетам необходимо создать сетку конечных элементов в режиме Mesh.
После создания сетки переходим в режим Staged construction («Поэтапное строительство»), в котором производятся геотехнические расчеты с помощью задания фаз строительства сооружения.
Для примера рассмотрим расчет в три этапа:
- расчет исходного напряженного состояния,
- проходка выемки,
- расчет коэффициента устойчивости откосов.
Если расчет фазы с выемкой грунта не прошел, надо открыть результаты фазы для просмотра. Если при просмотре боковых перемещений видно, что на откосе выемки образуется поверхность скольжения возможного сплыва (рис. 6), надо подумать о повышении устойчивости этого откоса.

Для повышения устойчивости откосов выемки используют разные методы. Рассмотрим вариант с изменением ее геометрии. В OpenRoads Designer можно изменить шаблон коридора таким образом, чтобы создать уступы (полки) на необходимой высоте или изменить уклон откосов.
Разрезы с измененной геометрией надо импортировать в PLAXIS 2D в режиме Structures, пересоздать сетку конечных элементов и задать новые фазы расчета с другими параметрами выемки:
- с уклоном 1:2 без уступов;
- с уклоном 1:1,5 с уступом на высоте 5 м;
- с уклоном 1:1,5 с уступом на высоте 7,5 м (рис. 7).

При просмотре трех новых результатов расчета может оказаться так, что успешно пройдут только два. Выемка с уступом на высоте 5 м разрушается, так как уступ находится ниже поверхности скольжения и никак не улучшает устойчивость склона. Выемка с уклоном откоса 1:2 не разрушается, но рассчитанный коэффициент устойчивости составляет всего 1,017. Это значение близко к состоянию предельного равновесия – значит, требуемая устойчивость откоса не обеспечена. Выемка с уклоном откоса 1:1,5 и уступом на высоте 7,5 м удовлетворяет требованиям, что дает достаточный коэффициент устойчивости 1,2.
Таким образом, не всегда больший объем работ приводит к лучшим результатам. Изменение геометрии выемки должно опираться на расчеты. В нашем примере наибольшая устойчивость откоса выемки достигается тогда, когда уступ сооружается на высоте между двумя верхними слоями, то есть там, где находится поверхность скольжения. Определив положение последней в PLAXIS 2D, можно создать в OpenRoads Designer шаблон коридора с привязкой уступа к такой поверхности (поскольку ее высота непостоянна и меняется в разных сечениях).
В геотехнических расчетах насыпи наибольший интерес помимо устойчивости представляют расчеты консолидации и осадки насыпи от собственного веса и от эксплуатационной нагрузки.
Эти задачи можно решить с помощью PLAXIS 2D. Для этого импортируем сечения, созданные в OpenRoads Designer, и назначаем материалы слоев грунта (рис. 8).

Затем задается эксплуатационная нагрузка в режиме Structures, создается сетка и устанавливаются гидрогеологические параметры модели.
Расчет будет проведен в 3 этапа:
- Отсыпка насыпи (время отсыпки 30 дней);
- Рассеивание избыточного порового давления после завершения строительства до 10% от максимального значения;
- Приложение эксплуатационной нагрузки 15 кН/м.
После отсыпки насыпи в основании возникает поровое давление (рис. 9). В основном оно сосредоточено на контакте слабой и твердой водонепроницаемой глины. На следующем этапе поровое давление рассеивается, что занимает 47 дней (рис. 10). Если приложить эксплуатационную нагрузку, произойдет осадка 6 см (рис. 11). Следовательно, примерно на эту величину надо увеличить насыпь, чтобы компенсировать последующую осадку. Это можно сделать в OpenRoads Designer.



После определения оптимально устойчивого сечения выемки/насыпи и создания соответствующего шаблона коридора в OpenRoads Designer можно рассчитать объемы выемки/насыпи и перейти к экономическим показателям.
Заключение
В статье рассмотрена одна из проблем современной геотехники – проблема эффективной передачи данных между программными комплексами, которые используются в процессе проектирования. На примере решения геотехнических задач в транспортном строительстве показано, что с помощью совместного использования программных комплексов gINT, OpenRoads и PLAXIS 2D можно оптимизировать затраты труда и времени, а также повысить точность выполнения геотехнических расчетов.
Журнал остается бесплатным и продолжает развиваться.
Нам очень нужна поддержка читателей.
Поддержите нас один раз за год
Поддерживайте нас каждый месяц