Аргументы в пользу трехмерного геотехнического анализа

Почему именно 3D-анализ?

В современных требованиях к инфраструктуре на первый план выходят геотехнические соображения. Поскольку объекты инфраструктурного строительства критически связаны с подповерхностными условиями, они бывают подвержены геотехническим рискам.

В геотехническом сообществе постоянно ведутся дискуссии о необходимости проведения трехмерного анализа. Поднимаемые в связи с этим вопросы касаются результатов, достигнутых при выполнении 3D-анализа, по сравнению с итогами традиционного 2D-анализа. И хотя в отрасли в качестве общепринятого практического метода в основном используют 2D-подход, ответы на ряд важных вопросов все еще не получены и требуют решения. Приведем некоторые из них.

• Есть ли разница в результатах расчетов коэффициента устойчивости (К_у) в 3D и в 2D?
• В чем преимущества 3D-анализа?
• Каковы практические отличия при использовании 3D-анализа устойчивости откосов?
• В каких случаях лучше использовать 3D-анализ?

Истинный коэффициент устойчивости

Существует фундаментальная разница между расчетами коэффициента устойчивости для нарушенных откосов с использованием 2D- и 3D-анализа. И хотя инженеры-геологи и геотехники до сих пор довольствуются использованием 2D-анализа устойчивости откосов (который легко выполнить), 2D-методы имеют следующие фундаментальные ограничения:

• принимается, что форма поверхности скольжения является цилиндрической;
• принимается, что геометрия откоса, геологических слоев и зеркала грунтовых вод остается неизменной в третьем измерении;
• не учитываются сдвиги на торцевых поверхностях.

Различия между 2D- и 3D-расчетами коэффициента устойчивости тесно связаны с геометрией модели и критической поверхностью скольжения. Известно, что величина К_у, полученная в 3D, почти всегда бывает выше, причем, по данным исследований, эта разница находится в пределах 15–50%. Для каждого отдельного сценария необходимо рассчитать точную разницу. Для этого рекомендуется выполнять как 2D-, так и 3D-анализ. Затем для интерпретации результатов моделирования можно применить профессиональное суждение.

В целом инженеры-геологи и геотехники должны уделять пристальное внимание следующим факторам, которые могут повлиять на итоги расчетов коэффициента устойчивости:

• форме поверхности скольжения;
• топографии;
• геологическим слоям;
• уровню грунтовых вод;
• распределенным / точечным нагрузкам;
• анкерам / микросваям / геомембранам.

3D-анализ – это более точное представление реального мира

После более чем 20 лет исследований в академических кругах можно считать доказанным, что трехмерный анализ дает более точное представление реальных ситуаций. При этом чем достовернее коэффициент устойчивости, вычисленный для откоса, тем точнее анализ.

Рассмотрим следующие сценарии.

1. Анализ земляной дамбы. Грунт, используемый для строительства земляных дамб, является довольно дорогостоящим, тем более что такие сооружения могут протягиваться на многие километры. Проектирование дамбы с избыточным запасом устойчивости, получающееся при использовании 2D-анализа, может привести к увеличению затрат на строительство. Но при этом имеется потенциальная возможность моделирования пересечений земляных дамб для улучшения проекта.

2. Глубокие фундаменты. При проектировании высотных зданий необходимо минимизировать осадки фундаментов, чтобы ограничить повреждения их надфундаментных конструкций. Трехмерный анализ обеспечивает более реалистичную оценку напряжений, смещений и усилий при использовании свай с круглым и квадратным сечением.

3. Хвостохранилища. Недавние аварии на хвостохранилищах привлекли больше внимания к анализу устойчивости. Трехмерный анализ устойчивости сложных сооружений хвостохранилищ позволяет более точно понять их долгосрочное поведение.

4. Анализ процесса кучного выщелачивания (процесса получения металлов или других веществ путем растворения раздробленных забалансовых руд, отвалов бедных руд или хвостов обогатительной фабрики, уложенных в специальный штабель, с последующим выделением нужных компонентов из циркулирующих растворов. – Ред.). При использовании штабелей кучного выщелачивания с крутыми боковыми откосами может быть извлечено большее количество полезных компонентов. Однако повышенная крутизна откосов приводит к состоянию, близкому к разрушению. В этом случае 3D-анализ может более точно представить геометрию штабеля кучного выщелачивания. При этом важно точно сбалансировать угол наклона откоса и процент извлечения нужного компонента.

Особый случай обратного анализа

Еще одним важным применением 3D (в разных вариантах) является случай обратного анализа разрушения. Обычно инженеры-геологи и геотехники проводят обратный анализ в 2D, в результате чего получается коэффициент устойчивости, равный 1,0, что переоценивает прочность материалов откоса. Использование же 3D позволит получить более низкие значения прочностных свойств материала по сравнению с 2D, но эти значения будут более достоверными.

В результате, если вы проведете обратный анализ с использованием 2D, а затем попытаетесь выполнить прямой анализ с использованием 3D, вы переоцените коэффициент устойчивости откоса, что приведет к опасному состоянию последнего. Инженер всегда должен использовать для обратного анализа 3D, чтобы точно определить прочностные свойства материала.

Заключение

Двадцать с лишним лет исследований ясно показали, что 3D-анализ устойчивости откосов является более хорошим и точным инструментом, чем 2D. И хотя основной причиной большей популярности 2D-анализа ранее была его простота, теперь существуют передовые программные технологии, позволяющие просто и быстро проводить 3D-анализ с использованием надежных методов вычислений. Кроме того, усовершенствованные расчеты коэффициента устойчивости в 3D могут повлиять на профессиональное проектирование и на затраты, связанные с проектом.

Источник

1. Fredlund M. The case for 3D geotechnical analysis // Bentley.com. 12.10.2019. URL: bentley.com; informedinfrastructure.com/52343/engineered-solutions-the-case-for-3d-geotechnical-analysis/.