Оптимизация расстановки анкеров для повышения устойчивости

Введение

Проектирование укрепления склонов анкерами – это сложная инженерная задача, которая требует учета множества факторов: геологических условий, нагрузок, характеристик грунтов, длины и шага анкеров, а также оценки экономической целесообразности и пр. Ручной подбор параметров часто занимает значительное время и может приводить к ошибкам из-за влияния человеческого фактора. Внедрение автоматизации в этот процесс может не только ускорить проектирование, но и повысить точность расчетов.

При традиционном подходе инженеру приходится вручную подбирать длину анкеров, их шаг, угол наклона и другие параметры. Этот процесс включает:

1. Многократные расчеты устойчивости склона.

2. Подбор длины анкеров, которая обеспечит оптимальную несущую способность.

3. Определение шага анкеров как по высоте, так и в глубину для максимального использования несущей способности.

4. Проверку экономической эффективности выбранного решения.

Преимущества автоматизации

Автоматизация укрепления откосов анкерами в геотехнической программе SiO 2D значительно ускоряет и упрощает все указанные выше процедуры. Конечноэлементный программный комплекс SiO 2D имеет возможность ввода всех команд через командную строку, что дает большие возможности автоматизации. Командная строка позволяет создавать всю геометрию (кластеры, анкеры, дрены, интерфейсы и т.д.), переключаться между различными этапами моделирования (создание модели, разбивка на конечные элементы, задание стадийности расчета, вывод результата). При использовании команд не нужны специальные знания языков программирования. Все команды задокументированы в справочном пособии и имеют примеры использования.

Рассмотрим на примере откоса выемки (насыпи) расчет различных вариантов укрепления откосов грунтовыми анкерами. На рисунке 1 приведена исходная цифровая модель расчетного сечения, созданная в программном комплексе SiO2D.

Рис.1. Пример геометрической модели

Данный пример иллюстративный, поэтому характеристики слоев грунта не приводятся, но они заданы таким образом, чтобы в начальный момент устойчивость откосов не обеспечивала требуемый коэффициент запаса устойчивости [1.22] (рисунок 2).

Рис.2. Коэффициент запаса устойчивости откоса в природном состоянии

Рассмотрим более подробно подготовку исходных данных для автоматизации. Прежде всего необходимо знать координаты начала и конца отрезка, вдоль которого будут устраиваться анкера, обычно это поверхность откоса между террасами или верхней и нижней бровкой как в этом примере. Для этого можно вывести информацию об интересующем отрезке с помощью контекстного меню программы (рисунок 3). Эти координаты будут являться основой для задания начальной точки расстановки анкеров.

Рис.3. Пример получения координат отрезка из геометрической модели: 1 – отрезок; 2 – на отрезке нажать правую кнопку мыши – Линия – Информация; 3 – в окне командной строки скопировать координаты начала и конца отрезка

Полученные координаты начала и конца отрезка необходимы для расстановки анкеров вдоль склона (начальные координаты элемента анкер). Остальные параметры, необходимые для задания элемента анкер (его свойства), получены из данных таблицы Excel, в которую предварительно внесены все требуемые параметры (рисунок 4).

При необходимости можно самостоятельно добавлять, изменять всю интересующую информацию в таблице Excel.

Рис.4. Пример ввода данных в Excel и сгенерированный код

Для автоматизации кода в Excel был написан макрос на языке VBA, который генерирует код из введенных пользователем данных для исполнения команд в окно Команды SiO2D (1 на рисунке 5).

Рис.5. Пример ввода сгенерированного кода в командную строку программы: 1 – ввод сгенерированного кода; 2 – выполнение команд; 3 – создание анкеров в модели программы

Макрос позволяет по задаваемым вариантам исходным данным создавать последовательные блоки команд, каждый из которых в автоматическом режиме делает расстановку анкеров (при необходимости плит оголовков или канатно-сетчатую систему параллельно склону), изменяет свойства анкеров, генерирует сетку конечных элементов, включает нужные элементы анкеров на нужных стадиях, выполняет расчет, сохраняет результат расчета в специальную таблицу (рисунок 6). Кроме того, код сохраняет расчетную схему, пересохраняет файл в новый, автоматически удаляется информация из модели, созданная через командную строку и все операции, повторяются с начала.

Рис.6. Пример полученных результатов в табличной форме

Таким образом можно создавать неограниченное количество различных расчетных схем и просматривать их при необходимости. Основные результаты расчета можно вносить в таблицу для анализа. В таблицу можно сохранять такие данные как коэффициент запаса устойчивости, усилия в анкерах, перемещения на различной стадии и т.д. Вообще в таблицу можно сохранять абсолютно любые значения, полученные в расчете.

Пример анализа выполненных расчетов приведен в таблице 1.

В примере расчета рассматривались не более трех ярусов анкеров. Основное количество вариантов расстановки анкеров получилось для двух ярусов с разными вариантами геометрических параметров. Кроме того, для более детального анализа можно изменять высоту установки первого яруса анкера и расстояние между анкерами. Таким образом можно добиться оптимальной расстановки анкеров.

Таблица 1. Сводная таблица различных параметров расстановки анкеров

На рисунке 7 для примера приведены фрагменты результатов сдвиговых деформаций для варианта расстановки №19 и №20.

Рис.7. Результат расчета для 20 и 19 варианта Куст=1.226 и Куст=1.175 соответственно

Заключение

В современном проектировании учет автоматизации таких трудоёмких процессов, как оптимальная расстановка анкеров для обеспечения устойчивости склонов и откосов, становится неотъемлемой частью эффективной и качественной работы. Автоматизация позволяет значительно сократить время выполнения рутинных задач, минимизировать человеческие ошибки и повысить скорость расчетов.

Современные возможности расчетов, основанные на численных методах, способны учитывать сложные инженерно-геологические условия, оптимизировать расположение анкеров и получать наиболее эффективные решения. Это особенно важно для сложных проектов, где требуется учет множества факторов, таких как свойства грунта, нагрузки и геометрия конструкции.

Таким образом, интеграция автоматизации в проектирование не только ускоряет процесс, но и повышает надежность и безопасность проектируемых объектов.