Знакомство с Plaxis – программным обеспечением для геомеханических расчётов

Создание программного обеспечения Plaxis для геомеханических расчётов

Программное обеспечение Plaxis разрабатывалось с целью создания надёжного расчётного комплекса для оценки устойчивости грунтовых массивов и расчёта их напряжённо-деформированного состояния. Основные принципы заключались в разработке математической модели, использующей метод конечных элементов и закономерности поведения моделей материалов на основе физических уравнений геомеханики. Первые модели, которые были реализованы в этой среде, – это упругая модель, идеализированная упругопластическая модель Кулона-Мора, модель уплотняющихся грунтов, модель уплотняющихся грунтов в условиях малых деформаций. Эти модели активно встречаются при обосновании параметров ведения строительных работ. При этом модели входят в практику инженерных расчётов последовательно, посредством апробации заложенных моделей. В настоящее время модели в Plaxis дополняются и представлены широким спектром описаний поведения пород и грунтов (или геоматериала), применяемых в геомеханике. Появляются модифицированные модели, позволяющие учитывать такое поведение как: разупрочнение, упрочнение, увеличение деформационно-прочностных свойств с глубиной, учёт предыстории нагружения (предварительное уплотнение грунтов), изотропию, анизотропию свойств, ползучесть, гистерезис при циклическом нагружении. Некоторые из этих моделей находят применение не только для описания поведения грунтов, но и для описания поведения горных пород, и для описания поведения пород шельфовых месторождений.

Разработка Plaxis началась с инициативы Немецкого департамента, отвечающего за градостроительную политику. Стояла задача оценки устойчивости набережных рек Голландии. Для этого был нужен продукт, позволяющий производить расчёты для анализа строительства в условиях низменных мягких грунтов. Требование к программному обеспечению заключались в том, чтобы оно было простым в применимости. В 1987 году программисты Дельфтского Технического университета приступили к написанию кода на основе языка Fortran для реализации Plaxis. Впоследствии созданная программа получила широкое распространение и в других областях геотехнических инженерных исследований, в том числе и в горном деле. Итогом разработки программного обеспечения стало создание компании Plaxis bv в 1993 году.

Первоначальные задачи оценки напряжённо-деформированного состояния решались в двухмерной постановке (плоскодеформированное состояние, осесимметричные задачи). Впоследствии был разработан продукт Plaxis 3D Tunnel (релиз 2001 г). Однако, он не позволял задавать произвольную геометрию объектов, а результат задач и постановка осуществлялись через плоскопараллельное представление (параметры задавались по отдельным сечениям). К 2010 году эта проблема была решена и теперь в Plaxis присутствует возможность производить полноценные расчёты в трёхмерной постановке.

В 2018 году Plaxis стал принадлежать компании Bentley Systems.

Помимо теоретической базы, описания моделей поведения материалов инструментарий программы расширяется, добавляются и усложнятся динамические задачи (например, для оценки землетрясений, вибраций, в том числе и мелкоамплитудных), тепловые задачи и задачи с грунтовыми водами. Появляется возможность решения задач в условиях так называемых ливневых котлованов. Интерфейс позволяет пользоваться языком программирования Python и подгружать написанные коды в программу. Это один из важнейших современных инструментов при описании природной (менее предсказуемой) среды, где для расчётов требуются прогнозные методы или предполагается изменение свойств материала в зависимости от условий изменения среды, а также для задания собственных более сложных моделей геоматериала.

Получаемые в процессе расчётов данные можно экспортировать в табличном виде и в дальнейшем осуществлять работу с этими данными с применением других программных комплексов, более предназначенных для расчётных преобразований.

Простота и удобство Plaxis позволяет решать значительное количество практических задач, связанных с геотехническим прогнозом. Применяемый метод конечных элементов включается в свод правил – СП (например, СП 499.1325800.2021 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от карстово-суффозионных процессов) ГОСТы (например, ГОСТ 33128-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Ограждения дорожные), а применимость программного обеспечения Plaxis определяется сертификатами соответствия, которые принимаются компаниями, занимающимися строительными работами. На основании этого большое количество инженеров-проектировщиков в разных странах применяют Plaxis в своих практических расчётах и научных обоснованиях.

Кому будет полезен Plaxis

Программное обеспечение Plaxis применяется во всем мире. Продукт находит применение при обучении студентов, при написании диссертационных работ аспирантами, а также на предприятиях, занимающихся строительными работами. Таким образом, возможность применения программного продукта достаточно широкая.

Среди решаемых задач:

• оценка осадки поверхностных зданий,
• учёт влияния строительства на уже существующие объекты подземной коммуникации,
• обоснование строительства подземных парковок,
• глубины котлованов,
• устойчивости котлованов,
• дренированных и недренированных грунтов,
• задачи водопонижения,
• анализ циклического воздействия на насыпи железнодорожного полотна.

При простоте расчётов и пользовательского интерфейса от пользователя требуется постановка задачи и выбор физической модели поведения материалов, на основе которой необходимо произвести расчёт. Результаты могут быть представлены в виде проекций напряжений на соответствующие координатные оси, полных напряжениях, эффективных напряжениях, порового давления, проекциях деформаций, полных деформациях, приращениях деформаций, точек пластичности (точки граничного перехода). Эти данные могут быть автоматически (функционал заложен в алгоритм программы) сведены в таблицы. Таблицы впоследствии экспортируются. Можно осуществлять преобразования над полученными значениями в других программных комплексах таких, как MathCad. Это делается для того, чтобы выразить, например, через функцию прочности полученные величины для выявления критических значений.

Конструктивные элементы такие как: обделка тоннелей, стена в грунте, сваи, плиты фундаментных оснований, – определяются с помощью инструментов программы. Результаты для конструктивных элементов помимо смещений, деформаций можно представить в виде осевых, касательных сил, изгибающих моментов.

Примеры расчётов в Plaxis и области применения

Ниже представлены некоторые примеры результатов моделирования, выполненных с применением программного обеспечения Plaxis.

Таким образом, Plaxis находит достаточно широкое применение при решении задач численного моделирования. С каждым годом совершенствуется и дополняется новыми моделями поведения материала. Применение программного обеспечения Plaxis подтверждается эффективностью и точностью расчётов, что обусловливает преимущественную востребованность продукта на инженерном рынке перед другими программными комплексами, реализующими расчёт напряжённо-деформированного состояния породных и грунтовых массивов.