что такое hardening soil
Модель General Hardening Soil
Модель General Hardening Soil, реализованная в программном комплексе Plaxis, представляет собой симбиоз таких проверенных и апробированных моделей, как Hardening Soil (HS) и Hardening Soil Small (HSS).
Отличительная ее особенность заключается в возможности выбора поведения модели GHS для определенных условий по типу HS или HSS.
Необходимость создания этой модели связана с повышением точности расчета напряжений и упругих деформаций при разгрузке. Одним из характерных примеров является задача поднятия дна котлована. Как известно, модель HSS благодаря двум дополнительным параметрам (начальной сдвиговой жесткости G 0 и 70% величине сдвиговых деформаций γ0,7 ) обеспечивает построение кривой деградации жесткости и дает возможность более точно определить деформации в зоне малых напряжений. Однако несмотря на это, модель HSS не учитывает тот факт, что грунт ниже дна котлована ведет себя более жестко при разгрузке. После откопки часть вертикальных напряжений уменьшается, однако снижение параметров жесткости E ur происходит не так интенсивно, как предполагает формула модели HSS. Поэтому в новой модели GHS введена возможность выбора пользователем закона изменения упругого модуля при разгрузке с учетом давления предуплотнения (Р c ).
Еще одним вариантом применения модели GHS являются динамические расчеты, когда требуется оценить снижение прочности глинистых грунтов. Модель учитывает процесс деградации модуля жесткости во время циклических нагрузок.
Параметры модели аналогичны HSS, дополнительными являются только переключатели четырех параметров:
(1) Зависимость деформаций « Strain Dependent Stiffness »
Эта опция предполагает две позиции:
0 – модель не учитывает зависимость при малых деформациях и ведет себя как HS модель;
1 – учитывается область малых деформаций и модель ведет себя как HSS.
(2) Зависимость напряжений « Stress Dependent Stiffness »
Возможны три позиции:
0 – отсутствие зависимости модуля упругости от напряжений E ur =const (или m=0);
1 – изменение модуля упругости E ur производится по выбранной зависимости ( см. ниже ), но только в начале каждой фазы (в ходе расчета фазы модуль упругости остается постоянным и вычисленным в начале текущей фазы). Этот вариант может быть использован, например, при расчете устойчивости, когда в ходе снижения прочностных характеристик не требуется пересчет жесткости.
2 – изменение модуля упругости E ur производится по выбранной зависимости ( см. ниже ), пересчет производится для каждого шага расчетной фазы.
Возможны три позиции:
0 – стандартная формула модели HSS, не учитывающая давление предуплотнения
1 – зависимость модуля упругости от напряжений на основе горизонтального главного напряжения σ3
2 – зависимость модуля упругости от напряжений на основе среднего эффективного напряжения
Краткая характеристика двух подходов этой модели приведена в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение двух подходов описания жесткости при разгрузке
(4) Выбор учета пластических зон « Plasticity Model »
Четыре варианта позиций позволяют осуществить выбор отображения характерных точек напряжений:
1 – только точки пластического разрушения (MC failure criterion);
2 – точки пластического разрушения и упрочнения при сдвиге (Shear hardening + MC failure criterion);
3 – точки пластического разрушения и упрочнения (объемного) при сжатии (Cap hardening + MC failure criterion);
4 – отображаются все характерные точки (Shear hardening + Cap hardening + MC failure criterion).
Если набор дополнительных параметров будет таким:
то модель GHS будет вести себя как модель HSS.
Основная разница заключается в отличии величины вертикального подъема дна котлована. Для сравнения рассмотрен пример №2 ( Tutorial 2 Submerged construction of an excavation ) с двумя моделями HSS и GHS. По результатам, представленным на рисунке 1, можно видеть, что разница в величине поднятия составляет примерно 40%.
Влияние разгрузки и переуплотнения грунта особенно существенно сказывается при устройстве глубоких котлованов.
Безусловно, в зависимости от местоположения слоя, заданного моделью GHS, в расчетной схеме могут отличаться и другие параметры (усилия, моменты, перемещения и пр.).
Работа в PLAXIS. Моделирование землетрясений и разжижения грунтов
Продолжаем публиковать переводы серии статей известнейшего ученого Рональда Бринкгреве, опубликованных в начале 2021 года в блоге Infrastructure Insights на сайте VIRTUOSITY, A BENTLEY COMPANY (дочерней компании BENTLEY SYSTEMS – мирового лидера в области разработки и внедрения программного обеспечения для проектирования, строительства и эксплуатации инфраструктуры). Сегодня предлагаем вниманию читателей адаптированный перевод статьи «Моделирование землетрясений и разжижения грунтов» [8], которая появилась на указанном сайте 3 марта 2021 года. Рональд Бринкгреве является одним из разработчиков программного комплекса PLAXIS, доцентом Делфтского технологического университета и руководителем отдела научных исследований и новых разработок экспертно-консультационного центра по геотехнике компании PLAXIS bv (Нидерланды). Его научные интересы включают прежде всего комплексные геомеханические модели грунта и численные методы исследований грунтовых оснований и их взаимодействий с инженерными сооружениями [7]. Отметим, что в журнале «Геоинфо» уже вышли три перевода [1–3] статей этой серии [9–11], а публикации по ссылкам [4–6, 12–14] в списке литературы использовал сам Бринкгреве при подготовке представленной работы [8].
Перевод подготовлен при поддержке компании «НИП-Информатика» – партнера журнала «ГеоИнфо».
Введение
Инженерная сейсмология в области геотехники (Geotechnical Earthquake Engineering) – это особая дисциплина в нашей профессии. Она требует понимания терминологии и методов, необходимых для безопасного проектирования сейсмостойких конструкций, а также особенностей поведения грунта при динамических и циклических нагрузках, включая его разжижение. Важные сведения об этой дисциплине и разжижении грунтов можно найти в книгах Крамера [13] и Идрисса и Буланже [12].
Численное моделирование землетрясений и разжижения грунтов
Программный пакет PLAXIS 2D/3D Ultimate включает в себя такие необходимые средства для численного моделирования землетрясений и разжижения грунтов, как:
В этой серии статей в данном блоге (VIRTUOSITY, A BENTLEY COMPANY. Blog: Infrastructure Insights) основное внимание уделяется геомеханическим моделям грунта. Важно понимать, что модели для статического нагружения не обязательно подходят для динамических нагрузок и наоборот. Поскольку этапам динамических расчетов обычно предшествуют этапы статических вычислений, то в начале ваших динамических расчетов вам может потребоваться «переключить» наборы данных по материалам, слагающим слои грунтов.
Особенности поведения грунта при динамическом и циклическом нагружении
Динамические расчеты требуют включения в модель грунта характеристик, отличающихся от статических. В основном они связаны с эффектами циклического нагружения, такими как:
Модель UBC3D-PLM
Первой моделью циклического нагружения и разжижения, включенной в программный пакет PLAXIS, была модель UBC3D-PLM, или UBC3D-PLAXIS Liquefaction Model (упругопластическая модель, позволяющая моделировать разжижение песчаных и глинистых грунтов под воздействием сейсмических нагрузок. – Ред. ). Она основана на двумерной модели UBCSand, первоначально разработанной в 1998 году Бити и Бирном [5] в Университете Британской Колумбии (UBC).
В дополнение к обширной валидации, проведенной компанией PLAXIS bv и различными университетами, Афинский национальный технический (политехнический) университет (NTUA) опубликовал процедуру определения и калибровки параметров этой модели [4].
Модель PM4sand
Через несколько лет после предыдущей модели мы включили в PLAXIS модель PM4Sand на основе ее исходной версии 3, разработанной в 2015 году Буланже и Зиотопулу [6] (для анализа поведения песков при динамическом нагружении, включая создание порового давления, разжижение и явления пост-разжижения. – Ред. ). Внедренная в PLAXIS [14], она дает очень похожие с исходной моделью результаты. Но наш вариант модели, вероятно, более эффективен благодаря среде конечных элементов.
Начните моделирование землетрясений и разжижения грунтов
Список литературы
1.Бринкгреве Р. О важности правильного выбора модели грунта в программе PLAXIS // ГеоИнфо. 22.03.2021. URL: geoinfo.ru/product/brinkgreve-ronald/o-vazhnosti-pravilnogo-vybora-modeli-grunta-v-programme-plaxis-44343.shtml.
2.Бринкгреве Р. Работа в PLAXIS. О преимуществах моделей HS, HSS и виртуальных испытаний грунтов // ГеоИнфо. 12.04.2021. URL: geoinfo.ru/product/brinkgreve-ronald/rabota-v-plaxis-o-preimushchestvah-modelej-hs-hss-i-virtualnyh-ispytanij-gruntov-44450.shtml.
3.Бринкгреве Р. Работа в PLAXIS. Модель слабого грунта и ее модификация с учетом ползучести // ГеоИнфо. 20.05.2021. URL: geoinfo.ru/product/brinkgreve-ronald/rabota-v-plaxis-model-slabogo-grunta-i-ee-modifikaciya-s-uchetom-polzuchesti-44672.shtml.
4.Anthi M., Gerolymos N. A calibration procedure for sand plasticity modeling in earthquake engineering: application to TA-GER, UBCSAND and PM4SAND // Proceedings of the 7th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering. Rome: CRC Press, 2019.
5.Beaty M., Byrne P. Effective stress model for predicting liquefaction behaviour of sand // Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics III. ASCE Geotechnical Special Publication, 1998. № 75. P. 766-777.
7.Brinkgreve R. Profile // TUDelft. The last accessed date: 07.06.2021. URL: tudelft.nl/en/ceg/about-faculty/departments/geoscience-engineering/sections/geo-engineering/staff/academic-staff/brinkgreve-r.
8.Brinkgreve R.B.J. Liquefaction and earthquake modelling // VIRTUOSITY, A BENTLEY COMPANY. Blog: Infrastructure Insights. 10.03.2021. URL: blog.virtuosity.com/liquefaction-and-earthquake-modelling.
9.Brinkgreve R.B.J. On the importance of an appropriate soil model // VIRTUOSITY, A BENTLEY COMPANY. Blog: Infrastructure Insights. 18.02.2021. URL: blog.virtuosity.com/on-the-importance-of-an-appropriate-soil-model.
10.Brinkgreve R.B.J. The hardening soil model // VIRTUOSITY, A BENTLEY COMPANY. Blog: Infrastructure Insights. 24.02.2021. URL: blog.virtuosity.com/the-hardening-soil-model.
11.Brinkgreve R.B.J. The soft-soil and soft-soil creep model // VIRTUOSITY, A BENTLEY COMPANY. Blog: Infrastructure Insights. 03.03.2021. URL: blog.virtuosity.com/the-soft-soil-and-soft-soil-creep-model.
12.Idriss, Boulanger. Soil liquefaction during earthquakes. Earthquake Engineering Research Institute (EERI), 2008.
Что такое hardening soil
Рассмотрена модель упрочняющегося грунта — Hardening Soil как наиболее подходящая для плотных глин при решении задач, связанных с уменьшением среднего эффективного напряжения при одновременном сопротивлении пород сдвигу с характерным нелинейным деформированием в пластической области. Установлено, что для достоверного описания реального поведения грунта необходимо проводить калибровку параметров выбранной модели поведения грунта. Целью работы является получение входных параметров модели упрочняющегося грунта, способных достоверно описывать деформирование протерозойских глин, для их последующего использования при моделировании геомеханических процессов в Санкт-Петербурге. Основой для подбора параметров послужили результаты лабораторных исследований деформирования образцов протерозойских глин на прессовом оборудовании в условиях трехосных испытаний по консолидированно-недренированной схеме. Образцы были отобраны со станций метро «Проспект Славы» и «Бухарестская». Предложена методика подбора и калибровки входных и управляемых параметров модели упрочняющегося грунта в программном комплексе Plaxis, в модуле SoilTest, и представлены полученные при этом результаты. Выявлено, что при подборе и калибровке параметров модели упрочняющегося грунта необходимо ориентироваться на предполагаемый диапазон величин бокового давления (диапазон минимальных главных напряжений), в котором будет приводиться дальнейшее моделирование подземных сооружений.
Для цитирования: Алексеев А.В., Иовлев Г.А. Адаптация модели упрочняющегося грунта (hardening soil) для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2019. – № 4. – С. 75–87. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-75-87.
Ключевые слова
Plaxis, SoilTest, протерозойские глины, трехосные испытания, модель упрочняющегося грунта, численное моделирование.
Номер: 4
Год: 2019
ISBN: 0236-1493
UDK: 624.191.22
DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-75-87
Авторы: Алексеев А. В., Иовлев Г. А.
6. Obrzud R. The Hardening Soil model with small strian stiffness. 2011, pp. 104.
7. Obrzud R. Constitutive Virtual Laboratory or assistance in parameter determination in ZSoil v2016. 2016, pp. 21.
9. Truty A., Obrzud R. Improved formulation of the hardening soil model in the context of modeling the undrained behavior of cohesive soils // Studia Geotechica et Mechanica, 2015, Vol. 37, No. 2, pp. 61—68.
16. Строкова Л. А. Определение параметров для численного моделирования поведения грунтов // Известия Томского политехнического университета. — 2008. — № 1 (313). — C. 69—74.
17. Строкова Л. А. Определение параметров деформируемости грунтов для упругопластических моделей // Вестник Томского государственного университета. — 2013. — № 367. — C. 190—194.
19. ГОСТ 20522-2012. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. 2012.
Результаты расчетов. Третья серия расчетов
Продолжаем разбирать проблему расчета котлована и оценки влияния строительства. В четвертом посте анализируется влияние прочности интерфейсов на полученные результаты. Коэффициенты условий работы гк представлены в таблице 9.1 СП 22.13330.
В первой и второй сериях расчетов прочность интерфейсов принималась равной 0,67.
В третьей серии расчетов прочность интерфейсов принимается равной 0,33.
Расчетные схемы третьей серии построены на основе расчетных схем серии 2 (т.е. с ограничением глубины сжимаемой толщи ниже дна котлована).
В нормах указано, что деформации основания и конструкций на их контакте могут быть несовместны. В расчетах необходимо учитывать возможность отлипания или сдвига на контакте «конструкция-грунт» (рис.1).
В ПК Plaxis для моделирования контакта «конструкция-грунтовый массив» служат интерфейсы. Интерфейсы состоят из интерфейсных элементов. На рис.3 показано, как соединяются между собой интерфейсные элементы и элементы грунта. При использовании пятнадцати узловых элементов грунта соответствующие интерфейсные элементы определяются пятью парами узлов, в то время как шестиузловым элементам грунта соответствуют интерфейсные элементы, определяемые тремя парами узлов. На рисунке интерфейсные элементы показаны как имеющие конечную толщину, однако при конечно-элементной формулировке узлы каждой пары имеют одинаковые координаты, что означает нулевую толщину элемента.
Модель грунта Mohr-Coulomb (Мора-Кулона)
Модель грунта Hardening soil (упругопластическая модель с упрочнением грунта)
Модель грунта Hardening Soil model with small-strain stiffness (модель упрочняющегося грунта при малых деформациях)
Результаты расчетов второй серии
Таблица 1. Результаты расчетов третьей серии
При уменьшении прочности интерфейсов до 0,33 результаты для всех трех моделей грунта меняются: увеличиваются деформации и силовые факторы в конструкциях. При расчете в ПК GeoWall результаты практически не меняются.
Для модели грунта МС:
При расчете в ПК GeoWall:
Резюмируя, можно сказать, что прочность интерфейсов является важным параметром, существенно влияющим как на качественные (деформации поверхности грунта в модели МС), так и на количественные результаты расчетов (модели грунта MC, HS, HSS).
При расчете в ПК GeoWall изменение данного параметра незначительно меняет результаты расчетов.
Результаты расчетов в ПК GeoWall
В данной серии меняется параметр «контакт с грунтом»: уменьшается с 0,67 до 0,33 (рис.33), как следствие, увеличивается коэффициент активного горизонтального давления грунта с 0,26 до 0,28.
Выводы и рекомендации
В данной работе выполнен анализ заданных исходных параметров на результаты расчетов ограждающих конструкций котлована, устойчивости и оценки влияния строительства.
В первой серии расчетов показаны результаты при использовании трех моделей грунта: Mohr-Coulomb (Мора-Кулона), Hardening soil (упругопластическая модель с упрочнением грунта), Hardening Soil model with small-strain stiffness (модель упрочняющегося грунта при малых деформациях).
Во второй серии расчетов показано влияние принятых границ расчетной схемы: ограничение глубиной сжимаемой толщи ниже дна котлована.
В третьей серии расчетов анализируется влияние прочностных свойств контактных элементов («интрефейсов») на границе «грунтовый массив-конструкция».
Полученные результаты сопоставляются с классической теорией: выполняется расчет аналогичной конструкции в ПК GeoWall.
Результаты отражены в сводной таблице 2.
По результатам выполненного анализа:
Таблица 2. Сводная таблица результатов расчетов
Список использованной литературы
1.СП 22.13330.2016. Свод правил. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
2.СП 249.1325800.2016 «Коммуникации подземные. Проектирование и строительство закрытым и открытым способами».
3.«Выбор модели грунта и определение ее параметров для геотехнических расчетов в Plaxis». Специальный курс НИП-Информатики. Санкт-Петербург, 2014.
4.Plaxis Material Models Manual 2016.
5.Plaxis Bulletin Issue 38/Autumn 2015.
6.GeoWall 4.0.1. Расчет ограждений котлованов.
7.Hardening Soil model with small strain stiffness. Andrzej Truty, ZACE Services, 1.09.2008.
Обзор статьи
Главное меню
Сравнение результатов численных расчетов с использованием современных моделей грунта (Hardening Soil, Hardening Soil Small и Generalized Hardening Soil) с результатами мониторинга
Страницы:
Аннотация:
Список цитируемой литературы:
Likitlersuang S., Surarak C., Wanatowski D., Oh E., Balasubramaniam A. Finite element analysis of a deep excavation: A case study from the Bangkok MRT // Soils and Foundations. 2013. Vol. 53 (5). Pp. 756-773. DOI: 10.1016/J.SANDF.2013.08.013
Law K. H., Othman S. Z., Hashim R., Ismail Z. Determination of soil stiffness parameters at a deep excavation construction site in Kenny Hill Formation // Measurement. 2014. Vol. 47. Pp. 645-650. DOI: 10.1016/J.MEASUREMENT.2013.09.030
Brinkgreve R. B. J., Kumarswamy S., Swolfs W. M. PLAXIS CONNECT Edition V20. Material Models Manual. URL: https://communities.bentley.com/cfs-file/__key/communityserver-wikis-com. (дата обращения: 22/02.2021)
Hardin B. O., Black W. L. Closure on vibration modulus of normally consolidated clay // Proc. ASCE: Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1969. Vol. 95. No. SM6. Pp. 1531-1537
Laera A., Brinkgreve R. B. J. (eds.). PLAXIS. Site response analysis and liquefaction evaluation. 2015. Pp. 1-42
Мангушев Р. А., Дьяконов И. П., Кондратьева Л. Н. Границы практического применения свай «Фундекс» в условиях слабых грунтов // Жилищное строительство. 2017. № 9. С. 3-8
Дьяконов И. П., Конюшков В. В. Особенности работы набивной завинчиваемой сваи «Фундекс» в разнородных грунтах // Вестник гражданских инженеров. 2014. № 6 (47). С. 116-120
Мангушев Р. А., Ершов А. В., Осокин А. И. Современные свайные технологии. М.: АСВ, 2010. 235 с