Опыт применения Plaxis 3D для трехмерных расчетов

Декабрь, 2016

За 70 лет отделом проектирования тоннельных строительных конструкций разработаны практически все несущие конструкции, которые были использованы при строительстве тоннелей и метрополитенов, запроектированных ОАО «НИПИИ«Ленметрогипротранс».

Коллективом отдела созданы станции и перегонные тоннели из сборных железобетонных элементов, внедренные в метрополитене города Санкт-Петербурга (Ленинграда) и других городах.

Проект станции метро Бухаресткая

Станция метро Бухаресткая, открыта в Петербурге 28 декабря 2012 года

Колонная станция из железобетонных элементов, пилонная станция с балочными перемычками из стальных элементов, станция без боковых посадочных платформ, односводчатая и двухэтажная станции, обделка перегонных тоннелей обжатая в породу, высокоточная водонепроницаемая обделка, обделка автодорожного тоннеля из наплавных секций под морским каналом, монолитные железобетонные обделки автодорожных и железнодорожных тоннелей и много других конструкций было разработано специалистами отдела (читайте статью о строительстве станций мелкого заложения).

Конструкторский отдел, как и все предыдущие годы, активно занимается проектированием объектов метрополитена Санкт-Петербурга и Москвы, а также проектированием транспортных тоннелей. Выполняются работы по разработке документации, как на стадии «Проект», так и на стадии «Рабочая документация». 

Проект станция Театральная в Санкт-Петербурге

Будущая станция метро «Театральная» в Санкт-Петербурге

В последние годы отделом выполнялись работы  по проектированию участков: Лахтинско-Правобережной линии, Фрунзенского радиуса, Невско-Василеостровской, Красносельско-Калининской линий Санкт-Петербургского метрополитена, Калининско-Солнцевской, Кожуховской линий, участка Третьего пересадочного контура Московского метрополитена, нового Байкальского тоннеля.

В последнее время специалистами отдела активно используются различные программные комплексы по 3D моделированию. 

Особенно часто используется программный комплекс PLAXIS 3D, который предназначен для трехмерных расчетов деформаций и устойчивости пространственных строительных объектов совместно с грунтовым основанием.

С помощью программного комплекса PLAXIS 3D могут быть решены сложные геотехнические задачи, связанные с проектированием транспортных сооружений:

Расчет осадки земной поверхности;

Оценка совместной работы грунта и подземных сооружений;

Оценка совместной работы существующих и вновь сооружаемых подземных сооружений;

Проходка транспортных тоннелей под искусственными сооружениями (насыпями или опорами путепроводов).

Существующих нормативных документов, регламентирующих и описывающих применение данных программных комплексов, которые бы могли помочь специалисту избежать ошибок и недочётов при решении комплексных геотехнических задач, часто бывает недостаточно.

В связи со спецификой работы, институт Ленметрогипротранс имеет богатый опыт проектирования подземных сооружений.

Нашим институтом были собраны и обобщены данные по деформации поверхности при строительстве подземных сооружений, а так же соотношении фактических и расчётных усилий в обделках построенных тоннелей.

Данный опыт позволяет инженерам ЛМГТ совершенствовать методы расчета, с помощью которых есть возможность проектировать более экономичные конструкции, повышать точность оценки влияния вновь возводимых подземных сооружений на существующие объекты.

Мы бы хотели поделиться с вами  наиболее характерными примерами расчётов, выполненных нашим отделом в программном комплексе Plaxis за последнее время,  а так же привести свои размышления по нескольким наиболее часто возникающим вопросам.

Наиболее распространённые трудности при создании расчетной схемы возникают на следующих этапах:

Задание границ расчетной области.

Задание величины интерфейсов.

Выбор модели грунта.

Определение размера сетки конечных элементов.

В настоящее статье предложены решения двух первых проблем.

Первостепенная задача, которая встаёт перед проектировщиком - это назначение границ расчётной области.

Она в значительной степени зависит от типа сооружения и задач, которые решаются в данном расчете.

Общее правило задания границ: границы расчетной области не должны влиять на результаты расчета.

Здесь можно выделить следующие основные задачи: расчеты с целью определения несущей способности обделки и расчеты по определению осадок.

В первом случае требуется определить усилия в конструкциях, следовательно, необходимо ограничить грунтовый массив таким образом, чтобы границы не влияли значительным образом на усилия в обделке. Заранее определим допустимую погрешность.

Допустим погрешность – 5%. В данном случае предварительный размер расчетной области можно задать из расчета зоны влияния выработки [1, формула 1.130]

Форума расчета погрешности

Получаем предварительно расстояние, равное 2 диаметрам тоннеля в каждую сторону от края обделки.

При динамическом расчете границы необходимо моделировать таким образом, что бы предотвратить отражение волн от границ расчетной области [2, п.7.4, 7.5].

Перед проектировщиками часто встают задачи, когда требуется определить осадки от строящегося подземного сооружения. Эти задачи, в целом, сложнее, т.к. необходимо учесть проходку тоннеля, осадки со стороны лба забоя. Полученные данные необходимо сопоставить с опытными данными и т.д.

Для определения ширины расчетной области можно воспользоваться п. 6.3.6. СП Метрополитены или таблицей Е1 СТО «Оценка влияния от коммуникационных тоннелей».

Нижнюю границу под тоннелем можно предварительно принять равной глубине сжимаемой толщи [3, п. 4.9] по СНиП «Основания и Фундаменты», либо посредством сравнения с данными наблюдений деформации поверхности при сооружении аналогичных конструкций. Если задать зону грунта под тоннелем неоправданно большой, можно получить ошибочные результаты.

Это связано с тем, что модуль деформации грунтов растет с глубиной, и модуль деформации при разгрузке,  как правило, выше модуля деформации при первичном нагружении.

Эти два параметра учитываются только в «продвинутых» моделях грунтов.

Поэтому ошибка задания чрезмерно большой расчетной области приводит к поднятию грунта над тоннелем в случае расчета подземных сооружений и к завышенным осадкам фундаментов при расчете зданий.

Существенное значение имеет и правильное задание величины интерфейсов.

Интерфейс – это поверхность между грунтом и сооружением, которая моделирует уменьшение силы трения и сцепления.

Для тоннелей нет фиксированных значений интерфейсов. Они будут различаться в зависимости от способа производства  работ. Например, при буровзрывном способе поверхность грунта неровная, за счет этого касательные напряжения будут передаваться с грунта на обделку в полной мере.

Похожий эффект будет наблюдаться при нанесении набрызг-бетона. В случае применения тиксотропных растворов при строительстве стволов между обделкой и грунтом необходимо моделировать область с пониженными физико-механическими характеристиками. В общем случае прочность контакта между обделкой и грунтом должна определяться в лаборатории или натурными измерениями.

Если таких данных нет, можно воспользоваться значениями интерфейсов из справочной литературы.

1. Пособие по программе Plaxis

Ориентировочные значения Rint (Коэффициент, понижающий тангенс угла внутреннего трения и сцепления на контакте между грунтом и конструкцией)

Таблица - значения rint

2. МГСН 2.07.01, Таблица 10.1, п. 10.7

Расчетные значения прочностных характеристик

Ниже приведены несколько 3-х мерных моделей подземных сооружений, по которым выполнены расчеты в программном комплексе PLAXIS 3D

Пересадка со станции Кировский завод на  Путиловскую

Пересадка со ст. Кировский завод на ст. Путиловская. Расчетная схема.

Границы усиления перегонных тоннелей и ствола

Станция Путиловская. Расчетная схема вновь возводимой станции и существующей конструкции вентиляционного ствола

По результатам расчета были определены границы усиления перегонных тоннелей и ствола.

Пересадка на станцию Электрозаводская

Пересадка на существующую станцию «Электрозаводская». Расчетная схема веерного участка, наклонного хода, натяжной камеры, существующих конструкций боковых тоннелей станции.

Расчетная схема перегонного двухпутного тоннеля

Расчетная схема перегонного двухпутного тоннеля, при пересечении водной преграды и намывной территории с грунтощебеночными сваями.

Библиографический список

1. Н.С. Булычев Механика подземных сооружений в примерах и задачах. – М.: Недра, 1989г, с. 45-46.

2. Plaxis 3D 2010 Научное руководство. – с. 52-53.

3.А.С. Городецкий, И.Д. Евзеров Компьютерные модели конструкций. – Киев: «Факт» 2005г, с. 157-160. 

4.МГСН 2.07-01 Основания, фундаменты и подземные сооружения.

Авторы статьи: 
Рябков С.В. начальник конструкторского отдела
ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

Соловьев Р.А. руководитель группы конструкторского отдела
ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

Дополнительные материалы по теме:

Современные достижения в проектировании станций метро читать статью

Особенности освоения подземного пространства в исторической части Санкт-Петербурга читать статью

Отправить комментарий

Защитный код
Обновить