Твердый грунт, скальное основание или бетон – термины, создающие впечатление устойчивости. Что может быть более обнадёживающим, чем хорошее массивное основание? Однако на практике вопросы устойчивости и механики твердых грунтов и скальных пород не так просты, как кажутся. Мы постоянно наблюдаем, как инженеры расширяют пределы возможного, повышая скорость, мощность и функционал изделий, которыми мы пользуемся каждый день. При этом достойные восхищения усилия, которые обеспечивают такой прогресс, для большинства обывателей остаются в тени. Специалисты, работающие в строительных, нефтегазовых и инфраструктурных проектах, имеют дело с задачами гигантских масштабов и вносят не менее значительный вклад в развитие технологий.

Иногда мы имеем возможность прикоснуться к миру этих специалистов, но механика грунтов редко получает заслуженное внимание. Ключом к успеху проектов в этой области является полное понимание природы материалов. Земляные работы, прокладка тоннелей или строительство на скальных породах и грунтах, находящихся под значительными нагрузками, требует проведения тщательных расчётов.

Поведение материалов в механике грунтов (скальных пород, грунтов, бетона и т.д.) существенно отличается от поведения более знакомых нам металлов, таких как сталь. Для металлов, в общем случае, напряженное состояние в точке будет вызывать разрушение либо текучесть вне зависимости от ориентации нагрузки. Например, если сжимать куб стали в различных направлениях, то результат будет более-менее одинаковым. Конечно, небольшие отличия будут наблюдаются в случае катаных или тянутых полуфабрикатов (таких, как лист либо проволока), но для первоначальных расчетов вполне пригодна описанная выше простая гипотеза.

Использовать такую же простую гипотезу в задачах механики грунтов не представляется возможным. Грунт и скальные породы ведут себя по-разному, и при этом совсем не одинаково в различных направлениях. К изменению свойств также приводят изменения во влажности грунта и в уровне грунтовых вод. Ещё больше усложняет ситуацию структура скальных пород и грунтов, которая может быть слоистой или включать полости. Расчёт процессов текучести в таких материалах является сложной задачей. К тому же, в отличие от изделий промышленности, создание тестовых изделий и проведение испытаний является либо крайне сложным, либо вообще невозможным.

Если описанная проблематика в моделях материалов кажется вам недостаточно сложной, то можно ещё вспомнить, что эти материалы, как правило, уже в течение длительного времени находятся под огромными нагрузками. Например, прокладка тоннеля может предполагать бурение сквозь скалы и грунт с десятками или даже сотнями метров материала, а возможно даже и другими сооружениями, над местом проведения работ.

Прокладка тоннеля ниже уровня моря означает изменение уравновешенной системы сил и давлений. Необходимо убедиться, что вносимые изменения не будут оказывать негативное влияние на существующие сооружения (например, окружающие строения и другие тоннели), и что при прокладке не произойдёт обрушение тоннеля.

При разработке проектов земляных работ ниже уровня моря, коль скоро мы хотим расширить пределы возможного и удовлетворить новые потребности транспортной инфраструктуры, приходится иметь дело со всё более возрастающими глубинами и давлениями. Это приводит к дальнейшему увеличению сложности и длительности и без того насыщенных проектов, а требования к компьютерному моделированию возрастают ещё больше.

Инженерные задачи по этим проектам обширны, и роль, которую может сыграть моделирование, огромна. Применение точных моделей материалов и возможность правильно смоделировать существующие нагрузки существенно увеличивают точность расчётов. Помимо собственно прокладки тоннелей и бурения, столь же важным является понимание процессов, происходящих после завершения строительства. Из-за осадки и уплотнения грунта со временем может происходить осадка конструкций, так что с точки зрения прочности наземных сооружений зачастую необходимо дополнительно рассматривать устойчивость склонов. Например, при строительстве новой дороги на склоне необходимо убедиться, что область грунта в зоне проведения земляных работ будет устойчивой и безопасной по завершении строительства.

Кроме характеристик скальной породы, грунта и действующих в грунте нагрузок, инженеры должны учитывать особенности применяемых в строительстве материалов. Бетон нашел широкое применение благодаря высокой прочности и относительной простоте использования в строительстве. Механические свойства бетона достаточно своеобразны: характеристики при сжатии и растяжении кардинально различаются.

Бетон используют для строительства плотин, зданий и стен тоннелей. Он также используется при изготовлении фундаментов и поддерживающих конструкций. Существенными факторами, которые необходимо учитывать в расчёте, являются подвижные нагрузки (например, поезда, проходящие через мосты), либо особые события (такие как сейсмическая активность).

ANSYS предлагает решения для моделирования всех перечисленных выше задач. С помощью компьютерного моделирования инженер может убедиться, что предлагаемая конструкция удовлетворяет требованиям проекта и обеспечивает заданный уровень безопасности. Моделирование горных пород и грунта в существенной степени опирается на полевые изыскания, предоставляющие информацию о действительном составе грунта и обычно включающие взятие образцов керна и физическое обследование площадки. Всегда остается некоторая доля неопределенности, так что особую ценность представляет возможность легко изменять свойства материала, чтобы проверить наилучшие и наихудшие расчетные случаи.

Источник: http://www.ansys-blog.com/geomechanics-rock-solid-simulation/
Автор:  Richard Mitchell