Наведено результати моделювання поведінки грунтів при влаштуванні котловану з огороджувальної стінкою. При моделюванні використана модель Hardening Soil, реалізована в програмному комплексі PLAXIS. Сформульовано критерій оцінки чутливості і виконаний аналіз чутливості параметрів напружено-деформованого стану системи ґрунтовий масив підпірна стінка.

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Строкова Л. А.


PARAMETER SENSITIVITY ANALYSIS AT NUMERICAL MODELING OF SOIL BEHAVIOR

Results of soil behavior modeling at construction of a foundation ditch with a protecting wall are cited. The model Hardening Soil, implemented in the program complex PLAXIS, is used at modeling. The criterion of sensitivity evaluation is formulated: parameter sensitivity analysis of the intense-deformed condition of the system «soil massif retaining wall» is carried out.


Область наук:
  • Будівництво та архітектура
  • Рік видавництва: 2008
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ
    Наукова стаття на тему 'Аналіз чутливості параметрів при чисельному моделюванні поведінки грунтів'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз чутливості параметрів при чисельному моделюванні поведінки грунтів»

    ?Технологія і техніка геологорозвідувальних робіт

    УДК 624.131

    Аналіз чутливості параметрів ПРИ чисельного моделювання поведінки ГРУНТОВ

    Л.А. Строкова

    Технічний університет, м Мюнхен, Німеччина E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Наведено результати моделювання поведінки грунтів при влаштуванні котловану з огороджувальної стінкою. При моделюванні використана модель Hardening Soil, реалізована в програмному комплексі PLAXIS. Сформульовано критерій оцінки чутливості і виконаний аналіз чутливості параметрів напружено-деформованого стану системи ґрунтовий масив - підпірна стінка.

    Ключові слова:

    Чисельне моделювання, аналіз чутливості, вхідні і вихідні параметри.

    Для виявлення параметрів ґрунту, що мають значення в оцінці напружено-деформованого стану, рекомендується виконувати аналіз чутливості [1-3]. Такий аналіз був проведений для пристрою котловану із застосуванням огороджувальної заанкерной стінки. Математичний експеримент проводився з параметрами: коефіцієнт бокового тиску грунту в стані спокою К0, число Пуассона, жорсткість стінки. Для розрахунків застосовувалася модель PLAXIS Hardening Soil [4].

    Розрахунки проводилися за двома варіантами. Для першого варіанту, розріз представлений гравієм (верхні 3 м), підстильний тришарової товщею піску з різним ступенем складання, загальною потужністю 37 м. Для другого варіанту, верхній шар піску, потужністю 17 м, в експерименті був замінений глиною. Показники фізико-механічних властивостей ґрунтів наведені в табл. 1, змінювані параметри позначені в таблиці заливкою осередків. Модулі пружності і міцність грунтів визначалися по викладеним вище методикам. Рівень грунтових вод розташований на 20 м нижче поверхні землі. Розподіл порового тиску гідростатичний.

    Властивості інших матеріалів, що стикаються з грунтом, представлені в табл. 2. Для завдання властивостей анкерів необхідні два набори даних: один для типу Anchor (анкер), і другий - для типу Geogrid (георешетка). Набір даних Anchor задає властивості анкерної тяги, а Geogrid - властивості обла-

    сті цементного розчину. Змінні показники - нормальна і згинальна жорсткість стіни помічені в таблиці заливкою осередків.

    Таблиця 1. Основні характеристики грунтів

    Назва Позначення в PLAXIS гра- вий гли- на Пісок Од. вим.

    Верх- ний Сред- ний Ні- жній

    Модель поведінки Hardening soil Пружно-пластичний матеріал з зміцненням -

    Тип поведінки Drained дренувати -

    Питома вага грунту Yunsat 22 20 21 21 21 кН / м3

    Питома вага водонасиченого грунту Ysat 23 20 21 22 21 кН / м3

    Модуль Юнга при первинному навантаженні E50_ Eoed 90 60 90 100 120 МН / м2

    Модуль Юнга при розвантаженні - повторному навантаженні Eu, 180 120 180 200 240 МН / м2

    Показник ступеня m 0,4 0,4 ​​0,4 ​​0,4 ​​0,4 -

    Коефіцієнт Пуассона V 0,3 0,2 0,3 0,3 0,3 -

    V * 0,3 0,275 0,3 0,3 0,3 -

    Зчеплення Qef 0,5 25 0,5 0,5 0,5 кН / м2

    Кут тертя V 37,5 25 35 35 35 град.

    Кут ділатансіі w 0 0 5 5 5 град.

    Тиск Pref 100 100 100 100 100 кН / м2

    Коефіцієнт бокового тиску грунту в стані спокою KoNC 0,391 0,577 0,426 0,426 0,426 -

    KoOG '0,391 0,7 0,6 0,426 0,426 -

    KoOG1 0,391 0,9 0,8 0,426 0,426 -

    Таблиця 2. Властивості інших матеріалів, що стикаються з грунтом

    Параметр Позначення в PLAXIS Стіна Larssen 43 Geogrid цементний розчин Анкер Од. вим.

    Тип поведінки Material type Elastic Elastic Elastic -

    Нормальна жорсткість EAn 4,45.105 4,92.105 2,87.105 кН / м

    ЕА 4,45.10s

    ЕА2 4,45.107

    Згинальна жорсткість EIn 7,33104 - - кНм2 / м

    EI 7,33105

    EI 7,33.106

    Еквівалентна товщина d 1,406 - - м

    Вага w 1,66 - - кН / м / м

    Коефіцієнт Пуассона V 0,150 - - -

    Крок анкерів Ls - - 1 м

    Геометрична модель і сітка кінцевих елементів представлена ​​на рис. 1. В області стінки і передбачуваної виїмки грунту, т. Е. В місцях максимальної концентрації напруг і значних переміщень, сітка кінцевих елементів дрібніша.

    Класичне пристрій котловану з огороджувальної стінкою в даному випадку спрощується, т. К. Рівень залягання ґрунтових вод знаходиться на глибині 20 м і не потрібне проведення водознижувальних заходів. Решта будівельні операції у вигляді кроків розрахунку step-by-step наведені в табл. 3.

    Таблиця 3. Фази моделювання

    Крок Опис фази

    1 Первісне напружено-деформований стан. Активація розподіленої системи навантаження АА, що імітує щільність забудови.

    2 Виготовлення стіни в грунті. Активація стіни.

    3 Виїмка грунту до глибини 1 м.

    4 Виїмка грунту до глибини 3 м.

    5 Пристрій анкера (Node-to-node anchor), з силою попереднього напруження 500 кН / м.

    6 Виїмка грунту до глибини 4 м.

    7 Виїмка грунту до глибини 6 м.

    8 Виїмка грунту до глибини 8 м.

    9 Останнє виймання грунту до глибини 10 м.

    Після складання базової розрахункової схеми для першого типу розрізу, представленого гравієм і піском, була створена аналогічна схема для другого типу розрізу, представленого гравієм, глиною, піском. Після цього, для кожного типу розрізу було створено по три розрахункових схеми, що відрізняються коефіцієнтом бічного тиску шару грунту, що залягає в інтервалі 3 ... 20 м, т. К. Попередніми дослідженнями встановлено, що грунти випробували в льодовиковий період більша напруга, ніж існує зараз. Для піску варіації коефіцієнта К прийняті наступними 0,426; 0,6 і 0,8; для глини -0,576; 0,7 і 0,9. Далі з шести варіантів розрахункових схем було створено ще дві серії розрахункових схем. Одна серія розрахункових схем (позначення Щ) відрізнялася від початкової Щ збільшенням початкової та згинальної жорсткості стіни в 10 разів, друга серія рас-

    Рис 1. Геометрична модель ділянки і сітка кінцевих елементів

    Мал. 2. Вихідні параметри розрахунків в PLAXIS

    парних схем (позначення W2) відрізнялася від початкової збільшенням початкової та згинальної жорсткості стіни в 100 разів. Разом було створено 18 розрахункових схем, що відрізняються тільки двома параметрами. Додатково для II типу розрізу створено три розрахункових схеми зі зміною числа Пуассона для глини (позначення II *). Далі виконані розрахунки.

    Вихідними параметрами розрахунків є ефективні горизонтальні напруги в ґрунтовому масиві позаду стінки і горизонтальні зміщення стінки (рис. 2).

    Дані по напруженням і переміщенням з вікна виведення програми PLAXIS копіюються в програму Microsoft Excel для виконання подальшого аналізу даних і візуалізації даних моделювання. Результати експерименту представлені на рис. 3, 4.

    Приймемо в якості еталонів розрахунки, виконані для I і II типів геологічного розрізу в умовах нормальної консолідації (К0Ж) і початкової жорсткості стіни (W0). Для порівняння становища ліній на графіках залежностей горизонтальних переміщень по глибині і ефек-

    них горизонтальних напружень по глибині підраховуємо сумарні площі фігур під цими кривими до глибини 16 м (табл. 4). Еталонні розрахунки відзначені в таблиці заливкою осередків.

    Таблиця 4. Оцінка вихідних параметрів по площі під графіками

    Вихідний параметр Горизонтальне переміщення стінки Ux Горизонтальні напруги позаду стінки a'xx

    Варійований параметр До Wo W W2 К0 W0 W W2

    I тип розрізу КЛ 0,094 0,047 0,025 КЛ тисячі двісті п'ятьдесят два 1300 1320

    К ° і 0,094 0,047 0,024 К ° і одна тисяча триста дев'яносто шість 1467 1515

    KOC-2 0,106 0,059 0,043 KOC-2 1663 1726 1802

    II тип розрізу Кж 0,114 0,077 0,044 КЛ тисячі п'ятсот сорок вісім 1551 1608

    KOCA 0,131 0,091 0,061 до ° і 1621 1661 1739

    KoOC-2 0,178 0,136 0,110 KOC-2 1809 1821 1913

    II * тип КЛ 0,113 КЛ 1492

    До ™ 0,120 до ° і 1603

    KoOC-2 0,150 KOC-2 1796

    Визначаємо чутливість вихідних параметрів до зміни вхідного параметра по кожному варіанту розрахунку. Як загальне критерію оцен-

    Горизонтальні зміщення -0,025 -0,02 -0,015 -0,01 -0,005 0 0,005 0,01 Ц1х, М

    ------пісок К0 = 0,6

    ------пісок К0 = 0,8

    ------пісок К0 = КС

    ......глина К0 = 0,7

    ......глина К0 = 0,9

    ......глина КС

    ------^ Пісок К0 = 0,6

    __ ^ 1 пісок К0 = 0,8 __ ^ 1 пісок КС

    ------^ 1 глина К0 = 0,7

    W1 глина К0 = 0,9

    ......W1 глина КС

    ------W2 пісок К0 = 0,6

    ------W2 пісок К0 = 0,8

    ------W2 пісок КС

    ------W2 глина К0 = 0,7

    ------W2 глина К0 = 0,9

    ------W2 глина КС

    Глибина, м

    Мал. 3. Горизонтальні зміщення стінки

    Горизонтальне ефективне напруга

    -350

    -300

    -250

    -200

    -150

    -100

    -50

    0 ахх ', кН / м

    0

    -2

    -10

    -12

    -14

    -16

    -18

    пісок К0 = 0,6 пісок К0 = 0,8 пісок К0 = КС глина К0 = 0,7 глина К0 = 0,9 глина КС W1 пісок К0 = 0,6 W1 пісок К0 = 0,8 W1 пісок КС W1 глина К0 = 0,7 W1 глина К0 = 0,9 W1 глина КС W2 пісок К0 = 0,6 W2 пісок К0 = 0,8 W2 глина КС W2 глина К0 = 0,7 W2 глина К0 = 0,9 W2 глина КС

    ки вибираємо відхилення вихідного параметра від еталонного (в%). Вважаємо, що чим більша різниця, тим вище чутливість цього параметра. Знаходимо варіант з найбільшим відхиленням вихідних параметрів. Результати аналізу чутливості представлені в табл. 5. Приймемо, зміни параметрів, що супроводжуються збільшенням вихідних параметрів (>100%) - як негативне, і навпаки, зміни зі зменшенням вихідних параметрів (<100%) - як позитивний вплив.

    Результати дослідження однозначно підтверджують найбільшу чутливість зсувів для

    I-го типу розрізу до збільшення жорсткості стіни на 1 і 2 порядку, зміщення скоротилися в 2 і 4 рази відповідно, аналогічно виглядають результати і для

    II-го типу розрізу, але з меншою амплітудою. Для 11-го типу розрізу критичним виявилося збільшення коефіцієнта бокового тиску грунту - зміщення зросли в півтора рази. Збільшення числа Пуассона для глини має меншу чутливість.

    Таблиця 5. Оцінка чутливості вихідних параметрів в%

    Вихідний параметр Горизонтальне переміщення стінки Ux Горизонтальні напруги позаду стінки а'м

    Варійований параметр Тип розрізу Тип розрізу

    I II II * (v) I II II * (v)

    До КЛ (W0) 100 100 99 100 100 96

    KO-1 100 114 105 111 105 104

    Y OC-2 K0 113 156 131 133 117 116

    ЕА, EI W 50 67 104 100

    W2 27 39 105 104

    За другим вихідного параметру - горизонтальним ефективним напруженням - найбільш чутливим виявилося зміна коефіцієнта бокового тиску грунтів для I-го типу розрізу, менш відчутно - це відбилося для

    II-го типу розрізу, найменша чутливість a'xx до зміни жорсткості стінки.

    З перерахованих вище результатів випливає, що найбільш чутливим параметром грунту при моделюванні є коефіцієнт бічного тиску в стані спокою, менш чутливим число Пуассона. Як показано в ході кому-

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. De Vos М., Whenham V. Innovative design methods in geotechnical engineering. - Belgium, 2006. - 90 р. http://www.geo-technet.org/wp3.

    2. Refsgaard J.C., Van der Sluijs J.P., Hojberg A.L., Vanrolleghem P. HarmoniCa Guidance Uncertainty Analysis / Report commissioned by European Commission. - Brussels, 2005. - 46 p. http://www.chem.uu.nl/nws/www/publica/Publicaties2005/E2005-22.pdf.

    пьютерного моделювання, ці параметри грають важливу роль в поведінці грунту і не можуть прийматися тільки за літературними даними. Всі параметри, прийняті за замовчуванням, повинні бути відкориговані з урахуванням спеціальних лабораторних і польових досліджень. Сам перелік стандартних визначень характеристик міцності і деформаційних характеристик грунтів необхідно розширити з включенням числа Пуассона, коефіцієнта бокового тиску грунту в стані спокою, кута ділатансіі. Час, коли результати розрахунків апріорі вважалися достовірними лише тому, що були отримані з використанням обчислювальної техніки, безповоротно минув. Зараз на перше місце виходять питання оцінки якості розрахунків, можливість ефективного контролю їх достовірності, що неможливо без створення відповідних методик, регламентів та норм. Аналіз чутливості параметрів, запропонований в статті, є корисним інструментом для тестування розрахункових моделей. Проста оцінка площі графіків напруг і деформацій здатна виявити вплив вхідних параметрів на результати розрахунку.

    3. Van der Sluijs J.P. Integrated Assessment Models and the Management of Uncertainties, IIASA working paper no. WP 96-119. - Laxenburg, 1996. - 80 p.

    4. Brinkgreve R.B.J. et al. PLAXIS, 2D Version 8. - Balkema, 1997. -200 р. http://www.plaxis.nl/index.php?cat=manuals&mouse = Pla-xis% 20V8.

    Надійшла 17.04.2008 р.


    Ключові слова: ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ / Аналіз чутливості / ВХІДНІ І ВИХІДНІ ПАРАМЕТРИ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити