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».
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].
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.
Динамические расчеты требуют включения в модель грунта характеристик, отличающихся от статических. В основном они связаны с эффектами циклического нагружения, такими как:
Несмотря на преимущества модели упрочняющего грунта (HS – Hardening Soil) и модели слабого грунта (SS – Soft Soil), как обсуждалось в моих предыдущих статьях данной серии, эти модели не отражают перечисленные выше особенности. Только модель упрочняющего грунта при малых деформациях (HSS – Hardening Soil Small) включает первую особенность и может использоваться при динамических расчетах для неразжижаемых грунтов.
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).
UBC3D-PLM очень похожа на модель упрочняющегося грунта (HS), но имеет дополнительную особенность, заключающуюся в том, что она накапливает пластические деформации при циклическом нагружении. В сочетании с недренированным поведением в ней создается и увеличивается поровое давление, которое может привести к разжижению после определенного количества циклов (в зависимости от значений еe параметров).
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].
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.
PM4Sand можно рассматривать как усовершенствованную модель для анализа циклического нагружения и разжижения грунтов. Однако это пока двумерная модель, как и исходная. Существует четкая процедура определения ее параметров. Главный параметр hp0 определяет количество циклов, необходимых для достижения точки разжижения при заданном соотношении циклических напряжений. Его можно откалибровать по результатам серии циклических испытаний на прямой простой сдвиг или по корреляции с данными статического (CPT) или динамического (SPT) зондирования. Подпрограмма SoilTest (виртуальная лаборатория), встроенная в PLAXIS, позволяет удобно выполнить калибровку параметра hp0 (см. рисунок).
Рис. Моделирование недренированного циклического испытания на прямой простой сдвиг (DSS) для модели PM4Sand с помощью подпрограммы SoilTest (виртуальной лаборатории), встроенной в PLAXIS
Хотя динамический анализ обычно сложнее статического, я очень надеюсь, что с этой информацией вы почувствуете себя более уверенно для того, чтобы приступить к моделированию землетрясений и разжижения грунтов. Как правило, для динамических расчетов требуются не те модели грунтов, что для статических вычислений. Программный пакет PLAXIS 2D/3D Ultimate предоставляет все необходимые инструменты для динамического анализа, а также две специальные модели, которые можно использовать для геотехнического анализа землетрясений и оценки разжижения грунтов. Калибровку параметров моделей удобно проводить с помощью инструментов виртуальной лаборатории PLAXIS SoilTest.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку