Расчёты устойчивости склона в разработанном расчётном модуле для различных геологических условий с использованием упругопластической модели грунта

Вячеслав Полунин, доцент кафедры геотехники, выполнил научно-исследовательскую работу «Реализация упругопластической математической модели грунта с помощью метода конечных элементов» в рамках конкурса грантов на выполнение научно-исследовательских работ научно-педагогическими работниками Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета в 2023 г.

Без численного моделирования невозможны расчёт фундаментов зданий и сооружений, разработка решений по выбору конструкций ограждения котлованов, организация подземного пространства в условиях плотной городской застройки, научно-техническое сопровождение уникальных зданий и сооружений.

В области инженерной геологии и грунтов основания геотехнические расчёты выполнялись в зарубежных программных комплексах, но, поскольку многие из поставщиков таких программ ушли с российского рынка, разработка отечественных расчётных модулей – крайне актуальная задача.

Исследования в рамках данной научной работы соответствуют направлениям стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: переходу к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, созданию систем обработки больших объёмов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта.

Разработка отечественных программ, реализующих численное моделирование на основе метода конечных элементов, позволяет не только заменить расчётно-вычислительные комплексы, которые ушли с отечественного рынка, но и развивать математические модели грунтов основания, совершенствовать методики расчёта и сокращать временны́е затраты на выполнение этих расчётов.

Главной особенностью проведённого исследования можно назвать междисциплинарность. От разработчика такой программы требуется высокий уровень компетенций в дисциплинах «Механика грунтов, основания и фундаменты», «Прикладная математика», «Программирование». Пришлось самостоятельно разбираться в математическом аппарате метода конечных элементов (МКЭ) и современных подходах к разработке вычислительных программ.

На данный момент удалось реализовать линейно-упругую изотропную модель поведения материала. Обычно она используется для моделирования фундаментов и конструкций, которые выполнены из металла или железобетона. Также были разработаны алгоритмы для реализации нелинейной модели материала с критерием прочности Мора-Кулона. Это самая базовая математическая модель грунтового основания. Именно под параметры и характеристики этой модели созданы текущие строительные нормы.

Был разработан модуль для решения задач фильтрации грунтовых вод, что позволяет учесть не только механическую работу грунта, но и оценить влияние гидрогеологии на его напряжённо-деформируемое состояние.

Результаты НИР были доложены на VIII Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений», который проходил при поддержке Российской академии архитектурно-строительных наук, и на 17-й Азиатской региональной международной конференции (17th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering 2023).

Уже сейчас идёт разработка более сложных нелинейных моделей грунта, а также совершенствование работы расчётного модуля.