Реализация проекта по строительству дополнительного участка автодороги на Стивенсон Авеню в г. Перт (Западная Австралия) позволит улучшить дорожную ситуацию, повысить транспортную доступность и расширить пропускную способность магистрали. Однако проведенные инженерно-геологические изыскания выявили наличие осадки грунтов с различной интенсивностью, что представляет собой значительное препятствие для дорожного строительства.
Каким образом сотрудникам отдела геотехнического проектирования компании WSP удалось подобрать наиболее подходящее решение по укреплению грунта, состоящее из более чем 160 различных вариантов сочетаний конструкций? Благодаря использованию программного комплекса PLAXIS, характеризующегося высокой скоростью и эффективностью автоматизации, совместно с Python.
Вторая очередь проекта строительства дополнительного участка автодороги на Стивенсон Авеню представляет собой крупный комплексный инфраструктурный проект стоимостью в 165 млн долларов, реализуемый в настоящий момент в городе Перт (Западная Австралия).
Строительство дополнительного участка включает в себя устройство путепровода, который будет пересекать оживленную автомагистраль Митчелл Фривей, построенную в начале 1980-ых. При этом завершение работ по укреплению грунта ожидается в 2024 году.
Собранные при помощи радара InSAR данные за шестилетний период (вплоть до 2020 года) показывают, что, хотя автомагистраль была построена 40 лет назад, в районе планируемых работ по продлению трассы до сих пор наблюдается осадка грунта, скорость которой различается от участка к участку и может достигать нескольких миллиметров в год.
Грунт представлен верхним слоем песка, под ним расположена толща торфяников с высокой степенью сжимаемости, который в свою очередь подстилается мощным песчаным пластом, что создает дополнительные сложности при проведении работ.
«Если бы работы по обустройству примыкающих насыпей и въездов на мост были выполнены без укрепления грунта, торфяники продолжили бы давать существенную осадку», — говорит Шэн Том Вонг (Shan Tom Wong), главный инженер-геомеханик в компании WSP.
Колонны заданной прочности (CMC) представляют собой метод усиления грунта, позволяющий укрепить почвы при помощи сети бетонных колонн (Источник изображения: компания WSP)
Простое и эффективное моделирование многочисленных сценариев
Компания WSP предоставляет услуги по проектированию и инжинирингу, не уступающие по качеству лучшим компаниям мира, в различных сферах промышленности, включая транспортные и инфраструктурные проекты.
Шэн Том входит в состав отдела геотехнического проектирования (возглавляемого техническим директором WSP Саймоном Тэном (Simon Tan)), который занимается разработкой конструкторской документации для этого ключевого проекта транспортной инфраструктуры.
При выборе решений по укреплению грунта сотрудники отдела геотехнического проектирования остановились на методе монтажа бетонных колонн, который подразумевает погружение колонн с проходом через толщу торфяников для последующего опирания на слой устойчивых пород. Наличие трех критически важных для проектирования переменных (мощность слоя торфа, высота насыпей и расстояние между колоннами) поставила перед инженерами колоссальную задачу по анализу 160 вариантов сочетаний конструкций.
«Построить такое большое число моделей одну за другой было бы очень трудоемкой задачей, а любая ошибка или недосмотр требовали бы уточнения или корректировки каждой из них в отдельности», — говорит Саймон.
«Мы приняли решение воспользоваться программным комплексом PLAXIS, который характеризуется высокой скоростью и эффективностью автоматизации, вместе с Python.»
Инновационное программное обеспечение PLAXIS для двумерного и трехмерного геотехнического моделирования входит в пакет продуктов компании Seequent — мирового лидера среди подобных решений — и позволяет проектировать и выполнять расширенный анализ деформаций грунтов и скальных пород методом конечных элементов.
После того, как спустя несколько итераций программный код Python был доведен до совершенства, в PLAXIS появилась возможность легко и эффективно смоделировать все 160 различных сочетаний конструкций в автоматизированном режиме.
Алгоритм работ по проектированию с представленным автоматизированным анализом осесимметричной колонны заданной прочности по моделям PLAXIS с использованием программного кода Python (Источник изображения: компания WSP)
Чем привлекателен этот алгоритм? Своей простотой
По мере реализации проектов и появления новой информации инженеры-геомеханики могут сталкиваться с большим объемом рутинных, повторяющихся задач по проектированию, либо из раза в раз возвращаться к проектным моделям для внесения незначительных корректировок.
«В тех ситуациях, когда одно или несколько изменений затрагивали большое количество моделей, использование тандема PLAXIS и Python для поиска решения задачи по укреплению грунта позволяло уменьшить временные и материальные затраты», — говорит Шэн Том.
Работа началась с создания двумерной осесимметричной числовой модели в PLAXIS. Затем специалисты обратились к своему коллеге из расположенного в Брисбене офиса WSP Дагласу Тану (Douglas Tun), младшему инженеру-геомеханику, за помощью в написании кода для Python.
Даглас воспользовался оболочкой Python, входящей в состав API (интерфейса прикладного программирования) PLAXIS, который является частью программного комплекса PLAXIS.
Ранее, в рамках исследований для написания докторской диссертации, он разработал серию алгоритмов для искусственного интеллекта и оптимизации при геотехническом проектировании. Одним из простых и эффективных инструментов оптимизации стал линейный поиск или алгоритм поиска перебором.
«Суть работы алгоритма заключается в поиске определенного элемента в массиве или перечне и последующей проверке каждого из элементов в последовательности до тех пор, пока не обнаружится искомый элемент, либо пока поиск не достигнет конца массива», — говорит Даглас.
«Это очень легко для понимания и — что еще важнее — это надежно: это всегда работает», — уточняет он.
В этом видеоролике продолжительностью 1 минута вы увидите, насколько эффективно компании WSP удалось разработать правильное решение задачи по укреплению грунта путем совместного применения PLAXIS и Python.
Оптимизируйте вашу работу по проектированию, используя PLAXIS в связке с Python
Строительство дополнительного участка магистрали продолжается полным ходом, при этом к середине 2023 года были смонтированы около 80 % бетонных колонн.
«С учетом того, что торфяники характеризуются долговременным действием ползучести и осадки, модель сжимаемого слоя создана на основе данных моделирования ползучести рыхлых грунтов», — рассказывает Саймон.
При построении графиков в качестве исходной информации для размещения в файлах данных использовались оценки осадки за периоды пять и сорок лет.
В ходе проделанной работы проведен анализ 160 осесимметричных моделей, сохранение файлов с данными и построение графиков, выполненное в автоматизированном режиме, чтобы обеспечить визуализацию данных и простоту интерпретации результатов.
«Предварительный подбор подходящего расстояния между колоннами в трехмерных моделях потребовал бы существенных временных затрат», — говорит Саймон. «Поэтому предварительное решение было принято на основе двумерных графиков осадки, после чего проведен более детальный анализ с использованием PLAXIS 3D.»
«Трехмерная модель включает в себя дополнительные элементы, такие как подпорная стенка, для симуляции бокового сдвига грунтов и стенки по прошествии времени.»
PLAXIS в связке с Python представляет собой эффективное и экономически целесообразное решение с отличным функционалом визуализации, который можно использовать при подготовке документации.
Отдел геотехнического проектирования WSP разделяет мнение, что использование PLAXIS в тандеме с Python может иметь и много других возможных вариантов прикладного применения — в особенности, когда речь идет о рутинных повторяющихся операциях при проектировании, что позволяет сэкономить временные и материальные затраты при реализации инфраструктурных проектов.