Проблема оценки устойчивости — одна из основных в геотехнических расчётах и в проектировании. Она относится к проверке по первому предельному состоянию, т. е. проверяется, что расчётная нагрузка не превышает предельную несущую способность. Нарушение этого условия приводит к полному выходу сооружения из эксплуатации и сопровождается аварией, носящей характер катастрофы. Чаще такая проверка производится при проектировании грунтовых плотин, дамб, автомобильных и железных дорог (насыпи и выемки) и при проектировании сооружений и зданий в пределах оползневых склонов.
Общепринятым и широко распространённым способом выполнения расчётов устойчивости считаются разработанные разными авторами методы предельного равновесия, которые представляют собой формулы для расчёта смещающегося массива как единого или блочного твёрдого тела. Несмотря на упрощения и допущения, принятые в этих методах, они до сих пор пользуются спросом. Однако надо заметить, что упрощённый расчёт по самой простой формуле (метод Терцаги) с использованием круглоцилиндрической поверхности скольжения (КЦПС) далеко не всегда обеспечивает надёжность оценки. Кроме того, такие расчёты требуют многократного выполнения для поиска критической (с меньшим значением коэффициента устойчивости) поверхности скольжения.
Расчёты методами предельного равновесия уже давно реализованы в различных программах, что позволяет упростить вычисления. Однако опыт использования программ показал, что получить однозначный результат далеко не всегда возможно. Современные программы, в которых реализованы методы предельного равновесия (аналитическая оценка), например, PLAXIS LE (Limit Equilibrium), позволяют выполнять расчёты устойчивости на очень высоком профессиональном уровне благодаря передовым разработкам, в том числе автоматизация поиска критической поверхности за счёт статистических процедур. Но наложение нескольких методов расчёта устойчивости (Бишоп, Моргенштейн-Прайс, Сарма, Янбу, Терцаги и др.) на несколько процедур поиска, начиная от классических (заданные центры окружностей, точки и линии входа и выхода и пр.) до передовых статистических (алгоритмы поиска «Cockoo», «Path» «Greco», «Slope search» и др.), для которых не требуется задавать начальное положение поверхности скольжения или её центры, приводит в реальных задачах к разнице (иногда существенной) в результатах коэффициента устойчивости и полученном положении поверхностей скольжения.
Таким образом, если геотехник использует в своей практике простые программы с простыми методами расчёта, он может получать некорректные результаты и заблуждаться при оценке надёжности. Использование профессиональных инструментов зачастую не позволяет получить однозначную величину коэффициента устойчивости, что также приводит к затруднению в принятии решения. Что делать в этой ситуации?
Если обратиться к специализированным нормативным документам, регламентирующим расчёты устойчивости, то наиболее свежие из них (СП 436.1325800.2018; СП 116.13330-2012; ОДМ -218.2.006-2010 и др.) рекомендуют выполнять оценку двумя независимыми способами: аналитическим (методы предельного равновесия) и численным. Численное моделирование на основе метода конечных элементов предлагает геотехникам способ оценки устойчивости, альтернативный аналитическому, а потому лишенному указанных ранее недостатков. У метода снижения прочности (SRM — Strength Reduction Method) есть свои особенности: он учитывает напряжённое состояние, требует большего количества входных данных и учёта особенностей недренированного поведения, настройки параметров расчётной процедуры (особенно количества шагов) и др. в зависимости от решаемой задачи, что в целом повышает достоверность расчётов. Последнее десятилетие использование метода снижения прочности в PLAXIS показало эффективность и надёжность этого подхода, что позволяет поставить этот метод на один уровень с подтверждёнными многолетней практикой использования методами предельного равновесия.
Более продвинутые методы аналитической оценки, например, метод Моргенштейн-Прайса или GLE (обобщённый метод предельного равновесия) иногда могут не давать решения из-за сложности решения уравнений для статически неопределимой системы. В свою очередь численное моделирование (метод снижения прочности) часто рекомендуется в качестве способа решения сложных задач, в том числе тех, которые нельзя решить с использованием аналитических методов предельного равновесия. Возвращаясь к нормативным документам по расчётам устойчивости, надо сказать, что требование взаимной проверки, аналитической и численной, вполне обосновано и должно соблюдаться на практике.
Программный геотехнический комплекс PLAXIS обеспечивает геотехника полным набором всех необходимых инструментов для надёжной оценки устойчивости:
- Основная программа PLAXIS, которая выполняет расчёт на основе метода снижения прочности (МКЭ);
- Дополнительная программа PLAXIS LE, импорт в которую происходит автоматически (только для 2D: геометрия + характеристики грунтов). Она позволяет выполнить проверку методами предельного равновесия с возможностью полностью автоматического поиска поверхности скольжения.
Кроме плоской постановки, расчёты могут быть выполнены в пространственной, трёхмерной постановке. Для оценки устойчивости это нередко может играть существенную роль, поскольку ряд задач достоверно решается именно в трёхмерной постановке.
