Аннотації

ОГЛЯД ТЕОРІЇ І МЕТОДІВ МОДЕЛЮВАННЯ ПРУЖНОПЛАСТИЧНИХ ОСНОВ З ВРАХУВАННЯМ ЇХ РЕОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

Автор(и):
Затилюк Г. А., Бартків Б. Я.
Автор(и) (англ)
Zatyliuk G., Bartkiv B.
Дата публікації:

25.12.2025

Анотація (укр):

Проведено систематичний огляд сучасних теоретичних підходів і чисельних методів моделювання взаємодії споруд з пружнопластичними ґрунтовими основами з урахуванням їх реологічних властивостей. Відстежено еволюцію наукових уявлень від класичних спрощених моделей (модель постелі Вінклера, лінійно-пружний півпростір) до сучасних узагальнених в'язкопружнопластичних формулювань. Проаналізовано основні класи реологічних моделей ґрунту (консолідація, лінійна та нелінійна повзучість, об'єднані в'язкопластичні теорії) та сфери їх застосування, а також здійснено систематизацію методів чисельного моделювання основ із особливою увагою до методу скінченних елементів та його модифікацій. Наведено порівняльний аналіз десяти найпоширеніших реологічних моделей, що використовуються в сучасній геомеханіці, з оцінкою їхніх можливостей і обмежень. Огляд виявив, що точний прогноз напружено деформованого стану «споруда–основа» неможливий без врахування реологічних явищ (повзучості, консолідації), особливо для навантажених або слабких ґрунтів. Показано, що поступове ускладнення моделей – від пружних до в'язкопластичних – підвищує відповідність розрахунків реальній поведінці основ, проте супроводжується зростанням кількості параметрів і складністю їх експериментального визначення. Встановлено, що існуючі «уніфіковані» моделі потребують трудомісткої калібровки, яка обмежує їх практичне застосування. Серед актуальних проблем – недостатня адаптованість моделей для нестандартних ґрунтів (органічних, насипних, мерзлих), необхідність врахування анізотропії та циклічних впливів, підвищення точності довготривалих прогнозів. Перспективними напрямами вдосконалення є розробка мультимасштабних підходів, що поєднують мікро- і макромеханіку ґрунту, та інтеграція методів машинного навчання для автоматизації підбору параметрів моделей. Впровадження таких рішень підвищить надійність розрахунків і економічну ефективність проєктування у складних геотехнічних умовах.

Анотація (рус):

Анотація (англ):

A systematic review of modern theoretical approaches and numerical methods for modeling the interaction of structures with elastoplastic soil foundations, accounting for their rheological properties, has been conducted. The evolution of scientific concepts is traced, from classical simplified models (Winkler foundation model, linear-elastic half-space) to modern generalized viscoplastic formulations. The main classes of rheological soil models (consolidation, linear and nonlinear creep, unified viscoplastic theories) and their application areas are analyzed. Furthermore, numerical modeling methods for foundations are systematized, with particular emphasis on the finite element method and its modifications. A comparative analysis of the ten most common rheological models used in modern geomechanics is presented, assessing their capabilities and limitations. The review revealed that an accurate prediction of the "structure–foundation" stress-strain state is impossible without considering rheological phenomena (creep, consolidation), especially for heavily loaded or soft soils. It is shown that the gradual refinement of models – from elastic to viscoplastic – increases the consistency of calculations with the actual behavior of foundations; however, this is accompanied by an increase in the number of parameters and the complexity of their experimental determination. It was established that existing "unified" models require labor-intensive calibration, which limits their practical application. Current challenges include the insufficient adaptability of models for non-standard soils (organic, filled, frozen), the need to account for anisotropy and cyclic effects, and the improvement of long-term forecast accuracy. Promising directions for improvement include the development of multi-scale approaches that combine soil micro- and macromechanics, and the integration of machine learning methods to automate model parameter selection. The implementation of such solutions will enhance calculation reliability and economic efficiency in complex geotechnical conditions.

Література:

  1. Wood D. M. Soil Behaviour and Critical State Soil Mechanics. Cambridge : Cambridge University Press, 1990. 488 p.
  2. Vyalov S. S. Rheological fundamentals of soil mechanics. Amsterdam : Elsevier, 1986. 564 p.
  3. Bjerrum L. Problems of Soil Mechanics and Construction on Soft Clays. Géotechnique. 1973. 23 (3). P. 319–358.
  4. Terzaghi K., Peck R. B. Soil Mechanics in Engineering Practice. 2nd ed. New York : John Wiley & Sons, 1967. 729 p.
  5. Biot M. A. General Theory of Three-Dimensional Consolidation. Journal of Applied Physics. 1941. 12 (2). P. 155–164. DOI: 10.1063/1.1712886.
  6. Perzyna P. Fundamental Problems in Viscoplasticity. Advances in Applied Mechanics. 1966. 9. P. 243–377.
  7. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., Zhu J. Z. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals. 6th ed. Oxford : Elsevier, 2005. 752 p.
  8. Oida A. Analysis of Rheological Deformation of Soil by Means of Finite Element Method. Journal of Terramechanics. 1984. 21 (3). P. 237–251.
  9. Vermeer P. A., Neher H. P. A soft soil model that accounts for creep. Beyond 2000 in Computational Geotechnics: Proceedings of the International Symposium (Amsterdam, The Netherlands, 18–20 March 1999). Rotterdam : A. A. Balkema, 1999. P. 249–261.
  10. Затилюк Г. А. Чисельне моделювання взаємодії будівельних конструкцій із пружнопластичною основою напіваналітичним методом скінченних елементів : дис. … канд. техн. наук : 131. Київ, 2021. 200 с.
  11. Adachi T., Oka F. Constitutive Equations for Normally Consolidated Clay Based on Elasto-Viscoplasticity. Soils and Foundations. 1982. 22 (4). P. 57–70.
  12. Reiner M. Deformation and Flow: An Elementary Introduction to Rheology. London : H. K. Lewis, 1963. 347 p.
  13. Marzouk H., Felic H., Tschuchnigg F. A data-driven approach for soil parameter determination using supervised machine learning. Proceedings of the 9th International Symposium on Geotechnical Safety and Risk (ISGSR) (Oslo, Norway, 2024). Singapore : Research Publishing, 2024. P. 729–733.
  14. Budhu M. Soil Mechanics and Foundations. 3rd ed. New York : John Wiley & Sons, 2011. 784 p.
  15. Bentley Systems. PLAXIS 2D Material Models Manual. Exton, PA : Bentley Systems, Incorporated, 2023.
  16. MIDAS IT. GTS NX Analysis Reference Manual. Seongnam-si : MIDAS Information Technology Co., Ltd., 2023.
  17. Dassault Systèmes. Abaqus Analysis User's Manual. Vélizy-Villacoublay : Dassault Systèmes Simulia Corp, 2022.
  18. Itasca Consulting Group, Inc. FLAC3D 7.0 Manuals. Minneapolis, MN : Itasca International Inc., 2020.
  19. ANSYS, Inc. ANSYS Mechanical APDL Basic Analysis Guide. Canonsburg, PA : ANSYS, Inc., 2023.
  20. Шеремета Р. Огляд реологічних моделей. Вісник Львівського національного аграрного університету. Серія: Агроінженерні дослідження. 2018. 22. С. 22–30. DOI: 10.31734/agroengineering2018.01.022.

 

References:

  1. Wood, D. M. (1990). Soil behaviour and critical state soil mechanics. Cambridge University Press.
  2. Vyalov, S. S. (1986). Rheological fundamentals of soil mechanics. Elsevier.
  3. Bjerrum, L. (1973). Problems of soil mechanics and construction on soft clays. Géotechnique, 23 (3), 319–358.
  4. Terzaghi, K., & Peck, R. B. (1967). Soil mechanics in engineering practice (2nd ed.). John Wiley & Sons.
  5. Biot, M. A. (1941). General theory of three-dimensional consolidation. Journal of Applied Physics, 12(2), 155–164. https://doi.org/10.1063/1.1712886
  6. Perzyna, P. (1966). Fundamental problems in viscoplasticity. Advances in Applied Mechanics, 9, 243–377.
  7. Zienkiewicz, O. C., Taylor, R. L., & Zhu, J. Z. (2005). The finite element method: Its basis and fundamentals (6th ed.). Elsevier.
  8. Oida, A. (1984). Analysis of rheological deformation of soil by means of finite element method. Journal of Terramechanics, 21 (3), 237–251.
  9. Vermeer, P. A., & Neher, H. P. (1999). A soft soil model that accounts for creep. In Beyond 2000 in Computational Geotechnics: Proceedings of the International Symposium (Amsterdam, The Netherlands, 18–20 March 1999) (pp. 249–261). A. A. Balkema.
  10. Zatyliuk, G. A. (2021). Chyselne modeliuvannia vzaiemodii budivelnykh konstruktsii iz pružnoplastychnoiu osnovoiu napivanalitychnym metodom skinchennykh elementiv [Numerical modeling of the interaction of building structures with an elastoplastic foundation by the semi-analytical finite element method] (Doctoral dissertation). Kyiv National University of Construction and Architecture.
  11. Adachi, T., & Oka, F. (1982). Constitutive equations for normally consolidated clay based on elasto-viscoplasticity. Soils and Foundations, 22 (4), 57–70.
  12. Reiner, M. (1963). Deformation and flow: An elementary introduction to rheology. H. K. Lewis.
  13. Marzouk, H., Felic, H., & Tschuchnigg, F. (2024). A data-driven approach for soil parameter determination using supervised machine learning. In Proceedings of the 9th International Symposium on Geotechnical Safety and Risk (ISGSR) (Oslo, Norway, 2024) (pp. 729–733). Research Publishing.
  14. Budhu, M. (2011). Soil mechanics and foundations (3rd ed.). John Wiley & Sons.
  15. Bentley Systems. (2023). PLAXIS 2D material models manual.
  16. MIDAS IT. (2023). GTS NX analysis reference manual. MIDAS Information Technology Co., Ltd.
  17. Dassault Systèmes. (2022). Abaqus analysis user's manual. Dassault Systèmes Simulia Corp.
  18. Itasca Consulting Group, Inc. (2020). FLAC3D 7.0 manuals. Itasca International Inc.
  19. ANSYS, Inc. (2023). ANSYS mechanical APDL basic analysis guide.
  20. Sheremeta, R. (2018). Ohliad reolohichnykh modelei [Review of rheological models]. Visnyk of Lviv National Agricultural University. Series: Agroengineering Research, 22, 22–30. https://doi.org/10.31734/agroengineering2018.01.022