معرفی نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio

از GeoStudio چه می‌دانید

نرم‌افزار GeoStudio (ژئواستودیو) از نرم‌افزارهای نام‌آشنا و بسیار کاربردی دوبعدی در مهندسی ژئوتکنیک است. این نرم‌افزار که محصول کمپانی کانادایی GEOSLOPE است، هم‌اکنون در بیش از ۱۰۰ کشور جهان به کار گرفته می‌شود. ژئواستودیو هم‌چون دیگر نرم‌افزارهای تخصصی ژئوتکنیک مانند FLAC و Plaxis، برمبنای روش‌های عددی کار می‌کند. روش المان محدود، مبنای تحلیل‌هایی است که در این نرم‌افزار انجام می‌شود. مهندسان معدن و مهندسان عمران در گرایش‌های دیگری هم‌چون منابع آب، زلزله و محیط زیست از قابلیت‌های ژئواستودیو بهره می‌برند.

با GeoStudio چه می‌توان کرد

دامنه‌ی کاربردهای ژئواستودیو بسیار گسترده است. در این نرم‌افزار امکان انجام تحلیل‌های تنش ـ کرنش، جریان و تراوش وجود دارد. هم‌چنین تحلیل پایداری شیروانی‌ها، پایداری سدهای خاکی و تحلیل دینامیکی سازه‌های ژئوتکنیکی هم در ژئواستودیو انجام می‌شود. مدل‌سازی نیلینگ، مدل‌سازی پدیده‌ی روانگرایی در خاک‌های مستعد و شبیه‌سازی پدیده‌ی نشست از دیگر کارایی‌های ژئواستودیو است.

ویژگی‌های نرم‌افزار GeoStudio

ژئواستودیو نرم‌افزار سبکی است و با برخورداری از فرمولاسیونی جامع، قادر به حلی مسائل بسیار پیچیده‌ی ژئوتکنیکی است. ژئواستودیو کتابخانه‌ی کاملی از انواع مدل‌های رفتاری خاک دارد که به کاربر آزادی عمل بیشتری در مدل‌سازی می‌دهد. با استفاده از این مدل‌های رفتاری، کاربر قادر به شبیه‌سازی رفتار اغلب مصالح ژئوتکنیکی خواهدبود. در محیط ژئواستودیو می‌توان مسائل چندجزئی را با تعریف هندسه‌ی هر جزء و اختصاص مصالح به آن‌ها، شبیه‌سازی و تحلیل کرد.
در این نرم‌افزار کاربر می‌تواند هندسه‌ی موردنظر خود را مستقیماً ترسیم، یا آن را از فایل‌های اتوکد فراخوانی کند. ابزارهای بصری بسیار قوی و امکان تدوین داده‌های خروجی در اکسل، گرفتن خروجی را از ژئواستودیو بسیار ساده کرده‌اند. ژئواستودیو این توانایی را دارد تا مسائل را به روش‌های استاتیکی، شبه‌استاتیکی و دینامیکی تحلیل کند.
هم‌چنین این نرم‌افزار می‌تواند توابع رفتاری زمانی و مکانی مانند تخلیه و پر شدن سریع مخازن را مدل‌سازی کند. ژئواستودیو تفاوت‌های پارامتریک خاک در جهات مختلف و مسلح‌کننده‌های خاک مانند انکر، نیل و ژئوگرید را نیز پوشش می‌دهد.

ماژول‌های GeoStudio

ژئواستودیو ماژول‌های متنوعی دارد که هریک برای تحلیل‌های مختلفی به کار گرفته می‌شوند.
در ادامه به اختصار درباره‌ی عملکرد این ماژول‌ها صحبت خواهیم کرد.

• ماژول SIGMA

تحلیل‌های تنش ـ کرنش سازه‌های خاکی در این ماژول انجام می‌شوند. اندازه‌گیری میزان تنش‌ها، تغییرشکل و جابه‌جایی‌های به وجود آمده در سازه‌ی مدل‌سازی شده در این ماژول امکان‌پذیر است.

• ماژول SEEP

در این ماژول تحلیل تراوش آب‌های زیرزمینی در خاک، در شرایط جریان ماندگار و غیرماندگار انجام می‌شود.
ماژول SEEP به‌منظور بررسی اثرات متقابل سازه‌های خاکی و جریان آب، موردتوجه مهندسان آب نیز هست.
SEEP 3D در سال ۲۰۰۱ با قابلیت شبیه‌سازی سه‌بعدی حرکت آب در خاک ارائه شده‌است.

• ماژول SLOPE

اساس کار نرم‌افزار در این ماژول، برخلاف سایر ماژول‌های ژئواستودیو روش المان محدود نیست. این ماژول که مخصوص تحلیل پایداری شیب‌ها و محاسبه‌ی ظریب اطمینان بحرانی آن‌ها است، به روش تعادل حدی عمل می‌کند.

• ماژول QUAKE

در این ماژول امکان انجام تحلیل‌های دینامیکی سازه‌های ژئوتکنیکی در اثر زلزله، انفجار یا ضربه برای کاربر فراهم است.
شبیه‌سازی و تحلیل روانگرایی نیز در این ماژول مورد بررسی قرار می‌گیرد.

• ماژول TEMP

تحلیل توزیع دما در سنگ و خاک، در محیط این ماژول صورت می‌گیرد.
این توزیع دما می‌تواند در اثر تغییرات حرارتی زمین باشد.

• ماژول VADOSE

در این ماژول تحلیل اثرات شرایط محیطی بر خاک انجام می‌شود.
ازجمله این شرایط می‌توان به تابش خورشید، بارش برف و باران، رشد گیاهان و مواردی از این دست اشاره کرد.

• ماژول CTRAN

حرکت املاح و آلاینده‌های زیست‌محیطی و اثر آن‌ها بر سازه‌های خاکی در این ماژول بررسی می‌شود.

• ماژول AIR

در این ماژول امکان تحلیل اندرکنش آب‌های زیرزمینی و هوای محبوس در محیط‌های متخلخل سنگی و خاکی فراهم است.

آنالیز حرکت آب در خاک با نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio

از نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio با استفاده از ماژول SEEP برای بررسی شرایط تراوش و جریان آب در خاک استفاده می‌شود. از قابلیت‌های این ماژول می‌توان به آنالیز شرایط جریان ماندگار (Steady State)، محاسبه‌ی دبی عبوری از مقاطع مشخص، ترسیم تراز آب عبوری از درون خاک، ترسیم خطوط جریان و هم‌پتانسیل، ترسیم بردارهای سرعت و… اشاره کرد. این برنامه قادر است تا مدل گرافیکی را از هر قسمت به دلخواه به قسمت دلخواه دیگر وارد و در ادامه مدل گرافیکی موجود را برای آنالیز مدنظر کامل نماید.
از دیگر ویژگی‌های این بخش می‌توان به اجرای پتوی رسی بالادست (پوشش نفوذناپذیر)، ارزیابی اثر کاهش نشت از پی و خاکریز، بررسی اثر تغییرات ضریب نفوذپذیری در میزان تراوش آب در پی و خاکریز، بررسی کارآیی خاکریز به‌عنوان یک سد خاکی همگن و یا ناهمگن، ارائه‌ی راهکارهایی برای بهبود خواص خاکریز و… اشاره کرد.

 

 

شرایط نیمه‌اشباع در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio

از قابلیت‌های ويژه‌ی ماژول SEEP در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio می‌توان به امکان مدل نمودن شرایط خاک نیمه‌اشباع اشاره کرد. نیمه‌اشباع بودن خاک تاثیر مستقیمی بر نفوذپذیری آن دارد. از آن‌جا که حباب‌های هوای موجود در خاک از حرکت راحت آب در خاک جلوگیری می‌کنند، نفودپذیری خاک در حالت نیمه‌اشباع نسبت به حالت اشباع کمتر است.
کاربران حتماً باید در آنالیزهای خود خاک اشباع و غیراشباع را از یکدیگر تفکیک نمایند، چرا که آنالیز تراوش خاک‌های نیمه‌اشباع در حالت اشباع به نتایج اشتباه و غیرواقعی می‌انجامد. با تعریف تابع نفوذپذیری در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio می‌توان از بروز چنین خطایی جلوگیری کرد. نفوذپذیری در بازه‌ی تعریف‌شده برای این تابع به‌صورت خطی تغییر می‌کند و خارج از این بازه ثابت در نظر گرفته می‌شود. به این منظور باید دستور Hydraulic Conductivity از بخش Hydraulic Functions انتخاب شود. با این کار پنجره‌ی Conductivity Function باز می‌شود و کاربران می‌توانند با ویرایش کادر Function Number تنظیمات دلخواه خود را اعمال نمایند.

 

 

آنالیز پایداری شیب‌ها در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio

ماژول SLOPE در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio به‌منظور بررسی پایداری سطوح شیب‌دار در یک سد خاکی همگن و یا ناهمگن تعیین ضریب اطمینان (FOS) در طراحی شیب استفاده می‌شود. نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio برخلاف سایر بخش‌ها، در برنامه‌ی SLOPE/W از روش المان محدود استفاده نمی‌کند و مجموعه‌ای از روش‌های ترسیمی مختلف را برای آنالیز پایداری به‌کار می‌گیرد. در طراحی شیب حداقل ضریب اطمینان پایداری یک است، اما معمولاً در طراحی شیب ضریب اطمینان را حداقل برابر با ۱.۵ در نظر می‌گیرند.
تعیین ضریب اطمینان در ماژول SLOPE به‌طور پیش‌فرض با استفاده از روش‌های تعادل حدی نظیر Janbu، Ordinary و Bishop انجام می‌شود. معمولاً همراه با این روش‌ها برخی روش‌های دیگر نظیر GLE، Spencer و Morgenstern-Price نیز استفاده می‌گردد.
از دیگر ویژگی‌های ماژول SLOPE می‌توان به بررسی شیب پایین‌دست سد در شرایط زه ثابت، مقاوم‌سازی شیب پایین‌دست سد با روش‌های مختلفی نظیر اجرای مهار، نیلینگ و ژئوفابریک در بدنه‌ی سد اشاره کرد. این برنامه در بررسی شیب بالادست سد در شرایط افت سریع آب و افزایش مقاومت آن نیز کاربرد دارد. همچنین می‌توان از آن برای بررسی پایداری شیب یک سد در شرایط پایان ساخت، در شرایط جریان ماندگار و در حالت دینامیکی همراه با شتاب افقی زلزله نیز بهره برد.

 

 

• توزیع مقاومت مصالح در آنالیز پایداری

در ماژول SLOPE مدل‌های مختلفی برای توزیع مقاومت مصالح در آنالیز پایداری وجود دارد. قبل از استفاده از هر کدام از این مدل‌ها می‌توان پارامترهای پایه نظیر وزن مخصوص، چسبندگی، زاویه‌ی اصطکاک داخلی و… را با ویرایش اطلاعات پنجره‌ی Key-in Material Properties برای مصالح تعریف کرد. از این مدل‌ها می‌توان به Mohr-Coulomb، Undrained strength، No strength، Impenetrable (Bedrock)، Bilinear، Strength as a function of depth، Anisotropic strength، General data-point strength envelope، Strength using an anisotropic function، Frictional-Underlined combined models و SHANSEP اشاره کرد.
هرکدام از مدل‌های فوق بسته به ویژگی‌هایشان در کاربردهای مختلفی استفاده می‌شود. مثلاً مدل SHANSEP بیانگر مقاومت به‌صورت یک تابع از لایه‌ی سربار است و برای خاک‌های خیلی نرم کاربرد دارد. این مدل می‌تواند مقاومت برشی زهکشی‌نشده را با در نظر گرفتن تنش موثر لایه‌ای سربار یا تنش موثر قائم درجا، نرمال کند. یا مثلاً Undrained combined models-Frictional یا مدل‌های مقاومت برشی زهکشی‌شده-اصکاکی با توجه به فراوانی رس‌های نسبتاً نرم دریایی در کشورهای اسکاندیناوی کاربرد دارد. یا مثلاً مدل Strength using an anisotropic function مدل مقاومتی متداولی برای خاک‌های ناهمسان به‌شمار می‌رود.

 

 

• روش Morgenstern-Price برای پایداری شیب

در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio در ماژول SLOPE از روش‌های مختلفی برای تعیین پایداری شیب استفاده می‌شود. روش Morgenstern-Price یک روش ترسیمی-تعادلی حدی است که در آن با استفاده از تعادل برقرار میان نیروها و لنگرها در هر مقطع لغزشی دلخواه ضریب اطمینان تعیین می‌گردد. در این روش هم نیروهای نرمال و هم نیروهای برشی در محاسبات اعمال می‌شوند. برای تعیین مقطع لغزشی ار روش Grid & Radius استفاده می‌شود.

• تعیین مقطع لغزشی با روش Grid & Radius

در روش Grid & Radius در یک طرف شیب مجموعه‌ای از نقاط با ترسیم شبکه‌ای با ابعاد دلخواه و در طرف دیگر مجموعه‌ای از خصوط رسم می‌شود. اصطلاحاً به مجموعه‌ی نقاط، Grid و به مجموعه‌ی خطوط، Radius گفته می‌شود. در ادامه، نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio دایره‌هایی به مرکز نقاط شبکه را به خطوط Radius مماس می‌کند. فاصله‌ی عمودی میان نقاط Grid و خطوط Radius برابر با اندازه‌ی شعاع در این دایره‌هاست. با استفاده از این دایره‌ها روی شیب مدنظر یک مقطع ایجاد و در نهایت ضریب اطمینان پایداری این مقطع تعیین می‌گردد.
در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio برای هر نقطه به‌تعداد خطوط Radius دایره رسم می‌شود. در نهایت، نرم‌افزار برای هر نقطه از میان دایره‌های رسم‌شده و ضرایب اطمینان به‌دست‌آمده کمترین ضریب اطمینان را انتخاب می‌کند. کمترین ضریب اطمینان به‌عنوان ضریب اطمینان نهایی معرفی می‌شود. مقطعی که کمترین ضریب اطمینان را داشته باشد مقطع بحرانی (Critical Slip Surface) نامیده می‌شود.

 

 

آنالیز دینامیکی سد خاکی همگن در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio

ماژول QUAKE در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio در آنالیز دینامیکی کاربرد دارد. به این منظور ابتدا فایل از آنالیز ماژول SEEP دریافت می‌گردد. آنالیز ماژول SEEP به کاربران کمک می‌کند تا با آنالیز اولیه‌ی شرایط برای آنالیز دینامیکی مسئله آماده شوند. برای انجام این آنالیز باید از گزارش یک زلزله که از قبل در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio توسط شرکت سازنده تعریف شده استفاده کرد. داده‌های این گزارش می‌تواند در صورت نیاز مطابق با خواسته‌های مسئله تغییر داده شود.
از مهم‌ترین قابلیت‌های ماژول QUAKE می‌توان به نمایش انیمیشنی ناشی از تغییرات زلزله و نمایش نواحی روانگراشده اشاره کرد. انجام آنالیز پیش‌تحلیل و آنالیز دینامیکی سد و پی در اثر اعمال زلزله، بررسی تغییر پارامترهای تاثیرگذاری نظیر فشار آب منفذی، تنش قائم کل و تنش قائم موثر با عمق، نمایش دایره‌های Mohr و تعیین نواحی با پتانسیل روانگرایی در منطقه از دیگر ویژگی‌های کاربردی ماژول QUAKE در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio به‌شمار می‌روند.

 

 

آنالیز تنش-تغییر شکل در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio

آنالیز تنش-تغییر شکل سد خاکی ناهمگن در نرم‌افزار ژئواستودیو – GeoStudio با استفاده از ماژول SIGMA انجام می‌گیرد. این بخش از نرم‌افزار به آنالیزهای تنش-کرنش (Load/Deformation)، تنش درجا (In situ)و تحکیم اختصاص دارد. این آنالیزها به محاسبه‌ی تنش‌های قائم و افقی کل، بین‌‌ذره‌ای، نشست با عمق و فشار آب حفره‌ای کمک می‌کنند. همچنین با آن‌ها می‌توان تغییرشکل‌های حاصل در خاک را مشاهده کرد.

 

نسخه‌های موجود در بازار

GeoStudio 2019 آخرین نسخه‌ای است که از این نرم‌افزار وارد بازار شده‌است. برخلاف سایر ویرایش‌های ژئواستودیو، امکان فعال‌سازی این نسخه با استفاده از سریال‌نامبر برای دوره‌های یک ماهه‌ی متوالی وجود ندارد. با وجود این محدودیت، آخرین نسخه‌ی قابل‌استفاده برای کاربران ایرانی، نسخه‌ی ۲۰۱۲ (ویرایش شده در سال ۲۰۱۵) است.