Ce arată, de fapt, un solver geotehnic FEM verificat — rezultate, grafice, limite

Publicat pe 9 September 2026

De ce citești o pagină de rezultate, nu un slogan

Un solver de geotehnică se vinde de obicei cu un cuvânt: „validat". Cuvântul nu spune nimic unui inginer care a mai fost dezamăgit de un program de calcul — și în geotehnică, unde un model constitutiv prost calibrat poate scoate o tasare de două ori mai mică decât cea reală, scepticismul e sănătos, nu obstrucție.

Așa că, în loc de cuvânt, pagina asta are cifre: modele constitutive verificate față de manualul PLAXIS și față de o încercare de laborator reală, o groapă instrumentată din literatură, o metodă de proiectare normată reprodusă în formă — nu doar în ordin de mărime. Recensământul complet al celor 391 de verificări automate, cu tot ce înseamnă „verificare" în fiecare categorie, e în articolul dedicat. Pagina de față e cealaltă jumătate: ce arată rezultatele, nu doar câte sunt.

O singură regulă înainte de tabele: nimic din ce urmează nu e o comparație cu programul PLAXIS. Comparăm cu benchmark-urile publicate în manualul lui — legi constitutive scrise ca ecuații, verificate pe un punct de material sau pe un caz cu soluție analitică. E o distincție pe care un inginer care are Plaxis instalat pe stație o simte imediat dacă o ignorăm, așa că o spunem de fiecare dată.

1. Modelele constitutive, față în față cu manualul și cu laboratorul

Motorul de calcul — Kratos Multiphysics, dezvoltat la CIMNE Barcelona, cu aplicația de geotehnică la care contribuie și Deltares — nu e scris de noi de la zero, și e mai bine așa: partea care rezolvă sistemul de ecuații are ani de utilizare în spate. Ce am scris noi sunt legile de material — cinci modele constitutive, fiecare implementat ca UMAT propriu și verificat separat: Mohr-Coulomb cu rigiditate dependentă de tensiune, Hardening Soil, HS-small, Soft Soil Creep, Modified Cam-Clay. Astea sunt exact modelele pentru care se cumpără un program de geotehnică — un solver elastic-plastic simplu nu concurează cu ele.

Cea mai tare probă nu e o comparație cu o formulă, e o comparație cu pământul real: nisipul Hostun, triaxiale drenate și edometre executate în laboratorul prof. J. Desrues (Université Joseph Fourier, Grenoble), cu parametrii calibrați chiar de PLAXIS pe aceste încercări (§16.2, Tabelul 16.2).

nisip Hostun măsurat (FEM) referință abatere
triaxial drenat, afânat, φ=34°, σ₃=300 kPa 761,14 kPa 761,14 kPa 0,00 %
triaxial drenat, îndesat, φ=41°, σ₃=300 kPa 1144,49 kPa 1144,49 kPa 0,00 %
edometru, E_oed, afânat, 100 kPa 15 947 kPa 16 000 kPa −0,3 %
edometru, E_oed, îndesat, 100 kPa 29 538 kPa 29 600 kPa −0,2 %
G₀ HS-small, afânat, σ₃=300 kPa 142 962 Pa 142 964 Pa <0,01 %
G₀ HS-small, îndesat, σ₃=300 kPa 194 855 Pa 194 856 Pa <0,01 %

Pe modelul cu fluaj (Soft Soil Creep), oracolul e mai interesant decât o simplă comparație numerică: constantele recuperate înapoi din curba calculată trebuie să coincidă cu cele puse la intrare. Dacă solverul ar avea o eroare sistematică ascunsă în integrarea în timp, aici s-ar vedea.

mărime (SSC, §16.5) recuperat din curbă pus la intrare abatere
λ*, din panta primară 80→640 kPa 0,0998 0,1000 −0,2 %
μ*, din fluajul secundar 0,00487 0,00500 −2,6 %
POP 433 kPa vertical → presiune izotropă P_p 374,1 kPa 373 kPa +0,3 %

De reținut: pe mărimile care au o valoare publicată de a treia parte — manual, laborator, normă — abaterile stau sub 3%. Nu e o cifră de marketing rotunjită, e cea mai mare abatere din tabelele de mai sus.

2. Convergența — unde rețeaua contează mai mult decât solverul

Capacitatea portantă sub o talpă rigidă pe pământ necoeziv (φ=0) are o soluție analitică exactă: q_u = (2+π)·c_u, Prandtl-Reissner. E terenul ideal pentru un test de convergență, pentru că oracolul e o dreaptă orizontală și orice abatere vine strict din discretizare.

Capacitatea portantă calculată converge monoton către soluția analitică Prandtl-Reissner pe măsură ce rețeaua se rafinează. Mesherul nestructurat atinge aceeași precizie (+3,0%) cu de patru ori mai puține noduri decât rețeaua structurată (745 față de 3105).

Două lucruri ies din acest grafic. Primul, evident: eroarea scade monoton spre zero pe măsură ce rețeaua se rafinează — semnul unui element finit implementat corect, nu al unei coincidențe numerice. Al doilea, mai util practic: mesherul nestructurat generat automat e de circa patru ori mai eficient decât o rețea structurată la aceeași precizie — 745 noduri față de 3105. Pentru un utilizator, asta înseamnă timp de calcul mai mic fără să sacrifice nimic din acuratețe, fără să știe măcar că a existat o alegere de făcut.

3. De ce contează modelul constitutiv — groapa de la Berlin

Un test de convergență spune că matematica e corectă. Nu spune încă de ce ai plăti pentru un model constitutiv avansat în loc de Mohr-Coulomb, cel mai simplu și mai rapid de rulat. Răspunsul stă în cel mai citat caz instrumentat de șantier din literatura de geotehnică: groapa de la Berlin, documentată de Schweiger (2002) — un perete triplu ancorat de 32 m, cu parametri de material publicați.

Aceeași geometrie, aceeași săpare pe etape, doar legea de material schimbată: Hardening Soil prezice o tasare de aproape trei ori mai mare decât Mohr-Coulomb. Cifra e chiar rezultatul care a făcut acest benchmark celebru în literatură.

Diferența nu e zgomot numeric — e fizica pe care Mohr-Coulomb, cu un singur modul de rigiditate constant, nu o poate reprezenta: rigiditatea reală a pământului scade cu nivelul de deformație, iar descărcarea din spatele unei săpături etapizate se comportă altfel decât încărcarea. Un model care nu separă cele două supraestimează sistematic cât de „țeapăn" e terenul din spate, deci subestimează tasarea. Pe cazul Berlin, subestimarea e de aproape 3×. Pentru un inginer care proiectează lângă o clădire existentă, diferența dintre 12 mm și 33 mm nu e o zecimală — e diferența dintre „fisuri cosmetice" și „raport la vecin".

Solverul reproduce corect ierarhia — Hardening Soil dă mai multă tasare decât Mohr-Coulomb, în direcția și de ordinul de mărime documentat de Schweiger — pe rețeaua de verificare din regresie. Pe o rețea mult mai fină, problema devine ea însăși instabilă numeric dincolo de un anumit nivel de mobilizare a rezistenței — un fenomen fizic real (pierderea elipticității, verificat separat față de Rudnicki-Rice), nu un defect de implementare — motiv pentru care nu publicăm o cifră de deplasare de pe acea rețea fină ca rezultat de sine stătător.

4. O metodă normată, reprodusă în formă — nu doar în cifră

Pământul armat cu geogrile se proiectează după FHWA-NHI-10-024, iar Figura 4-10 din manual conține o afirmație discriminantă: la armătură geosintetică, raportul dintre forța de întindere reală și cea de proiectare rămâne constant pe adâncime (spre deosebire de benzile metalice, unde ar scădea semnificativ). E genul de rezultat greu de „nimerit" din întâmplare — o singură cifră poate ieși bine printr-o coincidență de parametri, o formă pe șase straturi, nu.

strat z [m] T calculat [kN/m] T FHWA [kN/m] raport
1 1,50 7,20 8,76 0,82
2 2,50 11,55 14,59 0,79
3 3,50 15,32 20,43 0,75
4 4,50 21,57 26,27 0,82
5 5,50 27,81 32,11 0,87
Σ 86,43 105,08 0,823
Raportul rămâne între 0,75 și 0,87 pe toate cele cinci straturi — plat, nu descrescător — exact forma pe care Figura 4-10 din FHWA-NHI-10-024 o documentează pentru armătură geosintetică.

Nivelul mediu de 0,823 iese sub metoda simplificată — sensul în care metoda K-stiffness a fost gândită să fie acoperitoare, nu o coincidență favorabilă.

5. Ce nu face — și de ce merită spus aici, nu ascuns

O pagină de rezultate care se oprește la ce merge nu convinge un inginer, îl face suspicios. Trei limite, spuse direct:

  • 3D, dinamică, calcul termic nu sunt expuse în interfața curentă (elementele există în nucleul de calcul folosit dedesubt).
  • Armătura numai-întindere (geogrile, geotextile) se rezolvă prin iterație pe stare, nu printr-un element unilateral dedicat.
  • O rețea foarte fină pe un caz de tip Berlin, dincolo de ~70% din rezistența mobilizată, intră într-un regim în care problema matematică însăși își pierde soluția netedă — o proprietate a fizicii pierderii de localizare, nu a implementării, dar care înseamnă că nu raportăm o cifră de deplasare de pe acea rețea ca rezultat definitiv.

Recensământul complet — toate cele 391 de verificări, clasificate una câte una, cu ce înseamnă fiecare categorie și poveștile din spatele defectelor găsite pe parcurs — e în 391 de verificări automate pentru solverul geotehnic FEM.

Încearcă-l pe cazul tău

Cifrele de mai sus vin din regresia automată a suitei de teste, nu din exemple alese pentru articol — sursele complete, cu pagină și tabel din fiecare manual, sunt documentate pentru cine vrea să reproducă. Dacă vrei să vezi solverul la treabă pe geometria ta, nu doar pe benchmark-uri de manual, modelul e disponibil live pe /ro/geotehnica/solver.

A aparut o eroare neasteptata. Reincarca 🗙