Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния исследований, методов расчета, моделирования и оптимизации отдельных фундаментов под колонны зданий. цели и задачи диссертационной работы 13
1.1 Классификация отдельных сборных фундаментов под колонны каркасных зданий и особенности их конструктивных решений 13
1.2 Обзор аналитических, инженерных и численных методов расчета, моделирования и оптимизации фундаментов под колонны зданий 17
1.3 Анализ лабораторных и натурных экспериментальных исследований работы отдельных фундаментов под колонны зданий и грунтового основания 26
1.4 Цель и задачи диссертационной работы 31
2 Автоматизированная система научных исследований для экспериментального изучения работы фундаментов на песчаном основании 33
2.1 Испытательная установка, аппаратура и методика экспериментальных исследований 33
2.2 Программно-аппаратный комплекс экспериментальных исследований с обработкой результатов опытов на ЭВМ в реальном масштабе времени 39
2.3 Метрологическое обоснование измерений. Анализ погрешностей измерений 42
2.4 Выводы по второй главе 45
3 Экспериментальные исследования совместной работы отдельных фундаментов под колонны зданий и песчаного основания 47
3.1 Методика экспериментального моделирования 48
3.2 Характеристики песчаного основания и моделей фундаментов 54
3.3 Распределение напряжений в процессе нагружения вплоть до предельных нагрузок 58
3.4 Анализ деформаций песчаного основания железобетонных моделей фундаментов 69
3.5 Характерные особенности деформации трещинообразования и разрушения моделей железобетонных фундаментов 74
3.6 Выводы по третьей главе 80
4 Расчеты отдельных фундаментов под колонны зданий 82
4.1 Основные положения и принципы подхода к теоретическому решению задачи о предельном состоянии основания гибкого железобетонного фундамента. 82
4.2 Расчет предельной несущей способности основания под гибким железобетонным фундаментом 83
4.3 Расчет отдельных сборных фундаментов под колонны зданий кинематическим методом предельного равновесия 87
4.4 Комплекс программ проектирования фундаментов каркасных зданий 94
4.5 В ыводы по четвертой главе 101
5 Оптимизация параметров фундаментов под колонны каркасных зданий при вариантном проектировании на персональном компьютере 102
5.1 Анализ компьютерных технологий многовариантного проектирования фундаментов и оснований 102
5.2 Структура многоуровневой оптимизации и принципы параметрической оптимизации, выбор расчетных параметров и критериев качества для оценки проектных вариантов 106
5.3 Оптимизация фундаментов под колонны каркасных зданий с использованием модуля «OPTIMUM» ПК АПОФЕОС 116
5.4 Выводы по пятой главе 120 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 122 ЛИТЕРАТУРА
- Обзор аналитических, инженерных и численных методов расчета, моделирования и оптимизации фундаментов под колонны зданий
- Программно-аппаратный комплекс экспериментальных исследований с обработкой результатов опытов на ЭВМ в реальном масштабе времени
- Распределение напряжений в процессе нагружения вплоть до предельных нагрузок
- Расчет предельной несущей способности основания под гибким железобетонным фундаментом
Введение к работе
Снижение стоимости строительства при одновременном обеспечении надежности, оптимизация трудозатрат и времени на сооружение подземных конструкций имеют огромное значение для повышения эффективности использования капитальных вложений, экономии материально-технических средств и повышения качества строительства. Решение этих задач и дальнейшее совершенствование технического прогресса в фундаментостроении в значительной мере обеспечиваются развитием исследований напряженно-деформированного состояния оснований и фундаментов, разработкой новых конструкций фундаментов и совершенствованием методов их расчета. Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования расширили представление о силовом взаимодействии фундамента и основания и позволили создать теории их расчета. Однако, до настоящего времени еще имеется много неизученных вопросов, разрешение которых позволит в большей степени использовать резервы несущей способности грунтовых оснований, железобетонных фундаментов.
Использование сборных фундаментов каркасных зданий позволяет сократить сроки строительства и перенести трудоемкие процессы по возведению фундаментов в заводские условия. Это имеет наибольшее значение при реконструкции действующих предприятий в условиях проведения работ без остановки технологического процесса.
Совершенствование методов и средств проектирования с использованием САПР является важной задачей. Повышение качества автоматизированного проектирования в фундаментостроении проявляется в разработке и использовании информационных технологий, новых методов принятия решений, модулей и программных комплексов оптимального проектирования.
Интенсивное развитие и повсеместное внедрение компьютерной техники создает возможность использовать компьютерные методы для прогноза
осадки и оценки НДС оснований фундаментов под колонны каркасных зданий.
Целью диссертационной работы является совершенствование расчета и конструирования отдельных сборных железобетонных фундаментов каркасных зданий на основе экспериментальных исследований и применения информационных технологий.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
Разработка аппаратно-программного комплекса и совершенствование методики проведения опытов с обработкой результатов в реальном масштабе времени.
Проведение экспериментальных исследований для оценки несущей способности и получения схем трещинообразования железобетонных моделей отдельных фундаментов под колонны каркасных зданий.
Разработка алгоритмов, программ и их реализация в виде программного комплекса методов расчета нижней оценки несущей способности гибких железобетонных фундаментов, упругопластической осадки оснований, проверки условий продавливания, трещинообразования и раскрытия трещин в столбчатых фундаментах.
Адаптация программной оболочки комплекса многокритериальной оптимизации различных типов фундаментов «Автоматизированное проектирование оптимальных фундаментов на естественном основании» (ПК «АПОФЕОС») к операционной системе Windows.
Разработка модуля многокритериальной оптимизации параметров сборных отдельных фундаментов под колонны каркасных зданий для ПК «АПОФЕОС».
Разработка новых конструкций отдельных сборных фундаментов, имеющих подкладную и опорную плиты.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Разработан интерфейс сопряжения дистанционных датчиков и персонального компьютера с визуализацией результатов опытов в реальном масштабе времени.
Получены новые экспериментальные данные о распределении контактных напряжений, а также нормальных вертикальных напряжений по глубине во всем интервале нагружения.
Получены новые экспериментальные данные о распределении относительных линейных и сдвиговых деформации в основании железобетонных фундаментов во всем интервале нагружения.
Получены схемы излома сборных отдельных фундаментов при внешней нагрузке, использующиеся в расчете фундаментов кинематическим методом предельного равновесия.
Разработана методика многокритериальной оптимизации параметров отдельных сборных фундаментов под колонны каркасных зданий для ПК «АПОФЕОС» в модуле «OPTIMUM».
Разработана новая конструкция отдельного сборного фундамента, отличающегося поворотом составных элементов опорной плиты относительно продольной оси.
Объектами исследования являются отдельные составные внецентренно нагруженные железобетонные фундаменты каркасных зданий.
Практическая значимость: 1. Усовершенствован автоматизированный аппаратно-программный комплекс научных исследований, повышающий информативность и точность результатов экспериментального моделирования. Усовершенствована методика проведения опытов с обработкой и визуализацией результатов в реальном масштабе времени.
Усовершенствована иерархическая оболочка, реализующая методику многопараметрической многокритериальной оптимизации ПК «АПОФЕОС» на основе объектно-ориентированного интерфейса Windows ХР.
Разработан программный модуль для ПК «АПОФЕОС», осуществляющий методику многокритериальной оптимизации параметров отдельных сборных фундаментов под колонны каркасных зданий.
Разработан программный комплекс для расчетов грунтовых оснований, включая определение расчетного сопротивления грунта, силы предельного сопротивления основания, нижней оценки несущей способности гибких железобетонных фундаментов, упругопластической осадки основания.
Разработан программный комплекс для расчетов фундаментов под колонны каркасных зданий, включая проверку условий продавливания, трещи-нообразования и определение характера раскрытия трещин.
На защиту выносятся:
Усовершенствованная методика экспериментального моделирования работы моделей фундаментов и песчаного основания.
Результаты экспериментальных исследований закономерностей взаимодействия моделей сборных фундаментов и песчаного основания.
Методика многокритериальной компьютерной оптимизации параметров отдельных сборных фундаментов под колонны каркасных зданий, реализованная в виде модуля программного комплекса «АПОФЕОС» на основе объектно-ориентированного интерфейса Windows ХР.
Новые конструкции сборных фундаментов, имеющие подкладную и опорную плиты с поворотом составных элементов опорной плиты относительно продольной оси.
Достоверность результатов исследований. В основу экспериментальных исследований положена метрологически обоснованная апробированная методика, разработанная на кафедре «САПР ОСФ» ЮРГТУ (НПИ), позволяющая получить достоверные значения исследуемых параметров. Достовер-
ность результатов опытов подтверждается сходимостью экспериментальных данных с теоретическими решениями и данными других авторов. Правильность полученных выводов подтверждена использованием общепринятых расчетных методов, нормативной и научно-технической литературы и результатов исследований других авторов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и опубликованы в трудах III и IV Международных научно-практических конференций "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах" (Новочеркасск, 2002-2003 гг.), на IV Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (Новочеркасск, 2004 г.), на конференции "Математическое моделирование и компьютерные технологии", материалы которой опубликованы в журнале "Известия высших учебных заведений. Северокавказский регион. Технические науки" (Новочеркасск, 2003), на ежегодных внутривузовских конференциях профессорско-преподавательского состава кафедр строительного профиля ЮРГТУ (НПИ) (2001-2004 гг.), на конференции в Техническом университете г. Дрездена (Германия, 2004 г.). За разработку комплекса согласования тензометрической станции СИИТ-3 с IBM-совместимым компьютером автор был удостоен диплома первой степени на Всероссийской выставке-ярмарке ИННОВ-2003 (г. Новочеркасск).
Внедрение результатов. Результаты исследований и практические рекомендации, разработанные в диссертационной работе, внедрены в проектном институте «Донпроектэлектро», (г.Новочеркасск), в фирме НПФ «Изыскатель», в учебном процессе Ростовского государственного строительного университета, Новочеркасской государственной мелиоративной академии, Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) и Донского Государственного межрегионального колледжа строительства, экономики и предпринимательства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 140 наименований и приложения. Полный объем диссертации 159 страниц, включая 58 рисунков и 11 таблиц. Основной текст диссертации (без оглавления, списка литературы, приложений, рисунков и таблиц) содержит 108 страниц машинописного текста.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в шести публикациях, шести свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ (РОСПАТЕНТ), патенте на полезную модель.
Теоретические и экспериментальные исследования проведены на кафедре «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства и фундаменте строение» в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) под руководством, кандидата технических наук, доцента СИ. Евтушенко. Автор выражает признательность за помощь при выполнении исследований профессорам, д.т.н. Ю.Н. Мурзенко и В.П. Дыбе.
Диссертационная работа выполнена в рамках деятельности научной школы ЮРГТУ (НПИ) «Механика грунтов, основания и фундаменты» (руководитель проф. Ю.Н. Мурзенко).
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА, МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ПОД КОЛОННЫ ЗДАНИЙ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Обзор аналитических, инженерных и численных методов расчета, моделирования и оптимизации фундаментов под колонны зданий
Основы расчета грунтовых оснований заложены в трудах Ш. Кулона, В. Ренкина, В.И. Курдюмова, Л. Прандтля, В.И. Новотворцева, М.Х. Пигулев-ского и др.
Основоположниками современной механики грунтов и теории расчета оснований являются К. Терцаги, Н.М. Герсеванов [13], В.А. Флорин [14], Н.А. Цытович [15] и др.
Процессы, происходящие в основаниях, в условиях предельного состояния изучались в работах Л. Прандтля, М.И, Горбунова-Посадова [16], Н.А. Цытовича [17], В.В. Соколовского [18], И.В. Федорова [19], Ю.Н. Мурзенко [20], В.П. Дыбы [21] и др.
Модель упругого полупространства применена Г.Э. Проктором [22], К. Вигхардом, Н.П. Пузыревским [23].
Нелинейные модели основания разрабатывали А.С. Строганов [24,25], В. Прагер [26], С.С. Вялов [27], Г.М. Ломизе [28,29], А.Л. Крыжановский [28,29], Г.К. Клейн [30], Е.Ф. Винокуров [31], В.А. Флорин [14], Ю.К. Зарец-кий [32], М.В. Малышев [33,34], Ю.Н. Мурзенко [35], В.П. Дыба [35] и др.
Разработке методов расчета сборных фундаментов посвящен ряд работ Е.А. Сорочана [10, 11], С.А. Ривкина [6, 36], А.Н. Тетиора [9, 37], A3. Абуха-нова[11, 12] и др.
Численные методы расчета оснований и фундаментов разрабатывались А.Б. Фадеевым [38], Г.В. Васильковым [39,40], А.К. Бугровым [41], В.М. Алексеевым и др.
Ряд вопросов совершенствования методов расчета оснований и фундаментов был разработан в трудах Б.Н. Жемочкина и А.П. Синицина, А.П. Пшеничкина [43,44], В.А. Волосухина, А.Н. Богомолова [45], В.К. Цвет-кова, В.А. Пшеничкиной [42].
Новым направлениям развития методов расчета оснований и фундаментов посвящены работы В.А. Ильичева, Ю.К. Зарецкого и др.
Идею необходимости решения смешанной задачи высказывали В.А. Флорин, Д.Е. Польшин, М.И. Горбунов-Посадов. В 1950 году В.В. Соколовским [46] было получено первое решение в строгой постановке для идеально связного грунта, при полубесконечных нагрузках. Развивая направление В.В. Соколовского, И.В. Федоров [47] получил в 1958 году решение для невесомой полуплоскости, при полубесконечных нагрузках. В 1962 году М.И. Горбунов -Посадов [48] получил решение смешанной задачи для жесткого ленточного фундамента конечных размеров с учетом образования ядра и криволинейных поверхностей скольжения. Приближенные решения получили Г.М. Рейтман [49] и Е.К. Седых [50].
В 1972 году Ю.Н. Мурзенко [20], обосновав возможность сложения полей напряжения И.Ф. Федорова, получил решение смешанной задачи для невесомой полуплоскости, обладающей трением и сцеплением при полосовой нагрузке с пригрузкой,
В 1975 году Ю.Н. Мурзенко и В.П. Дыба [35] получили решение смешанной задачи в деформациях для полуплоскости, нагруженной полубесконечными нагрузками.
Практическим результатом перечисленных выше исследований явились методы расчета грунтовых оснований и фундаментов.
Рассмотрим некоторые способы расчета оснований и сборных фундаментов под колонны зданий, которые применяются в проектной практике.
Размеры подошвы фундамента определяются расчетом основания по второму предельному состоянию (по деформациям). Эти величины фундамента должны быть такими, при которых деформации основания не вызовут недопустимых повреждений несущих конструкций здания и обеспечат его бесперебойную эксплуатацию.
В настоящее время существует ряд графических и аналитических методов для определения расчетного сопротивления грунта основания, а также нахождения основных геометрических размеров фундаментов. Такие предложения по совершенствованию расчета опубликованы в работах отдельных авторов и включены в некоторые инструкции и нормы [51-54].
В "Пособии по проектированию оснований зданий и сооружений" [52] приведены графики, упрощающие расчет фундаментов. Они позволяют находить размеры подошвы и величины осадок квадратных и ленточных фундаментов в зависимости от нагрузок и глубины заложения. К достоинству этого способа следует отнести однозначность решения при нахождении искомых величин.
Программно-аппаратный комплекс экспериментальных исследований с обработкой результатов опытов на ЭВМ в реальном масштабе времени
Организация обработки показаний дистанционных датчиков в реальном масштабе времени связана с необходимостью влиять на ход эксперимента в зависимости от результатов оперативной обработки данных, представленных, как правило, в виде таблиц, графиков и изолиний с разной степенью детализации. Ее необходимо выполнять за короткое время с максимальным использованием оборудования.
Аппаратура для измерения исследуемых параметров должна регистрировать показания приборов со скоростью, не требующей значительной задержки опыта во времени, особенно в фазе разрушения фундаментной модели. В практике проведения опытов широко используются информационно-измерительные системы, построенные на методах цифровой обработки, регистрации и передачи данных. Это позволяет широко применять ЭВМ на базе современных процессоров Intel Pentium и AMD Athlon для обработки результатов. Данное обстоятельство делает актуальной задачу разработки связи измерительной, управляющей и обрабатывающих систем на базе современного персонального компьютера.
Сопряжение измерительной станции СИИТ-3 с ЭВМ осуществляется с помощью интерфейса И-2 по кабелю Centronix. Разработанный автором интерфейс представляет собой расширение стандартного порта принтера. В основе устройства лежит микросхема, которая представляет собой программируемый интерфейс параллельной передачи информации. Для разработки программного обеспечения, на языке ассемблера написаны драйвера для управления работой СИИТ-3.
Следующий этап разработки АСНИ заключался в создании программного обеспечения системы управления и обработки результатов.
Программный модуль «Комплекс-1» (рис. 2.5) [115], предназначенный для управления системой СИИТ-3, написан на языке программирования «Object Pascal» в среде быстрой разработки приложений Delphi. В процессе сбора данных «Комплекс-1» позволяет выполнять первичную статистическую обработку, вычисление средних значений показаний тензометрической станции.
Кроме управления системой СИИТ-3 в процессе проведения эксперимента, данный программный модуль используется при градуировке дистанционных измерительных приборов, а также в ходе подготовки экспериментов для точной установки преобразователей. Программный модуль «Комплекс-1» дает возможность сохранить в памяти компьютера показания тензометриче-ской станции СИИТ-3 в табличном виде для последующей обработки экспериментальных и градуировочных данных в специализированных табличных редакторах. Вывод информации осуществляется на монитор компьютера или на печатающее устройство. Кроме того, информация сохраняется на жестком диске компьютера.
Программный модуль «Комплекс-2» (рис. 2.6) [116] предназначен для обработки и визуального представления показаний дистанционных преобразователей в реальном масштабе времени.
Входными данными программы служат показания дистанционных датчиков, представленные в цифровом виде, а выходными - графики и таблицы значений напряжений и деформаций основания фундаментов для разных сту пеней нагружения, которые могут быть использованы на последующих этапах моделирования. Алгоритм обработки основан на вычислении напряжений и деформаций по градуировочным зависимостям с учетом их нелинейности и гистерезиса. Вывод информации осуществляется на монитор или принтер.
Выходные таблицы с результатами могут быть записаны в виде файлов на жестком диске для детального анализа после завершения эксперимента.
Требования к компьютеру, включенному в состав АСНИ следующие: машинное слово не менее чем 16 разрядов, оперативная память не менее 32 Мб, операционная система Windows, частота процессора - не менее 75 МГц.
Особенностью метрологической обоснованности проводимых исследований является использование измерительных приборов, прошедших поверку в метрологической лаборатории. К ним относятся приборы для измерения давления, линейных и сдвиговых деформаций, приборы часового типа для измерений перемещений с большой точностью. Для обеспечения требуемой точности нагружения выполняется поверка работы домкратов машины МФ-1 непосредственно в исследовательской лаборатории не реже одного раза в год.
Метрологическая обоснованность измерений с использованием тензо-метрической станции СИИТ-3 обеспечивается выполнением тестовых задач для оценки погрешностей, которые привносятся аналого-цифровыми преобразователями и схемой включения тензорезисторов дистанционных преобразователей. Обработка результатов выполняется с помощью поставляемой заводом программы тестирования СИИТ-3.
Распределение напряжений в процессе нагружения вплоть до предельных нагрузок
Как видно из приведенных на рис. 3.18,а и 3.19,а данных, эпюра контактных напряжений в плоскости действия момента имеет седлообразный характер со стороны эксцентриситета во всем интервале нагружения для случая приложения нагрузки с эксцентриситетом е=0,1 L. Исчерпание несущей способности модели фундамента при этом происходило за счет разрушения подкладной плиты от продавливания. Эпюра нормальных вертикальных напряжений на глубине z = 0,25 b в плоскости действия момента со стороны эксцентриситета также имеет выраженные превышения значений напряжений под проекцией грани подкладной плиты по отношению к значениям напряжений в средней части фундамента см. рис 3.18,6.
На рис. 3.20,а приведена эпюра контактных напряжений в плоскости действия момента для случая приложения нагрузки с эксцентриситетом е=0,042 L. На первых ступенях нагружения эпюра контактных напряжений имеет седлообразный характер. Аналогичные эпюры получены другими авторами [99, 102, 107, 113]. Для случая жестких штампов, опыты Ю.Н. Мурзенко и З.Я. Тарикулиева, в ходе увеличения нагрузки, эпюра контактных напряжений имела седлообразный характер вплоть до нагрузок близких к предельным и затем преобразовывалась в параболическую. В наших опытах для гибкой модели фундамента, с эксцентриситетом приложения нагрузки е=0,042 L, приращения ординат эпюр напряжений в средней части фундамента увеличивались больше чем в краевых зонах уже на начальных ступенях нагружения. Эпюра контактных напряжений преобразовывалась в параболическую. При этом увеличивалась гибкость модели, концентрация напряжений по оси нагрузки приобретала прогрессирующий характер. Подобное распределение напряжений было отмечено и на глубине z=0,25 b см. рис. 3.20,6. Результаты опыта для случая е=0,042 L согласовываются с данными, полученными С.И.Евтушенко [107] для случая моделей фундаментов под колонны зданий с разрезкой опорной плиты на две части. Передача нагрузки на нижнюю плитную часть происходит через подкладную плиту и именно под ней основание воспринимает большую часть нагрузки, передаваемой на фундамент. Количественный анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что при нагрузках близких к предельной для небольших значений эксцентриситета приложения, нагрузка уравновешивается реакцией основания, ограниченного проекцией подкладной плиты. Аналогичные результаты были получены А.А. Цесарским при исследовании влияния масштабного фактора на эпюры контактных напряжений [102]. В исследованиях А.А. Цесарского увеличивались размеры моделей, а размеры нагрузочной площадки не изменялись. Увеличение концентрации напряжений под нагрузочной площадкой отмечалось при уменьшении величины консольных участков.
На рисунках 3.18,в и 3.19,6 изображены эпюры напряжений на глубине z=0,25 b в сечении вдоль короткой стороны фундамента для случая приложения нагрузки с эксцентриситетом е=0,1 L. Эпюры имеют четко выраженный параболический характер, что согласовывается с результатами опытов СИ. Евтушенко [107]. Некоторая асимметричность объясняется повышенной чувствительностью месдозы и креном модели фундамента.
Анализ экспериментальных данных для серии опытов с моделями фундаментов и поворотом составных элементов опорной плиты показывает, что наибольшее значение величины несущей способности основания достигается для случая поворота плит на угол 20 см. рис. 3.17. Максимальное значение осадки 24,56 мм. Величина предельного давления при этом составляет 1191 кПа. Значение предельного давления увеличилось на 9,8% для случая модели с поворотом элементов опорной плиты на угол 20 по сравнению со случаем без поворота.
Для измерения вертикальных линейных деформаций (опыты первой серии) в основании были установлены деформометры конструкции Ю.Н. Мурзенко и Ю.В. Галашева в уровне подошвы фундамента, а также на отметках по глубине 0,25 b и 0,5 b см. рис. 3.15. Измерение горизонтальных сдвиговых деформаций осуществлялось датчиками сдвига, также расположенными на отметках 0; 0,25 Ь; 0,5 b по оси фундамента в плоскости действия момента. Схема расположения датчиков сдвига представлена на рис. 3.14.
Установка деформометров и датчиков сдвига производилась при включенных тензометрической станцией СИИТ-3 и персональным компьютером АСНИ. Подключение дистанционных преобразователей к СИИТ-3 и применение программного модуля «Комплекс-1» позволяли осуществлять контроль начального положения преобразователей.
Расчет предельной несущей способности основания под гибким железобетонным фундаментом
Под действием нагрузки, передаваемой сооружением через фундамент, основание деформируется тем больше, чем больше эта нагрузка. Расчет оснований ведется по двум предельным состояниям. Первое характеризуется тем, что при достижении нагрузки на основание некоторого критического значения наступает состояние общей текучести (осадка фундамента непрерывно растет при постоянной нагрузке, в основании возникают поверхности скольжения, по которым может произойти сдвиг фундамента). Второе - определяется достижением такой степени деформаций основания, превышение которых вызывает повреждение надфундаментных конструкций.
В данной главе рассматриваются вопросы, относящиеся к первому предельному состоянию.
Теоретически предельная (критическая) нагрузка может быть определена численными методами, в частности методом конечных элементов. Однако оценка точности полученного численного решения является серьезной проблемой, следовательно, актуальным является контроль результатов. Для этого впервые в работах В Л. Дыбы [120, 121] предлагается: "разработать методики для получения достаточно простых аналитических верхних и нижних оценок несущей способности основания". Иначе говоря, определяется "коридор" в который должно вписываться оцениваемое численное решение. Заметим, что чем точнее оценки, тем уже этот "коридор".
Теоретической основой получения оценок несущей способности являются теоремы А.А. Гвоздева.
Вывод теорем основан на утверждении о том, что для истинного предельного напряженного состояния мощность диссипации в каждой точке не меньше чем для любого допустимого состояния сг , т.е. такого, что в каждой точке тела F(cr, ) 0, где F - функция текучести. При этом сама функция F может быть в общем случае различной для различных точек тела (единственное требование - не вогнутость). Это позволяет отнести теоремы к обобщенному "телу", представляющему собой фундамент на грунтовом основании.
Тогда теорема о нижней оценке несущей способности системы "основание-фундамент" формулируется следующим образом:
Если в грунтовом основании и фундаменте построено поле напряжений, удовлетворяющее уравнениям равновесия (в общем, не удовлетворяющее каким-либо условиям совместности), причем функции текучести и для грунта и для фундамента не положительны, то нагрузка на фундамент N., соответствующая построенным полям напряжений, не будет превышать несущей способности,т.е. K N.
Применение данной теоремы, т.е. статического метода оценки несущей способности, дает нижнюю оценку несущей способности.
В работе В.П. Дыбы [122] получено аналитическое решение нахождения нижней оценки несущей способности гибкого железобетонного фундамента. Выполним расчет железобетонной модели фундамента первой серии экспериментов по данному методу.
Площади сечения арматуры A[,Aks в обоих направлениях и рабочая высота плитной части определяют предельные изгибающие моменты, действующие на соответствующие консольные выступы плитной части фундамента в сечениях по грани подкладной плиты М, = 0,9Л ЛЧ и Мь = 0,9R erAX, (4.1) где 0,9 - коэффициент, учитывающий высоту сжатой зоны; Rsser - расчетное сопротивление рабочей арматуры класса А- I, принимаемое по табл. 20 [123], равным Rsser = 225МПа\ Л ,Л - площадь арматуры вдоль сторон 1 и b соответственно; / - плечо внутренней пары сил, определяемое как Л0 = h - z0, где h - толщина плитной части фундамента, z0 - толщина защитного слоя рабочей арматуры.
Предельные изгибающие моменты связаны с приведенной реактивной нагрузкой уравнениями [122] МЬ = Рщ , ML = -РпР , (4.2) где Рпр - предельное давление на грунтовое основание, зависящее от: Ь = bg 4- 2xb, L = Lg + 2xL ; bg, Lg - ширина и длина подкладной плиты; b\ L - ширина и длина опорной плиты минус удвоенный эксцентриситет нагрузки соответственно рис. 4.1.
