Исследование и расчет несущей способности гибких железобетонных фундаментов методом предельного анализа

Развитие строительных наук привело к общепризнанному в настоящее время положению [1, 2] о том, что строительные конструкции, а также основания фундаментов, рассчитываются по двум группам предельных состояний: по первой группе — по несущей способностипо второй группе — по деформациям. Железобетонный фундамент, как железобетонная конструкция, рассчитывается по прочности и раскрытию трещин. I.

Основы современной теории расчета оснований созданы К. Терцаги [3],.

Н.М. Герсевановым [4], В. А. Флориным [5] и H.A. Цытовичем [6, 7].

Расчет фундаментов, работающих на изгиб, должен проводиться с учетом совместной работы конструкции фундамента и грунтового основания.

В условиях упругости и фундамента и основания методы расчета разрабатывались Винклером, Б. Н. Жемочкиным [8], М. И. Горбуновым!

Посадовым [9, 10] и многими другими.

С,.

Однако в рамках теории упругости найти разрушающую систему «железобетонный фундамент — грунтовое основание» силу нельзя, и расчет по первому предельному состоянию в рамках традиционных представлений проблематичен.

Поиск разрушающей силы возможен в рамках теории идеальной пластичности, используемой непосредственно или в виде предельной поверхности текучести в моделях с упрочнением. Несущая способность может быть оценена сверху и снизу на основании экстремальных свойств предельных состояний текучести [11].

Идеи A.A. Гвоздева развивались в науках о прочности многими зарубежными и отечественными авторами. В области оснований и фундаментов, в частности, указанный метод развивал В. П. Дыба [12].

В настоящее время предельный анализ [13] превратился в хорошо разработанный математический инструмент для расчета строительных и механических конструкций по первому предельному состоянию.

Согласно предельному анализу статически допустимое поле напряжений, отличное от точного, построенное и в основании и в теле фундамента является глобальным критерием прочности, указывающим, что прочность системы еще сохраняется. С другой стороны, построенному кинематически допустимому полю скоростей, отличному от точного, удовлетворяющему закону текучести, соответствует нагрузка, превышающая I предельное состояние системы «гибкий железобетонный фундамент — грунтовое основание».

Использование предельного анализа для расчета гибких железобетонных фундаментов по первому предельному состоянию имеет решающее преимущество по сравнению с использованием результатов численного эксперимента на основе МКЭ, рассчитывающего эволюцию напряженно-деформированного состояния системы во всем интервале нагрузок. В первом случае требуются лишь прочностные характеристики арматуры, бетона и результаты стандартных испытаний грунта на срез. Во втором случае требуется привлекать сложные модели грунта, которые содержат не только числовые параметры, но и экспериментально определяемые функции. Следовательно, использование предельного анализа в расчетах по первому предельному состоянию является актуальным.

Полученные с помощью предельного анализа формулы и программные средства на основе предельного анализа должны быть апробированы с помощью экспериментальных данных.

В ЮРГТУ под руководством Ю. Н. Мурзенко [14], в созданной им научной школе, проводились серии лотковых испытаний гибких железобетонных фундаментов на плотном песчаном основании.

A.A. Цесарский, А. Ю. Мурзенко, С.И.1 Евтушенко и др. [15]). Результаты этих опытов отвечают всем требованиям, необходимым для проверки технических I выводов.

Цель диссертационной работы — развитие ресурсосберегающих методов расчета железобетонных фундаментов по первому предельному состоянию на основе предельного анализа систем.

Научная новизна работы:

Разработан новый метод расчета гибких железобетонных фундаментов по первому предельному состоянию. '.

Получено аналитическое решение о предельном состоянии основания для билинейной поверхности текучести.

Получены аналитические нижние оценки несущей способности системы «гибкий железобетонный фундамент — грунтовое основание».

Развит и доведен до практического внедрения программный комплекс «ПРЕСС» для расчетов строительных конструкций, взаимодействующих с грунтом, по первому предельному состоянию.

Достоверность новых результатов обеспечивается строгостью постановки задач, использованием 1 общепринятых методов и законов механики сплошной среды, получением результатов в аналитической форме, проверкой технических результатов данными многих лотковых испытаний гибких железобетонных фундаментов других авторов.

Практическая ценность работы.

Несущая способность согласно СНиП 2.02.01−83* обеспечивается с запасом согласно пункту 2.58: Y.

Для гибких железобетонных фундаментов в качестве Ри следует принимать найденные нижние оценки несущей способности системы «фундамент — основание» КГ*.

Нижние и верхние оценки несущей способности образуют «коридор», в который должно попадать значение разрушающей нагрузки, полученное в численном эксперименте. Это позволяет контролировать численные расчеты.

Программный комплекс «ПРЕСС» дает проектировщику возможность получать как верхние, так и нижние оценки несущей способности ленточных и прямоугольных, гибких и жестких железобетонных фундаментов, а также рассчитывать осадку для гибких фундаментов на основаниях с развитыми областями предельного напряженного состояния.

Решение о предельном состоянии основания для билинейной поверхности текучести позволяет уменьшить несоответствие между теоретическими и экспериментальными значениями несущей способности I плотного песчаного основания, о чем было доложено в ходе научной дискуссии в журнале «Основания, фундаменты и механика грунтов».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены на международной научно-практической конференции (Ростов-на-Дону, 1997), внутривузовских конференциях кафедр строительного профиля и кафедре ВМ НГТУ (1997 — 2000 г. г.). Результаты работы использованы в учебном процессе по специальности 29.03 ПГС САПР. ;

Внедрение результатов.

Результаты исследований переданы для апробации на практике в проектный институт АО «СевкавНИПИагропром» г. Ростова — на — Дону.

По материалам исследования I диссертации написаны и читаются студентам V курса специальности ПГС САПР специальный курс «Несущая способность систем „фундамент — грунтовое основание“».

ПК «ПРЕСС» используется на кафедре САПР ОСФ в учебных, проектных и научных работах.

ПК «ПРЕСС» передан в ООО НПФ «Изыскатель» для апробации в проектной работе.

На защиту выносятся: новый. метод расчета и формулы: нижних оценок несущей способности гибких железобетонных фундаментоврешение о предельном состоянии основания, среда которого обладает билинейной поверхностью текучестианализ несоответствия нормативных расчетов несущей способности плотного песчаного основанияразвитый программный комплекс по расчету предельных состояний пластических систем (ПК «ПРЕСС»).

Публикации. I.

Основное содержание диссертационной работы изложено в 6 опубликованных работах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 75 наименований. Полный объем диссертации -125 страниц, включая 36 рисунков и 8 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Развит новый метод расчета гибких железобетонных фундаментов по первому предельному состоянию.

Получено аналитическое решение о предельном состоянии плотного песчаного основания с билинейной поверхностью текучести.

Проведен анализ результатов экспериментов с моделями фундаментов на плотном песчаном основании, полученных рядом авторов. Исследованы причины несовпадения рассчитанной по формуле (16) СНиП 2.02.01−83* несущей способности основания и экспериментальных данных.

Выполнено сравнение экспериментальных данных несущей способности плотного песчаного основания (в опытах К. К. Куликова и З.Я. Тари-кулиева), предельной нагрузки на данное основание по формуле (16) СНиП 2.02.01−83* и по формуле предельного давления на основание с билинейной поверхностью текучести. Подтверждено хорошее совпадение величин, рассчитанных по формуле автора, с экспериментальными.

Разработан метод построения нижних оценок несущей способности прямоугольных фундаментов, работающих на изгиб. Изучены закономерности изменения нижних оценок в зависимости от параметров системы «железобетонный фундамент — грунтовое основание».

Развит и внедрен в учебный и научно-исследовательский процессы программный комплекс по расчету предельных состояний пластических систем (ПК «ПРЕСС»).

Известный метод расчета пластических осадок распространен на случай гибких железобетонных фундаментов.