Исследование и расчет несущей способности гибких железобетонных фундаментов методом предельного анализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Устинова, Ольга Евгеньевна

• Устинова, Ольга Евгеньевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Устинова, Ольга Евгеньевна

Аннотация.

Оглавление.

Введение.

1. Обзор и критический анализ методов расчета несущей способности гибких железобетонных фундаментов.

2. Проблемы использования полученных в сдвиговых испытаниях параметров прочности плотного песчаного основания для определения его несущей способности.

2.1. Обработка результатов различных авторов по экспериментальному исследованию прочностных характеристик песчаной среды и несущей способности песчаных оснований в модельных испытаниях.

2.2. Решение проблемы несоответствия теоретических и экспериментальных величин несущей способности плотного песчаного основания.:.

2.3. Формула предельных давлений для кусочно-линейного условия текучести.

3. Нижние оценки несущей способности прямоугольного железобетонного фундамента на грунтовом основании.

3.1. Метод получения нижних оценок несущей способности железобетонных фундаментов.

3.2. Нижние оценки несущей способности для квадратных, прямоугольных, центрально- и внецентренно нагруженных гибких фундаментов, неодинаково армированных по длине и ширине.

3.2.1. Квадратный железобетонный фундамент.

3.2".2. Зависимость нижней оценки несущей способности квадратного фундамента от параметров системы «фундаментоснование».

3.2.3. Нижние оценки несущей способности прямоугольных железобетонных фундаментов и зависимость их от параметров системы «фундамент — грунтовое основание».

4. Развитие программного комплекса по расчету предельных состояний систем "железобетонный фундамент — грунтовое основание" (ПК "ПРЕСС").

4.1. Состояние программного комплекса "ПРЕСС".

4.2. Разработка программных модулей "Нижние оценки несущей способности для прямоугольных железобетонных фундаментов" и «расчет осадки».

4.2.1. нижние оценки несущей способности для прямоугольных железобетонных фундаментов.

4.2.2. расчет осадки фундамента на упругопластичёском основании.

4.3. Разработка программных средств взаимодействия ПК "ПРЕСС" и инженера-проектировщика.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 способности; по 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 фундаментов; решение о предельном состоянии основания, среда которого обладает билинейной поверхностью текучести; анализ несоответствия нормативных расчетов несущей способности плотного песчаного основания; развитый 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.

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Устинова, Ольга Евгеньевна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Устинова, Ольга Евгеньевна, 2003 год

1. Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений. СНиП 2.02.01-83. М.: Стройиздат, 1985. 40 с.

2. Герсеванов H.M., ПолыиинД.Е. Теоретические основы механики грунтов.

3. Флорин В.А. Основы механики грунтов. Т. 2.-JL: ГСИ, 1961-543 с.

4. Цытович H.A. Расчет осадок фундаментов. М., Стройиздат. 1941.

5. Цытович H.A., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. М., Высшая школа, 1981.-292 с.

6. Ъ.Жемочкин Б.Н., СиницынА.П. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании без гипотезы Винклера. — М.: Госстройиздат, 1962. — 239 с.

7. Горбунов-Посадов М. И., Маликова Т. А., Соломин В. И. Расчет конструкций на упругом основании.-М: Стройиздат, 1984.-679с.

8. Горбунов-Посадов М.И. Устойчивость фундаментов на песчаном основании. М.: Гостехиздат, 1962. 96 с.

9. Гвоздев A.A. Определение величины разрушающей нагрузки для систем, претерпевающих пластические деформации //Труды конференции по пластическим деформациям. М.; JL; Изд-во АН СССР, 1938. С.19-30.

10. Мурзенко Ю.Н. Экспериментально-теоретические исследования силового взаимодействия фундаментов и песчаного основания. Дисс. . докт. техн. наук. Новочеркасск. 1972.

11. Сорочан Е.А. Фундаменты пром. зданий. М.: СИ, 1986. 304 с.

12. Тетиор А.Н. и др. Справочник . Проектирование фундаментов, Киев, Буд1вельник, 1981.

13. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции/ Госстрой СССР.-М.: Стройиздат, 1985. '

14. Штатов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты.-JI.:

15. Стройиздат, ленинградское отд-ние, 1988.-415 с.

16. Березанцев В.Г. Расчет оснований сооружений. Л.:ГСИ. 1970. 207 с.

17. Малышев М.В. Теоретическое и экспериментальное исследование несущей способности песчаного основания. М.:1953. 83 с.

18. Малышев М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. М.: Стройиздат, 1980. 137 с.

19. Калаев А.И. Несущая способность оснований сооружений. Л.: Стройиздат, 1990.183 с.

20. Ломизе Г. М. и др. Исследование закономерности развития напряженно-деформированного состояния песчаного основания при плоской деформации/Юснования, фундаменты и механика грунтов. 1972. № 1. с.4-8.

21. Широков В.И., Соломин В.К, Малышев М.В., Зарецкий Ю.К. Напряженное состояние и перемещение весомого нелинейно-деформируемого грунтового полупространства под круглым жестким штампом/Юснования, фундаменты и механика грунтов. 1970. № 1. С. 2-5.

22. Руководство по проектированию плитных фундаментов каркасных зданий и сооружений башенного типа /НИИОСП им. Герсеванова. -М.: Стройиздат, 1984.-263 с.

23. Региональные строительные нормы. Ленточные и свайные фундаменты. Изыскания, проектирование и устройство в зоне Северного Кавказа (Проект). Ростов-на-Дону: СевкавНИПИагропром, 1996. 27 с.

24. ДыбаВ.П. Предельное напряженное состояние основания под фундаментами конечной жесткости. //Взаимодействие сплошных фундаментных плит с грунтовым массивом: Межвуз.сб./Новочерк. политех, ин-т. Новочеркасск, 1982. С.57-64.

25. Зарецкий Ю.К. Лекции по современной механике грунтов.-Изд. РГУ, 1989.608 с.

26. Клепиков С.Н. Расчет балок на нелинейно-деформируемом винклеровском основании. Основания, фундаменты механика грунтов. М., 1972, с.8-10.

27. Пастернак П.Л. Основы нового метода расчета фундаментов на упругом основании при помощи двух коэффициентов постели. М., Госстройиздат, 1954, 112 с.

28. Пузыревский Н.П. Фундаменты. -М.-Л., Госстройиздат, 1934, 516с.

29. Герсеванов Н.М. Собрание сочинений, т. I.- М., Стройвоениздат, 1948,270 с.

30. Флорин В. А. Основы механики грунтов, т. 1-Й, Госстройиздат. JI.-M., 1959,1961.

31. Прагер В., Ходж Ф.Г. Теория идеально пластических тел, ИЛ. М.,1956.

32. Работное Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. 2-е изд., испр. М.: Наука, 1988. 712 с.

33. Дыба В.П. Оценки несущей способности железобетонных фундаментов//Исследования и компьютерное проектирование фундаментов и оснований: Сб.тр./НГТУ. Новочеркасск, 1996. С. 10-25.

34. А5.ДыбаВ.П., СкибинГ.М. Верхние оценки несущей способности ленточных фундаментов// Основания, фундаменты и механика грунтов.-1997.-№ 6.- С. 2-6.

35. Nayroles В. Essay de theorie fonctionnele des structures rigides plastiques parfaits//! Mecanique. 1970, V. 9, №3. p.p. 491-506.

36. Соколовский B.B. Статика сыпучей среды. Изд. третье. Гостехиздат. М., 1960. 243 с.

37. Prantdle L. Uber die Härte plastischer Körper. Göttingen Nachrichten, 1920. C.125.

38. Мурзенко Ю.Н. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния основания под жестким фундаментом. Канд. диссертация, Новочеркасск, 1964.

39. Куликов К.К. Экспериментальные исследования совместной работы плотного песчаного основания и сборных ленточных фундаментов. Дисс. . канд. техн. наук. Новочеркасск 1969 203с.

40. Аринина Э.В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния песчаного основания при осесимметричном нагружении. Дис. Канд. Техн. наук. Новочеркасск, 1972.-149 с.

41. Ревенко В.В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния песчаного основания под круглым штампом. Дис. Канд. Техн. наук. Новочеркасск, 1982.-160 с.

42. Галашев Ю.В. Упругопластические деформации в песчаном основании круглого штампа. Дис. Канд. Техн. наук. Новоч-к, 1986.-195 с.

43. Скибин Г.М. Исследование взаимодействия грунтового основания и ленточных фундаментов и оптимизация проектных решений. Дис. Канд. Техн. наук. Новочеркасск, 1998.-173 с.

44. Устинова O.E. К вопросу о несущей способности фундаментов на плотном песчаном основании // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2001. -№ 6. - С.16-17.

45. Крыжановский А.Л., Харин Ю.И. Использование закона Кулона в решении задач предельного состояния основания/Юснования, фундаменты и механика грунтов. 1983. № 2. С. 24-27.

46. Соколовский В.В. О приближенном приеме в статике сыпучей среды. ПММ, т. 16, вып. 2, 1952. С 246-248.

47. Мурзенко Ю.Н., ДыбаВ.П. Реализация принципов многокритериального синтеза в программном комплексе "АПОФЕОС" для многовариантного проектирования фундаментов// Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований:

48. Соболь И.М., Статников Р.Б. ЛП-поиск и задачи оптимального конструирования.-В кн.: Проблемы случайного поиска. Рига: Зинатне, 1972, № 1,с.117-135.

49. Бугров А.К. и др. Некоторые результаты решения смешанных задач теории упругости и пластичности грунтрв оснований/Юснования, фундаменты и механика грунтов. 1978. № 3. С. 35-39.

50. Основания и фундаменты: Справочник/ Г.И. Швецов, И.В. Носков, А.Д. Слободян, Г.С. Госькова; Под ред. Г.И. Швецова.- М.: ВШ., 1991.-383 с.

51. ТА. Дыба В. П., Скибин Г. М. Оценки несущей способности оснований шероховатых ленточных штампов //Мат. междунар. науч-практ. конф. "Строи-тельство-98": Тез. докл. Ростов н/Д : Рост. гос. строит, ун-т, 1998.С 140-141.

52. ДыбаВ.П., Скибин Г.М. Верхние оценки несущей способности шероховатых ленточных штампов//Информ. технологии проектирования и исследование оснований и фундаментов: Сб. науч. тр./Юж.-Рос. гос. техн. унт. Новочеркасск, 1999. 200 с.