Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исходные представления. Современное состояние вопроса 10
1.1 Краткий обзор опор эксплуатируемых, строящихся и реконструируемых мостовых сооружений. Современные инновации 10
1.2 Анализ нормативных и теоретических положений расчета и проектирования опор 16
1.2.1 Нормативные положения 16
1.2.2 Расчет несущей способности буронабивных свай 21
1.3 Возможности повышения научной строгости расчетов и повы
шения расчетной несущей способности оснований мостовых опор 25
1.3.1 Нелинейный (упругопластический) метод расчета геотехнических объектов 25
1.3.2 Учет упрочнения оснований длительно эксплуатируемых объектов 27
1.4 Выводы по главе 1 30
Глава 2. Выбор упругопластической модели грунта. Программное обеспечение 32
2.1 Описание принятой модели грунта. Определяющие и разрешающие уравнения 32
2.2 Программное обеспечение 36
2.2.1 Обзор программ, реализующих нелинейные версии МКЭ 36
2.2.2 Программа УПРОС и дополняющие ее элементы 37
2.3 Обзор исследований, подтверждающих принятую модель грунта...40
2.4 Выводы по главе 2 45
Глава 3. Математическое моделирование и методика упругопластического расчета буронабивных свай на осевую нагрузку 46
3.1 Описание решаемых задач 46
3.2 Расчетное моделирование вдавливания одиночных буронабивных свай в связные грунты 52
3.3 Расчетное моделирование вдавливания одиночных буронабивных свай в несвязные грунты 69
3.3.1 Примеры расчетов 69
3.3.2 Численное исследование 75
3.4 Расчетное моделирование буронабивных свай в составе свайных ростверков (многосвайных фундаментов) 78
3.5 Задача об устойчивости грунта вокруг неукрепленной цилиндрической полости 81
3.6 Выводы по главе 3 85
Глава 4. Расчет фундаментов мостовых опор в особых условиях 90
4.1 Основные положения 90
4.2 Упругопластический анализ упрочненных оснований реконструируемых объектов средствами МКЭ 91
4.3 Упругопластический расчет фундаментов мостовых опор в особых условиях 96
4.4 Выводы по главе 4 110
Основные выводы 112
Список литературы
- Анализ нормативных и теоретических положений расчета и проектирования опор
- Обзор программ, реализующих нелинейные версии МКЭ
- Расчетное моделирование вдавливания одиночных буронабивных свай в несвязные грунты
- Упругопластический анализ упрочненных оснований реконструируемых объектов средствами МКЭ
Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена развитию и уточнению методов расчета фундаментов и взаимодействующих с грунтом конструкций в составе мостовых сооружений путем внедрения в исследуемую область строгих решений теорий упругости, пластичности и механики грунтов.
В последние годы интенсивно растет число объектов строительства (в том числе мостов) с буронабивными сваями диаметрами 0,5-И ,7 м. После 2000 г. доля таких фундаментов на строящихся и реконструируемых мостовых сооружениях на федеральных дорогах Центрального и Центральночерноземного регионов превысила 50 %. Предложения и научные исследования, связанные с использованием для расчетов свай на осевую нагрузку решений осесимметричных задач МКЭ нелинейной механики грунтов, не получили массового внедрения в проектную практику. Такие решения позволяют выполнять аналитические расчеты буронабивных свай, при изготовлении которых (в отличие от свай, устраиваемых с уплотнением околосвайной зоны) сохраняются природные характеристики грунта, принимаемые в качестве исходных данных. Использование при расчетах буронабивных свай решений осесимметричных смешанных задач теорий упругости и пластичности позволяет не только повысить теоретическую строгость расчетов, но также определить осадку свай, что имеет значение при проектировании неразрезных систем и др. объектов с высокими требованиями к точности определения перемещений.
В современном проектировании и расчетах грузоподъемности оснований и фундаментов мостовых опор растет число объектов с особыми условиями, которые отличаются от предусмотренных формулами и таблицами действующих нормативно-методических документов (СПиП 2.02.01-83*, СНиП 2.05.03-84* и др.). Примерами таких условий являются: односторонняя или двухсторонняя пригрузка основания откосами конуса и пересекаемой дорожной насыпи (для путепроводов); наклонное расположение поверхности
5 основания и границ геологических слоев; расположение фундаментов на береговых склонах, вблизи вершины или перелома откоса; увеличение нагрузки на основание при уширениях проезжей части (габарита) длительно эксплуатируемых мостовых сооружений.
В связи с отсутствием готовых методов расчета, отражающих условия рассматриваемых разновидностей геотехнических объектов, необходимы решения инженерных задач, основанных на одной из современных расчетных моделей строительной механики и теории фундамеитостроения. Наиболее пригодными для этой цели являются линейные или нелинейные версии метода конечных элементов (МКЭ) для грунтов, однако такие способы расчета ограниченно применяются на практике при проектировании мостовых сооружений.
Актуальность темы диссертации обусловлена практической значимостью указанных выше научно-технических задач, современными возможностями совершенствования качества инженерных расчетов путем использования решений строгой теории.
Цель диссертации. Разработка комплекса научно-обоснованных методов расчета фундаментов в составе мостовых сооружений с использованием решений прикладных задач нелинейной механики грунтов на математической основе МКЭ:
- буронабивных свай диаметрами 0,5-И ,7 м; неукрепленных скважин
(цилиндрических полостей со свободными стенками) в грунтовых основани
ях, образуемых при изготовлении буронабивных свай;
- фундаментов опор в особых условиях.
Задачи исследования:
- выбор и обоснование расчетной нелинейной (упругопластической)
модели грунта, расчетно-аналитического аппарата, критериев предельных
состояний для последующей разработки методик расчета исследуемых в дис
сертации геотехнических объектов;
разработка и обоснование (путем сравнения с результатами опытных измерений и предшествующих исследований) методики упругопластнческого конечно-элементного расчета буронабивных свай и неукрепленных скважин, устраиваемых при изготовлении буронабивных свай;
разработка способа расчета упрочнения оснований фундаментов мелкого заложения после длительного периода эксплуатации, отражающего особенности использования МКЭ;
разработка методик упругопластнческого расчета фундаментов опор мостовых сооружений в особых условиях, требующих использования решений нелинейной механики грунтов.
Научная новизна и положения, выносящиеся на защиту. 1. По специальности 05.23.17
Расчетное моделирование вдавливания стержней цилиндрической формы ступенчато возрастающей осевой силой в идеально упругопластиче-скую среду, описываемую физическими соотношениями закона Гука (на допредельной стадии деформирования); условием текучести Мизеса-Шлейхера-Боткина, гипотезой о соосности девиаторов главных напряжений и относительных деформаций, дилатансионными соотношениями неассоциировашю-го закона текучести (на стадии пластического деформирования) путем использования решения осесимметричной смешанной задачи теорий упругости и пластичности на математической основе МКЭ: обоснование и конечно-элементная формализация расчетных областей, назначение граничных условий, обоснование критериев предельных состояний.
Расчетное моделирование (обоснование и конечно-элементная формализация, назначение граничных условий, обоснование критериев предельных состояний) в соответствии с положениями, указанными в п. 1.1, напряженно-деформированного состояния идеально унругопластической осесимметричной расчетной области с цилиндрической полостью.
Назначение и обоснование в качестве параметра упрочнения точек (конечных элементов) унругопластической расчегной области отношения
7 средних напряжений (шаровых составляющих тензоров напряжений) от длительного воздействия уплотняющей нагрузки и аналогичных составляющих в составе уравнения, описывающего предел текучести (предельное напряженное состояние).
2. По специальности 05.23.02
Обоснование выбора для условий решаемых задач упругопластиче-ской модели грунта, описываемой уравнениями закона Гука (на допредельной стадии деформирования) и теории пластического течения в соответствии с уравнениями Мора-Кулона (для условий плоской деформации), Мизеса-Шлейхера-Боткина (для условий осесимметричного напряженного состояния), гипотезой о соосности девиаторов главных напряжений и относительных деформаций с дилатансионными соотношениями иеассоциированного закона течения.
Обоснование расчетной модели и численная конкретизация параметров предельных состояний буронабивных свай путем сравнения результатов расчетов с данными статических испытаний по известным (из литературных источников) и архивным материалам.
Способ расчета на основе МКЭ упрочнения оснований фундаментов мелкого заложения после длительного периода эксплуатации, заключающийся в применении повышающих коэффициентов (А. И. Полищук, 2000) к прочностным характеристикам (углу внутреннего трения и удельного сцепления) грунтов несущих слоев.
2.4 Методика и примеры упругопластических конечно-элементных
расчетов фундаментов мостовых опор в особых условиях (пригрузка основа
ния откосами конуса и пересекаемой насыпи; наклонное расположение днев
ной поверхности и границ геологических слоев; расположение опор на бере
говых склонах вблизи вершины или перелома откоса; увеличение нагрузки
после длительного периода эксплуатации): выделение расчетных областей,
конечно-элементная формализация и моделирование фундаментных конст
рукций, назначение граничных условий, обоснование критериев предельных
8 состоянии; анализ полученных результатов и обоснование проектных решений (выводов по оценке грузоподъемности эксплуатируемых объектов).
Достоверность научных положений диссертации основывается на следующем:
использовании в качестве научной основы исследования физических уравнений теорий упругости и пластичности, механики грунтов, которые многократно проверены при расчётах и проектировании широкого круга геотехнических объектов, в лабораторных и натурных экспериментах;
использовании в качестве математической основы расчётных методов и процедур (МКЭ, метода начальных напряжений), корректность которых является доказанной;
достаточной для исследования в инженерной области степени соответствия результатов аналитических расчётов и полевых экспериментов, взятых из научных публикаций и архивных материалов.
Практические результаты (реализация) исследования:
- компьютеризированные методики и технологии расчетов исследуе
мых геотехнических объектов;
- расчеты при проектировании мостовых сооружений в научно-
проектном предприятии ООО «Мостинжсервис плюс»;
фрагменты лекционного курса «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в сложных геологических условиях» магистерской подготовки студентов ВГАСУ по программе «Теория и проектирование зданий и сооружений» направления 270100 «Строительство»;
корректировка и адаптация к условиям решаемых задач программного обеспечения унругопластических расчетов геотехнических объектов (программа УПРОС);
Личный вклад соискателя заключатся в исследовании и разработке методик расчета несущей способности буронабивных свай) и устойчивости неукрепленных полостей (скважин), устраиваемых при изготовлении буронабивных свай (обоснование размеров расчетных областей, граничных уело-
9 вий, критериев предельных состоянии); разработке и обосновании способа
расчета упрочнения грунтовых оснований при длительном воздействии уплотняющей нагрузки на основе МКЭ с использованием табличных данных из литературных источников; разработке методик и расчетов примеров фундаментов мелкого заложения в особых условиях; корректировке программы УПРОС и дополняющих ее процедур и технологических элементов, предназначенных для расчетов исследуемых объектов.
Апробации работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на II и III Международных научных конференциях «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2003, 2006 г. г.), Международном научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки» (Пермь, 2005 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы механики грунтов и фундаментостросния в сложных грунтовых условиях» (Уфа, 2006 г.), научно-практических конференциях «Проблемы механики и надежности эксплуатируемых и реконструируемых мостов на автомобильных дорогах» (ВГАСУ - НИЦ "Дормост", Воронеж, 2001^-2006 г. г.), I международной научно-практической конференции «Оценка риска и безопасность строительных конструкций» (Воронеж, 2006 г.).
Публикации. Основные результаты исследования и содержание диссертационной работы изложены в 9 статьях, опубликованных в сборниках научных работ. Одна статья опубликована в издании, входящем в перечень, определенный ВАК РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов. Общий объем работы: 104 страниц машинописного текста, 43 рисунка, 17 таблиц; список литературы из 98 наименовании, 3 приложения; всего 134 страницы.
Анализ нормативных и теоретических положений расчета и проектирования опор
Основные положения расчетов при проектировании фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов мостовых опор, изложены в главах СНиП 2.05.03-84 [62], СНиП 2.02.03-85 [60] и, частично, СНиП 2.02.01-83 [61]. Установленный этими документами комплекс расчетов основывается на упрощенных эмпирических формулах и таблицах, сохраняющихся с незначительными изменениями более 50 лет.
Учитываемые в расчетах нагрузки на фундаменты промежуточных опор и устоев состоят из трех групп воздействий: - постоянных нагрузок, к которым относятся вес конструкций пролетных строений, мостового полотна, вес переходных плит и лежащих на них конструкций сопряжения моста с проезжей частью подходов, собственный вес конструкций опор и грунта свесах плит фундаментов; горизонтальное давление грунта на устои, определяемое как активное по Кулону, взвешивающее действие воды; - временных нагрузок от подвижного состава, включающих условные вертикальные нагрузки АК и НК, горизонтальную продольную нагрузку от торможения или силы тяги, горизонтальную поперечную нагрузку от ударов подвижного состава, горизонтальное грунта на устои от временной нагрузки АК на призме обрушения; - прочих временных нагрузок (ледовой, ветровой, температурной деформации пролетных строений, нагрузки от навала судов).
Проверки по предельным состояниям фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов выполняются с использованием разных способов расчетной схематизации. В связи с этим ниже, в настоящем параграфе, нормативные положения по расчетам этих типов фундаментов рассматриваются раздельно.
В таблице 1.3 представлено описание проверок по предельным состояниям (ПС) нескальных оснований фундаментов мелкого заложения опор мостовых сооружений в соответствии с положениями главы СНиП 2.05.03-84 с использованием методик расчетов осадок и кренов приложения 2 главы СНиП 2.02.01-83 . К содержанию таблицы 1.3 следует добавить особенности расчета оснований устоев, которые заключаются в следующем: 1) при расчетах осадок основания и определении относительного эксцентриситета равнодействующей учитывается пригрузка основания весом подходной насыпи и конуса; 2) при определении расчетного сопротивления R по формуле прило жения 23 СНиП 2.05.03.84 (таблица 1.3) в расчет вводится глубина заложения фундамента d, увеличенная на половину высоты конуса.
Расчетные проверки оснований мостовых опор содержат следующие отличия от общих норм (СНиП 2.02.01-83 ) расчетов оснований мелкого заложения. 1) Наличие проверки положения равнодействующей. 2) В нормах СНиП 2.02.01-83 основным является расчет осадок основания по расчетной схеме линейно деформируемого полупространства с условным ограничением толщины сжимаемой толщи основания. При этом ограничивается среднее нормативное давление р под подошвой фундамента, которое должно быть не более расчетного сопротивления грунта R основания по формуле (7) п. 2.41. Величина R определяется аналитически в зависимости от угла внутреннего трения (ри и удельного сопротивления си (для расчетов по деформациям) как «начальная критическая нагрузка» по условию достижения предельного напряженного состояния (в соответствии с уравнением Мора-Кулона) в грунте под фундаментом на глубине, равной 1 4 его ширины. Расчет основания по несущей способности (прочности) также предусмотрен. Он выполняется с использованием прочностных характеристик q),, сj (для расчетов по несущей способности), принимая расчетную модель основания по теории предельного напряженного состояния [формула (16), п. 2.62 СНиП 2.02.01-83 ].
В отличие от этого в нормах СНиП 2.05.03-84 при расчете осадок выполнение условия p R формально не предусмотрено, но расчетные давления р, /?пшх и расчетное сопротивление R по эмпирической формуле приложения 23 СНиП 2.05.03-84 (таблица 1.3), используются в расчетах по предельным состояниям 1-й группы.
При этом следует учесть, что расчетные сопротивления R по аналитической формуле СНиП 2.01.02-83 («начальная критическая нагрузка») и по эмпирической формуле приложения 23 СНиП 2.05.03-84 являются близкими величинами и существенно меньшими, чем «несущая способность основания», однако последний параметр для расчетов мостов не применяется.
Изложенные выше положения, эмпирическая формула для определения R и табличные данные приложения 23 С\ 1иП 2.05.03-84 не позволяют отразить в расчетах фундаментов мелкого заложения следующие сложные или особые условия, которые встречаются на растущем числе объектов: - односторонняя или двухсторонняя прнгрузка основания откосами конуса и пересекаемой дорожной насыпи (для путепроводов); - наклонное расположение поверхности основания и границ геологических слоев; - расположение фундаментов на береговых склонах, вблизи вершины или перелома откоса склона; - увеличение нагрузки на основание при реконструкциях, уширениях проезжей части длительно эксплуатируемых мостовых сооружений.
Следует отметить, что уже наличие достаточно значительной горизонтальной силы (тормозной, ледовой нагрузок), действующей совместно с вертикальной и моментной составляющими, отличает условия расчета грунтового основания под плитным фундаментом от предусмотренных формулами и табличными параметрами нормативных документов.
Расчеты свайных фундаментов мостовых опор выполняются в соответствии с нормами СНиП 2.02.03-85. При эксплуатации мостовых опор на свайные фундаменты передаются значительные моментные и горизонтальные нагрузки, но эта особенность не связана с задачами настоящего исследования.
Обзор программ, реализующих нелинейные версии МКЭ
При выполнении диссертационного исследования была изучена возможность использования для решения поставленных задач известных программ. Были рассмотрены отечественные многоцелевые программные комплексы промышленного назначения LIRA [39] и SCAD [58]; специализированные программы и программные комплексы, предназначенные решения геотехнических задач «Геомеханика» (СПбГАСУ [76]), PLAXIS (Netherlands, Delft University, Rotterdam [97]), FEMmodels (Геореконструкция [91]), «Основание» (Полтавский национальный ТУ [15]), GeoSlope (GLO-SLOPE International Ltd. [96]) и др., многоцелевые пакеты для анализа в широком круге инженерных дисциплин ANSYS (Ansys Inc. [98]), CONCORD (Одесский Государственный морской университет [34]) и др.
Возможно, что некоторые из этих программ могут быть применены для расчетов с использованием рассмотренной в п. 2.1 модели грунта после некоторой корректировки алгоритма, но для целей настоящего исследования все указанные выше компьютерные технологии непригодны по следующим причинам: - значительные затраты на приобретение и необходимость адаптации применительно к условиям решаемых задач; - «закрытость» лицензированных программных средств: неполная ясность расчетных моделей и принятых авторами допущений, невозможность получения промежуточных результатов (данных) расчетов (таких как границы областей предельного напряженного состояния, невязка итерации), затруднительность поиска возможных ошибок.
Компьютерная реализация изложенного выше решения и разработанных на его основе методик расчета в настоящем исследовании осуществлена в программе УПРОС [83], предназначенной для статических расчетов средствами МКЭ конструкций из металла, бетона (железобетона) и геоматериалов. Комплекс УПРОС реализует решение двухмерных (плоское напряженное состояние, плоская деформация) и осесимметричных задач с физической нелинейностью, присущей указанным материалам (в частности для грунтов: 1) пластическое формоизменение с дилатансией, 2) беспрепятственное деформирование при растяжении, 3) сдвиг по заданной (контактной) поверхности).
Библиотека конечных элементов (КЭ) программы включает упругие стержни с тремя степенями свободы в узле, упругопластические плоские треугольники и прямоугольники, осесимметричные кольца треугольного сечения.
Программа УПРОС [21] позволяет отразить в расчете стадийность возведения и реконструкции, ступенчатое приложение и удаление нагрузки (при имитации статического испытания свай), имеется возможность добавления фрагментов расчетной области. Исходное напряженное состояние, достигнутое системой до приложения нагрузки, может быть учтено в виде произвольных тензоров или усилий в континуальных и стержневых КЭ.
В результате работы программы на каждой стадии и в конце нагружения для каждого сочетания (варианта) нагрузок определяются следующие расчетные параметры: - перемещения узлов; - компоненты напряжений в центрах КЭ, моделирующих грунт; - усилия на концах стержневых КЭ; - данные о наличии пластических явлений в КЭ, моделирующих грунт; - число пройденных ступеней итерации; - параметры EF. = { Г// и ЕР =1
Показателем сходимости итерации на очередной ступени нагрузки считается получение EF. %ЕГ. при ограниченном числе п шагов итерации.
Параметры и п назначаются в зависимости от условий решаемой задачи и накопленного опыта практических расчетов исследуемой разновидности объектов. Для исследуемых в диссертации задач принято Е, = 0,03 ч- 0,05, « = 20ч-50. Автором диссертации внесены следующие дополнения к программе УПРОС и продолжающие расчет процедуры и технологические элементы: - разработана эксплуатационная документация; - разработаны постпроцессорные средства обработки получаемых результатов: построение диаграмм «нагрузка-осадка» при моделировании испытаний буропабивных свай статической нагрузкой с учетом меняющейся глубины «активной» зоны; алгоритм решения задачи об уплотнении грунтового основания длительными нагрузками с построением зон уплотнения под фундаментами мелкого заложения. При моделировании статического испытания буронабивных свай вдавливающей нагрузкой одной из основных процедур является построение диаграмм «нагрузка - осадка» s = f(P), выполняемое по алгоритму, представленному на рисунке 2.1.
Данный алгоритм может быть реализован как в теле программы УПРОС (в качестве средства постпроцессорной обработки), так и в формате электронных таблиц Microsoft Excel.
Расчетное моделирование вдавливания одиночных буронабивных свай в несвязные грунты
В настоящем параграфе рассматриваются три примера буронабивных свай, нижние концы которых заделаны и опираются на песчаные грунты.
Пример № 7. Буронабивная свая диаметром 1,7 м длиной 26,8 м была изготовлена при строительстве свайного фундамента опоры большого моста через р. Березину в Белоруссии, построенного в 1992 г. Свая была испытана в проектном положении как одиночная. Вдавливающая сила прикладывалась ступенями по 2,5 ММ четырьмя гидравлическими домкратами грузоподъемностью по 5 МН каждый. Вдавливающая сила передавалась через раму из металлических балок на четыре анкерные буровые сваи диам. 1,7 м длиной 25 м. Осадка измерялась прогибомером с ценой деления 0,1 мм. Испытание было прекращено при нагрузке 12,5 МН. Дальнейшее нагружение не производилось из-за недостаточной мощности анкерной системы. Несущая способность сваи не была достигнута.
При выполнении упругопластического расчета, моделирующего испытание буронабивнои сваи, была принята конечно-элементная расчетная схема и геологическая колонка на рисунке 3.14, а. Принятые в расчете характеристики грунтов содержатся в таблице 3.6. Расчет был доведен до нагрузки 20 МН; при вдавливающей силе Р = 17,5 МН область предельного напряженного состояния грунта под нижним концом сваи пересекла ось симметрии расчетной области и достигла высоты 0,9 м (0,5 i буронабивнои сваи). Полученная диаграмма «осадка - нагрузка» (кривая 2) показана на рисунке 3.14, б. Области предельного напряженного состояния при трех значениях нагрузки Р = 15,0, 17,0 и 18,0 МИ показаны на рисунке 3.14, в.
Данные на рисунке 3.14, б показывают хорошее совпадение зависимостей s - /\Р) по результатам упругоиластического расчета и статического испытания. Расчетная кривая получена плавной до конца расчета. При достижении предельного напряженного состояния на оси симметрии (Р =17,5 ММ) расчетная осадка сваи составила 80 мм (0,047d); «упругая» составляющая осадки 30 мм (37,5 % от общей осадки), рисунок 3.14, а (линия 3). Максимум отношения приращений осадки IJ ASJ/AS,.! =4,2 получен при Р=\0 МН.
Примеры ЛЬ 8, 9. Рассматриваемые примеры взяты из реальных проектов надземных пешеходных переходов № 1 и 2. Диаметры буронабивных свай 80 и 53 см. На рисунке 3.15, а, б показаны расчетные области, членение на КЭ, граничные условия исследуемых свай и их оснований. Значения механических характеристик грунтов содержатся в таблице 3.7. Удельный вес грунтов у принят в размере 19 кН/м3.
Расчеты, моделирующие вдавливание свай ступенчато возрастающей осевой силой, выполнены в двух вариантах. Значения угла внутреннего трения и модуля деформации подстилающих слоев песка ИГЭ № 1 (№ 5) принимались в соответствии с таблицей 3.7 и сниженными до (р = 30 (ср - 35) и =33 МПа (=50 МПа). На рисунке 3.16 показаны диаграммы зависимостей s = f{P) с разделением кривых в точках 7 на участки до и после исчерпания сопротивления грунта по боковой поверхности.
На рисунке 3.17 показаны диаграммы распределения вертикальных давлений а, под нижними концами свай (при нормативных значениях механических характеристик плотных песков в основании) при возрастании вдавливающей силы Р с 0,8 до 2,0 МН. Все кривые имеют вогнутое очертание. Отмечается прогрессирующее увеличение о, после достижения касательными напряжениями г на боковой поверхности свай предельного сопротивления / по таблице 2 СНиП 2.02.03-85 без понижающих коэффициентов. о) d/2=0A Буронабибная сбоя 1 а7,МПа б) Буронабибная сбоя г2,МПа а - свая пешеходного перехода №1; б -свая пешеходного перехода №2 1,2, 3,4-при/ =0,8, 1,2, 1,6, 2,0 МН Рисунок 3.17 - Распределение напряжений под нижними концами свай
На рисунке 3.18 показано развитие областей предельного напряженного состояния в песчаном основании под нижними концами буропабивных свай при увеличении вдавливающей силы Р. Отмечается неизменное сохранение небольшой «упругой» области под контактной поверхностью подошвы сваи и грунта.
Также как в предыдущей части исследования, относящейся к сваям, заделанным в связные грунты, все расчетные кривые s = f(P) получены плавными без точек, которые могли бы характеризовать «предельное сопротивление» буропабивных свай. В связи с этим в таблице 3.8 представлены варианты расчетной несущей способности (предельного сопротивления) буронабивных свай, полученные по трем критериям.
Упругопластический анализ упрочненных оснований реконструируемых объектов средствами МКЭ
В настоящем параграфе исследуется возможность обоснованного повышения расчетной несущей способности основания в связи с упрочнением грунта после длительного периода эксплуатации. Такое решение является возможным и оправданным в связи с тем, что в основании под фундаментами мелкого заложения преобладают уплотняющие вертикальные нагрузки.
Обзор предложений по решению рассматриваемой задачи содержится в главе 1.
В статье [52] и монографии [53] (А. И. Полищук, 2000, 2004) разработан практический метод определения повышенного расчетного сопротивления [R но формуле (7) п. 2.41 СНиП 2.02.01-83 ] оснований, сложенных пы-левато-глинистыми грунтами, с учетом упрочнения под воздействием длительных эксплуатационных нагрузок. Главной особенностью этой работы является получение угла внутреннего трения (рцу,и и удельного сцепления с11ут уплотненной зоны основания в отличие от других аналогичных прие мов расчета, в которых (при помощи дополнительных слагаемых или повышающих коэффициентов) определяются готовые значения расчетного сопротивления Rym упрочненного основания.
Предложенный метод содержит экспериментально обоснованные повышающие коэффициенты К(р к величине природного угла внутреннего трения (рц, Кс к природному удельному сцеплению сц. Расчетные значения прочностных характеристик с учетом уплотнения грунтов после 15-летнего периода эксплуатации определяются по формулам
Коэффициенты Х„ =1,0-5-1,1 и ATt. =1,0-5-1,6 принимаются по табличным данным1 в зависимости от соотношения PQ R, где р$ - среднее давление под подошвой фундамента от нормативных нагрузок до реконструкции (догружения), R - расчетное сопротивление основания, начальное критическое давление, определяемое по условию достижения предельного напряженного состояния (в соответствии с уравнением Мора-Кулона) в грунте на глубине z = b А под полосовой нагрузкой шириной Ъ.
Целью настоящего исследования является обоснование возможности использования табличных коэффициентов К , Кс в расчетах оснований, выполняемых МКЭ. При расчетах МКЭ коэффициенты К , Кс и расчетные значения Pllyivn сП\т определяются во многих дискретных точках (центрах конечных элементов), а не только на контактной поверхности под фундаментом. Для определения коэффициентов Кф, Кс в этих условиях параметры р0 и R непригодны и должны быть заменены другими эквивалентными характеристи ками. В связи с этим в качестве параметра упрочнения (вместо /?Q R) принято отношение (4.3) средних напряжений [шаровой составляющей аср = (стх + а2) тензора напряжений] в центрах конечных элементов от нормативной нагрузки до реконструкции и аналогичной составляющей p{R)LV в составе расчетного сопротивления R.
Расчетное сопротивление R, зависящее от угла внутреннего трения pjj, удельного сцепления су/, удельного веса грунта /, рассматривается как прочностной параметр произвольной точки в основании на глубине h с указанным выше физическим содержанием и следующей записью
Определение Pny,u, сцуПЛ и последующий упругопластический анализ упрочненного основания выполняются в такой последовательности:
1) упругопластический расчет основания МКЭ на первоначальные нормативные длительные нагрузки (до реконструкции объекта) с использо ванием природных значений (рц И Сц\
2) определение параметров оср = 1 ( тх + JZ ), p(R) , f] = 7t.,; p\R)cp , табличных коэффициентов АГ ,, Кс, определение прочност ных характеристик (рцуПЛ, сцут в центрах конечных элементов, где после догружения (реконструкции) возможно предельное напряженное состояние;
3) упругопластический расчет основания с прочностными характери стиками (рцу)и, сцу1П и увеличенными (после реконструкции) нагрузками; построение областей предельного напряженного состояния (пластических областей), принятие и обоснование проектного решения о возможности приложения дополнительной нагрузки на упрочненное основание.
При расчетных исследованиях проектируемых и эксплуатируемых объектов возможен прогноз изменения во времени (в сторону уменьшения) расчетных областей предельного напряженного состояния при сохранении первоначальной нагрузки или увеличения таких областей при замачивании основания или добавлении нагрузки.
