Конечно-элементный расчет современных фундаментов мостовых сооружений с использованием упругопластической модели теории пластического течения грунтов

Актуальность темы

Диссертация посвящена развитию и уточнению методов расчета фундаментов и взаимодействующих с грунтом конструкции 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 0,5ч-1,7 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 основания и границ геологических слоеврасположение фундаментов на береговых склонах, вблизи вершины или перелома откосаувеличение 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 фундаментостроения. 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 мнеукрепленных скважин (цилиндрических полостей со свободными стенками) в грунтовых основаниях, 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 диссертации геотехнических объектов;

— разработка и обоснование (путем сравнения с результатами опытных измерений и предшествующих исследований) методики упругопластического 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 упругопластического расчета фундаментов опор мостовых сооружений в особых условиях, требующих использования решений нелинейной механики грунтов.

Научная новнзна и положения, выносящиеся на защиту.

1. По специальности 05.23.17.

1.1 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 неассоциированно-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.

1.2 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 упругопластической осесимметричной расчетной области с цилиндрической полосгыо.

1.3 Назначение и обоснование в качестве параметра упрочнения точек (конечных элементов) упругопластической расчетной области отношения 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.

2.1 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 неассоциированного закона течения.

2.2 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.

2.3 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 основания откосами конуса и пересекаемой насыпинаклонное расположение дневной поверхности и границ геологических слоеврасположение опор на береговых склонах вблизи вершины или перелома откосаувеличение нагрузки после длительного периода эксплуатации): выделение расчетных областей, конечно-элементная формализация и моделирование фундаментных конструкций, назначение граничных условий, обоснование критериев предельных состояниианализ полученных результатов и обоснование проектных решений (выводов по оценке грузоподъемности эксплуатируемых объектов).

Достоверность научных положении 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 исследуемых 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 270 100 «Строительство»;

— корректировка и адаптация к условиям решаемых задач программного обеспечения уиругопластических 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 уеловий, критериев предельных состояний) — разработке и обосновании способа расчета упрочнения грунтовых оснований при длительном воздействии уплотняющей нагрузки на основе МКЭ с использованием табличных данных из литературных источниковразработке методик и расчетов примеров фундаментов мелкого заложения в особых условияхкорректировке 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 фундаментостроения 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 таблицсписок литературы из 98 наименовании, 3 приложениявсего 134 страницы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Для целей настоящего исследования и решаемых прикладных задач выбрана упругопластическая модель грунта, описываемая уравнениями закона Гука (на допредельной стадии деформирования) и теории пластического течения с уравнениями текучести Мора-Кулона (для условий плоской деформации), Мизеса-Шлейхера-Боткина (для условий осесимметричного напряженного состояния) и^{ассоциированными} дилатансионными соотношениями.

Выполненные исследования на реальных примерах подтвердили эффективность упругопластической модели, соответствие результатов расчетов данным измерений, фактическому состоянию объектов.

2. В диссертации выполнено исследование, связанное с использованием упругопластической модели применительно двум группам научно-технических задач:

— осесимметричных задач о расчетном моделировании статического испытания буронабивных свай и напряженно-деформированном состоянии и устойчивости грунта на внутренних стенках и вокруг неукрепленной цилиндрической полости, образуемой при изготовлении буронабивной сваи;

— плоских задач о расчетах грузоподъемности оснований фундаментов мелкого заложения мостовых опор с особыми условиями: пригрузка откосами конуса, пересекаемой дорожной насыпи (для путепроводов) — наклонное расположение поверхности основания и границ геологических слоеврасположение фундаментов на береговых склонах, вблизи вершины или перелома откосаувеличение нагрузки на основание при уширениях проезжей части (габарита) длительно эксплуатируемых мостовых сооружений;

Предложены обоснованные (путем расчетного исследования) размеры расчетных областей, граничные условия, размеры конечных элементов, описание и численные значения параметров расчетных процедур.

3. Выполненные сопоставительные расчеты к известным из литературы и ранее не публиковавшимся результатам статических испытаний показали пригодность расчетной модели для численного моделирования вдавливания буронабивных свай ступенчато возрастающей осевой силой.

Получено удовлетворительное сходство диаграмм «осадка — нагрузка» по данным статических испытаний и расчетного моделирования.

4. В связи с плавным характером кривых «осадка — нагрузка» предложено использовать в качестве показателя (критерия) несущей способности буронабивных свай получение по расчету на оси симметрии области предельного напряженного состояния высотой, равной половине диаметра сечения буронабивной сваи. Предложены два варианта дополнительных (контрольных) расчетных показателей предельного сопротивления буронабивных свай, связанных с деформационными характеристиками основания:

— осадка, равная 0,05 диаметра буронабивной сваи;

— отношение пластической и упругой частей общей осадки.

5 s =15 °таст упр '.

5. Сравнение расчетных значений несущей способности Fd, полученных по предложенному методу и по нормам СНиП 2.02.03−85 [п.п. 4.6, 4.7, формулы (11), (13), таблица 6] для условий буронабивных свай, заделанных нижними концами в несвязные грунты {с = 0), позволяет сделать следующие выводы:

— при значениях угла внутреннего трения (р до 30° получено удовлетворительное соответствие значений Fd, полученных двумя способами;

— при значениях (р>30° и в особенности при (р- 35-f390 наблюдается значительное расхождение результатов расчетовзначения Fd, полученные по нормам СНиП до двух раз и более превышают аналогичные параметры, полученные по упругопластическому расчету.

На основании полученных данных сделан вывод о том, что разработанный в диссертации метод расчета буронабивных свай позволяет получить болес надежные показатели несущей способности для условий опирания на несвязные грунты при значениях (р более 30°.

6. Расчетное исследование буронабивных свай «в составе свайного поля» показало, что осадка и несущая способность каждой такой сваи больше, чем «одиночной» сваи, и прогрессивно увеличиваются при уменьшении шага свай. Статическое испытание не позволяет осуществить прогноз осадок и несущей способности свай в составе многорядного свайного фундамента. Для таких условий более пригодным является расчетное моделирование.

7. Решение задачи о напряженно-деформированном состоянии грунта на внутренних стенках и вокруг цилиндрической полости в основании позволяет выполнить расчет и обосновать возможность устройства без укрепления скважины при изготовлении буронабивной сваи. Проведенные численные эксперименты позволили подтвердить на реальных объектах соответствие результатов расчетов фактическому устойчивому состоянию скважин в период от их разработки до окончания бетонирования.

8. Разработан способ учета повышающих коэффициентов к природным значениям угла внутреннего трения (рп и удельного сцепления си нылевато-глинистых грунтов, основанный на результатах исследований А. И. Полищука (2000) и отражающий особенности использования МКЭ при расчете упрочнения основания после длительного периода эксплуатации мостового сооружения. В качестве параметра упрочнения при определении повышающих табличных коэффициентов к (ри и си принято отношение средних расчетных напряжений (шаровой составляющей тензора напряжений) в центрах конечных элементов и аналогичных составляющих в составе начального критического давления R в тех же точках основания.

9. Методика расчетов оснований опор мостовых сооружений в особых условиях рассмотрена на примерах из инженерной практики, иллюстрирующих постановки задач, содержание расчетных процедур, интерпретацию результатов. Показано, что для рассматриваемых категорий объектов использование программы УПРОС, реализующей исследуемую в диссертации упругопластическую модель грунта в сочетании с МКЭ, является эффективным средством обоснования проектных решений, прогноза нормальной эксплуатации или предупреждения предельных состояний.