CC BY
68
ВЕСТНИК ПНИПУ
2014 Строительство и архитектура № 4
УДК 624.15
В.И. Клевеко1, Д.А. Татьянников1, Е.О. Драчева2
Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Пермь, Россия
Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия
СРАВНЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ ШТАМПОВЫХ ИСПЫТАНИЙ И РАСЧЕТОВ ПО МЕТОДУ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Представлен расчет по методу конечных элементов армированного и неармированного песчаного основания при штамповых модельных испытаниях, реализованный в программном комплексе Plaxis 2D. Проведен сравнительный анализ данных расчетов с результатами модельных штамповых испытаний на основе графиков зависимости «осадка - давление». Сделаны выводы о достоверности расчетов в программном комплексе Plaxis 2D для подобных типов исследований армированных оснований.
Ключевые слова: метод конечных элементов, Plaxis 2D, модельные штамповые испытания, осадка, давление.
V.I. Kleveko1, D.A. Tatiannikov1, E.O. Dracheva2
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation Perm State National Research University, Perm, Russian Federation
COMPARISON OF MODEL TESTS AND CALCULATIONS FINITE ELEMENT METHOD
The paper presents a calculation by the method of finite elements reinforced and unreinforced sand at the base of die model tests implemented in the software package Plaxis 2D. A comparative analysis of these calculations with the results of model tests of die on the basis of plots of "sediment-pressure." The conclusions about the reliability of estimates in the software package Plaxis 2D for similar types of research reinforced bases.
Keywords: finite element method, Plaxis 2D, punching model tests, draft, pressure.
В настоящее время в мировой практике строительства прочно закрепился метод конечных элементов (МКЭ) как основной метод, применяющийся для расчета строительных конструкций. Основные идеи МКЭ были заложены еще в 50-е гг. С тех пор метод значительно изменился, получил мощное теоретическое обоснование и развитие. Одно-
временно с самим методом развивались и средства вычислений, а также средства программного обеспечения, без которых невозможна реализация МКЭ.
Метод конечных элементов позволяет учитывать: природное напряженное состояние; сложное напластования грунтов; изменение деформационных и прочностных свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружений; постадийное приложение внешних нагрузок на исследуемый объект. Кроме того, МКЭ позволяет производить одновременный расчет по двум предельным состояниям с учетом совместной работы системы «основание - фундамент», расчет напряженно-деформированного состояния грунтов с выявлением зон развития пластических деформаций [1].
Так, на основе МКЭ существует несколько специальных программных комплексов, способных решать геотехнические задачи: Plax-is, ANSYS, FLAC, FEMmodels, GeoSoft, midas GTS, Z-soil и др. Наиболее распространенным в мировой практике является программный комплекс Plaxis 2D. Более подробное описание программного комплекса Plaxis 2D приведено в работах [1-5].
Ввиду широкой распространенности ПК Plaxis 2D авторами была поставлена задача оценить достоверность данного программного продукта путем сравнения зависимостей, полученных экспериментальным путем и рассчитанных в ПК Plaxis 2D.
В программе Plaxis 2D были смоделированы пять задач, эквивалентных испытаниям, описанным в [6-8], а именно - модельные штам-повые испытания: неармированного песчаного основания, однослойно и двухслойно армированного нетканым геосинтетическим материалом и геокомпозитом (рис. 1-4).
Рис. 1. Установка для проведения модельных штамповых испытаний
А А
у/ч
ч—^-#-#-Щ
Рис. 2. Неармированное песчаное основание в Р1ах18 2Б
\ /
ь *е -#- %% ч
Рис. 3. Однослойно армированное песчаное основание в Р1ах1Б 2Б
А А
\><хХ/
I ь II II • 4 5« -#-ФФ- II II
Рис. 4. Двухслойно армированное песчаное основание в Р1ах1Б 2Б
Расчет велся в условиях плоской деформации. Граничные условия в рассматриваемой задаче принимались следующим образом: по контуру верхней границы перемещения не ограничиваются (и Ф 0, V Ф 0); по вертикальным граням ограничиваются перемещения в направлении Х (и = 0, V Ф 0); по нижней границе перемещения отсутствуют (и = 0, V = 0). При расчете использовалась модель Мора - Кулона. Данные физико-механических свойств грунта и материалов были взяты из работ [8-11] и приведены в таблице. Расчет велся до разрушения тела грунта. Ступени нагрузки задавались аналогично штамповым испытаниям и составляли 15 кПа.
Значения физико-механических свойств грунтов и материалов для расчета в ПК Р1ах1Б 2Б
Характеристики Грунт основания Армирующая прослойка (нетканый геосинтетический материал/геокомпозит)
Удельный вес грунта у, кН/м3 15,94 -
КоКоэффициент Пуассонам 0,39 -
Модуль сдвига О, кПа 231,65 -
Модуль деформации Е, кПа 650 -
Удельное сцепление С, кПа 2,4 -
Угол внутреннего трения Ф, град 37 -
Жесткость арматуры, кН/м - 5/235
На рис. 5-9 приведены совмещенные графики зависимости «осадка - давление», на которых представлены результаты модельных штамповых испытаний и результаты расчетов в ПК Р1ах1Б.
с о 1 -2 15 30 45 60 75
-6 -8 а -ю р -12 3 -14 о -16 -18 -20 -22 -24 -26
А Расчет в ПК
^ЩЛх^ ■ Модельные
Давление, кПа
Рис. 5. Сравнение результатов модельных штамповых испытаний и расчета в ПК Р1ах1з для неармированного песчаного основания
11,00--
Давление, кПа
Рис. 6. Сравнение результатов модельных штамповых испытаний и расчета в ПК Р1ах1з для песчаного основания, однослойно армированного геокомпозитом
■14 -
Давление, кПа
Рис. 7. Сравнение результатов модельных штамповых испытаний и расчета в ПК Р1ах1з для песчаного основания, двухслойно армированного геокомпозитом
Рис. 8. Сравнение результатов модельных штамповых испытаний и расчета в ПК Р1ах1з для песчаного основания, однослойно армированного нетканым геосинтетическим материалом
Рис. 9. Сравнение результатов модельных штамповых испытаний и расчета в ПК Р1ах1з для песчаного основания, двухслойно армированного нетканым геосинтетическим материалом
По итогам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Расчет в ПК Р1ах18 велся до разрушения тела грунта, что достаточно точно совпало с началом выпора грунта из-под поверхности штампа при модельных штамповых испытаниях.
2. Исходя из анализа графиков на рис. 5-9 видно, что результаты расчета в ПК Р1ах18 показывают удовлетворительную сходимость с результатами штамповых испытаний. Для неармированного грунта средняя погрешность не превышает 10 %, а для армированного - 30 %. Таким образом, учитывая, что сравнивались результаты для модельных экспериментов, можно отметить, что МКЭ, реализованный в ПК Р1ах18,
позволяет достаточно точно вести расчет подобных типов конструкций из армированного грунта.
Библиографический список
1. Клевеко В.И. Оценка напряженно-деформированного состояния армированных оснований в пылевато-глинистых грунтах: дис. ... канд. техн. наук. - Пермь, 2002. - 152 с.
2. Безгодов М.А., Калошина С.В. Выбор модели грунта при численного моделировании влияния разработки глубоких котлованов на существующую застройку // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Урбанистика. - 2012. -№ 2. - С. 17-27.
3. Калошина С.В., Салимгариева Н.И. Влияние подтопления на получение дополнительных осадок зданий и сооружений // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2013. - № 1. - С. 104-113.
4. Кузнецова А.С., Офрихтер В.Г., Пономарев А.Б. Исследование прочностных характеристик песка, армированного дискретными волокнами из полипропилена // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2012. - № 1. - С. 44-55.
5. Золотозубов Д.Г., Пономарев А.Б. Расчеты армированных грунтовых оснований при возникновении карстовых провалов // Вестник ВолгГАСУ. - 2010. - № 18. - С. 19-22.
6. Планирование эксперимента по исследованию напряженно-деформированного состояния песчаного грунтового основания с помощью штамповых испытаний / Д.А. Татьянников, К.П. Давлятшин, Я.А. Федоровых, А.Б. Пономарев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2011.
7. Татьянников Д.А., Клевеко В.И., Пономарев А.Б. Анализ работы армированного песчаного основания на основе штамповых модельных испытаний // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Урбанистика. - 2012. - № 4. -С. 92-103.
8. Татьянников Д.А., Клевеко В.И., Пономарев А.Б. Исследование характера работы песчаного основания армированного разными гео-
синтетическими материалами на основе штамповых модельных испытаний // Геотехника. Теория и практика. Общероссийская конференция молодых ученых, научных работников и специалистов: межвуз. тем. сб. тр. / СПбГАСУ. - СПб., 2013. - С. 33-42.
9. Мащенко А.В., А.Б. Пономарев. Планирование экспериментов по улучшению пучинистых свойств сезоннопромерзающих грунтов с помощью геосинтетических материалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2013. - № 2. - С. 24-32.
10. Татьянников Д.А., Клевеко В.И. Исследование характера зависимости «деформация - линейная жесткость» для разных типов геосинтетических материалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. - 2013. - № 1. -С.165-172.
11. Пономарев А.Б., Татьянников Д.А., Клевеко В.И. Определение линейной жесткости геосинтетических материалов [Электронный ресурс] // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. -2013. - Вып. - 2(27). - URL: http://vestnik.vgasu.ru/attachments/ PonomarevTatyannikovKleveko-2013_2(27).pdf.
References
1. Kleveko V.I. Otsenka napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya armirovannykh osnovanij v pylevato-glinistykh gruntakh [Evaluation of stress-strain state of reinforced bases in silty clay soils]. Thesis of Doctor's degree dissertation, Perm, 2002, 152 p.
2. Bezgodov M.A., Kaloshina S.V. Vybor modeli grunta pri chislen-nogo mo-delirovanii vliyaniya razrabotki glubokih kotlovanov na sushhestvuyushhuyu zastrojku [Selecting a soil model with numerical simulation of influence on the development of deep excavations existing building]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnich-eskogo universiteta. Urbanistika, 2012. no. 2, pp. 17-27.
3. Kaloshina S.V., Salimgarieva N.I. Vliyanie podtopleniya na polu-chenie dopolnitel'nyh osadok zdanij i sooruzhenij [Influence of flooding on the increment settlements of buildings and constructions]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universi-teta. Stroitel'stvo i arhitektura, 2013, no. 1, pp. 104-113.
4. Kuznetsova A.S., Ofrikhter V.G., Ponomarev A.B. Issledovanie prochnostnykh kharakteristik peska, armirovannogo diskretnymi voloknami iz polipropilena [Investigation of the strength characteristics of sand reinforced with discrete fibers of polypropylene]. Vestnik Permskogo natsion-al'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura, 2012, no. 1, pp. 44-55.
5. Zolotozubov D.G., Ponomarev A.B. Raschety armirovannyh gruntovyh os-novanij pri vozniknovenii karstovyh provalov [Calculations of the reinforced soil bases at generation of karst downfall]. Vestnik Vol-gogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta, 2010. no. 18, pp. 19-22.
6. Tatyannikov D.A., Davlyatshin K.P., Fedorovykh Ya.A., Ponomarev A.B. Planirovanie eksperimenta po issledovaniyu napryazhen-no-deformirovannogo sostoyaniya peschanogo gruntovogo osnovaniya s pomoshchjyu shtampovykh ispytanij [Planning an experiment to study the stress-strain state of the sandy soil foundation using tests of die]. Vestnik Permskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura, 2011, pp. 105-109.
7. Tatyannikov D.A., Kleveko V.I., Ponomarev A.B. Analiz raboty armirovannogo peschanogo osnovaniya na osnove shtampovykh mod-el'nykh ispytanij [Analysis of reinforced sandy base with punching model tests]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Urbanistika, 2012, no. 4 (8), pp. 92-102.
8. Tatyannikov D.A., Kleveko V.I., Ponomarev A.B. Issledovanie kharaktera raboty peschanogo osnovaniya armirovannogo raznymi geosin-teticheskimi materialami na osnove shtampovyh model'nyh ispytanij [Study of the nature of the sandy base reinforced by different geosynthetic materials based with punching model tests]. Mezhvuzovskij tematicheskij sbornik trudov "Geotehnika. Teoriya i praktika. Obshherossijskaya konferenciya molodyh uchenyh, nauchnyh rabotnikov i specialistov". St.-Petersburg: SPbGASU, 2013, pp. 33-42.
9. Mashhenko A.V., A.B. Ponomarev. Planirovanie eksperimentov po uluch-sheniyu puchinistyh svojstv sezonnopromerzayushhih gruntov s pomoshh'yu geosintetiche-skih materialov [Experiments to investigate improving of heaving properties of seasonal freezing soils by geosynthetics]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura, 2013., no. 2, pp. 24-32.
10. Tatyannikov D.A., Kleveko V.I. Issledovanie kharaktera zavisi-mosti «deformatsiya - linejnaya zhestkost'» dlya raznykh tipov geosin-
teticheskikh materialov [Study of the nature of dependence „strain - linear stiffness" for different types geosynthetics]. Vestnik Permskogo natsion-al'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Okhrana okru-zhayushchej sredy, transport, bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti, 2013, no. 1, pp. 165-172.
11. Ponomarev A.B., Tatyannikov D.A., Kleveko V.I. Opredelenie linejnoj zhestkosti geosinteticheskih materialov [Definition of linear stiffness of geosynthetic materials]. Internet-vestnik VolgGASU. Seriya: Poli-tematicheskaya, 2013. no. 2(27). URL: http://vestnik.vgasu.ru/ attachments/PonomarevTatyannikovKleveko-2013_2(27).pdf.
Об авторах
Клевеко Владимир Иванович (Пермь, Россия) - кандидадт технических наук, доцент кафедры «Строительное производство и геотехника» Пермского национального исследовательского политехнического университета (e-mail: spstf@pstu.ru).
Татьянников Даниил Андреевич (Пермь, Россия) - магистрант кафедры «Строительное производство и геотехника» Пермского национального исследовательского политехнического университета (e-mail: spstf@pstu.ru).
Драчева Екатерина Олеговна (Пермь, Россия) - студентка экономического факультета Пермского государственного национального исследовательского университета (e-mail: katya_dracheva@mail.ru).
About the authors
Kleveko Vladimir Ivanovich (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Building production and geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: spstf@pstu.ru).
Tatiannikov Daniil Andreevich (Perm, Russian Federation) - Undergraduate student, Department of Building production and geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: spstf@pstu.ru).
Dracheva Ekaterina Olegovna (Perm, Russian Federation) - Student, Economic faculty, Perm State National Research University (e-mail: katya_dracheva@mail.ru).
Получено 09.04.2014
