Іноваційні технології розрахунку за МГЕ фундаментів глибокого закладання (паль-оболонок)

Abstract

The paper addresses the solution of a current spatial contact problem in the behavior of deep foundations, specifically shell piles used for transferring significant loads to soil foundations, utilizing the numerical Boundary Element Method (BEM). One of the main tasks in construction design is assessing the technical and economic feasibility of using specific foundation types, taking into account the particular natural conditions of the construction site. Notably, the estimated cost of the underground part of a building in complex engineering and geological conditions constitutes 40-45% of the total cost. To determine the optimal solution, variant design is applied, based on principles of cost-efficiency, reliability, construction speed, maximum utilization of the bearing capacity of soils and foundations, and the use of modern advancements in soil mechanics and computer technologies. Currently, mathematical modeling is one of the key and most economical tools for theoretical and applied research in foundation engineering. Settlement prediction of foundation soils remains one of the most complex challenges in soil mechanics. A significant potential for gaining an accurate picture of the stress-strain state of the soil foundation lies in the elastic-plastic soil model under load, which is used in this study. Since the overall assessment of soil mass stability is of primary importance in foundation design, reliability and economic calculations of foundation structures determine the success of the construction as a whole. Modern mathematical models for describing soil behavior are systems of partial differential equations, which are too complex for analytical solutions. The behavior of a shell pile under load—a problem in geomechanics—can be solved using numerical methods, one of which is the Boundary Element Method (BEM). The input parameters for the numerical simulation program include values that characterize the physical and mechanical properties of the soil, and describe the geometry and topology of the design scheme. The obtained research results provide answers to a wide range of issues addressed in the design of shell piles. The BEMbased software allows for the determination of coefficients of the BEM influence matrix (the soil compliance matrix). To obtain these, the boundary of the contact area between the foundation structure and the soil is discretized using linear boundary elements, the weighted average soil properties are defined, and the required dimensions of the foundation structure are established. The numerical approach is illustrated through stress-strain state calculations of the pile at each loading step, considering the dilatancy properties of the soil using an elastic-plastic soil model. A comparative analysis of the bearing capacity of shell piles based on calculations and current regulations is provided.

З використанням числового методу граничних елементів (МГЕ) розглянуто розв’язок актуальної на сьогоднішній день просторової контактної задачі поведінки фундаменту глибокого закладання, які використовуються для передачі значних навантажень (паль-оболонок) на грунтову основу. Одним з головних завдань при проектуванні споруд є технічна та економічна доцільність влаштування конкретних видів фундаментів з урахуванням специфічних природніх умов будівельного майданчика. Адже кошторисна вартість підземної частини споруд при складних інженерногеологічних умовах складає 40-45 % загальної вартості. Для вибору найкращого варіанту використовується варіантне проектування, яке базується на основних принципах економічності, надійності, швидкості спорудження, максимального використання несучої спроможності основ і фундаментів, використанні при проектуванні сучасних досягнень механіки ґрунтів та ЕОМ. Для сьогодення математичне прогнозування – одне із головних і найбільш економічних прийомів теоретичних і прикладних досліджень актуальних проблем фундаментобудування. Прогнозування осідань основ фундаментів являє одну із найбільш складних задач механіки ґрунтів. Значний потенціал можливостей для отримання достовірної картини напружено-деформованого стану ґрунтової основи відкриває пружно-пластична модель роботи ґрунту під навантаженням, яку і було використано в роботі. Оскільки загальна оцінка стійкості ґрунтових масивів має першочергове значення при проектуванні фундаментів споруд, розрахунки надійності та економічності фундаментних конструкцій визначають успіх будівництва в цілому. Створені на сьогодні математичні моделі описання процесів поведінки ґрунту – це система диференціальних рівнянь в частинних похідних, які є досить складними для отримання аналітичних розв’язків. Рішення даної задачі геомеханіки – поведінки під навантаженням палі-оболонки можна отримати числовими методами, одним з яких є метод граничних елементів (МГЕ). Вхідними параметрами програми числового моделювання є параметри, які характеризують фізико-механічні властивості ґрунту, описують геометрію та топологію розрахункової схеми. Отримані результати досліджень дають відповідь на широке коло проблем, які вирішуються при проектуванні паль-оболонок. Програма на основі МГЕ дає можливість отримати коефіцієнти матриці впливу МГЕ (матриці піддатливості ґрунтової основи). Для їх отримання проводиться дискретизація границі області стикання фундаментної конструкції з ґрунтом лінійними граничними елементами, визначаються середньозважені характеристики ґрунтів та встановлюються необхідні розміри фундаментної конструкції. Числовий підхід проілюстровано розрахунками напружено-деформованого стану палі на кожному кроці навантаження з урахуванням дилатансійних властивостей грунту з використанням пружно-пластичної моделі грунтової основи. Наведено співставлений аналіз несучої спроможності палі-оболонки за розрахунком та діючими нормативними документами.