Формирование матрицы коэффициентов влияния и свободных членов СЛАУ

2.2.3. Формирование матрицы коэффициентов влияния и свободных членов СЛАУ

При формировании коэффициентов глобальной матрицы влияния, отражающих зависимость перемещения точки наблюдения (i), когда источник возмущения находится в точке (j) используется решение Миндлина для силы приложений внутри упругого полупространства. Иногда для зависимости, когда действует единичная сила, эти решения называют фундаментальными. Для вертикальной силы Р_в=1 зависимость для перемещений KW, когда точка наблюдения имеет координаты В(z,r), а источник возмущения находится на оси Z (радиальная координата равна нулю) на глубине с, запишется в виде:

с _{0 0}

r

с _N

 

Р_в

x(с,0)  r B(z,r)

Z

Рис. 2.7. Схема обозначений в формуле Миндлина для сосредоточенной силы Рв, приложенной внутри упругого полупространства

(2.1)

где

(2.2)

 (2.3)

G - модуль сдвига грунта;

E - модуль деформации грунта;

v - коэффициент Пуассона грунта.

KW - вертикальное перемещение точки В при действии вертикальной силы Р_в=1 в точке x(0,с).

Применение решения Миндлина к задаче о сопротивлении фундамента вертикальной нагрузке состоит в том, что точка приложения силы и точка наблюдения, в которой возникают вертикальные перемещения находятся на боковой поверхности или на нижнем конце. В связи с этим в формуле (2.1) выражения для R₁ и R₂ принимают вид:

(2.4)

(2.5)

где

(2.6)

r - горизонтальная компонента расстояния от оси Z до точки B;

arc - горизонтальная компонента расстояния от оси Z до точки x;

r₁ - горизонтальная компонента расстояния от точки В (точки наблюдения) до точки x (источник, место приложения силы);

R₂ - расстояние от точки x' (фиктивный источник) до точки B;

R₁ - расстояние от точки x (источник) до точки B.

x(с,arc)

q B(z,r)

a

Рис. 2.8. Схема к определению координат точки приложения x(с,arc) и точки наблюдения B(z,r)

При определении коэффициентов влияния глобальной матрицы К учитываются различные варианты расположения источников (сил) и точек наблюдения.

dc

^· i

Рис. 2.9. Схема к интегрированию решения Миндлина

 (матрица KSS)

- источники расположены на боковой поверхности фундамента и точки наблюдения так же находятся на боковой поверхности. Для наглядности рассмотрим фундамент в вытрамбованном котловане (см. рис. 2.1) боковая поверхность которого разбита на j элементов (j=1,NE1) и имеются точки наблюдения i, находящиеся посредине граничных элементов. При вычислении коэффициента влияния входящего в матрицу [KSS]_ij осуществляется интегрирование решения Миндлина по окружности находящейся на глубине с и радиусом arc и интегрирования полученных значений решения по высоте j-го элемента. Таким образом элементы подматрицы [KSS]_ij определяются

(2.7)

где (2.8)

· i

j

·

Рис. 2.10. Схема к интегрированию решения Миндлина

(матрица KBS)

- источники находятся на нижнем конце фундамента, а точки наблюдения на боковой поверхности. Количество элементов на нижнем конце j (1,NE2), а количество точек на боковой поверхности i=1,NE1. Интегрирование решения Миндлина выполняется по граничных элементам нижнего конца, представленных в виде кольца (рис. 2.10). При этом формируются коэффициенты подматрицы [KBS]_ij

(2.9)

где (2.10)

r - горизонтальная компонента расстояния от оси Z до точки В;

eps - горизонтальное расстояние от оси Z до точки источника x;

de - ширина граничного элемента j нижнего конца фундамента (ширина кольца).

 

i

_·^·

Рис. 2.11. Схема к интегрированию решения Миндлина

(матрица KSB)

Если источники находятся на боковой поверхности фундамента, а точки наблюдения на нижнем конце. здесь формируются коэффициенты подматрицы [KSB]_ij, i=1,NE2 j=1,NE1, которые учитывают влияние загружения боковой поверхности фундамента на перемещение элементов нижнего конца

(2.11)

где (2.12)

j (элемент j)

i (точка наблюдения i)

^··

Рис. 2.12. Схема к интегрированию решения Миндлина

матрицы (КВВ)

Последний вариант взаимодействия частей фундамента, когда источники находятся на нижнем конце фундамента, а точка наблюдения так же находится на нижнем конце фундамента.

Для вычисления коэффициентов влияния загружения элементов нижнего конца (j=1,NE2) на точки наблюдения, находящиеся посередине элементов нижнего конца, вычисляется двойной интервал

(2.13)

где

Если учитываются вертикальные перемещения грунта примыкающего к поверхности фундамента, только от действия вертикальных сил, приложенных на боковой поверхности (KSS, KSB) и на нижнем конце (KBS, KBB), то глобальная матрица К имеет вид

(2.14)

Система алгебраических уравнений для определения неизвестных напряжений на боковой поверхности и под нижним концом записывается следующим образом

(2.15)

где f_sb - неизвестные напряжения на поверхности фундамента;

wed - вектор-столбец единичных перемещений узлов поверхности фундамента. В случае, если принять сваю абсолютно жесткой (т. е. несжимаемой), то перемещения всех узлов будут одинаковыми. В данной работе компоненты вектора-столбца wed принимались равными осадке фундамента при которой график зависимости "нагрузки-осадки" имеет прямолинейный вид. Как показывает анализ опытных данных для призматических свай такая осадка равна 0,01 м, для пирамидальных и фундаментов в вытрамбованном котловане - 0,015..0,020 м.

Если учитывать, что на боковую поверхность фундамента действуют радиальные напряжения s₂, то глобальная матрица [K] будет содержать девять подматриц и уравнение равновесия (2.15) примет вид:

(2.16)

где KRS - матрица, которая содержит коэффициенты влияния на вертикальные перемещения узлов боковой поверхности фундамента, при загружении элементов боковой поверхности радиальными напряжениями s₂ (sigm2);

KSU - матрица, коэффициенты которой отражают связь между горизонтальными перемещениями узлов боковой поверхности фундамента, когда боковая поверхность загружена вертикальными напряжениями;

KRU - матрица содержащая коэффициенты влияния, которые отражают зависимость между горизонтальными перемещениями узлов боковой поверхности фундамента при загружении элементов боковой поверхности горизонтального напряжения s₂;

KBU - матрица, коэффициенты которой отражают зависимость горизонтальных перемещений узлов боковой поверхности фундамента при загружении элементов нижнего конца вертикальными напряжениями s₁;

KRB - матрица, коэффициенты которой отражают связь между вертикальными перемещениями узлов нижнего конца фундамента при загружении элементов боковой поверхности радиальными напряжениями s₂.

{f_sb} - вектор-столбец, содержащий неизвестные: касательные напряжения на боковой поверхности фундамента t, горизонтальные напряжения на боковой поверхности фундамента s₂ и вертикальные напряжения на нижнем конце фундамента s₁;

 - вектор-столбец, содержащий заданные вертикальные перемещения узлов боковой поверхности фундамента  ed1; горизонтальные перемещения узлов боковой поверхности ed2 (если свая не сжимается ed2=0); вертикальные перемещения узлов нижнего конца фундамента ed3.

 Фундаментальное решение Миндлина в матрицах KRS и KRB имеет следующее выражение:

(2.17)

где

(2.19)

(2.20)

x = r×cosq - arc; (2.21)

y = -r×sinq. (2.22)

Коэффициенты матрицы KRS вычисляются с использованием фундаментального решения Миндлина KW₃ и интегрирования выражения

 (2.23)

 где  r = arz. (2.24)

Коэффициенты матрицы KRB вычисляются с использованием фундаментального решения Миндлина KW₃ и интегрирования выражения

(2.25)

где (2.26)

При вычислении коэффициентов матриц KSU и KBU используется решение Миндлина

(2.27)

где R₁, R₂, r₁ - определяются по формулам (2.4), (2.5), (2.6).

Коэффициенты матрицы KSU вычисляются интегрированием выражения

(2.28)

где (2.29)

Коэффициенты матрицы KBU равны интегралу

(2.30)

где  (2.31)

Фундаментальное решение Миндлина в матрице KRU определяется формулой

(2.32)

где R₁, R₂, x, y - определяются по формулам (2.19), (2.20), (2.21), (2.22).

Коэффициенты матрицы KRU определяются интегралом

(2.33)

где r = arz. (2.34)