автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Компьютерное моделирование сложных нелинейных систем грунтовых оснований и фундаментов мелкого заложения

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ л ИМ.Ф.СКОРИНЫ

> ^

% УДК 519.6:539.2:692.1

ЦУРГАНОВА Людмила Антоновна

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

05.13.16. Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации па соискание ученой степешт канднлпа

технических наук

Гомель 1997

Работа выполнена в Гомельском государственном университете имепи Ф.Скор1ШЫ

Цаучный руководитель — к. т. н., доцент В.Е.Быховцев

Официальные оппоненты: д.т.н.,профессор А.А.Молчанов

к.т.н.,доцент ВЛ.Ребеко

Оппонирующая организация — Белорусская государственная

политехническая академия

Защита состоится 5 декабря в 10 часов на заседании специализированного совета по защите диссертаций К.02.1201. в Гомельском государственном университете им. Ф.Скорины по адресу : Беларусь, г. Гомель, ул. Советская, 104, ауд. 2-27.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 246699, г. Гомель, ул. Советская, 104, ГГУ им.Ф.Скорины, Ученому, секретарю Совета К.02.1201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гомельского госуниверсита им.ф.Скорины.

Автореферат разослал "__" ноября 1997 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций к. т. н.

В. А. Короткевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации.

В современной практике граждапского и промышленного строительства уже давно полнилась тенденция к строительству зда-пий большой протяженности и повышенной этажности. Фундаменты в плане всего здания являются болынеразмерньши и конструктивно могут быть одного или нескольких типов, что определяется структурой и физико-механическими характеристиками основания, характером распределения внешних сил. В не- ■ лом, фундамент, оспование и здание образуют единую систему, главной функцией которой является равномерность осадок по всему периметру здания. Величина осадки в значительной мере определяется нелинейной деформируемостью груптоиого основания. Учет нелинейной деформируемости, сложной структуры грунтового основания и рассмотрение основания, фундамента и здания как единой системы позволяет значительно повысить точность расчетов на стадия проектирования, обеспечивая экономический эффект до 1Г>% стоимости нулевого цикла. Строительные нормы и правила (СПиП) рекомендуют учитывал, все указанные факторы, но не содержат соответствующей методики расчета. Методика СНиП основапа на теории лилейной деформируемости грунтов. Существующее программное обеспечение по расчету основании фундаментов, используемое в проектных институтах РБ, полностью основано яа, методике СНиП. Поэтому актуально рассмотрение здания, фундамента в плане всего здания и нелинейно-деформируемого грунтового основапия сложной структуры как единой системы, обеспечивающей практически равномерную осадку здания и вкономичпость возводимых фундаментов. Это требует разработки новых алгоритмов и соответствующего программного обеспечения расчета оснований фундаментов мелкого заложения при максимальном учете структуры, физико-механических свойств и, прежде всего, нелинейной деформируемости грунтового основания.

Связь работы с крупными научными программами, темами.

Диссертация выполнена в соответствии с научным направлением кафедры вычислительной математики и программирования

Гомельского государственного университета им.Ф.Скорины при выполнении разделов республиканских и союзных тем: С11Г "Теоретическая разработка основ моделирования методом конечных элементов нелинейных реологических задач механики грунтов" (1986, ГР 81049669 ), С11Г "Разработать основные принципы расчетов оснований фундаментов мелкого заложения как нелинейной реологической системы" (1987, ГР 81049669), ГБ 88-05 "Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния неравномерно сжимаемых нелинейно-деформируемых оснований отдельно стоящих фундаментов" (1989, ГР 01880041501), Х/Д 86-27 "Численное моделирование состояния линейно-деформируемых многослойных оснований ленточных и столбчатых фундаментов в выштамнованном ложе при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок" (1987, ГР 01860074570), Х/Д 8411 "Моделирование на ЭВМ работы штампонабшзных фундаментов с микросваями" (1985, ГР 01840020675), ГБ 90-01 "Математическое моделирование физико-технических систем" (1996, ГР 112).

Цель и задачи исследования.

Целью работы является усовершенствование и развитие методов исследования сложных нелинейных систем грунтовых оснований и фундаментов мелкого заложения с использованием компьютерного моделирования на основе системного подхода.

Для достижения пели необходимо решить следующие задачи :

1. Анализ закономерностей нелинейного деформирования структурных элементов грунтовых, пойменно-намывных и естественного залегания, осговапий сложных фундаментов мелкого заложения.

2. Разработка методики и алгоритмов расчета нелинейных де-ir ормаций грунтовых оснований сложных фундаментов мелкого за-ложе£Шя на основе системного подхода и модификаций методов конечных элементов, сунерэлемеятов и энергетической линеаризации.

3. Разработка для ПЭВМ программного обеспечения, ориен-лровашюго на пользователя-предметника и реализующего приведенные выше методы для расчета сложных нелинейных систем грунтовых оснований и фундаментов мелкого заложения при произвольных нагрузках.

Научная новизна полученных результатов.

В диссертационной работе выполнены исследования по компьютерному моделированию нелинейных сложных систем оснований и фундаментов мелкого заложения, отличающиеся следующей новизной:

— фундамент рассматривается не отдельными сечениями, а в плане всего здания как единая конструкция;

— фундамент, основание и здание рассматриваются как единая пелипейная сложная и большая система;

— разработанная на основе системного подхода методика позволяет проводить исследование взаимодействия фундаментов мелкого заложения со сложным нелинейно-деформируемым грунтовым основанием без значимых ограничений;

— при оценке осадки фундамента учитывается взаимное влияние элемепгов конструкции фундамента;

— предложенная математическая модель функционирования большой и сложной нелинейной системы "мелкозаглубленный фундамент — грунтовое осповапне" отражает достаточно полно структуру и свойства реальной модели;

— разработанпая методика конечноэлементпого и суперэлементного моделирования нелинейных больших и сложных систем оснований и фундаментов мелкого заложепия позволяет рассматривать фундамент, основание и здание как элемепты единой сложной системы;

— ориентированные, на пользователя- предметника программные комплексы копечноэлементного и суперэлемептного моделирования сложных нелинейных систем грунтового основания и фундамента мелкого заложепия позволяют решать разнообразные задачи по проектированию различного типа фундаментов;

— Методом вычислительного эксперимента показано:

а) устройство вырезов определенной топологии уменьшает материалоемкость плиты до 40% при увеличении осадки до 5%;

б) подкрепление плиты микросваями увеличиЕ шт несущую способность ее до 30%;

в) минимизация крена может быть проведена па стадии проектирования путем устройства системы вырезов и (или) подкрепления микросваями определенных участков.

Практическая значимость полученных результатов.

Разработанная методика и программные комплексы позволяют решать следующие задачи:

1. Оценивать экономическую эффективность фундаментов мелкого заложения;

2. Проектировать большеразмерные фундаменты оптимальной материалоемкости при допустимых по строительным нормам осадках;

3. Проектировать для любых грунтовых оснований фундаменты мелкого заложения с практически равномерной осадкой в плане всего здания;

4. Разработанное программное обеспечение ориентировано на пользователя и позволяет решать разнообразные задачи по проектированию различного типа оптимальных фундаментов мелкого заложения на грунтовых основаниях произвольной структуры и свойств.

Основные теоретические результаты работы и IIO используются при изучении студентами математического факультета спецкурсов: "Математические методы САПР" и "Математическое моделирование и численные методы".

Экономическая значимость полученных результатов.

Разработанные программные комплексы позволяют расчитать оптимальные любого типа фундаменты мелкого заложения.

Оптимальные варианты фундаментов на микросваях, рассчитанные по предлагаемой Методике с помощью разработанного программного обеспечения, внедрены. Экономический эффект на одном здании составил 30000 рублей в Ценах 1987 года.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Системно-ориентированная методика исследования взаимодействия фундамента мелкого заложения со сложным нелинейно-деформируемым груйтовым основанием.

2., Математическая модель функционирования большой и сложной нел1ше!ЬюЙ системы "мелкозаглубленный фундамент — грунтовое основание".

3. Методика конечноэлементного и суперэлементного модели-ровааия больших и сложных нелинейных систем оснований и фундаментов мелкого залЬжения.

4. ПрогрЕ..линые комплексы конечноэлементного и суперэлементного моделирования сложных нелинейных систем грунтового основания и фундамента мелкого заложения.

5. Результаты вычислительного эксперимента на ПЭВМ по исследованию:

а) влияния сплошности болыперазмерной плиты на ее осадку;

б) влияния подкрепления плиты микросваями на ее осадку;

я) причин возникновения крена сложного фундамента мелкого Заложения и разработки методов его минимизации на стадии проектирования.

Личный вклад соискателя.

Все результаты работы, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно. В совместных публикациях представлены материалы полученные автором при разработке методологии су-церэлементного моделирования больших нелинейны* систем, модификации численных методов решения моделей систем, разработке алгоритмов и их реализации на ПЭВМ.

Апробация результатов диссертации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Второй Северо-Кавказской региональной конференции по функционально-дифференциальным уравнениям и их приложениям (Махачкала. 1986 );

Республиканской конференции молодых ученых и специалистов "Применение ийформатики и -Вычислительной техйики при решении народнохозяйственных задач" ( Мййск, 1989 );

МежресНублккайсКой йаучво-ПрЛкТН»4ескоЙ конферейции творческой молодежи "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и иаформациойяое лбеспечейие" (Минск,

1990);

Всесоюзной научно-практической конференции "Вопросы экономики и организации информационных технологий" (Гомель,

1991);

Межреспубликанской научно-практической конференции творческой молодежи "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и информационное обеспечение" (Минск, 1992);

Международной научно-практической конференции "Информатика и рыночная экономика" (Гомель, 1993);

Международной математической конференции, посвященной 25-лстию Гомельского госуниверситета им.Ф.Скорины (Гомель, 1994);

Международной научной конференции "Проблемы математики и информатики" (Гомель, 1996);

V Межгосударственной научной конференции "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и информационное обеспечение" (Минск, 1996);

VII Белорусской Математической конференции (Минск, 1996).

Опубликованиость результатов.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 работах: две статьи в сборниках научных трудов. Одни рекомендации, утвержденные Госстроек« ВССР. 14 тезисоб докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, основной характеристики работы, цяти глав, выводов, списка используемых источников. Ее содержание Изложено на 100 страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков, 19 таблиц, Б приложения. Список используемш источников Включает 74 наименойания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На основе анализа литературных источников и расчетных методик Строительных Норк! и Правил (СНиП) было установлено следующее, что почТИ все инжбперйые расчеты оснований фундаментов строятся на теории линейно-деформируемых тел. Но, как показывают многочисленные исследования, неучет нелинейной деформируемости грунтов приводит к значительному завышению расчетных параметров фундаментов. Именно поэтому

в Строительных Нормах и Правилях (СНиП) рекомендуется расчеты оснований производить, исходя из нелинейной зависимости между де формациями и напряжениями, но соответствующей методики расчетов в СНиП не приводится. Кроме того, расчет осадок, указанных фундаментов должен учитывать их конструктивные особенности и закономерности деформирования грунтовых оснований в плане всего здания. При втом здание, фундамент и основание должны рассматриваться как единая система, обеспечивающая практически равномерную осадку зданий и экономичность системы возводимых фундаментов. Обычгто фундаменты из болыперазмериых плит в СНиП предлагается рассчитывать как широкие ленточные фундаменты, но такой расчет не может претендовать па достаточную точность. Именно поэтому вводятся большие коэффициенты запаса, которые приводят в делом к значительному перерасходу строительных материалов. Таким образом, актуально рассмотрение фундамента в плане всего здания независимо от его этажности и размера, без ограничений па структуру основания с учетом его нелинейной деформируемости. Программное обеспечение, используемое в проектных институтах как правило, основано нолпостыо па СНиП. Поэтому актуальпа разработка программного обеспечения для современных ПЭВМ, учитывающего все основные рекомендации СНиП, нелинейную деформируемость грунтового основания, многообразие его структуры и конструкцию фундамента в плане всего здапия. Учитывая вышеизложенное, па диссертационное исследование были поставлены задачи :

1. Анализ закономерностей пелинеЙного деформирования структурных элементов, грунтовых оспований сложных фуядамстггоп мелкого заложения.

2. Разработка методики и алгоритмов расчета пелипейптдх л;: формаций грунтовых оснований сложных фундаментов мелкого заложения на основе системного подхода и методов конечных элементов, суперэлементов и энергетической лппеаризации.

3. Разработка для ПЭВМ программного обеспечения, ориентированного на пользователя-предметника и реализующего приведенные выше методы для расчета сложных нелинейных систем грунтовых оспований и фундаментов мелкого заложения пп-.т произвольных нагрузках.

4. Разработка рекомендаций по расчету на ПЭВМ равномерны* осадок сложных систем фундаментов мелкого заложения на Не линейно-деформируемых сложных грунтовых основаниях при произвольных нагрузках.

Во второй главе на основе системного подхода дается методика исследования взаимодействия фундамента мелкого заложения с грунтовым основанием произвольной структуры и строится математическая модель системы "мелкозаглубленныЙ фундамент — грунтовое основание".

Разработанная методика включает в себя:

1) определение целевой функции системы. Лля втого необходимо установить область и среду существования системы, т.е. указать свойства среды: ее структуру, физико-механические свойства элементов структуры, условия связи элементов в среде;

2) определение границ области существования системы;

3) условия связи системы с внешней средой (граничные условия)!

4) условия устойчивости системы — условия равновесия;

Б) метод исследования системы — математическое моделирование;

6) методы решения математических моделей;

7) разработка алгоритмов и ПО;

8) верификация математической, алгоритмической моделей;

9) исследование системы с помощью компьютерного моделирования.

Математическая модель "мелкозаглубленныЙ фундамент — грунтовое основание" строится на основе следующих критериев:

1. Основание, фундамент и здание рассматриваются как единая система.

2.- Основание по. своей структуре и физико-механическим свойствам, может быть произвольным, вплоть до учета линз, включений и вклиниваний.

3. Форма и свойства фундамента могут быть произвольными.

4. В общем случае основание' считается неравномерно сжимаемым И нелинейно-деформируемым.

5. Всякий элемент системы (слой, фундамент и др.) представляется ^воей механико-математической моделью.

Математическая модель системы "мелкозаглубленпый фундамент — грунтовое основание" будет иметь следующую структуру:

1. Схема геологического разреза основания.

2. Уравнение состояния элементов структуры (слоев, включений, вклиниваний и т.п.) сг,- = /(£,•), в частности {ст( = Ле™, А > О, О < т < 1}.

3. Система граничпых условий:

На граничных поверхностях, кроме верхней плоскости, граничные условия задаются в перемещениях. На части верхней плоскости задается система внешних сил, обусловленных нагрузкой от здания или сооружения.

4. Ядро математической модели:

= 0, где П = 0.5 / {е}1»*» - {и}г{Р}. а\и\ JV

Третья глава посвящена разработке модификаций методов и алгоритмов. Решепие математической модели может быть получено только численными методами, наиболее эффективными из которых являются метод конечных элементов (МКЭ) и (или) метод суперэлементов (МСЭ). Лля расчета деформаций нелинеПпо-упругого тела применей приближенный аналитический метод гшер-гетической линеаризации. Суть метода состоит в следующем.

Краевой задаче нелинейной теории упругости для тела обьема V с границей Г и уравнением состояния, например, <т,- = Ие™, поставим в соответствие краевую задачу линейной теории упругости в указанной области с модулем упругости

X

Е-

2 А

Ео,

.(1 + тп)£0е--т.

где Е — искомый модуль упругости гипотетического линейно упругого тела, Ео — модуль упругого деформировапия, А > О, 0 < т < 1 — параметры пслш1ейного закона деформирования, е; — интенсивность деформаций при упругом решении.

Таким образом, деформируемая область ян л летел неодпород-пой на уровне любого конечного элемента. Для полученных зпа-чеиий модуля Е решается лилейная задача. Ее решение, согласно припягым условиям, будет являться и решением исходной нелинейной задачи. Для реализации обоих методов предложены соответствующие алгоритмы.

Первый алгоритм позволяет решать математическую модель системы "мелкозаглубленный фупдамеит — грунтовое основание" методом конечных элементов. Суть алгоритма состоит в последовательном выполнении следующих этапов.

Этап 1. Построение расчетной области.

Расчетная область правильной геометрической формы строится в объеме деформируемой области, размеры которой могут определяться двумя способами: на основе принципе Сен-Венана и решения Буссинеска задачи о действии сосредоточенной силы или на основе экспериментальных исследований. Глубину деформируемой зоны целесообразнее получать по рекомендациям СНиП. Методом вычислительного эксперимента были оценены оба подхода по определению размеров расчетной области, различие в значениях не более 7%.

Этап 2. Дискретизация расчетной области.

Дискретизация пространственной расчетной области производится трехмерными симплекс-элементами (тетраэдрами) автоматически и (или) самим исследователем.

Этан 3. Задание Граничных условий.

Граничные условия расчетной области определяются системой внешни ; сил и принятым способом определения размеров расчетной области.

Этап 4. Формирование матрицы жесткости.

Построение матрицы жесткости производится для определенного класса задач (линейные, нелинейные) с оптимальной упаковкой и хранением ее только в оперативной или во Внешней памяти ПЭВМ.

Этан 5. Корректировка матрицы жесткости.

В соответствии с граничными условиями из системы линейных алгебраических уравнений исключаются известные перемещения.

Этап б. Решение системы алгебраических уравйений.

Для решения основного уравнения Метода конечных элементов всей системы Исйользовалксь Модифицированные автором метод Гаусса и метод квадратйого корня.

Этап 7. Учет нелинейной деформируемости элементов расчетной области.

Учет нелинейной деформируемости основания Производится методом энергеимческой линеаризации. В этом случае полное реше-

ние задачи происходит за два этапа. На первом этапе происходит линейное решение задачи, а на втором, на основании линейного решения и принятого закона деформирования, вычисляются эквивалентные секущие модули упругости для каждого конечного элемента. Решение нелинейной задачи сводится к решению лшгейяой задачи для неоднородного основания, так как всякий конечный элемент будет иметь свое значение модуля упругости.

Второй алгоритм представляет соВой модификацию метода суперэлементов для решения математической модели системы "мел-козаглубленный фундамент — грунтовое основание" и реализуется следующими этапами.

Этап 1. Построение расчетной области.

Построение расчетной деформируемой области производится также как и при конечноэлементном моделировании.

Этап 2. Дискретизация расчетной области.

Дискретизация расчетной области для задач рассматриваемого класса производится суперэлементами в виде Прямоугольноых параллелепипедов с размерами по осям ОЪ и ОУ, совпадающими с соответствующими размерами расчетной области, а по оси ОХ размер равен соответствующему Их. Каждый суперэлемент разбивается трехмерными симплекс-элементами (тетраэдрами).

Этап 3. Задание граничных условий.

Значения граничных условий определяются аналогично как и в выше приведенном алгоритме.

Этан 4. Решение дискретной математической модели системы "мелкозаглублешгый фундамент — грунтовое основание" методом суперэлеМентой.

Разработаны экономичные алгоритмы построения матрицы жесткости суйерэлементов И обработки ее подматриц. Для каждого суперэлемента етройтся свое основное уравнение Метода конечных элементов.

Матрица жесткости каждого суперэлемента является симметричной и ленточйой. При рещетш задачи методом суперэлементов выражаются неизвестные перемещения и узловые усилия внутренней грани Через изййстные перемещения и узловые усилия для первого суперэлемента (на оДйой граш1 заданы краевые условия), а для других суперйлементов — через выраженные перемещения и усилия через соответствующие перемещения предыдущих су-

перэлемептов. Затем делается обратный ход и все перемещения и узловые усилия во всех узлах конечномерного разбиения расчетной области будут определены. Замена решения большой системы уравнений сравнительно небольшими вычислениями по обращению подматрицы суперлемента значительно повышает точность решения задачи.

Этап 5. Учет нелинейной деформируемости элементов расчетной области.

Учет нелинейной деформируемости основания производится аналогично как и в случае конечноэлементного моделирования.

Проверка адекзатности построенной математической дискретной и алгоритмической моделей реальной системе "здапие-осно-вание-фундамент" осуществлялась путем проведения соответствующего вычислительного эксперимента и сравнением результатов с данными натурных экспериментов для двух задач. В первой задачи определялись осадки реакторного отделения Запорожской АЭС. Результаты проведенного вычислительного эксперимента показали, что средняя осадка плиты составила 11.1 см, что хорошо согласуется с графиками наблюдений за осадками РО АЭС. Во второй задаче результаты наблюдений за осадками жилых зданий № 26, 29 мкр. № 6 и № 11, 12, 4, 15 мкр.5 г.Гомеля (натурный эксперимент) сравнивались со значениями осадок зданий, полученных в результате компьютерного моделирования но разработанной методике, расхождение с соответствующими экспериментальными данными не более как на 15% от их средних значений.

Разработанное программное обеспечение: программный комплекс копечноэлементпого моделирования и программный комплекс суперэлемептного моделирования процесса взаимодействия сложных нелинейных систем грунтовых осцовапий и фундаментов мелкого заложения ориентировано на пользователя-предметника. Оно позволяет достаточно полно учесть структуру основания и его физико-механические свойства, рассматривать фундамент здания не отдельными сечениями, а в плане всего здания и при переходе элементов основания в нелинейное состояние учитывать нелинейную деформируемость основания.

В главе 4 описан состав, структура и технология использования разработанного программного обеспечения: программный комплекс конечноэлементного моделиронаннпя (ПККМ); програм-

мный комплекс суйерэлементного моделирования (ПКСМ) процесса взаимодействия сложных нелинейных систем грунтовых оснований и фундаментов мелкого заложения, ориентированного на польз: зателя предметника. Оба ПК позволяют достаточно полно учесть структуру основания и его физико-механические свойства» рассматривать фундамент здания не отдельными сечениями, а в плане всего здания и при переходе элементов основания в нелинейное состояние учитывать нелинейную деформируемость основания.

Технология компьютерного ■ моделирования взаимодействия сложных мелнозаглубленного фундамента и грунтового основания включает в себя внешнее проектирование и компьютерное моделирование рассматриваемого процесса. Внешнее проектирование проводится пользователем-предметником на основе инженерно-физических испытаний и геологического разреза основания. Пользователь определяет степень однородности основания и режим работы с ПК, готовит необходимые исходные данные, которые мойсет вводить и проверять с помощью сервисных услуг ПК.

Компьютерное моделирование поддерживается ПК конечноэле-ментного моделирования и ПК суперэлементного моделирования системы "мелкозаглубленный фундамент — грунтовое основание".

В ходе конечноелементного моделирования выбор нужного варианта работы с памятью производится программно.

ПК конечноелементного моделирования предусматривает следующие режимы работы: однородное основание, неоднородное послойное, полная неоднородность основания. В зависимости от степени однородности используется различная автоматизация дискретизации расчетной области: полная автоматизация (пользователь не задает параметров дискретизации), частичная автоматизация (пользователь указывает мощности слоев но оси 0Z)> задание параметров дискретизации пользователем. Возможна работа при полной неоднородности основания, в режиме задания разбивки области на конечные элементы.

ПК суперЪлементного моделирования используется для получения более точного решения и за меньшее время в случае большого числа уравнений дискретной модели системы "мелкозаглубленный фундамент — грунтовое основание".

Работа с ПК идет с помощью мешо-ориептироваиного интер-

фейса, который включает работу с вводом, проверкой и корректировкой исходных данных, выбор ПК, выдачу результатов на экран, в файл, либо но интересующим точкам.

В пятой главе представлены результаты апробации методов, средств и технологии компьютерного моделирования сложной нелинейной системы "ыелкозаглубленный фундамент — грунтовое основание". Апробация проводилась при решении следующих задач: определение влияния сплошности большэразмерпой плиты на ее осадку; определение влняшш подкрепления плиты микросваями на ее осадку; выявление крепа фундамента и его минимизация На стадии проектирования.

Первая задача решалась с помощью ПК суперэлемептпого моделирования. Рассматривались различные системы вырезов на нлите. Анализ полученных результатов показал, что при уменьшении контактной поверхности плиты до 40% увеличивается осадка до 5%. Этот факт позволяет повысить экономичность возводимых фундаментов.

Вторая задача решалась с помощью ПК конечное лементнохо моделирования. Рассматривались плиты подкрепленные микросваями. Лля такой задачи задавалась дискретизация области пользователем. Анализ результатов ноказал, что несущая способность плит с микросвалми увеличивается до 30%.

Третья задача по выявлению крена и его минимизации проводилась на основе полученных результатов первых двух задач. Причинами возпикповения крена фундамента является неоднородность основания и неравномерное распределение нагрузки на фундамент. Доказано, что минимизировать крен можно с помощью проектирования на оспоне ПК ассимметричпих вырезов и (или) подкрепления фундамента микросваями.

ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе системного подхода разработана методика исследования взаимодействия фундаментов мелкого заложения со сложным нелинейно-деформируемым грунтовым основанием. Фундаменты рассматриваются в плане всего здания и вместе с основанием рассматриваются как единая сложная нелинейная система.

2. Разработана математическая модель функционирования большой и сложной нелинейной системы "мелкозаглублешгый фундамент — груптовое основание".

3. Предложена модификация метода суперэлементов для больших нелинейных систем механики грунтов.

4. Разработаны модификации численных методов решения конечноэлемептных и суперэлементпых дискретных моделей системы взаимодействия сложного нелинейного грунтового основания с фундаментом мелкого заложения.

5. На основе методов конечных элементов, сунерэлементов и энергетической линеаризации разработаны алгоритмы решения математической модели большой и сложной нелинейной системы

'мелкозаглублешгый фундамент — грунтовое основание".

6. Разработаны специальные комплексы программ для компьютерного моделирования взаимодействия фундаментов мелкого заложения со сложным нелинейно-деформируемым грунтовым основанием, ориентированные на пользователя-предметника.

7. Методом вычислительного эксперимента на ПЭВМ исследованы:

а) влияние сплошности большеразмерпой плиты на ее осадку;

б) влияние подкрепления плиты микросваями на ее осадку;

в) нричипы возникновения крена сложного фундамента мелкого заложения и разработаны методы его минимизации па сталии проектирования.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Быховцев D Б., Лях В.Н., Нурганова Л.А.,Лемова Т.М. Численное Моделирование смешения микросвайных фундаментов в выштампованной скважине при действии наклонной нагрузки // Республиканская конференция "Применение информатики и вычислительной техники при решении народнохозяйствешплх задач". Тез.докл.конф. - Минск, БГУ, 1989. - С. 92.

2. Быховцев В.Е., Цурганова Л.А., КраМаренко С.А. Повышение скорости численного решепйя краевых задач Для неоднородного полупространства // Межре ;публикаНская научно-практическая конференция творческой Молодежи "Актуальные проблемы информатики; математическое, программное и информационное обеспечение". Тез.докл.конф. - Мп, 1990. - С. 105.

3. Быховцев В.Б., Пурганова JI.А.,Бондарева В.В. Проектирование микрорайонов с учетом несущей способности оснований // Межреспубликанская научно-практическая конференция творческой молодежи "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и информационное обеспечение". Тез.докл.конф. - Минск, БГУ, 1992. - С. 227.

4. Быховцев В.Е., Пурганова JI.A. Индексация узлов при ко-нечноэлеменгной дискретизации // Республиканская конференция молодых ученых и специалистов "Применение информатики и вычислительной техники при решении народнохозяйственных задач". Тез.докл.конф. - Минск, 1989. - С. 24.

5- Быховцев В.Е., Цургаыова JI.A. .Численный анализ взаимного влияния системы балок на их осадку // VII Белорусская математическая конференция. Тез.докл.конф. 4.2 - Минск, 1996. - С. 35.

6. Быховцев В.Е., Пурганова JI.A, Расчет методом суперэлементов осадок большеразмершлх фундаментов зданий // Международная научно-практическая конференция "Информатика и рыночная экономика" Тез.докл.конф. 4.2. Информатика. - Гомель, 1994. - С. 1Л9.

7. Выхочцев В.Ем Пурганова JI.A. Компьютерное моделирование взаимного влияния двух Параллельных балок на их осадку на нелинейно-деформируемом основании // Международная научная конференция "Проблемы алгебры и кибернетики". Тез. докл. конф. - Гомель, 1995. - С. 21-22.

8. Воинов Н.Т., Лях В.Н., Пурганова JI.A., Демова Т.М. Дискретные модели паб|рЕЫх фундаментов в выштампованных скважинах с шгфосваямй // Фундаменты на искусственных основаниях в усЛовйях БССР, Мийск: Р-т ЙСйА Госстроя БССР, 1986. - С. 43-47.

9. Рекомендации ПО проектированию и расчету намывных оснований фундаментов йрй действии tía них динамических нагрузок. Утверждено ГОССТРОеи ЙССР / Сеськов В.Ё., Феофйлов Ю.В., Быховцев В.Ё., Üyprafiofla Л.А. и др. - Мийск, НПТО "БелстроЙйаука" ГОССТРОЯ ВССР, 1990. - 18 с.

10. Сеськов В.Е., Быховцев В.fe., Пурганова Л.А., Лях В.Н. Определение несущей способности И осадки микросвайных фундаментов в выштампованных скважинах методами вычислительного

и физического экспериментов // Основания и фундаменты. Минск: Р-т НПТО Белстройнаука Госстроя БССР, 1989. - С. 26-35.

11. Л. А.Цурганова. Некоторые особенности конечноэлемент-ного моделирования задач теории упругости // Вторая СевероКавказская конференция "Функционально-дифференциальные уравнения и их приложения". Тез. докл. копф. - Махачкала, 1989. -С. 234.

12. Цурганова Л.А. Организация вычислительного процесса при решении некоторых краевых задач методом суперэлементов // Всесоюзная научно-практическая конференция "Вопросы экономики и организации информационных технологий". Тез. докл. копф. - Гомель, 1991. - С. 117-149.

13. Цурганова Л.А. Численный анализ эффективности метода суперэлементов при расчете болыперазмерных пространственных систем // Межреспубликанская паучпо-практической конференция творческой молодежи "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и информационное обеспечение. Тез. докл. конф. - Минск, 1992. - С. 121.

14. Цурганова Л.А. Эффектиипое использование памяти ПЭВМ при расчете осадок зданий методом суперэлемептов // Международная паучло-практическая конференция "Информатика и рыночная экономика". - Гомель, 1994. - С. 172-173.

15. Цурганова Л.А. Влияние формы контактной поверхности фундамента па его несущую способность // Международная научная конференция, посвященной 25-летию 1ГТУ шл.Ф.Скорнны "Проблемы математики и информатики". Тез.докл.конф. - Гомель, 1994. - С. 63.

16. Цурганова Л.А. Численное Моделирование передаточно-распределительпой функции контактной поверхности фундамента // Международная научная конференция, посвященной 25-летию ГГУ им.Ф.Скорины "Проблемы ма!ематики и информатики". Тез. докл. конф. - Гомель, 1994. - С. 64.

17. Цурганова Л.А. Компьютерный апализ влияния сплошности болыиеразмерпой плиты на ее осадку // Межреспубликанская научпо-практическая конференция творческой молодежи "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и информационное обеспечение". Тез.докл.конф. - Минск, 1996. -С. 274.

РЕЗЮМЕ

Пургалова Людмила Антоновна

Компьютерное моделирование сложных пелинейных систем грунтовых оснований и фундаментов мелкого заложения

Ключевые слова: нелинейные сложные большие системы, грунтовые основания, фундаменты мелкого заложепия, компьютерное моделирование, метод конечных элементов, метод супералементов.

Целью диссертационной работы является усовершенствование и развитие методов исследования сложных нелинейных систем грунтовых основапий и фундаментов мелкого заложения с использованием компьютерного моделирования на основе системного подхода. Разработанпая методика позволяет проводить исследование взаимодействия фундаментов мелкого заложения со сложным нелинейно-деформируемым грунтовым основанием без значимых ограничений и рассматривать фундамент, основание и здание как единую сложную нелинейную систему. Разработанное программное обеспечение ориентировано на пользователя-предметника и позволяе т решать разнообразные задачи по проектированию различного типа субоптимальных фундаментов мелкого заложения па груптовых основаниях произвольной структуры и свойств. Верификация метода, средств и технологии компьютерного моделирования рассматриваемого класса задач проведена с помощью вычислительного эксперимента по данным натурных наблюдений за осадками реальных сооружений. В ходе апробации решены три задачи: определение влияния сплошности болыперазмерной плиты на ее осадку — уменьшение контактной поверхности плиты до 40% приводило к увеличению ее осадки до 5%; определение.влияния подкрепления плиты микросваями на ее осадку — несущая способность плиты повышалась до 30%; разработаны методы минимизации крена сложного фундамента мелкого заложепия на стадии проектирования.

РЭЗЮМЭ

Пурганава Людзмила АнтонаУна

Камп'ютэрпае мадэл1раванне складапых нелшейных астэм грунтовых асноУ i фундаментаУ дробнага закладвапня

Ключаоыя слооы: Нелшейныя складаныя шипкш сктэмы, грун-товыл асновы, фундаменты дробнага закладвання, камп'ютэрпае мадэл1раванне, метад канечных элементау, метад суперэлементау.

Mэтart дысертацыйнай работы з'яуляегща Удаскапалеппе i развое метадау дасдедванпя складаных пелшейпых астэм грунтовых асноу i фундаментаУ дробнага закладнання .3 выкарыста-1шем камп'ютэрнага мадел1раваппя на аснове астэмнага пады-ходу. Распрацавапая методика дазваляе праводзщь даследваппе Узаемадзеяшш фундаментаУ дробнага закладвання са складанай нелшейпа-дэфармуемай грунтовай асновай без значных абмежа-ванняУ i разглядвацъ фундамент, аснову i будынак як адзшую скла-даную нелшейпуго астэму. Распрацавапае праграмнае забеспя-чэнне арыептавана на карыстальшка-прадметшка i дазваляе вы-рашаць разнастайныя задачы па нраектавалпю рознага тыну суб-аптымальпых фундаментаУ дробнага закладвання на грунтовых ас-новах адвольнай структуры i уласщвасцей. Верыфжацыя метада, сродкаУ i тэхналогн камп'ютэрнага маДэл1равапня разгладваемага класа задач правядзешш з дапамогай вылзчалЬнага эксперимента на дадзенных натурных наз!раняяу за асадкам] рэальных пабудоу.

У ходзе апрабаЦый выратапы тры задачы: вызначэнпе Упльпзу суцэльпасд] вялшанамернай ил ¡ты на Лс асадку — змяншэппе кап-тактнай паверхш шиты да 40% прыводзша да палел^чэння яе асада да 5%; лызначэнне Уплыву падмацаванпя шпты мшрапалям! на яе асадку — нясучая здольнаснь шпты павышалася да 30%, распра-цавашл метад м1шм1зацьн крэну складанага (фундамента дробнага закладвання на стадьп нраектавання.

SUMMARY

Tsurgaaova Ludmila Antonovna

The computer modelling of complex non-linear systems for deep and shallow earth-based foundations,

Key words: nou linear complex Large systems, earth -based foundations, shallow earth bases, finite elements method, super-elements method.

The aim of the dissertation is to develop and improve research methods for complex non linear systems of earth bases and shallow earth-based foundations with the help of systems computer modelling. The developed techniques niE.ke it possible to investigate the interaction between shallow earth-based foundations and the complex non-linearly deformed earth-basis without meaningful limitations. It also views the foundation, basis and building as a uuited complex non-linear systems. The developed software is meant for a professional user and facilitates the decision of a variety of problems aimed at the design of different suboptimal shallow foviiida-tions based on the earth of all structures and properties. Method, means and computer-modelling technology verification has been completed with the help of the calculation based on the natural observations data for real buildings settings. There tasks have been resolved in the approbation: the interdependence between the structure of a large-sized plate and its setting, it has been determined that the reduction of the plate's contact surface up to 40% caused 5% increase of its setting; the dependence between the plate reinforcement with micro-supports and its setting, it has been determiued that the plate has been reinforced up to 30%; the methods to minimize complex shallow earth-based foundation careen at the project-dcsign stage have been developed.