折叠式隔离基础在软土和重载情况下的经济设计和性能分析

可在www.sciencedirect.com上在线获取计算设计与工程学报4（2017）150www.elsevier.com/locate/jcde隔离式和折叠式基础的性能Mahmoud Samir El-kadya，b，Essam Farouk Badrawica埃及Zagazig大学工程学院结构工程系b沙特阿拉伯王国朱夫大学土木工程系c沙特阿拉伯王国商业和技术大学土木工程系。接收日期：2016年2月13日;接收日期：2016年9月6日;接受日期：2016年9月9日2016年9月14日在线发布摘要折叠基础已被用作替代传统的浅基础，在涉及重载或软土的情况下。它们可以有多种几何形状，特别是对于独立基脚。本文的目的是介绍一种替代的基础形状，通过减少钢筋的数量，最大限度地减少甚至消除折叠隔离基脚的张力区，从而降低基础的成本。此外，通过改变隔离基脚形状来降低土壤应力，从而减少预期沉降和基脚应力。对五（5）个四分之一比例的基脚进行了实验和数值研究，其中一个(1)将一个拱形基脚作为参考样品进行测试，四个基脚具有101、201、301和401的折叠角，水平。结果表明，折叠式隔震基础通过减少配筋量达到了经济设计的目的。它还引起更少的土壤沉降和应力。此外，钢筋混凝土基础中的拉应力也较小的折叠孤立的基础比在一个。结果表明，折叠隔离基础有一个更好的承载能力相比，传统的板/碎石在基础的相似的横截面积的情况下，实验和数值分析。（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。关键词：折叠式隔离基础;沉降;折叠角;拉应力1. 介绍壳牌基金会吸引了来自70年代的全球众多研究人员。Iyer和Rao[1]进行了一系列试验研究薄壳基础的承载力，并将结果与矩形基础进行了比较。计算结果表明，薄壳基础的承载力这种差异与壳单元的刚度和几何形状有关。Kurian和Jeyachandran[2]对各种壳体基础及其矩形配对件进行了实验测试Agarwal和Gupta[3]在砂土轴向载荷下对锥形、超锥形和它们的双锥形基础结果表明，提高壳基础的承载力有关的基础配置和基础和土壤之间的界面的差异。由计算设计与工程学会负责进行同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jcde.2016.09.0012288-4300（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。Hanna和Abdel-Rahman[4]研究了壳体基础在承载力和沉降方面的行为他们在圆锥形、三角形和金字塔形的壳体基础以及圆形、条形和方形的矩形基础上进行了测试。他们注意到，贝壳地基的性能优于贝壳地基，前者的破坏面比后者更深。Kurian 和Varghese[5]、Kurian和Mohan[6]以及Kurian[7]研究了壳体基础的承载力和接触压力本文通过试验和数值分析，研究了砂土上折叠式隔震基础的极限承载力、应力和沉降变化规律。2. 实验方案2.1. 受试材料试验所用砂土的粒径分布曲线如图所示。1.一、土壤也被分类M.S. El-kady，E.F. Badrawi / Journal of Computational Design and Engineering4（2017）150151¼410090807060504030201000.010.11尺寸，mmFig. 1. 砂的粒度分布曲线根据统一土壤分类系统（USCS）的分级砂（SW）。土壤的其他性质如表1所示。通过直剪试验和普罗克托试验获得了砂土的抗剪强度参数和最大干容重。直剪试验中的土密度与荷载试验中的土密度相同。对三个立方体混凝土样品进行抗压强度试验，实验室折叠式基础所用混凝土的性能列于表1。102.2. 实验模型试验使用五（5）个四分之一比例的基脚（其形状是弯曲的，并作为参考样本进行测试）和四个四分之一比例的基脚（其形状是弯曲的，并作为参考样本进行测试），(4)折叠角为101、201、301和401的折叠基脚，水平。基础材料为钢筋混凝土，2混凝土弹性模量Ec<$1.97~ 10 MN/m，以及泊松比m0.16，根据埃及规范为RC设计结构[8]。由于试验基脚的四分之一比例和实际限制，独立基脚为正方形，尺寸为（0.40 m长x 0.40 m宽x 0.05 m高）。根据以下要求，将以最小配筋率对基脚进行加固：Es¼干砂土弹性模量（杨氏模量）。干砂的摩擦角，度。C¼干砂的凝聚力（由于砂土中存在一些细颗粒γd¼干容重，（kN/m3）;泊松比。图三. 测试的独立基脚的整体视图。图二. 模型和试验机的配置。通过百分比，%表1砂土参数。土壤性质中密砂R.C.Es（MN/m2）40.041.97~ 10温度（°）35.0–C（kN/m2）5.0–γd（kN/m3）17.024.0泊松比（Poisson's ratio）0.350.16其中：152M.S. El-kady，E.F. Badrawi / Journal of Computational Design and Engineering4（2017）150见图4。 应变片布置。图五. LVDT排列。见图6。 校准的测力传感器。埃及行为守则由于实验室的限制，将使用钢箱（50长 *50宽*100 cm深）代表土壤模型。 在数值模型中，侧边界被限制为允许土壤沉降发生在模型边缘，而不允许横向移动。然而，下边界的移动在两个方向上都受到限制 图 2示出见图7。 数据记录器设备。显示边界条件的土壤模型的总体布局如表1所示，在分析中使用中密砂覆盖埃及许多地区最常见的土壤。 图图3显示了五个经过测试的折叠式和折叠式独立基脚的总体视图。两个应变计位于每个独立基脚上一个应变计放置在钢筋中以测量钢筋上的拉应力，另一个应变计放置在混凝土上以测量独立基脚体上的压应力混凝土应变计位于柱面，预计最大弯矩将发生在此处，如图所示。 四、如图所示，土壤沉降是通过LVDT（载荷与位移传感器）测量的。 五、为了获得对底层土壤的均匀压实，将砂置于钢箱中，每层25 cm，然后使用木板彻底夯实。测得的干容重值约为17 kN/m3。填充盒子后，基础位于盒子中心的沙面上为了在壳体基础模型下制备土芯，壳体下的空间根据所需的单位重量用沙子填充然后分别使用自重和液压千斤顶系统在三维条件下对基脚进行静态加载。M.S. El-kady，E.F. Badrawi / Journal of Computational Design and Engineering4（2017）150153图8.第八条。（a）干沙和折叠基脚模型。（b）F.E.M.数值模型网格见图9。 沉降阴影等值线为301折角。施加的载荷每次以5 kN的增量在每个加载步骤之后，使用LVDT（载荷与位移传感器）测量沉降。因此，如图6所示，一（1）个钢应变计、一（1）个混凝土应变计、一（1）个LVDT（载荷与位移传感器）以及用于测量施加在弯曲或折叠隔离基脚样本上的载荷的测力传感器均与数据记录仪连接。数据记录仪用于测量和记录测量设备的输出信号，随后转换为钢筋和混凝土的应变，如图所示。7.第一次会议。3. 数值研究对一个折叠式隔震基础原型进行了一系列三维有限元分析，以评估折叠角的影响，并验证数值模型能够再现实验测试结果。使用有限元程序ABAQUS软件包（版本6.11.1）进行分析。ABAQUS软件能够处理各种岩土工程问题，如深基坑、隧道和土结构，如挡土墙和斜坡。154M.S. El-kady，E.F. Badrawi / Journal of Computational Design and Engineering4（2017）150见图10。 强调301折叠角度的阴影轮廓。荷载（kN）电话：+86-021 - 88888888传真：+86-021 - 88888888120.0140.0一百六十点零051015202530354045501008060见图11。 不同情况下的试验荷载沉降曲线折叠40的角度在数值模型中，砂土体采用8节点砖形三线性位移单元。 沙子土的模型是一个弹塑性材料模型，采用非关联的库仑法则，使用莫尔库仑塑性模型。折叠基础采用8节点线性砖形单元，采用沙漏控制和减少积分，模拟为弹性材料。本研究中使用的材料参数列于表1中。砂土域、边界条件和有限元网格如图8-a和b所示。图9显示了独立基脚301折叠角的沉降阴影等值线和折叠基脚下沉降的从图中可以看出，沉降峰值一般出现在基础下方，并随深度的增加而消散此外，图中还显示了边缘边界处的小土壤隆起 图图10示出了301折叠角的应力阴影等值线和基脚体上的横截面，其示出了拉伸应力和压缩应力。4. 结果和讨论本文采用实验和数值模拟的方法，研究了折叠式隔震基础的结构特性，200 10 20 30 40折叠角度（度）见图12。沉降与折叠角的实验和数值研究。基准基脚折叠角的效果导致更好的行为时，相比，在相同的。分析包括增加施加在基础上的压力对底层土壤沉降的影响。混凝土基脚内的应力也显示出最大的压缩应力，和拉应力沿钢筋。4.1. 折叠角对土体沉降图图11示出了不同折叠角度情况下测得的荷载沉降曲线。图图12显示了分别从实验和数值研究中获得的测量和计算沉降与折叠角的关系。实验和数值结果表明，角度= 0.0角度= 10角度= 20角= 30角= 40沉降（mm）数值实验沉降（mm）M.S. El-kady，E.F. Badrawi / Journal of Computational Design and Engineering4（2017）150155图十三. (a)拉伸应力与折叠角的实验和数值情况。(b)压应力与折叠角的实验和数值情况。1601401201008060400 10 20 30 40折叠角度（度）见图14。实验和数值情况下的失效载荷与折叠角度。增加所施加的压力直到破坏，导致折叠和折叠隔离基脚的底层土壤沉降显著增加轻微的差异之间的折叠角201至401，折叠孤立的基础给出了较低的沉降值比dupat的。这主要是由于沉降主要取决于施加的荷载和应力。另一方面图15. 顶部失效（顶部失效）。基础下的应力在某种程度上取决于基础形状的底部。沉降值的增加率在独立基脚处和折叠角等于101的情况下更明显。试验结果与数值模拟结果一致，保证了数值模拟再现试验研究结果的能力。实测和计算的总沉降表明，增加折叠角超过301是不是有效地减少应力，从而总沉降。4.2. 折叠角对基础应力的影响图图13-a和b显示了实验和数值情况下的拉伸和压缩应力与折叠角的关系。结果数值实验破坏荷载（kN）156M.S. El-kady，E.F. Badrawi / Journal of Computational Design and Engineering4（2017）150图16. 底部失效（Bottom Failure）。图17. 顶部失效（折叠）。表明增加施加的压力会导致折叠和折叠隔离基脚压缩边缘处的基脚体应力显著增加然而，有一个明显的下降沿钢筋的拉应力折叠和折叠的隔离基础。在相同的荷载值下，折角为30 - 1的折叠式隔震支座的拉应力比无折角隔震支座的拉应力降低约46%。此外，由于折叠角从0 1增加到40 1的应力水平，基脚体应力略有增加，确保折叠角在降低其下方土体内应力方面的有效性。图14显示了试验和数值结果的破坏荷载与折叠角的关系。计算结果还表明，折叠式基础的承载力比普通基础高。因此，301折角基脚的承载能力约等于2.0倍于具有相同尺寸的独立基脚初始裂缝和完全失败都注意到在两个独立的基础，不同的折叠角度，如图所示。 15比18 数据显示，每个基脚的顶部和底部都完全失效失效主要是由于冲切效应和径向方向。结果表明，折叠式基础需要增大柱下混凝土截面以抵抗图18. 底部失效（折叠）。除了在折叠的隔离基脚边缘使用环形梁以阻止这些区域中的诱导裂缝之外，还可以防止5. 结论本文介绍了折叠式隔震基础的试验研究和数值验证在沙质土壤上。本文的目的是强调折叠角（θ）对土壤沉降和基础应力的有效性。文中还讨论了褶皱倾角θ对结果的影响。根据论文的结果，可以得出以下结论：1. 一般来说，使用折叠形式的独立基础导致较低的土壤沉降。2. 折叠角（θ）的最有效和优选值等于301。另一方面，基础层的土壤可以实际形成所需的折叠角，以直接在已形成的土壤上浇筑混凝土基础。3. 实验结果与数值计算结果吻合较好。结果表明，与常规基础相比，折叠式基础的钢筋最大拉应力降低了约48%。这种减少将减少覆盖所产生的应力所4. 实测沉降与计算沉降在折底式和折底式基础上吻合较好。然而，折叠式独立基础的沉降比底部基础的沉降低约57%，表明折叠式基础情况下的土壤应力较低。5. 折叠式独立基脚的破坏形状决定了在径向方向上使用额外的钢筋或在折叠式独立基脚的边缘使用环梁。M.S. El-kady，E.F. Badrawi / Journal of Computational Design and Engineering4（2017）150157致谢作者谨向Zagazig大学工程学院结构工程系土力学和地基教授Alaa Ata博士教授表示诚挚的感谢，感谢他在所有研究工作中提出的建议和意见。此外，还要对Al-Jouf大学工程系的支持和知识表示深切的感谢。引用[1] Iyer T.S.，Rao N.R.，沙上索壳与筏之模型研究。见：印度孟买浅地层发现研讨会论文集，第1卷，1970年，第110页。149-156[2] KurianNP，Jeyachandran SR. 二维及三维薄壳基础下砂土性状之模型研究。印度岩土工程杂志1972; 2（1）79-90。[3] Agarwal KB，Gupta RN. 壳体基础中的土-结构相互作用。土与结构相互作用国际研讨会论文集，2. Roorkee，India：University of Roorkee;110-2.[4] 张文，张文，等.干砂地基上薄壳基础的试验研究.北京：机械工程出版社，2001. 加拿大岩土工程杂志1998; 35：847-57.[5] Kurian NP，Varghese PC.讨论“锥形和超基脚的设计和试验。作者：D.L.Nicholls和M.V. Izadi。《土力学与基础工程杂志》1969; 95：415-6.[6] Kurian，N.P. Mohan，C.S.（1981年）。壳体基础下的接触压力。第10届土力学与基础工程国际会议论文集，瑞典斯德哥尔摩，卷。2，页。15-168[7] Kurian，N.P.（2004年）。壳牌基础-原理和使用，基础工程现代趋势国际电子会议：岩土工程挑战解决方案，1月21-26日，由印度理工学院土木工程系岩土工程处组织，马德拉斯，钦奈- 600036，印度，第1 -18页。[8] 埃及R.C.实践和设计规范结构，埃及住房和建筑国家研究中心，ECP203，开罗埃及，（2007年）。