无粘性土壤上混凝土基础的破坏荷载及土-基础接触应力分布的数值评估

《Scientific Reports》：Numerical assessment of failure load and soil–footing contact stress distribution for concrete foundations on cohesionless soil

　　

摘要

独立钢筋混凝土（RC）基础的行为受到基础与支撑土壤之间相互作用的影响，这种相互作用决定了沉降、承载能力和接触应力分布。传统的解析方法往往高估了边缘应力，并未考虑土壤的非线性、基础的渐进性开裂以及刚度的退化。实验研究表明，在刚性基础下应力分布是不均匀的、呈马鞍形的。然而，大多数研究都集中在理想化的基础上，而传统的设计方法通常假设接触应力是均匀的，忽略了基础刚度的变化。本研究通过开发一个在ABAQUS中经过验证的非线性有限元（FE）模型来弥补这些不足，该模型用于模拟在密实砂土上承受同心垂直荷载的方形RC基础。该模型通过实验结果进行了验证，结果显示极限荷载的差异为1%，沉降的差异为3%。参数研究探讨了钢筋配比（0.26–3.0%）、基础厚度（250–500毫米）和混凝土抗压强度（20–60兆帕）的影响。增加钢筋配比使中心接触应力提高了102%，极限荷载提高了111%，能量吸收提高了312%。将基础厚度增加到500毫米使中心应力提高了42%，极限荷载提高了37%，能量吸收提高了74%；而将厚度减少到250毫米则分别导致这些指标降低了83%、61%和90%。将混凝土强度提高到60兆帕使中心应力提高了152%，极限荷载提高了149%，能量吸收提高了367%。研究结果强调了基础刚度、开裂以及土-结构相互作用的关键作用，指出了均匀应力假设的局限性，并为在颗粒状土壤上安全、高效和经济地设计RC基础提供了实际指导。