Проектирование фундаментной конструкции

Проектирование фундаментной конструкции

Содержание

1.       Исходные данные по надфундаментной конструкции

.        Инженерно-геологические условия площадки строительства

.        Определение глубины заложения фундамента

.        Выбор типов оснований и фундаментов

.        Защита помещений от грунтовых вод и сырости

.        Расчет оснований по предельным состояниям

Список литературы

1.      Исходные данные по надфундаментной конструкции

Запроектированное здание "Многоярусная автостоянка открытого типа". Несущий остов здания - каркас. Он состоит из вертикальных опор - колонн, фундаментов и горизонтальных элементов, образующих перекрытия и покрытие (ригелей, плит), обеспечивающих жесткость здания в целом и способствующих единству работы несущего остова в условиях всех действующих на здание нагрузок (Табл. 1,а.)

Здание смешанной этажности. В плане имеет прямоугольную форму с размерами в осях 58,2 х 37,2 м. Для здания с полным железобетонным каркасом принимаем относительную разность осадок = 0,002 м, а максимальная осадка = 8 см.

Таблица 1,а. Усилие на верхних обрезах фундаментов (основные сочетания нагрузок)

Из двух сочетаний в выбираем комбинацию с максимальной силой т.е. 1 - е сочетание. Расчетные усилия получаем умножая соответствующие величины на усредненный коэффициент перегрузки, равный 1,2.(Табл. 1,б.)

Таблица 1,б.

. Инженерно-геологические условия площадки строительства

Территория строительства находится в г. Ессентуки.

Рельеф площадки спокойный.

Слои залегают согласно.

-й слой насыпной грунт. Толщина слоя 1,3- 1,7 м.

-й слой - глина лёгкая полутвёрдая. Толщина слоя 2,3-3,4 м.

-й слой - мергель полускальный.

Уровень грунтовых вод находится на глубине м от поверхности.

По данным инженерно-геологических изысканий определяем (2):

. Плотность сухого (скелета) грунта  определяется по формуле (2.6) [2]:

где ρ - плотность грунта,

ρ_d - плотность в сухом состоянии, т/м³;

W - естественная влажность грунта, %.

. Пористость грунта определяется по формуле (2.10) [2]:

где  плотность твердых частиц, .

. Коэффициент пористости  определяется по формуле (2.11) [2]:

где e - коэффициент пористости;

ρ_s - плотность твердых частиц,

ρ - плотность грунта,

ρ_d - плотность в сухом состоянии, т/м³;

. Удельный вес с учетом взвешивающего действия воды определяется по формуле (2.12) [2]:

где γ_sb - удельный вес с учетом взвешивающего действия воды, кН/м³;

. Степень влажности  определяется по формуле (2.14) [2]:

где S_r - степень влажности;

ρ_w - плотность воды, т/м³;

влажность, %.

. Число пластичности определяется по формуле (2.16) [2]:

где W_L - влажность грунта на пределе текучести, %;

W_р - влажность грунта на пределе раскатывания, %.

. Показатель текучести определяется по формуле (2.15) [2]:

где I_L - показатель текучести;_о - условное расчетное сопротивление грунта (для предварительного назначения размеров фундамента), кПа; ((8) СНиП 2.02.01-83* приложение 3. таб.2, 3.). Образец № 1, скважина № 1, глубина отбора образца 2,5 м

Окончательно получаем грунт - глина лёгкая полутвердая с = 340 кПа.

Образец № 2, скважина № 1, глубина отбора образца 5,5 м

Окончательно получаем грунт - мергель полускальный с = 100 кПа.

т/м³

кН/м³WW_LW_P

т/м³e

кН/м³I_PI_LS_rЕ

3. Определение глубины заложение фундамента

1. По назначению и конструктивным особенностям проектируемого сооружения принимаем железобетонные колонны. Верхний обрез фундамента под колонну принимаем на 150 мм ниже отметки чистого пола. Глубину заделки сборной колонны в стакане фундамента Н_з принимаем равной:

Для колонн сплошного сечения

Н_з = 1,5 · h_к = 1,5 · 400 = 600 мм.

По конструктивным условиям высота ростверка равна (h_o + 0,25)м, но не менее 30 см, где h_o - высота заделки в него сваи, которую принимаем не менее 5 см.

Высота столбчатого фундамента с учетом заделки сборной колонны сечением 400х400 мм в стакан фундамента принимаем 850 мм.

Высоту ростверка принимаем h_р = 500 мм.

Глубина заложения подошвы фундамента №2

Глубина заложения подошвы столбчатого фундамента - 1,0 м (624,57). При свайном варианте фундамента глубина заложения подошвы ростверка будет - 0,5 м (625,07).

Глубина заложения подошвы фундамента №1

1.       Глубина заложения подошвы столбчатого фундамента - 4 м (621.75). При свайном варианте фундамента глубина заложения подошвы ростверка будет - 3,4 м (622,35).

. Строительная площадка свободна от застройки и поэтому на глубину заложения фундаментов ограничений нет.

. Несущим слоем является глина для всех фундаментов. Глубина заложения фундамента № 2 - 1,0 м. Для фундаментов № 1 с учетом конструктивных особенностей принимаем несущий слой - тоже глина толщина несущего слоя составляет 0,8 м что может быть не достаточно, но предварительно принимаем глубину заложения подошвы фундаментов 4,0 м. Принимаем минимальное заглубление в несущий слой 10 см. Если будем рассматривать свайный фундамент то подошва ростверка будет находится на глубине 3,4 м.

. Существующий рельеф территории спокойный и не накладывает ограничений на глубину заделки фундамента.

. Глубина сезонного промерзания грунтов не влияет на глубину заложения фундамента т. к. для данной территории глубина сезонного промерзания составляет 0,8 м и поэтому ограничений нет.

4. Выбор типов оснований и фундаментов

Исходя из данных по инженерно-геологическим и гидрогеологическим условиям площадки строительства и надфундаментной конструкций, принимаем абсолютную отметку чистого пола - 625,77 (0,000).

Расчет фундамента мелкого заложения

Фундамент № 2

Расчетные усилия

F_V,II = 1512 кН; M_II = 84 кН м; F_h,II = 24 кН

Вычисляем площадь подошвы А:

А= F_V,II / R₀

А = 1512/340 = 4,5 м²

Форму фундамента выбираем квадратную. Вычисляем размеры фундамента.

= b b = 2,1 м.

Определяем расчетное сопротивление грунта основания по формуле:

п

По СНиП 2.02.01-83* табл. 3, 4 находим значения:

 = 1,2; = 1,0; k = 1,1; k_z = 1; b = 2,1 м; γ_II = 19,6 кН/м³; γ_II^I = 21,6 кН/м³;

M_γ = 0,39; M_q = 2,57; M_c = 5,15; d₁ = 1,0 м; с_II =21 кПа.

R = (1,2·1,0)/1,1[0,39·1·2,1·19,6 + 2,57·1,0·21,6 + 5,15·21] = 195 кПа Вычисляем площадь подошвы А во втором приближении:

Вычисляем площадь подошвы А во втором приближении

А = / R

А = 1512/200 = 7,56 м²

Принимаем размер фундамента:

b = 3 м А = 9 м²

Вычисляем среднее давление под подошвой фундамента по формуле:

 = (F_V,II + G_Ф,II + G_ГР,II) /А

P = [1512 + (20·1,0 · 9)]/ 9 = 188 кПа < R

Определяем максимальное и минимальное давление по формуле (10.8):

_{max min} = (F_V,II + G_Ф,II + G_ГР,II) /А + (M_II + F_h,II · d)/ W_x

 = 4,5 м³

Находим давление под ее угловыми точками:

P_max = 188 + (84 + 24 · 1,0) /4,5 = 212 кПа < 1,2 R= 408 кПа

P_min = 188 - 24 = 164 кПа > 0

Условие выполняется.

Фундамент № 1

Расчетные усилия

F_V,II = 1104 кН; M_II = 288 кН м; F_h,II = 36 кН

Вычисляем площадь подошвы А:

А= F_V,II / R₀

А = 1104/340 = 3,2 м²

Форму фундамента выбираем квадратную. Вычисляем размеры фундамента.

√ А= b b = 1,8 м.

Определяем расчетное сопротивление грунта основания по формуле (7):

γ_c1 = 1,2; γ_c2 = 1,0; k = 1,1; k_z = 1; b = 1,8 м; γ_II = 19,6 кН/м³; γ_II^I = 21,18 кН/м³;

M_γ = 0,39; M_q = 2,57; M_c = 5,15; d₁ = 4 м; d_В = 3,0 м; с_II =21 кПа.

Вычисляем площадь подошвы А во втором приближении

А =F_V,II / R

А = 1104/480 = 2,3 м²

Принимаем размер фундамента:

b = 2,0 м; А = 4,0 м²

Вычисляем среднее давление под подошвой фундамента:

 = (F_V,II + G_Ф,II + G_ГР,II) /А

 = [1104 + (20·4·4)] /4 = 356 кПа < R

Определяем максимальное и минимальное давление:

_{max min} = (F_V,II + G_Ф,II + G_ГР,II) /А + (M_II + F_h,II · d)/ W_x

W_x = 1,33 м³

Находим давление под ее угловыми точками:

P_max = 356 + (288 + 36 · 4)/1,33 = =660 кПа > 1,2 R = 816 кПа

P_min = 356 - 332 = 24 кПа > 0

Условие выполняется.

Схема действия сил и эпюра контактных давлений

Расчет свайного фундамента

Схема для определения несущей способности одиночной сваи по грунту для фундаментов

Фундамент № 2

Расчетные усилия:

F_V,II = 1512 кН; M_II = 84 кН м; F_h,II = 24 кН; z = 10 м; в = 0,4 х 0,4м Вычисляем несущую способность висячей сваи (кН) по формуле (4.8) [10]:

где: γ_c - коэффициент условий работы сваи в грунте; γ_сR,- коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи; R - расчетное сопротивление под нижним концом сваи, кПа; А-      площадь поперечного сечения сваи, м²; u -периметр поперечного сечения сваи, м; -расчетное сопротивление i - го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа; -толщина i - го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

γ_с =1; γ_сR = 1,0; γ_cf = 1,0; R = 5000 кПа; А = 0,09м²; u = 0,9 м; f₁ = 35,0 кПа; f₂ = 58 кПа; h₁ = 3,5 м; h₂ = 5 м;

F_d = 1[1·5000·0,09+0,9·1(35,0·3,5 + 58·5 )] =1250 кН

Расчет по несущей способности грунтов основания заключается в выполнении условия по формуле (11.13) [2]:

₁ < F_d / γ_k

γ_k = 1,4 N₁ = 1250/1,4 = 893 кН

Определяем количество свай по формуле (11.16) [2]:

 = γ_k · F_V,II /F_d

n = 1,4·1512/1250 = 1,7 ≈ 2 шт.

Расстояние между осями свай принимаем а = 3d = 1,2 м.

где d - сторона сваи, м.

Вычисляем вертикальное усилие на уровне подошвы ростверка:

_d = F_V,II + G_Ф,II + G_ГР,II

_d = 1512 + (20·2·0,6) = 1536 кН

На каждую сваю N_d /4 = 384 кН < 1250 кН

Вычисляем расчетную нагрузку максимально и минимально нагруженные сваи по формуле (11.21) [2]:

 = 384 + 84·1,2/0,6²·2 = 384 + 100,8/1,44 = 454 кН < N₁ - условие выполняется.

Технические показатели

Таблица 3.

Окончательно принимаем фундамент № 1 мелкого заложения, а №2 свайный.

5. Защита помещений от грунтовых вод и сырости

Исходя из гидрогеологических условий строительной площадки и особенностей конструкций проектируем защиту от проникновения атмосферных осадков в грунт путем отвода дождевых и талых вод по нагорной канаве и отмостке.

Уровень грунтовых вод находится на глубине 8,5 м от поверхности и не оказывает негативного воздействия на состояние строительных конструкций и условия эксплуатации.

Отвод дождевых и талых вод с площадки строительства производится для защиты грунтов от переувлажнения при эксплуатации здания. Для организации отвода осуществляем вертикальную планировку территории застройки, заключающейся в придании местности определенных уклонов. Для эвакуации собравшейся воды предусматривается устройство на местности системы водоотливных канав, а на застраиваемой местности, где применение открытой системы водоотлива затруднительно, устраиваем закрытые лотки и ливневую канализацию. С этой же целью вдоль наружных стен здания устраиваем отмостку с уклоном в сторону от сооружения.

6. Расчет оснований по предельным состояниям

Согласно СНиП 2.02.01-05 основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний: первой - по несущей способности и второй - по деформациям.

Расчет осадок методом послойного суммирования (вторая группа предельных состояний)

Метод послойного суммирования является доступным и точным расчетом.

Рис. 2. Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве

 - отметка планировки; NL - отметка поверхности природного рельефа; FL - отметка подошвы фундамента; WL - уровень подземных вод; ВС - нижняя граница сжимаемой толщи; d и d_n глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки и поверхности природного рельефа; b - ширина фундамента; р - среднее давление под подошвой фундамента; р₀ - дополнительное давление на основание; s_zg и s_zg,0 - дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; s_zp и s_zр,0 - дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; Н_с - глубина сжимаемой толщи

Фундамент мелкого заложения Ф2

1.       Вычислим вертикальные нормальные напряжения от собственного веса грунта по формуле (6) [8]:

На контакте I-II:

На контакте II-III:

На контакте III-IV:

С учетом взвешивающего действия воды V:

Без учета взвешивающего действия воды V:

VI слой:

. Строим эпюру слева от оси z и эпюру 0,2справа.

. Определяют величину дополнительного (осадочного) давления на грунт под подошвой фундамента ((8) СНиП 2.02.01-83* приложение 2.):

4. Разбиваем толщу основания на элементарные слои толщиной , исходя из условия .

Граница элементарных слоев совпадает с границами естественных напластований. Определяем координату подошвы элементарных слоев, причем z = 0 соответствует подошве фундамента, и данные заносим в таблицу.

. Вычисляем дополнительные вертикальные нормальные напряжения на границах слоев грунта по формуле (2) [8]:

 ,

где  - коэффициент, учитывающий уменьшение по глубине дополнительного давления. ((8) СНиП 2.02.01-83* приложение 2. таб. 1.)

Строим эпюру . Точка пересечения эпюр  и  соответствует нижней границе сжимаемой толщи.

6. Определяем величину средних дополнительных давлений в каждом из элементарных слоев по формуле (5) [8]:

. Определяют величины осадок каждого элементарного слоя по формуле (1) [8]:

 ,

где - коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения при деформировании грунтов в условиях компрессии. Назначается в зависимости от коэффициента Пуассона .

Таблица 4. Среднее значение коэффициента Пуассона  и коэффициента  

. Суммарная осадка всех элементарных слоев составляет расчетную величину осадки основания S ((8) СНиП 2.02.01-83* приложение 2.):

где b - безразмерный коэффициент, равный 0,8;

s_zp,i - среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней z_i-1 и нижней z_i границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента;

h_i и Е_i - соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта;

n - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

DL - отметка планировки;- отметка поверхности природного рельефа;- отметка подошвы фундамента;- уровень подземных вод;

ВС - нижняя граница сжимаемой толщи.

Расчет осадки свайного фундамента № 4

Расчет осадки производим методом послойного суммирования.

Расчет осадок свайных фундаментов производится по методу условного массивного фундамента

. Вычисляем границы условного фундамента по формуле (11.23) [2]:

автостоянка фундамент грунтовой несущий

Вычисляем осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта по формуле (11.24) [2]:

φ_II,mt = 26,56·1,3+26,46·2,8+26,16·2,5 + 26,06·1,2 + 1,3·19,04+ 26,85·0,9 /10 = 254,2/10 = 25,4

с = 15tg(25,4/4) = 1,7 м

. Определяем размеры подошвы условного фундамента по формуле (11.25) [2]:

в = l = а(m - 1)+ d + 2с

где а - расстояние между осями свай, м; m - количество рядов свай; d - сторона квадратного сечения сваи, м.

в = 1,6(2 - 1)+ 0,4 + 2 · 1,7 = 5,4 м; l = 5,4 А = 29,16 м²

. Вычисляем среднее давление по подошве условного фундамента по формуле (11.27) [2]:

Вычисляем расчетную нагрузку по второй группе предельных состояний по формуле (11.28) [2]:

= 3357 + 128+7412,4 = 10897,4 кН

 = 10897,4/29,16 = 373,7 кН

. Расчетное сопротивление грунта:

 = 1,4; = 1,4; = 1,1;  = 1; = 5,4 м; = 26,85 кН/м³;

= 25,4 кН/м³; = 0,51; = 3,06; = 5,66; d₁ = 10 м; с_II = 61

R = 2131 кПа

= 373,3 < R = 2131

. Определяем давление на грунт

=  = 25,4·10 = 254 кН

6. Определяем осадочное давление (Табл. 5)

= 373,7 - 254 =119,7 кН

Таблица 5.

Для здания ремонтного цеха с полным железобетонным каркасом осадка составляет 0,5 см, что не превышает максимальной осадки = 15 см.

Список литературы

1. Основания и фундаменты. Часть 2. Основы геотехники: Учебник/ Под ред. Б.К. Долматова - М.: Изд - во АВС; СПбГАСУ, 2002.

. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учеб. пособие для строит. спец. вузов/ Под ред. С.Б. Ухова - М.: Высшая школа, 2002.

. Малышев М.В., Болдырев Г.Г. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах): Уч. пособие - м.: Изд - во АВС, 2001.

. Берлинов М.В., Ягупов Б..А. Расчет оснований и фундаментов: Учебн. для строит. спец. учебн. заведений - М.: Стройиздат, 2004.

. Механика грунтов, основания и фундаменты: Методические указания к выполнению курсового проекта и раздела дипломного проекта/ А.З. Попов, С.В. Сергеев - Белгород: БТИСМ, 1988.

. Инженерная геология: Учеб. для строит. спец. вузов/ В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. - М.: Высшая школа, 2002.

. Проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений: Методические указания к выполнению курсового проекта по основаниям и фундаментам для студентов специальности 290300 (270102) "Промышленное и гражданское строительство" /А.С. Марутян - Пятигорск ПГТУ, 2005. - 92с.

. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений/Минстрой России - М.: ГП ЦПП, 1995 - 48 с.

. ГОСТ 25100 - 95. Грунты. Классификация. М., 1996.

. СНиП 2.02.03 - 85. Свайные фундаменты. М., 1986.

. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений.