Проектирование фундамента под промежуточную опору автодорожного моста, расположенного в русле реки

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра механики грунтов, оснований и фундаментов

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТА ПОД ПРОМЕЖУТОЧНУЮ ОПОРУ АВТОДОРОЖНОГО МОСТА, РАСПОЛОЖЕННОГО В РУСЛЕ РЕКИ

Санкт-Петербург 2011

Содержание

1. Оценка инженерно-геологических условий

2. Проектирование фундамента мелкого заложения

2.1 Определение расчетного сопротивления грунта

2.2 Определение действительных размеров подошвы фундамента

2.3 Расчет по первому предельному состоянию

3. Проектирование свайного фундамента

3.1 Определение типа ростверка и глубины его заложения

3.2 Выбор размеров и типа свай

3.3 Определение расчетной несущей способности сваи по грунту

3.4 Предварительное определение несущей способности свай по материалу

3.5 Определение числа свай под опорой

3.6 Уточнение размеров ростверка

3.7 Проверка расчетной нагрузки, передаваемой на сваю (предварительная)

3.8 Расчет свайного ростверка как стержневой статически неопределимой системы

3.8.1 Определение расчетной длины свай

3.8.2 Определение относительных значений единичных реакций в условных связях

3.8.3 Определение перемещений ростверка

3.8.4 Определение усилий в сваях

3.9 Проверка свайного фундамента как массивного

3.10 Определение осадки свайного фундамента

Список литературы

1. Оценка инженерно-геологических условий

1. Определение удельного веса скелета грунта:

 кН/м³;

 кН/м³;

 кН/м³;

. Определение коэффициента пористости грунта:

;

3. Определение пористости грунта:

; ;

. Определение удельного веса грунта во взвешенном состоянии:

;

 кН/ м³;

 кН/ м³;

 кН/ м³;

. Определение полной влагоемкости грунта:

;

;

6. Определение степени водонасыщения:

; ;

. Определение числа пластичности:

;

I_P1=0,25 - 0, 20=0,05;

I_P3=0,43 - 0,24=0, 19;

8. Определение показателя текучести:

;

;

Внесем данные в таблицу 1.

Для расчетов оснований по несущей способности по I Г.П. С.

. Определим расчетные значения угла внутреннего трения:

,

где γ_g - коэффициент надежности по грунту:

для С песчаных и глинистых грунтов - 1,5;

для φ песчаных грунтов - 1,1;

для φ глинистых грунтов - 1,15.

; ;

. Определим удельное сцепление:

;  кПа;  кПа;

11. Определим расчетное значение удельного веса:

;

 кН/м³;

 кН/м³;

 кН/м³;

Для расчетов по II Г.П.С. коэффициент надежности по грунту γ_g =1, поэтому в таблицу 1 записываем нормативные значения φ_н, С_н, γ.

фундамент свая нагрузка мост

Таблица 1

I слой: супесь (0,01<I_P =0,05 <0,07), пластичный (0,0I_L = 0,801,0); насыщенная водой (S_r = 0,99> 0,8);

II слой: песок средней крупности (0,55 < е=0,722 < 0,7), насыщенный водой (S_r = 0,85> 0,8);

III слой: глина (I_P=0,19 > 0,17), полутвердая (0,0 < I_L =0,21 <0,25), насыщенная водой (S_r = 0,91 > 0,8);

В качестве несущего слоя может быть используем песок средней крупности.

2. Проектирование фундамента мелкого заложения

2.1 Определение расчетного сопротивления грунта

Расчетное сопротивление грунта определяем по формуле:

R = 1,7∙ (R₀∙ (1 + k₁ (b - 2)) + k₂∙γ∙ (d_f - 3)); где

где R₀ - условное сопротивление грунта, кПа (тс/м²), принимаемое по табл.1, СНиП 2.05.03-84; b - ширина (меньшая сторона или диаметр) подошвы фундамента, м; d - глубина заложения фундамента, м, принимаемая по п.2; g - осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента, вычисленное без учета взвешивающего действия воды; допускается принимать g = 19,62 кН/м³ (2 тс/м³); k₁, k₂ - коэффициенты, принимаемые по табл.4, СНиП 2.05.03-84.

Расчет минимальной ширины подошвы фундамента определяется по формуле:

b = b₀ + 2∙c = 1,5 + 2∙0,5 = 2.5 м.

Ширина подошвы фундамента поперек оси моста определяется по формуле:

a = a₀ + 2∙c = 7 + 2∙ 0.5 = 8 м.

Глубину заложения фундамента принимаем равной 4,5 м.

R = 1,7 ∙ (245 (1 + 0,1 (2,5 - 2)) + 3 ∙19,62∙ (4,5 - 3)) = 526 кН/м³.

2.2 Определение действительных размеров подошвы фундамента

Площадь подошвы фундамента определяется, как:

A = a∙b = N⁰_I/ (R - h∙g_ф) = 12330/ (526 - 4,5 ∙ 22,5) = 29,05 м²

b = √A∙b₀/a₀ = √29,05∙1.5/7 = 2.5 м = A/b = 29,05/2.5 = 12 м

После установления размеров подошвы фундамента определяем ширину уступов фундамента вдоль оси моста:

l₁ = 0.5∙ (b - b₀) = 0.5∙ (2.5 - 2.5) = 0 м;

поперек оси моста: l₂ = 0.5∙ (a - a₀) = 0.5∙ (12 - 7) = 2,5 м.

Высота уступов: h_y = l_i∙ctgα, где α= 30⁰ - угол распределения напряжений, обеспечивающий работу материала фундамента только на сжатие. Высота каждого уступа при проектировании принимается 1-2 м.

h_y1=0 м; h_y2 = 4,5 м.

2.3 Расчет по первому предельному состоянию

Вес фундамента и грунта на его уступах определяется исходя из геометрических размеров по конструктивному чертежу:

G_ф^I = 1.1∙V_ф∙γ_б

G_гр= 1.2∙ V_гр∙γ₀

V_ф=12∙2,5∙2 + 9,5∙2,5∙2 + 8∙2,5∙0,5=117,5 м³

V_гр= 12∙2,5∙4,5 - 117,5 =17,5 м³

G_ф^I = 1,1∙104,6∙24 = 3102 кН

G_гр^I = 1.2∙17,5∙17 = 357 кН

Проверка прочности грунта при основном и дополнительном сочетании нагрузок

1.

.

.

Где

= 4 м - расстояние от подошвы до обреза фундамента

W - момент сопротивления подошвы фундамента

R - расчетное сопротивление фундамента в уровне подошвы шириной b

= 1.4 - коэффициент надежности

= 1.2 - коэффициент условий работы

N1 = 12330 + 3102 + 357 = 15789 кН

А = 29,05

Р1 = 543,5

R/yn = 438,3

Условие не выполняется.

M1 = 1070 + 120∙4 = 1550

W = 13,3

= 660

= 613,7

Условие не выполняется.

= 410,5 > 0

Условие выполняется.

Т.к. первое и второе условия не выполняются - найденные σ₁ и σ₂ больше, полученного ранее значения R = 452 кН/м³, значит, проектирование фундамента мелкого заложения в данных условиях невозможно, поэтому принимаем решение на проектирование свайного фундамента.

3. Проектирование свайного фундамента

3.1 Определение типа ростверка и глубины его заложения

Толщину плиты ростверка предварительно примем 2,0 м. Обрез ростверка размещаем на глубине 0,5 м ниже ГМВ.

Минимальные размеры ростверка в уровне обреза b_min, a_min назначают с учётом возможных погрешностей разбивки и возведения фундамента, исходя из размеров над фундаментной части опоры B₀, A₀:

где с - выступ ростверка за грань опоры (0,2-0,5 м) примем с = 0,5м.

1,5+ 2·0,5 =2,5 м

7 + 2·0,5 = 8 м

3.2 Выбор размеров и типа свай

Выбираем ж/б сваи сплошного сечения 40 см  40 см, располагая их вертикально.

Длина сваи определяется с учётом заделки в плиту ростверка и заглубления в несущий слой или опирания на несжимаемый грунт:

L = Z_R + ℓ₀ + h₃;

где Z_{R -} расстояние от подошвы слабых грунтов или линии размыва до острия сваи с учетом заделки в несущий слой, 1,0 м;

ℓ_{0 -} расстояние от подошвы ростверка до кровли несущего слоя, 13,5 м;

h₃=2d = 2·0,35 = 0,7м - глубина заделки свай в ростверк.

L = 1,0+ 13,5 + 0,7 = 15,7 (примем L=16 м)

По длине свай L = 12 м определяем:

Класс бетона В25, R_в =14,5 МПа

3.3 Определение расчетной несущей способности сваи по грунту

Несущая способность висячей сваи:

,

где γ_c - коэффициент условий работы сваи в грунте, γ_c = 1;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, R = 4160 кН/м² табл.1 СНиП 2.02.03-85);

U - наружный периметр поперечного сечения сваи. U = 1,6 м;

f_i - расчетное сопротивление i-ого слоя грунта по боковой поверхности сваи (СНиП 2.02.03-85);

h_i - толщина i-ого слоя грунта, соприкасающего с боковой поверхностью сваи;

γ_СR, γ_{cf -} коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления, γ_СR = γ_cf =1 ₍табл.3 СНиП 2.02.03 - 85);

А - площадь опирания сваи на грунт (площадь проекции подошвы на плоскость перпендикулярную оси ствола сваи), А=0,4²=0,16 м².

Для определения несущей способности толщу грунтов, прорезаемых сваей, разбивают на слои с h_i  2 м. При этом граница слоев обязательно должна соответсвовать границе напластований. Глубина погружения нижнего конца сваи Z_R, а также средняя глубина расположения слоя грунта принимается от линии размыва. Внесем данные в таблицу 2.

Таблица 2

Где Z_i - средняя глубина расположения слоя грунта;

γ_d = h_i^. f_i кН/м.

= 1279,4 кН.

3.4 Предварительное определение несущей способности свай по материалу

;

где φ - коэффициент продольного изгиба, φ=1; γ_CB=1;

R_B - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию. Для В25, R_B =14,5 МПа;

А_В - площадь поперечного сечения бетона сваи, А_В = 0,16 м²;

А_S^’ - площадь поперечного сечения сжатой арматуры, А_S^’ = 0,001963м²;

R_S - расчетное сопротивление арматуры, R_S = A II - 14,5 МПа.

 кН.

Несущая способность сваи по материалу больше, чем по грунту: F_dm=2748,5 >F_d=1279,4 Следовательно, принимаем F_d=1279,4 кН.

3.5 Определение числа свай под опорой

;

где N_I^o - расчетная нагрузка, действующая по обрезу фундамента, N_I^o =12330 кН;

a - шаг свай, при вертикальном расположении а = 3^.0,4 = 1,20 м;

h_p - высота ростверка, h_p =2,0 м;

γ_{m -} средний вес тела ростверка с учетом его формы и наличия грунта на уступах. Для высокого ростверка γ_m = 24 кН/м³;

γ_k = 1,4.

. Принимаем n= 15.

3.6 Уточнение размеров ростверка

, где α = 30˚ - угол жесткости;

м; , где α = 30˚;

= 10,32.

3.7 Проверка расчетной нагрузки, передаваемой на сваю (предварительная)

а) Расчетная нагрузка на крайнюю сваю от основного сочетания нагрузок, действующих поперёк пролета

,

где ; ; ;

;

х_max - расстояние от оси симметрии до крайней сваи, х_max = 1,2 м;

х_i - расстояние от оси симметрии до каждой сваи;

G_IP - ориентировочный вес ростверка;

1351,7 кН;

кН,

10101,7 кН;

= 4200 м;

кН;

N_max = 1023,4 кН;

N_min = 323,4 кН.

Сваи по несущей способности грунтов основания проверим из условия:

; 1023,4кН.

, 323,4 > 0.

Условия проверки не выполняются (1023,4>913,6) число свай должно быть увеличено и проведена повторная проверка.

Возьмем n = 18 - количество свай.

;

1351,7 кН;

кН,

10101,7 м;

= 4200 м;

кН;

N_max = 852,9 кН; N_min = 269,5 кН.

Сваи по несущей способности грунтов основания проверим из условия:

; 852,9кН.

, 269,5 > 0.

Условия выполняются.

б) Расчетная нагрузка на крайнюю сваю от основного сочетания нагрузок (вдоль оси)

,

13681,7 кН;

= 1220 кН;

кН;

N_max = 850,1 кН; N_min = 669,1 кН.

Сваи по несущей способности грунтов основания проверим из условия:

; 850,1кН. , 669,1> 0.

Условия выполняются.

в) Расчетная нагрузка на крайнюю сваю от дополнительного сочетания нагрузок (вдоль оси)

, 11251,7 кН;

= 1220 кН;

 кН;

N_max =665,4 кН; N_min = 584,8 кН.

Сваи по несущей способности грунтов основания проверим из условия:

; 665,4кН.

, 584,8 > 0.

Условия выполняются.

3.8 Расчет свайного ростверка как стержневой статически неопределимой системы

Расчёт позволяет определить продольные, поперечные усилия в сваях и перемещения ростверка. Ростверк считается абсолютно жестким телом, головы свай - жёстко в нём заделаны. Расчёт ведётся по плоским схемам, представляющим собой проекции свай на вертикальные плоскости симметрии. Сваи являются упругими стойками, деформации которых малы по сравнению с их размерами. Стойка имеет на нижнем конце шарнирное закрепление.

Все внешние силы, полученные при сборе нагрузок, сводятся к двум равнодействующим: N_I (вертикальной), H_I (горизонтальной) и моменту относительно точки О.

a) От основного сочетания нагрузок (вдоль оси)

;

1351,7 кН;

γ_b - удельный вес бетона, γ_b =24 кН/м³;

13681,7 кН;

;

= 1310 кН^. м;

 кН.

б) От основного сочетания нагрузок (поперёк оси)

10101,7 м;

= 4200 кН^. м;

 кН.

3.8.1 Определение расчетной длины свай

d= 0,4<0,7 м; ;

l_о - свободная длина сваи, расстояние от линии размыва до подошвы ростверка;

Eв = 30000 МПа = 30^.10⁶ кН/м²;

А = 0,16 м²;

=27,2 м.

3.8.2 Определение относительных значений единичных реакций в условных связях

За неизвестные принимаются вертикальное S и горизонтальное U перемещения начала координат 0 и угол поворота ростверка  Предварительно вводятся три дополнительные связи в виде вертикальных и горизонтальных опорных стержней и заделки. При расчёте применяется следующее правило знаков. Положительное направление оси Х принимается по направлению действия горизонтальной силы Н_х. Положительное направление оси Z считается направлением сверху вниз, по направлению действия вертикальной нагрузки. Момент М_y положителен, если он вращает ростверк от положительного конца оси Х к положительному концу оси Z.

При вертикальном размещении свай и для принятых направлений осей единичные реакции определяются по формулам:

Расчет будет производиться по плоскостям двух сечений, представленных на схемах:

При вертикальном размещении свай и для принятых направлений осей:

r₁₁ = n^. ρ₁; r₂₂ = n^. ρ₂; r₂₃ = - n^. ρ₃; r₃₃ =;

 м⁴; E_в^. I = 30^.10^6.2,1^.10^-3 = 63000 кН/м²;

 кН/м².

Т.к. d = 0,40 м < 0,70 м, то расчетный размер сваи в поперечном направлении:

м,

где k_э - коэффициент формы для прямоугольного сечения, k_э = 1;

При прохождении сваи нескольких слоев грунта определяют

м;

где k - коэффициент пропорциональности, характеризующий изменение с глубиной коэффициента постели грунта, для супеси пластичной k = 3000 кН/м⁴;

;

Z_ср - приведенная глубина погружения;

Z_R - фактическая глубина погружения сваи от линии размыва до острия, Z_R = 10,2 м.

По таблице 10 приложения в учебнике Э.В. Костерина при опирании на нескальный грунт: А_нн = 2,441; А_мн = А_нм = 1,621; А_мм = 1,751.

Перемещения от единичных усилий:

 м/кН;

1/кН;

 1/кН^. м.

 0,000373 м/кН;

 1/ кН^. м;

0,000143 1/кН.

δ₁, δ₂, δ₃ - перемещение от единичных усилий и моменты приложенные на уровне верхнего конца сваи.

кН/м;

кН;

 кН^. м.

а) Относительно I - ой плоскости симметрии (количество свай в расчетной схеме n=3):

;

;

;

==153460.

б) Относительно II - ой плоскости симметрии (количество свай в расчетной схеме n=6):

;

;

;

==2075400

3.8.3 Определение перемещений ростверка

а) От основного сочетания нагрузок вдоль пролёта:

= 12330 кН

= 1070 кН

= 120 кН

,

где k_р - число расчетных плоскостей.

 кН;  кН^. м;

 кН. Δ₂ = r₂₂^. r_{33 -} r₂₃² = 2083785156

; ;

; ;

Вычислим перемещения ростверка:

Вертикальное

S = м;

В направлении оси Х

U_x =м;

Угол поворота

ω_у = град;

Перемещение верха опоры

U_в = м;

Где  - расстояние от подошвы ростверка до верха опоры.

 см.

Условие выполняется.

б) От основного сочетания нагрузок поперёк пролета:

= 8750 кН

= 3200 кН

= 500 кН

Число расчетных плоскостей 3

 кН;

 кН^. м;

 кН.

Δ₂ = r₂₂^. r_{33 -} r₂₃² =71300102544

;

;

;

;

Вычислим перемещения ростверка:

Вертикальное

S = м;

В направлении оси Х

U_x =м;

Угол поворота

ω_у = град;

Перемещение верха опоры

U_в = м;

 см.

Условие выполняется.

3.8.4 Определение усилий в сваях

а) От основного сочетания нагрузок вдоль пролетов:

N_max = ρ₁∙^{. (}S+ω_y^. х) = 17844 ∙ (0,0384+0,000176∙^.1,2) = 689 кН;

; 689кН.

Условие выполняется. Момент в свае на уровне заделки в ростверк:

M_max = ρ₃∙U_x - ω_y∙ ρ₄ = 8486∙ 0,0022 - 0,000176∙ 22135 = 14,8 кН^. м.

Поперечная сила в свае:

Q_max = ρ₂∙U_x - ω_y∙ ρ₃ = 5934∙^.0,0022 - 0,000176∙ 8486 = 11,6 кН.

б) От основного сочетания нагрузок поперек пролета:

N_max = ρ₁^. ∙ (S+ω_y∙х) = 17844∙ (0,0384+0,00065∙^.3,6) = 726 кН;

; 726кН.

Условие выполняется.

Момент в свае на уровне заделки в ростверк:

M_max = ρ₃∙U_x - ω_y∙ρ₄ = 8486∙^.0,0056 - 0,00065 ∙22135= 33,1 кН^. м.

Поперечная сила в свае:

Q_max = ρ₂∙U_x - ω_y∙ ρ₃ = 5934∙ 0,0056 - 0,00065∙ 8486= 27 кН.

3.9 Проверка свайного фундамента как массивного

Определим контур условного фундамента:

 - дополнительная нагрузка по обрезу плюс вес массива с ростверком и сваями:

 кН

где 1504,8 кН

кН

кН

Среднее давление по подошве условного фундамента:

 МПа

Максимальное давление по подошве условного фундамента

где,  - коэффициент постели грунта, при >10 м.

Расчетное сопротивление основания:

где, =147 кПа условное сопротивление грунта, кПа. Для песка мелкого, насыщенного водой, принято значение по таблице 2, СНиП 2.05.03-84

=0,08, =2,5 - коэффициенты, принятые по таблице 4, СНиП 2.05.03-84

g=17,65 - осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента, вычисленное без учета взвешивающего действия воды.

По подошве условного фундамента должны выполняться условия:

где, =1,2 - коэффициент условий работ.

=1,4 - коэффициент надежности.

Условия выполняются.

3.10 Определение осадки свайного фундамента

Расчет производится согласно прил.2 СНиП 2.02.01-83 из условия:

,

где b - безразмерный коэффициент, равный 0,8;

 - среднее значение дополнительного вертикального напряжения в i-ом слое грунта, равное полусумме напряжения на верхней и нижней границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента;

 - толщина i-ого слоя грунта;

 - модуль деформации i-ого слоя грунта;

n - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща.

Для выполнения расчета разбиваем массив грунта на слои м. Принимаем  м.

Разбивка ведётся до глубины 3b=3 4,5= 13,5 м

Модули упругости:

Е=37000 (для песка мелкого);

Е=23000 (для суглинка);

Дополнительные вертикальные напряжения на глубине Z:

,

где  - коэффициент, принимаемый по таблице 1 прил.2 СНиП 2.02.01-83;

 - дополнительное вертикальное давление на основание:

Здесь p - среднее давление под подошвой фундамента;

 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента:

==9,8114,8=145, 19;

где  - удельный вес грунта во взвешенном состоянии выше подошвы фундамента.

=,

где  - удельный вес грунта i-ого слоя,

 - толщина i-ого слоя грунта.

Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине, где выполняется условие:

,

где L=18 - ширина наименьшего пролета, примыкающего к опоре, м.;

Условие выполняется.

Вывод: т.к. все условия выполнены, то фундамент подобран.

Список литературы

1.       СНиП 2.02.03-85 "СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ" - М.: Стройиздат.

2.       СНиП 2.02.01-83 "ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИ. НОРМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ" - М.: Стройиздат, 1985г.

.        СНиП 2.05.03-84 Мосты и трубы - М.: Стройиздат, 1985 г.

.        СП 50-102-2003 "СВОД ПРАВИЛ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УСТРОЙСТВО СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ".

.        Костерин Э.В. Основания и фундаменты - М.: Высшая школа, 1990 г.

.        Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов специальности 2911 - мосты и транспортные тоннели - всех форм обучения - Л.: 1978 г.

.        Учебное пособие "Проектирование свайных фундаментов" - СПб.: 1992.