Расчет и конструирование фундаментов

Расчет и конструирование фундаментов

1. Исходные данные.

Согласно шифру, к разработке принят 1-й вариант, с геологическими условиями по разрезу №5 (см. т. 1.1).

. Номер схемы здания - 1.

. Номер оси стены или колонны - «2-А», «2-Б»

. Нормативная нагрузка от колонны N - 1550 кН, 1800 кН

. Нормативный момент для колонны - 60 кН*м.

. Коэффициент, равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму M=34.

. Среднесуточная температура воздуха в помещении примыкающем к фундаментам T_ср=15Cº.

7. Сечение колонн - 400х400 мм, 500х500 мм.

2. Сводная таблица физико-механических свойств грунтов

Таблица 2.1

3. Анализ инженерно-геологических условий строительной площадки

На основании данных о грунтах находим расчетные сопротивления слоев.

Согласно таблице 4.2. методического пособия, по интерполяции, определим расчетные сопротивления слоев грунта основания.

Для слоя 1 - не нормируется,

для слоя 2 - Ro=150 кПа,

для слоя 3 - Ro=258 кПа.

для слоя 4 - Ro=290 кПа.

4. Определение расчетных нагрузок и расчетных характеристик грунтов

В курсовой работе при расчёте свайных фундаментов по первой группе предельных состояний применять коэффициент перегрузки для нагрузок n=1.2, в остальных случаях n=1.

Согласно СНиП* все расчеты оснований должны выполняться с использованием расчетных значений характеристик грунтов X, определяемых но формуле

       (4.1)

где γ_g - коэффициент надежности по грунту.

Для большинства характеристик допускается принимать γ_g=1, за исключением параметров с и φ, а так же удельного веса грунта у для которых коэффициент надежности по грунту определяется по формуле

 (4.2)

Показатель надежности ρ берется с таким знаком, чтобы при расчете основания и фундамента была обеспечена большая надежность (расчет «в запас») При вычислении значений с и φ всегда, а расчетных значений γ в большинстве случаев (в том числе и в расчетах данной курсовой работы), показатель надежности принимается со знаком «минус». Значение его определяются по формулам

Для γ:

 (4.3)

Для с и φ:

ρ = t_α-V, (4.4)

где V - коэффициент вариации (относительная изменчивость характеристики); n - число частных определений (количество опытных данных); t_α - коэффициент, определяемый в зависимости от величины доверительной вероятности α и числа степеней свободы; которые (n - 1) для γ и (n - 2) для с, φ.

Для условий, принятых в курсовой работе, исходя из того, что число частных определений характеристик коэффициент n = 12, а коэффициент вариации на основе статистической обработки результатов опытов получен:= 0,080, следует:

а) для расчета по I предельному состоянию (α = 0,95)

при определении γ: t_α = 1,80; ;

при определении с и φ: t_α = 1,81; ρ = 1,81·0,08 = 0,145;

б) для расчета по II предельному состоянию (α = 0,85)

при определении γ: t_α = 1,095; ;

при определении с и φ: t_α =1,10; ρ = 1,10·0,08 = 0,088;

Таким образом, для определения расчетных значении характеристик, для каждого грунта и для конкретного варианта грунтовых условий необходимо нормативные значения характеристик φ, с и γ разделить на соответствующий коэффициент надежности по грунту. Расчетные значения характеристик по первому предельному состоянию маркируются индексом «I», а по второму - индексом «II».

с_I=с/γ_gI; с_II=с/γ_gII; φ_I = φ/ γ_gI; φ_II=φ/γ_gII; γ_I=γ/γ_gI; γ_II=γ/γ_gII.

Расчетные характеристики грунтов по двум грунтам предельных приведены в т. 4.1.

Таблица 4.1

5. Проектирование фундаментов на естественном основании

Определение предварительных размеров подошвы фундамента

Нормативную глубину промерзания грунта, если она менее 2,5 м, определяется по формуле

d_fn = d₀, (5.1)

где М_t - коэф-т, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных температур за зиму в данном районе М_t=34

d₀ глубина промерзания в см, зависящая от вида грунта, для песков пылеватых d₀=28 см

d_fn = 28=163 (см),

Рассчётная глубина сезонного промерзания грунта определяется по формуле

d_f= d_fn *K_h, (5.2)

где - K_h коэф-т, учитывающий влияние теплового режима здания на глубину промерзания грунта у фундаментов стен и колонн, принимаемый по т. 4.5 методических указаний, K_h=0.6

d_f= 1.63*0.6=1.0 (м),

принимаем глубину заложения фундамента в 1.5 м от поверхности земли.

Проектируем фундамент стаканного типа под колонну по оси 2А, сечением 400х400 мм, по оси 2Б, сечением 500х500 мм, производственного, пятиэтажного здания, с полным ж/б каркаса. Приняв глубину заложения фундамента в 1.5 м от поверхности земли, основанием для фундамента будут служить песок пылеватый средней плотности, влажный, h=4.2 м, γ₂ = 19.1 кН/м³, е=0.6, Е=20 МПа, R₀=150 кПа.

Предварительную площадь подошвы фундамента под колонну по оси 2А определяем по формуле

, (5.3)

где N_0II - расчетная нагрузка, приложенная к обрезу фундамента N_0II=1550 кН

R₀ - расчетное сопротивление грунта основания, R₀=150 кПа

γ_ср - средний удельный вес грунта и материала фундамента(железобетон), принимаемый равным 20 кН/м³

d₁ - глубина заложения фундамента от планировочной отметки, d₁=1.65 м

Принимаем квадратный фундамент, так как проектируем фундамент под квадратную колонну 400х400 мм

Для квадратного фундамента ширина фундамента определяется по формуле

b =  (5.4)

b = = 3.64 (м)

Предварительную площадь подошвы фундамента под колонну по оси 2Б

Принимаем квадратный фундамент, так как проектируем фундамент под квадратную колонну 500х500 мм

b = = 3.9 (м)

Расчетное сопротивление грунта основания определяют по формуле

 (5.5)

где γ_c1, γ_c2 - коэф-ты условий работы, принимаемые по т. 4.6 методических указаний, γ_c1=1.25, γ_c2=1.0

k - коэф-т надежности по грунту, k=1.0

М_y, М_q, М_c - коэф-ты, зависящие от угла внутреннего трения φ_II, принимаемые по т. 4.7 методических указаний,

для угла внутреннего трения φ_II =29.2 определяем коэф-ты интерполяцией М_y = 1.065, М_q=5.26, М_c=7.675

k_z - коэф-т, при b<10 м k_z=1.0

b - предварительная ширина подошвы фундамента, b=3.64 м

γ_II - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента на глубину 0.5b, γ_II=19.1 кН/м³

γ^'_II - то же, залегающих выше подошвы в пределах глубины d₁=1.65 м

γ^'_II определяется по формуле

γ^'_II = (5.6)

γ^'_II =

d₁ - глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки

R=

После определения расчетного сопротивления грунта R уточняем размеры подошв фундаментов. Фундамент по оси А2.

b = = 2.3 (м)

При внецентренной нагрузке (действие момента) площадь подошвы фундамента увеличивается на 10-20%. Принимаем ширину фундамента b=2.4 м, l=2.4 м, площадь подошвы А=5.76 м²

Фундамент по оси Б2.

b = = 2.5 (м)

Принимаем ширину фундамента b=2.6 м, l=2.6 м, площадь подошвы А=6.76 м²

Для фундамента по оси 2А и 2Б задаемся разными площадями подошвы фундамента А₁=2 м², А₂=6 м², А₃=9 м².

Определяем среднее давление под подошвой фундамента для каждого случая по формуле

 (5.7)

По оси 2А. По оси 2Б.

Определяем значения R под подошвой фундамента для каждого случая по формуле 5.5

R_I=

R_II=

R_III=

Наносим полученные значения Р, R и А на график, точка пересечения графиков Р и R дает требуемое значение площади подошвы фундамента.

. Проверка давлений под подошвой фундамента

Для фундамента по оси 2Б, как для центрально нагруженного фундамента должно удовлетворяться условие:

P_II ≤ R

где P_II - среднее давление по подошве фундамента, кПа

P_II=N_II/A (6.1)

N_II=N_OII+N_фо+ N_грII (6.2)

где N_0II - расчетная нагрузка, приложенная к обрезу фундамента N_0II=1550 кН

N_фо - расчетная нагрузка от веса фундамента, кН

N_грII - расчетная нагрузка от веса грунта над уступами, кН

N_фII= N_фо+ N_грII=bld₁γ_ср (6.3)

P_II=N_II/bl+d₁γ_ср (6.4)

P_II=1800/2.6х2.6+1.65х20=299.3 (кПа)

.3≤322.6

Условие выполняется, разница между давлениями не превышает 15%

Для фундамента по 2А, как для внецентренно нагруженного фундамента должно удовлетворяться условия:

P_ср ≤ R

P_max ≤ 1.2R

P_min > 0

Краевые давления по подошве фундамента для внецентренно нагруженного фундамента находятся по формуле

P_{max, min}= N_OII/A+y_срхd₁±M_II/W (6.5)

W=b²*l/6. (6.6)

P_{max, min}= 1550/2.4х2.4+20х1.65±60/2.3, P_max= 328.2 (кПа), P _min=276.0 (кПа)

W=2.4²х2.4/6=2.3

328.2 + 276.0/2≤ 322.6

.2 ≤ 1.2х322.6

.0 > 0

Условия выполняются.

7. Расчёт осадки фундамента

Метод послойного суммирования рекомендуется СНиПом для расчета осадок фундаментов. Величину осадки фундамента определяется по формуле:

 (7.1)

где b - безразмерный коэффициент, равный 0,8;

s_zpi - среднее вертикальное (дополнительное) напряжение в i - м слое грунта;

h_i и E_i - соответственно толщина и модуль деформации i - го слоя грунта, значение Е_i

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

Эпюра распределения вертикальных напряжений от собственного веса грунта строится в пределах глубины 4-6b ниже подошвы фундамента. Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на границе слоя, расположенного на глубине z, определяется по формуле

s_zg=  (7.2)

Удельный вес грунтов, залегающих ниже уровня подземных вод, определяется с учетом взвешивающего действия воды. Водоупорами следует считать глины и суглинки твердой и полутвердой консистенции при I_L<0.5

По данным геологического разреза уровень грунтовых вод находится на отм. 93.5 м, а водоупор в виде суглинков тугопластичных с I_L=0.42 начинается на отм. 93.6, следовательно удельным весом грунтов с учетом взвешивающего действия воды пренебрегаем.

8. Проектирование свайного фундамента. Расчет свайного фундамента по I группе предельных состояний

Расчетное сопротивление (несущую способность) висячей сваи по грунту определяют по формуле

 (8.1)

где g_с - коэффициент условий работы сваи, для забивных свай g_с=1

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, т. 4.10 методических указаний, R=2200 кПа

В проекте принимаем сваю С55.25 - длина призматической части 5500 мм, сечение 250х250 мм

А - площадь поперечного сечения сваи, м², А=0.0625 м²

u - наружный периметр сваи, u=1.0 м

f_i - расчетное сопротивление i - го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи

h_i - толщина i - го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью, м, h_i < 2 метра

g_cR, g_cf - коэффициенты условий работы под нижним концом и по боковой поверхности сваи, зависящие от способа погружения свай (для свай, погружаемых забивкой g_cR = g_{c f} =1)

Значения f_i и R находятся по таблице 4.10 методических указаний в зависимости от глубины z_i расположения середины соответствующего слоя грунта (для f_i) или от глубины z₀ погружения нижнего конца сваи (для R), и от характеристики грунтов. Глубина z отсчитывается от природной поверхности. Слои грунта прорезаемые сваей делят на полоски h_i, толщиной не более 2 м, и определяют расстояния z_i от поверхности природного рельефа до середины каждого слоя.

z₁ =2.35 м, песок пылеватый → f₁=22.2 кПа

z₂ =3.98 м, песок пылеватый → f₂=27 кПа

z₃ =5.1 м, суглинок тугопластичный → f₃=29.2 кПа

z₄ =6.1 м, суглинок тугопластичный → f₄=31.1 кПа

Определение необходимого кол-ва свай

Количество свай в кусте определяют по формуле

 (8.2)

где  - сумма внешних расчетных вертикальных нагрузок, приведенных к подошве плиты ростверка

 (8.3)

n - коэф-т, учитывающий работу свай при наличии момента внешних сил в уровне подошвы ростверка, n=1.1

Определим количество свай для ростверка по оси «2-А».

Определяем сумма внешних расчетных вертикальных нагрузок, приведенных к подошве плиты ростверка

n=1626/514.8х1.1=3.2 принимаем 4 сваи в кусте.

Определим количество свай для ростверка по оси «2-Б.

Определяем сумма внешних расчетных вертикальных нагрузок, приведенных к подошве плиты ростверка

n=1909.4/514.8х1.1=4

принимаем 4 сваи в кусте.

Определение фактического давления на каждую сваю.

Для внецентренно нагруженного свайного фундамента фактическое давление на каждую сваю определяется по формуле

 (8.4)

где y - расстояние от центра тяжести ростверка до оси сваи, в которой определяется давление

y_i - расстояние от каждой сваи в ростверке, до центра тяжести ростверка

Должны выполняться следующие условия:

 ;  

Условия выполняются

Проверка давления в основании свайного фундамента как условно массивного. Расчет свайного фундамента по II группе предельных состояний.

При расчете осадок свайный фундамент принимают условно как массивный с подошвой, расположенной на уровне конца свай. Перед определением осадки проверяют прочность основания фундамента в уровне острия сваи по ф. 5.5 при d₁=z₀, b=b_y.

Положение граней 1,2,3,4 условного массивного фундамента определяют используя средневзвешенное значение расчетного угла внутреннего трения φ_ср

 (8.5)

 (8.6)

 (8.7)

Определяем ширину b_y условно массивного фундамента по оси 2А и 2Б

 (8.8)

Определяем длину и площадь подошвы условно массивного фундамента

Принимаем размеры условно массивного фундамента 2.36х2.36 м, и находим объем условно свайного фундамента

V=2.36х2.36х6.9=38.4 (м³)

Находим объем ростверка и подколонника

V=1.5х1.5х0.6+0.9х0.9х0.6=1.35+0.486=1.84 (м³)

Находим объем свай

V=4х0.25²х5.75=1.44 (м³)

Находим объем грунта

V_гр= V - V_св - V_р=38.4-1.44-1.84=35.12 (м³)

Далее определяем средневзвешенное значение удельного веса грунта в свайном условно-массивном фундаменте по формуле

 (8.9)

Определяем вес грунта в объеме условно-массивного фундамента

G_гр=V_гр γ_II=35.12х18.7=656.74 (кН)

Определяем вес ростверка и свай

G_р+св = V_р+св γ_IIж/б=(1.84+1.44) х25=66.24 (кН)

 (8.10)

где  - сумма расчетных нагрузок (по деформациям) в плоскости подошвы свайного фундамента, определяются по формуле

 (8.11)

A_y - площадь подошвы условного массивного фундамента, A_y=6.9 м²

R - прочность основания фундамента в уровне острия сваи по ф. 5.5 при d₁=z₀, b=b_y

Определяем  для фундамента по оси 2А

Определяем  для фундамента по оси 2Б

Определяем расчетное сопротивление грунта основания условного фундамента в уровне острия свай, основанием будут служить суглинки тугопластичные со следующими расчетными характеристиками γ_II=18.6 Н/м³

d₁=z₀=6.65 м

b=b_y=2.63 м

φ=18.3º

М_y=0.43, М_q=2.73, М_c=5.3.

γ^'_II=18.7 кН/м³

R=

 Проверяем условие для фундамента по оси 2А

Условие выполняется

Проверяем условие для фундамента по оси 2Б

Условие выполняется

Метод послойного суммирования рекомендуется СНиПом для расчета осадок фундаментов.

Эпюра распределения вертикальных напряжений от собственного веса грунта и дополнительных вертикальных напряжений под подошвой условного массивного фундамента по оси 2А

Эпюра распределения вертикальных напряжений от собственного веса грунта и дополнительных вертикальных напряжений под подошвой условного массивного фундамента по оси 2Б.

9. Технико-экономические показатели

Таблица 9.1. Вариант с фундаментом мелкого заглубления

Таблица 9.2. Вариант со свайным фундаментом

Вариант с фундаментом мелкого заложения наиболее выгодный.

10. Указания по производству работ и технике безопасности

Площадка на которой возводится здание имеет ровную поверхность с планировочной отметкой 98.35. Глубина заложения фундамента на естественном основании принимается равной 1.5 м. Уровень подземных вод находится на абсолютной отметке 93.500.

Котлован спроектирован с естественными откосами без закрепления. Горизонтальная привязка котлована к месту выполнена с разбивкой осей здания. Дно котлована сделать с уклоном 1% от центра к краям, для отвода воды (осадков). В углах котлована, в самых низких точках у въездов в котлован расположить колодцы для сбора воды. Разработку котлована предлагается вести с поверхности земли и изнутри котлована экскаватором с обратной лопатой.

В первом случае фундаменты приняты монолитные, ж/б, стаканного типа, под ж/б колонны, во втором случае свайные с монолитным ростверком стаканного типа.

Под монолитные фундаменты выполнить подготовку из бетона класса В 7,5 толщиной 100 мм по выровненному основанию. Под фундаментные балки выполнить песчаную подготовку толщиной 100 мм.

Набетонки под фундаментные балки выполнить совместно с фундаментами, эти набетонки из бетона класса В15. Фундаментные балки укладывать на слой цементного раствора марки 100 толщиной 20 мм. Зазоры между торцами фундаментных балок и фундаментами заделать бетоном кл. В15.

Обратную засыпку пазух фундаментов, основания под фундаменты оборудования и полы выполнять естественным грунтом с послойным уплотнением каждого слоя.

Все фундаменты и фундаментные блоки обмазать горячей битумной мастикой за 2 раза по слою грунтовки.

Основанием фундаментов является глины в первом случае песок пылеватый средней плотности, влажный h=4.2 м, γ₂ = 19.1 кН/м³, е=0.6, Е=20МПа, во втором случае глина полутвердая γ4 = 17.64 кН/м³, е=0.8, Е=18МПа.

Низ подошвы фундаментов в первом случае - на отм. -1.800, при свайном фундаменте низ сваи на отм. -6.800.

За отм. 0.000 принята отметка чистого пола первого этажа, что соответствует абсолютной отм. 98.35.

Литература

грунт нагрузка сопротивление прочностной

1.       Кубецкий В.Л. «Рабочая программа и задание на курсовой проект с методическими указаниями для студентов IV курса», РГОТУПС, Москва, 2003.

.        СНиП 2.02.01-83 (2000) - «Основания зданий и сооружений».

.        СНиП 2.02.03-85 (1995, с попр. 2003) - «Свайные фундаменты».

.        Далматов Б.И. «Механика грунтов, основания и фундаменты. Учебник для вузов». Москва, 1981.

.        Ухов С.Б. «Механика грунтов, основания и фундаменты», Москва 2002

.        СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений», Москва 2004.