Основания и фундаменты

Основания и фундаменты

1. Оценка инженерно-геологических условий площадки строительства

Площадка строительства находится в г. Екатеринбург. Рельеф спокойный. Инженерно-геологические условия площадки строительства выявлены бурением пяти скважин на глубину 14-15 м. При бурении обнаружен:

слой - растительный грунт мощностью 0,4 м.

слой - пески средней крупности плотные на глубину бурения и ниже.

Подземные воды наблюдаются на глубине 2,0 м от поверхности грунта.

Грунт: пески средней крупности плотные:

(по условию):

коэффициент пористости - е=0,5

угол внутреннего трения - φ=30°

удельный вес - γ=1850 кг/м³

(по расчету):

         удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды:

Площадка в целом пригодна для возведения сооружения, пески средней крупности плотные могут служить естественным основанием.

Сбор нагрузок, действующих на основание

1. Нагрузки на фундамент от наружных стен:

Определяем нагрузки на один погонный метр фундамента от наружных стен в осях 1 - (Б - В) при толщине стены 480 мм (с учетом веса стены) на уровне спланированной отметки земли.

а). Определяем грузовую площадь (см. рис 1):

где 2,965 м - расстояние между серединами соседних помещений;

,5 м - половина расстояния в чистоте между несущими стенами (между осями 1-2).

Рис. 1. Фрагмент плана типового этажа

б). Учитываем возможность неодновременного загружения всех девяти этажей, вводя понижающий коэффициент:

где т - число загруженных перекрытий, нагрузка от которых передается на фундаменты и основания.

в). Определяем нормативную и расчетную нагрузки, на уровне спланированной отметки земли на 2,965 м длины фундамента под наружной стеной здания. Расчеты сводим в виде таблицы 1.:

Таблица 1. Нормативную и расчетную нагрузки, под наружной стеной здания

Нормативные нагрузки на 1 м стены (с учетом коэффициента надежности по назначению сооружения γ_n=0.95 (II класс ответственности здания) и коэффициентов сочетаний для длительно действующих нагрузок φ₁=0,95 и кратковременных φ₂=0,9):

постоянная:

временная:

         кратковременная:

         длительно действующая:

суммарная:

Расчетные нагрузки на 1 м стены:

постоянная:

временная:

-        кратковременная:

         длительно действующая:

суммарная:  

2. Нагрузки на фундамент от внутренних несущих стен

Определяем нагрузки на один погонный метр фундамента от наружных стен в осях 1 - (Б - В) при толщине стены 250 мм (с учетом веса стены) на уровне спланированной отметки земли.

а). Определяем грузовую площадь (см. рис 1):

где 3,37 м - расстояние между серединами соседних помещений, несущими стенами (между осями 1-3);

,0 м - половина расстояния в чистоте помещения (между осями Б-В).

б) Определяем нормативную и расчетную нагрузки, на уровне спланированной отметки земли на 3,0 м длины фундамента под внутренней стеной здания. Расчеты сводим в виде таблицы 2.:

Таблица 2. Нормативные и расчетные нагрузки под внутренней стеной здания

Нормативные нагрузки на 1 м стены (с учетом коэффициента надежности по назначению сооружения γ_n=0.95 (II класс ответственности здания) и коэффициентов сочетаний для длительно действующих нагрузок φ₁=0,95 и кратковременных φ₂=0,9):

постоянная:

временная:

-        кратковременная:

         длительно действующая:

суммарная:

Расчетные нагрузки на 1 м стены:

постоянная:

временная:

-        кратковременная:

         длительно действующая:

суммарная:  

Максимальная нагрузка по обрезу фундамента при расчете по деформациям N_n=350 кН/м (по исходным данным).

Пол подвала на 1,1 м ниже планировочной отметки. Основанием служат пески средней крупности плотные.

Принимаем непрерывный ленточный фундамент из железобетонных блоков (рис. 2).

Рис. 2. Схема ленточного фундамента

Выбор глубины заложения

Принимаем непрерывный (ленточный) фундамент из железобетонных подушек и бетонных блоков.

Расчетная глубина сезонного промерзания определяется по формуле:

d_f=k_n*d_fn [3]

где d_fn - нормативная глубина сезонного промерзания в м., определяемая по формуле:

d_fn=d₀√M_t, d_fn [4]

где d₀= 0,3 м (для песков гравелистых, крупных и средней крупности)

M_t - сумма абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур в зимний период строительства для данного района по {4}.

Для Екатеренбурга: M_t= 55,9 ˚С

Таким образом d_fn=0,3 * √55,9= 2,24 м

k_n - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания на глубину промерзания грунта у наружных стен, определяется по [2 табл. 5.2]. Считая, что здание проектируется с подвалом с температурой воздуха в помещении подвала равной 20˚С, получаем: k_n = 0,4.

Таким образом, расчетная глубина сезонного промерзания:

d_f=0,4*2,24 = 0,896 ~0,9 м.

Учитывая конструктивные особенности здания, высоту подвала Н = 2,0 м, назначаем отметку подошвы фундамента - 3,300 м.

Определение ширины опорной плиты

Фундаменты мелкого заложения проектируются расчетом основания по деформациям. При расчете деформаций основания среднее давление под подошвой фундамента Р не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R.

Назначаем в первом приближении ширину подошвы фундамента b = 1 м. Определяем расчетное сопротивление грунта основания по формуле:

где γ_с1 и γ_с2 - коэффициенты, условий работы, принимаемые по [2 табл. 5,4];

γ_с1 =1,4 (пески, кроме мелких и пылеватых);

γ_с2 =1,36 (при отношении длины сооружения к высоте L/H, равном 51,8/25,8 м = 2).

k - коэффициент, принимаемый равным k=1,1, если прочностные характеристики грунта (φ и с) определены при помощи таблиц;

M_γ, M_q, М_с - коэффициенты, принимаемые по [2 табл. 5,5];

M_γ =1,15; M_q=5,59;, М_с=7,95, при φ=30 °

k_z - коэффициент, принимаемый равным: при b < 10 м. k_z =1,

b - ширина подошвы фундамента, м;

γ_II = γ_sb - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м³ (тс/м³);

γ’_II - то же, залегающих выше подошвы;

с_П - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента (при е = 0,5 с=2,5 кПа);

d₁ - глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле:

h_s - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;

h_cf - толщина конструкции пола подвала, м;

γ_cf = 22, кН/м³ - расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала;

Таким образом, d₁= 0,9+0,1*22/17,8=1,02 м.

d_b - глубина подвала; расстояние от уровня планировки до пола подвала, м.

d_b = 1,9 - 1,02 = 0,88 м.

Подставляем значения в формулу 5, получаем:

Определяем примерную площадь подошвы на 1 м фундамента, принимая среднее расчетное значение удельного веса фундамента и грунта при наличии подвала γ_cр = 20 кН/м³:

b₁=А / l = 1.05/1=1.05 м

Принимается ближайший больший из ряда по ГОСТ 13579-78* b₁=1,2 м.

При ширине фундамента b₁ = 1,2 м расчетное сопротивление:

При этом значении R₂ находим b₂:

Ширина подушки принимаем b=1.2 м.

При ширине подушки b=1,2 м фактическое расчетное сопротивление под подошвой фундамента нашли выше:

Принимаем фундаментные подушки ФЛ 12.12-3 (весом 0,78 т) и стеновые блоки ФБС 24.5-6т (4 штуки в разрезе; весом 1,63т) и ФБС 12.5.3т (1 штука в разрезе; весом 0,38т).

На основании полученных значений R и b конструируем фундамент.

Среднее давление под подошвой фундамента

где, - нагрузка по обрезу фундамента:

- нагрузка от веса фундамента. Зная вес фундаментных элементов (из взятых каталогов стройиндустрии), найдем нагрузку от веса всего фундамента на 1 погонный метр фундамента, разделив вес каждого элемента на его длину:

Получаем:

- нагрузка от веса грунта на обрезе фундамента:

где - объем грунта над уступом фундамента (см. рис 2)

 - удельный вес грунта обратной засыпки, кН/м³

Таким образом,

Недогруз фундамента составляет . Условие прочности выполняется. Следовательно, производим расчет деформаций основания по принятым фундаментным элементам.

Расчет деформаций оснований

Расчет оснований по деформациям производят, исходя из условия:

S<S_U

где S - осадка основания фундамента (величина совместной деформации основания и сооружения);

S_u - предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемое в соответствии с указаниями [2 п.п. 5.6.46…5.6.50].

Осадку определяем методом послойного суммирования осадок отдельных слоев в пределах сжимаемой толщи основания.

Вертикальное эффективное напряжение от собственного веса грунта σzg, кПа, на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле:

где  - средний удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента, кН/м³; dn - м, см. рисунок 5.2;

 и hi - соответственно удельный вес, кН/м³, и толщина i-го слоя грунта, залегающего выше границы слоя на глубине z от подошвы фундамента, м;

Подставляем значения в формулу 9, находим ординаты эпюры вертикальных напряжений от действия собственного веса грунта:

         на уровне подошвы фундамента:

-        на уровне грунтовых вод:

Дополнительные вертикальные напряжения на глубине Z от подошвы фундамента определяем по [2 формуле 5.17]:

где α - коэффициент, принимаемый по [2 табл. 5,8];

P₀ - дополнительное вертикальное давление на основание:

P₀ = P - = 342,05 - 33,75 = 308,3 кПа

здесь Р - среднее давление под подошвой фундамента;

Сжимаемую толщину грунта ниже подошвы фундамента разбиваем на элементарные слои мощностью h_i:

h_i = 0,4b=0,4*1,2 = 0,48 м.

Находим дополнительные напряжения.

Для остальных точек значения  и  приведены в таблице 3. Построим эпюру дополнительных напряжений от внешней нагрузки в толще основания рассчитываемого фундамента. По полученным величинам  и  строим эпюры напряжений.

Таблица 3. Вертикальные напряжения в основании рассчитываемого фундамента. Расчет осадок фундамента методом послойного суммирования

Вычислим осадку фундамента:

, [11]

где b - безразмерный коэффициент, равный 0,8;

 - 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.

Предельно допустимая осадка 10 см. В нашем случае S=1,253 см. < 10 см. Следовательно, расчет осадки фундамента удовлетворяет расчету.

Рис. 3. Схема распределения вертикальных напряжений

Расчет внецентренно-нагруженного фундамента при наличии подвала

Ранее определили размеры центрально-сжатого фундамента под наружными стенами. Увеличим полученные размеры на 20%: b= 1,2*1,2 = 1,44 м. Принимаем фундаментные подушки ближайшей шириной b = 1,6 м ФЛ 16-12-2 (высота 0,3 м, весом 1,03 т).

При нагрузке на обрезе фундамента N = 331,75 кН (из сбора нагрузок на наружную стену) вычислим момент от внецентренного действия нагрузки от веса перекрытий, имея в виду, что плиты перекрытий заделываются в стены на глубину 12 см, а давление от них распределено по закону треугольника. Эксцентриситет приложения внешней нагрузки (по заданию): е = 18 см.

Приведенная глубина заложения фундамента от пола подвала определяем по формуле 6:

Глубина подвала - расстояние от уровня планировки до пола подвала:

d_b = 1,9 - 1,02 = 0,88 м.

Расчетное сопротивление грунта основания определяем по формуле 5:

Равнодействующая активного давления грунта на 1 м стены фундамента:

Т.к. перекрытия располагаются выше поверхности земли, то q = 10 кН/м². Приведенная высота слоя грунта:

h_пр =q/γ_II =10/17,8 = 0,561 м.

Расстояние от подошвы фундамента до точки приложения равнодействующей активного давления грунта (d = 1,9 м):

Момент от нагрузки на обрезе фундамента:

Момент относительно центра тяжести подошвы фундамента от равнодействующей активного давления грунта (момент от горизонтального давления грунта):

Нагрузка от веса фундамента:

Нагрузка от веса грунта на обрезе фундамента (см. рис 4):

Момент относительно центра подошвы фундамента от веса обратной засыпки:

Определим давление под подошвой внецентренно нагруженного фундамента (краевые напряжения):

=N'+N_Г+N_Ф, - вертикальная сила;_Г и N_Ф - вес соответственно грунта и фундамента на его обрезах;

M=M' - M_G + M_t - момент на уровне подошвы фундамента;

А_ф - площадь подошвы фундамента;

W - момент сопротивления подошвы фундамента.

Проверяем выполнение условий:

Условия выполняются, поэтому принимаем в качестве подушки фундамента сборную плиту шириной b= 1,6 м.

Рис. 4. Схема ленточного фундамента для внецентренно-приложенной нагрузки

Расчет внецентренно-нагруженного фундамента без подвала

В целях вариантного проектирования, рассмотрим внецентренно нагруженный фундамент бесподвального здания при остальных аналогичных условиях. Ранее определили размеры центрально-сжатого фундамента под наружными стенами. Увеличим полученные размеры на 20%: b = 1,2*1,2 = 1,44 м Принимаем фундаментные подушки ближайшей шириной b = 1,6 м ФЛ 16-12-2 (высота 0,3 м, весом 1,03 т).

При нагрузке на обрезе фундамента N = 331,75 кН (из сбора нагрузок на наружную стену) вычислим момент от внецентренного действия нагрузки от веса перекрытий, имея в виду, что давление от плит перекрытия распределено по закону треугольника. Эксцентриситет приложения внешней нагрузки (по заданию): е = 18 см.

Глубина заложения фундамента бесподвальных сооружений от уровня планировки: 1,9 м.

Глубина подвала - расстояние от уровня планировки до пола подвала: d_b =0 м.

Расчетное сопротивление грунта основания определяем по формуле 5:

Момент от нагрузки на обрезе фундамента:

Нагрузка от веса фундамента:

Нагрузка от веса грунта на обрезе фундамента:

Определяем давление под подошвой внецентренно нагруженного фундамента (краевые напряжения) по формулам 14, 15:

где M=M' - момент на уровне подошвы фундамента;

Проверим выполнение условий:

фундамент нагрузка основание плита

По формуле 16 находим:

Условия выполняются, поэтому принимаем в качестве подушки фундамента сборную плиту шириной b=1,6 м.

Список литературы

1.       СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» (Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85);

.        СП22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений» (Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83);

.        СП24.13330.2011 «Свайные фундаменты» (Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85)

.        СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

.        Справочник «Основания и фундаменты». / Под ред. Г.И. Швецова. - М.: Высшая школа, 1991 г.

.        Берлинов М.В. «Расчет оснований и фундаментов». / Учеб. для ср. спец. учеб. заведений. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 2000 г. - 272 с.

.        Берлинов М.В., Ягупов Б.А. «Примеры расчета оснований и фундаментов». - М.: Стройиздат, 1986 г.

.        Кузнецов А.Н. Муратова Н.В. «Примеры расчета и проектирования фундаментов». / Учебное пособие. Пенза ПГАСА. 1999 г. - 40 с.