Проектирование фундаментов под 10-этажное здание в открытом котловане

Проектирование фундаментов под 10-этажное здание в открытом котловане

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Механики грунтов, оснований и фундаментов

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: «Проектирование фундаментов под 10-этажное здание в открытом котловане»

Факультет, курс, группа: ПГСф 3-2

Студент: Семененок А.Н.

Консультант: Медведев Е.А.

МОСКВА 2013-14

Введение

Характеристика здания, анализ и характеры передачи нагрузок, определяющих расчет усилий на фундаменты.

Стены наружные - крупноблочные толщиной 40 см.

Стены внутренние - сборные г/л панели толщиной 10 см.

Перекрытия - сборные многопустотные ж/б плиты толщиной 22 см.

Покрытие - сборные ж/б плиты.

Здание имеет подвал во всех осях.

Отметка пола подвала - 2,20.

Отметка пола первого этажа ± 0,00.

Отметки планировочной поверхности земли - 0,80 м.

Количество этажей: 10.

Город строительства Смоленск.

При наличие в здании подвала постоянные и временные нагрузки соответственно увеличиваются:

На стену 1 - постоянные - на 18 и временные - 2 кН/м;

На колонну 2 - постоянные -на 12 и временные - 4 кН/м

Нагрузки на фундаменты

1. Оценка инженерно-геологических условий площадки

.1      Классификация грунтов основания

Слой №1: Насыпь не слежавшаяся, R0 не нормируется;

Слой №2: Данный слой представлен глинистым грунтом;

_P = W_L - W_P = (24,4 - 20,0) = 0,044

т.к. индекс пластичности I_P≤0,07, грунт является супесью.

Консистенцию грунта определяем по индексу текучести:

_L = (W - W_P)/ I_P = (17,7 - 20,0)/4,4= -0,52

т.к. индекс текучести I_L< 0, грунт твёрдой консистенции.

Вывод: супесь твёрдой консистенции.

Слой №3: Вид - песчаный грунт, так как отсутствуют параметры W_L и W_p. Тип песчаного грунта зависит от гранулометрического состава:

,38% + 36,14% = 56,52 % (>70%) Þ песок средней крупности, т.к. ч-ц р-ром >0.25мм более 50%

Разновидность песчаного грунта по плотности сложения:

(1 + W) - 1 = [2,69/1,99]·(1+0,217) - 1 =0,65; (0.55≤ е ≤0.7)

Следовательно, средней плотности.

Разновидность песчаного грунта по степени влажности:

Следовательно, насыщенный водой.

Вывод: песок средней крупности, средней плотности, насыщенный водой.

Слой №4:

Вид - песчаный грунт, так как отсутствуют параметры W_L и W_p. Тип песчаного грунта зависит от гранулометрического состава:

,56% + 25,96% = 39,52 % (>25%) Þ песок гравелистый, т.к. ч-ц р-ром >0.2мм более 25%

Разновидность песчаного грунта по плотности сложения:

(1 + W) - 1 = [2,68/2,01]·(1+0,227) - 1 =0,64; (0.55≤ е ≤0.7)

Следовательно, средней плотности.

Разновидность песчаного грунта по степени влажности:

Следовательно, насыщенный водой.

Вывод: песок гравелистый, средней плотности, насыщенный водой.

Слой №5: Данный слой представлен глинистым грунтом;

_P = W_L - W_P = (49,3 - 21,4)/100 = 0,279

т.к. индекс пластичности I_P >0,17, грунт является глиной.

Консистенцию грунта определяем по индексу текучести:

_L = (W - W_P)/ I_P =(21,3-21,4)/27,9 =-0,003

т.к. индекс текучести I_L< 0, грунт твёрдой консистенции.

Вывод: глина твердая.

Слой №6: Данный слой представлен глинистым грунтом;

_P = W_L - W_P = (40,6 - 31,8)/100 = 0,088

т.к. индекс пластичности 0,07≤ I_P ≤0,17, грунт является суглинком.

Консистенцию грунта определяем по индексу текучести:

_L = (W - W_P)/ I_P =(24,9-31,8)/27,9 =-0,25

т.к. индекс текучести I_L< 0, грунт твёрдой консистенции.

Вывод: суглинок твердый.

1.2    Определение табличного значения расчетного сопротивления.

Слой №1. Растительный слой, R₀ не нормируется;

Слой №2. Чтобы определить расчётное сопротивление R₀, найдём значение коэффициента пористости е:

;

Принимаем I_L=0, тогда R₀ = 242,9

Слой №3. Песок средней крупности, средней плотности, насыщенный водой имеет расчетное сопротивление R_o=400 МПа.

Слой №4. Песок гравелистый, средней плотности, насыщенный водой имеет расчетное сопротивление R_o=400 МПа.

Слой №5. Чтобы определить расчётное сопротивление R₀, найдём значение коэффициента пористости е:

;

Принимаем I_L=0, тогда R₀ = 508,3

Слой №6. Чтобы определить расчётное сопротивление R₀, найдём значение коэффициента пористости е:

;

Принимаем I_L=0, тогда R₀ = 172

2.     
Расчет и конструирование фундаментов мелкого заложения

.1 Определение расчетных нагрузок на фундаменты

На наружные и внутренние стены здания с подвалом действуют нормативные нагрузки в основном сочетании, приложенные на отметке верхнего обреза фундамента:

Расчётная нагрузка, действующая по обрезу фундамента, определяется по формуле:

=n(N_П +N_ПП)+n^’ n_с(N_в+N_вп)

где n и n’ - коэффициенты перегрузок предельных состояний фундаментов= n’ = 1 - для расчётов по первой группе предельных состояний = 1,1; n’ = 1,4 - для расчётов по второй группе предельных состояний_c = 0,9 - коэффициент сочетания постоянных и временных нагрузок.

Расчетные нагрузки на первую группу стен:

Расчетные нагрузки на вторую группу стен:

.2 Определение глубины заложения ленточного фундамента

.2.1 Конструктивные требования

Отметка пола подвала - 2,2 м

Отметка пола первого этажа - 0,00 м

Планировочная отметка - 0,8 м

Глубина заложения фундамента определяется по формуле:

,

где:_ц = 0,8 м - расстояние от нулевого уровня цоколя до пола_s = 0,3 м - расстояние от подошвы фундамента до низа пола подвала_cf = 0,2 м - толщина цементного пола подвала_в = 2,2 м - расстояние от чистого пола первого этажа до пола подвала= 2,2 + 0,3 + 0,2 - 0,8 = 1,9 .

.2.2 Определение расчетной глубины сезонного промерзания грунтов> d_f

Расчётная глубина промерзания грунта:

_f = k_h·d_fn,

где: k_h - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания; для домов с подвалом k_h=0,6;

d_fn - нормативная глубина промерзания;

d_fn = d_0,

где: M_t = 32,9 - безразмерный коэффициент, численно равен сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в Смоленске,₀ = 0,28 для супесей и мелких песков_fn = 0,28 = 1,6 м._f = k_hd_fn = 0,6 · 1,6 = 0,96 м.

Видим, что d > d_f.

фундамент здание открытый котлован

2.2.3 Анализ инженерно-геологических условий

Площадка будущего строительства сложена не слежавшейся насыпью на глубину 3,2 м. Фундамент должен быть расположен в слое грунта с расчетным сопротивлением R₀>150. Если R₀<150, то необходима песчаная подушка.

Грунтовые воды бурением до 15 метров вскрыты на отметке начала III слоя.

Учет рассмотренных факторов, влияющих на глубину заложения фундамента, показывает, что определяющей является глубина заложения, полученная из конструктивных особенностей подземной части здания d = 1,9 м.

Определение размеров подошвы ленточного фундамента

Грунты основания:

Слой №1: мощность-1,2м;

Расчётная величина удельного веса грунта: γ_I = 1.8х10=18.0 кН/;

Слой №2: мощность - 1,00м;

Индекс текучести: I_L = 0;

Расчётная величина удельного веса грунта: γ_II = 19.2 кН/;

Удельный вес твёрдых частиц: γ_s=27,4кН/;

Расчётное значение угла внутреннего трения: ϕ_II = 20°;

Расчётное значение удельного сцепления: с_II = 13 кПа;

Слой №3: мощность-3,00 м;

Расчётная величина удельного веса грунта: γ_III = 19,9 кН/;

Удельный вес твёрдых частиц: γ_s= 26,9 кН/;

Расчётное значение угла внутреннего трения: ϕ_III = 29°;

Расчётное значение удельного сцепления: отсутствует;

Слой №4: мощность-2,3м;

Расчётная величина удельного веса грунта: γ_IV = 20,1 кН/;

Удельный вес твёрдых частиц: γ_s = 26,8 кН/;

Расчётное значение угла внутреннего трения: ϕ_II = 31°;

Слой №5: мощность-2,00м;

Индекс текучести: I_L =0,0

Расчётная величина удельного веса грунта: γ_v = 20,9 кН/;

Удельный вес твёрдых частиц: γ_s = 27,6 кН/;

Расчётное значение угла внутреннего трения: ϕ_v = 18°;

Расчётное значение удельного сцепления: с_V = 50 кПа

Слой №6: мощность-5,5м;

Индекс текучести: I_L =0,0

Расчётная величина удельного веса грунта: γ_v = 18,5 кН/;

Удельный вес твёрдых частиц: γ_s = 27,5 кН/;

Расчётное значение угла внутреннего трения: ϕ_v = 17°;

Расчётное значение удельного сцепления: с_V = 16 кПа

.3 Определение геометрических параметров подошвы фундамента

Подбор графическим методом площади подошвы фундамента стены 1.

Определяется среднее давление р_II,i под подошвой фундамента для

каждой ширины фундаментной плиты по формуле:

N_фi=b₁*1*d* _{II i} =

При b=1м_ф1=1*1*1,9*20=38кН_{II 1} ==347,6 кПа

При b=2м_ф2=2*1*1,9*20=76кН_{II 2} ==192,8 кПа

При b=3м_ф3=3*1*1,9*20=114 кН_{II 3} ==141,2кПа

Вычисление расчетного сопротивления грунта:

где γ_c1= 1,25 - характеризует свойства грунта основания

γ_c2 = 1,1 - характеризует жесткость здания (для зданий с гибкой конструктивной схемой)

k - коэффициент, принимаемый равным 1, так как прочностные характеристики грунта φ_II и c_II определены по результатам непосредственных испытаний грунтов;= 0,51; Mq= 3,06; Mc=5,66 - коэффициенты, принимаемые по табл. 4 СНиП 2.02.01-83* в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта φ_II, находящегося непосредственно под подошвой фундамента, т.е. "рабочего слоя". При φ_II=20°.z = 1, так как ширина фундамента < 10 м- ширина фундамента, м_II = 13 - основание

γ_II = 19,2 кН/м3 - удельный вес грунта, залегающий непосредственно под подошвой фундамента.

γ′_II  кН/м3 - средний удельный вес выше глубины заложения _в = 2,2-0,8 = 1,4 м - глубина заложения подвала

 - приведенная глубина заложения фундамента.

где hs - толщина слоя грунта от отметки подошвы фундамента до отметки низа пола подвала, м;- толщина конструкции пола подвала, м;

γcf - расчетное значение удельного веса материала конструкций пола подвала, принимается равным 22 кН/м3.

При b=0;==217,5 кПа.

При b=3;==258 кПа.

По полученным двум значениям R₁ и R₂ в зависимости от b строится график R=f(b). Точка пересечения прямой R=f(b) и кривой p_II=f(b) определяет предварительное значение требуемой ширины подошвы ленточного фундамента.

Таким образом, получаем:

Предварительное значение требуемой ширины подошвы: b = 1,54 м. По каталогу конструктивных элементов фундаментов гражданских и административных зданий выбираем фундаментную подушку ФЛ16.24-1 шириной b=1,6 м, длиной l=2,38 м, высотой h=0,3 м.

) Проверяем принятую ширину фундамента:. Наружные стены:

Определяем новое значение R при такой ширине фундамента:

кПа

Проверяем фактическое среднее давление P под подошвой фундамента:

,где

А = 1 *1,6 = 1,6 м²_ф - собственный вес 1 пог. м фундамента, складывается из веса железобетонной подушки ФЛ16.24-1, четырех бетонных стеновых фундаментных блоков сплошных ФБС и пригрузки от пола подвала на внутренней консольной части а_к опорной плиты.

кН/м

Удельный вес бетона блоков ФБС и пола подвала принят равным γ_б = γ_cf = 22 кН/м3. Удельный вес железобетона фундаментной плиты ФЛ16.24-1 принят равным γ_жб = 24 кН/м3.

а_к= 0,6 м - вылет консольной части плиты в сторону обратной засыпки (и в сторону подвала при вычислении веса пола подвала, входящего в Q_ф);_гр - вес грунта на консольной части фундаментной плиты с наружной стороны:

кН/м

= d - h_s = 1,9 - 0,3 = 1,6 м - высота грунта на консольной части фундаментной плиты с наружной стороны.

γ_II = 19,2 кН/м3 - удельный вес обратной засыпки.

Определяем разницу между R и Р:

-ЭКОНОМИЧЕН!

Превышение расчётного сопротивления R над средним давлением, действующим под подошвой ленточного фундамента Р не должно составлять более 10%. Так как оно не превышает 10%, то ширина подошвы фундамента ФЛ16.24-1 подобрана экономично.

Подбор графическим методом площади подошвы фундамента стены 2.

Определяется среднее давление р_II,i под подошвой фундамента для каждой ширины фундаментной плиты по формуле:

N_фi=b₁*1*d* _{II i} =

При b=1м_ф1=1*1*1,9*20=38кН_{II 1} ==477,2 кПа

При b=2м_ф2=2*1*1,9*20=76кН_{II 2} ==257,6 кПа

При b=3м_ф3=3*1*1,9*20=114 кН_{II 3} ==184,4кПа

Вычисление расчетного сопротивления грунта:

где γ_c1= 1,25 - характеризует свойства грунта основания

γ_c2 = 1,1 - характеризует жесткость здания (для зданий с гибкой конструктивной схемой)

k - коэффициент, принимаемый равным 1, так как прочностные характеристики грунта φ_II и c_II определены по результатам непосредственных испытаний грунтов;= 0,51; Mq= 3,06; Mc=5,66 - коэффициенты, принимаемые по табл. 4 СНиП 2.02.01-83* в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта φ_II, находящегося непосредственно под подошвой фундамента, т.е. "рабочего слоя". При φ_II=20°.z = 1, так как ширина фундамента < 10 м- ширина фундамента, м_II = 13 - основание

γ_II = 19,2 кН/м3 - удельный вес грунта, залегающий непосредственно под подошвой фундамента.

γ′_II  кН/м3 - средний удельный вес выше глубины заложения _в = 2,2-0,8 = 1,4 м - глубина заложения подвала

 - приведенная глубина заложения фундамента.

где hs - толщина слоя грунта от отметки подошвы фундамента до отметки низа пола подвала, м;- толщина конструкции пола подвала, м;

γcf - расчетное значение удельного веса материала конструкций пола подвала, принимается равным 22 кН/м3.

При b=0;==217,5 кПа.

При b=3;==258 кПа.

По полученным двум значениям R₁ и R₂ в зависимости от b строится

график R=f(b). Точка пересечения прямой R=f(b) и кривой p_II=f(b) определяет предварительное значение требуемой ширины подошвы ленточного фундамента.

Таким образом, получаем:

Предварительное значение требуемой ширины подошвы: b = 2,12 м. По каталогу конструктивных элементов фундаментов гражданских и административных зданий выбираем фундаментную подушку ФЛ20.24-1 шириной b=2,0 м, длиной l=2,38 м, высотой h=0,3 м.. Внутренние стены:

Определяем новое значение R при такой ширине фундамента:

 кПа

Проверяем фактическое среднее давление P под подошвой фундамента:

,

где

А = 2 *1 = 2,0 м²_ф - собственный вес 1 пог. м фундамента, складывается из веса железобетонной подушки ФЛ20.24-1, четырех бетонных стеновых фундаментных блоков сплошных ФБС и пригрузки от пола подвала на внутренней консольной части а_к опорной плиты.

кН/м

Удельный вес бетона блоков ФБС и пола подвала принят равным γ_б = γ_cf = 22 кН/м3. Удельный вес железобетона фундаментной плиты ФЛ20.24-1 принят равным γ_жб = 24 кН/м3.

а_к= 0,8 м - вылет консольной части плиты в сторону обратной засыпки (и в сторону подвала при вычислении веса пола подвала, входящего в Q_ф);_гр - вес грунта на консольной части фундаментной плиты с наружной стороны:

кН/м

= d - h_s = 1,9 - 0,3 = 1,6 м - высота грунта на консольной части фундаментной плиты с наружной стороны.

γ_II = 19,2 кН/м3 - удельный вес обратной засыпки.

Определяем разницу между R и Р:

Превышение расчётного сопротивления R над средним давлением, действующим под подошвой ленточного фундамента Р не должно составлять более 10%. Так как оно не превышает 10%, то ширина подошвы фундамента ФЛ20.24-1 подобрана экономично.

2.4 Определение стабилизированной осадки фундамента мелкого заложения методом послойного суммирования

Вычисление ординат эпюры природного давления s_zg,i

- на границе I и II слоев:  кПа

на отметке подошвы фундамента:

 кПа

на границе II и III слоев:  кПа

на границе III и IV слоя:  кПа

на границе IV и V слоев:  кПа

скачок на границе IV и V слоев:

на границе V и VI слоев:  кПа

в VI слое на глубине h₆:  кПа

Вычисление ординат эпюры вспомогательного давления 0,2·s_zg,i:

s_zg,i   21,6           35,04         40,8           71,52         95,08         189,88 291,6

,2·s_zg,i                             4,32           7,008         8,16           14,3           19,0137,8 58,32

Для наружных стен:

Вычисление ординат эпюры дополнительного давления s_zp,i

Вычисляем верхнюю ординату эпюры s_zp,0 непосредственно под подошвой фундамента при z=0:

Вычисляем другие ординаты по формуле s_zр,i =a_i×s_zр,0 для различных глубин z_i откладываемых от подошвы фундамента.

По таблице 1 приложения 2 СНиП 2.02.01-83 a_i зависит от отношения длины фундамента l к ширине фундамента b

Будем задаваться глубиной  и принимать табличные значения a_i. По найденным a получим значения дополнительных напряжений s_zр для каждого из рассматриваемых слоев.

Полученные при расчете данные сведены в таблицу:

По построенной эпюре дополнительного давления s_zр,i находим толщину сжимаемой толщи Н_с = 6,78 м.

Вычисление деформационных характеристик слоев грунта основания.

После вычисления ординат и построения эпюр природного и дополнительного давлений находим полное давление . Это позволяет получить интервал изменения напряжения и соответствующие границам этого интервала величины коэффициентов пористости e по компрессионным кривым или s по графикам испытаний штампом и соответственно интервалы их изменения  и , которые необходимы для расчета деформационных характеристик грунта m₀, m_n, E.

Штамповые испытания.- слой. Песок средней крупности.

Глубина 3,5 м; диаметр штампа d = 27,7 см.

 кПа₁ = 0,51 мм

 кПа₂ = 1,63 мм

 кПа

мм

Компрессионные испытания.- слой. Супесь твердой консистенции.

Глубина 2 м.

 кПа

е₁ = 0,675

кПа

е₂ = 0,645

Коэффициент сжимаемости:

Относительный коэффициент сжимаемости:

Модуль деформации:

Вычисление осадки.

Осадка в каждом грунтовом слое складывается из осадок входящих в него элементарных слоев полных и неполных.

- слой. (три элементарных слоев):

- слой. (шесть элементарных слоев):

Суммарная осадка s = 0,3 + 0,3 = 0,60 см £ s_пред = 8 см.

Полученная осадка оказалась значительно меньше 8 см - предельной величины осадки, приведенной в СНиП 2.02.01-83, приложение 4 для производственных и гражданские одноэтажных и многоэтажных зданий с полным каркасом из железобетона. Поэтому условие расчета по второму предельному состоянию s £ s_пред можно считать выполненным и использованные в расчете размеры фундамента - глубину заложения d = 1,9 м и ширину фундамента b = 1,6 м можно считать достаточными и окончательными, но такое заключение можно делать только в том случае, если осадка внутренних стен этого дома тоже окажется меньше 8 см, а также будет удовлетворено и другое условие: Ds£Ds_пред.

Для внутренних стен:

Вычисление ординат эпюры дополнительного давления s_zp,i

Вычисляем верхнюю ординату эпюры s_zp,0 непосредственно под подошвой фундамента при z=0:

Вычисляем другие ординаты по формуле s_zр,i =a_i×s_zр,0 для различных глубин z_i откладываемых от подошвы фундамента.

По таблице 1 приложения 2 СНиП 2.02.01-83 a_i зависит от отношения длины фундамента l к ширине фундамента b

Будем задаваться глубиной  и принимать табличные значения a_i. По найденным a получим значения дополнительных напряжений s_zр для каждого из рассматриваемых слоев. Полученные при расчете данные сведены в таблицу:

По построенной эпюре дополнительного давления s_zр,i находим толщину сжимаемой толщи Н_с = 7,6 м.

Вычисление деформационных характеристик слоев грунта основания.

После вычисления ординат и построения эпюр природного и дополнительного давлений находим полное давление . Это позволяет получить интервал изменения напряжения и соответствующие границам этого интервала величины коэффициентов пористости e по компрессионным кривым или s по графикам испытаний штампом и соответственно интервалы их изменения  и , которые необходимы для расчета деформационных характеристик грунта m₀, m_n, E.

Штамповые испытания.- слой. Песок средней плотности.

Глубина 3,5 м; диаметр штампа d = 27,7 см.

 кПа₁ = 0,50 мм

 кПа₂ = 1,84 мм

 кПа

мм

Штамповые испытания.- слой. Песок гравелистый.

Глубина 7,0 м; диаметр штампа d = 27,7 см.

 кПа₁ = 0,75 мм

 кПа₂ = 1,36 мм

 кПа

мм

Компрессионные испытания.- слой. Супесь твердой консистенции.

Глубина 2,0 м.

 кПа

е₁ = 0,673

кПа

е₂ = 0,649

Коэффициент сжимаемости:

Относительный коэффициент сжимаемости:

Модуль деформации:

Вычисление осадки.

Осадка в каждом грунтовом слое складывается из осадок входящих в него элементарных слоев полных и неполных.- слой. (три элементарных слоев):

- слой. (восемь элементарных слоев):

- слой. (шесть элементарных слоев):

Суммарная осадка s = 0,4 + 0,2 + 0,5 = 1,1 см £ s_пред = 8 см.

Полученная осадка оказалась значительно меньше 8 см - предельной величины осадки, приведенной в СНиП 2.02.01-83, приложение 4 для производственных и гражданские одноэтажных и многоэтажных зданий с полным каркасом из железобетона. Поэтому условие расчета по второму предельному состоянию s £ s_пред можно считать выполненным и использованные в расчете размеры фундамента - глубину заложения d = 1,9 м и ширину фундамента b = 2,0 м можно считать достаточными и окончательными.

Вычисление относительной разности осадки.

=0,002 проверка сошлась!

Список литературы

1.      ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация»

2.      СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений»

.        Ухов С.Б., Семенов В.В., Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов, основания и фундаменты»

. Малышев М.В. и Болдырев Г.Г. «Механика грунтов. Основания и фундаме