Проектирование фундамента мелкого и глубокого заложения

Курсовая работа по дисциплине «Основания и фундаменты»

Содержание Введение Исходные данные 902 096

1. Проектирование фундамента мелкого заложения

1.1 Определение глубины заложения фундамента и его высоты

1.1.1 Определение глубины заложения фундамента, возводимого на суходоле

1.1.2 Определение высоты фундамента

1.2 Определение расчетных усилий, действующих в уровне подошвы фундамента

1.3 Определение расчётного сопротивления грунта основания осевому сжатию

1.4 Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний

1.4.1 Расчёт по несущей способности основания

1.4.2 Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания

1.5 Расчёт основания и фундамента по второй группе предельных состояний

1.5.1 Определение осадки основания фундамента

1.5.2 Определение крена фундамента

2. Проектирование фундамента глубокого заложения

2.1 Определение глубины заложения ростверка и его размеров

2.2 Выбор длины и размеров поперечного сечения свай

2.3 Определение несущей способности сваи

2.4 Размещение свай под подошвой ростверка

2.5 Определение расчётной нагрузки на сваю Заключение Список используемой литературы Введение В курсовой работе должны быть выполнены расчёт и конструирование фундамента под промежуточную опору моста в двух вариантах:

— жёсткий фундамент мелкого заложения на естественном основании;

— свайный фундамент с низким жёстким ростверком.

После завершения расчётов и конструирования фундамента выполняется технико-экономическое сравнение вариантов.

Исходные данные 902 096

1. Проектирование фундамента мелкого заложения фундамент мост опора свайный Конструкция фундамента мелкого заложения и основные параметры, её определяющие, приведены на Рис 1. Такие фундаменты проектируются монолитными из бетона класса не ниже В20.

1.1 Определение глубины заложения фундамента и его высоты Глубина заложения фундаментов определяется:

— инженерно-геологическими условиями площадки строительства;

— глубиной сезонного промерзания грунтов при возведении фундамента на суходоле;

— нагрузками, передаваемыми фундаментом на грунты основания.

Вместе с тем глубина заложения фундамента должна быть такой, чтобы надёжная и безопасная эксплуатацию сооружения обеспечивалась при минимальных затратах на возведение фундаментов. Выполнение этого условия, при заданной конструкции фундамента, достигается за счёт рационального выбора наименьшей (из возможных) глубины его заложения.

Выбираем за несущий слой суглинок. В несущий слой грунта фундамент должен быть заглублен не менее чем на 0,5 м.

1.1.1 Определение глубины заложения фундамента, возводимого на суходоле Исходя из инженерно-геологических условий минимальная глубина заложения фундамента d (Рис. 2а) будет:

где hнес. сл. — глубина подошвы слоя, предшествующего несущему, м.

Исходя из инженерно-геологических условий и возможности размыва грунта фундамент мостовой опоры должен быть заглублен не менее чем 2,5 м от дна водотока после его размыва расчётным паводком.

Рис. 1. Конструкция промежуточной опоры и жёсткого фундамента мелкого заложения Исходя из инженерно-геологических условий, сезонного промерзания грунта и с учетом конструктивных требований, минимальная глубина заложения фундамента d (Рис.2) будет:

d =hp+hw+2,5=1,9+0,6+2,5=5,0 м, где hw — глубина водотока, м;

hp — глубина размыва грунта, м За окончательную минимально возможную глубину заложения фундамента принимается .

1.1.2 Определение высоты фундамента Высота фундамента hf (Рис.1) определяется как разность отметок его подошвы и обреза и находится из выражения:

где d — глубина заложения фундамента, м;

dобр. — расстояние от условной нулевой отметки (Рис. 2,3) до обреза фундамента, принимаемое равным для фундаментов, возводимых на водотоке — 0,6 м.

1.2 Определение расчетных усилий, действующих в уровне подошвы фундамента Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний — это расчёты по несущей способности основания и устойчивости фундамента против опрокидывания. Прочность и устойчивость конструкций жёстких фундаментов мелкого заложения по материалу обеспечивается, как правило, выполнением конструктивных требований при назначении их размеров.

Рис. 2. Конструктивная схема моста с жёстким фундаментом мелкого заложения под промежуточную опору на суходоле; NL — отметка поверхности природного рельефа; Lрасчётный пролет Рис. 3. Конструктивная схема моста с фундаментом глубокого заложения (свайным) с низким жёстким ростверком под промежуточную опору на суходоле: NL — отметка поверхности природного рельефа; Lрасчётный пролёт.

В общем случае на фундамент промежуточной опоры моста действуют, в различных сочетаниях, 18 нагрузок и воздействий. Эти нагрузки можно привести к двум усилиям приложенных в центре тяжести площади подошвы фундамента:

— вертикальному расчетному усилию N, определяемому как сумму всех вертикальных нагрузок, кН:

N=Fd+Ft+Goп+Gф,

— расчетному моменту М относительно оси х-х от горизонтальной нагрузки Т, кН*м:

М=Т?(hоп+hф),

Fd=f?Fdn;

Ft=f?(1+k)?Ftn;

T=f (1+k)?Tn;

Fdn=qdn?L;

Ftn=qtn?L.

где

fкоэффициент надёжности по нагрузке для постоянных нагрузок от собственного веса пролётных строений — 1,1;

fкоэффициент надёжности по нагрузке для временных вертикальных нагрузок от подвижного состава -1,18;

(1 +) -динамический коэффициент, к нагрузкам от подвижного состава, принимаемый равным:, по первой группе предельных состояний; по второй группе (1+)= 1;

Тn — расчётная горизонтальная продольная нагрузка от торможения;

L — расчётный пролёт моста, м.

Вертикальная расчетная нагрузка от подвижного состава:

Ftn=255?27=6885 (кН),

Ft=1,18?1,21?6885=9865,22 (кН).

Вертикальная расчетная нагрузка от собственного веса конструкций:

Fdn=110?27=2970 (кН),

Fd=1,1?2970=3267 (кН).

Расчетная нагрузка от собственного веса опоры:

Gоп=1,1?6,83?8,8?22=1454,83 (кН) где

f — коэффициент надёжности по нагрузке, принимаемый равным 1,1;

Аоп — площадь поперечного сечения опоры, м²;

hоп. — высота опоры, м;

— удельный вес материала опоры .

Расчетная нагрузка от собственного веса фундамента с учетом веса грунта обратной засыпки (на водотоке — вес грунта и воды):

Gф. = срfbld — whw;

Gф=1,2?22,8?5,0?12,6?2,4 — 10?1,9=4134,06 (кН) где

f — коэффициент надёжности по нагрузке, принимаемый равным 1,2;

ср — средний удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах, принимаемый равным 22,8 кН/м3.

w — удельный вес воды, равный 10 кН/м3;

hw — расстояние от уровня межевых или подземных вод до подошвы фундамента или верхней границы несущего слоя грунта, если он сложен суглинками и глинами.

Определяются размеры подошвы фундамента при = 30, т. е. наибольшие:

;

. ,

где В и D — ширина и длина фундамента в уровне обреза, принимаемые по заданию.

Горизонтальная нагрузка:

T=f (1+k)?Tn;

T=1,12?1,21?315=428,4 (кН) Таким образом, расчетные усилия, действующие в уровне подошвы жёсткого фундамента мелкого заложения, следует определять по формулам:

— для расчета по первой группе предельных состояний:

при расчете по несущей способности основания

кН;

М=1,12?(1+k)?Тn ?(hоп+hф)=4541,04 кН? м.

при расчете по устойчивости фундамента против опрокидывания

N=0,9?qdn?L+1,18?(1+k)? qtn? L +0,9?22?Аоп ?hоп +0,9? 22,8?bld — whw =16 824,33кН;

М=1,12?(1+k)?Тn ?(hоп+hф)=4541,04 кН? м.

— для расчета по второй группе предельных состояний:

N=1,0?qdn?L+1,0?(1+k)? qtn? L +1,0?22?Аоп ?hоп +1,0? 22,8?bld — whw=14 619,45 кН;

М=1,0?(1+k)?Тn ?(hоп+hф)=3339,00 кН? м.

1.3 Определение расчётного сопротивления грунта основания осевому сжатию Расчётное сопротивление основания из нескального грунта осевому сжатию R, кПа, под подошвой фундамента мелкого заложения следует определять по формуле:

где

Rо — условное сопротивление грунта, кПа;

b — ширина подошвы фундамента, м;

при ширине более 6 м принимается b= 6 м;

d — глубина заложения фундамента, м; (d — 3)? 0;

— осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента; допускается принимать

= 19,62 кН/м³;

k1, k2 — коэффициенты.

1.4 Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний выполняется:

— по несущей способности основания и устойчивости фундамента против опрокидывания;

— по прочности и устойчивости конструкции фундамента (по материалу). Прочность и устойчивость конструкций жёстких фундаментов мелкого заложения по материалу обеспечивается, как правило, выполнением следующих конструктивных требований:

— угол б на рис. 1 не должен превышать 30о;

— класс бетона по прочности на сжатие для таких фундаментов должен быть не ниже В20.

Полагая, что выполнением конструктивных требований, приведенных выше, прочность и устойчивость фундамента по материалу обеспечена, расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний выполняется только по несущей способности основания и устойчивости фундамента против опрокидывания.

1.4.1 Расчёт по несущей способности основания Расчёт по несущей способности основания в общем случае выполняется для определения размеров подошвы фундамента. В курсовой работе размеры подошвы фундамента уже определены по зависимостям значений b и l поэтому расчёт по несущей способности основания нужен, чтобы убедиться в достаточности и рациональности полученных значений b и l и, при необходимости, выполнить их корректировку.

Используя полученные значения N, hf, b и l определяют p, pmax, pmin и проверяют условия:

Где p, pmax, pmin — среднее, максимальное и минимальное давление под подошвой фундамента.

;

A= b? l, м²;

W=22?bl/6, м³;

Где R — расчётное сопротивление грунта основания осевому сжатию, кПа;

n — коэффициент надёжности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,4;

Nсуммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы, кН.

Условия выполняются, следовательно, принятые размеры фундамента достаточны, а несущая способность основания обеспечена.

1.4.2 Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания заключается в проверке условия:

где

Mu — момент опрокидывающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания), проходящей через точку О (Рис. 5) и параллельной большей стороне фундамента, кН•м;

Mz — момент удерживающих сил относительно той же оси, кН•м;

m — коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,8;

n — коэффициент надёжности по назначению, принимаемый равным 1,1.

Рис. 5 Нагрузки, действующие на промежуточную опору и фундамент моста эпюры давления под подошвой фундамента Опрокидывающий момент Mu, определяется:

Ми=1,12?(1+k)?Тn ?(hоп+hф)= 4541,04 кН? м, где

hоп., hf — высота опоры и фундамента соответственно, м.

Удерживающий момент Mz определяется:

где

Nсуммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы, кН, определяемая по формуле:

N=0,9?qdn?L+1,18?(1+k)? qtn? L +0,9?22?Аоп ?hоп +0,9? 22,8?bld — whw;

при коэффициенте надёжности f = 0,9 для всех постоянных нагрузок;

b — ширина подошвы фундамента, м.

N=0,9?qdn?L+1,18?(1+k)? qtn? L +0,9?22?Аоп ?hоп +0,9? 22,8?bld — whw = 16 824,33 кН;

;

Условие выполняется, следовательно, устойчивость фундамента против опрокидывания обеспечена, а его размеры достаточны. Они и принимаются как окончательные. Расчёт по первой группе предельных состояний на этом завершается, поскольку обеспечено соблюдение условий, гарантирующих безопасную и надёжную работу и основания, и фундамента.

1.5 Расчёт основания и фундамента по второй группе предельных состояний

1.5.1 Определение осадки основания фундамента Расчёт выполняется в следующем порядке.

1. Определяется суммарная вертикальная расчётная нагрузка N на фундамент в уровне его подошвы :

N=1,0?qdn?L+1,0?(1+k)? qtn? L +1,0?22?Аоп ?hоп +1,0? 22,8?bld — whw =14 619,45 кН.

2. Определяется среднее давление р под подошвой фундамента:

.

где

b, l — размеры подошвы фундамента, принимаемые по результатам расчёта по первой группе предельных состояний, м.

3. Сжимаемую толщу основания (см. рис.6) на глубину примерно

3b=3 разбивают на элементарные слои толщиной

hi? 0,4b,

где b — ширина подошвы фундамента.

4. Определяются дополнительные вертикальные напряжения в середине (по толщине) каждого элементарного слоя по формуле:

zp, i=ip0,

где

i — коэффициент, принимаемый в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины i, равной 2zi / b;

p0 = p — zg, 0 — дополнительное вертикальное давление на основание, кПа;

zg, 0 = /d — вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента, кПа;

/ - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента, в работе разрешается принимать по наибольшему значению для грунтов, расположенных выше подошвы, кН/м3;

d — глубина заложения фундамента, принимаемая по результатам расчёта по первой группе предельных состояний, м.

5. Определяются вертикальные напряжения от собственного веса грунта zg на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента по формуле:

где

i и hi — соответственно удельный вес и толщина i-го слоя грунта.

При определении zg в водоупорном слое следует учитывать давление столба воды, расположенного выше рассматриваемой глубины.

Вычисление осадки фундамента s рекомендуется выполнить в табличной форме:

zi — расстояние от подошвы фундамента до подошвы i-го элементарного слоя;

s? su,

su =15см, => 3,8?15.

Условие расчета основании и фундамента по деформациям выполняется, следовательно, все расчеты выполнены верно.

Рис. 6 Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформированном полупространстве.

1.5.2 Определение крена фундамента Крен фундамента i при действии внецентренной нагрузки определяется по формуле:

i=[(1−2)/ Е]? ke ?[M/(a/2)3];

i=[(1−0,352)/ 24 000]?0,69 ?[5567,331/(10,9/2)3]=0,002,

где Е и — соответственно модуль деформации (кПа) и коэффициент Пуассона грунта основания, принимаемый равным для глин — 0,42;

ke — коэффициент, принимаемый 0,175;

а — сторона прямоугольного фундамента, параллельная плоскости действия момента, м.

Расчёт основания и фундамента по второй группе предельных состояний — это расчёты по деформациям.

Расчёт основания и фундамента по деформациям производится исходя из условий:

где

s — совместная деформация основания и фундамента (осадка) от внешних нагрузок, см;

su — предельное значение совместной деформации основания и сооружения (осадки), принимаемое равным 15 см;

i — крен фундамента в продольном направлении;

iu — предельное значение крена фундамента, принимаемое равным:

где

l — длина меньшего из примыкающих к опоре пролётов, м;

hf и hоп. — соответственно высота фундамента и опоры, м.

Проверяем условия:

Условие выполнено.

2. Проектирование фундамента глубокого заложения На суходоле и на водотоке, при его глубине до трёх метров, проектируются, как правило, свайные фундаменты с забивными призматическими железобетонными сваями и низкими жёсткими ростверками из монолитного бетона класса не ниже В15. Конструкция таких фундаментов и их основные параметры приведены на Рис. 3, Рис. 4 и Рис. 7.

Расчет свайного фундамента и его основания должен выполняться по предельным состояниям: первой группы (по прочности материала свай и свайного ростверка, по несущей способности грунта основания свай); второй группы (по осадкам основания свай и свайного фундамента, по образованию или раскрытию трещин в элементах железобетонных конструкций свайного фундамента).

2.1 Определение глубины заложения ростверка и его размеров Минимальная глубина заложения низкого ростверка на водотоке (Рис.3) должна быть такой, чтобы его подошва располагалась ниже линии местного размыва грунта.

Минимальная высота низкого ростверка должна быть не менее 1,5 м (hр 1,5 м), при этом связь между размерами подошвы ростверка и его высотой такая же, как для фундаментов мелкого заложения.

За окончательные размеры ростверка принимаются:

;

. ,

2.2 Выбор длины и размеров поперечного сечения свай Минимальная длина сваи определяется положением подошвы ростверка и кровли прочного грунта. Нижний конец свай следует заглублять в прочные грунты, прорезая более слабые.

Принимаем сваи сплошного квадратного сечения с размерами 3535 см, длина сваи 15 м.

2.3 Определение несущей способности сваи Несущую способность Fd висячей забивной сваи сплошного квадратного сечения, работающей на вертикальную нагрузку, следует определять как сумму расчетных сопротивлений грунтов оснований под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле:

Fd = RF + ufili=,

где

R — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа;

F — площадь опирания на грунт сваи, принимаемая по площади её поперечного сечения, м²;

u — наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

fi — расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа;

li — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью, м.

Расчетная нагрузка Р, допускаемая на сваю.

2.4 Размещение свай под подошвой ростверка Сваи размещаются под подошвой ростверка не менее чем в три ряда, параллельных большей стороне фундамента. При этом как количество свай, так и расстояние между осями их крайних рядов должно быть наибольшими, при соблюдении конструктивных требований (см чертеж).

2.5 Определение расчётной нагрузки на сваю Максимальная расчетная нагрузка на сваю (максимально нагруженными, с учётом действия момента, вызываемого горизонтальной продольной нагрузкой от торможения или силы тяги, являются сваи крайних рядов) определяется по формуле:

Nсв = N / n + Мy1 / [(?yi2)m];

где

N — соответственно суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне подошвы ростверка и горизонтальная продольная расчётная нагрузка от торможения или силы тяги, равный

;

n — число свай в фундаменте;

Mрасчетный момент, равный М=1,12?(1+k)?Тn ?(hоп+hр)=1,121,21 315 (8,8+2,6)= 4883,76 кН*м;

M — число в ряду;

уi — расстояние от главных осей х и у сваи, равное

yi = b/2−0,25−0,35/2= 1,98 м;

Nсв = 21 620,35 /40 +4883,76? 1,98 / [(11,025)?10]=711,34 кН.

Свайные фундаменты и сваи по несущей способности грунтов основания рассчитываются по формуле:

Nсв Fd / g

711,34 1139,6/1,4

711,34 814

где

Nсв — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю, кН;

Fd — несущая способность сваи (расчётная несущая способность грунта основания одиночной сваи), кН;

g — коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным 1,4.

Условие выполнено верно.

Заключение

Глубина заложения фундаментов определяется:

— инженерно-геологическими условиями площадки строительства;

— глубиной сезонного промерзания грунтов при возведении фундамента на суходоле;

— нагрузками, передаваемыми фундаментом на грунты основания.

Вместе с тем глубина заложения фундамента должна быть такой, чтобы надёжная и безопасная эксплуатацию сооружения обеспечивалась при минимальных затратах на возведение фундаментов. Выполнение этого условия, при заданной конструкции фундамента, достигается за счёт рационального выбора наименьшей (из возможных) глубины его заложения.

Список используемой литературы

1. Власова С. Е. Методические указания к выполнению курсовой работы 2012.

2. Ухов С. Б. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. — М., 2009.

3. Б. И. Долматов Механика грунтов, основания и фундаменты. — Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 2008.