Проектирование фундаментной конструкции

1. Исходные данные по надфундаментной конструкции

2. Инженерно-геологические условия площадки строительства

3. Определение глубины заложения фундамента

4. Выбор типов оснований и фундаментов

5. Защита помещений от грунтовых вод и сырости

6. Расчет оснований по предельным состояниям Список литературы

1. Исходные данные по надфундаментной конструкции

Запроектированное здание «Многоярусная автостоянка открытого типа». Несущий остов здания — каркас. Он состоит из вертикальных опор — колонн, фундаментов и горизонтальных элементов, образующих перекрытия и покрытие (ригелей, плит), обеспечивающих жесткость здания в целом и способствующих единству работы несущего остова в условиях всех действующих на здание нагрузок (Табл. 1, а.)

Здание смешанной этажности. В плане имеет прямоугольную форму с размерами в осях 58,2×37,2 м. Для здания с полным железобетонным каркасом принимаем относительную разность осадок = 0,002 м, а максимальная осадка = 8 см.

Таблица 1, а. Усилие на верхних обрезах фундаментов (основные сочетания нагрузок)

Из двух сочетаний в выбираем комбинацию с максимальной силой т. е. 1 — е сочетание. Расчетные усилия получаем умножая соответствующие величины на усредненный коэффициент перегрузки, равный 1,2.(Табл. 1, б.)

Таблица 1, б.

2. Инженерно-геологические условия площадки строительства

Территория строительства находится в г. Ессентуки.

Рельеф площадки спокойный.

Слои залегают согласно.

1-й слой насыпной грунт. Толщина слоя 1,3- 1,7 м.

2-й слой — глина лёгкая полутвёрдая. Толщина слоя 2,3−3,4 м.

3-й слой — мергель полускальный.

Уровень грунтовых вод находится на глубине м от поверхности.

По данным инженерно-геологических изысканий определяем (2):

1. Плотность сухого (скелета) грунта определяется по формуле (2.6) [2]:

где с — плотность грунта,

с_d — плотность в сухом состоянии, т/м³;

W — естественная влажность грунта, %.

2. Пористость грунта определяется по формуле (2.10) [2]:

где плотность твердых частиц, .

3. Коэффициент пористости определяется по формуле (2.11) [2]:

где e — коэффициент пористости;

с_s — плотность твердых частиц,

с — плотность грунта,

с_d — плотность в сухом состоянии, т/м³;

4. Удельный вес с учетом взвешивающего действия воды определяется по формуле (2.12) [2]:

где г_sb — удельный вес с учетом взвешивающего действия воды, кН/м³;

5. Степень влажности определяется по формуле (2.14) [2]:

где S_r — степень влажности;

с_w — плотность воды, т/м³;

влажность, %.

6. Число пластичности определяется по формуле (2.16) [2]:

где W_L — влажность грунта на пределе текучести, %;

W_р — влажность грунта на пределе раскатывания, %.

7. Показатель текучести определяется по формуле (2.15) [2]:

где I_L — показатель текучести;

R_о — условное расчетное сопротивление грунта (для предварительного назначения размеров фундамента), кПа; ((8) СНиП 2.02.01−83* приложение 3. таб.2, 3.). Образец № 1, скважина № 1, глубина отбора образца 2,5 м Окончательно получаем грунт — глина лёгкая полутвердая с = 340 кПа.

Образец № 2, скважина № 1, глубина отбора образца 5,5 м Окончательно получаем грунт — мергель полускальный с = 100 кПа.

3. Определение глубины заложение фундамента

1. По назначению и конструктивным особенностям проектируемого сооружения принимаем железобетонные колонны. Верхний обрез фундамента под колонну принимаем на 150 мм ниже отметки чистого пола. Глубину заделки сборной колонны в стакане фундамента Н_з принимаем равной:

Для колонн сплошного сечения Н_з = 1,5 · h_к = 1,5 · 400 = 600 мм.

По конструктивным условиям высота ростверка равна (h_o + 0,25)м, но не менее 30 см, где h_o — высота заделки в него сваи, которую принимаем не менее 5 см.

Высота столбчатого фундамента с учетом заделки сборной колонны сечением 400×400 мм в стакан фундамента принимаем 850 мм.

Высоту ростверка принимаем h_р = 500 мм.

Глубина заложения подошвы фундамента № 2

Глубина заложения подошвы столбчатого фундамента — 1,0 м (624,57). При свайном варианте фундамента глубина заложения подошвы ростверка будет — 0,5 м (625,07).

Глубина заложения подошвы фундамента № 1

1. Глубина заложения подошвы столбчатого фундамента — 4 м (621.75). При свайном варианте фундамента глубина заложения подошвы ростверка будет — 3,4 м (622,35).

2. Строительная площадка свободна от застройки и поэтому на глубину заложения фундаментов ограничений нет.

3. Несущим слоем является глина для всех фундаментов. Глубина заложения фундамента № 2 — 1,0 м. Для фундаментов № 1 с учетом конструктивных особенностей принимаем несущий слой — тоже глина толщина несущего слоя составляет 0,8 м что может быть не достаточно, но предварительно принимаем глубину заложения подошвы фундаментов 4,0 м. Принимаем минимальное заглубление в несущий слой 10 см. Если будем рассматривать свайный фундамент то подошва ростверка будет находится на глубине 3,4 м.

4. Существующий рельеф территории спокойный и не накладывает ограничений на глубину заделки фундамента.

5. Глубина сезонного промерзания грунтов не влияет на глубину заложения фундамента т. к. для данной территории глубина сезонного промерзания составляет 0,8 м и поэтому ограничений нет.

4. Выбор типов оснований и фундаментов

Исходя из данных по инженерно-геологическим и гидрогеологическим условиям площадки строительства и надфундаментной конструкций, принимаем абсолютную отметку чистого пола — 625,77 (0,000).

Расчет фундамента мелкого заложения

Фундамент № 2

Расчетные усилия

F_{V, II} = 1512 кН; M_II = 84 кН м; F_h,II = 24 кН

Вычисляем площадь подошвы А:

А= F_{V, II} / R₀

А = 1512/340 = 4,5 м²

Форму фундамента выбираем квадратную. Вычисляем размеры фундамента.

= b b = 2,1 м.

Определяем расчетное сопротивление грунта основания по формуле:

п

По СНиП 2.02.01−83* табл. 3, 4 находим значения:

= 1,2; = 1,0; k = 1,1; k_z = 1; b = 2,1 м; г_II = 19,6 кН/м³; г_II^I = 21,6 кН/м³;

M_г = 0,39; M_q = 2,57; M_c = 5,15; d₁ = 1,0 м; с_II =21 кПа.

R = (1,2· 1,0)/1,1[0,39·1·2,1·19,6 + 2,57· 1,0·21,6 + 5,15· 21] = 195 кПа Вычисляем площадь подошвы, А во втором приближении:

Вычисляем площадь подошвы, А во втором приближении, А = / R

А = 1512/200 = 7,56 м²

Принимаем размер фундамента:

b = 3 м, А = 9 м²

Вычисляем среднее давление под подошвой фундамента по формуле:

P = (F_{V, II} + G_Ф,II + G_ГР,II) /А

P = [1512 + (20· 1,0 · 9)]/ 9 = 188 кПа < R

Определяем максимальное и минимальное давление по формуле (10.8):

P_{max min} = (F_{V, II} + G_Ф,II + G_ГР,II) /А + (M_II + F_h,II · d)/ W_x

= 4,5 м³

Находим давление под ее угловыми точками:

P_max = 188 + (84 + 24 · 1,0) /4,5 = 212 кПа < 1,2 R= 408 кПа

P_min = 188 — 24 = 164 кПа > 0

Условие выполняется.

Фундамент № 1

Расчетные усилия

F_{V, II} = 1104 кН; M_II = 288 кН м; F_h,II = 36 кН

Вычисляем площадь подошвы А:

А= F_{V, II} / R₀

А = 1104/340 = 3,2 м²

Форму фундамента выбираем квадратную. Вычисляем размеры фундамента.

v А= b b = 1,8 м.

Определяем расчетное сопротивление грунта основания по формуле (7):

г_c1 = 1,2; г_c2 = 1,0; k = 1,1; k_z = 1; b = 1,8 м; г_II = 19,6 кН/м³; г_II^I = 21,18 кН/м³;

M_г = 0,39; M_q = 2,57; M_c = 5,15; d₁ = 4 м; d_В = 3,0 м; с_II =21 кПа.

Вычисляем площадь подошвы, А во втором приближении, А =F_{V, II} / R

А = 1104/480 = 2,3 м²

Принимаем размер фундамента:

b = 2,0 м; А = 4,0 м²

Вычисляем среднее давление под подошвой фундамента:

P = (F_{V, II} + G_Ф,II + G_ГР,II) /А

P = [1104 + (20· 4·4)] /4 = 356 кПа < R

Определяем максимальное и минимальное давление:

P_{max min} = (F_{V, II} + G_Ф,II + G_ГР,II) /А + (M_II + F_h,II · d)/ W_x

W_x = 1,33 м³

Находим давление под ее угловыми точками:

P_max = 356 + (288 + 36 · 4)/1,33 = =660 кПа > 1,2 R = 816 кПа

P_min = 356 — 332 = 24 кПа > 0

Условие выполняется.

Схема действия сил и эпюра контактных давлений

Расчет свайного фундамента

Схема для определения несущей способности одиночной сваи по грунту для фундаментов

Фундамент № 2

Расчетные усилия:

F_{V, II} = 1512 кН; M_II = 84 кН м; F_h,II = 24 кН; z = 10 м; в = 0,4×0,4 м Вычисляем несущую способность висячей сваи (кН) по формуле (4.8) [10]:

где: г_c — коэффициент условий работы сваи в грунте; г_сR, — коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи; R — расчетное сопротивление под нижним концом сваи, кПа; Аплощадь поперечного сечения сваи, м²; uпериметр поперечного сечения сваи, м; -расчетное сопротивление i — го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа; -толщина i — го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

г_с =1; г_сR = 1,0; г_cf = 1,0; R = 5000 кПа; А = 0,09 м²; u = 0,9 м; f₁ = 35,0 кПа; f₂ = 58 кПа; h₁ = 3,5 м; h₂ = 5 м;

F_d = 1[1· 5000·0,09+0,9·1(35,0·3,5 + 58· 5)] =1250 кН Расчет по несущей способности грунтов основания заключается в выполнении условия по формуле (11.13) [2]:

N₁ < F_d / г_k

г_k = 1,4 N₁ = 1250/1,4 = 893 кН Определяем количество свай по формуле (11.16) [2]:

n = г_k · F_{V, II} /F_d

n = 1,4· 1512/1250 = 1,7? 2 шт.

Расстояние между осями свай принимаем, а = 3d = 1,2 м.

где d — сторона сваи, м.

Вычисляем вертикальное усилие на уровне подошвы ростверка:

N_d = F_{V, II} + G_{Ф, II} + G_{ГР, II}

N_d = 1512 + (20· 2·0,6) = 1536 кН На каждую сваю N_d /4 = 384 кН < 1250 кН Вычисляем расчетную нагрузку максимально и минимально нагруженные сваи по формуле (11.21) [2]:

N = 384 + 84· 1,2/0,6²·2 = 384 + 100,8/1,44 = 454 кН < N₁ — условие выполняется.

Технические показатели

Таблица 3.

Окончательно принимаем фундамент № 1 мелкого заложения, а № 2 свайный.

5. Защита помещений от грунтовых вод и сырости

Исходя из гидрогеологических условий строительной площадки и особенностей конструкций проектируем защиту от проникновения атмосферных осадков в грунт путем отвода дождевых и талых вод по нагорной канаве и отмостке.

Уровень грунтовых вод находится на глубине 8,5 м от поверхности и не оказывает негативного воздействия на состояние строительных конструкций и условия эксплуатации.

Отвод дождевых и талых вод с площадки строительства производится для защиты грунтов от переувлажнения при эксплуатации здания. Для организации отвода осуществляем вертикальную планировку территории застройки, заключающейся в придании местности определенных уклонов. Для эвакуации собравшейся воды предусматривается устройство на местности системы водоотливных канав, а на застраиваемой местности, где применение открытой системы водоотлива затруднительно, устраиваем закрытые лотки и ливневую канализацию. С этой же целью вдоль наружных стен здания устраиваем отмостку с уклоном в сторону от сооружения.

6. Расчет оснований по предельным состояниям

Согласно СНиП 2.02.01−05 основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний: первой — по несущей способности и второй — по деформациям.

Расчет осадок методом послойного суммирования (вторая группа предельных состояний)

Метод послойного суммирования является доступным и точным расчетом.

Рис. 2. Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве

DL — отметка планировки; NL — отметка поверхности природного рельефа; FL — отметка подошвы фундамента; WL — уровень подземных вод; ВС — нижняя граница сжимаемой толщи; d и d_n глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки и поверхности природного рельефа; b — ширина фундамента; р — среднее давление под подошвой фундамента; р₀ — дополнительное давление на основание; _zg и _zg,0 — дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; _zp и _zр,0 — дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; Н_с — глубина сжимаемой толщи

Фундамент мелкого заложения Ф2

1. Вычислим вертикальные нормальные напряжения от собственного веса грунта по формуле (6) [8]:

На контакте I-II:

На контакте II-III:

На контакте III-IV:

На контакте IV-V:

С учетом взвешивающего действия воды V:

Без учета взвешивающего действия воды V:

VI слой:

2. Строим эпюру слева от оси z и эпюру 0,2справа.

3. Определяют величину дополнительного (осадочного) давления на грунт под подошвой фундамента ((8) СНиП 2.02.01−83* приложение 2.):

4. Разбиваем толщу основания на элементарные слои толщиной, исходя из условия .

Граница элементарных слоев совпадает с границами естественных напластований. Определяем координату подошвы элементарных слоев, причем z = 0 соответствует подошве фундамента, и данные заносим в таблицу.

5. Вычисляем дополнительные вертикальные нормальные напряжения на границах слоев грунта по формуле (2) [8]:

где — коэффициент, учитывающий уменьшение по глубине дополнительного давления. ((8) СНиП 2.02.01−83* приложение 2. таб. 1.)

Строим эпюру. Точка пересечения эпюр и соответствует нижней границе сжимаемой толщи.

6. Определяем величину средних дополнительных давлений в каждом из элементарных слоев по формуле (5) [8]:

7. Определяют величины осадок каждого элементарного слоя по формуле (1) [8]:

где — коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения при деформировании грунтов в условиях компрессии. Назначается в зависимости от коэффициента Пуассона .

Таблица 4. Среднее значение коэффициента Пуассона и коэффициента

8. Суммарная осадка всех элементарных слоев составляет расчетную величину осадки основания S ((8) СНиП 2.02.01−83* приложение 2.):

где — безразмерный коэффициент, равный 0,8;

_zp,i — 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.

DL — отметка планировки;

NL — отметка поверхности природного рельефа;

FL — отметка подошвы фундамента;

WL — уровень подземных вод;

ВС — нижняя граница сжимаемой толщи.

Расчет осадки свайного фундамента № 4

Расчет осадки производим методом послойного суммирования.

Расчет осадок свайных фундаментов производится по методу условного массивного фундамента

1. Вычисляем границы условного фундамента по формуле (11.23) [2]:

автостоянка фундамент грунтовой несущий Вычисляем осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта по формуле (11.24) [2]:

ц_II,mt = 26,56· 1,3+26,46·2,8+26,16·2,5 + 26,06· 1,2 + 1,3· 19,04+ 26,85· 0,9 /10 = 254,2/10 = 25,4

с = 15tg (25,4/4) = 1,7 м

2. Определяем размеры подошвы условного фундамента по формуле (11.25) [2]:

в = l = а (m — 1)+ d + 2с где, а — расстояние между осями свай, м; m — количество рядов свай; d — сторона квадратного сечения сваи, м.

в = 1,6(2 — 1)+ 0,4 + 2 · 1,7 = 5,4 м; l = 5,4 А = 29,16 м²

3. Вычисляем среднее давление по подошве условного фундамента по формуле (11.27) [2]:

Вычисляем расчетную нагрузку по второй группе предельных состояний по формуле (11.28) [2]:

= 3357 + 128+7412,4 = 10 897,4 кН

= 10 897,4/29,16 = 373,7 кН

4. Расчетное сопротивление грунта:

= 1,4; = 1,4; = 1,1; = 1; = 5,4 м; = 26,85 кН/м³;

= 25,4 кН/м³; = 0,51; = 3,06; = 5,66; d₁ = 10 м; с_II = 61

R = 2131 кПа

= 373,3 < R = 2131

5. Определяем давление на грунт

= = 25,4· 10 = 254 кН

6. Определяем осадочное давление (Табл. 5)

= 373,7 — 254 =119,7 кН Таблица 5.

Для здания ремонтного цеха с полным железобетонным каркасом осадка составляет 0,5 см, что не превышает максимальной осадки = 15 см.

1. Основания и фундаменты. Часть 2. Основы геотехники: Учебник/ Под ред. Б. К. Долматова — М.: Изд — во АВС; СПбГАСУ, 2002.

2. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учеб. пособие для строит. спец. вузов/ Под ред. С. Б. Ухова — М.: Высшая школа, 2002.

3. Малышев М. В., Болдырев Г. Г. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах): Уч. пособие — м.: Изд — во АВС, 2001.

4. Берлинов М. В., Ягупов Б. А. Расчет оснований и фундаментов: Учебн. для строит. спец. учебн. заведений — М.: Стройиздат, 2004.

5. Механика грунтов, основания и фундаменты: Методические указания к выполнению курсового проекта и раздела дипломного проекта/ А. З. Попов, С. В. Сергеев — Белгород: БТИСМ, 1988.

6. Инженерная геология: Учеб. для строит. спец. вузов/ В. П. Ананьев, А. Д. Потапов. — М.: Высшая школа, 2002.

7. Проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений: Методические указания к выполнению курсового проекта по основаниям и фундаментам для студентов специальности 290 300 (270 102) «Промышленное и гражданское строительство» /А.С. Марутян — Пятигорск ПГТУ, 2005. — 92с.

8. СНиП 2.02.01−83*. Основания зданий и сооружений/Минстрой России — М.: ГП ЦПП, 1995 — 48 с.

9. ГОСТ 25 100– — 95. Грунты. Классификация. М., 1996.

10. СНиП 2.02.03 — 85. Свайные фундаменты. М., 1986.

11. СП 50−101−2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений.