Проектирование фундаментов мелкого заложения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВА Кафедра Оснований и фундаментов

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине «Основания и фундаменты»

Пенза 2006

1. Определение физико-механических показателей грунтов и сбор нагрузок на фундаменты

1.1 Оценка инженерно-геологических условий площадки строительства

Площадка строительства находится в г. Пенза. Рельеф спокойный. Инженерно-геологические условия площадки строительства выявлены бурением пяти скважин на глубину 14−15 м. При бурении вскрыто следующее напластование грунтов (сверху вниз):

слой 1 — почвенно-растительный слой (толщина слоя 1,0 м) слой 2 супесь (толщина слоя 1,7 м) слой 3 заторфованные грунты (вскрытая мощность слоя 3м);

слой 4 — гранит Физико-механические характеристики слоев грунта с исходными данными инженерно-геологических изысканий приведены в табл.1.

Используя данные задания на проектирование, определяем производные физико-механические характеристики грунтов.

Заторфованные грунты:

коэффициент пористости:

число пластичности

Ip = 15−14=1

показатель текучести:

;

коэффициент относительной сжимаемости:

;

модуль деформации:

;

степень влажности:

— расчётное сопротивление грунта:

R=105 кПа (1,05 кгс/см3)

Супеси:

коэффициент пористости:

;

число пластичности

Ip=wl — wp;

Ip = 29−22 = 7

показатель текучести:

;

коэффициент относительной сжимаемости:

;

модуль деформации:

где — коэффициент Пуассона;

= 0,3-пески, супеси;

= 0,35 суглинки,

= 0,42 глины;

;

степень влажности:

;

— расчётное сопротивление грунта:

R=250 кПа (2,5 кгс/см3)

Исходные данные и определенные физико-механические показатели грунтов, необходимые для дальнейших расчетов, сводим в табл.1.

Анализ физико-механических свойств грунтов строительной площадки, приведенные в табл. 1 показывает на то, что основанием фундаментов мелкого заложения может служить слой 2 — супесь, так как они имеют модуль деформации более 5 МПа. Также основанием свайных фундаментов может служить слой 4 — гранит. В данной ситуации выбор первого или второго варианта фундаментов следует определить на основании технико-экономического сравнения проектных решений.

Физико-механические показатели грунтов Таблица 1

2. Проектирование фундаментов мелкого заложения

2.1 Расчет ленточного фундамента на естественном основании

Рассчитаем фундамент на естественном основании под наружную стену жилого дома. Максимальная нагрузка по обрезу фундамента для расчета по деформациям, NII = 296,4 кН/м. Пол подвала на 2,0 м. ниже планировочной отметки. Основанием служит супесь. Мощность слоя 1,7 м. Подстилающий слой заторф.

Стены несущие кирпичные. Принимаем непрерывный (ленточный) фундамент из железобетонных подушек и бетонных блоков (рис. 2.1).

При наличии подвала глубина заложения фундамента определяется высотой подвала. Глубина заложения фундамента — расстояние от дневной поверхности грунта до поверхности фундамента. Минимальное заглубление подошвы со стороны подвала 0,5 м от отметки пола подвала в подвальном помещении устройство пола обязательно.

Назначаем глубину заложения фундамента в соответствии с требованиями [/1/, пп.2.25−2.33].

Расчетная глубина сезонного промерзания определяется по [/1/, формула (3)]:

м где kh — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания, принимаемый по [2,табл. 1];

dfn — нормативная глубина промерзания. Для города Пенза нормативная глубина промерзания, равна 1,5 м. Для жилого здания с подвалом, коэффициент теплового режима, равен 0,6.

Учитывая конструктивные особенности здания (наличие подвала), назначаем отметку подошвы фундамента исходя из конструктивных требований, равной 3,4 м.

Определим ширину подошвы фундамента из условия, чтобы среднее давление под его подошвой P не превышало расчетного сопротивления грунта основания R.

Назначаем в первом приближении ширину подошвы фундамента b = 1,0 м.

Определяем расчетное сопротивление грунта основания по [2, формула (7)]:

где c1 и c2 — коэффициенты условий работы, принимаемые по [2 табл 3];

k = 1, если прочностные характеристики грунта (и с) определены непосредственными испытаниями;

М, Мq, Мc — коэффициенты, принимаемые по [2 табл. 4]; Кz — коэффициент, принимаемый равным: при b < 10 м — kz = 1

b — ширина подошвы фундамента, м;

II — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды взв=(s — w)/(1 + e) кН/м3;

II — то же, залегающих выше подошвы;

с — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа;

d — глубина заложения фундаментов безподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле где hs — толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;

hса — толщина конструкции пола подвала, м;

са — расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м3;

Формулу (2.4) допускается применять при любой форме фундамента в плане. Если подошва фундамента имеет форму круга или правильного многоугольника площадью А, то b = .

Находим:

(2, табл.3)

k = 1,0; (2, табл.4) при = 12

кН/м3

кН/м3

м

кПа.

Определяем примерную площадь подошвы на 1 м длины фундамента, принимая среднее расчетное значение удельного веса фундамента и грунта при наличии подвала ср = 17,0 кН/м3 (при отсутствии подвала ср = 20,0 кН/м3):

м2

По прил.2 принимаем фундаментные подушки ФЛ 20.12−1 и стеновые блоки ФБС 24.6.6-т.

Пересчитываем расчетное сопротивление грунта при новой ширине подошвы,

b = 2 м

кПа.

Среднее давление под подошвой фундамента

Нагрузка по обрезу фундамента NII = 247,352 кН/м.

Нагрузка от веса фундамента:

Нагрузка от веса грунта на обрезе фундамента:

кПа

Р=170,53 кПа

составляет 4,2%<5%(точность инженерных расчётов — 5%).

2.2 Расчет деформации основания фундамента

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

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента:

Дополнительные вертикальные напряжения на глубине z от подошвы фундамента определяем по [2, прил.2, формула (2)]:

;

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

Находим дополнительные напряжения.

На отметке подошвы фундамента (при Z = 0):

Для остальных точек значения zg и zp приведены в табл.2. По полученным величинам zg и zp строятся эпюры напряжений.

Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине Z=Hc, где выполняется условие zp = 0,2zg с точностью 5 кПа, если E 5 МПа, или zp = 0,1zg с точностью 5 кПа, если E < 5 МПа. Нижняя граница сжимаемой толщи находится на глубине Hc = 4,8 м (точка 8):

Рис. 1 — Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом пространстве

Таблица 2 — Вертикальные напряжения в основании рассчитываемого фундамента

31,040,2· 138,1=27,62

= 3,42 кПа<5 кПа.

Определяем осадку основания с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства (рис. 2.1) [2, прил.2, формула (1)]:

(2.9)

S = 4,97 см < Su = 8 см.

Совместная деформация основания и сооружения меньше предельного значения. Окончательно принимаем фундамент ленточный из железобетонных подушек

ФЛ 20.12−1 и стеновых блоков ФБС 24.6.6-т.

2.3 Расчет отдельно стоящего фундамента под колонну на естественном основании

Требуется рассчитать фундамент на естественном основании под железобетонную колонну сечением 40×40 см. Максимальная нагрузка по обрезу фундамента при расчете по деформациям: N kII = 1709,12 кН.

С учетом конструктивных особенностей здания назначаем отметку подошвы фундамента — 4,2 м (рис. 2).

Рис. 2 — Расчетная схема фундамента под колонну

Для определения основных параметров фундамента назначаем в первом приближении размеры его подошвы lb = 11 м.

Вычисляем расчетное сопротивление грунта основания:

;

;

db = d — d1 = 3,7 -1,68 = 2,02 м;

кПа.

Определяем примерную площадь подошвы фундамента:

Принимаем монолитный железобетонный фундамент с размерами подошвы l = 3 м;

b = 3 м; А = 9 м²

При b = 3 м расчетное сопротивление:

кПа.

Среднее давление под подошвой фундамента:

Nф = (330,45 + 2,12,10,45 + 1,21,20,4 — 0,650,60,6)24 = 153,04 кН

Nг = (90,85 — 2,12,10,45 — 1,21,20,4)18,2 =92,63 кН Рис. 3 — Схема монолитного железобетонного фундамента под колонну

(= 1,1%<10%).

Осадку определяем по методу послойного суммирования используя программу «Osadka».

3. Проектирование свайных фундаментов

3.1 Расчет свайного фундамента под колонну

Требуется рассчитать свайный фундамент под железобетонную колонну сечением 40×40 см. Максимальная нагрузка по обрезу фундамента:

при расчете по несущей способности:

NI, к = 2239,13 кН;

при расчете по деформациям:

NII, к = 1709,12 кН Глубина заложения подошвы ростверка dp по конструктивным соображениям принята 4,1 м.

Выбираем тип свай. По геологическим условиям свая висячая. В несущий слой (песок ср. крупности) нижний конец сваи рекомендуется заглублять не менее чем на 1 м. По [4, прил. 3] принимаем сваю длинной 12 м, сечением 0,35×0,35 м (рис. 4).

Рис. 4 — Расчетная схема сваи

Определяем несущую способность висячей сваи по грунту по [3, формула (8)]:

Fd = c (cRRA + ucffihi),

где с — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1;

R — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа принимаемое по [3, табл.1];

А — площадь опирания сваи на грунт, м2;

сR, сf — коэффициенты условий работы грунта, принимаемые по [3, табл.3];

u — наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

fi — расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по [3, табл.2];

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

На глубине d = 15,1 м от поверхности для песка ср. крупности получим R = 1656 кПа. Расчетное сопротивление на боковой поверхности сваи:

при Z1 = 4,2 мf1 = 27,4глина с IL = 0,389;

при Z2 = 5,8 м f2 =8 глина с IL = 0,842;

приZ3 = 7,8 м f3 =32,8 песок пылеватый;

приZ4 = 9,8 м f4 =33,9 песок пылеватый;

приZ5 = 11,8 м f5 =35,44песок пылеватый;

приZ6 = 13,8 м f6 =37,04 песок пылеватый;

приZ7 = 15,0 м f7 =38,0 песок пылеватый.

c = cR = cf = 1;А = 0,1225 м²;u = 40,35 = 1,4 м.

Несущая способность сваи:

Несущая способность висячей сваи по материалу во многих случаях больше, чем по грунту, поэтому ограничимся определение несущей способности принятой сваи только по грунту.

Расчетное сопротивление сваи:

(3.5)

.

Определяем количество свай в кусте с учетом действия расчетного момента на фундамент:

(3.6)

шт.

Принимаем 5 свай марки С 12−35. Конструируем ростверк (рис.8), учитывая, что минимальное расстояние между осями сваи -3d (здесь d — диаметр (сторона) сваи).

Рис. 5 — Схема свайного фундамента

Вес ростверка

Nр = (1,61,60,4 + 0,80,850,85)24 = 38,45 кН Вес грунта, расположенного на ростверке:

Nг = (1,61,60,8 — 0,80,850,85)18,2 = 26,75 кН Расчетная нагрузка на сваю:

(3.7)

=-4,6% < 5%

3.2 Расчет свайных фундаментов и их оснований по деформациям

Расчет фундамента из висячих свай и его оснований по деформациям следует производить как для условного фундамента на естественном основании в соответствии с требованиями.

Строим условный фундамент на естественном основании АБВГ (рис. 6).

Рис. 6 — Схема свайного фундамента для расчета по второй группе предельных состояний Осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта определяем по [3, формула (29)]:

где IIi — расчетное значение углов внутреннего трения для отдельных, пройденных сваями, слоев грунта толщиной hi:

Размеры условного фундамента АБВГ:

ly = 0,9 + 0,35 + 21,06 = 3,37 м

by = 0,9 + 0,35 + 21,06 = 3,37 м

Hy = 15,1 м Вес условного фундамента:

Ny = bylyHyср;

Ny = 3,37 215,120 = 3429,78 кН.

Вычисляем среднее давление под подошвой фундамента:

Определяем расчётное сопротивление грунта основания на уровне АВ (см. рис. 8):

с1 = 1,1; с2 = 1,08

k = 1; My = 0,84; Mq = 4,37; Мс = 6,9

kz = 1; b = 3,37 м; ;

сII = 0 кПа;

d1 = = 12,7 + 0,3 = 13,06 м;

db = d — d1 = 15,1 — 13,06 = 2,04 м.

Py = 452,5 кПа << R = 1466,28 кПа.

Осадку свайного фундамента определяем методом послойного суммирования используя программу «Osadka».

Полученные по расчету значения деформаций (осадок) свайного фундамента и его основания не должны превышать предельных значений в соответствии с [2, п. 2.39].

грунт нагрузка фундамент деформация

3.3 Расчет ленточного свайного фундамента под несущую стену

Требуется запроектировать свайный фундамент под несущую стену, передающую расчетную равномерно распределенную нагрузку NIвнеш. стены = 260,91 кН. Отметка низа ростверка -3,5 (рис. 10).

Рис. 7 — Расчетная схема свайного фундамента Назначаем длину сваи 12 м с сечением 0,35×0,35 м (рис. 8).

Рис. 8 — Расчетная схема сваи Разбиваем пласты песка и суглинка на однородные слои мощностью не более 2 м:

h1 = 1,8 м; h2 = 2,0 м; h3 = 2,0 м; h4 = 2,0 м; h5 = 2,0 м; h6 = 1,7 м.

Определив средние глубины залегания каждого из слоев, по [3, табл.2] найдем:

при Z1 = 3,9 мf1 = 27глина с IL = 0,389;

при Z2 = 5,8 м f2 =8 глина с IL = 0,842;

приZ3 = 7,8 м f3 =32,8 песок пылеватый;

приZ4 = 9,8 м f4 =33,9 песок пылеватый;

приZ5 = 11,8 м f5 =35,44песок пылеватый;

приZ6 = 13,65 м f6 =36,98 песок пылеватый;

d = 14,5 м R = 1635 кПа Несущая способность сваи по грунту:

Расчетное сопротивление сваи:

.

Требуемое число свай в фундаменте на 1 м длины:

шт.

Окончательно число свай на 1 м фундамента примем равным 0,66.

Конструируем ростверк при однорядном расположении свай (рис. 9).

Рис. 9 — Схема ленточного ростверка Ширина ростверка:

Bp = 0,35 + 20,1 = 0,55 м.

Вес ростверка:

Np = 0,5510,624 = 7,92 кН.

Вес стеновых блоков марки ФБС 24.6.6-т:

Nб = 40,610,6 24 = 34,56кН.

Вес грунта:

Nг=0.

Определим шаг свай в ряду:

где mp — принятое число рядов свай; mр=1;

принимаем 1,5 м Расчетная нагрузка на сваю:

N = 459,68 кН < Pc = 474,81 кН (= 3,2%<5%).

Расчет под внутреннюю стену:

NIвнутр.стены = 415,56 кН Принимаем 1 сваю на 1 м.

Pc =474,81 (= 3,5%<5%).

Осадку свайного фундамента определяем методом послойного суммирования.

Полученные по расчету значения деформаций (осадок) свайного фундамента и его основания не должны превышать предельных значений в соответствии с [2, п. 2.39].

3. Технико-экономическое сравнение и выбор основного варианта фундамента

Критерием сравнительной экономической эффективности проектных решений является минимум приведенных затрат, которые определяются с учетом себестоимости работ капитальных вложений в базу строительства, трудоемкости, продолжительности возведения фундаментов и затраты материалов.

В курсовом проекте при выборе основного вида необходимо сравнивать только объем основных материалов, что наиболее удобно выполнять в такой последовательности:

1) произвести подсчет объемов работ для каждого варианта фундамента (фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов);

2) определить стоимость при выполнении каждого варианта фундаментов, удельные показатели при устройстве фундаментов.

Итак, фундамент мелкого заложения наиболее экономичный, его и выбираем в качестве основного варианта.

1. СниП 2.01.07- 85. Нагрузки и воздействия. — М.: Стройиздат, 1987.

2. СниП 2.02.01- 83. Основания зданий и сооружений. — М.: Стройиздат, 1985.

3. СниП 2.02.03- 85. Свайные фундаменты. — М.: Стройиздат, 1986.

4. Справочник проектировщика. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Под ред. Е. А. Сорочана и Ю. Г. Трофименкова. — М.: Стройиздат, 1985.