Проектирование фундаментов пятиэтажного 20-квартирного дома до и после реконструкции

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования

«Брестский государственный технический университет»

Кафедра геотехники и транспортных коммуникаций Пояснительная записка по дисциплине Механика грунтов, основания и фундаменты

«Проектирование фундаментов пятиэтажного 20-квартирного дома до и после реконструкции»

Выполнил студент СФ группы Н-6−3

Вечёрко Д.В. ___________ ____________ __________

(подпись) (дата) (Ф.И.О) Руководитель Демина Г. П. ___________ ____________ __________

(подпись) (дата) (Ф.И.О) Брест 2011

Реферат Курсовая работа: 70.02.02 / БГТУ; Вечёрко Д. В.; гр. Н-6-III; Кафедра ГТК. — Брест, 2011 г.- стр.: ил., источн. табл.

Ключевые слова: фундамент мелкого заложения, физико-механические свойства, нормативная глубина промерзания, расчетное сопротивление грунта, свайный фундамент, допустимое давление на голову сваи, штанговый дизель-молот.

В курсовой работе запроектированы фундаменты мелкого заложения и свайные фундаменты, проведено сравнение технико-экономических показателей этих фундаментов, разработано усиление фундамента.

Введение

Возведение фундаментов, являясь одной из наиболее трудоемких частей строительства каждого сооружения, связано с затратой больших средств и времени. Стоимость работ по подготовке оснований и устройству фундаментов обычно составляет 5−10% от общей стоимости объекта, а при сложных грунтовых условиях она может превысить и 20%. Поэтому к проектированию фундаментов следует подходить очень серьезно, т. е. необходимо учесть все факторы, влияющие на их прочность, устойчивость и долговечность.

Тип проектирования фундамента определяется инженерно-геологическими условиями строительной площадки, в зависимости от которых могут быть предложены различные конструктивные варианты.

Материалы, из которых выполняют фундаменты, также очень разнообразны (бетон, камень, дерево и др.) В настоящее время особенно широкое применение получили сборные фундаменты, которые в гражданском строительстве почти полностью вытеснили монолитные конструкции. Кроме сборных фундаментов мелкого заложения, в массовом жилищном строительстве нашли применение также и свайные фундаменты.

1. Исходные данные

1.1 Данные о проектируемом здании Пятиэтажный 20-квартирный жилой дом. Здание запроектировано с несущими поперечными стенами из кирпича. Толщина наружных стен — 64 см. Толщина внутренних несущих стен — 38 см. Удельный вес кирпичной кладки — 18кН/м³. Перегородки межкомнатные — гипсобетонные панели толщиной 8,0 см. Крыша чердачная. Кровля — металлочерепица. В здании имеется техподполье. Планы жилого дома и строительной площадки показаны на рисунке 1.1.

1.2 Данные об инженерно-геологических условиях строительной площадки Результаты определения гранулометрического состава, основных физических характеристик, пределов пластичности глинистых грунтов приведены в таблице 1.1. Эти данные получены на основании испытаний образцов грунта, отобранных с различных глубин при бурении скважин.

В таблице 1.2 даны отметки устьев скважин, мощности слоев по скважинам, расстояние от поверхности земли до уровня подземных вод.

Таблица 1.1 Результаты определения физических характеристик грунтов

Таблица 1.2 Данные о мощности геологических слоев, глубине подземных вод строительных площадок

2. Оценка инженерно-геологических условий строительной площадки

2.1 Определение наименования и состояния грунтов Для каждого из пластов, которые были вскрыты тремя скважинами, определим наименование грунта.

I) Первым грунтом является глинистый, т.к. в таблице 1.1 дана влажность на границе текучести и раскатывания.

Наименование глинистого грунта определяем по числу пластичности в соответствии с таблицей П-2[1]. Число пластичности определяется по формуле:

I_P = W_L — W_P, % (2.1)

где W_L — влажность на границе текучести, % (таблица 1.1);

W_P — влажность на границе раскатывания, % (таблица 1.1).

Получим:

I_p =25,3−14 =11,3%

Из этого следует, что глинистый грунт является суглинком.

Затем подсчитаем следующие производные характеристики:

· плотность грунта в сухом состоянии где с — плотность грунта, т/м³ (таблица 1.1);

W — природная влажность, % (таблица 1.1).

_d = 2,0 / (1 + 0,01 * 19,1)=1,68 т/м³

· коэффициент пористости грунта где — плотность частиц грунта, т/м³ (таблица 1.1).

e = 2,7 / 1,68 — 1 = 0.61

Далее определяем степень влажности по формуле:

где — 1,0 т/м³ — плотность воды.

S_r = 0,01 * 19,1 * 2,7 / 0,61 * 1 = 0.85

Определяем показатель текучести:

Тогда

I_L = (19,1 — 14)/(25,3 — 14) = 0,45

В соответствии с таблицей П-5[1], по показателю текучести суглинок тугопластичный, т.к. 0,25<0?0,5.

Нормативные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления принимают по таблице П-9[1] в зависимости от коэффициента пористости.

Удельное сцепление:

c = 30,4 кПа Угол внутреннего трения:

= 22,4°

Нормативное значение модуля деформации, зависящий от наименования, коэффициента пористости, показателя текучести, принимают по таблице П-8[1]: .

Модуль деформации:

E = 21,4 МПа Для расчета предварительных размеров подошвы фундаментов определяют расчетное сопротивление грунта основания, которое принимается в зависимости от вида грунта, его коэффициенту пористости и консистенции (по интерполяции) по таблице П-11[1].

Расчетное сопротивление грунта:

R₀ =245,05 кПа Удельный вес:

где

Получим Удельный вес частиц:

Тогда

Удельный вес сухого грунта:

Значит

_d = 1,68 * 9,81 = 16,48 кН/м³ ,

II) Второй грунт также глинистый, т.к. в таблице 1.1 дана влажность на границе текучести и раскатывания.

Наименование глинистого грунта определяем по числу пластичности в соответствии с таблицей П-2[1]. Число пластичности определяется по формуле (2.1):

Получим:

I_p =36,3−24 =12,3%

Из этого следует, что глинистый грунт является суглинком.

Затем подсчитаем следующие производные характеристики:

· плотность грунта в сухом состоянии по формуле (2.2):

_d = 2,1 / (1 + 0,01 * 27)=1,65 т/м³

· коэффициент пористости грунта по (2.3)

e = 2,69 / 1,65 — 1 = 0.63

Далее определяем степень влажности по формуле (2.4):

S_r = 0,01 * 27 * 2,69 / 0,63 * 1 = 1,15

Определяем показатель текучести по (2.5):

I_L = (27−24)/(36,3−24) = 0,24

В соответствии с таблицей П-5[1], по показателю текучести суглинок полутвердый, т.к. 0?0,24?0,25.

Нормативные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления принимают по таблице П-9[1] в зависимости от коэффициента пористости.

Удельное сцепление:

c = 32,2 кПа Угол внутреннего трения:

= 24,2°

Нормативное значение модуля деформации, зависящий от наименования, коэффициента пористости, показателя текучести, принимают по таблице П-8[1]: .

Модуль деформации:

E = 23МПа Для расчета предварительных размеров подошвы фундаментов определяют расчетное сопротивление грунта основания, которое принимается в зависимости от вида грунта, его коэффициенту пористости и консистенции (по интерполяции) по таблице П-11[1].

Расчетное сопротивление грунта:

R₀ =258,68 кПа Удельный вес по (2.6):

Получим Удельный вес частиц по формуле (2.7):

Тогда

Удельный вес сухого грунта по (2.8):

_d = 1,65 * 9,81 = 16,19 кН/м³ ,

После определения характеристик грунта можно дать заключение по каждому слою геологического разреза:

1 слой — суглинок тугопластичный с c = 30,4 кПа, = 22,4°, E = 21,4 МПа;

R₀ =245,05 кПа.

2 слой — суглинок полутвердый с c = 32,2 кПа, = 24,2°, E = 23 МПа;

R₀ =258,68 кПа.

Данные о физико-механических характеристиках и показателях грунтов, слагающих строительную площадку, записываем в сводную таблицу 2.1.

Таблица 2.1 Сводная таблица физико-механических характеристик грунтов

2.2 Построение инженерно-геологического разреза

Инженерно-геологический разрез представляет собой изображённое на бумаге вертикальное сечение верхней части земной коры, на котором показана последовательность залегания, мощность грунтов разного литологического состава, а также уровень подземных вод.

Разрез строится по трём скважинам, данные по которым сведены в таблице 1.2. Расположение скважин в плане и соответственно расстояния между ними даны на плане строительной площадки.

Построенный инженерно-геологический разрез имеет горизонтальный масштаб М 1:200 и вертикальный М 1:100 (см. рис. 2.1).

По построенному инженерно-геологическому разрезу принимаем планировочную отметку DL=133,7

3. Расчет фундаментов мелкого заложения на естественном основании

3.1 Выбор глубины заложения фундамента

Глубина заложения фундаментов определяется с учетом:

а) назначения, а также конструктивных особенностей зданий и сооружений (наличия подвалов, подземных коммуникаций, фундаментов под оборудование и т. д.);

б) величины и характера нагрузок, воздействующих на фундаменты;

в) глубины заложения фундаментов примыкающих зданий и сооружений;

г) геологических и гидрогеологических условий площадки строительства;

д) глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов.

Минимальную глубину заложения фундаментов во всех грунтах, кроме скальных, рекомендуется принимать не менее 0,5 м, считая от поверхности наружной планировки или 0,4 м от пола подвала.

Будем осуществлять проектирование фундамента для сечения 5−5 (рис. 1.1), которое представляет собой ленточный фундамент под стену. Расчёт данного сечения будем осуществлять по скважине № 3, так как она является ближайшей к сечению. Для упрощения вычисления вычертим расчетную схему (рис. 3.1).

_II=19,62 т/м³

С_II=30,4

_II=22,4

Е₁=21,4 МПа

R₁=245,05 кПа

_II=20,6 т/м³

С_II=32,2

_II=24,2

Е₁=23 МПа

R₁=258,68 кПа

Рисунок 3.1. Расчетная схема глубины заложения фундамента

По схематической карте рис. П-2 определяем нормативное значение сезонного промерзания грунтов для заданного по условию г. Уфа:

d_fn=1,8*d₀/0,23 (3.1)

где d₀ = 0,23 — глубина промерзания при для суглинков.

d_fn=1,8*0,23/0,23=1,8 м

Затем определяем расчётную глубину промерзания по формуле:

d_f=k_h*d_fn (3.2)

где k_h=0,4 — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения (здание с подвалом, расчетная среднесуточная температура воздуха в помещениях, примыкающих к наружным фундаментам 20^оС), определяемый по табл. П-13.

d_f=k_n*d_fn = 0,4*1,8 = 0,72 м

По условиям исключения морозного пучения грунтов определяем, что глубина заложения фундамента должна быть не менее d_f (z=2.2−0.72=1.48 м < 2 м) (таблица П-12[1]). Глубина заложения фундамента d_f =0.72 не подходит по конструктивным особенностям.

Принимаем толщину плиты перекрытия над подвалом 300 мм, толщину пола подвала 100 мм, толщину подушки фундамента 300 мм. На основании этого получаем значение глубины заложения, как разность отметок подошвы фундамента и планировки:

d₁ = (1,75 +0,1+ 0,4)-1,2 = 1,05 м >0.72 м

В результате общей оценки приведенных выше условий устанавливаем минимальную глубину заложения d=1.05 м, которая и принимается при проектировании фундаментов здания.

3.2 Определение размеров фундаментов в плане

Предварительное определение размеров фундаментов в плане производится с учетом расчетного сопротивления грунта основания R₀.

Площадь подошвы фундамента определяется по формуле

(3.3)

Где: N_II=148,62 кН/м.п. — расчетная нагрузка в уровне поверхности земли (по заданию);

_ср — среднее значение удельного веса материала фундамента и грунта на его уступах (в интервале 20,0…22,2 кН/м³). Принимаем _ср=22 кН/м³

R₀=245,05кПа — расчетное сопротивление грунта слоя, залегающего ниже подошвы фундамента, кПа, (таблица 2.1)

d₁=1.05 м — глубина заложения фундамента (рисунок 3.1).

A=148,62/(245,05−22*1,05)=0,6696

Ширина ленточного фундамента под стену, когда расчет ведется на 1 пог. м. длины фундамента, равна b=A/1 (3.4)

b=0,6696/1=0,7 м

Определяем расчетное сопротивление грунта основания R по формуле

(3.5)

Где b=0,7 м — ширина подошвы фундамента;

где _С1, _С2 — коэффициенты условий работы, принимаемые по таблице П-14[1], (_С1=1,2, _С2=1,096, т.к. грунт глинистый 0,25?J_L?0,5, а соотношение длины здания к его ширине L/H=30,000/18,750 = 1,6);

К — коэффициент, принимаемый равным К=1,1;

М М_q, М_с, коэффициенты, принимаемые в зависимости от угла внутреннего трения ц= 22,4° по таблице П-15[1]:

М=0,642;

М_q=3,524;

М_с=6,12;

К_z — коэффициент, принимаемый равным 1 (b<10 м);

_II=19,62 т/м³ — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, т/м³, (таблица 2.1);

^'_II -то же, залегающих выше подошвы фундамента, определяющееся по формуле:

(3.6)

^'_II=19,62*0,9=17,658;

C_II=30,4 кПа — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего ниже подошвы фундамента, кПа, (таблица 2.1);

d₁ — приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле:

d₁ = h_s + h_cf * _сf / ^'_II (3.7)

где: h_s=0.4 м — толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м, (рисунок 2.1);

_сf=23,5 кН/м³ — расчетное значение удельного веса материала пола подвала (пол бетонный);

h_сf=0,1 м — толщина конструкции пола подвала, м, (рисунок 2.1).

d₁ = 0,4 +0,1 * 23,5 / 17,658 = 0,53

d_b — глубина подвала — расстояние от уровня планировки до пола подвала, м. Т.к. ширина подвала b?20 м d_b = 0,55 .

R=1.2*1.096/1.1*(0.642*0.7*19.62+3.524*0.53*17.658+(3.524−1)*0.55*17.658 +6.12*30.4)=301.728 кПа

При принятом значении b=0.7 для фундамента определяем среднее давление по подошве

(3.8)

P_cp= 148.62/0.7+22*1.05=235.414 кПа

Разность P_ср и R составляет 301.728−235.414=66.314 (что составляет 22%). Необходимо изменить размеры фундамента и повторить вычисления

Принимаем b=0,55 м, тогда

R=1.2*1.096/1.1*(0.642*0.55*19.62+3.524*0.53*17.658+(3.524−1)*0.55*17.658 +6.12*30.4)=299.47 кПа

P_cp= 148.62/0.55+22*1.05=293.318 кПа

Разность P_ср и R составляет 299.47−293.318=6.152 (что составляет 2.05%). Условие выполняется.

На основании всего вышеизложенного принимаем ширину фундамента равной b=0.55 м. Однако эта расчетная ширина фундамента не совпадает с шириной сборной плиты, поэтому необходимо проектировать прерывистые фундаменты.

Расчетное сопротивление грунта основания R при проектировании прерывистых фундаментов определяется как для непрерывных ленточных фундаментов.

Проектирование прерывистых ленточных фундаментов ведется в следующей последовательности:

1. Определяется ширина b сплошного ленточного фундамента (b=0.55 м);

2. Определяется площадь ленточного фундамента A=l*b длиной l подлежащего замене на прерывистый;

A=0.55*30=16.5 м²

3. Принимается типовая фундаментная плита шириной b_t превышающей ширину сплошного ленточного фундамента (мы принимаем b_t=0.6 м);

4. Определяем коэффициент превышения расчетного сопротивления грунта основания k_d=1.03;

5. Определяем суммарную площадь прямоугольных плит в прерывистом фундаменте

A_b=A/k_d;

A_b=16.5/1.03=16.02 м²

6.Определяем число плит n в прерывистом фундаменте по величине A_b и площади одной плиты A_s=l*b_t

n=A/A_s+Дn,

где Дn — поправка для округления отношения A/A_s до большего целого числа;

A_s=1,2*0,6=0,72 м²;

n=16.02/0.72+0.75=23 шт

7. Определяем фактическое расстояние между плитами:

l_b=(L-n*l)/(n-1);

l_b=(30−23*1.2)/(23−1)=0.11 м

8. Определяем давление по подошве плит и по этому давлению подбираем марку плиты по прочности:

P_s=P_cp*A/A_t;

P_s=293.318*16.5/16.02=302.107 кПа;

9. Определяем фактический коэффициент превышения расчетного сопротивления k_df и сравниваем его с k_d (k_df должно быть равно k_d);

k_df =P_s/P_cp;

k_df =302,107/293,318=1,03;

1,03=1,03.

Окончательно принимаем фундаментную плиту ФЛ6.12−4.

3.3 Определение осадки фундамента

Расчет осадки фундамента производится исходя из условия:

S? S_u (3.9)

где S_u = 10 см — предельная величина деформации основания фундаментов зданий и сооружений, которая определяется по табл. Б-1.

S — величина конечной осадки отдельного фундамента, определяемая расчетом

(3.10)

где = 0,8 — коэффициент, корректирующий упрощенную схему расчета;

n — число слоев, на которое разделена по глубине сжимаемая толща основания;

h_i — толщина i-го слоя грунта, см;

_zpi — среднее дополнительное (к бытовому) напряжение в i-ом слое грунта, равное полусумме дополнительных напряжений на верхней и нижней границах i-го, кПа;

E_i — модуль деформации i-го слоя, кПа.

Для определения осадки фундамента необходимо составить схему показанную на рисунке 3.2 и построить эпюры вертикальных напряжений от собственного веса ??_zqi и ??_zpi. Ординаты эпюры _zqi вычисляются в характерных точках по формуле:

(3.11)

где i — удельный вес i-го слоя грунта, кН/м³;

hi — толщина i-го слоя грунта, м.

Для водонасыщенных слоев грунта, расположенных ниже уровня грунтовых вод, необходимо определять удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды по формуле:

(3.12)

Где =10 кН/м³ — удельный вес воды, кН/м³;

Для первого слоя грунта (суглинок тугопластичный):

=26,49кН/м³— удельный вес частиц грунта, кН/м³, (таблица 2.1);

е=0,61- коэффициент пористости грунта, (таблица 2.1).

_sb = (26.49 — 10) / (1+0.61) = 10.24 кН/м³

— Под подошвой фундамента (точка 0):

= 19,62 * 1,35 = 26,487 кПа

— Для 1-ого слоя (суглинок тугопластичный) (1):

= 19,62 *2,2 = 43,164 кПа

— Для 1-ого с лоя (суглинок тугопластичный) ниже отметки уровня грунтовых вод (2):

+= 43,164+10,24 * 1,9 = 62,62 кПа Второй грунт является водоупором, т. к. это суглинок полутвердый с I_L=0.24. Природное давление на кровлю этих слоев определяется по формуле (3):

кПа (3.13)

где =10 кН/м³ — удельный вес воды, кН/м³;

h_w — высота столба воды, м.

=62.62+10*1,9=81.62 кПа Для второго слоя на глубину 2 м (4):

=81.62+20.6*2=122.82кПа Величина дополнительного вертикального напряжения для любого сечения ниже подошвы фундамента вычисляется по формуле:

(3.14)

где — коэффициент учитывающий изменение дополнительного вертикального напряжения по глубине и определяемый по таблице П-16[1] в зависимости от о = (Z — глубина рассматриваемого сечения ниже подошвы фундамента; b = 0,6 мширина фундамента) и для ленточного фундамента (l — длина фундамента);

=293,318 кПа — среднее фактическое давление под подошвой фундамента, кПа;

= 26,487 кПа — вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента от веса вышележащих слоев (рассчитывается по формуле 3.11), кПа.

1· (293,318 — 26,487) = 266,831 кПа Толщу грунта ниже подошвы фундамента разбиваем на слои, не более 0,4b

0,4b =0,4*0,6=0,24 м.

Расчеты осадки фундамента занесем в таблицу 3.1.

Таблица 3.1. Расчет осадки фундамента

Сумма 1,1755

Получим, что S = 1.1755 см? S_U = 10 см, а это значит, что осадка фундамента находится в допустимых пределах.

_II=19,62 т/м³

С_II=30,4

_II=22,4

Е₁=21,4 МПа

R₁=245,05 кПа

_II=20,6 т/м³

С_II=32,2

_II=24,2

Е₁=23 МПа

R₁=258,68 кПа Рисунок 3.2. Схема к расчету осадок методом послойного суммирования

3.4 Конструирование фундамента Фундамент проектируем сборным железобетонным, поэтому толщина защитного слоя бетона должна быть не менее 45 мм. Фундаментные подушки принимаем ФЛ 6.12−4 размерами l = 1,180 м, b = 0,6 м, h = 0,3 м (рисунок 3.3). Фундаментные блоки принимаем ФБС 12.6.6 размерами l = 1,180 м, b = 0,6 м, h = 0,58 м. Класс бетона для сборных фундаментов должен быть не ниже С

¹²/₁₅.

Рисунок 3.3. Конструктивная схема фундамента

4. Проектирование свайных фундаментов

4.1 Определение глубины заложения и назначение размеров ростверка Проектирование фундамента осуществляется под наружную стену отапливаемого здания. Грунт, в который заглубляем ростверк, является пучинистым, поэтому глубину заложения ростверка принимаем ниже глубины промерзания грунта d_f=0,72 м.

Устройство монолитных участков в данном фундаменте нежелательно, поэтому необходимо принять такую глубину заложения, чтобы она была не только ниже глубины промерзания, но и чтобы можно было уложить целое число стеновых блоков, а также чтобы это было рационально (т.е. ростверк не следует заглублять сильно, т. к. это не рационально). Толщину ростверка принимаем 300 мм, укладываем 2 блока высотой h1=600 мм и один блок высотой h2=300 мм. Тогда получаем глубину заложения ростверка:0,6*2+0,3+0,3-(1,2−0,3)=0,9 м

4.2 Выбор типа и размеров свай. Определение их несущей способности При назначении длины сваи следует учитывать:

1) заделку сваи в ростверке, работающем на вертикальные нагрузки, не менее 5 см для ствола сваи и не менее 25 см для выпусков арматуры;

2) заглубление в малосжимаемый слой — не менее 1,0 м.

Полная минимальная длина сваи определяется как сумма:

lc = l_p+l_гр +l_н (4.1)

где l_p= 0,05м — глубина заделки сваи в ростверк, м;

l_гр — расстояние от подошвы ростверка до кровли несущего слоя, м;

l_н — минимальное заглубление в несущий слой для данного вида грунта (для суглинка? 1м), м.

lc =0,05 + 2,9 + 1,0 = 3,95 м Принимаем сваю С40.30−2 размерами l=4000 мм, В = 300 мм, Н = 300 мм, классом бетона С 12/15 и армированием 4Ш10 S400.

_II=19,62 т/м³

С_II=30,4

_II=22,4

Е₁=21,4 МПа

R₁=245,05 кПа

_II=20,6 т/м³

С_II=32,2

_II=24,2

Е₁=23 МПа

R₁=258,68 кПа Рисунок 4.1. Расчётная схема определения длины сваи.

Несущую способность забивной сваи определяем по формуле:

грунт фундамент заложение свая где =1,0 — коэффициент условий работы сваи в грунте;

R =3548,5 кПарасчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, определяемое по таблице П-17[1], зависящее от глубины расположения низа сваи z₀ = 4−0,05+1,2=5,15 м и наименования грунта — суглинок с I_L=0.24, кПа;

А = 0,3· 0,3=0,09 м² — площадь поперечного сечения сваи, м²;

U = 0,3*4=1,2м — наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

R_fi — расчетное сопротивление i-ого слоя грунта по боковой поверхности сваи, определяемое по таблице П-18[1], зависящее от средней глубины расположения слоя грунта z_i(рисунок 4.1) и наименования грунта — cуглинок тугопластичный, кПа;

h_i — толщина i-го однородного слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи (рисунок 4.1), м;

=1,0, =1,0 — коэффициент условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи;

С помощью интерполяции определим R_fi для каждогоi-ого слоя грунта и сведем вычисления в таблицу 4.1.

Таблица 4.1. Расчетное сопротивление i-ого слоя грунта по боковой поверхности сваи

Сумма 168,673

Тогда

Расчетную несущую способность сваи определяем по формуле:

где _k = 1,4- коэффициент надежности по грунту.

P_d = 521,7726 / 1,4 = 372,695 кН Определяем расчетную нагрузку на фундамент:

N_I = N_II· г_c (4.4)

N_I = 148.62*1,2 = 178.344 кН.

4.3 Расчет и конструирование свайного фундамента Для центрально нагруженного свайного фундамента количество свай в фундаменте определяется по формуле

n = 178,344 / 372,695 = 0.5

Количество свай принимаем n =1 на 1 п. м. (т. к. при n=0.5 не проходит проверка).

Производится размещение свай в плане и конструирование растверка. Определяется расчетное расстояние между осями свай по длине стены. В зависимости от условия 3d? ?6d (d=0,3 м — сторона сечения сваи, м), т. е. 0,9? 1? 1,8, принимаем 1,8 м, в зависимости от чего определяем число рядов свай по ширине ростверка в плане. Принимаем ростверк шириной b_p = 600 см (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2. Конструкция ростверка

4.4 Определение фактического давление на голову сваи Определяем фактическое давление на голову сваи по формуле:

(4.7)

где a_p' = 1.8м — расстояние между сваями (рисунок 4.2), м;

b_p = 0,6 м — ширина ростверка (рисунок 4.2), м;

d = 1,2 м — глубина заложения ростверка, м;

Р_ф = (178,344*1,8+0,6*1,8*0,9*22*1,1) / 1 = 344,542 кН.

Получаем, что P_ф=344,542 кН <�Р_d= 372,695 кН с погрешностью 7,55%, что не превышает 10% - условие выполняется.

4.5 Проверка несущей способности куста свай Для оценки общей устойчивости свайного фундамента и определения его стабилизационной осадки необходимо определить вертикальные напряжения в грунте в плоскости, проходящей через острия свай. При этом свайный фундамент рассматривается как условный массивный фундамент, в состав которого входят ростверк, сваи, грунт междусвайного пространства и некоторый объем грунта, примыкающего к наружным сторонам свайного фундамента.

Контуры условного массива АBСD определяются (рисунок 4.3):

сверху — поверхностью планировки грунта;

снизу — плоскостью в уровне нижних концов свай ВС в границах, определяемых пересечением с этой плоскостью наклонных плоскостей, проведенных под углом ??, от наружного контура свайного куста в уровне подошвы ростверка; с боков — вертикальными плоскостями АВ и СD, проведенными через границы нижней поверхности.

Определим угол ?? по формуле:

гдесредневзвешенное расчетное значение угла внутреннего трения,°, равное:

где h₁'=2,6 м — длина 1-го слоя грунта в пределах соответствующего участка сваи, м;

h₂'=1,35м-длина 2-го слоя грунта в пределах соответствующего участка сваи, м.

Тогда

.

Условная длина L_m для ленточных фундаментов принимается L_m = 1 м.

Ширина B_m массива определяется по формулам:

B_m= B_k+2x=B_k+2· (h₁'+h₂')·tg? (4.10)

гдеB_k = 0,3 м — ширина сваи, м.

B_m=0,3+2*(2,9+1,05)tg 5,72 = 1,1 м

_II=19,62 т/м³

С_II=30,4

_II=22,4

Е₁=21,4 МПа

R₁=245,05 кПа

_II=20,6 т/м³

С_II=32,2

_II=24,2

Е₁=23 МПа

R₁=258,68 кПа Рисунок 4.3. Схема границ условного фундамента По условию прочности необходимо выполнение следующего условия:

Р_ср? R (4.11)

где P_cp-давление по подошве условного фундамента от расчетных нагрузок, которое находится как:

(4,12)

где =1*1,1 = 1,1 м² — площадь основания условного массива, м²;

Н =0,9+3,95=4,85 м — расстояние от планировочной отметки до низа условного массива, м;

— среднее значение удельного веса грунта на уступах фундамента.

P_cp = 148,62/1,1 + 22*4,85 = 241,809 кПа

R — расчетное сопротивление грунта основания, вычисляемое по формуле (3.5), для которой определим:

— коэффициенты условий работы, принимаемые по таблице П-14[1], (=1,25, =1,96, т.к. грунт под подошвой условного массива глинистый с I_L?0.25 и соотношение длины здания к его высоте L/H = 1,6);

K — коэффициент, принимаемый равным 1,1;

=0.732

= 3.918

=6.494

— коэффициенты, принимаемые в зависимости от угла внутреннего трения ц=24.2° по таблице П-15[1];

K_z — коэффициент, принимаемый равным 1,0 (b<10 м);

т/м³ — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, (слой является водоупором);

— то же, залегающих выше подошвы фундамента, определяющееся по формуле:

(4,13)

_II'= (19,62*1,9+20,6*1,05+10,24*1,9) / (1,9+1,05+1,9) = 16,16 т/м³

=32,2 кПа — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего ниже подошвы фундамента, кПа, (таблица 2.1);

— приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, м, определяется по формуле 3.7, для этого необходимо знать, что:

=4,2 м — толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м, (рисунок 4.3);

— расчетное значение удельного веса материала пола подвала, м, т.к. пол бетонный, =23.5 кН/м³;

= 0,1 мтолщина конструкции пола подвала, м, (рисунок 4.3).

d₁=4,2+0.1*23.5/16,16 = 4,35 м.

— глубина подвала — расстояние от уровня планировки до пола подвала, м. Т.к. ширина подвала b20 м, то 55 м

R=(1,25*1,96/1,1)* 0,732*1*1,1*20,6+3,918*4,35*16,16+(3,918−1)*0,55*16,16+6,494*32,2 = 1173,88 кПа Получили, что P_cp = 241,809 кПа

4.6 Расчет осадки свайных фундаментов методом эквивалентного слоя Для определения осадки фундамента необходимо рассчитать значения эпюры вертикальных напряжений от собственного веса грунта _zqi по формуле (3.11).

_zq1= г_II¹· h₁=19,62*2.2 = 43,164 кПа.

_zq2= _zq1 + г_SBI· h₂ = 43,164+10.24*1,9 = 62,62 кПа.

_zq2^, = _zq2 + г_w· h_w = 62,62+10*1,9 = 81,62 кПа.

_zq3= _zq3' + г_II²· h₃ = 109.43+20.6*4,972 = 211,85 кПа, Расчет осадки фундамента производится исходя из условия:

S?S_U,

где S_U — предельная величина деформации основания фундаментов зданий и сооружений, принимаем равной S_U=10 см;

S — величина конечной осадки отдельного грунта фундамента, см, определяемая методом эквивалентного слоя по формуле :

S = h_s· m_vm·P₀ (4.14)

где h_s — мощность эквивалентного слоя, определяемаяпо формуле:

h_s= A_щ· B_m (4.15)

A_щ = 2.26 — коэффициент эквивалентного слоя, принимаемый по таблице 6.6[4] в зависимости от (для ленточных фундаментов > 10) и от коэффициента Пуассона:

h_s= 2,26*1,1 = 2,486 м,

P₀— давление, возникающее под подошвой условного массива, кПа, определяемое по формуле :

P₀ = _zp0 (4.16)

где _zp0— величина дополнительного вертикального напряжения для любого сечения ниже подошва фундамента вычисляемая по формуле:

_zp0= P_ср-_zq0 (4.17)

_zp0=241,809−109.43=132,379 кПа

P₀ = 132,379 кПа

m_vm — средний коэффициент относительной сжимаемости грунта, кПа^-1, определяемое по формуле:

где h_i — толщина i-ого геологического слоя в пределах сжимаемой зоны, м. Расстояние от подошвы условного массива до нижней границы сжимаемой зоны H = 2· h_s = 2· 2,486 = 4,972 м. Т. к. ниже подошвы условного массива располагается один и тот же слой, то h =H =4,972 м.

m_vi -коэффициент относительной сжимаемости грунта:

где E_i = 23 МПа — модуль деформации второго слоя грунта (таблица 2.1);

??_i — коэффициент, зависящий от коэффициента Пуассона х = 0,35 для суглинков:

Тогда m_vi = 0,623/23 000 = 0,27 кПа^-1

z_i — расстояние от середины i-ого слоя до нижней границы сжимаемой толщи (рисунок 4.4);

m_vm = 1 * 4,972*0,27*2,486 / (2*2,486²) = 0,27 кПа^-1

Значит

S = 2,486*0,27*132,379=0,0266 м = 0,9 см Получим, что S = 0,9 см? S_U = 10 см, а это значит, что осадка фундамента находится в допустимых пределах.

_II=19,62 т/м³

С_II=30,4

_II=22,4

Е₁=21,4 Мпа

R₁=245,05 кПа

_II=20,6 т/м³

С_II=32,2

_II=24,2

Е₁=23 Мпа

R₁=258,68 кПа Рисунок 4.4. Схема расчета осадки методом эквивалентного слоя

4.7 Подбор сваебойного оборудования Минимальная энергия удара вычисляется по формуле:

Э=1,75*б*Р, кДж (4.21)

б — коэффициент, равный 25 Дж/кН;

Р — расчетная нагрузка, допускаемая на сваю, Р=372,695 кН Э=1,75*25*372,695 =16,305 кДж По табл. 8.29−8.31[4] подбираем молот, энергия удара которого соответствует расчетной минимальной.

Имеем трубчатый дизель-молот с воздушным охлаждением С995 со следующими характеристиками:

— масса ударной части 1250 кг;

— высота подскока ударной части — от 2000 до 2800 мм;

— энергия удара 19 кДж;

— число ударов в минуту — не менее 44;

— масса молота с кошкой 2600 кг.

Проверка пригодности принятого молота производится по формуле:

(G_h+G_B)/Э_р?k_m (4.22)

Э_р — расчетная энергия удара, Дж;

G_h = 26 кНполный вес молота;

k_m=6 (т.к. свая ж/б, а молот трубчатый);

G_B — вес сваи, наголовника и подбабка, который равен:

(4.23)

где Gсв — вес сваи, определяемый исходя из следующего условия:

(4.24)

где г_б = 22 — удельный вес бетона;

A = 0,09 м² — площадь сечения сваи;

l = 4 м — длина сваи;

G_св= 22*0,09*4 = 7,92 кН

Gн = 2 кН — вес наголовника;

Gп = 1 кН — вес подбабка;

G_B=7,92+2+1 = 10,92 кН;

Для трубчатых дизельных молотов расчетная энергия удара принимается:

Э_р=0,9* G_h¹*h_m

G_h¹ — вес ударной части молота, G_h¹=12,5 кН;

h_m — фактическая высота падения ударной части молота, h_m= 2,8 м.

Э_р=0,9*12,5*2,8=31,5 кДж Имеем: (26+10,92)*10³/31,5*10³=1,17?6

Для контроля несущей способности свайных фундаментов и окончательной оценки применяемости выбранного молота определяется отказ сваи:

S_а=(з*А*Е_d)/(F_d/M (F_d/M+з*A))*(m₁+E²(m₂+m₃))/(m₁+m₂+m₃)>S_a^пр=0,002 м (4.25)

S_а = 0,002 м — остаточный отказ, равный значению погружения сваи от одного удара молота;

з — коэффициент, принимаемый в зависимости от материала сваи, т.к. свая железобетонная з= 1500 кН/м²;

А — площадь, ограниченная наружным контуром сплошного или полого поперечного сечения ствола сваи, А=0,09 м²;

Е_d — расчетная энергия удара молота, Е_d=31,5 кДж;

F_d — несущая способность сваи, F_d = 521,77 кН;

М = 1- коэффициент, принимаемый при забивке свай молотами ударного действия;

m₁ = 26 кН — вес молота;

m₂ = 7,92+2 = 9,92кН — вес сваи и наголовника;

m₃ = 1кН — вес подбабка;

Е — коэффициент восстановления удара, при забивке железобетонных свай молотами ударного действия с применением наголовника с деревянным вкладышем Е²=0,2.

Определим отказ сваи по формуле (4.20):

S_а=(1500*0,09*31,5*10³)/(521,77/1*(521,77/1+1500*0,09))*(26+0,2(9,92+1))/(26+9,92+1)=0,012 > S_a^пр=0,002 м Условие выполняется, окончательно принимаем трубчатый дизель-молот с водяным охлаждением С995.

5. Проверка возможности использования фундаментов существующих зданий с целью увеличения нагрузки при реконструкции

5.1 Расчет ширины фундамента при новой нагрузке

1) Для решения этой задачи необходимо:

1. Изучить архивные материалы и проектную документацию по объекту, подлежащему реконструкции: план строительной площадки и план первого этажа приведены на рисунке 1.1, инженерно-геологический разрез — на рисунке 1.2, разрез фундамента до реконструкции.

2. Выполнить обследование здания, установить фактическое состояние фундаментов и физико-механические характеристики грунтов основания (глубина заложения, размеры подошвы фундамента, его конструкция и состояние, удельный вес грунта ниже и выше подошвы фундамента угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации):

1) глубина заложения d=1,05 м;

2) ширина подошвы фундамента b=0,6 м;

3) осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента: г_II=19,62 кН/м;

4) то же, залегающих выше подошвы фундамента г_II^*=17,658 кН/м;

5) расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего ниже подошвы фундамента: С_II=30,4 кПа;

6) угол внутреннего трения: ц= 22,4 град;

7) модуль деформации: Е=21,4 МПа.

3. Определить нагрузки на существующие фундаменты до реконструкции:

=148,62 кН.

4. Определить расчетное сопротивление грунта основания R без учета уплотнения грунта: R=299,47 кПа.

5. Определить среднее давление на основание Р до реконструкции объекта: Р_ср=293,318 кПа.

6. Вычислить коэффициент, учитывающий изменение физикомеханических свойств грунтов оснований под подошвой фундаментов за период эксплуатации здания. Так как P/R=293,318/299,47*100%=97,94%>80%, то=1,3.

7. Определить расчетную осадку S фундамента от действующих нагрузок до реконструкции по характеристикам грунта без учета уплотнения S=1,18 см.

8. Установить предельную осадка S_u основания для реконструируемого объекта =10см (таблица Б1[2]).

9. Определить коэффициент, принимаемый в зависимости от отношения расчетной осадки к предельной; т.к. данное отношение < 20%, по таблице 4.1[1] проинтерполировав получим =0,649.

10. Определить новое расчетное сопротивление грунта основания с учетом изменения его свойств за период эксплуатации по формуле:

(5.1)

11. Определить среднее давление после реконструкции здания, в соответствии с заданием при N_II`= 200,64кН.

12. Сделать выводы о возможности использования существующих фундаментов или о необходимости их усиления:

Так как среднее давление на грунт после реконструкции здания значительно больше расчетного сопротивления грунта в результате упрочнения за период эксплуатации, то целесообразно увеличить несущую способность фундамента. Для этого рассчитаем ширину фундамента при новой нагрузке N=200,64 кН по формуле (3.3):

A=200,64/(245,05−22*1,05)=0,904

Ширину ленточного фундамента под стену, когда расчет ведется на 1 пог. м. длины фундамента определяем по формуле (3,4):

b=0,904/1=0,9 м Определяем расчетное сопротивление грунта основания R по формуле (3,5):

Где b=0,9 м — новая ширина подошвы фундамента;

где _С1, _С2 — коэффициенты условий работы, принимаемые по таблице П-14[1], (_С1=1,2, _С2=1,1, т.к. грунт глинистый 0,25?J_L?0,5, а соотношение длины здания к его ширине L/H=30,000/22,5 = 1,33?1,5, т.к. нагрузка увеличилась на 52,02 кН, то высота здания увеличилась на 1 этаж 18,75+3,75=22,5 м.);

К — коэффициент, принимаемый равным К=1,1;

М М_q, М_с, коэффициенты, принимаемые в зависимости от угла внутреннего трения ц= 22,4° по таблице П-15[1]:

М=0,642;

М_q=3,524;

М_с=6,12;

К_z — коэффициент, принимаемый равным 1 (b<10 м);

_II=19,62 т/м³ — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, т/м³, (таблица 2.1);

^'_II -то же, залегающих выше подошвы фундамента, ^'_II=17,658;

C_II=30,4 кПа — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего ниже подошвы фундамента, кПа, (таблица 2.1);

d₁ — приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, d₁ = 0,53;

d_b — глубина подвала — расстояние от уровня планировки до пола подвала, d_b = 0,55;

R=1.2*1.1/1.1*(0.642*0.9*19.62+3.524*0.53*17.658+(3.524−1)*0.55*17.658 +6.12*30.4)=305,852 кПа При принятом значении b=0,9 м для фундамента определяем среднее давление по подошве по формуле (3,8):

P_cp= 200,64/0,9+22*1,05=246,033 кПа Разность P_ср и R составляет 305,852−246,033=59,819 (что составляет 19,56%). Необходимо изменить размеры фундамента и повторить вычисления Принимаем b=0,75 м, тогда:

R=1.2*1.096/1.1*(0.642*0.75*19.62+3.524*0.53*17.658+(3.524−1)*0.55*17.658 +6.12*30.4)=303,586 кПа

P_cp= 148,62/0,75+22*1,05=290,62 кПа Разность P_ср и R составляет 303,586−290,62=12,966 (что составляет 4,27%). Условие выполняется. Следовательно, новую ширину фундамента принимаем b=0,75 м.

5.2 Производство работ при усилении фундаментов Выбор способа усиления или переустройства фундаментов мелкого заложения зависит от величины и характера нагрузок, инженерно-геологических условий площадки и конструктивных особенностей здания и их фундаментов. Наиболее распространенными методами усиления фундаментов мелкого заложения являются:

устройство обойм без уширения и с уширением подошвы фундамента; подведение под существующие фундаменты плит, стен, столбов; подведение новых фундаментов с полной разборкой старых; усиление забивными и набивными сваями; усиление способом «стена в грунте».

Усиление нашего фундамента мы будем производить устройством ж/б обоймы. Последовательность работ в этом случае будет следующая:

§ устраивается временное крепление несущих конструкций;

§ отрывается грунт вокруг усиливаемого фундамента;

§ устанавливается крепление откосов котлованов;

§ насекается и очищается поверхность фундамента;

§ выполняется подготовка основания путем втрамбовывания щебня в грунт или обжатия основания нагрузкой;

§ монтируется арматура и закладные детали;

§ устанавливается опалубка и приспособления для тепловой обработки бетона в зимних условиях;

§ производится бетонирование конструкции и уход за бетоном;

§ разбираются опалубка и крепления откосов котлованов;

§ выполняется обратная засыпка пазух фундаментов.

Грунт вокруг усиливаемого фундамента отрывается захватками (размером около 5 м), причем работы на следующей захватке не будут начаты, пока не завершены работы на предыдущем участке. Откосы отрытого котлована должны быть закреплены (например, досками), чтобы избежать нарушения грунта в основании.

Перед устройством ж/б обойм проводится подготовка поверхности старого фундамента. Для лучшего сцепления обоймы с фундаментом его поверхность обрабатывается с целью придания ей шероховатости. Для этого на поверхности фундамента с помощью перфоратора делают насечки или в просверленные шпуры вставляют анкерные стержни, также удаляются слабые места, создавая при этом полости и бороздки.

Монтаж арматуры выполняют после обработки поверхностей сопряжения. Установку опалубки осуществляют после монтажа арматурных каркасов. Опалубку подвешивают или крепят к арматуре усиления.

Бетонную смесь рекомендуется применять на нормативном портландцементе, так как все остальные цементы, особенно быстротвердеющие, не обеспечивают необходимой прочности сопряжения старого бетона с обоймой, что объясняется значительными напряжениями от усадки бетона в процессе твердения. Бетонную смесь уплотняют глубинными и поверхностными вибраторами.

Для уменьшения развития дополнительных осадок уширенный фундамент должен быть введен в работу путем искусственного обжатия основания перед тем, как оно будет окончательно соединено со старым фундаментом. Обжатие основания выполняют с помощью клиньев или домкратов. Перед съемом домкратов устанавливают распорки с расклиниванием их, после чего бетонируют обойму.

Распалубливание конструкции проводят после набора бетоном необходимой прочности.

Рисунок 5.1 Усиление фундамента с помощью ж/б обоймы:

1-усиливаемый фундамент, 2-ж/б обойма, 3- рабочая арматура в швах между блоками, 4-основная рабочая арматура, 5-зона уплотненного грунта.

6.Технология производства работ по устройству фундамента

6.1 Подготовка территории

До начала свайных работ должны быть: подготовлена территория, размечены оси здания и свайных фундаментов, доставлены на строительную площадку, приняты и складированы сваи, зафиксированы места погружения свай, испытаны пробные сваи.

Подготовка территории включает очистку и планировку территории, отвод грунтовых вод, строительство временных и постоянных дорог, выемку грунта из котлована до проектной отметки. При разбивке фундамента надежно закрепляются на местности положения осей всех рядов свай на обноске, подмостях (при забивке свай с подмостей), с помощью специальных каркасов или буев (при забивке свай на обводненной территории). Отклонения разбивочных осей свайных рядов от проектных не должны превышать 1 см на каждые 100 м ряда.

Разбивку свайных фундаментов оформляют актом, к которому прилагают схемы расположения знаков разбивки, данные о привязке к базисной линии и высотной опорной сети. Правильность разбивки следует систематически проверять в процессе производства работ.

На площадке сваи складируют в соответствии с проектом производства работ и располагают головами в одну сторону. Высоту укладки штабелей определяют согласно требованиям техники безопасности. Она не должна превышать 2 м с подкладками и прокладками при хранении свай квадратного сечения и 1,5 м при хранении свай трубчатого сечения. Высота деревянных прокладок должна превышать на 2—3 см высоту монтажных петель, а ширина должна быть не менее 15 см.

6.2 Забивка свай

Процесс погружения забивных свай состоит из следующих операций: подтаскивание сваи к копру при расположении свай на расстоянии до 5—10 м от места погружения, подъем свай в вертикальное положение установка их на место забивки, опускание молота или вибропогружателя на голову сваи, собственно погружение, подъем молота и перемещение сваебойного агрегата к месту погружения следующей сваи

До перемещения копров и самоходных агрегатов свайный молот закрепляют в внизу копровой стрелы. Устанавливают сваебойный механизм так, чтобы центр молота точно совпадал с направлением забивки сваи, а направляющая стрела находилась строго в вертикальном положении. После окончательной выверки сваебойного механизма молот поднимают на высоту, необходимую для заводки сваи в наголовник и ее установки. Затем проверяют совпадение центра острия с осью сваи. Забивку свай начинают с медленного опускания молота на наголовник после установки сваи на грунт и ее выверки. Под действием массы молота свая погружается в грунт. Чтобы обеспечить правильное направление сваи, первые удары производят с небольшой высоты подъема молота (0,4−0,5м). При использовании дизель-молотов замеряют время число ударов молота в минуту, расходуемое на каждый метр погружения сваи. В начале забивки необходимо внимательно наблюдать за правильностью погружения сваи в плане и по вертикали.

Схема движения сваебойного агрегата зависит от принятой последовательности устройства свай и может быть порядовой (по продольным или поперечным осям) или позахватной. В нашем случае схема движенияпорядовая.

Масса ударной части дизель-молота должна быть не меньше массы самой сваи с наголовником, надеваемым на голову сваи для защиты её от разрушения ударами молота. Для смягчения удара в наголовники укладывают прокладки из дерева, резины и других упругих материалов. Такие прокладки снижают эффективность удара, однако без них разрушается бетон головы сваи.

При забивке свай дизель-молотами за отказ принимают величину погружения сваи от одного удара. Отказы измеряют с погрешностью не более 1 мм.

Сваи не давшие контрольного отказа после перерыва в 3−4 дня, подвергают контрольной добивке. Если глубина сваи не достигла 85% проектной, а на протяжении 3-х последовательных залогов получен расчетный отказ, необходимо выяснить причины этого явления и согласовать с проектной организацией порядок дальнейшего ведения свайных работ.