Проектирование и устройство оснований и фундаментов

Введение

Основания и фундаменты любого объекта должны проектироваться индивидуально с учетом особенностей строительной площадки, конструктивных решений и эксплутационных требований, предъявляемых к зданиям и сооружениям. Учитывая, что затраты на устройство оснований и фундаментов в ряде случаев достигают 20% и более от общей стоимости строительства (особенно в сложных геологических условиях), выбор единственно правильного решения может дать существенный эффект. Это относится как к вновь возводимым, так и к реконструируемым объектам.

Проектирование и устройство оснований и фундаментов — комплексная задача. Для ее успешного решения инженер должен обладать необходимыми знаниями по:

— инженерной геологии: установление объема и состава инженерногеологических изысканий, всесторонний анализ условий и особенностей строительной площадки и всего района строительства, а также прогноз возможных изменений во время строительства и эксплуатации объектов;

— механике грунтов: оценка условий работы отдельных грунтов и толщи основания в целом, знание особенностей и условий применения существующих расчетных моделей и решений для определения деформируемости и прочности оснований, выбор оптимального метода расчета,

— основаниям и фундаментам: выбор наиболее экономически и технически обоснованного типа оснований и конструкций фундаментов, их расчёт, назначение оптимального метода производства работ.

1. Расчет основания по деформациям Исходные данные

Рис. 1. Расчетная схема фундамента

2. Оценка грунтов и грунтовой обстановки

1 слой: глинистый грунт Число пластичности:

IP = 0,18 > 0,17 — глины (стр. 73 п.2.1) [1]

Консистенция глинистых грунтов:

0,50 < 0,67 < 0,75 — мягкопластичные (стр. 73 табл.3) [1]

Плотность в сухом состоянии:

Коэффициент пористости:

Степень влажности:

0,8 < 0,837 < 1,0 — насыщенные грунты (стр. 72 п.1.5) [1]

Отношение грунта к воде:

Глина мягкопластичная, насыщенная, набухающая, просадочная

2 слой: песчаный грунт Плотность в сухом состоянии:

Коэффициент пористости:

0,55 < 0,69 < 0,7 — средняя плотность (стр. 72 табл.2) [1]

Масса частиц 0,25 мм > 50% - песок средней крупности (стр. 71 табл.1) [1]

Степень влажности:

0,5 < 0,683 < 0,8 — влажные грунты (стр. 72 п.1.5) [1]

Песок влажный, средней крупности, средней плотности.

3. Назначение глубины заложения фундамента Нормативную глубину сезонного промерзания грунта, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле:

Mt — безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год в данном районе, принимаемых по СНиП 23−01;

d0 — величина, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23 м; супесей, песков мелких и пылеватых — 0,28 м; песков гравелистых, крупных и средней крупности — 0,30 м; крупнообломочных грунтов — 0,34 м.

Глубина сезонного промерзания грунта:

Расчетная глубина сезонного промерзания:

kh — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для фундаментов неотапливаемых сооружений kh = 1,1

Принимаем конструктивную глубину заложения:

hф — высота фундаментного стакана, при Е = 20МПа, принимаем 1500 мм;

hcf — толщина слоя грунта от уровня чистого пола до верха подколонника, принимаем 150 мм;

hдренаж — толщина слоя дренажа, принимаем 300 мм.

Так как строительство осуществляется в г. Челябинске и глубина промерзания достигает около 1,8 м, принимаем глубину заложения фундамента 2 м, выполняя условие dk? df.

4. Выбор типа фундамента и определение его размеров Размеры подошвы фундамента определяем методом последовательного приближения (подбором), задаваясь ими кратно 100 мм.

При расчете оснований по деформациям необходимо, чтобы среднее давление Р под подошвой центрально нагруженного фундамента не превышало расчетного сопротивления грунта R. Для внецентренно нагруженного фундамента предварительно проверяются три условия:

Задаем размеры подошвы фундамента при условии:

Принимаем размер подошвы фундамента кратными 30 см: b=2,4 м и L=3,0 м с площадью:

Вес фундамента с грунтом на его уступах:

= 20 кН/ м3- усредненный удельный вес массива бетона и грунта;

Момент сопротивления прямоугольной площади подошвы:

Расчетное сопротивление грунта под подошвой:

где ?c1 и? c2 — коэффициенты условий работы, принимаемые по таблице 5.4 СНиП 2.02.01−83*: ?c1 = 1,1 и? c2 = 1,0;

k = 1 — коэффициент, принимаемый равным единице, если прочностные характеристики грунта (?II и cII) определены непосредственными испытаниями;

M?, Mq, Mc — коэффициенты, принимаемые по таблице 5.5 СНиП 2.02.01−83*: при ц=21? — M? = 0,56 Mq = 3,24 Mc = 5,84;

kz = 1 — коэффициент, принимаемый равным единице при b < 10 м;

b = 1,8м — ширина подошвы фундамента;

?II = с · q = 1,85 ·

9,85 = 18,2 кН/м3 — усредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента;

?'II = с · q = 1,8 · 9,85 = 17,7 кН/м3 — то же, для грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, кН/м;

сII = c = 81кПа — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента;

d1 = 2,0м — глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки;

db = 0 — расстояние от уровня планировки до пола подвала, м;

hs — толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;

hcf — толщина конструкции пола подвала, м;

?cf — расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м2;

Проверяем условия:

(рациональная площадь) Условия выполнились, принимаем размеры фундамента кратными 300мм: b=2,4 м и L=3,0 м с площадью As=7,2 м²

Схема. Эпюра давления на грунт

5. Определение напряжений и расчет осадки методом послойного суммирования

Осадку центра подошвы фундамента определяем методом послойного суммирования. По методу послойного суммирования дисперсная толща грунтов делится на элементарные слои грунта по условию: hi? 0,4b, где hi — высота (толщина, мощность) элементарного слоя.

Рис. 6. Элементарные слои грунта В каждом элементарном слое определяем соответствующее бытовое уzq (вертикальное давление от собственного веса грунта) и дополнительное уzp (избыточное давление от наличия подземных конструкций) напряжение.

а) определение напряжений от собственного веса грунта (эпюра бытового давления уzq):

;

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

hi — толщина i-ого слоя грунта, м;

Толщу основания делим на элементарные слои: т.к. b=2,4 м, то минимальная толщина каждого слоя hi = 0,96 м, для наглядности при построении эпюр делим каждый слой под подошвой фундамента на 10 частей: h1−10 = 0,4 м, h11−20 = 0,35 м. Т.к. 1 и 2 слой под подошвой фундамента залегает ниже горизонта подземных вод, то удельный вес грунта определяется с учетом гидростатического взвешивания:

w=10 кН/м3 — удельный вес воды,

s — плотность частиц грунта, т/м3;

e — коэффициент пористости грунта;

s =10s — удельный вес частиц грунта, кН/м3.

.. .

Ординаты эпюры природного (бытового) давления откладываем влево от оси симметрии.

б) определение напряжений от веса фундаментов (эпюра избыточного давления — уzp): ,

где P0 — дополнительное вертикальное давление под подошвой фундамента определяется как разность между средним давлением по оси фундамента и вертикальным напряжением от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента:

— коэффициент рассеяния, определяется по СНиП 2.02.01−83;

Pср — нагрузка по подошве фундамента (из проверки по ширине подошвы);

.. .

Среднее дополнительное давление в пределах элементарного слоя:

.. .

Определяем нижнюю границу сжимаемой толщи (Н.Г.С.Т.), т. е. мощность сжимаемой толщи основания, по условию:

32,45? 0,2 · 104,75 = 20,95

Условие не выполняется.

в) давление непосредственно под подошвой фундамента:

Расчет ведется по II предельному состоянию (по деформациям) сравнением двух характеристик: рабочей и предельной: S? Su. Расчет осадки отдельного фундамента на основании в виде упругого линейно деформируемого полупространства с условным ограничением величины сжимаемой зоны производится по формуле:

где S — конечная осадка отдельного фундамента, см;

где Si — осадка i-го (элементарного) слоя, см;

hi — толщина i-го слоя грунта основания, см;

Ei — модуль деформации i-го слоя грунта, кПа;

— безразмерный коэффициент, равный 0,8;

zpii — среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-м слое грунта, равное полусумме напряжений на верхней Zi-1 и нижней Zi границах слоя, кПа.

.. .

Конечная осадка фундамента:

Предельная осадка Su = 8 см > S = 3,8313 см Условия выполняются, принимаем окончательные размеры подошвы фундамента: ширина 2,4 м, длина 3,0 м.

Рис. 7. Эпюры бытового и избыточного давления

6. Расчет свайного фундамента Исходные данные принимаются те, что и в расчете по деформациям:

Исходя из заданных условий выбираем типоразмер сваи, количество: для одиночного фундамента под колонну выбираем 18 свай (по расчету), то есть свайное поле.

Рис. 8. Ростверк фундамента

· принимаем квадратные сваи СЦ 6−30 А=0,3· 0,3 м, сваи трения (висячие) с шагом 3d=3· 0,3=0,9 м

· глубина заложения 2,0 м

· принимаем длину сваи L=5,5 м.

а) Определяем несущую способность сваи (как висячей сваи) по грунту по СНиП 2.02.03−85 «Свайные фундаменты» по формуле:

[5]

гс — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимается гC=1;

R — расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи, при погружении сваи на глубину 7м: R=3700 кПа; (стр. 69, табл.15) [1]

A — площадь опирания на грунт сваи (площадь сечения сваи), м2;

А=0,3· 0,3= 0,09 м²

u — наружный периметр поперечного сечения сваи: u=0,3· 4=1,2 м;

fi — расчётное сопротивление i — го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа;

hi — толщина i — го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи: h1 = h2= h3= h4 = h5 = 1,0 м;

Рис. 9. Расчетная схема гCR, гCF — коэффициенты условий работы грунта, соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие способ погружения сваи на расчётные сопротивления грунта: гCR=1, гCF =1

При IL=0,67% для 1слоя, песок средней крупности 2 слоя и средней глубине расположения сваи, методом интерполяции (стр. 70, табл.16) [1]:

h1 =2,5 м > f1 = 7,5кПа

h2 = 3,5 м > f2= 8,5кПа

h3 = 4,5 м > f3= 9,5кПа

h4 = 5,5 м > f4 = 10,0кПа

h5 = 6,5 м > f5 = 59,0кПа Определение нагрузки, допускаемой на сваю Нагрузка, допускаемая на сваю определяется путём деления несущей способности сваи Fd на коэффициент надёжности гk=1,4:

Расчетные нагрузки для расчета по несущей способности:

Определение количества свай и конструирование свайного ростверка

Определяем число свай при условии, что ростверк осуществляет равномерное распределение нагрузки на свайный куст. Расчёт ведём по первой группе предельных состояний.

где N и М — заданные нормативные нагрузки;

Gрвес ростверка при нормативных весах бетона и грунта;

Количество свай в фундаменте с учетом действия момента Мd определяется:

= 420 * 1,2= 504 кН*м

Gр = d*A*= 2* 1, 96* 20= 78, 4 кН

= (4000+ 78,4) *1,2= 4894, 08 кН

= принимаем 18 шт.

Размещаю сваи в плане с шагом 3d = 900 мм.

Фактические расчетные усилия на средние и крайние сваи (внецентренное сжатие):

N max/ min= Nd /n Mx y / yi2

где yi — расстояние от главной оси свайного фундамента до оси каждой сваи;

y — тоже до оси сваи, для которой вычисляется расчетная нагрузка.

N max = 271, 89 + 24, 92= 296, 81 кН

N min = 271, 89 -24, 92= 246, 97 кН Проверяю выполнение условий:

N max = 296, 81 кН F = 497, 34 кН

N min = 246, 97 кН0

Условия выполняются.

Давление на грунт под подошвой условного фундамента

где h-глубина погружения сваи в грунт от подошвы ростверка;

— осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта;

=,

где — - расчетное значение углов внутреннего трения для отдельных пройденных слоев грунта толщиной

= (21*2+ 21*2+ 36*1,5+36*1,5+ 40*1,7)/ 8,7= 27,42

С= 8,7* tg (27,42/4) = 8,7* tg 6,855= 8,7*0,1202 = 0,841 м Определяю размеры подошвы условного фундамента где-и расстояние между осями свай соответственно по поперечным и продольным осям

и — количество рядов свай по ширине и по длине фундамента

— сторона сечения сваи

= 0,900 (3−1) + 0,300+ 2*0,841= 3,782 м

= 0,900 (6−1) + 0,300+ 2*0,841=6,482 м Расчетное сопротивление грунта под подошвой:

— коэффициенты условий работы, принимаемые по СНиП 2.02.01−83;

— коэффициент, зависящий от определения и с по СНиП 2.02.01−83;

— осреднённые удельные веса грунтов, расположенные соответственно ниже и выше подошвы фундамента;

=

кН/м3

по таб.9 = 40 = — коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения и принимаемые по СНиП 2.02.01−83;

— приведенная глубина заложения фундамента для сооружения с подвалом;

— глубина подвала — расстояние от уровня планировки до пола повала, если нет повала, то

= 0;

с — удельное сцепление грунта основания. =0.

1,2 (167,46+1481+ 0+0)= 1648 кН/м2

Нагрузка на подошву условного фундамента от ростверка:5*2,3* 2*20= 460 кН от свай: 18 (2,2 * 9+0,25)= 360,9 кН от грунта в пределах условного фундамента:

(9,3*3,782*6,482) — (5*2,3*2)= 227,98−23= 204,98 кН Среднее давление на подошву условного фундамента:

кН/ м2

205,05 кН/ м2R= 1648 кН/м2 Условие выполняется.

Осадка центра подошвы условного фундамента определяем методом послойного суммирования.

= h? гi

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

hi — толщина слоя грунта, м;

Толщу основания под условным фундаментом делим на элементарные слои:, т.к. b=3,782 м, то hi=1,51 м =2 м. Т.к. часть второго и третьего слоя залегает у горизонта подземных вод, то удельный вес грунта определяется с учетом гидростатического взвешивания:

= 10 кН/м3

s=10s = 10*2, 65= 26, 5 т/м3

s — плотность частиц грунта, т/м3;

e — коэффициент пористости грунта;

s — удельный вес частиц грунта, Кн/м3.

zg 0 = d = 9,3*10= 93 кН /м2

+ 93 = 113 кН /м2

кН /м2

кН /м2

Эпюра дополнительного давления в уровне подошвы условного фундамента:

кН /м2

;

= 112,5* 0,81= 91,12 кН /м2

= 112,5* 0,48 = 54 кН /м2

= 112,5*0,2675= 30 кН /м2

Определяем нижнюю границу сжимаемой толщи (Н.Г.С.Т.), т. е. мощность сжимаемой толщи основания Нс, по условию

30 0,2 * 155= 31 кН/ м2

Условие выполняется.

Расчет осадки условного фундамента производится по формуле:

где S — конечная осадка отдельного фундамента, см;

hi — толщина i-го слоя грунта основания, см;

Ei — модуль деформации i-го слоя грунта, кПа;

— безразмерный коэффициент, равный 0.8;

zpi — среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-м слое грунта, равное полусумме напряжений на верхней Zi-1 и нижней Zi границах слоя, кПа.

S= 0,8 *(0,0045+0,0032+0,0018)=0,0076 м

S= 0,76 см Su=8см Условие выполняется

Проверка прочности подстилающего слоя

При наличии в сжимаемой толще грунта меньшей прочности, чем вышележащие слои, необходимо проверить условие:

zp + zg Rz,

где левая часть условия — действующее суммарное давление на кровлю слабого слоя;

Rz — расчетное сопротивление на кровле слабого подстилающего слоя.

z = 3 м

zp + zg = 30+ 155= 185 кН/м2

где икоэффициенты, условий работы, принимаемые по табл.

k-коэффициент, принимаемый равным: k = 1, если прочностные характеристики грунта (и с) определены непосредственными испытаниями, и k = 1,1, если они приняты по табл. 1−3 рекомендуемого приложения 1;

— коэффициенты, принимаемые по табл.;

—коэффициент, принимаемый равным:

при b 10 м — =1

b-ширина подошвы фундамента, м;

— осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м3 (тс/м3);

— то же, залегающих выше подошвы;

— расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа (тс/м2);

dz-глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки

где; ,

здесь N — вертикальная нагрузка на основание от фундамента;

l и b — соответственно длина и ширина фундамента.

0=1,2* (530,64+ 1204,35)= 2082кН/м 2

4000 + 460+360,9+204,98 / 30 = 167,52 см²

а = (6,482 -3, 782)/2= 1,35 м

11,66 м

10* 1,85= 18,5 кН/ м3

Проверяем условие:

zp + zg Rz 185 кН/м2 2082 кН/м 2

Условие выполняется.

Крен фундамента

Крен фундамента, вызванный моментом сил М, определяют по формуле:

Ке= 0,45

Е= 45 мПа

0,8 911*12,33= 0,1 099

Расчетный крен не превышает предельного значения

Условие выполняется.

Проектный отказ забивной висячей сваи

Определим отказ сваи, необходимый для контроля несущей способности сваи.

— коэффициент, принимаемый равным 1500 кН/м2 ;

А — площадь поперечного сечения сваи, м2 ;

A=0.09 м2 ;

Для штангового дизель-молота С-330

Ed — расчетная энергия удара молота,;

Ed=0,4GH = 0,4*25*1,9= 19 кН*м

G — вес ударной части молота, кН;

H — расчетная высота падения ударной части молота = 1,9 м;

m1 — полный вес молота, кН;

m1=4,2 кН;

m2 — вес сваи с наголовником, кН;

m2=0,09 кН;

m3 — вес подбабка, кН;

m3=0 кН; для жб сваи.

— коэффициент восстановления энергии удара, 2=0,2;

Fd— несущая способность сваи = 540,3 кН

Литература

фундамент свайный основание

1. Трегулов Г. В. «Расчет оснований и фундаментных конструкций».

2. ГОСТ 25 100–95 «Грунты. Классификация».

3. ГОСТ 13 580–85 «Плиты железобетонные ленточных фундаментов».

4. СНиП II-3−79 «Строительная теплотехника».

5. СНиП 23−01−90 «Строительная климатология».

6. СНиП 2.02.01−83* «Основание зданий и сооружений».

7. СНиП II- 3−79* «Строительная теплотехника».

8. СНиП 2.08.02−89* «Общественные здания и сооружения».