Расчет и конструирование фундамента под опоры моста

1. Нагрузки, передаваемые на основание

На основание фундамента передаются постоянные (вес конструкций) и временные (подвижная, тормозная, ветровая и прочие) нагрузки.

Все нагрузки, действующие на сооружение, как правило, объединяются в комбинации или сочетания. Различают основные, дополнительные и особые сочетания.

Основные сочетания включают одну или несколько следующих нагрузок: постоянные, вертикальные поездные нагрузки, давление грунта (от воздействия поездной нагрузки) и центробежную силу для мостов на кривых.

Дополнительные сочетания наряду с одной или несколькими нагрузками основных сочетаний включают одну или несколько дополнительных нагрузок от давления ветра, навала судов, давления льда.

Особые сочетания включают сейсмическую или строительные совместно с другими нагрузками.

2. Инженерно-геологические условия строительной площадки

Инженерно-геологические условия стройплощадки, на которой возводится фундамент, имеют большое значение, так как именно они в первую очередь определяют глубину заложения фундамента, его тип и размеры.

Опора проектируется на суходоле, так как первым слоем на строительной площадке является растительный грунт. Удельный вес растительного слоя грунта кН/м.

Описание геологического разреза выполняем в порядке напластования грунтов сверху вниз, приводя все необходимые характеристики:

1 слой — растительный грунт;

2 слой — песок крупный;

3 слой — суглинок.

Найдем основные производные физических характеристик грунта.

Удельный вес грунта в сухом состоянии

(2.1)

где — удельный вес грунта, кН/м³.

Коэффициент пористости е (отношение общего объема пор в грунте к объему грунтовых частиц)

(2.2)

где — удельный вес частиц грунта, кН/м³;

Степень влажности (влажность, характеризующая степень заполнения пор грунта водой) вычисляется по формуле

(2.3)

где e — коэффициент пористости;

— плотность воды, кг/м³;

w — природная влажность, %.

— плотность частиц грунта, кг/м³;

где — ускорение свободного падения, м/с².

Удельный вес грунта во взвешенном состоянии:

(2.4)

где — плотность грунта во взвешенном состоянии;

— ускорение свободного падения, м/с².

. (2.5)

Показатель текучести определим по формуле

I_L=(w_pw_Lw_Pw_p)/I_P, (2.6)

где — влажность на границе текучести, %;

— влажность на границе раскатывания, %;

— природная влажность, %.

Число пластичности рассчитывается по формуле

(2.7)

Рассчитаем характеристики грунта для песчаного слоя.

Удельный вес грунта в сухом состоянии:

Коэффициент пористости е

По плотности сложения, определяемой коэффициентом пористости e — песок средней плотности.

Степень влажности

По степени влажности песок водонасыщенный, кПа.

Удельный вес грунта во взвешенном состоянии

Рассчитаем характеристики грунта для суглинка.

Удельный вес грунта в сухом состоянии

Коэффициент пористости е

Согласно таблице суглинок полутвердый, кПа.

Число пластичности

Показатель текучести

I_L

Степень влажности

;

Удельный вес грунта во взвешенном состоянии

Вычисленные характеристики грунтов сводим в таблицу 2.1

Таблица 2.1 — Сводная таблица характеристик грунтов

3. Проектирование фундамента мелкого заложения

3.1 Определение глубины заложения и высоты фундамента

Глубина заложения подошвы фундамента — это расстояние от расчетной поверхности грунта (дневной поверхности грунта на суходоле или уровня размыва в русле) до подошвы фундамента. В зависимости от климатических и геологических факторов она определяется следующим образом:

— при наличии промерзания (опора на суходоле или на пойме реки)

(3.1)

где — нормативная глубина сезонного промерзания грунта, м;

где — коэффициент для расчета глубины промерзания грунта;

— заглубление обреза фундамента ниже поверхности грунта на суходоле или горизонта меженных вод в русле; для песков крупных м;

Минимальная высота фундамента для указанных случаев может быть определена следующим образом:

— при наличии промерзания

(3.2)

Если при заглублении подошвы фундамента от поверхности грунта или уровня воды превысит 7 м, принимается фундамент глубокого заложения.

Поскольку опора находится на суходоле, то высота фундамента

.

м;

м. (3.2)

3.2 Определение размеров фундамента Минимальные размеры определяются размерами опоры: шириной и длиной в уровне обреза фундамента.

Размеры фундамента

; (3.3)

(3.4)

где — уступы на возможную погрешность разбивки осей, принимаемые в пределах 0,3−0,5 м.

Минимальная площадь фундамента

. (3.4)

Если при минимальных размерах в плане несущая способность основания недостаточна для восприятия передаваемого на него давления, при проектировании при проектировании фундаментов мелкого заложения делается развитие фундамента под углом не более 30°.

Максимальные размеры определяются по формулам

; (3.6)

(3.7)

где .

Максимальная площадь подошвы фундамента

. (3.8)

Вычислим размеры фундамента:

м;

м;

м²;

м;

м;

м².

3.3 Расчетное сопротивление основания

Для фундамента заданных размеров расчетное сопротивление нескального основания сжатию, кПа, определяется по формуле

(3.9)

где — условное сопротивление грунта основания в уровне подошвы фундамента, кПа;

и — коэффициенты, определяемые по таблице;, ;

— ширина подошвы фундамента, м;

— осредненное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента, определенное без учета взвешивающего действия воды, кН/м³:

Вычислим расчетное сопротивление:

кПа

3.4 Требуемая площадь подошвы фундамента

Для передачи нагрузки на основание с соблюдением требований норм подошва фундамента должна иметь площадь, рассчитываемую, в первом приближении, по формуле

(3.10)

где — расчетное значение вертикальной нагрузки из основного сочетания, Кн

где — коэффициент надежности, ;

— расчетное сопротивление основания, кПа;

— осредненное значение удельного веса бетонной кладки фундамента и грунта на его уступах, принимаемое не более 20 кН/м³;

— высота фундамента, м.

кН;

Поскольку, то принимаем конструктивно фундамент без развития развития.

3.5 Конструирование фундамента

Принимаем конструктивно фундамент без развития. Фундамент высотой м.

Так как это фундамент мелкого заложения, то на подошву передаётся сила веса фундамента и расчётные силы.

Вес фундамента определяется по формуле

(3.11)

гдеплощадь фундамента, м²;

— удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды, кН/м³.

(3.12)

кН/м³.

кН.

Нагрузка на уровне подошвы фундамента

(3.13)

Н;

Момент уровня подошвы фундамента

(3.14)

где — .

Н.

МН.

Моменты сопротивления:

;

.

м³;

м³.

3.6 Проверка давлений по подошве фундамента Давления по подошве правильно запроектированного фундамента должны удовлетворять условиям:

1) в основном сочетании

2) в дополнительном сочетании где и — расчетные значения нормальной силы и момента в уровне подошвы фундамента, кНм, взятые с основного и дополнительного сочетаний;

— расчетное сопротивление грунта, соответствующее размерам и глубине заложения фундамента, кПа;

и — соответственно площадь, м², и момент сопротивления, м³, подошвы фундамента.

Проверка ведется в двух направлениях — вдоль и поперек оси моста. В наиболее близком совпадении значений разница при проверке не должна превышать 5%.

Рассчитаем условие в основном сочетании:

Рассчитаем условие в дополнительном сочетании:

Все условия выполняются, следовательно фундамент запроектирован правильно.

подошва фундамент осадка нагрузка

4. Определение осадки фундамента В результате сооружения моста изменяется напряженное состояние основания и, как следствие, возникают осадки фундамента.

Для нормальной работы моста предельная осадка не должна превышать предельного значения где — расчетная осадка, определенная для данного фундамента в данных грунтовых условиях, см;

— предельная осадка сооружения, определяемая из условий нормальной эксплуатации сооружения, м.

4.1 Определение расчетной осадки основания методом послойного суммирования Расчетные осадки основания фундаментов опор мостов определяются при действии только постоянных нагрузок в силу того, что подвижная нагрузка является кратковременной. В расчете учитывается среднее давление от этих нагрузок, определяемое по формуле

(4.1)

где — нагрузка в уровне подошвы фундамента;

— площадь подошвы фундамента.

4.2 Определение вертикальных давлений от собственного веса грунта Вертикальное давление от собственного веса грунта — природное или бытовое давление на глубине z — в общем случае равно давлению, создаваемому столбом грунта высотой, и может быть определено по формуле

(4.2)

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

— глубина от поверхности грунта или дна водоема, в котором определяется природное давление, м.

Толщина слоя грунта разбивается на более мощные из условия

(4.3)

где — мощность вновь полученного слоя, м;

b — ширина подошвы фундамента, м.

м При 13,4 кН/м³ принимаем м; при 10,11 кН/м³ принимаем м.

Напряжение от собственного веса грунта на отметке подошвы фундамента

(4.4)

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на отметке подошвы:

1-го слоя:

Дополнительное вертикальное давление на основания от внешней нагрузки в уровне подошвы фундамента

(4.5)

где P — среднее давление под подошвой фундамента;

— вертикальное напряжение от свободного веса грунта в уровне подошвы фундамента.

Удельный вес грунта ниже уровня грунтовых вод, но выше водоупора определяется с учетом взвешивающего действия воды

Дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента обозначается .

Дополнительные вертикальные напряжения в точках, расположенных на вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, на глубине z определяется по формуле

(4.6)

где б — коэффициент, принимаемый в зависимости от соотношения сторон подошвы прямоугольного фундамента з = l: b и относительности глубины, равной о = 2z/b;

z — расстояние от подошвы фундамента до точки на осевой вертикали, в которой определяется напряжение.

Методом интерполяции находим

Результаты вычислений вертикальных напряжений от собственного веса грунта и дополнительных напряжений сводим в таблицу.

Таблица 4.1 — Расчеты напряжений в основании фундамента

Деформация сжимаемой толщи грунта определим по формуле

(4.7)

где — среднее давление в пределах i-го слоя грунта, кПа;

— мощность i-го слоя грунта, м;

— модуль деформации i-го слоя грунта, МПа;

n — число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

Предельная деформация основания фундаментов опор мостов определяется конструктивными особенностями моста. Для балочных разрезных мостов она рассчитывается по формуле

(4.8)

где — расчетная длина наименьшего пролетного строения, примыкающего к опоре, м.

м.

.

Условие выполняется, следовательно, фундамент запроектирован правильно.

.