Расчет и проектирование оснований и фундаментов одноэтажного промышленного здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГАОУ ВПО Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Кафедра оснований и фундаментов

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Расчет и проектирование оснований и фундаментов одноэтажного промышленного здания

Екатеринбург 2012г.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Требуется рассчитать и запроектировать основания и фундаменты одноэтажного однопролетного промышленного здания.

Габаритные параметры и характеристика условий строительства здания Таблица 1.1

L1, м	H1, м	hn, м	Q1, т	tвн, ?C	Район строительства	M1	qп, кПа
36	21,6	-4,2	15	15	Сургут	93,3	15

Железобетонные колонны основного каркаса имеют шарнирное сопряжение со стальными фермами, шаг колонн 12 м. Шаг стальных стоек торцевого фахверка 6 м. Схема плана и разреза здания приведены на рисунке 1.1, 1.2.

Усилия, действующие на обрез фундамента по оси 5 Таблица 1.2

Усилие	Постоянные (1)	Снеговые (2)	Крановые (3)	Ветровые (4)
Nn, кН	1074,4	195	289,2	0
Mn, кН	273,9	65,5	±250,3	±24,7
Qn, кН	50	4,7	±39,7	±14,3

Инжинерно - геологические условия площадки строительства установлены бурением 4 скважин на глубину 20 м (табл. 1.2). Подземные воды во всех скважинах расположены на одной глубине 0,75 м от отметки природного рельефа.

Таблица 1.3

№ слоя	Тип грунта	Обозн.	Толщина слоя, м
			Скв. 1 72,300	Скв. 2 73,000	Скв. 3 71,200	Скв. 4 71,000
1	Почвенно-растительный	h0	0,3	0,3	0,3	0,3
2	Супесь	h1	4,8	5	4,6	4,8
3	Суглинок	h2	1,2	1,1	1,3	1,2
4	Пески ср. зернистости	h3	Толщина слоя бурением до глубины 20 м не установлена

Рис. 1.1 Габаритная схема плана здания



Рис. 1.2 Габаритная схема поперечного разреза здания

Исходные показатели физико -- механических свойств грунтов

Таблица 1.4

№ слоя	Тип грунта	сn, т/м3	w, %	сs, т/м3	сI/сII, т/м3	wp, %	wL, %
2	Супесь	1,84	26,2	2,7	1,79/1,81	24,7	27,2
3	Суглинок	1,79	26,3	2,79	1,74/1,76	21,8	34,8
4	Пески ср. зернистости	2,04	18,2	2,66	1,99/2,02	-	-
№ слоя	Тип грунта	kf, см/с	E, МПа	cI/cII, кПа	цI/цII, град
2	Супесь	2,5?10-5	7	4,0/5,0	17/19
3	Суглинок	2,0?10-7	9	11,0/16,0	15/17
4	Пески ср. зернистости	2,5?10-2	40	1,0/2,0	34/38

Данные химического анализа подземных вод по агрессивности

Таблица 1.5

Показатель агрессивности	Значение показателя
Водородный показатель pH, мг-экв/л	2,8
Содержание, мг/л:
агрессивной углекислоты CO2	38
аммонийных солей, ионов NH4+	19
сульфатов, ионов SO4-2	1200
хлоридов, ионов Cl-	210
Содержание щелочей, г/л	690

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА ФУНДАМЕНТ

2.1 Сочетания нагрузок

По [1] снеговая, ветровая и крановая нагрузки считаются кратковременными нагрузками. Тогда для расчета неблагоприятного сочетания нагрузок используем основное сочетание. Оно будет состоять только из постоянных и кратковременных нагрузок.

Значения коэффициентов сочетания: t1 = 1,0; t2 = 0,9, t3 =0,7, по [1].

Рассмотрим разные варианты сочетания нагрузок и выберем самое неблагоприятное.

Таблица 2.1

Усилия	Индексы нагрузок (по табл. 1.2) и правило подсчета
	(1)+(3)	(1)+(3)+0,9?(2)+ +0,7?(4)	(1)+(3)+0,9?(4)++0,7?(2)	(1)+(2)+0,9?(3)+ +0,7?(4)
Nn, кН	1363,6	1539,1	1500,1	1529,68
Mn, кН?м	524,2	600,44	592,28	581,96
Qn, кН	89,7	103,94	105,86	100,44

Наиболее неблагоприятное сочетание нагрузок из постоянной и всех кратковременных во втором случае: (1)+(3)+0,9?(2)+0,7?(4). Тогда:

Nn=1539,1 кН,

Mn=600,44 кН?м,

Qn=103,94 кН.

2.2 Расчетные нагрузки

Для расчетов по несущей способности расчетные нагрузки NI, MI, QI, вычисляются по формулам: (с коэффициентом надежности по нагрузке гf=1,2):

NI=Nn? гf, (2.1)

MI=Mn? гf, (2.2)

QI=Qn? гf, (2.3)

где гf - коэффициент надежности по нагрузке, гf=1,2.

NI=1539,1?1,2=1846,92 кН,

MI=600,44?1,2=720,53 кН?м,

QI=103,94?1,2=124,73 кН.

Расчетные нагрузки для расчетов по деформациям (NII, MII, QII) вычисляются по формулам:

NII=Nn? гf , (2.4)

MII=Mn? гf, (2.5)

QII=Qn? гf, (2.6)

где Nn- неблагоприятное сочетание продольных нагрузок,

Mn - неблагоприятное сочетание моментов,

Qn - неблагоприятное сочетание поперечных нагрузок,

гf - коэффициент надежности по нагрузке, гf=1.

NII=1539,1 кН,

MII= 600,44 кН?м,

QII=103,94 кН.

3. ОЦЕНКА ИНЖИНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПЛОЩАДКИ СТРОИТЕЛЬСТВА

3.1 Анализ рельефа площадки

Рельеф площадки спокойный, с уклоном в одну сторону.

4 скважины на площадке, по одной в каждом углу, расположенные на расстоянии 3 м от предлагаемого местоположения фундамента. Глубина скважины -- 20 м. Характер напластования грунтов -- слоистый. Средняя мощность слоев: супесь -- 4,8 м, суглинок -- 1,2 м, мощность песков среднего заложения не определена скважинами.

Планово-высотная привязка здания на площадке строительства приведена на рисунке 5.1. Инженерно - геологический разрез I-I, построенный по заданным скважинам, показан на рисунке 5.2. Значение планировочной отметки -- 72,00 м принята из условия обеспечения баланса объемов срезки и подсыпки.

Рис. 3.1. Схема планово -- высотной привязки здания

3.2 Нормативные и расчетные показатели физико - механических свойств и состояния грунта

Вычисляем необходимые нормативные и расчетные показатели физико механических свойств и состояния грунтов по приведенным в таблице 1.4 характеристикам по фрмулам:

1) Число пластичности IP, %:

IP=wL-wP, (3.1)

где wL - влажность на границе текучести, %,

wP - влажность на границе раскатывания, %.

2) Плотность сухого грунта сd, т/м3:

сd=сn/(1+0,01w), (3.2)

где сn - плотность грунта, т/м3,

w - влажность, %.

3) Пористость n, %:

n=(1-сd/сs)?100, (3.3)

где сd - плотность сухого грунта, т/м3,

сs - плотность твердых частиц, т/м3.

4) Коэффициент пористости e:

e=n/(100-n), (3.4)

где n - пористость, %.

5) Коэффициент водонасыщения грунта Sr:

Sr=w/wsat=w?сs/(e?сw), (3.5)

где w - влажность, %,

сs - плотность твердых частиц, т/м3,

e - коэффициент пористости,

сw - плотность воды, т/м3, сw= 1 т/м3.

6) Показатель текучести: IL:

IL=(w-wP)/(wL-wP), (3.6)

где w - влажность, %,

wL - влажность на границе текучести, %,

wP - влажность на границе раскатывания, %.

7) Расчетные значения удельного веса для расчета по несущей способности ?I и по деформации ?II и удельного веса твердых частиц ?S , кН/м3:

I=сIg, (3.7)

II=сIIg, (3.8)

S=сSg, (3.9)

где сI - расчетная плотность для расчета по несущей способности, т/м3,

сII - расчетная плотность для расчета по деформациям, т/м3,

сS - плотность твердых частиц, т/м3.

8) Удельный вес, расположенной ниже УПВ, с учетом взвешивающего действия воды ?sb, кН/м3:

sb=(S-w)/(1+e), (3.10)

где S - удельный вес твердых частиц, кН/м3,

w - удельный вес воды, кН/м3. ?w=10 кН м3,

e - коэффициент пористости.

Результаты вычисления представлены в таблице 3.1.

Расчет:

Слой 2 -- супесь

1) По формуле (3.1): IP=27,2-24,7=2,5 %;

2) По формуле (3.2): сd=1,84/(1+0,01?26,2)=1,46 т/м3;

3) По формуле (3.3): n=(1-1,46/2,7)?100%=45,93 %;

4) По формуле (3.4): e=45,93/(100-45,93)=0,85;

5) По формуле (3.5): Sr=26,2?2,7/0,85/1= 83,22;

6) По формуле (3.6): IL= (26,2-24,7)/(27,2-24,7)=0,6;

По показателю текучести супесь находится в пластичном состоянии по.

7) По формуле (3.7), (3.8), (3.9):

I(2)=1,79?9,8=17,54 кН/м3,

II(2)= 1,81?9,8=17,74 кН/м3,

S(2)= 2,7?9,8=26,46 кН/м3;

8) По формуле (3.10): Isb(2)= Isb(2)=sb(2)=(26,46-10)/(1+0,85)=8,9 кН/м3.

Слой 3 -- суглинок

1) По формуле (3.1): IP=34,8-21,8=13 %;

2) По формуле (3.2): сd=1,79/(1+0,01?26,3)=1,42 т/м3;

3) По формуле (3.3): n=(1-1,42/2,79)?100%=49,1 %;

4) По формуле (3.4): e=49,1/(100-49,1)=0,96;

5) По формуле (3.5): Sr=26,3?2,79/(0,96?1)=76,43;

6) По формуле (3.6): IL=(26,3-21,8)/(34,8-21,8)=0,35;

По показателю текучести суглинок находится в тугопластичном состоянии по.

7) По формуле (3.7), (3.8), (3.9):

I(3)=1,74?9,8=17,05 кН/м3,

II(3)=1,76?9,8=17,25 кН/м3,

S(3)=2,79?9,8=27,34 кН/м3;

8) По формуле (3.10): ?Isb(3)=?IIsb(3)=?sb(3)=(27,34-10)/(1+0,96)= 8,85 кН/м3.

Слой 4 -- песок средней крупности

1) По формуле (3.2): сd=2,04/(1+0,01?18,2)=1,73 т/м3;

2) По формуле (3.3): n=(1-1,73/2,66)?100%=34,96 %;

3) По формуле (3.4): e=34,96/(100-34,96)=0,54;

По коэффициенту пористости песок средней крупности плотный по [2].

4) По формуле (3.5): Sr=18,2?2,66/(0,54?1)= 89,65;

5) По формуле (3.7), (3.8), (3.9):

I(4)= 1,99?9,8=19,5 кН/м3,

II(4)= 2,02?9,8=19,8 кН/м3,

S(4)= 2,66?9,8=26,07 кН/м3;

6) По формуле (3.10): Isb(4)=IIsb(4)=sb(4)=(26,07-10)/(1+0,54)=10,44 кН/м3.

Таблица 3.1

Слой	?d, т/м3	n, %	e	Sr	Ip,%	IL	?I, кН/м3	???, кН/м3	?s, кН/м3	?sb, кН/м3
Супесь	1,46	45,93	0,85	83,22	2,5	0,6	17,54	17,74	26,46	8,9
Суглинок	1,42	49,1	0,96	76,43	13	0,35	17,05	17,25	27,34	8,85
Пески ср. зернистости	1,73	34,96	0,54	89,65	-	-	19,5	19,8	26,07	10,44

Значение Rусл определяется для условной ширины подошвы фундамента b=1 м. и глубины d1, м, соответствующей расстоянию от поверхности планировки до кровли каждого слоя грунта: d1(3)=h2=5,72 м, d1(4)=h3=7,03 м (по геологическому разрезу); для верхнего слоя принимается d1(2)=2 м.

Принимаем, что после выполнения срезки почвенно-растительного слоя и планировки площадки УПВ установится на глубине dw=0,75 м.

Условное расчетное сопротивление Rусл, кПа, определяется по формуле [4]:

Rусл=с(i) с2(i) ?{M (i)kzbsb(i)+Mq(i)?[dwII?+(d1-dw)?sb(hвыш?sb(]+Mc(i) cII(i)}/k, (3.11)

Слой 2

с1, с2 определяем по таблице [3] для глинистых грунтов с показателем текучести более 0,5: с1=1,1; с2=1;

k принимаем равным единице, т. к. прочностные характеристики грунта (II и сII) определялись не по таблицам [1];

kz - коэффициент, принимаемый равным единице при b < 10 м;

M, Мq, Mc принимаем по таблице 5.5 [1] 0,47, 2,89, 5,48 соответственно.

Rусл(2)=1,1?1?{0,47?1?1?8,9+2,89?[0,75?17,74+(2-0,75)?8,9]+5,48?5}/1= 112,4 кПа.

Слой 3

с1, с2 для глинистых грунтов с показателем текучести от 0,25 до 0,5: с1=1,2; с2=1,05;

k принимаем равным единице, т. к. прочностные характеристики грунта (II и сII) определялись не по таблицам [1];

kz - коэффициент, принимаемый равным единице при b < 10 м;

M, Мq, Mc принимаем по таблице 5.5 [1] 0,39, 2,57, 5,15 соответственно.

Rусл(3)=1,2?1,04?{0,39?1?1?8,85+2,57?[0,75?17,74+(5,72-0,75)?8,9]+ +5,15?16}/1= 291,69 кПа.

Слой 4

с1, с2 для песчаных грунтов: с1=1,4; с2=1,3;

k принимаем равным единице, т. к. прочностные характеристики грунта (II и сII) определялись не по таблицам [1];

kz - коэффициент, принимаемый равным единице при b < 10 м;

M, Мq, Mc принимаем по [1] 2,11, 9,44, 10,8 соответственно.

Rусл(4)=1,4?1,3?{2,11?1?1?10,44+9,44?[0,75?17,74+(7,03-0,75)?8,9+1,31?8,85]+ +10,8?2}/1= 1467,45 кПа.

3.3 Оценка пучинистости грунтов

Слой грунта, находящегося в зоне сезонного промерзания - супесь - относится к пучинистым грунтам по [3].

Расчетная глубина промерзания

Расчетная глубина промерзания определяется в зависимости от нормативной глубины промерзания. По карте СНиП 2.01.01-82 максимальная глубина промерзания грунта в городе Сургут dmax=2,4 м. Так как глубина промерзания не превышает 2,5 м, можно пользоваться формулой из [3].

Нормативная глубина промерзания dfn, м, определяется по формуле:

(3.12)

где d0 - величина, принимаемая равной для супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28 м;

Мt - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, Мt =93,3.

dfn=0,28?93,31/2=2,7 м.

Расчетную глубину сезонного промерзания грунта df, м, определяют по формуле:

df = khdfn, (3.13)

где dfn - нормативная глубина промерзания, м;

kh - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых сооружений - по таблице 5.2 по [3], kh=0,7.

df =2,7?0,7=1,89 м.

Расчетное значение глубины заложения фундамента от уровня планировки: d= df +0,2=2,09 м. Принимаю d=2,1 м.

Рельеф с небольшим уклоном в сторону скважин 1, 3, 4. Скважина 2 расположена в самом высоком месте.

Площадка пригодна для возведения здания. Все грунты имеют достаточную прочность (т. к. по исходным данным у всех грунтов модуль деформации Е по больше пяти мегапаскаль) и могут быть использованы как естественное основание.

Грунтовые воды расположены на небольшой глубине, что значительно ухудшает условия устройства фундаментов: при заглублении фундаментов более 1,44 м необходимо водопонижение; дополнительная защита от воздействия грунтовых вод; возможность открытого водоотлива из котлованов, разработанных в супеси. Супесь, залегающая в зоне промерзания, является пучинистым грунтом, поэтому глубина заложения фундаментов наружных колонн должна быть принята не менее расчетной глубины промерзания грунта, а при производстве работ в зимнее время, необходимо предохранять основание от промерзания.

Целесообразно рассмотреть следующие возможные варианты фундаментов и оснований:

1) фундамент мелкого заложения на естественном основании - супеси;

2) фундамент на распределительной песчаной подушке;

3) свайный фундамент из забивных висячих свай; несущим слоем для свай может служить плотный песок средней крупности.

Предусмотреть срезку растительного слоя и использование его в дальнейшем для благоустройства и озеленения территории застраиваемого участка.

4. АНАЛИЗ АГРЕССИВНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

вода бетон свайный фундамент

4.1 Характеристика условий контакта воды и бетона

Положение уровня и возможная высота капиллярного поднятия подземных вод: 0,6 - 1,2 м по [4].

Коэффициенты фильтрации слоев грунта:

Слой 2: (2,5?10-5 см/с)?864= 0,02 м/сут < 0,1 м/сут - слабофильтрующий.

Слой 3: (2,0?10-7 см/с)?864= 0,02?10-2 м/сут<0,1 м/сут - слабофильтрующий.

Слой 4: (2,5?10-2 см/с)?864= 21,6 м/сут > 0,1 м/сут - сильнофильтрующий.

4.2 Марка бетона

По рекомендациям из [4] марку бетона по водонепроницаемости назначаем W4 для фундаментов на естественном и искусственном основаниях, для свай-W6.

4.3 Сопоставление исходных данных химического анализа воды с нормативным значением

Показатель агрессивности	Номер таблиц	Степень агрессивности воды по отношению к бетону W4	Степень агрессивности воды по отношению к бетону W6
Водородный показатель	В.3	2,8 < 4 - сильноагрессивная	2,8/1,3 < 3,5 - сильноагрессивная
Содержание агрессивной углекислоты	В.3	15?1,3<38<40?1,3 - слабоагрессивная	38<40 - неагрессивная
Содержание аммонийных солей	В.3	19<100?1,3 - неагрессивная	19<500 - неагрессивна
Содержание сульфатов и хлоридов	В.3	1410<10000?1,3 - неагрессивная	1410<10000 - неагрессивная
Содержание едких щелочей	В.3	690<50000?1,3 - неагрессивная	690<50000 - неагрессивная

* С учетом того, что глубина заложения фундамента на естественном и искусственном основании не глубже отметки подошвы 3го слоя и коэффициент фильтрации kf <0,1 м/сут.

** Свайный фундамент опирается на песчаный грунт и коэффициент фильтрации kf >0,1 м/сут.

Так как по водородному показателю степень агрессивности: сильноагрессивная, то подземные воды считаем сильноагрессивными, поэтому для защиты фундамента необходимы методы первичной и вторичной защиты.

Приямок и фундамент расположены ниже УПВ лишь частично, но в связи с капиллярным подъемом воды на 1,2 м вся поверхность фундамента и приямка может быть смочена водой. Поэтому предусматриваем защиту от воздействия грунтовых под по всей поверхности фундамента и приямка.

Первичная защита фундаментов и приямка. Назначаем портландцемент по ГОСТ 10178-76, т. к. по содержанию сульфатов грунтовые воды неагрессивны. В качестве крупного заполнителя для бетона следует использовать фракционированный щебень из изверженных пород по ГОСТ 8267. В качестве мелкого заполнителя следует использовать песок класса I по.

Вторичная защита фундаментов и приямка. Для защиты боковых поверхностей покрываем их пропиточно-кольматирующие системой проникающего действия на полимерной основе. Для защиты подошвы фундамента малого заложения и днища приямка предусматривается устройство битумной подготовки толщиной не менее 2,5 см из втрамбованного в грунт щебня с пропиткой битумом до полного насыщения.

5. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАРИАНТА ФУНДАМЕНТА НА ЕСТЕСТВЕННОМ ОСНОВАНИИ

Проектируем монолитный фундамент мелкого заложения на естественном основании по серии 1.412-2/77 под металлическую колонну, расположенную по осям К-5.

5.1 Определяем глубину заложения фундамента с учетом следующих факторов

· Конструктивное требование.

Обрез фундамента принимаем на отметке -0,7 м.

Анкерные болты диаметром 30 мм заглубляются в фундамент на 1,2 м. Тогда высота фундамента стальной колонны должна составлять не менее чем (lan+100мм), где lan - глубина заделки анкерных болтов в фундамент.

Тогда минимальная глубина заложения фундамента по конструктивному требованию d=0,7+1,2+0,1=2,0 м.

· Заглубление фундамента в несущий слой должно быть не менее 0,5 м (чтобы исключить возможность опирания фундаментов на насыпной грунт в самой низкой точке рельефа).

· Учет глубины сезонного промерзания грунта.

Из п. 3.3 d=2,1 м.

· Учет инженерно-геологических и гидрогеологических особенностей.

Первый слой грунта - супесь с достаточной прочностью для опирания на него фундамента, залетающий на глубину пяти метров. Учитывая высокий УПВ, глубину заложения фундамента целесообразно принять минимальную, однако достаточную из условий промерзания и конструктивных требований.

С учетом всех этих факторов принимаем глубину заложения от поверхности планировки (DL) d=2,2 , Hф=1,5 м. Абсолютная отметка подошвы фундамента (FL) составляет - 69,76 м.

Заглубление фундамента в несущий слой от минимальной отметки природного рельефа 71,00-69,8=1,2 м > 0,5 м.

5.2 Требуемое значение площади подошвы фундамента

Aтр=NcolII/(Rусл - гmt?d) (5.1)

где NcolII - расчетная нагрузка по несущей способности, кН;

гmt - средний удельный вес материала (бетона) фундамента и грунта на его уступах, рекомендовано принять гmt=20 кН/м3;

d - глубина заложения фундамента от уровня планировки, м;

Rусл - расчетное сопротивление грунта основания (слой 2);

Aтр= 1846,92/(112,4 - 20?2,2)=27,0 м3.

5.3 Подбор фундамента

По таблице 6 [6] подбираем фундамент ФД 18-2 с размером подошвы 5,4?5,4 м, А=5,4?5,4=29,16 м2, Hф=1,5 м.

Объем бетона:

Vфун=5,4?5,4?0,3+4,2?4,2?0,3+3,0?3,0?0,3+0,6?1,2?1,5=17,82 м3.

Расчетная схема фундамента приведена на рис. 5.2.

Расчетное значение веса фундамента Gфун, кН:

Gфун=Vфун?гb?гf (5.2)

где Vфун - объем фундамента, м3;

гb - удельный вес бетона, кН/м3, гb=25 кН/м3;

гf - коэффициент надежности по нагрузке, гf =1;

Gфун=17,62?25=445,5 кН.

Объем грунта на уступах Vгр, м3, фундамента вычисляется по формуле:

Vгр=l?b?d - Vфун (5.3)

где l - длинна подошвы фундамента, м;

b - ширина подошвы фундамента, м

Vгр=5,4?5,4?2,05-17,82=46,33 м3.

Вес грунта Gгр, кН, вычисляем по формуле:

Gгр= Vгр?kрз?гII(2)? гf (5.4)

где kрз - коэффициент разрыхления, kрз=0,95;

гII(2) - удельный вес грунта, идущего на обратную засыпке, в природном состоянии;

Gгр=46,33?0,95?17,74=780,3 кН.

Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:

NtotII = 1539,1+445,5+780,3 = 2764,9 кН;

MtotII = 600,44+103,94?1,5 = 756,35 кН?м;

QtotII = 103,94 кН.

5.4 Уточняем R(2) для принятого размера фундамента

R (2)= 1,1?1?{0,47?5,4?8,9+2,89?[0,75?17,74+(2,2-0,75)?8,9] + +5,48?5}/1=138,31 кПа

5.5 Определяем максимальное PII max, минимальное PII min давление на грунт под подошвой фундамента по формулам, кПа

PII max/min=Ntot II/A±Mtot II/W (5.5)

где A - площадь подошвы принятого фундамента, м2;

W - момент сопротивления площади подошвы фундамента, м3;

W=bl2/6=5,4?5,42/6=26,24 м3;

PII max= 2764,9/(5,4?5,4)+756,35/26,24 = 94,81+28,82 = 123,63 кПа;

PII min= 2764,9/(5,4?5,4) - 756,35/26,24 = 94,81-28,82 = 65,99 кПа;

Среднее давление на грунт:

PII mt = P0 = 94,81 кПа.

Эпюра контактных давлений по подошве фундамента приведена на рисунке 5.2.

Ограничения давлений на подошву:

· PII min ? R,

65,99 кПа < 138,31 кПа => условие выполняется;

· PII max ? 1,2 R,

123,69 кПа < 165,97 кПа => условие выполняется;

· Так как грунт слабый (Rусл<150 кПа) с целью исключения прогрессирующего крена необходимо: PII max / PII min ? 4,

123,69/65,99 = 1,9 < 4 => условие выполняется;

Все условия ограничений давлений выполнены.

5.6 Расчет основания фундамента по деформациям

Расчет осадки s, см, ведем методом послойного суммирования и определяем по формуле (с учетом п. 5.6.34 в [3])

 (5.6)

где - безразмерный коэффициент, равный 0,8;

zp,i - среднее значение вертикального нормального напряжения от внешней нагрузки в i-м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, кПа;

hi - толщина i-го слоя грунта, см, принимаемая не более 0,4 ширины фундамента (не более 2,16 м);

Ее,i - модуль деформации i-го слоя грунта, кПа;

п - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

Составляем расчетную схему, совмещенную с геологической колонкой по оси фундамента К-5.

Напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента при планировке подсыпкой уzg,0, кПа, в соответствии с [3]:

уzg,0='d= II(?dw +(d - dw)?sb(? (5.7)

где II(?-расчетное значение удельного веса для расчета по деформации кН/м3;

dw - уровень подземных вод, м;

d - глубина заложения фундамента от уровня планировки, м;

sb(? - удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды, кН/м3;

уzg,0=17,47?0,75+(2,2-0,75)?8,9 = 26,01 кПа.

Дополнительное вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы фундамента уzp,0, кПа:

уzp,0 = P0 = PII mt - уzg,0 = 94,81 - 26,01 = 68,8 кПа.

Соотношение сторон подошвы фундамента: з=l/b=5,4/5,4=1.

Значение коэффициентов б устанавливаем по таблице 5.8 в [3].

Относительная глубина для определения б определяется по формуле:

=2?zi/b (5.8)

где z - глубина от поверхности подошвы фундамента до подошвы элементарного слоя, м;

b - ширина подошвы фундамента, м.

Для удобства пользования таблицей 5.8 в [3] принимаем толщину элементарного слоя грунта такую, чтобы =0,4.Тогда z=hi=1,08 м (не более 2,16 м).

Дальнейшие вычисления сводим в таблице 5.1.

Таблица 5.1

zi, м		zi + d, м		zp=?P0, кПа	zg=zg,0 +? sb,i? zit, кПа	0,5?zg кПа	E, кПа
0	0	2,09	1	68,8	26,01	13,01	7000
1,08	0,4	3,17	0,96	66,05	35,62	17,81	7000
2,16	0,8	4,25	0,8	55,04	45,23	22,62	7000
3,24	1,2	5,33	0,606	41,69	54,85	27,42	7000
4,32	1,6	6,41	0,449	30,89	64,45	32,22	9000
5,4	2,0	7,49	0,336	23,12	74,05	37,02	9000
6,48	2,4	8,57	0,257	17,68	85,32	42,66	12000
7,54	2,8	9,63	0,201	13,83	96,60	48,30	12000

Граница супеси и суглинка условно смещена до глубины zi = 3,24 м от подошвы (фактическое положение на глубине 3,78 м). Граница суглинка и песка условно смещена до глубины zi = 5,4 м от подошвы (фактическое положение на глубине 5,09 м). На глубине Нс = 4,32 м от подошвы фундамента выполняется условие [3] (5.6.41) ограничение глубины сжимаемой толщи основания (ГСТ): zp=30,89 кПа ? 0,5zg=64,45?0,5= 32,22 кПа, поэтому послойное суммирование деформаций основания производим в пределах подошвы фундамента до ГСТ.

S =0,8?1,08?(1/7000?(68,8/2+66,05+55,04+41,69/2)+ 1/9000?(41,69/2+30,89/2)= =0,864?(0,025+0,004) = 0,03 м.

По [3] S<Su.

3 см < 15 см => проверка выполнена.

6. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАРИАНТА ФУНДАМЕНТА НА ИСКУССТВЕННОМ ОСНОВАНИИ В ВИДЕ ПЕСЧАНОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ПОДУШКИ

6.1 Характеристики подушки.

Аналогично фундаменту на естественном основании в данном варианте назначаем глубину заложения фундамента d=2,2 м (см. п.п 5.1). Принимаем для устройства подушки песок среднезернистый, плотный, имеющий проектные характеристики: E=38,5 МПа; e=0,50; гs,п = 26 кН/м3 ; гп,sb= (гs,n- гw)?(1+е)= =10,67 кН/м3; R0=500 кПа по приложению В [3].

6.2 Определение площади подошвы фундамента

Площадь Aтр, м2, определяем по формуле (5.1), где Rусл - сопротивление материала подушки R0:

Aтр=1846,92/(500-20?2,2)=4,05 м2.

6.3 Подбор фундамента

В соответствии с требуемой величиной площади подошвы Aтр=4,05 м2 и высотой фундамента Нф=1,5 м подбираем типовой фундамент серии 1.412-2/77.

Принимаем фундамент ФБ5 с размерами подошвы: l=2,4 м, b=1,8 м, Нф=1,5 м, A=4,32 м2.

Объем бетона:

Vфун=1,8?1,2?0,3+2,4?1,8?0,3+1,2?1,5?0,9=3,56 м3.

Расчетная схема фундамента приведена на рис. 6.1.

Вычисляем расчетные значения веса фундамента по формуле (5.2):

Gфун = 3,56?25?1=89 кН.

Объем грунта на уступах фундамента вычисляется по формуле (5.3):

Vгр = 2,4?1,8?2,05 - 3,56 = 5,94 м3.

Вес грунта вычисляем по формуле (5.4):

Gгр = 5,94?0,95?17,74 = 100,12 кН.

Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:

NtotII = 1539,1+89+100,12 = 1728,22 кН;

MtotII = 600,44+103,94?2,2= 829,12 кН?м;

QtotII = 103,94 кН.

6.4 Уточняем расчетное сопротивление песка подушки R, кН

В соответствии с приложением В [3] расчетное сопротивление определяется по формуле:

R = R0?[1 + k1(b - b0)/ b0] + k2'II(d - d0), (6.1)

где R0 - расчетное сопротивление грунтов основания для фундамента с шириной b0=1 м и глубиной заложения d0= 2 м.

k1 - коэффициент, принимаемый для оснований, сложенных крупнообломочными и песчаными грунтами, кроме пылеватых песков,

k1 = 0,125;

k2 - коэффициент, принимаемый для оснований, сложенных крупнообломочными и песчаными грунтами, - k2 = 0,25;

b и d - соответственно ширина и глубина заложения проектируемого фундамента, м;

'II - расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента, кН/м3;

R = 500?(1+0,125?(1,8-1)/1)+0,25?17,74?0,2 = 550,89 кН.

6.5 Определяем максимальное PII max, минимальное PII min давление на грунт под подошвой фундамента

Определяем по формуле (5.5):

PII max= 1728,22/4,32+829,12 /1,73 = 400+479,26= 879,265 кПа;

PII min= 1728,22/4,32 - 829,12 /1,73 =400+479,26= - 79,26 кПа.

Так как PII min < 0, то необходимо подобрать другой фундамент.

6.6 Подбор другого фундамента

Принимаю ФВ9 с размером подошвы 3?2,4 м, А=3?2,4=7,2 м2, Hф=1,5 м.

Объем бетона:

Vфун= 3?2,4?0,3+2,1?1,8?0,3+0,9?1,2?1,5 = 4,91 м3.

Расчетная схема фундамента приведена на рис. 6.2.

Вычисляем расчетные значения веса фундамента по формуле (5.2):

Gфун=4,18?25=122,85 кН;

Объем грунта на уступах фундамента вычисляется по формуле (5.3):

Vгр= 2,4?3,0?2,05 - 4,91 = 10,93 м3;

Вес грунта вычисляем по формуле (5.4):

Gгр= 10,93?0,95?17,74=183,78 кН.

Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:

NtotII = 1539,1+122,85+183,78 = 1845,73 кН;

MtotII = 600,44+103,94?2,09 = 817,67 кН?м;

QtotII = 103,94 кН.

6.7 Уточняем расчетное сопротивление песка подушки R, кН

По формуле (6.1) расчетное сопротивление равно:

R = 500?(1+0,125?(2,4-1)/1)+0,25?17,74?0,2 = 588,39 кН.

6.8 Определяем максимальное PII max, минимальное PII min давление на грунт под подошвой фундамента

Определяем по формуле (5.5):

PII max= 1845,73/7,2+817,67/3,6 = 256,35+227,13= 483,48 кПа;

PII min= 1845,73/7,2 - 817,67/3,6 = 256,35 - 227,13= 29,22 кПа.

Среднее давление на грунт:

PII mt = P0 = 256,35 кПа.

Ограничения давлений на подошву:

· PII min ? R,

14,65 кПа < 629,44 кПа => условие выполняется;

· PII max ? 1,2 R,

468,91 кПа < 755,33 кПа => условие выполняется;

Все условия ограничений давлений выполнены.

6.9 Расчет толщины песчаной подушки

Требуемую толщину подушки находим методом последовательных попыток, исходя из необходимости ограничения давления по подошве подушки величиной Rz, кПа, расчетным сопротивлением грунта подстилающего слабого слоя в соответствии с условием проверки п.п 5.6.25.

zg + zp < Rz (6.2)

Назначаем в первом приближении толщину песчаной подушки hп=1 м.

zg = II(??dw +(d - dw)?sb(?sb,п? hп, (6.3)

где hп - толщина песчаной подушки, м.

zg = 17,47?0,75+(2,2-0,75)?8,9+10,67?1=36,68кПа.

zp = б?( PII mt - zg0), (6.4)

где б - коэффициент, зависящий от =2?zi/b=2?1/2,4=0,83 и от =l/b=3/2,4=1,25, б = 0,824.

zp = 0,824?(256,35 - 36,68) = 181,01 кПа.

Определяем расчетную площадь подушки Ап:

Ап=NtotII/zp, (6.5)

Ап= 1845,73 /181,01 = 10,2 м2.

Определяем ширину подошвы подушки b, м:

b = (A+(l-b)2/4)1/2 - (l-b)/2, (6.6)

b = (10,2+(3-2,4)2/4)1/2 - (3-2,4)/2= 2,9 м.

Расчетное сопротивление грунта находим по формуле (3.11):

Rz=1,1?(0,47?1?2,9?8,9+2,89(0,75?17,47+(2,2-0,75) ?8,9+1?10,67)+5,48?5)= =160,08 кПа.

Сравниваем давление по подошве подушки с расчетным давлением:

zg +zp = 36,68 + 181,01 =217,69 кПа > 156,51 кПа => толщина подушки не подходит.

Назначаем во втором приближении толщину песчаной подушки hп= 1,5 м.

По формуле (6.2):

zg = 17,47?0,75+(2,2-0,75) ?8,9+10,67?1,5=42,01 кПа.

По формуле (6.4) с коэффициентом б = 0,648:

zp = 0,648?(256,35 - 36,68) = 142,35 кПа.

Определяем расчетную площадь подушки Ап по формуле (6.5):

Ап= с /142,35 = 12,97 м2.

Определяем ширину подошвы подушки b, м, по формуле (6.6):

b = (12,97+(3-2,4)2/4)1/2 - (3-2,4)/2 = 3,29 м.

Расчетное сопротивление грунта находим по формуле (3.11):

Rz=1,1?[0,47?1?3,29?8,9+2,89(0,75?17,47+(2,2-0,75)?8,9+1,5?10,67)+5,48?5]= =178,84 кПа.

Сравниваем давление по подошве подушки с расчетным давлением:

zg +zp = 42,01+142,35 =187,36 кПа > 178,84 кПа => толщина подушки не подходит.

Назначаем в третьем приближении толщину песчаной подушки hп= 1,8 м.

По формуле (6.2):

zg = 17,47?0,75+(2,2-0,75) ?8,9+10,67?1,8= 45,21 кПа.

По формуле (6.4) с коэффициентом б=0,431:

zp = 0,431?(256,35 - 36,68) = 94,68 кПа.

Определяем расчетную площадь подушки Ап по формуле (6.5):

Ап= 1845,73/94,68 =19,49 м2.

Определяем ширину подошвы подушки b, м, по формуле (6.6):

b = (19,49+(3-2,4)2/4)1/2 - (3-2,4)/2 = 4,13 м.

Расчетное сопротивление грунта находим по формуле (3.11):

Rz=1,1?[0,47?1?4,13?8,9+2,89(0,75?17,47+(2,2-0,75) ?8,9+1,8?10,67)+5,48?5] = =192,88 кПа.

Сравниваем давление по подошве подушки с расчетным давлением:

zg +zp = 45,21+94,68 = 139,89 кПа < 192,88 кПа => условие проверки выполнено.

6.10 Расчет осадки фундамента

Расчет осадки s, см, ведем методом послойного суммирования и определяем по формуле (5.6).

Напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента при планировке подсыпкой уzg,0, кПа, определяем по формуле (5.7):

уzg,0= 26,01 кПа.

Дополнительное вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы фундамента уzp,0, кПа:

уzp,0 = P0 = PII mt - уzg,0 = 256,35 - 26,01 = 230,34 кПа.

Песчаная подушка учитывается при расчете осадки в виде слоя песчаного грунта с модулем деформации E=38,5 МПа, гп,sb=10,67 кН/м3

Соотношение сторон подошвы фундамента: з=l/b=3/2,4=1,25.

Значение коэффициентов б устанавливаем по таблице 5.8 в [3].

Относительная глубина для определения б определяется по формуле (5.8).

Для удобства пользования таблицей 5.8 в [3] принимаем толщину элементарного слоя грунта такую, чтобы =0,4.Тогда z=hi=0,48 м (не более 0,96 м).

Дальнейшие вычисления сводим в таблице 6.1.

Таблица 6.1

zi, м		zi + d, м		zp=?P0, кПа	zg=zg,0 +? sb,i? zit, кПа	0,5?zg кПа	E, кПа
0	0	2,2	1	230,34	26,01	13,01	38500
0,48	0,4	2,68	0,963	221,82	31,13	15,57	38500
0,96	0,8	3,16	0,815	187,73	36,25	18,13	38500
1,44	1,2	3,64	0,629	144,88	41,37	20,69	38500
1,92	1,6	4,12	0,474	109,18	46,50	23,25	38500
2,4	2,0	4,6	0,36	82,92	50,77	25,38	7000
2,88	2,4	5,08	0,278	64,04	55,04	27,52	7000
3,36	2,8	5,56	0,219	50,44	59,31	29,66	7000
3,84	3,2	6,04	0,175	40,31	63,58	31,79	9000
4,32	3,6	6,52	0,144	33,17	67,85	33,92	9000
4,8	4,0	7,0	0,119	27,41	72,11	36,06	9000
5,28	4,4	7,48	0,109	25,11	77,13	38,56	12000
5,76	4,8	7,96	0,093	21,42	82,14	41,07	12000

Граница песчаной подушки и супеси условно смещена до глубины zi = 1,92 м от подошвы (фактическое положение на глубине 1,8 м). Граница супеси и суглинка условно смещена до глубины zi = 3,36 м от подошвы (фактическое положение на глубине 3,67 м). Граница суглинка и песка условно смещена до глубины zi = 4,8 м от подошвы (фактическое положение на глубине 4,98 м). На глубине Нс = 4,8 м от подошвы фундамента выполняется условие [3] (5.6.41) ограничение глубины сжимаемой толщи основания (ГСТ): zp= 33,17 кПа ? 0,5zg=67,85?0,5=33,92 кПа, поэтому послойное суммирование деформаций основания производим в пределах подошвы фундамента до ГСТ.

S=0,8?0,48?(1/38500? (230,34/2+221,82+187,73+144,88+109,18/2)+ +1/7000?(109,18/2+82,92+64,04+50,44/2)+1/9000?(50,44/2+40,31+33,17/2)= =0,336?(0,02+0,032+0,009)= 0,023 м.

По [3] S<Su.

2,3 см < 15 см => проверка выполнена.

7. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА

Рассмотри вариант свайного фундамента из забивных висячих свай сечением 300?300 мм, погружаемых дизельным молотом.

7.1 Глубина заложения ростверка

Глубину заложения ростверка назначаем аналогично глубине фундамента мелкого заложения d = 2,2 м.

7.2 Подбор размера сваи

В качестве несущего слоя висячей сваи принимаем песок средней крупности, плотный (4 слой).

Необходимая длина сваи должна быть не менее:

lсв = h1+h2+h3, (7.1)

где h1 - величина заделки сваи в ростверк, м,

h2 - толщина прорезаемых сваей слабых слоев грунта, м,

h3 - требуемое заглубление нижних концов свай в несущий слой, м,

lсв = 0,05+4,98+2= 7,13 м.

Принимаем типовую железобетонную сваю по 300?300?8000 по [12] С80.30-AIII. Класс бетона Б20, арматура из стали класса А-III 4 12, объем бетона 0,73 м3, масса сваи 1,83 т, толщина защитного слоя 20 мм.

7.3 Несущая способность одиночной сваи

Определяем несущую способность одиночной сваи из условия сопротивления грунта основания по формуле [7]:

Fd = гc (гcRRA + uУгcf fi hi), (7.2)

где гc - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.2 [7];

А - площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто;

u - наружный периметр поперечного сечения ствола сваи, м;

fi, - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.3 [7];

hi - толщина i-го слоя грунта, касающегося с боковой поверхностью сваи, м;

гcR, гcf - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые по таблице 7.4 [7].

В соответствии с расчетной схемой сваи (рис. 7.1) устанавливаем из [7] для песка средней крупности, плотного, при z = 9,3 м расчетное сопротивление R = 3930 кПа. Для определения ft расчленяем каждый однородный слой грунта на слой толщиной li ? 2 м и устанавливаем среднюю глубину расположения zi каждого слоя, считая от уровня природного рельефа.

Затем по [7] определяем ft:

Для супеси при IL=0,6 и z1=2,35 м f1=12 кПа;

Для супеси при IL=0,6 и z2=4,185 м f2=16,185 кПа;

Для суглинка при IL=0,35 и z3=5,675 м f3=17,35 кПа;

Для песка мелкого при z4=8,815 м f4=63,22 кПа;

Для песка мелкого при z5=9,3 м f5=63,95 кПа;

Площадь опирания сваи на грунт А=0,09 м2, периметр u=1,2 м. Для сваи сплошного сечения, погружаемой забивкой дизельным молотом, по [7] гcR=гcf = 1, гc = 1.

Fd=1?(1?3930?0,09 +1,2?1 (12?2+16,185?1,67+17,35?1,31+63,22?2+63,95?0,97)) = = 668,38 кН.

7.4 Определяем число свай в первом приближении

n=Ncol I?гk/(Fd - гmt?d(3dсв)2?гg)?k?гn, (7.2)

где гk - коэффициент надежности, гk=1,4;

гmt - среднее значение удельного веса материала ростверка и грунта на его уступах, гmt =20 кН/м3;

(3dсв)2 - площадь подошвы ростверка приходящаяся на одну сваю при минимальном расстоянии между сваями 3dсв, м;

d - глубина за ложения подошвы ростверка от поверхности планировки, м;

k - коэффициент увеличения числа свай, косвенно учитывающий влияние момента и поперечной силы, k=1,3;

гn - коэффициент надежности по назначению здания или сооружения, равный 0,95 для зданий II класса;

гg - коэффициент надежности по грунту;

n = 1846,92?1,4?1,3?0,95/(668,38-20?2,05?(3?0,3)2?1,4) = 5,135.

Принимаю n = 6.

7.5 Конструирование ростверка

В соответствии с рекомендациями [8] размещаем сваи в кусте по типовой схеме.

Определяем вес ростверка и грунта на его уступах.

Объем ростверка: Vр=2,7?1,8?0,6+0,6?1,2?1,5 = 3,15 м3.

Объем грунта: Vгр=2,7?1,8?1,5 - 3,15=4,14 м3.

Вес ростверка и грунта: Gгр+Gр=(Vр?гb+Vгр?kрз?гII)гf= =(3,15?25+4,14?17,74?0,95)?1,2=178,23 кН.

Все действующие нагрузки приводим к центру тяжести подошвы ростверка:

Ntot I = N I + Gр I + Gгр I = 1846,92 +178,23 = 2025,15 кН;

Qtot I = Q I = 124,73 кН;

Mtot I = M I + Q I?Hр = 720,53+124,73?1,5=907,63 кН.

7.6 Проверка нагрузок, передаваемых на крайние сваи

Определяем расчетные нагрузки, передаваемые на крайние сваи в плоскости подошвы ростверка по формуле [7]:

, (7.3)

где n - число свай в фундаменте,

yi - расстояния от главных осей до оси каждой сваи, м;

уmax - расстояния от главных осей до оси каждой сваи, для которой вычисляют расчетную нагрузку, м.

= 2025,15/6 ± 907,63?0,9/(6?0,92) = 337,53 ± 168,08;

NI max = 505,61 кН;

NI min = 169,45 кН.

Проверяем выполнение условия:

NI max ? 1,2?

где г0 - коэффициент условий работы, учитывающий повышение однородности грунтовых условий при применении свайных фундаментов, принимаемый равным г0 = 1,15 при кустовом расположении свай;

гn - коэффициент надежности по назначению сооружения, гn = 1,15;

гk - коэффициент надежности по грунту, гk = 1,4 - если несущая способность сваи определена расчетом, в том числе по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций грунта;

505,61 кН < 1,2?1,15?668,38/(1,15?1,4) = 572,9 кН;

NI mt ?

NI mt = 337,53 кН;

337,53 кН < 477,41 кН.

Проверка выполняется.

7.7 Предварительная проверка всех свай по прочности материала

Выполняем предварительную проверку сваи по прочности материала по графикам, указанным в [4].

Определяем коэффициент деформации по формуле:

; (7.4)

где Е - модуль упругости материала сваи, кПа. Модуль упругости бетона марки М250, подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении Еb = 20,5103 МПа;

J - момент инерции поперечного сечения сваи, м4. J=dсв4/12 = 0,675?10-3 м4;

bр - условная ширина сваи, м, принимаемая равной: для свай с диаметром стволов менее 0,8 м bр = 1,5d + 0,5 = 0,95 м;

с - коэффициент условий работы;

d - наружный диаметр круглого или сторона квадратного, или сторона прямоугольного сечения свай в плоскости, перпендикулярной действию нагрузки, м;

К - коэффициент пропорциональности, принимаемый по табл. [7] для супеси IL=0,6. К=11 МН/м4;

= (11?0,95/(1?20,5?0,675))1/5 = 0,945 м-1.

Глубина расположения условной заделки сваи от подошвы ростверка:

lI= 2/ = 2/0,945 = 2,116 м.

В заделке действуют усилия: продольная сила NI max = 505,61 кН, изгибающий момент, определяемый по формуле:

MI=HI?lI=QI?lI/n, (7.5)

MI=124,73?2,116/6 = 43,99 кН?м.

Точка, соответствующая значениям указанных усилий, лежит на графике ниже кривой для принятой сваи (сечение 300?300, бетон класса Б20), следовательно, предварительная проверка показывает, что прочность сваи по материалу обеспечена.

7.8 Расчет ростверка на продавливание колонны

Класс бетона ростверка принимаем Б20, тогда Rbt= 0,9 МПа. (по табл. [9]). Рабочую высоту сечения принимаем h0=60 см (расчетная схема на рисунке 7.3). Расчетное условие имеет следующий вид:

, (7.6)

Размеры abas = 1500 мм, bbas = 1200 мм, c1 = 0,25 м и c2 = 0,05м, коэффициент надежности по назначению n = 1,15.

Fper = 3?? Fi,

где Fi - Значение реакций по верхней горизонтальной грани в ряду от края ростверка со стороны наиболее нагруженной его части;

F1=Ncol I/n+M col I?y/?yi2 = 1846,92/6+720,53?0,9/(6?0,92) = 389,95 кН;

Fper = 3?389,95 = 1169,84.

Предельная величина продавливающей силы, которую может воспринять ростверк с принятой толщиной дна стакана:

F = 2?0,6?900?(0,6/0,25?(1,2+0,05)+0,6/0,05?(1,5+0,25)) = 25920 кН

1,15?1169,84 = 1344,8 < 25920 => прочность ростверка на продавливание обеспечена.

7.9 Расчет свайного фундамента по деформациям

Выполним расчет свайного фундамента по деформациям на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок и момента.

Определяем значение горизонтальной силы Hel, кН, соответствующей границе упругой работы системы свая-грунт по формуле:

(7.7)

где bp - условная ширина сечения сваи, м;

а - прочностной коэффициент пропорциональности, для среднего песка по [10], а= 60 кН/м3;

- приведенное значение продольной силы, по табл. [10]. Для приведенной глубины погружения сваи в грунт = l?=7,95?0,962=7,65>4, значит определяем по табл. 2 прил. 1 к [10] при l = 4 и zi = 0). =0,409.

Hel=0,409?60?0,95/0,9452=26,08 кН.

Проверяем выполнение условия:

HI?гn = Qcol I?гn/n ? Hel, (7.8)

где HI - горизонтальная нагрузка, действующая на голову сваи:

Qcol I ?гn I/n = 124,73?1,15/6 = 23,91 кН

23,91 < 26,08 => расчет ведем по первой (упругой) стадии работы системы свая-грунт.

При шарнирном опирании низкого ростверка на сваи М0= 0 и = 0, следовательно, формулы по п.12 прил.1 к [10] для определения горизонтального перемещения u0 и угла поворота y0 примут вид:

u0=up=H0?енн=Qtot II/n? енн, (7.8)

где енн - горизонтальное перемещение сечения, м/кН (м/тc), от действия силы H = 1, приложенной в уровне поверхности грунта;

ш0=шp=H0?емн= Qtot II/n?емн, (7.9)

где емн - угол поворота сечения, 1/кН (1/тc), от силы Н = 1;

Определяем перемещение в уровне подошвы ростверка от единичной горизонтальной силы НII=1

, (7.10)

, (7.11)

где A0, B0 -- безразмерные коэффициенты, принимаемые по табл. 5 прил. 1 к [10] в зависимости от приведенной глубины погружения сваи в грунт, A0 =2,441, B0 =1,621 ;

Е - модуль упругости материала сваи, кПа. Модуль упругости бетона марки М250, подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении Еb=20,5106 кПа;

енн = 2,441/(0,9453?20,5?106? 0,675?10-3) =0,000209 м/кН;

емн = 1,621/(0,9452?20,5?106? 0,675?10-3) =0,000139 м/кН.

u0=103,94?0,000209/6 = 0,00362 м;

ш0= 103,94?0,000139 /6=0,00241 рад.

Так как up = 0,43 см <uu= 1 см, условие ограничения горизонтального перемещения головы сваи выполнено.

7.10 Расчет устойчивости основания

Выполним расчет устойчивости основания, окружающего сваю по условию прил. В к [7], ограничивающему расчетное давление уz, передаваемое на грунт боковыми поверхностями сваи:

, (7.12)

где z - расчетное давление на грунт, кПа, боковой поверхности сваи на глубине z, м, отсчитываемой при низком ростверке - от его подошвы [при l > 2,5 - на глубине z = 0,85/];

I - расчетный удельный (объемный) вес грунта ненарушенной структуры, кН/м3, определяемый в водонасыщенных грунтах с учетом взвешивания в воде (для слоя 2), I = ?sb(2)= 8,9 кН/м3;

I, cI - расчетные значения соответственно угла внутреннего трения грунта, град, и удельного сцепления грунта, кПа (тс/м2), I = 17 град, cI = 4 кПа;

- коэффициент, принимаемый для забивных свай и свай-оболочек = 0,6;

1 - коэффициент, равный единице;

2 - коэффициент, учитывающий долю постоянной нагрузки в суммарной нагрузке, определяемый по формуле

(7.13)

где Мс - момент от внешних постоянных нагрузок в сечении фундамента на уровне нижних концов свай, кН?м;

Мt - то же, от внешних временных расчетных нагрузок, кН?м;

- коэффициент, принимаемый

Мс =Мпост+ Qпостh = 273,9+50?8= 673,9 кН?м;

Мt = ?Мврем+ h ?Qврем = (250,3+24,7)+(39,7+14,3) ?8=707 кН?м;

з2 = (673,9+707)/(2,5?673,9+707)=0,58.

Расчетное давление на грунт уz, кПа:

, (7.14)

где - приведенная глубина, определяемая по формуле в зависимости от значения действительной глубины z , для которой определяются значения давления уz, момента Мz и поперечной силы Hz.

Так как l > 2,5, то уz определяем на глубине z = 0,85/ = 0,85/0,945=0,899. Тогда = 0,85 м.

Для этой приведенной глубины по табл. 4 прил. 1 СНиП 2.02.03-85 имеем:

А1 = 0,996; В1 = 0,844; С1 = 0,358; D1 = 0,101.

уz = 11000/0,945?0,85?(0,00362?0,996-0,00241/0,945?0,844+0+ 103.94? ?0,101/(6?0,9453?20,5106? 0,675?10-3 ))= 15,9 кПа

(уz)u=1?0,58?4/cos17?(8,9?0,884?tg17+0,6?4)=12,43 кПа.

12,43 > 15,9 => условие не выполняется.

Для выполнения данного условия необходимо либо увеличить количество свай (до восьми), либо провести укрепление верхнего (слабого) слоя грунта.

Увеличим количество свай до 8.

7.11 Конструирование ростверка

Определяем вес ростверка и грунта на его уступах.

Объем ростверка: Vр=3,0?1,8?0,6+0,6?1,2?1,5 = 4,32 м3.

Объем грунта: Vгр=3,0?1,8?1,5 - 4,32= 3,78 м3.

Вес ростверка и грунта: Gгр+Gр=(Vр?гb+Vгр?kрз?гII)гf= =(4,32?25+3,78?17,74?0,95)?1,2=206,05 кН.

Все действующие нагрузки приводим к центру тяжести подошвы ростверка (п. 7.3):

Ntot I =2025,15 кН;

Qtot I =124,73 кН;

Mtot I =907,63 кН.

7.12 Проверка нагрузок, передаваемых на крайние сваи

Определяем расчетные нагрузки, передаваемые на крайние сваи в плоскости подошвы ростверка по формуле (7.3).

= 2025,15/8 ± 907,63?1,25/(4?1,252+2?0,6252) = 253,14 ± 161,36;

NI max = 414,5 кН;

NI min = 91,78 кН;

NI mt = 253,14 кН.

Расчетные нагрузки, передаваемые на 4 и 5 сваю:

NI 4,5 =2025,15/8 ± 907,63?0,625/(4?1,252+2?0,6252) = 253,14 ± 80,68;

NI 4 = 172,46 кН;

NI 5 = 333,82 кН.

Проверяем выполнение условия (по п.7.6):

1) 414,5 кН < 1,2?1,15?668,38/(1,15?1,4) = 572,9 кН;

2) 253,14 кН < 477,41 кН.

7.13 Предварительная проверка всех свай по прочности материала

Выполняем предварительную проверку сваи по прочности материала по графикам, указанным в [4].

Определяем коэффициент деформации по формуле (7.4):

= 0,945 м-1 (см. п. 7.7)

Глубина расположения условной заделки сваи от подошвы ростверка:

lI= 2,116 м.

В заделке действуют усилия: продольная сила NI max = 498,89 кН, изгибающий момент, определяемый по формуле (7.5):

MI=124,73?2,116/8 = 32,99 кН?м.

Точка, соответствующая значениям указанных усилий, лежит на графике ниже кривой для принятой сваи (сечение 300?300, бетон класса Б20) следовательно, предварительная проверка показывает, что прочность сваи по материалу обеспечена.

7.14 Расчет ростверка на продавливание колонны

Класс бетона ростверка принимаем Б20, тогда Rbt= 0,9 МПа. (по табл. [9]). Рабочую высоту сечения принимаем h0=60 см. Расчетное условие вычисляется по формуле (7.6).

Размеры abas = 1500 мм, bbas = 1200 мм, c1 = 0,6 м и c2 = 0,25м, коэффициент надежности по назначению n = 1,15.

Fper = 3?? Fi,

где Fi - значение реакций по верхней горизонтальной грани в ряду от края ростверка со стороны наиболее нагруженной его части;

F1=N I/n+M I?y/?yi2 = 1846,92/8+720,53?1,25/(4?1,252+2?0,6252) = 358,96 кН;

Fper = 3?358,96 = 1076,88 кН.

Предельная величина продавливающей силы, которую может воспринять ростверк с принятой толщиной дна стакана:

F = 2?0,6?900?(0,6/0,6?(1,2+0,25)+0,6/0,25?(1,5+0,6)) = 7009,2 кН

1,15?1076,88 = 1238,41 < 7009,2 => прочность ростверка на продавливание обеспечена.

7.15 Расчет свайного фундамента по деформациям

Выполним расчет свайного фундамента по деформациям на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок и момента.

Определяем значение горизонтальной силы Hel, кН, соответствующей границе упругой работы системы свая-грунт по формуле (7.7).

Hel = 26,08 кН.

Проверяем выполнение условия (7.8):

Qcol I?гn I/n = 124,73?1,15/8 = 17,93 кН

17,93<26,08 => расчет ведем по первой (упругой) стадии работы системы свая-грунт.

При шарнирном опирании низкого ростверка на сваи М0= 0 и = 0, следовательно, формулы по п.12 прил.1 к [10] для определения горизонтального перемещения u0 и угла поворота y0 примут вид (7.8), (7.9).

Определяем перемещение в уровне подошвы ростверка от единичной горизонтальной силы НII=1 по формулам (7.10), (7.11):

енн = 2,441/(0,9453?20,5?106? 0,675?10-3) =0,000209 м/кН;

емн = 1,621/(0,9452?20,5?106? 0,675?10-3) =0,000139 м/кН.

u0=103,94?0,000209/8 = 0,00271 м;

ш0= 103,94?0,000139 /8=0,0018 рад.

Так как up = 0,27 см <uu= 1 см, условие ограничения горизонтального перемещения головы сваи выполнено.

7.16 Расчет устойчивости основания

Выполним расчет устойчивости основания, окружающего сваю по условию прил. В к [7], ограничивающему расчетное давление уz, передаваемое на грунт боковыми поверхностями сваи по неравенству (7.12).

Расчетное давление на грунт уz, кПа, определяется по формуле (7.14):

уz =11000/0,945?0,85?(0,00271?0,996 - 0,0018/0,945?0,844 +0 + 103.94? ?0,101/(8?0,9453?20,5106? 0,675?10-3 ))= 11,92 кПа

(уz)u=1?0,58?4/cos17?(8,9?0,884?tg17+0,6?4)=12,43 кПа.

12,43 < 11,92 => условие выполняется.

7.17 Несущая способность сваи по прочности материала

Характеристики сваи: Rb = 11,5 МПа; Rsc = Rs = 365 МПа; b = dсв = 30 см;

а = а'= 3 см; h0 = dсв - a' = 30 - 3 = 27 см; As =A'S = 4,52/2 = 2,26 см2.

Из формулы (37) прил.1 к СНиП 2.02.03-85 для указанных характеристик сваи получаем следующее выражение для определения моментов Мz в сечениях сваи на разных глубинах z от подошвы ростверка:

Мz = 1,2?(2?Eb?J?u0?A3 - ?Eb?J?ш0?B3+H0?D3/), (7.15)

Результаты дальнейших вычислений, имеющих целью определение Мz max, сводим в табл.7.1, причем при назначении Z используем соотношение = Z?, в котором значения Z принимаем по табл.4. прил.1 к [10].

Таблица 7.1

Zi, м		A3	B3	D3	Mz, кН?м
0,212	0,2	-0,001	0	0,2	3,260
0,423	0,4	-0,011	-0,002	0,4	6,214
0,635	0,6	-0,036	-0,011	0,6	8,763
0,847	0,8	-0,085	-0,034	0,799	10,727
1,058	1	-0,167	-0,083	0,994	12,033
1,27	1,2	-0,287	-0,178	1,183	13,013
1,481	1,4	-0,455	-0,319	1,358	13,131
1,587	1,5	-0,559	-0,420	1,437	13,108

Как видно из табл 1.7, Мz max I = 13,131кН?м действует на глубине z=1,481 м.

Эксцентриситеты продольной силы для наиболее и наименее нагруженных свай составляют соответственно:

e01=Mz,max I /Nmax I= 13,131 / 414,5 = 0,032 м=3,2 см,

e02= Mz,max I /N min I = 13,131 / 91,78 = 0,143 м = 14,3 см.

Определим значения случайных эксцентриситетов по п.1.21. СНиП 2.03-01-84 для расчетной длины 2,12 м и поперечного размера сваи dсв = 30 см:

ea1=l1/600=2,12/600=0,0035 м = 0,35 см;

ea2=dсв/30=30/30 = 1 см.

Так как полученные значения эксцентриситетов е01 и е02 больше еai, оставляем эти значения для дальнейшего расчета свай по п. 3.20 СНиП 2.03.01-84.

Находим расстояния от точек приложения продольных сил NmaxI и NminI до равнодействующей усилий в арматуре S:

e1=e01+(h0 - a')/2 = 2,6+(27-3)/2=14,6 см;

e2= e02+(h0 - a')/2=7,4+(27-3)/2=19,4 см.

Определим высоту сжатой зоны бетона по формуле (37) СНиП 2.03.01-84: