Проектирование фундаментов мелкого и глубокого заложения под промежуточные опоры мостов

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра "Строительные конструкции и материалы"

Курсовой проект по дисциплине

"ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ"

на тему: "Проектирование фундаментов мелкого и глубокого заложения под промежуточные опоры мостов"

Выполнила: студентка гр.264

Хайбрахманова Я.Р.

Принял: Травин А.В.

Самара 2009

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Проектирование фундамента мелкого заложения

2.1 Определение минимально возможной глубины заложения фундамента и его высоты

2.1.1 Определение глубины заложения фундамента, возводимого на водотоке

2.1.2 Определение высоты фундамента

2.2. Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний

2.2.1 Расчёт по несущей способности основания

2.2.1.1 Определение размеров подошвы фундамента h_f, b и l

2.2.1.2 Определение расчётного сопротивления грунта основания осевому сжатию

2.2.1.3 Определение расчётных нагрузок на фундамент

2.2.2 Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания

2.3 Расчёт основания и фундамента по второй группе предельных состояний

2.3.1 Определение осадки основания фундамента

2.3.2 Определение крена фундамента

3. Проектирование фундамента глубокого заложения

3.1 Определение глубины заложения ростверка и его размеров

3.2 Выбор длины и размеров поперечного сечения свай

3.3 Определение несущей способности сваи

3.4 Размещение свай под подошвой ростверка

3.5 Определение расчётной нагрузки на сваю

4. Технико-экономическое сравнение вариантов фундамента

Библиографический список

Введение

Целью данного курсового проекта является проектирование фундаментов мелкого и глубокого (свайного) заложения под промежуточные опоры мостов.

Рис. 1.1. Конструктивная схема моста с жёстким фундаментом мелкого заложения под промежуточную опору: УМВ - уровень меженных вод; NL - отметка поверхности природного рельефа; FL - отметка подошвы фундамента; WL - отметка уровня подземных вод; l - расчётный пролёт

Рис. 1.2. Конструктивная схема моста с фундаментом глубокого заложения (свайным) с низким жёстким ростверком под промежуточную опору. УМВ - уровень меженных вод; l - расчётный пролёт

1. Исходные данные

Исходными данными для выполнения курсовой работы являются:

- инженерно-геологические условия района строительства , которые принимаются по результатам ранее выполненной курсовой работой по механике грунтов;

- физико-механические характеристики грунтов основания , численные значения которых принимаются по результатам ранее выполненной курсовой работы по механике грунтов;

- конструкция промежуточной опоры и фундамента под неё принимаются по рисункам 2.1 и 2.2;

- схема приложения нагрузок на промежуточную опору и фундамент принимается по рисунку 2.3;

- нормативные нагрузки на промежуточную опору и фундамент принимаются по таблице 2.1;

- расчётный пролёт (l), высота опоры (h_оп), коэффициент для определения и глубина размыва грунта (h_р) принимаются по таблице 1.

2. Проектирование фундамента мелкого заложения

Конструкция фундамента мелкого заложения и основные параметры, её определяющие, приведены на рис.2.1 . Такие фундаменты проектируются монолитными из бетона класса не ниже В15.

2.1 Определение минимально возможной глубины заложения фундамента и его высоты

Глубина заложения фундаментов определяется:

- инженерно-геологическими условиями площадки строительства;

- возможным размывом грунта у фундамента при возведении его в русле реки (на водотоке.)

- глубиной сезонного промерзания грунтов;

- нагрузками, передаваемыми фундаментом на грунты основания.

Вместе с тем, глубина заложения фундамента должна быть такой, чтобы надёжная и безопасная эксплуатация сооружения обеспечивалась при минимальных затратах на возведение фундаментов.

Таблица 1 Исходные данные

Наименование параметра	Номер варианта 0
Нормативная нагрузка от собственного веса конструкций пролётных строений G nпр.с., кН	2950
Нормативная нагрузка от подвижного состава P n, кН	6860
Нормативная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги Т n, кН	686
	Номер варианта 2
Расчётный пролёт l, м	41
Высота опоры hоп., м	6.4
Глубина размыва грунта hр, м	0.5
Коэффициент Мt	19

Выполнение этого условия, при заданной конструкции фундамента, достигается за счёт рационального выбора наименьшей (из возможных) глубины его заложения. При этом следует учитывать, cуглинок с показателем текучести I_L =0.96 нельзя брать в качестве несущего слоя. Такой грунт должн прорезаться фундаментом до слоя надёжного грунта-песка, который и принимается за несущий. В выбранный несущий слой грунта фундамент должен быть заглублен не менее чем на 0,5 м.

2.1.1 Определение глубины заложения фундамента, возводимого на водотоке

По инженерно-геологическим условиям площадки строительства

Исходя из инженерно-геологических условий минимальная глубина заложения фундамента d (рис.1.1а) будет:

d = h_{нес. сл.} + 0,5 (2.1)

где h_{нес. сл.} - глубина подошвы слоя, предшествующего несущему, м.

При возможности размыва грунта фундамент мостовой опоры должен быть заглублен не менее чем 2,5 м от дна водотока после его размыва расчётным паводком.

Исходя из возможности размыва грунта, глубина заложения фундамента d (рис.1.1а) будет:

d = h_w + h_p + 2,5 , (2.2)

где h_w глубина водотока (рис.1.1а), м;

h_p глубина размыва грунта, принимаемая по табл.1, м.

d=1,6+0,5+2,5=4.6 м

2.1.2 Определение высоты фундамента

Высота фундамента h_f определяется как разность отметок его подошвы и обреза и находится из выражения:

h_f = d - d_обр. , (2.4)

где d - глубина заложения фундамента, м; d_обр. - расстояние от условной нулевой отметки до обреза фундамента, принимаемое равным: h_{f =}4,6-0,5=4,1 для фундаментов, возводимых на водотоке d_обр = 0,5 м;

2.2 Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний

В соответствии с п.7.5[2], расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний - это расчёты по несущей способности основания и устойчивости фундамента против опрокидывания. Прочность и устойчивость конструкций жёстких фундаментов мелкого заложения по материалу обеспечивается, как правило, выполнением конструктивных требований при назначении их размеров.

2.2.1 Расчёт по несущей способности основания

2.2.1.1 Определение размеров подошвы фундамента h_f, b и l

Размеры подошвы фундамента связаны с его высотой h_f, исходя из геометрических соображений и Рис.2.1, следующими простыми соотношениями:

b = b_o + 2h_f tg; (2.5)

l = l_o + 2h_f tg ,

где b_o и l_o - ширина и длина фундамента в уровне обреза, принимаемые по рис.2.1, м.

Из соотношений (2.5) следует, что при заданной высоте фундамента размеры подошвы могут быть минимальными при = 0 и максимальными при = 30^о. В первом случае размеры подошвы будут совпадать с размерами фундамента по обрезу, а боковые грани будут без уступов.

Однако основное исходное условие для выбора размеров подошвы фундамента - обеспечение надёжной и безопасной работы сооружения (в данном случае моста). Для этого необходимо, чтобы при соблюдении соотношений (2.5) среднее давление р под подошвой фундамента от внешних нагрузок не превышало бы расчётного сопротивления грунта основания R, при этом максимальное давление p_max не должно превышать 1,2R, а минимальное p_min не должно быть растягивающим, чтобы не было отрыва подошвы от основания.

Исходя из приведенных выше соображений и в соответствии с требованиями п.п. 7.7, 7.8 [2] будем иметь:

p R / _n;

p_max 1,2R / _n; (2.6)

p_min 0 ,

где p, p_max, p_min - среднее, максимальное и минимальное давление под подошвой фундамента (рис.2.3), определяемые по формулам, кПа:

p = N / A = N / (b*l); (2.7)

p_max = N / A + M / W = N / (b*l) + T(h_оп.+ h_f) / (l*b² / 6); (2.8)

p_min = N / A - M / W = N / (b*l) + T(h_оп.+ h_f) / (l*b² / 6); (2.9)

R - расчётное сопротивление грунта основания осевому сжатию, определяемое по формуле (2.10), кПа;

_n - коэффициент надёжности по назначению сооружения, принимаемый равным1,4;

N суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы, определяемая по формуле(2.18), кН;

Т расчётная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги, определяемая по формуле (2.13), кН;

W - момент сопротивления площади подошвы фундамента относительно оси, проходящей через её центр тяжести и параллельной длинной стороне фундамента;

b, l - размеры подошвы фундамента, м;

h_оп., h_f - высота опоры и фундамента, м.

Таким образом, в общем случае для определения размеров подошвы фундамента требуется совместное решение уравнений (2.5) - (2.9). Реализация такого подхода весьма трудоёмка, поскольку приводит к необходимости решения громоздких уравнений третьей степени. В связи с этим в практике проектирования задача определения размеров подошвы фундаментов решается более простым способом - методом последовательных приближений.

Порядок решения следующий.

Первое приближение.

1. Определяем высоту фундамента h_f по формуле (2.4) при минимально возможной глубине заложения d.

2. Определяем размеры подошвы фундамента по формулам (2.5) при = 0, т.е. наименьшие. Размеры подошвы фундамента связаны с его высотой h_f, исходя из геометрических соображений и Рис.2.1, следующими простыми соотношениями:

b = b_o + 2h_f tg; (2.5)

l = l_o + 2h_f tg ,

где b_o и l_o - ширина и длина фундамента в уровне обреза, принимаемые по рис.2.1, м.

b_o=3,6 м;

l_o=10,8 м;

b = b_o + 2h_f tg0=8,33 м; (2.5)

l = l_o + 2h_f tg0=15,53 м;

2. По полученным значениям h_f, b и l по формуле (2.10) определяем расчётное сопротивление грунта основания осевому сжатию R.

В соответствии с обязательным приложением 24 [2] расчетное сопротивление основания из нескального грунта осевому сжатию R, кПа, под подошвой фундамента мелкого заложения следует определять по формуле:

R = 1,7 {R_о [1 + k₁ (b - 2)] + k₂ (d - 3)} , (2.10)

где R_о условное сопротивление грунта, кПа, равное 147 кПа;

b ширина подошвы фундамента, м;

d глубина заложения фундамента, м;

осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента; допускается принимать = 19,62 кН/м³;

k₁ , k₂ коэффициенты, принимаемые 0.08 и 2.5 соответственно.

R=1.7{147[1+0.08(8.33-2)]+2.5*19.62(4.6-3)}=510.77 кПа;

3. По этим же значениям h_f, b и l по формуле (2.18) определяем суммарную вертикальную расчётную нагрузку на фундамент N.

В общем случае на фундамент промежуточной опоры моста действуют, в различных сочетаниях, 18 нагрузок и воздействий. Нормативные величины постоянных и временных нагрузок от пролётных строений, приведенные к опорным реакциям Gⁿ_пр.с., P ⁿ и Т ⁿ, даны в табл.1. Их расчётные значения определяются следующим образом:

G_пр.с. = _f G ⁿ_пр.с;_. (2.11)

G_пр.с. =1.1*2950=3245 кПа;

P = _f(1 + )P ⁿ; (2.12)

P=1.18*0.28*6860=3457.44 кПа;

Т = _f(1 + )Т ⁿ, (2.13)

T=1.12*0.28*686=215.13 кПа;

где _f - коэффициенты надёжности по нагрузке, принимаемые, в соответствии с п.2.10 [2], для постоянных нагрузок от собственного веса пролётных строений _f - 1,1; для временных вертикальных нагрузок от подвижного состава _f - 1,18; для временных горизонтальных нагрузок _f 1,12;

(1 + ) - динамический коэффициент к нагрузкам от подвижного состава, принимаемый, в соответствии с п.2.22 [2], равным:

(1 + ) = 1 + 18 / (30 + ), (2.14)

где длина загружения, принимаемая равной 2l, м;

l - расчётный пролёт моста, принимаемый по табл.1, м.

Расчётная нагрузка от собственного веса опоры определяется по формуле:

G_оп. = _fА_оп.h_оп., (2.15)

Где _f - коэффициент надёжности по нагрузке, принимаемый _f = 1,1;

А_оп = *1,3 ² + 2,6*7,2 - площадь поперечного сечения опоры (рис.2.1.), м²;

h_оп. - высота опоры, принимаемая по табл.1, м.

А_оп =24.03 м²;

G_оп. =1.1*24.03*6.4=169.17 кПа;

Если фундамент заложен в песках, при определении G_ф.гр, необходимо учитывать взвешивающее действие воды на грунты и части фундамента, расположенные ниже уровня поверхностных (межевых) вод. В этом случае формула примет вид:

G_ф.гр. = _fbld_ср - _wh_w, (2.16)

Где _f - коэффициенты надёжности по нагрузке, принимаемый _f =1,2;

b, l, d - размеры подошвы фундамента и глубина его заложения, м;

_ср - средний удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах, принимаемый

_ср= 22,8 кН/м³;

где _w - удельный вес воды, равный 10 кН/м³;

h_w - расстояние от уровня межевых или подземных вод до подошвы фундамента или верхней границы несущего слоя грунта, если он сложен суглинками и глинами.

G_ф.гр. =1,1*8,33*15,53*4,6*22,8-10*4,6=14878,57кПа;

Таким образом, суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы будет равна:

N = G_пр.с. + Р + G_оп + G_ф..гр. (2.18)

N=21750,18 кПа;

5. Используя полученные значения N, h_f, b и l по формулам (2.7) - (2.9) определяем p, p_max, p_min и проверяем условия (2.6).

Исходя из приведенных выше соображений и в соответствии с требованиями п.п. 7.7, 7.8 [2] будем иметь:

p R / _n;

p_max 1,2R / _n; (2.6)

p_min 0 ,

где p, p_max, p_min - среднее, максимальное и минимальное давление под подошвой фундамента (рис.2.3), определяемые по формулам, кПа:

p = N / A = N / (b*l) (2.7)

p_max = N / A + M / W = N / (b*l) + T(h_оп.+ h_f) / (l*b² / 6); (2.8)

p_min = N / A - M / W = N / (b*l) + T(h_оп.+ h_f) / (l*b² / 6); (2.9)

p =21750,18/8,33*15,53=168,14 кПа;

p_max =168,14+215,13*(6,4+4,11)/(15,53*8,33²)/6=180,73 кПа;

p_min = 155,55 кПа;

R - расчётное сопротивление грунта основания осевому сжатию, определяемое по формуле (2.10), кПа;

_n - коэффициент надёжности по назначению сооружения, принимаемый равным1,4;

N суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы, определяемая по формуле(2.18), кН;

Т расчётная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги, определяемая по формуле (2.13), кН;

W - момент сопротивления площади подошвы фундамента относительно оси, проходящей через её центр тяжести и параллельной длинной стороне фундамента;

b, l - размеры подошвы фундамента, м;

h_оп., h_f - высота опоры и фундамента, м.

1. p R / _n;

168.14 364.84

Верно.

2.p_max 1,2R / _n;

180.73437.8

Верно.

2. p_min 0

155.50

Верно.

2.2.2 Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания

Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания, согласно п.1.40 [2] заключается в проверке условия

M_u mM_z / _n , (2.19)

где M_u - момент опрокидывающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания) проходящей через точку О (рис.2.3.) и параллельной большей стороне фундамента, кН*м;

M_z - момент удерживающих сил относительно той же оси, кН*м;

m - коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,8;

_n - коэффициент надёжности по назначению, принимаемый равным 1,1.

Опрокидывающий момент M_u, определяется (рис.2.3.) по формуле:

M_u = Т(h_оп. + h_f ), (2.20)

Где Т расчётная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги, определяемая по формуле (2.13), кН;

h_оп., h_f - высота опоры и фундамента соответственно, м.

Удерживающий момент M_z определяется (рис.2.3.) по формуле:

M_z = Nb / 2 , (2.21)

где N- суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы,

кН, определяемая по формулам (2.11) (2.18) при коэффициенте надёжности

_f = 0,9 для всех постоянных нагрузок (G_пр.с., G_оп., G_ф.гр.);

b - ширина подошвы фундамента, м.

Если условие (2.19) выполняется, следовательно, устойчивость фундамента против опрокидывания обеспечена, а его размеры достаточны. Они и принимаются как окончательные.

В противном случае следует увеличить ширину подошвы фундамента b в 1,1 M_u / M_z раза. По полученной величине b из соотношений (2.5) находят соотвествующую высоту h_f.

Определённые таким образом размеры фундамента принимаются как окончательные, а расчёт по первой группе предельных состояний на этом завершается, поскольку обеспечено соблюдение условий (2.6) и (2.19), гарантирующих безопасную и надёжную работу и основания, и фундамента.

M_z=21750,18*8,33/2=90589,5 кН*м;

M_u=215,13*(6,4+4,11)=2261,02 кН*м;

2261,02<65883,27

Верно

2.3 Расчёт основания и фундамента по второй группе предельных состояний

В соответствии с п.7.5[2], расчёт основания и фундамента по второй группе предель-ных состояний - это расчёт по деформациям.

Расчёт основания и фундамента по деформациям производится исходя из условий:

а) s s_u (2.22)

б) i i_u ,

где s - совместная деформация основания и фундамента (осадка) от внешних нагрузок, см;

s_u - предельное значение совместной деформации основания и сооружения (осадки), принимаемое равным 15 см (Приложение 4 [3]);

i - крен фундамента в продольном направлении;

i_u - предельное значение крена фундамента, принимаемое (в соответствии с п.1.47 [2]) равным:

i_u = (0,005 l ) / (h_f + h_оп), (2.23)

где l - длина меньшего из примыкающих к опоре пролётов, м;

h_f и h_оп - соответственно высота фундамента и опоры, м.

i_u =(0.005*)/(4.11+6.4)=0.003

2.3.1 Определение осадки основания фундамента

Осадка основания s c использованием расчетной схемы в виде линейно деформиру-емого полупространства определяется методом послойного суммирования по формуле:

где безразмерный коэффициент, равный 0,8;

_zp,i среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней z_i-1 и нижней z_i границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, кПа;

h_i и Е_i соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта, м, кПа;

n число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

При этом распределение вертикальных нормальных напряжений по глубине основания принимается в соответствии со схемой, приведенной на рис.3.1.

Расчёт выполняется в следующем порядке.

1. Определяется суммарная вертикальная расчётная нагрузка N на фундамент в уровне его подошвы по формулам (2.11) (2.18) при _f = 1,0 и (1 + ) = 1,0.

2. Определяется среднее давление р под подошвой фундамента по формуле:

p = N / (bl) , (2.25)

где b, l - размеры подошвы фундамента, принимаемые по результатам расчёта по первой группе предельных состояний, м.

2. Сжимаемую толщу основания (рис.3.1) на глубину примерно 3b разбивают на элементарные слои толщиной h_i ? 0,4b, где b - ширина подошвы фундамента. Границы элементарных слоёв должны совпадать с границами слоёв грунтов и уровнем подземных вод. Для облегчения расчётов рекомендуется принимать толщину элементарных слоёв h_i одинаковой, а для того чтобы их границы совпадали с границами слоёв грунта или уровнем подземных вод, следует уменьшать толщину только тех элементарных слоёв, которые примыкают сверху к границам слоёв грунта или к границе подземных вод.

3. Определяются дополнительные вертикальные напряжения в середине (по толщине) каждого элементарного слоя по формуле:

_zp,i = _ip₀ , (2.26)

где _i коэффициент, принимаемый по табл.1 Приложения в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента относи тельной глубины _i, = 2z_i / b;

p₀ = p - _zg,0 дополнительное вертикальное давление на основание (для фундаментов шириной b 10 м принимается р₀ = р), кПа;

_zg, = ^/d вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента, кПа;



Рис. 3.1. Схема распределения вертикальных напряжений в линейно деформируемом полупространстве: NL - отметка поверхности природного рельефа; FL - отметка подошвы фундамента; WL - уровень подземных вод; В,С - нижняя граница сжимаемой толщи; d - глубина заложения фундамента от уровня поверхности природного рельефа; b - ширина фундамента; Н_с - глубина сжимаемой толщи; р - среднее давление под подошвой фундамента; р₀ - дополнительное давление на основание; _zg и _zg,0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; _zp и _zр,0 - вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы.

^/ удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента (при заложении подошвы фундамента в песках необходимо учитывать взвешивающее действие воды на грунты, расположенные ниже уровня поверхностных (межевых) вод); в работе разрешается принимать по наибольшему значению для грунтов, расположенных выше подошвы, кН/м³;

d - глубина заложения фундамента, принимаемая по результатам расчёта по первой групппе предельных состояний, м.

5. Определяются вертикальные напряжения от собственного веса грунта _zg на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента по формуле:

где _i и h_i - соответственно удельный вес и толщина i-го слоя грунта.

Вычисление осадки фундамента s рекомендуется выполнить в табличной форме (табл.2).

Таблица 2

Номер элементарного слоя, i	К построению эпюры zp	К построению эпюр zg и 0,2zg
	zi м	i = 2zi / b	i	zp,i , кПа	Ei , кПа	hi , м	si , см	i кН/м3	zg,i , кПа	0,2zg,i кПа
1	2	3	4	5	6	7	8	10	11	12
1	2.5	0.4	0.975	163.94	25*103	2.5	1.6	19.4	138	27.6
2	5	0.6	0.903	151.83	25*103	2.5	1.5	19.4	186	37.2
3	7.5	0.8	0.866	145.6	22*103	2.5	1.6	20	239	47.8
4	10	1.2	0.717	120.55	22*103	2.5	1.3	20	289	57.8
5	12.5	1.6	0.578	97.18	22*103	2.5	1.1	20	339	67.8
6	15	1.8	0.521	87.6	22*103	2.5	0.9	20	389	77.8
7	17.5	2.0	0.463	77.84	22*103	2.5	0.8	20	439	87.8
8 9 10	20 22.5 25	2.4 2.8 2.0	0.374 0.304 0.278	68.88 51.11 46.74	22*103 22*103 22*103	2.5 2.5 2.5	0.7 0.5 0.4	20 20 20	489 539 589	97.8 107.8 117.8
10.4 zp,i - определяется по формуле (2.26); zi - расстояние от подошвы фундамента до подошвы i-го элементарного слоя; n - количество элементарных слоёв, лежащих выше нижней границы сжимаемого слоя. Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине zi = Hc , где выполняется условие zр,i = 0,2 zg,i, т.е. на пересечении эпюр zр,i и 0,2 zg,i .

По результатам вычислений строятся эпюры _zр,i, _zg,i и 0,2_zg,i. Графически находится точка А пересечения эпюр _zр,i и 0,2_zg,i, определяющая положение нижней границы сжимаемой толщи. Определяется количество слоёв n= , лежащих выше нижней границы сжимаемого слоя и вычисляется полная осадка основания s.

После вычисления осадки s проверяется условие (2.22 а). 10.4<15 Условия выполняется.

2.3.2. Определение крена фундамента

Крен фундамента i при действии внецентренной нагрузки определяется по формуле:

i = (1 - ²)k_eTⁿ(h_f + h_оп) / [E(a / 2)³] , (2.27)

где Е и соответственно модуль деформации (кПа) и коэффициент Пуассона грунта основания, принимаемый равным для грунтов: песков и супесей = 0,30; k_e =0.22;

Т = _f Tⁿ - расчётная горизонтальная нагрузка на опору в уровне её верха при _f = 1,0 и (1 + ) = 0,28 кН; h_f и h_оп - соответственно высота фундамента и опоры, м; а - сторона прямоугольного фундамента, параллельная плоскости действия момента, м

i = (1-0.30²)*0.29*686*10,5/(25000(8.33/2)³)=0.00058

После вычисления крена i проверяется условие (2.22 б). 0.00058<0.003.

3. Проектирование фундамента глубокого заложения

На водотоке, при его глубине до трёх метров, проектируются, как правило, свайные фундаменты с забивными призматическими железобетонными сваями и низкими жёсткими ростверками из монолитного бетона класса не ниже В15.

В курсовой работе, в целях сокращения объёма, рассмотрен расчёт только по первой группе предельных состояний, а именно расчёт по несущей способности грунта основания свай.

Свайные фундаменты и сваи по несущей способности грунтов основания рассчитываются по формуле:

N_св F_d / _g = Р, (4.1)

где N_св - расчетная нагрузка, передаваемая на сваю, кН;

F_d - несущая способность сваи (расчётная несущая способность грунта основания одиночной сваи), кН;

_g - коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным 1,4;

Р - расчетная нагрузка, допускаемая на сваю, кН.

3.1 Определение глубины заложения ростверка и его размеров

Минимальная глубина заложения низкого ростверка на водотоке должна быть такой, чтобы его подошва располагалась ниже линии местного размыва грунта. Обрез низкого ростверка располагается так же, как обрез фундамента мелкого заложения (см. п. 3.1.3). Минимальная высота низкого ростверка должна быть не менее 1,5 м (h_р 1,5 м), при этом связь между размерами подошвы ростверка и его высотой такая же, как для фундаментов мелкого заложения и определяется соотношениями (2.5) при замене h_f на h_p.

За окончательные размеры ростверка принимаются минимальные, для которых удовлетворяются перечисленные выше условия.

3.2 Выбор длины и размеров поперечного сечения свай

Минимальная длина сваи определяется положением подошвы ростверка и кровли прочного грунта. Нижний конец свай следует заглублять в прочные грунты, прорезая более слабые. При этом заглубление забивных свай в грунты, принятые за основание под их нижние концы, должно быть средней крупности песчаные, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести I_L 0,1 - не менее 0,5 м, а в прочие нескальные грунты -- не менее 1,0 м. Заглубление свай в неразмываемый и несрезаемый грунт должно быть не менее 4 м.

В курсовой работе рекомендуется принять сваи сплошного сечения с размерами 3535 см.

3.3 Определение несущей способности сваи

Несущую способность F_d висячей забивной сваи сплошного квадратного сечения, работающей на вертикальную нагрузку, следует определять как сумму расчетных сопротивлений грунтов оснований под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле:

F_d = RF + uf_il_i , (4.2)

где R расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, определяемое; R=1930 кПа

F площадь опирания на грунт сваи, принимаемая по площади её поперечного сечения, м²;

u наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

f_i расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, f₁₌23;

l_i толщина i-го слоя грунта (Рис.4.1а), соприкасающегося с боковой поверхностью, м;

Расчетная нагрузка Р, допускаемая на сваю, определяется по формуле (4.1).

F_d=1930*0,1225+1,4(1*43+1*43+1*44+1*44+1*47)=545,83кН

Р=545.83/1,4=389.88 кН

3.4 Размещение свай под подошвой ростверка

Сваи размещаются под подошвой ростверка не менее чем в три ряда, парал-лельных большей стороне фундамента. При этом как количество свай, так и расстояние между осями их крайних рядов должно быть наибольшими, при соблюдении конструктивных требований.

3.5 Определение расчётной нагрузки на сваю

Максимальная расчетная нагрузка на сваю (максимально нагруженными, с учётом действия момента, вызываемого горизонтальной продольной нагрузкой от торможения или силы тяги, являются сваи крайних рядов) определяется по формуле:

N_св = N / n T(h_оп + h_p)y / (у_i²) , (4.3)

где N, Т - соответственно суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент уровне подошвы ростверка и горизонтальная продольная расчётная на грузка от торможения или силы тяги, кН;

n - число свай в фундаменте;

у_i - расстояния от главных осей х и у (рис. 4.1б) до оси каждой сваи, м;

у - расстояние от главных осей до оси сваи, для которой вычисляется нагрузка, м.

Суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне подошвы ростверка N определяется по формуле (2.18) с использованием ранее найденных значений G_пр.с., Р и G_оп. Расчётная нагрузка от веса ростверка и грунта на его уступах G_р.гр. определяется по формуле (2.16) или (2.17) с заменой d на d_p (рис.1.2 и рис.1.3). Расчётная нагрузка Т принимается равной её ранее найденному значению по формуле (2.13).

R=510.77 кН;

G_прс=3245 кН

P=3457.44 кН

G_оп=169.17 кН

T =215.13 кН

N=21750.18

n=21750.18/389.88=56

N_св=21750.18/66+215.13(6.4+1.7)*1.0/16=129 ,5 кН ;

y = y₂ ; (у_i²) = (y₁)² + (y₂)².

Условие (4.1) выполняется и разность между его левой и правой частями не превышает 20%, расчёт свайного фундамента заканчивается.

После завершения расчётов и окончательного определения числа свай, их длины и размещения под подошвой ростверка, подбирается (из конструктивных соображений в соответствии с п.7.23 [2]) арматура, располагаемая в его нижней части в промежутках между сваями. Площадь поперечного сечения стержней арматуры вдоль и поперёк оси моста необходимо принимать не менее 10 см² на 1 пог. м ростверка.

4. Технико-экономическое сравнение вариантов фундамента

Технико-экономическое сравнение вариантов фундамента в курсовой работе допускается проводить только по показателю стоимости строительства.

Данные для подсчёта объёмов работ принимают по чертежам вариантов фундамента. Единичные стоимости работ можно принимать по действующим нормативам.

Наименование работ	Стоимость единицы, руб
Механизированная разработка грунта с водоотливом	31068,704
Сваи железобетонные с забивкой с земли или подмостей	9653,36

Вывод: Сравнивая два варианта проектирования фундаментов мелкого и глубокого заложения под промежуточные опоры мостов и учитывая их стоимость и геологические условия, мы пришли к выводу, что более экономичным будет проектирование свайного фундамента.

Библиографический список

1. Власова С.Е. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине "Механика грунтов" для студентов специальностей 290900 "Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство", 291000 "Мосты и транспортные тоннели" дневной и заочной форм обучения.- Самара:СамГАПС, 2004.

2. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. -М.: Стройиздат, 1985.

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

3. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. - М.:Стройиздат, 1985.

5. Ухов С.Б. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. - М., 1994.

6. Б.И. Долматов Механика грунтов, основания и фундаменты. - Л.: Стройиздат,

Ленинградское отделение, 1988.

Приложение

Таблица 1

Грунты	Коэффициент пористостие	Условное сопротивление R0 пылевато-глинистых (непросадочных) грунтов основания, кПа (тс/м2), в зависимости от показателя текучести IL
		0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
Супеси при Ip 5	0,5	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	-
	0,7	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	-	-
Суглинки при 10 Ip 15	0,5	392 (40)	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)
	0,7	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	-
	1,0	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	-	-
Глины при Ip 20	0,5	588 (60)	441 (45)	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)
	0,6	490 (50)	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)
	0,8	392 (40)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	-
	1,1	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	-	-

Примечания: 1. Для промежуточных значений I_L и e R₀ определяется по интерполяции.

2. При значениях числа пластичности I_p в пределах 5-10 и 15-20 следует принимать средние значения R₀, приведенные в табл. 1 соответственно для супесей, суглинков и глин.

Таблица 2

Песчаные грунты и их влажность	Условное сопротивление R0 песчаных грунтов средней плотности в основаниях, кПа (тс/м2)
Гравелистые и крупные независимо от их влажности	343 (35)
Средней крупности:
маловлажные	294 (30)
влажные и насыщенные водой	245 (25)
Мелкие:
маловлажные	196 (20)
влажные и насыщенные водой	147 (15)
Пылеватые:
маловлажные	196 (20)
влажные	147 (15)
насыщенные водой	98 (10)

Примечание: Для плотных песков приведенные значения R₀ следует увеличивать на 100 %, если их плотность определена статическим зондированием, и на 60%, если их плотность определена по результатам лабораторных испытаний грунтов.

Таблица 3

Грунт	Коэффициенты
	k1, м-1	k2
Гравий, галька, песок гравелистый крупный и средней крупности	0,10	3,0
Песок мелкий	0,08	2,5
Песок пылеватый, супесь	0,06	2,0
Суглинок и глина твердые и полутвердые	0,04	2,0
Суглинок и глина тугопластичные и мягкопластичные	0,02	1,5

Таблица 4

	Коэффициент для фундаментов
= 2z / b	Круглых	Прямоугольных с соотношением сторон = l / b, равным	ленточных
		1,0	1,4	1,8	2,4	3,2	5	( 10 )
0	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000
0,4	0,949	0,960	0,972	0,975	0,976	0,977	0,977	0,977
0,8	0,756	0,800	0,848	0,866	0,876	0,879	0,881	0,881
1,2	0,547	0,606	0,682	0,717	0,739	0,749	0,754	0,755
1,6	0,390	0,449	0,532	0,578	0,612	0,629	0,639	0,642
2,0	0,285	0,336	0,414	0,463	0,505	0,530	0,545	0,550
2,4	0,214	0,257	0,325	0,374	0,419	0,449	0,470	0,477
2,8	0,165	0,201	0,260	0,304	0,349	0,383	0,410	0,420
3,2	0,130	0,160	0,210	0,251	0,294	0,329	0,360	0,374
3,6	0,106	0,131	0,173	0,209	0,250	0,285	0,319	0,337
4,0	0,087	0,108	0,145	0,176	0,214	0,248	0,285	0,306
4,4	0,073	0,091	0,123	0,150	0,185	0,218	0,255	0,280
4,8	0,062	0,077	0,105	0,130	0,161	0,192	0,230	0,258
5,2	0,053	0,067	0,091	0,113	0,141	0,170	0,208	0,239
5,6	0,046	0,058	0,079	0,099	0,124	0,152	0,189	0,223
6,0	0,040	0,051	0,070	0,087	0,110	0,136	0,173	0,208
6,4	0,036	0,045	0,062	0,077	0,099	0,122	0,158	0,196
6,8	0,031	0,040	0,055	0,064	0,088	0,110	0,145	0,185
7,2	0,028	0,036	0,049	0,062	0,080	0,100	0,133	0,175
7,6	0,024	0,032	0,044	0,056	0,072	0,091	0,123	0,166
8,0	0,022	0,029	0,040	0,051	0,066	0,084	0,113	0,158
8,4	0,021	0,026	0,037	0,046	0,060	0,077	0,105	0,150
8,8	0,019	0,024	0,033	0,042	0,055	0,071	0,098	0,143
9,2	0,017	0,022	0,031	0,039	0,051	0,065	0,091	0,137
9,6	0,016	0,020	0,028	0,036	0,047	0,060	0,085	0,132
10,0	0,015	0,019	0,026	0,033	0,043	0,056	0,079	0,126
10,4	0,014	0,017	0,024	0,031	0,040	0,052	0,074	0,122
10,8	0,013	0,016	0,022	0,029	0,037	0,049	0,069	0,117
11,2	0,012	0,015	0,021	0,027	0,035	0,045	0,065	0,113
11,6	0,011	0,014	0,020	0,025	0,033	0,042	0,061	0,109
12,0	0,010	0,013	0,018	0,023	0,031	0,040	0,058	0,106

Примечания: 1. В табл. 4 обозначено: b - ширина или диаметр фундамента, l - длина фундамента.

2. Для промежуточных значений и коэффициент определяется по интерполяции.

Таблица 5

Таблица 6

Глубина погружения нижнего конца сваи, м	Расчетные сопротивления под нижним концом забивных свай и свай-оболочек, погружаемых без выемки грунта, R, кПа (тс/м2)
	песчаных грунтов средней плотности
	гравелистых	крупных	--	средней крупности	мелких	пылеватых	--
	пылевато-глинистых грунтов при показателе текучести IL равном
	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
3	7500 (750)	6600 (660) 4000 (400)	3000 (300)	3100 (310) 2000 (200)	2000 (200) 1200 (120)	1100 (110)	600 (60)
4	8300 (830)	6800 (680) 5100 (510)	3800 (380)	3200 (320) 2500 (250)	2100(210) 1600 (160)	1250 (125)	700 (70)
5	8800 (880)	7000 (700) 6200 (620)	4000 (400)	3400 (340) 2800 (280)	2200 (220) 2000 (200)	1300(130)	800 (80)
7	9700 (970)	7300 (730) 6900 (690)	4300 (430)	3700 (370) 3300 (330)	2400 (240) 2200 (220)	1400 (140)	850 (85)
10	10500(1050)	7700 (770) 7300 (730)	5000 (500)	4000 (400) 3500 (350)	2600 (260) 2400 (240)	1500 (150)	900 (900)
15	11700(1170)	8200 (820) 7500 (750)	5600 (560)	4400 (440) 4000 (400)	2900 (290)	1650(165)	1000 (100)
20	12600 (1260)	8500 (850)	6200 (620)	4800 (480) 4500 (450)	3200 (320)	1800 (180)	1100(110)
25	13400 (1340)	9000 (900)	6800 (680)	5200 (520)	3500 (350)	1950 (195)	1200 (120)
30	14 200 (1420)	9500 (950)	7400 (740)	5600 (560)	3800 (380)	2100 (210)	1300 (130)
35	15000(1500)	10000(1000)	8000 (800)	6000 (600)	4100 (410)	2250 (225)	1400 (140)

Таблица 7

Средняя глубина расположения слоя грунта,м	Расчетные сопротивления на боковой поверхности забивных свай и свай-оболочек fi, кПа (тс/м2)
	песчаных грунтов средней плотности
	крупных и средней крупности	мелких	пылеватых	--	--	--	--	--	--
	пылевато-глинистых грунтов при показателе текучести IL равном
	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
1	35(3,5)	23 (2,3)	15(1,5)	12(1,2)	8(0,8)	4(0,4)	4(0,4)	3(0,3)	2(0,2)
2	42(4,2)	30 (3,0)	21(2,1)	17(1,7)	12(1,2)	7(0,7)	5(0,5)	4(0,4)	4(0,4)
3	48 (4,8)	35(3,5)	25 (2,5)	20 (2,0)	14(1,4)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)	5(0,5)
4	53(5,3)	38(3,8)	27 (2,7)	22 (2,2)	16(1,6)	9(0,9)	8(0,8)	7(0,7)	5(0,5)
5	56 (5,6)	40(4,0)	29 (2,9)	24 (2,4)	17(1,7)	10(1,0)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
6	58(5,8)	42(4,2)	31 (3,1)	25 (2,5)	18(1,8)	10(1,0)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
8	62(6,2)	44(4,4)	33 (3,3)	26 (2,6)	19(1,9)	10(1,0)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
10	65 (6,5)	46 (4,6)	34(3,4)	27 (2,7)	19(1,9)	10(1,0)	8(0,8)	7 (0,7)	6(0,6)
15	72(7,2)	51 (5,1)	38(3,8)	28 (2,8)	20 (2,0)	11(1,1)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
20	79(7,9)	56 (5,6)	41 (4,1)	30(3,0)	20 (2,0)	12(1,2)	8(0,8)	7 (0,7)	6(0,6)
25	86(8,6)	61 (6,1)	44 (4,4)	32(3,2)	20 (2,0)	12(1,2)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
30	93 (9,3)	66(6,6)	47 (4,7)	34(3,4)	21 (2,1)	12(1,2)	9(0,9)	8(0,8)	7(0,7)
35	100 (10,0)	70 (7,0)	50(5,0)	36(3,6)	22 (2,2)	13(1,3)	9(0,9)	8 (0,8)	7(0,7)

Примечания: 1. В случаях, когда в табл.6 значения R указаны дробью, числитель отно-сится к пескам, а знаменатель - к глинам.

2. Глубину погружения нижнего конца сваи или сваи-оболочки и среднюю глубину

расположения слоя грунта в табл.6 и 7, следует принимать от уровня природного рельефа.

2. Для промежуточных глубин погружения свай и свай-оболочек, промежуточных зна-чений средних глубин расположения слоя грунта и промежуточных значений консистенции I_l глинистых грунтов значения R и f определяются интерполяцией.

2. При определении по табл.6 расчетных сопротивлений грунтов на боковой поверхности свай и свай-оболочек f, пласты грунтов следует расчленять на однородные слои толщиной не более 2 м.

Таблица 8

Наименование работ и конструкций	Единица измерения	Стоимость единицы (в ценах 1984 г.) руб.
1	2	3
Земляные работы
Механизированная разработка грунта без водоотлива	м3	1,5
То же с водоотливом	м3	2,5
Ручная разработка грунта без водоотлива	м3	3
То же с водоотливом	м3	4
Крепление котлована
Щитовое крепление стенки	м2	1,5
Ограждение из деревянного шпунта	м2	8
Ограждение из стального шпунта (с учётом оборачиваемости металла)	м2	25
Ограждение из железобетонного шпунта	м2	35
Устройство фундаментов и искусственных оснований
Бетонирование монолитных фундаментов		40
Сваи железобетонные с забивкой с земли или подмостей		80
Сваи железобетонные при забивке с плавсредств		110
Песчаные подушки		5
Щебёнчатые и гравийные подушки		14
Засыпка пазух котлованов без водоотлива		1
То же с водоотливом		1,5