Проектирование конструкций сооружения и их оснований осуществляется по предельным состояниям, которые подразделяются на две группы. Первая группа - по несущей способности - потеря устойчивости или формы, возможные виды разрушений, ползучесть или текучесть материала, чрезмерное раскрытие трещин и др. Вторая группа - по непригодности к нормальной эксплуатации.

Предельные состояния оснований существенно отличаются от предельных состояний строительных конструкций, в том числе и самого фундамента, т.к. у них различные условия работы, а именно: материалы в строительных конструкциях и грунтов в основаниях; физико-механические свойства; критерии оценки прочности и деформативности оснований и возводимых на них фундаментов и надземных конструкций.

Проектирование оснований и фундаментов состоит из обоснованного соответствующим расчетом выбора типа основания (естественного и искусственного), фундамента (конструкции, типа материала и размеров, мелкого или глубокого заложения), мероприятий по уменьшению влияния деформаций здания или сооружения на эксплуатационную пригодность.

Данное здание представляет собой трехэтажное промышленное каркасное здание, наружные стены которого выполнены кирпичными толщиной 400 мм. Высота здания составляет 12,4 м. Под пристройкой предусмотрен подвал глубиной 2,8 м. Кирпичными стенами, толщина которых 250 мм, огорожены лестничные клетки. Здание имеет следующие размеры в осях: длина - 42 м; ширина - 30 м.

Колонны для данного здания запроектированы сборными железобетонными сечением 400х400 мм, под них запроектированы фундаменты стаканного типа.

фундамент промышленное каркасное здание

Слой № 3 (76): Исходные данные: =1,79г/см³; _s=2,74г/см³; w=17%; w_p=18%; w_L=34%.

Пылевато-глинистые грунты подразделяют по числу пластичности I_P:

I_P=w_L-w_P (1.1) I_P= 34-18 = 16

Следовательно, данный грунт - суглинок.

По показателю текучести определяют состояние пылевато-глинистого грунта:

; (1.2)

.

Следовательно, суглинок твердый.

Плотность сложения грунта:

(1.3)

г/см³;

Определяем коэффициент пористости:

; (1.4)

Определяем степень влажности грунта:

; (1.5)

Следовательно, грунт влажный

Определяем показатель просадочности:

; (1.6)

Коэффициент пористости при влажности на границе текучести:

; (1.7)

Поскольку 0,08 < 0,24

Следовательно, грунт просадочный.

Для определения искомого нормативного значения механического показателя используют линейную интерполяцию. Для глины полутвёрдой при е=0,79; R₀=313,7 кПа; С_n=23,8 кПа; _n=22,6⁰; Е_n=15,8 МПа.

Слой № 2 (95): Исходные данные: =1,43г/см³; _s=2,76г/см³; w=8%; w_p=16,5%; w_L=28%.

Пылевато-глинистые грунты подразделяют по числу пластичности I_P:

I_P=w_L-w_P (1.1)

I_P= 28-16,5 = 11,5;

Следовательно, данный грунт - суглинок.

По показателю текучести определяют состояние пылевато-глинистого грунта:

; (1.2)

.

Следовательно, суглинок твердый.

Плотность сложения грунта:

(1.3)

г/см³;

Определяем коэффициент пористости:

; (1.4)

Определяем степень влажности грунта:

; (1.5)

Следовательно, грунт влажный.

Определяем показатель просадочности:

; (1.6)

Коэффициент пористости при влажности на границе текучести:

; (1.7)

Поскольку 0,29 > 0,17

Следовательно, грунт не является просадочным.

Для определения искомого нормативного значения механического показателя используют линейную интерполяцию. Для глины полутвёрдой при е=1,09; R₀=152 кПа; С_n=12 кПа; _n=12⁰; Е_n=5 МПа.

Слой № 4 (88): Исходные данные: =1,9г/см³; _s=2,68г/см³; w=21%; w_p=17%; w_L=22%.

Пылевато-глинистые грунты подразделяют по числу пластичности I_P:

I_P=w_L-w_P (1.1)

I_P= 22-17 = 5;

Следовательно, данный грунт - супесь.

По показателю текучести определяют состояние пылевато-глинистого грунта:

; (1.2) .

Следовательно, суглинок твердый.

Плотность сложения грунта:

(1.3) г/см³;

Определяем коэффициент пористости:

; (1.4)

Определяем степень влажности грунта:

; (1.5)

Следовательно, грунт маловлажный

Для определения искомого нормативного значения механического показателя используют линейную интерполяцию. Для глины полутвёрдой при е=0,71; R₀=200 кПа; С_n=11,8 кПа; _n=22⁰; Е_n=11,4 МПа.

1.2 Определение наименования крупнообломочного и песчаного грунта и его физико-механических свойств

частиц 5мм 24% 50%

частиц 0,25мм 24+27=51% > 50%

следовательно данный грунт по гранулометрическому составу является песок средней крупности. d=0,25мм

Устанавливаем плотность сложения по коэффициенту пористости е таблице 3 [1].

(1)

где р_s-плотность частиц грунта, г/см³

рd-плотность грунта в сухом состоянии, г/см³; определяется по формуле:

г/см³; (2)

где W - естественная влажность, %;

4 г/см³

Песок гравелистый средней крупности.

Определим степень влажности грунта

, (3)

где _w=1г/см³ - плотность воды,

=0,97

так как S_r=0,97>0,8 то песок насыщенный водой.

Для определения искомого нормативного значения механического показателя используют линейную интерполяцию. Для песка гравелистого при е=0,58; R₀=400 кПа; С_n=1,7 кПа; _n=37⁰; Е_n=32 МПа.

Таблица 2 - Физико-механические свойства грунтов

Площадка характеризуется: почти горизонтальным залеганием пластов, мощность которых выдержана по простиранию; имеется один выдержанный уровень подземных вод; поверхность участка не расчлененная. Следовательно, площадка относится к первой (простой) категории сложности инженерно-геологических условий.

Характер напластований и сведения о физико-механических свойствах грунтов позволяют выделить в пределах исследованной толщи пять инженерно-геологических элементов:

Горизонт 1 - почвенно-растительный слой;

Горизонт 2 - суглинок твердый с коэффициентом пористости е=1,09;

Горизонт 3 - суглинок твердый с коэффициентом пористости е=0,79;

Горизонт 4 - супесь пластичная с коэффициентом пористости е=0,71;

Горизонт 5 - песок средней крупности с коэффициентом пористости е=0,58;

Площадка характеризуется горизонтальным залеганием пластов, мощность которых выдержана по простиранию; имеется один выдержанный уровень подземных вод. Характер напластований и сведения о физико-механических характеристиках грунтов позволяют выделить в пределах исследованной толщи четыре инженерно-геологических элемента. Итак, исходя из оценки инженерно-геологических условий строительной площадки, можно сделать вывод, что верхний слой может служить надежным основанием для опирания на него фундаментов здания.

3. Расчет и конструирование фундаментов по выбранным вариантам

3.1.1 Определение глубины заложения фундаментов

Здание не имеет подвал, следовательно, верхний обрез фундамента проектируем на 300 мм ниже отметки чистого пола, а глубину заложения подошвы фундамента выбираем ниже глубины промерзания, т.к. для г. Кировска глубина промерзания 101,0см. Назначаем глубину заложения фундамента в зависимости от конструктивных особенностей здания.

Определим минимальную глубину заложения исходя из нормативной глубины промерзания по формуле:

d_f=k_h*d_{fn (}3.1)

где k_h - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания на глубину промерзания грунта у фундаментов наружных стен, определяем по таблице 13 [1];

d_fn - нормативная глубина промерзания, определяемая по карте нормативных глубин промерзания, для города Кировска d_fn= 1,01м

м

Толщину дна стакана примем 300 мм, анализируя эти условий, выбираем конечной глубиной заложения фундамента d=1,5м, при высоте фундамента h=1,5м, запроектированного под колонну сечением 0,4х0,4м.

Рисунок 3.1 - Для определения глубины заложения в сечении 3-3

3.1.2 Определение размеров подошвы внецентренно нагруженного фундамента.

Расчётные значения нагрузок:

F_V02=1100 кН, М₀₂=6 кН•м, F_h02=2кН.

Принимаем отметку по обрезу фундамента равной - 0,300м и монолитный типовой фундамент под колонну прямоугольного сечения высотой h=1,5м.

Размеры подошвы фундамента определим методом последовательного приближения.

Определим площадь подошвы фундамента под колонну в плане по формуле:

(3.2)

м².

Ширина квадратного фундамента:

м.

Уточняем расчетное сопротивление по формуле:

(3.3)

где _С1 и _{С2 -} коэффициенты условий работы, учитывающие особенности работы разных грунтов в основании фундаментов и принимаемые по таблице 16, [1].

k - коэффициент, принимаемый: k=1,1 - т.к. они приняты по нормативным таблицам;

k_Z - коэффициент принимаемый k_Z=1 при b<10 м; b - ширина подошвы фундамента, м;

_II и _{II -} усредненные расчетные значения удельного веса грунтов, залегающих соответственно ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды) и выше подошвы, кН/м³;

С_II - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа;

М, М_q, М_с - безразмерные коэффициенты, принимаемые по таблице 17; [1]

d₁ - глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала: d₁=h_S+h_cfсf/, м

h_cf - толщина конструкции пола подвала, м;

_cf - расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м³.

По таблицам 16-17 [1] для заданных грунтовых условий и при соотношении L/H= найдем значения коэффициентов: =1,25; =1;

При ц_n=12 M_y=0,23; М_q=1,94; М_с=4,42.

А также =14,3кН/м³; =14,3кН/м³.

кПа

Уточним размеры фундамента при кПа:

м

Принимаем, с округлением и в соответствии с размерами типовых монолитных фундаментов, b=3,5м

Получаем следующее расчетное сопротивление:

кПа

Конструируем фундамент:

Рисунок 3.2. К определению ширины подошвы фундамента найдем эксцентриситет при

(3.4)

,

Следовательно, размеры подошвы фундамента проверяем как для центрально-загруженного квадратного фундамента. Принимаем размеры фундамента в плане b x l=3.5*3.5 м

При расчете внецентренно-нагруженных фундаментов должны выполняться следующие условия:

(3.5)

(3.6)

(3.7)

(3.8)

< R (3.10)

Так как P_ср=150,16кПа<R=152кПа, то условие, необходимое для расчёта по деформациям, выполняется.

W_x=

M_x=M_0II+F_h0 h_f=6+2·0,9=7,8

Р_max/min = (3.11)

Р_max= 120,9 кПа < 1,2R= 1,2·152= 182,4 кПа

Р_min=118,7 кПа > 0;

Условие выполняется, следователь ширина подошвы фундамента определена верно.

3.1.4 Расчет оснований по деформациям

Задача расчета по деформациям состоит в том, чтобы не допустить такие деформации основания, при которых нарушается нормальная эксплуатация надземных конструкций. Основное условие расчета определяется выражением

SS_U, (3.14)

где S - совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом;

S_U - предельное допустимое значение деформации основания, определяемое по таблице 19.

Если условие (3.14) не удовлетворяется, то возможно применение следующих мероприятий: изменение размеров фундамента; переход к другому типу фундаментов; улучшение деформативно-прочностных показателей грунта основания; изменение верхнего строения.

Осадка основания S с использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства определяется методом послойного суммирования по формуле

, (3.15)

где =0,8 - безразмерный коэффициент;

_{zp, i} - среднее напряжение в i-ом слое;

h_i - толщина i-го слоя;

E_i - модуль деформации i-го слоя грунта.

Метод послойного суммирования используется для расчета осадок фундамента шириной до 10м, при отсутствии в пределах сжимаемой толщи грунтов с модулем деформации Е>100МПа. Сущность метода заключается в определении осадок элементарных слоев основания в пределах сжимаемой толщи от дополнительных вертикальных напряжений _zp, возникающих от нагрузок, передаваемых сооружением.

В случае плоской задачи вертикальные сжимающие напряжения распределяются на глубину до 6b (для квадратных до 4b). Для определения глубины сжимаемой толщи Н_с вычисляют напряжения от собственного веса грунта _zq и дополнительные - от внешней нагрузки _zp.

Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине Z=H_c от подошвы фундамента, где выполняется условие

_zp=0,2_zq. (3.16)

При наличии ниже указанной глубины грунтов с модулем деформации Е5МПа должно соблюдаться условие

_zp0,1_zq. (3.17)

Расчет осадки удобно вести с использованием графических построений.

Для сечения 3-3 определим осадку фундамента под стакан, среднее давление по подошве фундамента Р_ср=150,16 кПа.

Вертикальные природные напряжения _zq на некоторой глубине Z от поверхности грунта определяют по формуле

, (3.18)

где _i - удельный вес грунта i-го слоя;

h_{i -} толщина i-го грунта;

n - число слоев грунта в пределах глубины Z. Удельный вес грунтов залегающих ниже уровня подземных вод, но выше водоупора, должен приниматься с учетом взвешивающего действия воды, т.е.

, (3.19)

где _si, e_{i -} соответственно удельный вес частиц грунта и коэффициент пористости i-го слоя грунта;

=10 кН/м³ - удельный вес воды.

На кровле водоупорного пласта эпюра напряжений от собственного веса грунта имеет скачок за счет гидростатического давления. Этот прирост составляет -h_o.

Дополнительные вертикальные напряжения от внешней нагрузки определяют по формуле

_zp=P_0, (3.20)

где Р₀=Р_ср-_zg,0 - дополнительное вертикальное давление на основание;

Р_ср - среднее давление под подошвой фундамента;

_zg,0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента;

- коэффициент, учитывающий уменьшение дополнительных напряжений по глубине. Значения приведены в таблице 20 методического указания и определяются в зависимости от и .

Для сечения 3-3 определим осадку фундамента под стакан.

Строим эпюру распределения вертикальных напряжений от собственного веса в пределах глубины 4b= ниже подошвы фундамента согласно формуле (3.16).

На подошве фундамента:

_Zq0 =₁h₁=27,6*1,5=41,4кПа, 0,2_Zq0=0,2*41,4=8,28кПа.

На подошве суглинка твердого:

у_zq1 = _Zq0 + h₂ =41,4+27,4*1,1=71,54кПа

0,2у_zq1 = 0,2*71,54=14,31кПа

На подошве слоя суглинка твердого:

_Zq2 =_Zq1 +h₃= кПа;

0,2у_zq2 = 0,2*238,68=53,76кПа

На подошве слоя супеси пластичной: