Проектирование фундаментов здания

• Министерство образования и науки Российской Федерации
• Федеральное агентство по образованию
• ГОУ ВПО «Череповецкий Государственный Университет»
• Инженерно-экономический институт
• Кафедра строительных конструкций и архитектуры
• Курсовая работа
• по дисциплине «Основания и фундаменты»:
• «Проектирование фундаментов здания»
• Вариант № 05 62
• Выполнил студент
• группы 5 ЭН-32
• Малинин Максим Сергеевич
• принял преподаватель
• Медведева Наталья Вячеславовна
• Оценка _____________________.
• г. Череповец,
• 2007-2008 учебный год
• Содержание:
• Введение ______________________________________________________ 4
• 1. Анализ конструктивного решения сооружения ____________________ 5
• 1.1. Характеристика здания ______________________________________ 5
• 1.2. Степень ответственности здания _______________________________ 5
• 1.3. Оценка жёсткости и чувствительности к неравномерным деформациям _5
• 2.Оценка инженерно-геологических условий и свойств грунтовстроительной площадки _____________________________________________________ 6
• 2.1. Дополнительные физические характеристики грунтов _______________ 6
• 2.2. Механические характеристики грунтов ___________________________ 8
• 2.3. Определение условного расчетного сопротивления грунта R_{0 ______________} 7
• 2.4. Непосредственная оценка каждого из грунтовых слоев ______________ 9
• 2.5 Общая оценка строительной площадки ___________________________ 11
• 2.6 Выбор возможных вариантов фундаментов _______________________ 11
• 3. Фундамент мелкого заложения на естественном основании __________12
• 3.1. Выбор глубины заложения фундамента __________________________ 12
• 3.1.1. Климатические факторы _____________________________________ 12
• 3.1.2. Инженерно-геологические факторы ____________________________ 13
• 3.1.3. Конструктивные особенности здания _________________________ 13
• 3.2. Предварительное определение размеров подошвы фундамента_____ 14
• 3.2.1. Требуемая площадь подошвы ______________________________ 14
• 3.2.2. Проверка выполнения условий ________________________________ 15
• 4. Расчет оснований фундамента по предельным состояниям ___________ 22
• 4.1. Расчет деформаций фундамента по деформациям __________________ 22
• 4.2. Расчет деформаций фундамента по несущей способности ___________ 26
• 5. Проектирование свайного фундамента _____________________________32
• 5.1. Определение глубины заложения ростверка _______________________33
• 5.2. Выбор вида и размеров свай ____________________________________34

5.3.Определение расчетной нагрузки, допускаемой на сваю _____________ 35

5.3.1. Определение расчетной нагрузки, допускаемой на сваю, по грунту__ 35

5.3.2. Определение расчетной нагрузки, допускаемой на сваю, по сопротивлению материала (сваи) ___________________________________ 38

5.4. Определение количества свай в фундаменте и их размещение _______ 39

5.5. Определение размеров ростверка _______________________________ 40

5.6. Проверка свай по несущей способности __________________________ 40

5.7. Расчет свайного фундамента по деформациям ____________________ 43

5.7.1. Определение границ условного фундамента _____________________ 43

5.7.2. Определение интенсивности давления по подошве условного фундамента _____________________________________________________ 44

5.7.3. Определение осадки условного свайного фундамента ____________ 46

6. Вывод ________________________________________________________ 48

Список литературы _______________________________________________ 50

Введение

Целью курсового проекта по дисциплине «Основания и фундаменты» является ознакомление с принципами проектирования оснований и фундаментов и закрепление теоретических знаний. Тематика проектирования отвечает учебным задачам подготовки инженеров и связана с решением практических вопросов - выполнением проектов фундаментов сооружений.

В ходе разработки курсового проекта необходимо рассчитать два типа фундаментов: мелкого заложения и свайный.

Для фундаментов мелкого заложения проводятся расчеты: определение физико-механических свойств грунтов, оценка грунтовых условий строительной площадки, расчет размеров и выбор вариантов фундаментов, расчет оснований по деформациям, расчет осадки.

Для разработки свайных фундаментов: расчет размеров ростверков, определение осадки свайных фундаментов, подбор оборудования для погружения свай и расчетный отказ.

1. Анализ конструктивного решения сооружения

1.1 Изучение особенностей объёмно - планировочного решения и технологического процесса в здании

В соответствии с заданием необходимо запроектировать фундаменты под жилым 6-ти этажным домом коридорного типа с неполным поперечным каркасом в городе Горький.

Наружные стены здания выполнены из кирпичной кладки удельным весом = 18 кН/м³, толщина стен = 51 см. Внутренние перегородки - из гипсокартонных панелей толщиной 80 мм, в два слоя.

Внутренний поперечный каркас из сборных ж/б колонн сечением 40х40 см и ригелей сечением 54х30 см.

Междуэтажные перекрытия из крупноразмерного ж/б настила (вес 1 м² настила 2,8 кН).

В здании между осями 1 - 3 расположен подвал, под остальной частью здания подвал отсутствует, отметка пола в подвале - 2,8 м.

Габаритные размеры здания - 15 000 х 36 000 х 19 600 (мм), пролеты - 6 000 и 3 000 мм.

1.2 Определение степени ответственности здания

По степени ответственности выделяют 3 класса объектов:

Класс I - здания и сооружения, имеющие народнохозяйственное назначение, а также социальные объекты, требующие повышенной надежности (ТЭС, АЭС, телебашни и.т.д.);

Класс III - складские здания (без процесса сортировки и упаковки), одноэтажные жилые здания, временные здания и сооружения;

Класс II - промышленные и гражданские здания, не входящие в классы I и III, с коэффициентом надежности по назначению = 0,95.

Данный жилой дом относится ко II классу ответственности.

1.3 Оценка жесткости здания

Все здания по жесткости и характеру деформаций делятся на абсолютно-жесткие, абсолютно гибкие и конечной жесткости.

Проектируемое здание относится к зданиям конечной жесткости, а потому высокочувствительно к неравномерным осадкам. Здание при неравномерном сжимании основания может получить дополнительные усилия в конструкциях, которые не смогут полностью их воспринять, может произойти смещение конструкции, искривление и др.

При определении R_О (расчётного сопротивления грунта по ф.7 [1]), коэффициент условий работы принимается по таб.3 [1], как сооружения конечной жёсткости, не рассчитываемого специально на восприятие дополнительных усилий от деформации основания.

В соответствии с прил.4 [1] предельные деформации основания для фундаментов рассматриваемого здания: максимальная осадка S_max= 10 см

Меры по снижению чувствительности здания к неравномерным деформациям:

1) Увеличения жесткости за счёт применения жёстких соединений несущих конструкций;

2) проектирование сооружений компактных в плане без выступов их пристроек;

3) для выравнивания давлений рекомендуется внутренние стены делать сквозными на всю ширину или длину здания, простенки и проёмы делать одинаковой ширины и высоты, распределяя их равномерно, продольные и поперечные стены располагать симметрично;

4) устройство монолитных фундаментов;

5) использование армированной кладки и железобетонных армированных поясов.

2. Оценка инженерно - геологических условий и свойств грунта

Классификация и оценка состояния грунтов производится в результате сопоставления их физических и механических характеристик с классификационными, приведенными в нормативных документах. Такое сопоставление позволяет оценить свойства грунтов и выявить возможность их использования в основании сооружения.

В задании на курсовой проект имеется паспорт грунтов строительной площадки, в котором указаны нормативные значения основных показателей физических свойств грунтов, определённых в лабораторных условиях.

наименование грунта	мощность слоя, м	Исходные физические характеристики грунта
		Удельный вес, кН/м3	Влажность
		Естественный	частиц грунта	Природная	на границе текучести	на границе раскатывания
1. Почвенный слой	0,3	15,6	-	-	-	-
2. Глина	3,1	19,6	27,1	0,28	0,54	0,22
3. Ил с содержанием растительных остатков	3	16,1	25,7	0,42	0,32	0,18
4. Песок средней крупности	…	19,1	26,6	0,22	-	-
Глубина заложения грунтовых вод 4,2 метра от поверхности земли

Данные геологических изысканий по исходным физическим характеристикам грунтов:

2.1 Дополнительные физические характеристики грунтов:

· Число пластичности: . Используется для классификации пылевато-глинистых грунтов по [1, табл. 1 прил. 1].

· Показатель текучести (консистенции): . Оценивает глинистые грунты в соответствии с [1, табл. 2 прил. 1].

· Коэффициент пористости: . Используется для оценки плотности сложения песков по [1, табл. 3 прил. 1]. Подразделяет илистые грунты по [1, табл. 4 прил. 1].

· Степень влажности: где - удельный вес воды (). По этому показателю классифицируются крупнооб-ломочные и песчаные грунты [1, табл. 7 прил. 1], а также некоторые пылевато-глинистые грунты.

Найденные физические характеристики грунтов записываются в таблицу 1 в столбцы 2, 3, 4, 5.

1. Почвенный слой - не пригоден => нет показателей.

2. Глина: ; ; ; .

3. Ил с содержанием растительных остатков:

;

;

4. Песок средней крупности: ; ;

; .

2.2 Механические характеристики грунтов

Согласно указаниям СНиП 2. 02. 01 - 83 по прил. 1 определяют:

ц - угол поворота грунта;

С - удельное сцепление грунта;

Е - модуль деформации грунта.

Для песчаных грунтов ц, С и Е определяют по [2, табл. 1 прил. 1] в зависимости от е.

Для пылевато-глинистых грунтов ц, С определяют по [2, табл. 2 прил. 1] в зависимости от I_L и е; Е - по [2, табл. 3 прил. 1] в зависимости от I_L и е, а также от происхождения и возраста грунтов.

В [1, табл. 6 прил. 1] приведено подразделение грунтов по Е.

Найденные механические характеристики грунтов записываются в таблицу 1 в столбцы 6, 7, 8.

2.3 Определение условного расчетного сопротивления грунта R₀

Для предварительных расчетов R₀ находится с учетом физических характеристик грунтов по таблицам приложения 3 [3]. Промежуточные значения R₀ для пылевато-глинистых грунтов находятся путем двойной интерполяции по формуле:

где е, I_L - характеристики грунта, для которого определяется значение R₀;

е₁, е₂ - соседние значения коэффициента пористости в интервале, между которыми находится значение е для рассматриваемого грунта;

R_{0 (1. 0)} и R_{0 (1. 1)} - табличные значения R₀ для е₁ соответственно при I_L = 0 и I_L = 1; R_{0 (2. 0)} и R_{0 (2. 2)} - то же для е₂;

Кроме того, можно R₀ определить по формуле (7) СНиП 2. 02. 01. - 83, принимая ширину подошвы фундамента b = 1 м.

Значения R₀ записываются в таблицу 1 в 9 столбец.

1. Почвенный слой - не пригоден => нет показателей.

2. Глина: - по 2, приложение 3, таблице 2

3. Ил с содержанием растительных остатков - не пригоден => нет показателей.

4. Песок средней крупности:

2.4 Непосредственная оценка каждого из грунтовых слоев

В курсовой работе непригодными в качестве естественных оснований считаются грунты:

- почвенные, илы, торфы, заторфованные грунты, рыхлые пески;

- пылевато-глинистые грунты в текучей и текучепластичной консистенции и с коэффициентом пористости у супесей е > 0,7; суглинков е > 1; глин е > 1,1;

- сильносжимаемые грунты;

- грунты с R₀ ? 100 кПа.

Возможность использования слабых грунтов в качестве оснований выясняется только по результатам дополнительных исследований и применения мероприятий по искусственному улучшению грунтов строительной площадки.

В курсовой работе непригодным в качестве естественного основания является почвенный слой и ил с содержанием растительных остатков (ненадежные грунты). По результатам расчетов для каждого слоя грунта делается вывод и записывается в 10 столбец таблицы 1.

Глина: полутвердая (0<I_L=0,19<0,25), (е=0,77<1), слабосжимаемая (Е=30МПа), R₀ = 400 кПа>100кПа. Данный грунт удовлетворяет всем условиям и может быть использован в качестве естественного основания (надёжный грунт).

Песок средней крупности: средней плотности (е=0,699), насыщенный водой (S_R=0,84), слабосжимаемый (Е=30МПа), R₀ = 400 кПа>100кПа. Данный грунт удовлетворяет всем условиям и может быть использован в качестве естественного основания (надёжный грунт).

2.5 Общая оценка строительной площадки

Строительная площадка характеризуется горизонтальным залеганием пластов грунта. Имеется один выдержанный уровень грунтовых вод на глубине 4,2 м.

Как показывает анализ (см. таб. 1 - приложение 1) в качестве несущего пласта нужно использовать песок средней крупности, проходя слабые, непригодные почвенный слой и ил с содержанием растительных остатков. Также мы проходим глину, которая может быть использована в качестве основания, но это не рационально, т.к. она располагается на небольшой глубине, а сверху и снизу неё располагаются слабые грунты.

2.6 Выбор возможных вариантов фундаментов

Выбор вариантов фундаментов и их оснований рассмотрим для сечения III-III, имеющего подвал и имеющее наиболее невыгодное сочетание нагрузок (см. задание).

Для данных инженерно-геологических условий и конструкций здания рассмотрим следующие варианты фундаментов и оснований:

1. Фундамент мелкого заложения на естественном основании (несущий слой песок средней крупности).

2. Фундамент из забивных висячих свай, опирающихся на песок средней крупности.

3. Фундамент мелкого заложения на естественном основании

3.1 Определение рациональной глубины заложения фундамента

На выбор глубины заложения фундамента влияют следующие факторы:

ь инженерно - геологические и гидрогеологические условия стройплощадки;

ь климатические условия района строительства;

ь конструктивные особенности проектируемого здания.

В каждом из этих случаев глубина заложения определяется по своим правилам, которые будут рассмотрены ниже. Главное, чтобы глубина заложения была минимальной (т.е. сводится к минимальному объему земляных работ, упрощается водоотлив, снижается опасность расструктуривания грунтов ниже дна котлована и.т.д.).

3.1.1 Климатические факторы

1) Нормативная глубина сезонного промерзания грунта - (2, п. 2.27, формула 2). Из СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», таблица 3 определяем , как сумму абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе.

- для Нижнего Новгорода (бывший Горький);

- для песков (2, п. 2.27).

.

2) Расчётная глубина сезонного промерзания - (2, п. 2.28, формула 3)

- табличный коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений k_h = 1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой; для отапливаемых от 0,4-1, в зависимости от t в помещении, наличии подвала и конструкции пола.

3.1.2 Инженерно-геологические факторы

Ниже границы промерзания глина не может служить естественным основанием, так как далее идет непригодный грунт - ил с содержанием растительных остатков. Песок средней крупности может служить надежным естественным основанием. Поэтому фундамент, прорезая непригодные слои будет заглубляться в пригодный слой (песок средней крупности) на 10 см.

0,3 м - высота почвенного слоя,

3,1 м - высота слоя глины,

3,0 м - высота слоя ила с содержанием растительных остатков,

0,1 м - величина заглубления в несущий слой.

3.1.3 Конструктивные особенности

Глубина заложения фундамента назначается с учетом его высоты, которая должна быть достаточной из условия прочности. При наличии подвала минимальная глубина заложения подошвы фундамента от уровня планировки определяется по 1, п. 4.1.3, формула 7:

где - глубина подвала ;

- высота плитной части фундамента ;

- толщина конструкции пола подвала .

, поэтому глубина заложения фундамента будет = 6,5 м.

Отсюда следует, что количество ФБС по 0,6 м будет равно 10 штук, т.к. , по 0,3 м - 1шт и 0,3 м - толщина 1 ФБС (подушки). Блоки выступать над землей не будут.

Чертим конструктивную схему фундаментов мелкого заложения.

Рис. 1. Конструктивная схема фундамента

;

;

Окончательная глубина заложения .

3.2 Предварительное определение размеров подошвы фундамента

Выбираем наиболее нагруженное сечение. Это сечение II - II с подвалом. На обрез фундамента в этом сечении действует вертикальная нагрузка .

3.2.1 Определение требуемой площади подошвы фундамента

Площадь фундамента первоначально определяется по приближенной формуле (с учетом действия только вертикальных сил на обрез фундамента) из 1, п. 4. 2. 1, формула 12:

где - расчетная нагрузка на фундамент в уровне его обреза (при расчете по деформациям) ;

- условное расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента (под подошвой фундамента находится песок средней крупности, для которого (см. табл. 1));

- глубина заложения фундамента = 6,5 м;

- средний удельный вес материала фундамента и грунта, расположенного на его обрезах (.

3.2.2 Проверка выполнения условий

Для ленточного фундамента: , т.е. принимаем ФЛ 32,12 - 3200х1180х500 мм (в соответствие с 1, прил.2, табл. 1). Для ленточного фундамента расчет ведется на 1 м длины. После подбора требуемых размеров подошвы (bЧl) производится подбор стандартных блоков. Выбираем ФБС с b = 600 мм и h = 600 мм, l = 1 м. Материалы фундаментов выбираются в соответствии с материалами основных конструкций сооружения. Материал фундаментов, марки растворов и бетона можно выбрать в зависимости от класса сооружения, грунтов основания и расчетной температуры зимнего воздуха.

В КП применяется ленточный сборный фундамент под стены. Такие фундаменты могут быть монолитными (бут, бутобетон, бетон) в виде жесткой конструкции ступенчатой формы, состоящими из железо-бетонных плит и стеновых бетонных блоков или панелей. Сборные - фундаментные железобетонные плиты изготавливают сплошными (табл. 1, прил. 2[1]) или ребристыми (при больших нагрузках). Для снижения материалоемкости фундамента и улучшения работы в контакте с грунтом применяют железобетонные плиты с вырезами в углах (когда ширина плит совпадает с расчетной шириной, полученной в пункте 4. 1), или устанавливают прерывистые ленточные фундаменты (на хороших грунтах), когда ширина типовой плиты больше расчетной.

Рис.2. Расчетная схема для определения нагрузок на основание

3.2.3 Проверка давлений по подошве фундамента

I приближение:

Определяем расчётное сопротивление грунта по формуле (7) [2]:

;

где _с1 и _с2 - коэффициенты, условий работы, принимаемые по табл. 3 [2]; ; определяем соотношение между длиной и высотой здания - , далее интерполируем: ;

- коэффициент, принимаемый равным: , если прочностные характеристики грунта ( и с) определены непосредственными испытаниями, и , если они приняты по таблицам 1 - 3 рекомендуемого приложения 1 [2]; ;

- коэффициенты, принимаемые по табл. 4 [2], для величин не указанных в таблице, вычисляются путем интерполирования;

k_z - коэффициент, принимаемый равным: при b 10 м - k_z = 1;

b - ширина подошвы фундамента = 3,2 м;

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

- то же, залегающих выше подошвы

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

d₁ - глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяется по формуле:

где - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м: ;

- толщина конструкции пола подвала, м;

- расчетное сопротивление удельного веса конструкции пола подвала, кН/м³;

d_b - расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной B 20 м и глубиной свыше 2 м принимается d_b=2 м, при ширине подвала B 20 м - d_b=0) d_b=2 м.

Произведем проверку, для этого необходимо определить и проверить выполнение следующих условий:

Р - среднее давление под подошвой фундамента от нагрузок для расчета оснований по деформациям;

Р_max - максимальное краевое давление под подошвой фундамента;

Р_min - минимальное краевое давление под подошвой фундамента;

R - расчетное сопротивление грунта основания, вычисляемое по формуле (7)[2] для выбранной ширины b_f и глубины d_f заложения фундамента.

Сначала уточняем величины нагрузок на основание (считаем что, вес фундаментной балки и опирающихся на неё стен был учтён при определении нагрузок на обрез фундамента, приведённых в здании). Тогда вес фундамента с подбетонкой:

где - объём фундамента;

- удельный вес материала фундамента (для железобетона ).

Вес грунта на обрезах фундамента:

- вес грунта слева,

- вес грунта справа,

где - объёмы грунта соответственно слева и справа фундамента;

- осреднённое расчётное, значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента.

Вычислим максимальное и минимальное краевое давление под подошвой фундамента:

где W - момент сопротивления площади подошвы фундамента относительно оси, перпендикулярной плоскости действия момента:

M - момент от активного давления грунта:

где с - расстояние от вертикальной оси до нагрузки, приложенной к подушке:

h_g - высота фиктивного слоя грунта:

a - расстояние от активного давления грунта до низа подошвы:

E_a - активное давление грунта:

- напряжение на поверхности грунта:

;

- напряжение на высоте h_s от подошвы:

;

Проверяем выполнение условий:

Условия должны удовлетворяться с требуемой экономичностью. Так при устройстве монолитного фундамента допускается недогрузка 5 - 10%.

;

Условия выполняются, но наиболее невыгодное из условий - первое, но 68,7% > 10%, следовательно, выбранный размер подошвы не подходит. Необходимо уменьшить размер подошвы и произвести вычисления с новой величиной (II приближение).

II приближение:

Пусть размеры стороны подошвы фундамента будут: ФЛ 24,12 - 2400х1180х500 мм (в соответствие с 1, прил.2, табл. 1).

Определяем расчётное сопротивление грунта по формуле (7) [2]:

;

; ; ; ; ;

; ;

Проверяем выполнение условий:

; > 10%

Все условия выполняются и наиболее невыгодное из условий - второе, выбранный размер подошвы подходит. Принимаем b=2400 мм, h=500 мм

4. Расчет оснований фундамента по предельным состояниям

Основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний: по первой - по несущей способности и по второй - по деформациям.

Расчет строительных конструкций и оснований в нашей стране ведут методом предельных состояний.

Если нормальная эксплуатация сооружения невозможна при исчерпывании грунтом прочности, то достигается предельное состояние основания по несущей способности (первое предельное состояние). Если деформации основания оказываются чрезмерными для надземных конструкций (при напряжениях меньше предела прочности грунта), то достигается предельное состояние основания по деформациям (второе предельное состояние).

Целью расчета оснований по предельным состояниям является уточнение предварительно принятых размеров фундамента такими пределами, при которых гарантируется прочность, устойчивость и трещиностойкость конструкций, включая общую устойчивость сооружения, а также нормальная эксплуатация подземных конструкций при любых возможных нагрузках и воздействиях.

Основания рассчитываются по деформациям во всех случаях и по не сущей способности (в случаях, указанных в п. 2.3[1]).

4.1 Расчёт основания по деформациям (II группа предельных состояний)

Расчеты оснований по деформациям производят исходя из теории линейно-деформируемой среды (теории упругости).

Целью расчета оснований по II группе предельных состояний (по деформациям) является ограничение абсолютных перемещений фундаментов и подземных конструкций такими пределами, при которых гарантировалась бы нормальная эксплуатация сооружения и не снижалась бы его долговечность.

Расчет абсолютной осадки фундамента S:

Расчет сводится к удовлетворению основного условия ,

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

S_U - предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемого [2, прил. 4].

Расчёт осадки основания производим методом послойного суммирования, в соответствии с приложением 2[1], т.к. м и в основании нет грунтов с МПа.

Сущность метода состоит в следующем: основание разбивается на элементарные слои; в пределах сжимаемой толщи определяется осадка каждого слоя от дополнительных вертикальных напряжений; затем осадки всех элементарных слоев суммируются.

Результаты расчёта представлены в таблице 2, где:

Порядок расчета:

1) Для построения эпюр у_zр и у _zg грунт на разрезе строительной площадки, расположенный ниже подошвы фундамента, разбивается на элементарные слои высотой h_i , так, чтобы выполнялось условие:

толщина элементарного слоя, принимается из условия , при

2) Определяют вертикальные напряжения от собственного веса грунта у_zgi на границе i - го слоя, залегающего на глубине z_i по формуле (на уровне подошвы фундамента), т.к. песок средней крупности: средней плотности, слабожимаемый и не является водоупором, то вес части слоя песка, расположенного ниже УГВ, будет рассчитываться с учётом взвешивающего действия воды: .

;

;

.

Результаты расчета заносим в графу 4 таблицы 2.

3) Находят дополнительные вертикальные напряжения от внешней нагрузки на глубине z_i под подошвой фундамента (по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента):

,

где

коэффициент определяемый по табл.1 прил. 2[1] в зависимости от : ; ……

;

;

.

Значения о, б, у_zpi заносим в таблицу 2 в графы 6, 7 и 8 соответственно.

4) Нижняя граница сжимаемой толщи основания условно находится на глубине Z = H_с, там, где у_zр = 0,2 у_zg, если модуль деформации этого слоя или непосредственно залегающего под этой границей больше или равен 5 МПа.

Z = 8,1052 м, что соответствует точке пересечения.

H_с можно определить графически как точку пересечения эпюр у_zр и 0,2 у_zg , построенных в масштабе.

5) среднее значение вертикального напряжения от внешней нагрузки в каждом i - том слое грунта: :

6) Полная осадка основания определяется как сумма осадок отдельных слоёв в пределах сжимаемой толщи по формуле:

где в - безразмерный коэффициент, учитывающий условность расчетной схемы, принимаемый равным 0,8.

Полученные значения записываются в графе 10 таблицы 2. Таблица 2 - смотрите приложение 2.

7) Предельно допустимая осадка для данного здания определяется по прил.4[1]:

см.

Таким образом, основное условие расчета основания фундамента по деформациям удовлетворено:

Рис. 3. Расчетная схема к определению осадки методом послойного суммирования

4.2 Расчёт оснований по несущей способности (I группа предельных состояний)

Целью расчета оснований по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

Расчет оснований по несущей способности производится лишь при определенных условиях нагружения, а также при неблагоприятных инженерно-геологических условиях площадки строительства п. 2.3[2].

В КР такой расчет выполняется в обязательном порядке (в учебных целях) для одного из фундаментов на естественном основании.

Целью расчета оснований по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

Расчет оснований по несущей способности должен производиться на основное сочетание нагрузок, а при наличии особых нагрузок и воздействий -- на основное и особое сочетание.

Несущая способность основания считается обеспеченной при выполнении одного из условий в зависимости от способа расчета:

а) при использовании аналитических методов расчета:

б) при расчете на сдвиг по подошве фундамента:

в) при расчете графоаналитическим методом круглоцилиндрических поверхностей:

где F - расчетная нагрузка на основание,

г_c - коэффициент условий работы, зависящий от вида грунта основания,

г_n - коэффициент надежности по назначению сооружения,

F_S,a - сдвигающие силы,

F_S,R - удерживающие силы,

k - коэффициент устойчивости, представляющий собой соотношение суммарного момента сдвигающих сил к суммарному моменту удерживающих сил для выбранной круглоцилиндрической поверхности скольжения.

Потеря устойчивости основания происходит в тех случаях, когда напряжения в грунтах превысят их сопротивления сдвигу. При этом считается, что нормальные и касательные напряжения у и ф по всей поверхности скольжения достигают значения соответствующего предельному равновесию, вычисленному по формуле Кулона -- Мора:

где и -- соответственно расчетные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта.

Возможны различные схемы потери устойчивости (разрушения) основания:

а) Плоский сдвиг по подошве фундамента или слабому прослойку.

б) Глубокий сдвиг с образованием поверхностей скольжения, охватывающих фундамент и примыкающий к нему массив грунта.

При выборе схемы потери устойчивости (а значит и метода расчета) следует учитывать характер нагрузок и их равнодействующей (вертикаль, наклон, эксцентриситет); форму фундамента (ленточный, прямоугольный и пр.); характер подошвы фундамента (горизонтальность, наклон); наличие связей фундамента с другими элементами здания или сооружения, ограничивающих возможность потери устойчивости; характеристику основания -- вид и свойства грунтов (их стабилизированное или нестабилизированное состояние), однородность геологического строения, наличие и наклон слоев и слабых прослоек, наличие откосов грунта вблизи фундамента и пр.

Основания ленточного фундамента следует проверять на устойчивость только в направлении короткой стороны (ширины) фундамента, а прямоугольного, квадратного и круглого -- в направлении действия момента либо наклона равнодействующей (направления ее горизонтальной составляющей).

1) Определяем состояние несущего слоя грунта согласно п. 2.61 [2].

В нестабилизированном состоянии находятся медленно уплотняющиеся пылевато-глинистые и биогенные грунты со степенью влажности S_R>0,85 и коэффициентом консолидации . Сила предельного сопротивления основания для данных грунтов должна определяться с учетом избыточного давления в паровой воде U, вычисленного методами фильтрационной консолидации грунтов.

Для водонасыщенных грунтов, имеющих показатель консистенции I_L<0,5, допускается не определять коэффициент консолидации и не учитывать возможность возникновения нестабилизированного состояния грунтов (т. е. считать их стабилизированными).

Остальные виды грунтов считаем в стабилизированном состоянии.

Так как несущий слой -песок средней крупности со степенью влажности S_R=0,84, следовательно, грунт находится в стабилизированном состоянии, когда напряжение у целиком воспринимается скелетом грунта.

2) Оцениваем нагрузки:

,

3) Определяем несущую способность основания, так как состояние грунта стабилизированное и , то проверяют возможность возникновения глубокого сдвига по формуле 11 [2].

,

где коэффициент условий работы для песков пылеватых, а также пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии равен 0,9;

коэффициент надёжности по назначению сооружения, принимаемый для зданий и сооружений II класса -.

, кПа;

- вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания, определяется по формуле 16 [2], кПа,

,

где и - соответственно приведённые ширина и длинна фундамента, м, вычисляемые по формулам:

;

, т.к.

безразмерные коэффициенты несущей способности, определяемые по таблице 7 [2] в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта ц_I и угла наклона к вертикали д равнодействующей внешней нагрузки на основание F в уровне подошвы фундамента - ;

коэффициенты формы фундамента ;

; ;

и - расчетные значения удельного веса грунтов, кН/м³, находящихся в пределах возможной призмы выпирания соответственно ниже и выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяются с учетом взвешивающего действия воды);

с₁ - расчетное значение удельного сцепления грунта, кПа;

; ; .

Далее проверяем выполнение условия формула 11[2]:

Проверим выполняется ли условие:

; ,

Условие выполняется несущая способность основания обеспечена.

4.3 Проверка слабого подстилающего слоя

Поверка необходима, когда в основании фундамента на некоторой глубине залегает слой более слабого грунта, физико-механические характеристики которого и величина R значительно меньше, чем у грунта несущего слоя, для которого определены размеры подошвы фундамента. В этом случае приближенным расчетом в соответствии с [3, п. 2.48, формула (9)] выясняют возможность развития зон пластических деформаций в пределах слоя слабого грунта, т. е. соблюдение принципа линейной деформированности основания по условию:.

В данном КП такая проверка не требуется, т.к. фундамент заглублен в суглинок и ниже него других грунтов нет.

5. Свайный фундамент

В России известно более 150 видов свай, которые классифицируются по материалу конструкции, виду армирования, способу изготовления и погружения, по характеру работы в грунте.

В настоящее время в строительстве наибольшее применение нашли следующие виды свай:

· Сваи забивные ж/б, погружаемые в грунт в готовом виде с помощью молотов, вибропогружателей и вибровдавливающих агрегатов;

· Сваи оболочки ж/б;

· Сваи буронабивные, устраиваемые заполнением пробуренных скважин бетонной смесью или ж/б элементами.

· Сваи набивные, устраиваемые в скважинах, образованных уплотнением грунта;

Рациональная область применения различных видов свай определяется в первую очередь инженерно-геологическими условиями строительной площадки и характером нагрузок передаваемых от сооружения на фундамент.

Свайные фундаменты рационально применять при большой толщине слабых грунтов, залегающих сверху (текучепластичных и текучих глинистых грунтов, заторфованных, насыпных), а также при высоком горизонте грунтовых вод и при глубоком промерзании грунтов, для понижения трудоемкости, увеличения степени механизации работ нулевого цикла и экономической их целесообразности.

В нашем случае свайный фундамент принимаем в виде кустов свай, объединенных общим железобетонным ростверком квадратной формы в плане. Количество свай в кусте определяет величиной и видом нагрузки и несущей способностью свай. Принимаем жесткое сопряжение свайного ростверка со сваями.

Свайные фундаменты рационально применять при большой толщине слабых грунтов, залегающих сверху (текучепластичных и текучих глинистых грунтов, заторфованных, насыпных), а также при высоком горизонте грунтовых вод и при глубоком промерзании грунтов, для понижения трудоемкости, увеличения степени механизации работ нулевого цикла и экономической их целесообразности.

5.1 Глубина заложения ростверка

Ростверк пытаются заложить как можно выше, так как это обеспечивает более экономичное решение.

При установлении глубины заложения подошвы ростверка руководствуются теми же соображениями, что и при определении глубины заложения подошвы фундаментов, возводимых на естественном основании (п 3. 1).

Расчетная глубина промерзания грунтов, определенная в п 3. 1. 1 -

При наличии подвала ростверк, как правило, следует располагать ниже пола подвала и глубину заложения его подошвы определять по формуле:

где d_n - глубина подвала (расстояние от уровня планировки до пола подвала);

h_p - высота ростверка;

h_cf - толщина конструкции пола подвала;

Высота ростверка под стены здания определяется из конструктивных соображений:

Принимаем ростверк высотой (глубина заделки сваи в ростверк ), тогда глубина заложения ростверка будет равна

Рис. 4. Схема определения глубины заложения ростверка и свай

5.2 Выбор вида и размеров свай

Согласно СНиП 2.02.03 - 85 (п. 2.2.) сваи по характеру работы в грунте разделяют на сваи-стойки и сваи трения (висячие). К сваям-стойкам относят сваи всех видов, опирающиеся на скальные грунты, а, кроме того, забивные сваи на малосжимаемые грунты. К малосжимаемым грунтам относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем средней плотности и плотным, а также твердые глины с модулем деформации Е > 50 МПа.

Сваи, передающие нагрузку острием и боковой поверхностью на сжимаемые грунты, называются сваями трения (висячими).

Длина сваи определяется глубиной залегания слоя хорошего грунта, в который заглубляется свая, отметкой заложения подошвы ростверка и величиной заделки сваи в ростверк. При назначении длины сваи слабые грунты (насыпные, торф, грунты в текучем и рыхлом состоянии) необходимо прорезать и острие сваи заглублять в плотные грунты. При очень мощной толще слабых грунтов нижние концы свай оставляют в них.

Обычно заглубление сваи в крупнообломочные гравелистые, крупные и средней крупности песчаные грунты, а также глинистые грунты с показателем консистенции I_L ? 0,1 должно быть не менее 0,5 м, а прочие нескальные грунты - не менее 1 м.

Выбираем висячую забивную сваю с заглублением в суглинок (I_L = 0,46) на 1 м:

Определив тип и требуемую длину сваи, выбираем по сортаменту рациональное сечение и марку сваи табл. 1[1(2)]. Выбираем сваю С 6 - 30 длинной 6 м, с размером поперечного сечения b=30х30 см и длинной острия 0,25м.

5.3 Определение расчетной нагрузки, допускаемой на сваю

Допускаемая нагрузка на сваю определяется из условий работы сваи по грунту и по материалу. В расчетах используется меньшее значение расчетной нагрузки, допускаемой на сваю, полученное по двум указанным условиям.

5.3.1 Определение расчетной нагрузки, допускаемой на сваю, по грунту

Расчётная нагрузка F_d, кН, допускаемая на висячую забивную сваю, определяется по формуле

,

где г_c - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимается г_c =1;

R - расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи, определяемое по табл. 1 [3] с помощью двойного интерполирования, в зависимости от вида грунта, его состояния и глубины заложения несущего слоя, кПа.

кПа;

A - площадь опирания сваи на грунт, м² (А = 0,3М0,3 = 0,09 м²);

U - наружный периметр поперечного сечения сваи, м (U = 0,3М4 = 1,2 м);

f_i - расчётное сопротивление i - го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, определяемое по табл. 2 [3] в зависимости от глубины расположения, вида и состояния грунта i - го слоя;

Разделим слой песка средней крупности, который проходит свая, на слои толщиной < 2м и обозначим их. Получаем следующие слои: 1-ый слой ил h₁ = 1,3 м, 2-ой слой ил толщиной h₂ = 1,3 м, 3-ий слой - песок средней крупности: h₃ = 1,9 м, h₄ = 1,25 тогда:

h_i - толщина i - го слоя грунта, м;

- коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения свай на расчётные сопротивления грунта, определяемые по табл. 3 [3] в зависимости от вида и состояния грунта,

5.3.2 Определение расчетной нагрузки, допускаемой на сваю, по сопротивлению материала (сваи)

Расчетная нагрузка Р_с, допускаемая на сваю, по сопротивлению материала для железобетонной сваи определяется в соответствии со СНиП [4]. В КР применены сваи из бетона марки В 15 со стержневой арматурой (4 стержня АI диаметром 12 мм). Расчетная нагрузка Р_с (кПа), допускаемая на сваю (железобетонную, центрально-сжатую, прямоугольного и квадратного сечения с симметричным армированием), по сопротивлению материала определяется по формуле:

где г _с - коэффициент условий работы сваи (г_с = 1 при d > 200 мм);

ц - коэффициент продольного изгиба (для низкого ростверка принимается ц = 1);

г_b - коэффициент условий работы бетона (для забивных свай г_сd = 1);

R_b - расчетное сопротивление бетона сжатию, определяемое по [4], (R_b = 8,5 МПа);

А - площадь поперечного сечения сваи, м² (А = 0,3М0,3 = 0,09 м²);

R_s - расчетное сопротивление арматуры сжатию, определяемое по [4], (R_s = 225 МПа) ;

A_s - площадь поперечного сечения рабочей арматуры, м² ()

;

Несущая способность висячей сваи по грунту меньше, чем по материалу (521,6 кПа < 870,7 кПа), следовательно, в дальнейших расчетах используется наименьшее из этих значений, т. е. N = 521,6 кПа.

5.4 Определение количества свай в фундаменте и их размещение

Необходимое количество свай в фундаменте рассчитывают приближенным способом, предполагая равномерное размещение и передачу нагрузки на все сваи в ростверке, из выражения:

где - расчетная нагрузка, действующая по обрезу фундамента, кН() ;

- расчетная нагрузка, допускаемая на сваю;

а - шаг сваи, принимаемый ориентировочно а = 3b (b - большая сторона или диаметр сваи) а = 3b = 3М0,3 = 0,9м;

;

d_p - глубина заложения подошвы ростверка, м (d_p = 4,1 м);

Продольное расстояние между сваями должно быть не более 1/3,3=0,33 м и кратно 5 см, принимаем 0,3 м.

п_факт =1/0,3=3,3 свай/м

Принимаем 3 сваи на метр. Сваи в центрально нагруженном свайном фундаменте располагают рядами или в шахматном порядке. Расположим сваи в шахматном порядке таким образом, чтобы .



Рис. 5. Размещение свай в плане n=3,3

5.5 Определение размеров ростверка

Определение ширины ростверка

Ширина ростверка зависит от схемы размещения свай и возможного отклонения свай при забивке. Расстояние от края ростверка до внешней стороны сваи при однородном их размещении

с = 0,3b + 5см

где b - ширина сваи, равная 30 см.

с = 0,3b + 5 = 0,3М30 + 5 = 14 см 15 см (т.к. должно быть кратно 5).

Ширина ростверка b_р равна:

b_р =h +2с + b = 0,85 +2М0,15 + 0,3 = 1,45 м.

Принимаем ширину ростверка кратной 300 мм, т.е. b_р=1,5 м.

5.6 Проверка свай по несущей способности

После размещения сваи и получения размеров ростверка определяют фактическую расчетную нагрузку на сваю N, рассматривая фундамент как рамную конструкцию, воспринимающую вертикальные и горизонтальные нагрузки и изгибающие моменты.

Для фундаментов промышленных и гражданских сооружений с вертикальными сваями расчетную нагрузку на сваю в плоскости подошвы ростверка допускается определять по формуле:

,

где - нагрузка, приходящаяся на одну сваю в плоскости подошвы ростверка,

.

M_x, M_y - расчетные изгибающие моменты, кНм, относительно главных центральных осей х и у плана свай в плоскости подошвы ростверка;

n - число свай в фундаменте;

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

В КР , поэтому формула имеет вид:

Определим :

;

;

;

;

;

.

При этом должно выполняться условие:, где г_k - коэффициент надёжности, определяемый [4,п.3.10]), г_k =1,4. Условие выполняется, так как 358,8 кН < 372,57 кН, .

Принимаем такое расположение свай.

Вычисляем момент действующий в плоскости подошвы ростверка:

,

где

;

;

;

;

;

x_i и y_i - расстояние от главных осей до оси каждой сваи, ;

x и y - расстояния от главных осей до оси рассматриваемой сваи;

.

Сваи по несущей способности необходимо проверять из условия:

,

, .

, то есть все условия выполняются.

5.7 Расчет свайного фундамента по деформациям

Расчет фундамента из висячих забивных свай и его основания по деформациям (по второй группе предельных состояний) следует производить как для условного фундамента на естественном основании в соответствии с требованиями СНиП [3]. Расчет сводится к определению размеров условного фундамента, проверке напряжений, возникающих по его подошве и вычислению осадки.