Проектирование фундаментной конструкции
Содержание
1. Исходные данные по
надфундаментной конструкции
. Инженерно-геологические
условия площадки строительства
. Определение глубины
заложения фундамента
. Выбор типов оснований и
фундаментов
. Защита помещений от
грунтовых вод и сырости
. Расчет оснований по
предельным состояниям
Список литературы
1. Исходные данные по
надфундаментной конструкции
Запроектированное здание "Многоярусная
автостоянка открытого типа". Несущий остов здания - каркас. Он состоит из
вертикальных опор - колонн, фундаментов и горизонтальных элементов, образующих
перекрытия и покрытие (ригелей, плит), обеспечивающих жесткость здания в целом
и способствующих единству работы несущего остова в условиях всех действующих на
здание нагрузок (Табл. 1,а.)
Здание смешанной этажности. В плане
имеет прямоугольную форму с размерами в осях 58,2 х 37,2 м. Для здания с полным
железобетонным каркасом принимаем относительную разность осадок = 0,002 м, а
максимальная осадка = 8 см.
Таблица 1,а. Усилие на
верхних обрезах фундаментов (основные сочетания нагрузок)
№
фунд
|
I сочетание
|
II сочетание
|
|
кН
|
кН
м
кН
кН
кН м
кН
|
|
|
|
|
1
|
920
|
240
|
30
|
1090
|
320
|
51
|
2
|
1040
|
270
|
18
|
1270
|
120
|
26
|
3
|
600
|
100
|
12
|
780
|
80
|
12
|
4
|
140
|
30
|
13
|
180
|
28
|
23
|
5
|
1260
|
70
|
20
|
210
|
52
|
65
|
Из двух сочетаний в выбираем комбинацию с
максимальной силой т.е. 1 - е сочетание.
Расчетные усилия получаем умножая соответствующие величины на усредненный
коэффициент перегрузки, равный 1,2.(Табл. 1,б.)
Таблица 1,б.
№
фун.
|
Нормативные
нагрузки
|
Коэффициент
запаса
|
Расчетные
нагрузки
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
920
|
240
|
30
|
1,2
|
1104
|
288
|
36
|
2
|
1040
|
270
|
18
|
1,2
|
1248
|
324
|
21,6
|
. Инженерно-геологические условия
площадки строительства
Территория строительства находится в г.
Ессентуки.
Рельеф площадки спокойный.
Слои залегают согласно.
-й слой насыпной грунт. Толщина слоя 1,3- 1,7 м.
-й слой - глина лёгкая полутвёрдая. Толщина слоя
2,3-3,4 м.
-й слой - мергель полускальный.
Уровень грунтовых вод находится на глубине м от
поверхности.
По данным инженерно-геологических изысканий
определяем (2):
. Плотность
сухого (скелета) грунта определяется по
формуле (2.6) [2]:
где ρ - плотность
грунта,
ρd
- плотность в сухом состоянии, т/м3;
W - естественная
влажность грунта, %.
. Пористость
грунта
определяется по формуле (2.10) [2]:
где плотность
твердых частиц, .
. Коэффициент
пористости определяется по
формуле (2.11) [2]:
где e
- коэффициент пористости;
ρs
- плотность твердых частиц,
ρ - плотность грунта,
ρd
- плотность в сухом состоянии, т/м3;
. Удельный вес с учетом взвешивающего действия
воды
определяется по формуле (2.12) [2]:
где γsb
-
удельный вес с учетом взвешивающего действия воды, кН/м3;
. Степень
влажности определяется по
формуле (2.14) [2]:
где Sr
-
степень влажности;
ρw
- плотность воды, т/м3;
влажность, %.
. Число
пластичности определяется по
формуле (2.16) [2]:
где WL
- влажность грунта на пределе текучести, %;
Wр
- влажность грунта на пределе раскатывания, %.
. Показатель
текучести
определяется по формуле (2.15) [2]:
где IL
- показатель текучести;о - условное расчетное сопротивление грунта
(для предварительного назначения размеров фундамента), кПа; ((8) СНиП 2.02.01-83*
приложение 3. таб.2, 3.). Образец
№ 1, скважина № 1, глубина отбора образца 2,5 м
Окончательно получаем грунт - глина
лёгкая полутвердая с = 340 кПа.
Образец № 2, скважина № 1, глубина
отбора образца 5,5 м
Окончательно получаем грунт -
мергель полускальный с = 100 кПа.
№
геолог. эл.
|
№
образца
|
№
скважины
|
Глубина
от поверхности
|
Наименование
грунтов
|
Физические
|
Механические
|
|
|
|
|
|
Основные
|
Доп-ные
|
Производные
|
Индексационные
|
Де-фор-мац.
|
Прочност.
|
R0 кПа
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т/м3
кН/м3WWLWP
т/м3e
кН/м3IPILSrЕ
КПа
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
1
|
1
|
2,5
|
Глина
лёгкая
полутвёрдая
|
2,75
|
19,6
|
0,25
|
0,47
|
0,23
|
1,57
|
0,74
|
-
|
0,24
|
0,27
|
0,91
|
18400
|
17
|
21
|
340
|
2
|
2
|
1
|
5,5
|
Мергель
полускальный
|
2,72
|
22,0
|
0,046
|
|
|
2,10
|
0,23
|
-
|
|
0,2
|
0,43
|
30000
|
18
|
27
|
100
|
3. Определение глубины заложение
фундамента
1. По назначению и конструктивным особенностям
проектируемого сооружения принимаем железобетонные колонны. Верхний обрез
фундамента под колонну принимаем на 150 мм ниже отметки чистого пола. Глубину
заделки сборной колонны в стакане фундамента Нз принимаем равной:
Для колонн сплошного сечения
Нз = 1,5 · hк
= 1,5 · 400 = 600 мм.
По конструктивным условиям высота ростверка
равна (ho
+ 0,25)м, но не менее 30 см, где ho
- высота заделки в него сваи, которую принимаем не менее 5 см.
Высота столбчатого фундамента с учетом заделки
сборной колонны сечением 400х400 мм в стакан фундамента принимаем 850 мм.
Высоту ростверка принимаем hр
= 500 мм.
Глубина заложения подошвы фундамента
№2
Глубина заложения подошвы столбчатого фундамента
- 1,0 м (624,57). При свайном варианте фундамента глубина заложения подошвы
ростверка будет - 0,5 м (625,07).
Глубина заложения подошвы фундамента
№1
1. Глубина заложения подошвы столбчатого
фундамента - 4 м (621.75). При свайном варианте фундамента глубина заложения
подошвы ростверка будет - 3,4 м (622,35).
. Строительная площадка свободна от застройки и
поэтому на глубину заложения фундаментов ограничений нет.
. Несущим слоем является глина для всех
фундаментов. Глубина заложения фундамента № 2 - 1,0 м. Для фундаментов № 1 с
учетом конструктивных особенностей принимаем несущий слой - тоже глина толщина
несущего слоя составляет 0,8 м что может быть не достаточно, но предварительно
принимаем глубину заложения подошвы фундаментов 4,0 м. Принимаем минимальное
заглубление в несущий слой 10 см. Если будем рассматривать свайный фундамент то
подошва ростверка будет находится на глубине 3,4 м.
. Существующий рельеф территории спокойный и не
накладывает ограничений на глубину заделки фундамента.
. Глубина сезонного промерзания грунтов не
влияет на глубину заложения фундамента т. к. для данной территории глубина
сезонного промерзания составляет 0,8 м и поэтому ограничений нет.
4. Выбор типов оснований и
фундаментов
Исходя из данных по инженерно-геологическим и
гидрогеологическим условиям площадки строительства и надфундаментной
конструкций, принимаем абсолютную отметку чистого пола - 625,77 (0,000).
Расчет фундамента мелкого заложения
Фундамент № 2
Расчетные усилия
FV,II = 1512 кН; MII = 84
кН м; Fh,II
= 24 кН
Вычисляем площадь подошвы А:
А= FV,II / R0
А = 1512/340 = 4,5 м2
Форму фундамента выбираем квадратную. Вычисляем
размеры фундамента.
= b b = 2,1 м.
Определяем расчетное сопротивление
грунта основания по формуле:
п
где
,-коэффициенты
условий работы;
|
|
-коэффициент
надежности;
|
|
,,-коэффициенты,
зависящие от расчетного угла внутреннего трения несущего слоя грунта;
|
|
-ширина
подошвы фундамента;
|
|
-осредненный
удельный вес грунтов залегающих ниже подошвы фундамента, кН/м3;
|
|
-то
же залегающих выше подошвы кН/м3;
|
|
d1
-
|
приведенная
глубина заложения подошвы фундамента, м;
|
сII
-
|
расчетное
удельное сцепление несущего слоя грунта, кПа.
|
По СНиП 2.02.01-83* табл. 3, 4 находим значения:
= 1,2; = 1,0; k = 1,1; kz = 1; b = 2,1 м; γII = 19,6 кН/м3; γIII = 21,6 кН/м3;
Mγ = 0,39; Mq = 2,57; Mc = 5,15; d1 = 1,0 м; сII =21 кПа.
R =
(1,2·1,0)/1,1[0,39·1·2,1·19,6 + 2,57·1,0·21,6 + 5,15·21] = 195 кПа Вычисляем
площадь подошвы А во втором приближении:
Вычисляем площадь подошвы А во
втором приближении
А = / R
А = 1512/200 = 7,56 м2
Принимаем размер фундамента:
b = 3 м А = 9
м2
Вычисляем среднее давление под
подошвой фундамента по формуле:
= (FV,II + GФ,II + GГР,II) /А
P = [1512 + (20·1,0
· 9)]/ 9 = 188 кПа < R
Определяем максимальное и минимальное давление
по формуле (10.8):
max
min
=
(FV,II + GФ,II
+ GГР,II)
/А + (MII + Fh,II
· d)/ Wx
= 4,5 м3
Находим давление под ее угловыми
точками:
Pmax = 188 + (84
+ 24 · 1,0) /4,5 = 212 кПа < 1,2 R= 408 кПа
Pmin = 188 - 24
= 164 кПа > 0
Условие выполняется.
Фундамент № 1
Расчетные
усилия
FV,II = 1104 кН; MII
= 288 кН м; Fh,II = 36 кН
Вычисляем площадь подошвы А:
А= FV,II / R0
А = 1104/340 = 3,2 м2
Форму фундамента выбираем
квадратную. Вычисляем размеры фундамента.
√ А= b b = 1,8 м.
Определяем расчетное сопротивление
грунта основания по формуле (7):
γc1
= 1,2; γc2
= 1,0; k = 1,1; kz
= 1; b = 1,8 м; γII
= 19,6 кН/м3; γIII
= 21,18 кН/м3;
Mγ
= 0,39; Mq
= 2,57; Mc
=
5,15; d1
= 4 м; dВ
= 3,0 м; сII
=21 кПа.
Вычисляем площадь подошвы А во
втором приближении
А =FV,II / R
А = 1104/480 = 2,3 м2
Принимаем размер фундамента:
b = 2,0 м; А
= 4,0 м2
Вычисляем среднее давление под
подошвой фундамента:
= (FV,II + GФ,II + GГР,II) /А
= [1104 + (20·4·4)] /4 = 356 кПа
< R
Определяем максимальное и
минимальное давление:
max min = (FV,II
+ GФ,II + GГР,II) /А +
(MII + Fh,II · d)/ Wx
Wx = 1,33 м3
Находим давление под ее угловыми точками:
Pmax
= 356 + (288 + 36 · 4)/1,33 = =660 кПа > 1,2 R
= 816 кПа
Pmin
= 356 - 332 = 24 кПа > 0
Условие выполняется.
Схема действия сил и эпюра контактных давлений
Расчет свайного фундамента
Схема для определения несущей способности
одиночной сваи по грунту для фундаментов
Фундамент № 2
Расчетные усилия:
FV,II = 1512 кН; MII
= 84 кН м; Fh,II = 24 кН; z = 10 м; в = 0,4 х
0,4м Вычисляем несущую способность висячей сваи (кН) по формуле (4.8) [10]:
где: γc - коэффициент
условий работы сваи в грунте; γсR,-
коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой
поверхности сваи; R - расчетное
сопротивление под нижним концом сваи, кПа; А- площадь
поперечного сечения сваи, м2; u -периметр
поперечного сечения сваи, м; -расчетное сопротивление i - го слоя
грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа; -толщина i - го слоя
грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.
γс
=1; γсR
= 1,0; γcf
= 1,0; R = 5000 кПа; А =
0,09м2; u = 0,9 м; f1
= 35,0 кПа; f2
= 58 кПа; h1
= 3,5 м; h2 =
5 м;
Fd
= 1[1·5000·0,09+0,9·1(35,0·3,5 + 58·5 )] =1250 кН
Расчет по несущей способности грунтов основания
заключается в выполнении условия по формуле (11.13) [2]:
1
< Fd
/
γk
γk
= 1,4 N1
= 1250/1,4 = 893 кН
Определяем количество свай по формуле (11.16)
[2]:
= γk
· FV,II /Fd
n = 1,4·1512/1250 =
1,7 ≈ 2 шт.
Расстояние между осями свай принимаем а = 3d
= 1,2 м.
где d
- сторона сваи, м.
Вычисляем вертикальное усилие на уровне подошвы
ростверка:
d
= FV,II + GФ,II
+ GГР,II
d
= 1512 + (20·2·0,6) = 1536 кН
На каждую сваю Nd
/4 = 384 кН < 1250 кН
Вычисляем расчетную нагрузку максимально и
минимально нагруженные сваи по формуле (11.21) [2]:
= 384 + 84·1,2/0,62·2 =
384 + 100,8/1,44 = 454 кН < N1 - условие
выполняется.
Технические показатели
Таблица 3.
Показатель
|
Мелкого
заложения
|
Глубокого
заложения
|
|
№
1
|
№
2
|
№
1
|
№
2
|
Общий
объем бетона, м3
|
2,0
|
8,0
|
0,8
|
2,9
|
Масса
арматуры, кг
|
70
|
280
|
32
|
116
|
Объем
земляных работ, м3
|
9,0
|
3,0
|
1,8
|
3,2
|
Окончательно принимаем фундамент № 1 мелкого
заложения, а №2 свайный.
5. Защита помещений от грунтовых вод
и сырости
Исходя из гидрогеологических условий
строительной площадки и особенностей конструкций проектируем защиту от
проникновения атмосферных осадков в грунт путем отвода дождевых и талых вод по
нагорной канаве и отмостке.
Уровень грунтовых вод находится на глубине 8,5 м
от поверхности и не оказывает негативного воздействия на состояние строительных
конструкций и условия эксплуатации.
Отвод дождевых и талых вод с площадки
строительства производится для защиты грунтов от переувлажнения при
эксплуатации здания. Для организации отвода осуществляем вертикальную
планировку территории застройки, заключающейся в придании местности
определенных уклонов. Для эвакуации собравшейся воды предусматривается
устройство на местности системы водоотливных канав, а на застраиваемой местности,
где применение открытой системы водоотлива затруднительно, устраиваем закрытые
лотки и ливневую канализацию. С этой же целью вдоль наружных стен здания
устраиваем отмостку с уклоном в сторону от сооружения.
6. Расчет оснований по предельным
состояниям
Согласно СНиП 2.02.01-05 основания должны
рассчитываться по двум группам предельных состояний: первой - по несущей
способности и второй - по деформациям.
Расчет осадок методом послойного
суммирования (вторая группа предельных состояний)
Метод послойного суммирования является доступным
и точным расчетом.
Рис. 2. Схема распределения вертикальных
напряжений в линейно-деформируемом полупространстве
- отметка планировки; NL
- отметка поверхности природного рельефа; FL
- отметка подошвы фундамента; WL
- уровень подземных вод; ВС - нижняя граница сжимаемой толщи; d
и dn глубина заложения
фундамента соответственно от уровня планировки и поверхности природного
рельефа; b - ширина
фундамента; р - среднее давление под подошвой фундамента; р0 -
дополнительное давление на основание; szg
и szg,0
- дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z
от подошвы фундамента и на уровне подошвы; szp
и szр,0
- дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z
от подошвы фундамента и на уровне подошвы; Нс - глубина сжимаемой
толщи
Фундамент мелкого заложения Ф2
1. Вычислим вертикальные нормальные
напряжения от собственного веса грунта по формуле (6) [8]:
На контакте I-II:
На контакте II-III:
На контакте III-IV:
С учетом взвешивающего действия воды
V:
Без учета взвешивающего действия
воды V:
VI слой:
. Строим эпюру слева от оси
z и эпюру 0,2справа.
. Определяют величину
дополнительного (осадочного) давления на грунт под подошвой фундамента ((8)
СНиП 2.02.01-83* приложение 2.):
4. Разбиваем толщу основания на
элементарные слои толщиной , исходя из условия .
Граница элементарных слоев совпадает
с границами естественных напластований. Определяем координату подошвы
элементарных слоев, причем z = 0 соответствует подошве
фундамента, и данные заносим в таблицу.
. Вычисляем дополнительные
вертикальные нормальные напряжения на границах слоев грунта по формуле (2) [8]:
,
где - коэффициент, учитывающий
уменьшение по глубине дополнительного давления. ((8) СНиП 2.02.01-83*
приложение 2. таб. 1.)
Строим эпюру . Точка
пересечения эпюр и соответствует
нижней границе сжимаемой толщи.
6. Определяем величину средних дополнительных
давлений в каждом из элементарных слоев по формуле (5) [8]:
. Определяют величины осадок каждого
элементарного слоя по формуле (1) [8]:
,
где - коэффициент, учитывающий
отсутствие поперечного расширения при деформировании грунтов в условиях
компрессии. Назначается в зависимости от коэффициента Пуассона .
Таблица 4. Среднее
значение коэффициента Пуассона и коэффициента
Грунт
|
()
|
|
Песок
и супесь Суглинок Глина
|
0,30
0,35 0,42
|
0,74
0,62 0,40
|
. Суммарная осадка всех элементарных слоев
составляет расчетную величину осадки основания S
((8) СНиП 2.02.01-83* приложение 2.):
где b - безразмерный коэффициент, равный 0,8;
szp,i - среднее
значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-м слое
грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней zi-1 и нижней zi границах
слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента;
hi и Еi -
соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя
грунта;
n - число
слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.
DL - отметка планировки;- отметка
поверхности природного рельефа;- отметка подошвы фундамента;- уровень подземных
вод;
ВС - нижняя граница сжимаемой толщи.
Расчет осадки свайного фундамента №
4
Расчет осадки производим методом
послойного суммирования.
Расчет осадок свайных фундаментов
производится по методу условного массивного фундамента
. Вычисляем границы условного
фундамента по формуле (11.23) [2]:
автостоянка фундамент
грунтовой несущий
Вычисляем осредненное расчетное
значение угла внутреннего трения грунта по формуле (11.24) [2]:
φII,mt
=
26,56·1,3+26,46·2,8+26,16·2,5 + 26,06·1,2 + 1,3·19,04+ 26,85·0,9 /10 = 254,2/10
= 25,4
с = 15tg(25,4/4)
= 1,7 м
. Определяем размеры подошвы условного
фундамента по формуле (11.25) [2]:
в = l
= а(m - 1)+ d
+ 2с
где а - расстояние между осями свай, м; m
- количество рядов свай; d
- сторона квадратного сечения сваи, м.
в = 1,6(2 - 1)+ 0,4 + 2 · 1,7 = 5,4 м; l
= 5,4 А = 29,16 м2
. Вычисляем среднее давление по подошве
условного фундамента по формуле (11.27) [2]:
Вычисляем
расчетную нагрузку по второй группе предельных состояний по формуле
(11.28) [2]:
= 3357 + 128+7412,4 = 10897,4 кН
= 10897,4/29,16 = 373,7 кН
. Расчетное сопротивление грунта:
= 1,4; = 1,4; = 1,1; = 1; = 5,4 м; = 26,85 кН/м3;
= 25,4 кН/м3; = 0,51; = 3,06; = 5,66; d1 = 10 м; сII = 61
R = 2131 кПа
= 373,3 < R = 2131
. Определяем давление на грунт
= = 25,4·10 = 254 кН
6. Определяем осадочное давление
(Табл. 5)
= 373,7 - 254 =119,7 кН
Таблица 5.
№
|
Z
|
2z/b
|
α
|
σ
zp
|
№
слоя
|
σ
ср
|
h
i
|
β
i
|
E
i
|
S
i
|
0
|
0
|
0,00
|
1
|
119,70
|
1
|
118
|
1
|
0,4
|
28000
|
0,00169
|
1
|
1
|
0,37
|
0,977
|
116,95
|
2
|
108
|
1
|
0,4
|
28000
|
0,001547
|
2
|
2
|
0,74
|
0,832
|
99,59
|
3
|
88
|
1
|
0,4
|
28000
|
0,001262
|
3
|
3
|
1,11
|
0,644
|
77,09
|
4
|
67
|
1
|
0,4
|
28000
|
0,000961
|
4
|
4
|
1,48
|
0,48
|
57,46
|
5
|
50
|
0,5
|
0,4
|
28000
|
0,000358
|
5
|
5
|
1,85
|
0,358
|
42,85
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S = 0,005818 м = 0,5
см
|
Для здания ремонтного цеха с полным
железобетонным каркасом осадка составляет 0,5 см, что не превышает максимальной
осадки = 15 см.
Список литературы
1. Основания и фундаменты. Часть 2.
Основы геотехники: Учебник/ Под ред. Б.К. Долматова - М.: Изд - во АВС;
СПбГАСУ, 2002.
. Механика грунтов, основания и
фундаменты: Учеб. пособие для строит. спец. вузов/ Под ред. С.Б. Ухова - М.:
Высшая школа, 2002.
. Малышев М.В., Болдырев Г.Г.
Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах): Уч. пособие -
м.: Изд - во АВС, 2001.
. Берлинов М.В., Ягупов Б..А. Расчет
оснований и фундаментов: Учебн. для строит. спец. учебн. заведений - М.:
Стройиздат, 2004.
. Механика грунтов, основания и
фундаменты: Методические указания к выполнению курсового проекта и раздела
дипломного проекта/ А.З. Попов, С.В. Сергеев - Белгород: БТИСМ, 1988.
. Инженерная геология: Учеб. для
строит. спец. вузов/ В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. - М.: Высшая школа, 2002.
. Проектирование оснований и
фундаментов зданий и сооружений: Методические указания к выполнению курсового
проекта по основаниям и фундаментам для студентов специальности 290300 (270102)
"Промышленное и гражданское строительство" /А.С. Марутян - Пятигорск
ПГТУ, 2005. - 92с.
. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий
и сооружений/Минстрой России - М.: ГП
ЦПП, 1995 - 48 с.
. ГОСТ 25100 - 95. Грунты. Классификация.
М., 1996.
. СНиП 2.02.03 - 85. Свайные
фундаменты. М., 1986.
. СП 50-101-2004 Проектирование и
устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений.