Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

ГОУ ВПО УГТУ - УПИ

Кафедра Основания и фундаменты

Пояснительная записка к курсовому проекту

Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышленных зданий

Екатеринбург

1. Исходные данные

Рассчитываем и проектируем основание и фундаменты одноэтажного двухпролетного промышленного здания. Габаритные параметры и характеристика условий строительства приводятся в таблице 1.

Таблица 1

L1, м	L2, м	H1, м	H2, м	Hпр, м	Q1, т	Q2, т	tвн, С	Район строительства	Mt	S0, кПа
24	24	12,0	16,8	-4,8	16	16	15	г. Курган	68,8	1,0

Габаритные схемы поперечного разреза и плана здания показаны на рис. 1.

Железобетонные колонны основного каркаса имеют шарнирное сопряжение со стальными фермами, шаг колонн каркаса 12 м. Шаг стальных стоек торцевого фахверка 6 м.

Инженерно-геологические условия площадки строительства установлены бурением 4 скважин на глубину 20 м (таблица 2). Подземные воды во всех скважинах распложены на глубине 0,75 м. от отметки природного рельефа NL. Исходные показатели физико-механических свойств грунтов приведены в таблице 3.

Таблица 2. Инженерно-геологические условия площадки

N слоя	Тип грунта		Толщина слоя, м
			скв.1 72,3	скв.2 73,0	скв.3 71,2	скв.4 71,0
1	Почвенно-растительный слой	h0	0,3	0,3	0,3	0,3
2	Супесь	h1	4,8	5,0	4,6	4,8
3	Суглинок	h2	1,2	1,1	1,3	1,2
4	Песок средний		Толщина слоя бурением до глубины 20 м не установлена

Таблица 3. Исходные показатели физико-механических свойств грунтов

N слоя	Тип грунта	?n ,т/м3	W,%	?s, т/м3	?I, т/м3	?II, т/м3	Wр,%	WL,%
2	Супесь	1,84	26,2	2,7	1,79	1,81	24,7	27,2
3	Суглинок	1,79	26,3	2,73	1,74	1,76	21,8	34,8
4	Песок средний	2,04	18,2	2,66	1,99	2,02
N слоя	Тип грунта	kf, см/с	E, МПа	cI, кПа	cII, кПа	I, град	II, град
2	Супесь	2,510 -5	7	4	5	17	19
3	Суглинок	2,010 -7	9	11	16	15	17
4	Песок средний	2,510 -2	40	1	2	34	38

Данные химического анализа подземных вод по агрессивности представлены в таблице 4.

Таблица 4. Химический анализ воды

Показатель агрессивности	Значение показателя
Бикарбонатная щелочность ионов HCO3, мгэкв/л Водородный показатель pH, мгэкв/л Содержание, мг/л агрессивной углекислоты CO2 аммонийных солей ионов NH4+ магнезиальных солей, ионов Mg2+ едких щелочей, ионов Na+ и K+ сульфатов, ионов SO42- хлоридов, ионов Cl -	- 2,8 38 19 - 690 1200 210

2. Определение нагрузок, действующих на фундаменты

Расчет нормативных значений усилий на уровне обреза фундаментов от нагрузок, воспринимаемых рамой каркаса: постоянной, снеговой, ветровой и крановой выполнен на ЭВМ. Наиболее нагруженным является фундамент по оси Л, нормативные значения усилий для этих фундаментов приведены в таблице 5.

Таблица 5. Значения нормативных усилий на уровне обреза фундаментов по оси Л.

Усилие	Нагрузки
	Постоянная (1)	Снеговая (2)	Ветровая (3)	Крановая (4)
Nn, кН	1131,8	216	0	263,1
Mn, кНм	-142,1	-74,8	±291	±18
Qn,кН	-11,5	-1,6	±47,6	±1,3

Значения расчетных усилий на уровне обреза фундаментов по оси Л

Усилия и ед. изм.	Индексы нагрузок по таблице 5 и правило подсчета
	(1) + (2)	(1) + (3)	(1) + (4)	(1) + 0,9[(2) + (3) + (4)]
Nn, кН	1347,8	1131,8	1394,9	1562,99
Mn, кНм	-216,9	-433,1	-160,1	-487,52
Qn,кН	-13,1	-59,1	-12,8	-56,95

Наиболее неблагоприятным является сочетание из постоянной (1) и всех кратковременных 0,9[(2) + (3) + (4)] нагрузок для N и M, и постоянной (1) и временной ветровой (3) нагрузки для Q

Для расчетов по деформациям (?f = 1)

NII col = Nn ?f = 1562,99 1 = 1562,99 кН

MII col = Mn ?f = 487,52 1 = 487,52 кНм

QII col = Qn ?f = 59,1 1 = 59,1 кН

Для расчетов по несущей способности (?f = 1,2)

NI col = Nn ?f =1562,99 1,2 = 1875,59 кН

MI col = Mn ?f = 487,52 1,2 = 585,02 кНм

QI col = Qn ?f = 59,1 1,2 = 70,92 кН

Таблица 6.

По 1-ой группе предельных состояний, f = 1,2	По 2-ой группе предельных состояний,f = 1
NI col, кН	MI col, кНм	QI col,кН	NII col, кН	MII col, кНм	QII col,кН
1875,59	-585,02	-70,92	1562,99	-487,52	-59,1

3. Оценка инженерно-геологических и гидрологических условий площадки строительства

Планово-высотная привязка здания на площадке строительства приведена на рис.2 Инженерно-геологические разрезы, построенные по заданным скважинам, показаны на рис. 3 и 4.

Рис 1. Схема планово-высотной привязки здания.

Вычисляем необходимые показатели свойств и состояния грунтов по приведенным в таблице 3 исходными данными. Результаты приведены в таблице 7.

Рис. 2. Инженерно-геологический разрез I-I

Таблица 7. Показатели свойств и состояния грунтов (вычисляемые).

Тип грунта	?d ,т/м3	n,%	e	Sr	Ip,%	IL	gI, кН/м3	gII, кН/м3	gs, кН/м3	gsb, кН/м3
Супесь	1,46	46	0,85	0,95	2,5	0,6	17,56	17,76	26,49	8,9
Суглинок	1,42	48,09	0,93	0,94	13	0,35	17,07	17,27	26,78	8,71
Песок средний	1,73	35,12	0,54	0,91	-	-	19,52	19,82	26,09	10,44

Степень влажности

Sr = Wrs/(erw),

где rw = 1 т/м³ - плотность воды;

Число пластичности

Ip = WL - Wр;

Плотность сухого грунта

rd--=--rn /(1 + 0,01W);

Пористость

n = (1 - rd--/rs)100%;

Коэффициент пористости

e = n/(100 - n);

Показатель текучести

IL = (W - Wр)/(WL - Wр);

Расчетные значения удельного веса и удельного веса частиц:

gI--=--rIg--gII--=--rIIg--gs--=--rsg;

Удельный вес суглинка, расположенного ниже УПВ, с учетом взвешивающего действия воды:

gsb--=--(gs---gw)/(1+e),--где--gw = 10 кН/м³ - удельный вес воды.

Определение условного расчетного сопротивления грунта.

Для определения условного расчетного сопротивления грунта по формуле СНиП 2.02.01-83* принимаем условные размеры фундамента d1 = dусл = 2 м и bусл =1 м. Установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты:

Слой №2: Супесь.

По таблице 3 СНиП 2.02.01-83* принимаем: c1 = 1,1 для (IL > 0,5), c2 = 1 для зданий с гибкой конструктивной схемой, k = 1 принимаем по указаниям п.2.41 СНиП 2.02.01-83*.

При II = 19 по табл.4 СНиП 2.02.01-83* имеем M = 0,47; Mq = 2,89; Mc = 5,84.

Удельный вес грунта выше подошвы условного фундамента до глубины dw = 0,75 м принимаем без учета взвешивающего действия воды II = 17,76 кН/м³, а ниже УПВ, т.е. в пределах глубины d = dусл - dw = 1,25 м и ниже подошвы фундамента, принимаем; sb = 8,9 кН/м³; удельное сцепление cII = 5 кПа.

Вычисляем условно расчетное сопротивление:

 = 114,43 кПа.

Полное наименование грунта слоя №2 - супесь среднесжимаемая пластичная. Этот грунт может быть использован как естественное основание, поскольку имеет достаточную прочность.

Слой №3:Суглинок.

Толщина 2-го слоя h1 = 4,96 м. Установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты:

По таблице 3 СНиП 2.02.01-83 принимаем: c1 = 1,2 для суглинка (0,25 < JL 0,5), c2 = 1 для зданий с гибкой конструктивной схемой.

При II = 17 по табл.4 СНиП 2.02.01-83 имеем M = 0,39; Mq = 2,57; Mc = 5,15.

Удельный вес грунта sb = 8,71 кН/м³; удельное сцепление cII = 16 кПа.

Вычисляем условно расчетное сопротивление:

= 255,2 кПа.

Полное наименование грунта слоя 3 - суглинок тугопластичный, среднесжимаемый.

Слой №4:Песок средний.

Толщина 3-го слоя h2 = 1,12 м. Установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты:

По таблице 3 СНиП 2.02.01-83 принимаем: c1 = 1,4 для песка среднего.

При II = 38 по табл.4 СНиП 2.02.01-83 имеем M = 2,11; Mq = 9,44; Mc = 10,8.

Удельный вес грунта sb = 10,44 кН/м³; удельное сцепление cII = 2 кПа.

Вычисляем условно расчетное сопротивление:

= 851,6 кПа.

Полное наименование грунта слоя 4 - песок средний, малосжимаемый.

Заключение

В целом площадка пригодна для возведения здания. Рельеф площадки спокойный с уклоном в сторону скважин 3 и 4. Грунты имеют слоистое напластование, с выдержанным залеганием пластов. Все грунты имеют достаточную прочность, невысокую сжимаемость и могут быть использованы в качестве оснований в природном состоянии. Грунтовые воды расположены на небольшой глубине, что значительно ухудшает условия устройства фундаментов: при заглублении фундаментов более 0,75 м необходимо водопонижение; возможность открытого водоотлива из котлованов, разработанных в суглинке, должна быть обоснована проверкой устойчивости дна котлована (прорыв грунтовых вод со стороны слоя суглинка); супесь, залегающая в зоне промерзания, в соответствии с табл. 2 СНиП 2.02.01-83 является пучинистым грунтом, поэтому глубина заложения фундаментов наружных колонн здания должна быть принята не менее расчетной глубины промерзания супеси. При производстве работ в зимнее время необходимо предохранение основания от промерзания.

Целесообразно рассмотреть следующие возможные варианты фундаментов и оснований:

1) фундамент мелкого заложения на естественном основании - суглинке;

2) фундамент на распределительной песчаной подушке (может быть достигнуто уменьшение размеров подошвы фундаментов и расчетных осадок основания);

3) свайный фундамент из забивных висячих свай; несущим слоем для свай может служить песок средний (слой 4).

Следует предусмотреть срезку и использование почвенно-растительного слоя при благоустройстве и озеленении застраиваемого участка (п.1.5 СНиП 2.02.01-83).

4. Расчет и проектирование варианта фундамента на естественном основании

Проектируется монолитный фундамент мелкого заложения на естественном основании по серии 1.412-2/77 под колонну, расположенную по осям Л-5, для исходных данных, приведенных выше.

4.1 Определение глубины заложения фундамента

Первый фактор - учет глубины сезонного промерзания грунта. Грунты основания пучинистые, поэтому глубина заложения фундамента d от отметки планировки DL должна быть не менее расчетной глубины промерзания.

Для tвн = 15 и грунта основания, представленного супесью, по 2.28 СНиП 2.02.01-83:

d df = Khdfn = Khd0 = 0,70,28 = 1,63 м.

Коэффициент Kh = 0,7 принят как уточненный при последующем расчете в соответствии с указаниями примечания к табл.1 СНиП 2.02.01-83 (расстояние от внешней грани стены до края фундамента af = 1,1 м > 0,5 м).

Второй фактор - учет конструктивных особенностей здания. Для заданных размеров сечения двухветвевой колонны 1400х600 мм и необходимой глубины ее заделки в стакан (1200 мм) по серии 1.412-2/77 требуется подколонник типа Д площадью сечения 2100х1200 мм. Минимальный типоразмер высоты фундамента для указанного типа подколонника Hф = 1,8 м. Таким образом, по второму фактору требуется d = Hф + 0,150 = 1,8 + 0,15 = 1,95 м.

Третий фактор - инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки. С поверхности на большую глубину залегает слой 2, представленный достаточно прочной среднесжимаемой супесью (Rусл = 114,43 кПа). Подстилающие слои 3 и 4 по сжимаемости и прочности не хуже среднего слоя. В этих условиях, учитывая высокий УПВ, глубину заложения подошвы фундамента целесообразно принять минимальную, однако достаточную из условий промерзания и конструктивных требований.

С учетом всех трех факторов, принимаем глубину заложения от поверхности планировки

(DL) с отметкой 71,875 м d = 1,95 м, Нф = 1,8 м. Абсолютная отметка подошвы фундамента (FL) составляет 70,075 м, что обеспечивает выполнение требования о минимальном заглублении в несущий слой. В самой низкой точке рельефа заглубление в несущий слой 2 от отметки природного рельефа (NL) равной 71,000 м составляет: 71,0 - 0,3 - 70,1 = 0,6 м > 0,5 м.

4.2 Определение площади подошвы фундамента

Площадь Атр подошвы фундамента определяем по формуле:

Атр = Ncol II / (R2усл - mtd) = 1562,99 / (114,43 - 201,8) = 19,93 м²,

где mt = 20 кН / м³ - средний удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах.

4.3 Выбор фундамента и определение нагрузки на грунт

Принимаем фундамент ФД15-2 с размерами подошвы l = 4,8 м, b = 4,2 м, тогда

А = l b = 20,16 м²,

Нф = 1,8 м, объём бетона Vfun = 13,3 м³.

Вычисляем расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:

Gfun II = Vfun b f = 13,3 251 = 332,5 кН;

Vg = lbd - Vfun = 4,8 4,20 1,8 - 13,3 = 22,99 м³;

Gg II = Vg kpз II f = 22,99 0,95 17,76 1 = 387,77 кН.

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

Ntot II = 1562,99 + 387,77 + 332,5 = 2283,26 кН;

Mtot II = 487,52 + 59,1 1,8 = 593,9 кН м;

Qtot II = Qcol II = 59,1 кН.

4.4 Расчетное сопротивление грунта

Уточняем расчетное сопротивление R для принятых размеров фундамента

(b = 4,2 м, l = 4,8 м, d = 1,8 м):

126,5 кПа.

4.5 Давление на грунт под подошвой фундамента

Определяем среднее PII mt, максимальное PII max и минимальное PII min давления на грунт под подошвой фундамента:

 = 150,08 кПа;

= 76,43 кПа;

PII max = 150,08 кПа < 1,2R = 1,2 126,5 = 151,8 кПа;

PII min = 76,43 кПа > 0.

Т.к. грузоподъемность мостового крана Q2 = 16 т < 75 т, то отношение проверять не требуется.

113,26 кПа < R = 126,5 кПа.

Все условия ограничения давлений выполнены.

Эпюра контактных давлений по подошве фундамента приведена на рисунке 3.

4.6 Расчет осадки методом послойного суммирования

Для расчета осадки фундамента методом послойного суммирования составляем расчетную схему, совмещенную с геологической колонкой по оси фундамента М-5.

Напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента при планировке срезкой в соответствии с п.1 прил.2 СНиП 2.02.01-83:

zg,0 = [IIdw + sb II (d - dw)] = [17,760,75 + 8,9 (1,8 - 0,75)] = 22,66 кПа.

Дополнительное вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы фундамента:

zp 0 = P0 = PII mt - zg,0 = 113,26 - 22,66 = 90,59 кПа.

Соотношение сторон подошвы фундамента:

.

Значения коэффициента устанавливаем по табл.1 прил.2 СНиП 2.02.01-83.

Для удобства пользования указанной таблицей из условия:

принимаем толщину элемента слоя грунта

hi = 0,2 b = 0,2 4,2 = 0,84 м.

Дальнейшие вычисления сводим в таблицу 8.

Таблица 8. Определение осадки.

zi, м		zi + d, м		zp = P0, кПа	zg = zg,0 + + sb,i ziт, кПа	0,2zg, кПа	Е, кПа
0	0	1,8	1,000	90,59	22,66	4,53	7000
0,84	0,4	2,64	0,964	87,36	30,14	6,03	7000
1,68	0,8	3,48	0,817	74,03	37,61	7,52	7000
2,52	1,2	4,32	0,633	57,36	45,09	9,02	7000
3,36	1,6	5,16	0,479	43,36	52,57	10,51	9000
4,2	2,0	6	0,364	32,96	60,04	12,01	40000
5,04	2,4	6,84	0,281	25,48	67,52	13,5	40000
5,88	2,8	7,68	0,222	20,12	74,83	14,97	40000
6,72	3,2	8,52	0,178	16,11	82,15	16,43	40000
7,56	3,6	9,36	0,146	13,23	90,92	18,18	40000
8,4	4,0	10,2	0,121	10,98	99,69	19,94	40000

Граница слоя супеси и слоя суглинка условно смещена до глубины zi = 2,52 м от подошвы (фактическое положение на глубине z = 2,5 м), а граница суглинка и песка смещена до глубины zi = 3,36 м от подошвы (фактическое положение на глубине z = 3,63).

На глубине Hc = 7,8 м от подошвы фундамента выполняется условие СНиП 2.02.01-83 (прил.2, п.6) ограничения глубины сжимаемой толщи основания (ГСТ):

zp= 16,11 кПа 0,2zg = 16,43 кПа,

поэтому послойное суммирование деформаций основания производим в пределах от подошвы фундамента до ГСТ.

Осадку основания определяем по формуле:

= 0,0289 м = 2,89 см.

Условие S = 2,89 см < Su = 8,0 см выполняется (значение Su = 8,0 см принято по таблице прил.4 СНиП 2.02.01-83).

Рис. 3 Расчетная схема распределения напряжений в основании фундамента на естественном основании по оси Л-5

5. Расчет и проектирование варианта фундамента на искусственном основании, в виде песчаной распределительной подушки

5.1 Глубина заложения фундамента

Аналогично фундаменту на естественном основании назначаем глубину заложения фундамента d = 1,8 м. Принимаем для устройства подушки песок среднезернистый, плотный, имеющий проектные характеристики: E = 45 МПа; е = 0,50; n II = 20,2 кН / м³; n ,sb = 10,7 кН/м³.

5.2 Определение требуемой площади подошвы фундамента

Для определения площади А тр подошвы фундамента принимаем расчетное сопротивление R0 = 500 кПа, материала песчаной подушки, среднезернистого песка.

Тогда

5.3 Выбор фундамента и определение нагрузки на грунт

В соответствии с требуемой величиной площади подошвы Атр = 3,37 м² и высотой фундамента Нф = d = 1,8 м, подбираем типовой фундамент серии 1.412-2/77.

Принимаем фундамент ФД 7-2, размеры которого l = 2,7 м, b = 2,1 м, А = 5,67 м², Нф = 1,8 м; объем бетона Vfun = 5,5 м³.

Вычисляем расчетное значение веса фундамента и грунта на его уступах:

Gfun = Vfunbf = 5,5251 = 137,5 кН;

Vg = lbd - Vfun = 2,72,11,8 - 5,5 = 4,706 м³;

Gg II = Vg Kрз II f = 4,7060,9517,761 = 79,4 кН.

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

Ntot II = 1562,99 + 137,5 + 79,4 = 1779,89 кН;

Mtot II = 487,52 + 59,1 1,8 = 593,9 кНм;

Qtot II = Qcol II = 59,1 кН.

5.4 Расчетное сопротивление грунта

Уточняем расчетное сопротивление R песка подушки для принятых размеров фундамента (b = 2,1 м; l = 2,7 м; d = 1,8 м):

R = 500(1 + 0,125 (2,1 - 1)/1)(1,8 + 2)/(22) = 540,31 кПа.

5.5 Давление на подушку под подошвой фундамента

Определяем среднее PII mt, максимальное PII max и минимальное PII min давления на распределительную песчаную подушку фундамента:

строительство здание фундамент осадка

= 546,68 кПа;

= 81,15 кПа;

PII max = 546,68 кПа < 1,2R = 1,2540,31 = 648,372 кПа;

PII min = 81,15 кПа > 0;

313,91 кПа < R = 540,31 кПа.

Все требования по ограничению давлений выполнены.

5.6 Определение толщины распределительной подушки

Назначаем в первом приближении толщину песчаной подушки hп = 1,8 м. Проверяем выполнение условия zp + zg Rz, для этого определяем при z = hп = 1,8 м:

а) zg = IIdw + sb II(d - dw) + sb п z = 17,76 0,75 + 8,9 (1,8 - 0,75) + 10,7 0,9 = 41,93 кПа;

б) zp = (PII mt - zg, 0) = 0,475 (313,91 - 24,55) = 137,44 кПа,

где zg, 0 = II dw + sb II (d - dw) = 17,76 0,75 + 8,9 (1,8 - 0,75) = 24,55 кПа;

= 0,475 для и .

Коэффициент определен интерполяцией из табл.1 прил.2 к СНиП 2.02.01-83;

в) м²;

; м; м;

= 180,64 кПа.

zg + zp = 41,93 + 137,44 = 179,36< Rz = 180,64 кПа.

Условие проверки выполняется.

5.7 Расчет осадки методом послойного суммирования

Для расчета осадки фундамента методом послойного суммирования составляем расчетную схему, совмещенную с геологической колонкой по оси фундамента Л-5.

Напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента при планировке срезкой в соответствии с п.1 прил.2 СНиП 2.02.01-83:

zg,0 = [IIdw + sb II (d - dw)] = [17,760,75 + 8,9 (1,8 - 0,75)] = 24,55 кПа.

Дополнительное вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы фундамента:

zp 0 = P0 = PII mt - zg,0 = 313,91 - 24,55 = 289,36 кПа.

Соотношение сторон подошвы фундамента:

.

Значения коэффициента устанавливаем по табл.1 прил.2 СНиП 2.02.01-83.

Для удобства пользования указанной таблицей из условия:



принимаем толщину элемента слоя грунта

hi = 0,2 b = 0,2 2,1 = 0,42 м.

Дальнейшие вычисления сводим в таблицу 9.

Граница распределительной подушки и слоя супеси условна смещена до глубины zi = 0,84 м от подошвы фундамента (фактическое положение на глубине z = 0,9 м), граница слоя супеси и слоя суглинка до глубины zi = 2,52 м (фактическое положение на глубине z = 2,5 м), а граница суглинка и песка смещена до глубины zi = 3,36 м от подошвы (фактическое положение на глубине z = 3,63).

На глубине Hc = 6,3 м от подошвы фундамента выполняется условие СНиП 2.02.01-83 (прил.2, п.6) ограничения глубины сжимаемой толщи основания (ГСТ):

zp= 16,53 кПа 0,2zg = 16,61 кПа,

поэтому послойное суммирование деформаций основания производим в пределах от подошвы фундамента до ГСТ.

Таблица 9. Определение осадки.

zi, м		zi + d, м		zp = P0, кПа	zg = zg,0 + + sb,i ziт, кПа	0,2zg, кПа	Е, кПа
0	0	1,8	1	289,36	24,55	4,91	45000
0,42	0,4	2,22	0,9686	279,03	29,05	5,81	45000
0,84	0,8	2,64	0,8343	236,45	33,54	6,71	45000
1,26	1,2	3,06	0,6603	183,21	37,28	7,46	7000
1,68	1,6	3,48	0,5083	138,50	41,02	8,20	7000
2,1	2,0	3,9	0,3912	105,29	44,75	8,95	7000
2,52	2,4	4,32	0,3056	81,39	48,49	9,70	9000
2,94	2,8	4,74	0,2432	64,26	52,23	10,45	9000
3,36	3,2	5,16	0,1958	51,46	55,97	11,19	9000
3,78	3,6	5,58	0,1610	42,25	59,71	11,94	9000
4,2	4,0	6,0	0,1345	35,07	63,44	12,69	40000
4,62	4,4	6,42	0,1139	29,64	67,18	13,44	40000
5,04	4,8	6,84	0,0970	25,17	70,84	14,17	40000
5,46	5,2	7,26	0,0842	21,87	74,50	14,90	40000
5,88	5,6	7,68	0,0730	18,95	78,16	15,63	40000
6,3	6,0	8,1	0,0646	16,53	82,54	16,61	40000
6,72	6,4	8,52	0,0572	14,78	86,93	17,39	40000
7,14	6,8	8,94	0,0507	13,12	91,31	18,26	40000

Осадку основания определяем по формуле:

= 0,0380 м = 3,80 см.

Условие S = 3,80 см < Su = 8,0 см выполняется (значение Su = 8,0 см принято по таблице прил.4 СНиП 2.02.01-83).

Рис. 4 Расчетная схема распределения напряжений в основании фундамента на распределительной подушке по оси Л-5

6. Расчет и проектирование свайного фундамента

Рассмотрим вариант свайного фундамента из забивных свай сечением 300x300 мм, погружаемых дизельным молотом.

6.1 Глубина заложения подошвы ростверка

Назначаем глубину заложения подошвы ростверка:

Расчетная глубина промерзания грунта от поверхности планировки DL равна df = 1,63 м.

По конструктивным требованиям, также как и для фундамента на естественном основании верх ростверка должен быть на отметке - 0,150, размеры подколонника (стакана) в плане lcf x bcf = 2100 x 1200 мм, глубина стакана dp = 1250 мм.

Если принять в первом приближении толщину дна стакана (в последующем она должна быть уточнена проверкой на продавливание колонной) равной hp =500 мм, то минимальная высота ростверка должна быть

hr dp + hp = 1750 мм = 1,75 м.

Для дальнейших расчетов принимаем большее из двух значений (1,63 и 1,75 м), т.е. hr = 1,8 м (кратно 150 мм), что соответствует глубине заложения - 1,95 м (абс. отм. 69,950).

6.2 Необходимая длина свай

В качестве несущего слоя висячей сваи принимаем песок средний (слой 4), тогда необходимая длина сваи должна быть не менее:

lсв = h1 + h2 + h3 = 0,05 + 3,62 + 1 = 4,67 м;

Принимаем типовую железобетонную сваю С-5-30 (ГОСТ 19804.1-79*) квадратного сечения 300 х 300 мм, длиной L = 5 м. Класс бетона сваи В15. Арматура из стали класса А-I 4 10, объем бетона 0,46 м³, масса сваи 1,15 т, толщина защитного слоя ав = 20 мм.

6.3 Несущая способность одиночной сваи

Определяем несущую способность одиночной сваи из условия сопротивления грунта основания по формуле (8) СНиП 2.02.03-85:

Fd = C (CR R A + U cf fi hi).

В соответствии с расчетной схемой сваи устанавливаем из табл.1 СНиП 2.02.03-85 для песка мелкого при z = 7,71 м расчетное сопротивление R = 3712 кПа. Для определения fi расчленяем каждый однородный пласт грунта (инженерно-геологический элемент) на слои Li 2 м и устанавливаем среднюю глубину расположения zi каждого слоя, считая от уровня природного рельефа (отн.отм. 0,96). Затем по табл.2 СНиП 2.02.03.-85, используя в необходимых случаях интерполяцию, устанавливаем:

для супеси при JL = 0,6 и z1 = 3,76 м f1 = 15,52 кПа;

для супеси при JL = 0,6 и z2 = 5,01 м f2 = 17,01 кПа;

для суглинка при JL = 0,35 и z3 = 5,82 м f3 = 35,61 кПа;

для песка среднего при z4 = 7,045 м f4 = 60,09 кПа.

Площадь опирания сваи на грунт А = 0,3 х 0,3 = 0,09 м², периметр U = 0,3 4 = 1,2 м.

Для сваи сплошного сечения, погружаемой забивкой дизельным молотом, по табл. 3 СНиП 2.02.03-85 CR = Cf =1, С = 1. Тогда:

Fd =1[137120,09 + 1,21(15,522,0 + 17,010,5 + 35,611,12 + 60,091,33)] = 515,3 кН.

Рис. 5. Расчетная схема к определению несущей способности сваи по грунту

6.4 Требуемое число свай

Определяем требуемое число свай в фундаменте в первом приближении

при Ncol I = 1875,59 кН:

;

Принимаем n = 8.

6.5 Размещение свай в кусте

Размещаем сваи в кусте по типовой схеме. Окончательно размеры подошвы ростверка назначаем, придерживаясь унифицированных размеров в плане, кратных 0,3 м, и по высоте, кратных 0,15 м.

6.6 Вес ростверка и грунта на его уступах

Определим вес ростверка и грунта на его уступах.

Объем ростверка: Vr = 31,80,9 + 2,11,2 0,9 = 7,13 м³;

Объем грунта:

Vgr = 32,11,95 - Vr = 5,15 м³.

Вес ростверка и грунта:

Gr + Ggr = (Vr b + Vgr Kрз II)f = (7,13 25 + 5,15 0,95 17,76) 1,2 = 318,17 кН.

6.7 Определение окончательных нагрузок

Все действующие нагрузки приводим к центру тяжести подошвы ростверка:

Ntot I = Ncol I + Gr I + Ggr I = 1875,59 + 318,17 = 2193,76 кН;

Qtot I = Qcol I = 70,92 кН;

Mtot I = Mcol I + Qtot IHr = 585,02 + 70,92 1,8 = 712,68 кНм.

6.8 Проверка нагрузок на крайние сваи

Определяем расчетные нагрузки, передаваемые на крайние сваи в плоскости подошвы ростверка по формуле (3) СНиП 2.02.03-85:

NI max = 400,92 кН; NI min = 147,52 кН.

Проверяем выполнение условий:

кН;

кН;

;

Коэффициент надежности по назначению здания n = 0,95 принят в соответствии со СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.

6.9 Предварительная проверка все сваи по прочности материала

Выполним предварительную проверку сваи по прочности материала по графикам и указаниям учебного пособия.

Определяем коэффициент деформации :

;

Начальный модуль упругости бетона класса В15, подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении, по табл.18 СНиП 2.03.01-84, Еb = 20,5103 МПа. Момент инерции поперечного сечения сваи:

.

Условная ширина сечения сваи

bp = 1,5dсв + 0,5 = 1,50,3 + 0,5 = 0,95 м.

Коэффициент пропорциональности К по табл.1 прил.1 к СНиП 2.02.03-85 для супеси пластичной (JL = 0,6), принимаем К = 8 МН/м4. Коэффициент условий работы с = 1.

;

Глубина расположения условной заделки сваи от подошвы ростверка:

;

В заделке действуют усилия: продольная сила NI max = 442,5 кН; изгибающий момент:

кНм.

Точка, соответствующая значениям указанных усилий, лежит на графике ниже кривой для принятой сваи (сечение 300х300, бетон класса В15, продольное армирование А-I 4O 10), следовательно, предварительная проверка показывает, что прочность сваи по материалу обеспечена.

6.10 Расчет ростверка на продавливание колонной

Класс бетона ростверка принимаем В15, тогда Rbt = 0,75 МПа (табл.13 СНиП 2.03.01-84). Рабочую высоту сечения принимаем h0 = 50 см

Расчетное условие имеет следующий вид:

;

Размеры bcol = 500 мм, hcol = 1400 мм, c1 = 400 мм и c2 = 250 мм, коэффициент надежности по назначению n = 0,95.

Определяем коэффициент , учитывающий частичную передачу продольной силы на плитную часть ростверка через стенки стакана, для чего предварительно определяем площадь боковой поверхности заделанной в стакан части колонны Аf (по наружному обводу обоих ветвей).

Af = 2 (bcol + hcol) hg = 2 (0,5 + 1,4)1,25 = 4,75 м²;

.

Принимаем = 0,85.

Значения реакций по верхней горизонтальной грани:

а) в первом ряду от края ростверка со стороны наиболее нагруженной его части:

б) во втором ряду от края ростверка:

Величина продавливающей силы определяется по формуле:

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

,

т.е. прочность ростверка на продавливание колонной обеспечена.

6.11 Расчет свайного фундамента по деформациям

Выполним расчет свайного фундамента по деформациям на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок и момента по формуле 14 прил.1 к СНиП 2.02.03-85:

проверяем выполнение условия:

Горизонтальная нагрузка на голову сваи равна:

Коэффициент деформации ? = 0,887 м-1 (п. 6.9. настоящего расчета). Условная ширина сечения сваи bp = 0,95 м. Прочностной коэффициент пропорциональности, для супеси пластичной (JL = 0,6), по табл.1 прил.1 СНиП 2.02.03-85 равен: a = 47,2 кН/м3.

Приведенное значение продольной силы для приведенной глубины погружения сваи в грунт

 = l = 5,950,887 = 5,28 > 4

определяем по табл.2 прил.1 к СНиП 2.02.03-85 (шарнирное сопряжение сваи с ростверком) при l = 4 и zi = 0. Получаем = 0,409, тогда:

Так как сила Hel = 23,31 кН > nHI = 8,11 кН, то расчет ведем по первой (упругой) стадии работы системы свая-грунт.

При шарнирном опирании низкого ростверка на сваи М0 = 0 и = 0, следовательно, формулы (30) и (31) по п.12 прил.1 к СНиП 2.02.03-85 примут вид:

.

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

1/кН,

где безразмерные коэффициенты А0 и В0 приняты по табл.5 прил.1 к СНиП 2.02.03-85 для приведенной глубины погружения сваи = 4 м.

м;

рад.

Так как up = 0,187 см < uu = 1см, условие ограничения горизонтального перемещения головы сваи выполнено.

6.12 Расчет устойчивости основания

Выполним расчет устойчивости основания, окружающего сваю по условию (25) прил.1 к СНиП 2.02.03-85, ограничивающему расчетное давление ?z, передаваемое на грунт боковыми поверхностями сваи:

.

Здесь расчетный удельный вес грунта с учетом взвешивания в воде (для слоя 2) I = sb = 8,9 кН/м3; ?I = 170; cI = 4 кПа; коэффициент = 0,6 (для забивных свай); коэффициент ?1 = 0,7. При установлении значения. коэффициента ?2 по формуле (26) прил.1 к СНиП 2.02.03-85, используем данные табл.5, из которой следует, что момент от внешних постоянных нагрузок в сечении на уровне нижних концов свай составит для оси Л:

Мс = 142,1 + 11,5 6,75 = 219,725 кНм.

Момент от временных нагрузок в том же сечении составит:

Мt = 74,8 + 291 + 18 + (1,6 + 47,6 + 1,3) 6,75 = 812,29 кНм;

.

Расчетное давление на грунт ?z, кПа, определяем по формуле (36) и указаниям п.13 прил.1 к СНиП 2.02.03-85:

,

для глубины , так как > 2,5; откуда , а = 0,85.

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

А1 = 0,996; В1 = 0,849; С1 = 0,363; D1 = 0,103.

= 7666,29 (0,00179 - 0,00101 + 0,00008) = 6,593 кПа.

Как видно,

11,11 кПа,

т.е. устойчивость грунта, окружающего сваю, обеспечена.

6.13 Несущая способность сваи по прочности материала

Определим несущую способность сваи по прочности материала. Характеристики сваи:

Rb = 8,5 МПа; Rsc = Rs = 225 МПа; b = dсв = 30 см; а = а` = 3 см; h0 = dсв - а` = 30 - 3 = 27 см; Аs = Аs' = 3,14/2 = 1,57 см².

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

;

Результаты дальнейших вычислений, имеющих целью определение Мz max, сводим в табл.10, причем при назначении Z используем соотношение = Z , в котором значения Z принимаем по табл.4. прил.1 к СНиП 2.02.03-85.

Таблица 10. Результаты вычислений изгибающих моментов

Zi, м		A3	B3	D3	Mz, кН м
0,355	0,4	-0,011	-0,002	0,400	2,985
0,71	0,8	-0,085	-0,034	0,799	4,948
0,887	1,0	-0,167	-0,083	0,994	5,35
1,064	1,2	-0,287	-0,173	1,183	5,45
1,419	1,6	-0,676	-0,543	1,507	4,678
1,774	2,0	-1,295	-1,314	1,646	3,271

Как видно из таблицы, Мz max I = 5,45 кНм действует на глубине z =1,064 м.

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

;

.

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

;



Так как полученные значения эксцентриситетов е 01 и е 02 больше еai, оставляем эти значения для дальнейшего расчета свай по п.3.20 СНиП 2.03.01-84.

Находим расстояния от точек приложения продольных сил Nmax I и Nmin I до равнодействующей усилий в арматуре S:

;

.

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

;

;

Граничное значение относительной высоты сжатой зоны по табл.2.2 п.2.3.12, учебного пособия, составляет для стали А-I и бетона В15 R = 0,673.

,

следовательно принимаем значение x1 = 18,2 см для дальнейшего расчета.

Проверяем прочность сечения сваи по формуле (36) СНиП 2.03.01-84:

 кН <

695,15 кН;

кН <

285,58 кН.

Несущая способность свай по прочности материала в наиболее нагруженных сечениях обеспечена.

6.14 Расчет осадки основания свайного фундамента

Определяем размеры и вес условного фундамента (по указаниям п. 7.1. СНиП 2.02.03-85).

Расчетная схема показана на рис.11.

.

Размеры свайного поля по наружному обводу:

м; м.

Размеры площади подошвы условного массива:

м;

м.

Площадь подошвы условного массива

Аусл = 10,2 м2.

Объём условного массива

Vусл = Aусл hусл - Vr = 10,2 4,75 - 7,13 = 41,33 ^м3.

Вычислим средневзвешенное значение удельного веса грунта выше подошвы условного фундамента:

10,01 кН/м³.

Вес грунта в объёме условного фундамента:

Ggr = Vусл II mt = 413,73 кН.

Вес ростверка

GrII = Vr b f = 7,13 241 = 171,12 кН;

Вес свай Gсв II = 1,15 9,8181 = 90,25 кН.

Расчетная нагрузка по подошве условного фундамента от веса грунта, ростверка и свай:

GII = 413,73 + 171,12 + 90,25 = 675,1 кН.

Проверяем напряжения в плоскости подошвы условного фундамента.

Ntot II = Ncol II + GII = 1562,99 + 675,1 = 2238,09 кН;

Mtot II = Mcol II + Qcol II Hr = 487,52 + 59,11,8 = 593,9 кН м;

Расчетное сопротивление грунта основания условного фундамента в уровне его подошвы определим по формуле (7) СНиП 2.02.01-83:

.

Принимаем: c1 = 1,4 для песка мелкого c2 = 1; k = 1; II 4 = 38; cII 4 = 2 кПа;

M = 1,44; Mq = 6,76; Mc = 8,88; II mt = 10,01 кН/м3.

= 720,1 кПа.

Среднее давление PII mt по подошве условного фундамента:

< R = 720,1 кПа.

Максимальное краевое давление PII max:

310,14 < R = 720,1 кПа.

Для расчета осадки методом послойного суммирования вычислим напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы условного фундамента:

zg,0 = 17,760,75 + 8,9 4,51 + 8,711,12 + 10,441,52 = 79,08 кПа.

Дополнительное вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы условного фундамента:

zp 0 = P0 = PII mt - zg,0 = 219,42 - 79,08 = 140,34 кПа.

Соотношение сторон подошвы фундамента:

.

Значения коэффициента устанавливаем по табл.1 прил.2 СНиП 2.02.01-83.

Для удобства пользования указанной таблицей из условия:

принимаем толщину элемента слоя грунта

hi = 0,2 b = 0,2 2,65 = 0,53 м.

Дальнейшие вычисления сводим в таблицу 11.

Таблица 11. Определение осадки.

zi, м		zi + d, м		zp = P0, кПа	zg = zg,0 + + sb,i ziт, кПа	0,2zg, кПа	Е, кПа
0	0	6,75	1	140,34	79,08	15,82	40000
0,53	0,4	7,28	0,971	136,31	84,61	16,92	40000
1,06	0,8	7,81	0,845	118,62	90,15	18,03	40000
1,59	1,2	8,34	0,678	95,10	95,68	19,14	40000
2,12	1,6	8,87	0,527	73,99	101,21	20,24	40000
2,65	2,0	9,4	0,41	57,47	106,75	21,35	40000
3,18	2,4	9,93	0,321	45,06	112,28	22,46	40000
3,71	2,8	10,46	0,257	36,01	117,81	23,56	40000
4,24	3,2	10,99	0,207	29,07	123,35	24,67	40000
4,77	3,6	11,52	0,171	23,94	128,88	25,78	40000
5,3	4	12,05	0,143	20,05	134,41	26,88	40000

На глубине Hc = 4,77 м от подошвы условного фундамента выполняется условие СНиП 2.02.01-83 (прил.2, п.6) ограничения глубины сжимаемой толщи основания (ГСТ):

zp= 23,94 кПа 0,2zg = 25,78 кПа,

поэтому послойное суммирование деформаций основания производим в пределах от подошвы фундамента до ГСТ

Рис.6 Расчетная схема распределения напряжений в основании свайного фундамента по оси Л-5

Осадку основания определяем по формуле:

= 0,00714 м = 0,71 см.

Условие S = 0,71 см < Su = 8,0 см выполняется (значение Su = 8,0 см принято по таблице прил.4 СНиП 2.02.01-83).

7. Определение степени агрессивного воздействия подземных вод и разработка рекомендаций по антикоррозионной защите подземных конструкций

Для железобетонных фундаментов на естественном основании серии 1.412-2/77, принятых на основе технико-экономического сравнения вариантов, и технологического приямка установим наличие и степень агрессивного воздействия подземных вод по данным химического анализа, для соответственных грунтовых условий.

Для фундаментов и приямка предусматриваем бетон с маркой по водопроницаемости W4 на портландцементе по ГОСТ 10178-76, арматуру класса А-III. Фундаменты каркаса и приямок расположены ниже УПВ лишь частично, однако за счет возможных изменений УПВ и капиллярного подъема до 1,2 м над УПВ все поверхности фундамента и технологического приямка могут эксплуатироваться под водой, либо в зоне периодического смачивания. Степень агрессивного воздействия вода на подземные конструкции оцениваем в соответствии с табл. 5, 6, 7 СНиП 2.03.11-85.

Коэффициент фильтрации суглинка, в котором расположены подземные конструкции, равен: Kf = 2,5 10-5 см/с 86,4103 с/сут = 2,16 см/сут = 2,16 10-2 м / сут < 0,1 м / сут, поэтому к показателям агрессивности, приведенным в табл.5, 6, 7 СНиП 2.02.11-85, необходимо вводить поправки в соответствии с примечаниями к указанным таблицам.

Определяем суммарное содержание хлоридов в пересчете на ионы Cl -, мг/л, в соответствии с прим.2 к табл. 7 СНиП 2.03.11-85:

210 + 1200 0,25 = 510 мг/л.

Дальнейшую оценку ведем в табличной форме (табл. 12).

Таблица 12. Анализ агрессивности воды для бетона на портландцементе.

Показатель агрессивности	Номер таблицы СНиП 2.03.11-85	Степень агрессивности среды по отношению к бетону марки W4
Бикарбонатная щелочность	5	отсутствуют - неагрессивная
Водородный показатель	5	2,8< 41,3 - среднеагрессивная
Содержание агр.-ой углекислоты	5	101,3<38<401,3 - слабоагрессивная
Содержание аммонийных солей	5	19 < 1001,3 - неагрессивная
Содержание магнезиальных солей	5	отсутствуют - неагрессивная
Содержание едких щелочей	5	690 < 50000 1,3 - неагрессивная
Содержание сульфатов	6	5001,3<1200<10001,3 - среднеагрессивная
Содержание хлоридов	7	210 < 500 1,3 - cлабоагрессивная (в зоне капиллярного подсоса и переменногоУПВ)

Заключение. При бетоне нормальной (Н) проницаемости (марка по водонепроницаемости W4 по табл.1 СНиП 2.03.11-85) в конструкциях фундаментов и приямка вода среднеагрессивна по содержанию сульфатов и по содержанию водородного показателя, слабоагрессивна по содержанию агрессивной углекислоты и хлоридов, неагрессивна по остальным показателям.

Рассмотрим возможность обеспечения стойкости конструкций фундаментов и приямка в агрессивной среде за счет назначения проектных требований к материалам (первичная защита). Как следует из табл.11 СНиП 2.03.11-85, при среднеагрессивной среде и примененной арматуре классов А-II и А-III (группа 1 по табл. 9 СНиП 2.03.11-85) требуется применение бетона пониженной проницаемости (марки W 6) либо оцинкованной арматуры (см.п.2.21 СНиП 2.03.11-85). Однако оцинкованная арматура дорога и дефицитна, а получение бетона пониженной проницаемости в условиях строительной площадки затруднено, поэтому необходимо выполнить специальную защиту фундаментов и приямка.

Для защиты подошвы фундамента и дна приямка при среднеагрессивной среде предусматриваем в соответствии с п.2.33 СНиП 2.03.11-85 устройство битумобетонной подготовки толщиной не менее 100 мм из втрамбованного в грунт щебня с поливкой битумом до полного насыщения.

Для защиты днища (по бетонной подготовке) и боковых поверхностей и гидроизоляции приямка в целом (в соответствии с указаниями п.2.34 и табл.13, а также рекомендациями прил.5 к СНиП 2.03.11-85) необходимо выполнить покрытие III группы - оклеечную гидроизоляцию из 3 слоев гидроизола на горячей битумной мастике с последующим устройством защитной стенки в 1/4 кирпича, пропитанного битумом.

Для защиты боковых поверхностей фундаментов выполнить полимерное покрытие на основе лака ХII-734 (хлорсульфированный полиэтилен).

Фундаменты и приямок выполнить из бетона нормальной (Н) проницаемости (марка по водонепроницаемости W4; водопоглощение не более 5,7% по массе; водоцементное отношение В/Ц не более 0,6).

8. Определение технико-экономических показателей, сравнение и выбор основного варианта системы: "основание - фундамент"

8.1 Подсчет объемов работ

1) Объем грунта, разрабатываемого под фундамент на естественном основании.

Размеры фундамента ФД15-2: l = 4,8 м; b = 4,2 м;

Размеры котлована понизу: l = 4,8 + 0,6 = 5,4 м; b = 4,2 + 0,6 = 4,8 м;

Грунт - супесь, предельная крутизна откосов котлована 1:0,67;

Размеры котлована поверху: lv = 5,4 + 2,41 = 7,81 м; bv = 4,8 + 2,41 = 7,21 м;

Глубина котлована h = 1,8 м;

Формула для определения объёмов грунта:

,

где

S = 25,92 м² - площадь котлована понизу; Sv = 56,34 м² - площадь котлована поверху.

Объём грунта, разрабатываемого экскаватором: 72,28 м³;

Объем работ по водоотливу 35,44 м3;

2) Объем грунта, разрабатываемого под фундамент на искусственном основании, в виде песчаной распределительной подушки.

Размеры котлована понизу: l = 5,78 м; b = 5,18 м;

Размеры котлована поверху: lv = 13,33 м; bv = 12,73 м;

Угол наклона откосов котлована к горизонту для пластичной супеси = 35;

Глубина котлована h = 3,6 м;

S = 29,94 м² - площадь котлована понизу; Sv = 169,74 м² - площадь котлована поверху.

Объём грунта, разрабатываемого экскаватором: 372,88 м³;

Объем песчаной подушки: 120,43 м³.

Объем работ по водоотливу 255,14 м³;

3) Объем грунта, разрабатываемого под фундамент на сваях:

Размеры фундамента 3 х 1,8 м;

Размеры котлована понизу: l = 3 + 0,6 = 3,6 м; b = 1,8 + 0,6 = 2,4 м;

Грунт - супесь, предельная крутизна откосов котлована 1:0,67;

Размеры котлована поверху: ...