Расчет оснований и фундаментов

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Министерство высшего и среднего специального образования

Республики Узбекистан

Факультет: «Строительство здания и сооружений»

Кафедра: Гидротехнические сооружения, основания и фундаменты

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по дисциплине «Механика грунтов, основания и фундаменты»

на тему: «РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ»

Выполнил: студент группы

12а-13 СЗиС Еремеев Д.А.

Проверила: Галиева Д.Н.

Ташкент - 2016

Инженерно-геологические условия площадки строительства

№ слоя	Отметка слоя по оси Z(м)	Грунтовые воды на отметке по оси Z(м)	Наименование грунта	Удельный вес частицы грунта	Удельный вес грунта	Естественная влажность	Влажность на границе раскатывания	Влажность на границе текучести	Коэффициент фильтрации	Коэффициент сжимаемости	Характеристики прочности
											Угол внутреннего трения	Сцеп ления
				гS, кН/м3	гII, кН/м3	щ	щp	щL	k, см/с	m0, кПа-1	цII, град	СII, кПа
1	2,3	15,0	Супесь	26,6	20,5	0,15	0,15	0,21	2,710-5	610-5	28	20,0
2	7,6		Суглинок	27,0	22,0	0,14	0,14	0,22	1,110-5	610-5	26	40,0
3	14,8		Супесь	26,6	20,0	0,18	0,155	0,22	3,010-5	910-5	26	15,0

Задание вариант №1. Химический корпус

Нормативные нагрузки кН/м2
	Величины	1 вар.	2 вар.	3 вар.
Постоянные	q1	2,5	2,8	3,0
	q2	2,2	2,5	2,8
	q3	2,0	2,2	2,5
	q4	2,5	2,8	3,0
Временные	q1	по СНиП
	q2	4,0	4,5	5,0
	q3	5,0	5,5	6,0
	q4	2,0	2,1	2,2
Размеры, м
	l	8,0	10,0	12,0

1. Анализ инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства

Цель проведения анализа - установление закономерностей изменения сжимаемости и прочности грунтов по глубине, выбор несущего слоя.

Сжимаемость грунта оценивается по величине модуля деформации Е. В зависимости от нагрузок, действующих на фундамент при Е < 10 МПа грунт сильносжимаемый, при Е = 10…20 МПа среднесжимаемый, при Е > 20 МПа грунт малосжимаемый.

Общее представление о прочности и сжимаемости грунтов дает установление полного наименования грунтов, находящихся в геологическом разрезе, по номенклатуре ГОСТ 25100-82. Для этого необходимо рассчитать следующие характеристики: коэффициент пористости е, степень влажности Sr и показатель текучести IL, модуль деформации Е, используя известные формулы:

Учитывая что грунтовая тоща строительной площадки состоит из глинистых грунтов степень влажности определять не нужно:

Анализ первого слоя грунта:

Коэффициент пористости определяется по формуле:

;

(1+0.15)-1=0.593

Показатель текучести (консистенции):

;

Где число пластичности:

0.21-0.15=0.06

=0

Модуль деформации, кПа:

Е = в/mv

где mv - коэффициент относительной сжимаемости, кПа-1; mv = m0/(1+)

в - безразмерный коэффициент, равный 0,8.

mv= =3.76Ч10-4

E==2127.659кПа=2.1МПа

Вывод: Пластичная супесь, сильно сжимаемая, слабый грунт.

Анализ второго слоя грунта:

Коэффициент пористости определяется по формуле:

;

(1+0.14)-1=0.399

Показатель текучести (консистенции):

;

Где число пластичности:

0.22-0.14=0.08

= -1.735

Модуль деформации, кПа:

Е = в/mv

где mv - коэффициент относительной сжимаемости, кПа-1; mv = m0/(1+)

в - безразмерный коэффициент, равный 0,8.

mv= = 4.28Ч10-4

E==1869.158кПа=1.8МПа

Вывод: Твердый, плохо сжимаемый.

Анализ третьего слоя грунта:

Коэффициент пористости определяется по формуле:

;

(1+0.18)-1= 0.5694

Показатель текучести (консистенции):

;

Где число пластичности:

0.22-0.155= 0.065

= 0.384

Модуль деформации, кПа:

Е = в/mv

где mv - коэффициент относительной сжимаемости, кПа-1;

mv = m0/(1+)

в - безразмерный коэффициент, равный 0,8.

mv= = 5.73Ч10-4

E== 1396.160кПа=1.8МПа

Вывод: Пластичная супесь, сильно сжимаемая, слабый грунт.

Полученные данные внесем в таблицу:

Номер слоя	Коэффициент пористости	Показатель текучести	Модуль деформации, кПа	Уточненное наименование грунта
1	0.593	0	2127.659	Пластичная супесь
2	0.399	-1.735	1869.158	Твердый суглинок
3	0.5694	0.384	1396.160	Пластичная супесь

Для глинистых грунтов наименование грунта уточняется:

- по консистенции (показатель текучести, IL):

Для суглинка и глины:

IL < 0 - твердые

0 ? IL ? 0,25 - полутвердые

0,25 < IL ? 0,50 - тугопластичные

0,50 < IL ? 0,75 - мягкопластичные

0,75 < IL ? 1 - текучепластичные

IL > 1 - текучие

Для супеси:

IL < 0 - твердые

0 ? IL ? 1 - супесь пластичная

IL > 1 - текучие

Наконец следует определить условные расчетные сопротивления R0 (кПа) всех слоев геологического разреза (по таблицам 3, 4 из СНиП 2.02.01.-83*). Рыхлые пески и глинистые грунты при IL > 0,80 относятся к слабым основаниям.

Условные сопротивления глинистых грунтов

Наименование грунта	Коэффициент пористости, е	R0 кПа, при показатели консистенции IL
		0	1
Супеси	0.5 0.7	300 250	300 200
Суглинки	0.5 0.7 1.0	300 250 200	250 180 100
Глина	0.5 0.6 0.8 1.1	600 500 300 250	400 300 200 100

После анализа инженерно-геологических условий, необходимо расположить сооружение на плане, таким образом, что бы в основании фундаментов были более надежные грунты.

2. Нагрузки и воздействия на основания

Для зданий со статически определимой расчетной схемой на фундаменты передается нагрузка, направленная на колонну (в каркасных зданиях) или на стену (в бескаркасных зданиях) по грузовым площадям перекрытий (F).

Для определения нагрузок составляются схемы грузовых площадок и подсчитывается полезная нагрузка и собственный вес конструкций на 1 м2. В каркасных зданиях нагрузка с выделенных грузовых площадей на уровне каждого перекрытия передаются на отдельные колонны. В зданиях с продольными и поперечными несущими стенами подсчитывается нагрузка, приходящая на 1 м длины (1 п. м.) несущей стены на уровне обреза фундамента. При расчете основания учитываются также нагрузки от собственного веса фундамента и давления грунта, от складирования вблизи материалов (q). Подсчет нормативных и расчетных нагрузок ведется обычно в табличной форме (табл. 5).

Нагрузки, на которые ведется расчет оснований и фундаментов зданий и сооружений, устанавливаются КМК 2.01.07-96 «Нагрузки и воздействия», По продолжительности действия различают постоянные (П) и временные (В) нагрузки.

Постоянные нагрузки практически неизменны в течение всей эксплуатации здания (собственный вес конструкций зданий и сооружений, вес и давление грунтов и др.).

Среди временных нагрузок выделяют длительные (ВД - вес стационарного технологического оборудования, полезная нагрузка на перекрытия, вес временных перегородок), кратковременные (ВК - вес людей и ремонтных материалов, монтажные нагрузки, от подвижного подъемно-транспортного оборудования (кранов), ветровые и гололедные воздействия) и особые (ВО - от деформации основания, сейсмические, аварийные (взрывные) и другие аналогичные воздействия).

Одновременное действие всех этих нагрузок маловероятно и нормы рекомендуют учитывать неблагоприятные их сочетания. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различаются: основные (О) сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок, и особые (ОС) сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, длительных, возможных кратковременных, и одной из особых нагрузок.

Согласно методике расчета конструкций и оснований по предельным состояниям различают нормативные и расчетные нагрузки.

При анализе нагрузок необходимо оценить:

а) абсолютные значение вертикальных нагрузок: при значениях нагрузки менее 500 кН для колонн и менее 200 кН/м для стен, фундаменты можно считать малонагруженными, при значениях нагрузок соответственно более 500 кН и 200 кН/м - тяжело нагруженными;

б) горизонтальные нагрузки: при значительных горизонтальных
нагрузках (H/N >0,05) ухудшаются условия работы оснований по
устойчивости (несущей способности);

в) эксцентриситет нагрузки, также ухудшающий условия работы
основания, оценивается как: малый (е = MII / NII <0,10 м), большой (е > 0,3 м) или средний - в указанном интервале.

Сбор нагрузок:

q1=q1п+q1В=2,5+,96=3,5кН/м2

q2=q2п+q2В=2,2+4=6,2кН/м2

q3=q3п+q3В=2+5=7кН/м2

q4=q4п+q4В=2,5+2=4,5кН/м2

Q1= q1+ q3=3.5+7=10.75кН/м2

Q2= q1+2Ч q2+q3=3.5+12.4+7=22.95кН/м2

Q3= q1+2Ч q2=3.5+12.4=15.95кН/м2

Q4= q1+2 q4=3.5+9=12.55кН/м2

Сбор нагрузок на обрез фундаментов

Номер фундамента	Площадь приходящая на фундамент	Нагрузка приходящая на 1м2 (кН/м2)	Нагрузка на колонну N(кН)
	а	b	F(m2)
1	2,75	5,8	15,95	10,7	170,665
1а	6	5,8	34,8	10,7	372,585
2	2,75	8,6	23,65	22,9	541,585
2а	6	8,6	51,6	22,9	1181,64
3	2,75	2,8	7,7	15,9	122,43
3а	6	2,8	16,8	15,9	267,12
4	2,75	5,6	15,4	12,5	192,5
4а	6	5,6	33,6	12,5	420

3. Проектирование и расчет фундаментов на естественном основании

3.1 Общие положения и порядок проектирования

Основание называется естественным, если слагающие его грунты предварительно не подвергаются специальным техническим мероприятиям с целью повышения их прочности или устойчивости.

Проектирование фундамента ведется в следующем порядке:

1) выбор глубины заложения подошвы фундамента;

2) определение размеров подошвы фундамента;

3) проверка напряжений по подошве фундамента;

4) проверка слабого подстилающего слоя;

5) расчет осадки фундамента.

3.2 Определение глубины заложения подошвы фундамента

Проектирование фундамента на естественном основании начинается с назначения глубины заложения подошвы.

Глубина заложения подошвы фундамента на естественном основании (ленточные, отдельно стоящие и пр.) зависит от трех основных факторы:

1. Инженерно-геологических условий площадки строительства;

2. Климатических условий района (от глубины сезонного промерзания);

3. Конструктивных особенностей здания, наличие подземной части (подвалов, приямков, каналов, фундаментов существующих зданий).

1. Инженерно-геологические условия

При анализе инженерно-геологических условий площадки строительства и характера нагрузок, действующих по обрезу фундамента, выбирается несущий слой, который может служить естественным основанием для фундаментов (R0 > 150 кПа).

Выбирая глубину заложения фундамента, следует придерживаться следующим общим правил:

- глубина заложения должна быть не менее 0,5 м;

- в несущий слой фундамент должен заглубляться не менее 0,1…0,2 м;

- при возможности закладывать фундамент выше УГВ. При этом не требуется водоотлива, гарантируется сохранение природной структуры грунтов основания, в противном случае водоотлив, шпунтовое крепление стенок котлована резко увеличивают стоимость земляных работ.

2. Климатические условия

Основными климатическими факторами, влияющими на глубину заложения фундаментов, являются промерзание и оттаивание грунтов.

При промерзании некоторых грунтов наблюдается их морозное пучение - увеличение объема, поэтому в таких грунтах нельзя закладывать фундамент выше глубины промерзания. Морозное пучение грунтов происходит преимущественно за счет миграции (перемещения) влаги к фронту у промерзания из нижележащих слоев. В связи с этим существенное значение имеет положение УГВ в период промерзания. К пучинистым грунтам относятся пылевато-глинистые, пески пылеватые и мелкие. В этих грунтах глубина заложения фундамента зависит от глубины промерзания, если УГВ залегает на глубине не более чем на 2,0 м ниже глубины промерзания.

Глубина заложения фундамента определяется по формуле:

;

где df - расчетная глубина промерзания (м):



kn - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения на глубину промерзания грунтов у фундаментов, принимается по таблице 6;

- коэффициент условий промерзания грунта, учитывающий изменчивость климата (1,1);

dfn - нормативная глубина промерзания, определяема по схематической карте нормативных глубин промерзания глин и суглинков (табл. 7). Для песков и супесей значения dfn, найденные по карте, необходимо увеличить на 20 %.

df=0.6*1.1*0.78=0.5148м, d=0.5148+0.25=0.7648м.

Коэффициент влияния теплового режима сооружения на глубину промерзания грунтов около фундаментов наружных стен

Особенности сооружения	Коэффициент Кn при расчетной среднесуточной температуре воздуха в помещении, примыкающем к фундаменту
	0	5	10	15	20 и более
Без подвала с полами, устраиваемыми: На грунте На лагах по грунту По утепленному цокольному перекрытию С подвалом или техническим подпольем	0,9 1,0 1,0 0,8	0,8 0,9 1,0 0,7	0,7 0,8 0,9 0,6	0,6 0,7 0,8 0,5	0,5 0,6 0,7 0,4

Нормативная глубина промерзания глин и суглинков, найденная по схематической карте

Город	Нормативная глубина промерзания, dfn
Каракалпакстан	138
Шахрисабэ	78
Заравшан	78
Нурата	88
Ташкент	70
Фергана	68

3.3 Конструктивных особенностей здания, наличие подземной части

Основными конструктивными особенностями возводимого здания, влияющими на глубину заложения его фундамента, являются: наличие и размеры подземных и подвальных помещений, приямков или фундаментов под оборудование; глубина заложения фундаментов соседних сооружений; наличие и глубина прокладки подземных коммуникаций и конструкции самого фундамента; величина и характер нагрузок, передаваемых на фундаменты.

Обычно фундаменты заглубляют на 0,5 м ниже пола заглубленных помещений. Если столбчатый фундамент, то - на 1,5 м ниже пола подвала.

В нашем случае проектируем монолитные фундаменты стаканного типа: hf=hпод+0.5м, где: hпод-отметка низа пола заглубленного помещения (подвала), получим: hf=3+0.5=3.5м.

Минимальная высота монолитного фундамента под сборные железобетонные колонны определяется по конструктивным соображениям из условия жесткого защемления колонны в фундамент: hф = аст + 0,2 + 0,3; где аст - глубина стакана, берется не менее максимального размера сечения колонны;

0,2 - минимальная толщина днища стакана, м;

0,3 - минимальная высота уступа, м.

Тогда: hf=0.8+0.2+0.3=1.3м.

Из всех трех факторов, выбирает наибольшая величина, глубины заложения фундамента, которая и принимается за расчетную и в нашем случае равна hf=3.5м.

3.4 Определение размеров подошвы фундамента

После назначения глубины заложения фундамента в первом приближении определяется требуемая площадь его подошвы:

где N2 - нормативная вертикальная нагрузка по обрезу фундамента, кН или кН/м (на один погонный метр стены);

R0 - условное расчетное сопротивление основания, кПа;

гср - среднее значения удельного веса фундамента и грунта выше подошвы фундамента в пределах d, принимается 17 кН/м3 - 19 кН/м3 для зданий с подвалом, 20 - 22 кН/м3 - для бесподвальных сооружений.

d - глубина заложения фундамента, м.

При наличии момента требуемую площадь увеличивают на 20 %.

Ширина подошвы фундамента прямоугольной формы будет равна:

,

где k = l/b - коэффициент соотношения сторон подошвы фундамента, обычно принимается равным отношению поперечных размеров сечения колонн.

По вышеуказанному алгоритму определим для всех типов фундамента приближенную требуемую площадь:

Фундамент №1:

N1=170.665кН; R0=200кН/м2; гcp=21кН/м3; d=3.5м; k=800/600=1.333

Атр= =1,35м2

b= =1м

Фундамент №1а:

N1=170.665кН; R0=200кН/м2; гcp=21кН/м3; d=3.5м; k=800/600=1.333

Атр= =2,94м2

b= =1,5м

Фундамент №2:

N1=170.665кН; R0=200кН/м2; гcp=21кН/м3; d=3.5м; k=800/600=1.333

Атр= =4,28м2

b= =1,8м

Фундамент №2а:

N1=170.665кН; R0=200кН/м2; гcp=21кН/м3; d=3.5м; k=800/600=1.333

Атр= =9,341м2

b= =2,7м

Так как в данном проекте имеется подвал, необходимо установить сейсмический шов. В этом случае нагрузки от 2-х смежных колонн будет нести один групповой фундамент.

Фундамент №3-4:

N3-4=122,43+192,5=314,93кН; R0=200кН/м2; гcp=18кН/м3; d=3.5м; k=800/600=1.333

Атр= =2,3м2

b= =1,3м

Фундамент №3-4а:

N3-4=2.67.12+420=687.12кН; R0=200кН/м2; гcp=18кН/м3; d=3.5м; k=800/600=1.333

Атр= =5,015м2

b= =3м

Фундамент №4:

N3-4=192.5кН; R0=200кН/м2; гcp=18кН/м3; d=3.5м; k=800/600=1.333

Атр= =1,4м2

b= =1м

Фундамент №4а:

N3-4=420кН; R0=200кН/м2; гcp=18кН/м3; d=3.5м; k=800/600=1.333

Атр= =3,06м2

b= =1,5м

После приближенного определения размеров подошвы фундамента определяем требуемую площадь его подошвы:

,

где R - расчетное сопротивление грунта определяется по СНиП 2.02.01-83* по формуле Н.П. Пузыревского:

где и - соответственно коэффициенты условий работы основания и здания (табл. 3 СНиП 2.02.01-83*);

k - коэффициент надежности (k=1, если прочностные характеристики грунта и СII определены непосредственными испытаниями, и k=1,1, если они приняты по табл. 1-3 прил. 1 КМК 2.02.01-98*);

Mг, Mg, Mc - безразмерные коэффициенты, принимаемые по таблице 4 КМК 2.02.01-98*, в зависимости от угла внутреннего трения грунта ();

kz - коэффициент, принимаемый равным: при b<10 kz =1,

при b>10 kz = zo/ (b+0,2) (здесь zo=8м);

b - ширина подошвы фундамента;

и - осредненные расчетные значения удельного веса грунта, залегающего соответственно ниже и выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяют с учетом взвешивающего действия воды). Взвешивающее действие воды учитывается во всех грунтах кроме водонепроницаемых: тугопластичных, твердых, полутвердых глин и суглинков, кН/м3:

, где

гs - удельный вес частицы грунта, указан в задании (табл. 1), кН/м3;

гw = 10 кН/м3 - удельный вес воды; e - коэффициент пористости;

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

,

где hs - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала (обычно не менее 0,3м);

hcf - толщина конструкции пола подвала (около 0,2м);

- расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, принимается 22 кН/м3;

db - глубина подвала - расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (при отсутствии подвала db=0; для сооружений с подвалом шириной B20м и глубиной более 2м db=2м, а при B>20м db=0, d1=d);

сII - расчетное сцепление грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа.

По вышеуказанному алгоритму произведем расчет:

Подберем все коэффициенты формулы Пузыревского из КМК:

c1= 1,2

c2=1

К=1,1

М=0,39

Мg=2,57

Мс=5,15

Кz=1

По выбранным размерам подошвы фундамента (с градацией - 100 мм) производится конструирование фундамента, т. е. определяются его поперечные размеры.

Предварительное количество ступней плитной части столбчатого фундамента и их высота берется с учетом всей высоты плитной части фундамента (см. табл.8, рис. 11)



Общая высота плитной части фундамента H, мм	h1	h2	h2
300 450 600 750 900 1000 1100 1200 1500	30 45 30 30 30 30 30 30 45	- - 30 45 30 30 40 45 45	- - - - 30 40 40 45 60

3.4 Проверка напряжений по подошве фундамента

Размеры подошвы фундамента должны быть подобраны таким образом, чтобы давления по подошве фундамента от внешней нагрузки не превышало допустимых значений, а именно:

; ;

Для фундамента, необходимо всю нагрузку собрать на подошву фундамента, чтобы произвести проверку напряжений по подошве:

- вес фундамента (Nф);

- вес грунта обратной засыпки (Nгр) - обратная засыпка выполняется песком с удельным весом гII = 18 кН/м3 и углом внутреннего трения цII = 30;

- вес бетонного пола - - удельный вес бетона принимается равным 22 кН/м3;

- усилия от горизонтального давления грунта обратной засыпки на стену подвала, при этом необходимо учитывать временную нагрузку на поверхность грунта интенсивностью q = 10 кПа.

Среднее давление по подошве фундамента Рср, определяется по формуле:

, где

Рmax, Рmin определяется по формуле:

,

здесь - эксцентриситет приложения нагрузки;

А - площадь подошвы запроектированного фундамента, м2.

Если условия (17) не выполняются, меняют размеры подошвы фундамента. При незначительной разнице Р и R (примерно 5% - в пределах точности инженерных расчетов), выбранные размеры фундамента оставляют неизменными.

В противном случае необходимо увеличить или уменьшить размеры подошвы фундамента и заново определить Nф, Nгр, Р и R с последующей проверкой условий (17).

Проверка слабого подстилающего слоя. Если верхние слои грунта, на которые опирается фундамент, подстилается менее прочными, то необходимо выполнять проверку слабого подстилающего слоя.

Проверка слабого грунта согласно СНиП 2.02.01-83*, заключается в обеспечении условия:

где - вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента до слабого подстилающего слоя соответственно дополнительное от нагрузки на фундамент и от собственного веса грунта, кПа; Rz - расчетное сопротивление слабого грунта расположенного на глубине z от подошвы фундамента, кПа.

Расчет осадки фундамента. Для основания сложенного нескальными грунтами расчет по деформациям является необходимым. Расчет сводится к определению абсолютной осадки отдельного фундамента. Полученные величины в результате расчета сравнивают с предельно допустимыми, приведенными в СНиП 2.02.01-83*:

где S - деформация фундамента по расчету;

Su - предельное значение деформации, определяемое по прилож. 4 СНиП 2.02.01-83*.

Осадку фундамента можно рассчитывать любым методом, но обязательным является применение метода послойного суммирования. Расчет осадки фундамента методом послойного суммирования с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства определятся в следующей последовательности:

1. Выполняется схема запроектированного фундамента, совмещенная с геологическим разрезом (рис. 12).

2. Сжимаемая толща грунтов, расположенная ниже подошвы фундамента, разбивается на элементарные слои толщиной hi ? 0,4b на глубину примерно 3b, где b - ширина подошвы фундамента. При этом границы элементарных слоев должны совпадать с границами слоев грунта.

3. Строится эпюра природного давления уzq, возникающих в основании от веса выше лежащих слоев грунта. При высоком положении УГВ удельный вес грунта берется с учетом взвешивающего действия воды. В случае если имеем водонепроницаемый грунт (глина, суглинок с IL ? 0), тогда на поверхность этого слоя передается дополнительное давление водяного столба (гwhw). Значения вертикальных напряжений от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента и на границе каждого элементарного слоя определяются по формуле:

где гi - удельный вес i-го слоя грунта, с учетом взвешивающего действия воды, кН/м3;

hi - толщина i-го слоя грунта, м.

4. Строится эпюра дополнительного (уплотняющего) вертикального давления уzp под подошвой фундамента. Начальная ордината эпюры в уровне подошвы фундамента уzq0 определяется по формуле:

где уzq0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента, кПа; уzq0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента, кПа;

P - среднее давление на грунт по подошве фундамента от нормативных нагрузок, кПа.

Значения дополнительных вертикальных напряжений в грунте вычисляются по формуле:

где бi - коэффициент рассеивания напряжений, принимаемый по таблице 9 в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента n = l/b и относительной глубины, равной m = 2z/b.

Величины дополнительных вертикальных напряжений определяются на границах элементарных слоев.

5. Определяется глубина активной зоны (сжимаемой толщи).

Нижняя граница сжимаемой толщи (НГСТ) находится на глубине, где выполняется следующее условие при Е ? 5,0 МПа:

Если найденная граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е < 5,0 МПа или такой слой залегает непосредственно ниже сжимаемой толщи, то нижняя граница ее определяется из условия:

6. Определяется осадка (Si) каждого элементарного слоя, который попадает в сжимаемую толщу, по формуле:

,

где в - безразмерный коэффициент, равный 0,8;

уzpi - среднее значение дополнительного вертикального напряжение в i-том слое грунта, кПа;

hi и Ei - соответственно толщина (м) и модуль деформации (кПа) i-го слоя грунта.

7. Определяется расчетная величина осадки фундамента как сумма осадок элементарных слоев в пределах сжимаемой толщи основания:

где n - число элементарных слоев в пределах сжимаемой толщи.

Все вычисления осадки выполняется в табличной форме (таблица 10) и по полученным результатам строятся эпюры уzq и уzp.

Номер элементарного слоя	Глубина подошвы элементарного слоя от подошвы фундамента, zi (м)	Толщина слоя, hi (м)	Удельный вес грунта, с учетом взвешивающего действия воды г кН/м3	Природное давление уzq на глубине zi, кПа	Коэффициент m = 2z/b	Коэффициент бi	Дополнительное давление уzр на глубине zi, кПа	Среднее давление в слое , кПа	Модуль деформации каждого слоя Еi, кПа	Осадка слоя, м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

Значения коэффициентов рассеивания напряжений

или	Коэффициентыдля фундаментов
	круглых	Прямоугольных с соотношением сторон , равным	Ленточных при
		1	1,4	1,8	2,4	3,2	5
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0 6,4 6,8 7,2 7,6 8,0 8,4 8,8 9,2 9,6 10,0 10,4 10,8 11,2 11,6 12,0	1,000 0,949 0,756 0,547 0,390 0,284 0,213 0,165 0,130 0,106 0,087 0,073 0,062 0,053 0,046 0,040 0,036 0,032 0,028 0,025 0,023 0,021 0,019 0,017 0,016 0,015 0,014 0,013 0,012 0,011 0,010	1,000 0,960 0,800 0,606 0,449 0,336 0,257 0,201 0,160 0,131 0,108 0,091 0,077 0,067 0,058 0,051 0,045 0,040 0,036 0,032 0,029 0,026 0,024 0,022 0,020 0,019 0,017 0,016 0,015 0,014 0,013	1,000 0,972 0,848 0,682 0,532 0,414 0,325 0,260 0,210 0,173 0,145 0,123 0,105 0,091 0,079 0,070 0,062 0,055 0,049 0,044 0,040 0,037 0,033 0,031 0,028 0,026 0,024 0,022 0,021 0,020 0,018	1,000 0,975 0,866 0,717 0,578 0,463 0,374 0,304 0,251 0,209 0,176 0,150 0,130 0,113 0,099 0,087 0,077 0,069 0,062 0,056 0,051 0,046 0,042 0,039 0,036 0,033 0,031 0,029 0,027 0,025 0,023	1,000 0,976 0,875 0,739 0,612 0,505 0,419 0,349 0,294 0,250 0,214 0,185 0,161 0,141 0,124 0,110 0,099 0,088 0,080 0,072 0,066 0,060 0,055 0,051 0,047 0,043 0,040 0,037 0,035 0,033 0,031	1,000 0,977 0,879 0,749 0,629 0,530 0,449 0,383 0,329 0,285 0,248 0,218 0,192 0,170 0,152 0,136 0,122 0,110 0,100 0,091 0,084 0,077 0,071 0,065 0,060 0,056 0,052 0,049 0,045 0,042 0,040	1,000 0,977 0,881 0,754 0,639 0,545 0,470 0,410 0,360 0,319 0,285 0,255 0,230 0,208 0,189 0,172 0,158 0,145 0,133 0,123 0,113 0,105 0,098 0,091 0,085 0,079 0,074 0,069 0,065 0,061 0,058	1,000 0,977 0,881 0,755 0,642 0,550 0,477 0,420 0,374 0,337 0,306 0,280 0,258 0,239 0,223 0,208 0,196 0,185 0,175 0,166 0,158 0,150 0,143 0,137 0,132 0,126 0,122 0,117 0,113 0,109 0,106



Расчетная схема для определения осадки фундамента

Эпюры природных давлений дzq

а) при наличии грунтовой воды и третьего водоупорного слоя;

б) при наличии грунтовой воды и первого водоупорного слоя.

4. Проектирование и расчет свайных фундаментов

4.1 Общие положения и порядок проектирования

Свайный фундамент состоит из свай и плиты (ростверка), объединяющей сваи и передающей на них нагрузку от сооружения. Основным рабочим элементом свайного фундамента является свая, воспринимающая нагрузку от сооружения и передающая ее на грунт.

Область применения свайных фундаментов определяется в первую очередь инженерно-геологическими условиями строительной площадки.

В зависимости от конструктивного решения сооружения и нагрузок свайные фундаменты могут устраиваться в виде:

а) кустов - под колонны с размещением двух и более свай, связанных ростверком;

б) лент - под стены зданий и сооружений с расположением свай в один, два ряда или в шахматном порядке.

Вид применяемых в фундаменте свай (забивных, буронабивных и т. д.) зависит от грунтовых условий площадки и передаваемых на фундамент нагрузок. В курсовом проекте рекомендуется применять забивные призматические сваи с постоянным сечением.

Свайный фундамент целесообразно проектировать поэтапно в следующей последовательности:

1) определяется глубина заложения ростверка;

2) выбирается тип, длина и поперечное сечение сваи;

3) определяется несущая способность сваи и необходимое количество свай;

4) конструируется ростверк;

5) проверка свайного фундамента по I-му предельному состоянию (проверка наиболее нагруженной сваи);

6) проверка напряжений под подошвой условного фундамента;

7) расчет осадки свайного фундамента.

4.2 Назначение глубины заложения ростверка

Глубина заложения подошвы ростверка назначается с учетом конструктивных особенностей здания (наличия подвала, технического подполья, заделки колонны в ростверк и т.д.) и не зависит от геологических условий и глубины сезонного промерзания.

Ростверк, как правило, располагают ниже пола подвала. Для удобства производства работ ростверк стремятся закладывать выше УГВ. В пучинистых грунтах, если ростверк заложен в пределах возможного промерзания, необходимо предусматривать мероприятия по снижению или ликвидации сил пучения (делают воздушный зазор под ростверком, размером несколько больше величины ожидаемого пучения, или под ростверком укладывают слой шлака толщиной не менее 30 см или песка - не менее 50 см).

Обрез ростверка принимается на 150 мм ниже планировочной отметки. В производственных зданиях с подвалом отметка верха ростверка принимается равной отметке пола подвала.

Высота ростверка под стену для предварительных расчетов принимается равной 300 мм, шириной не менее 400 мм. Высота ростверка под колонну должна быть такой, чтобы слой бетона ниже дна стакана был не менее 400 мм.

4.3 Выбор типа, длины и поперечного сечения сваи

Сваи по условиям работы в грунте (в зависимости от свойств грунтов, залегающих под нижним концом) подразделяются на сваи стойки и висячие сваи.

Сваи, которые передают нагрузку нижним концом на практически несжимаемые грунты (скальные, полускальные породы, гравийно-галечные отложения, глины твердой консистенции), относят к сваям стойкам. Силы трения грунта по боковой поверхности свай стоек при расчете их несущей способности не учитываются. Свая-стойка работает как сжатая стойка.

Если основание имеет значительную толщу слабых грунтов, то применяются висячие сваи - сваи трения, которые своим концом должны быть заглублены в несущий относительно прочный слой. Висячие сваи передают нагрузку на грунт боковой поверхностью и нижним концом.

Длина сваи назначается после принятия глубины заложения ростверка и определяется глубиной заложения прочного грунта, в который заглубляется свая и уровнем расположения подошвы ростверка. При назначении длины сваи слабые грунты (насыпные, торф, грунты в текучем и рыхлом состоянии) необходимо прорезать, а концы свай заглублять в прочные грунты. Глубина внедрения сваи в несущий слой должна быть:

- в пески гравелистые, крупные и средней крупности и глинистые грунты с показателем текучести JL ? 0,1 на глубину не менее 0,5 м;

- в прочие виды нескальных грунтов - не менее 1,0 м.

При центральном нагружении ростверка минимальная длина сваи 2,5 м, при внецентренном нагружении - 4,0 м.

Длина сваи - L (расстояние от головы до начала заострения) определяется из выражения:

L = д + H + Lнесущ. слоя

где д - глубина заделки сваи в ростверк, м;

H - мощность слабых грунтов, которые проходит свая, м;

Lнесущ. слоя - глубина внедрения сваи в несущий слой, м.

Глубина заделки сваи в ростверк зависит от вида соединения:

- при свободном соединении головка сваи входит в ростверк на глубину 5-10 см, такое соединение возможно для центрально нагруженных свай;

- при жестком соединении величина заделки сваи в ростверк должна быть не менее 30 диаметра рабочей арматуры, такое соединение предусматривается при расположении свай в слабых грунтах при действии нагрузки с большим эксцентриситетом или при значительных горизонтальных нагрузках.

Полученную длину сваи округляют до длины стандартной сваи (в большую сторону) и принимают поперечное сечение свай (таблица 11).

Сваи железобетонные забивные призматические

(по ГОСТ 19804-78)

Сечение сваи, мм	Длина свай, м	Марка бетона	Сечение и класс продольной арматуры
200200	3,0 - 6,0 (кратной 0,5 м)	В15	4d12 А400
250250	4,5 - 6,0 (кратной 0,5 м)	В15	4d12 А400
300300	3,0 - 6,0 (кратной 0,5 м); 7,0	В15	4d12 А400
300300	8,0; 9,0; 10,0	В20	4d12 А400
300300	11,0; 12,0	В20	4d16 А400
350350	8,0; 9,0; 10,0 (кратной 1,0 м)	В20	4d12 А400
350350	11,0; 12,0	В20	4d16 А400
350350	13,0 - 16,0 (кратной 1,0 м)	В25	8d16 А400
400400	13,0 - 16,0 (кратной 1,0 м)	В25	8d16 А400

4.4 Определение несущей способность сваи и количество свай

После назначения глубины заложения ростверка и определения длины сваи находят несущую способность сваи.

Несущая способность сваи определяется из условий прочности материала сваи и грунта. В последующих расчетах используют меньшую из двух значений несущую способность.

Несущая способность сваи (сваи-стойки и висячей) по материалу определяется по формуле:

, кН

где гс - коэффициент условий работы сваи в грунте (при размере поперечного сечения сваи не более 200х200 мм - гс = 0,9; более 200х200 мм - гс = 1;

ц - коэффициент, учитывающий особенности загружения и для свай, полностью находящихся в грунте, ц = 1;

Rb - расчетное сопротивления бетона сжатию (табл. 12), кПа;

Rs - расчетное сопротивление арматуры растяжению (табл. 12), кПа;

А - площадь поперечного сечения сваи, м2;

Аs - площадь поперечного сечения всех продольных стержней, м2.

Расчетные сопротивления бетона и арматуры

(по СП 52-101-2003)

Расчетные сопротивления тяжелого бетона
Класс бетона	В10	В15	В20	В25	В30
Rb, МПа	6,0	8,5	11,5	14,5	17,0
Расчетные сопротивления стержневой арматуры
Класс арматуры	А240	А300	А400	А500	В500
Rs, МПа	215	270	355	435	415

Несущую способность по грунту свай-стоек определяют по формуле:

, кН

где гс - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимают равным 1;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое для скальных, полускальных породы, гравийно-галечных отложений, глин твердой консистенции R = 20000 кПа;

А - площадь опирания поперечного сечения сваи на грунт, м2.

Несущая способность по грунту висячей сваи определяется по формуле:

, кН

где гс - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимают равным 1;

гсR; гсf - коэффициенты условий работы грунта под нижним концом и по боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи, для забивных свай гсR = гсf = 1;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимается по таблице 13, кПа;

А - площадь поперечного сечения сваи, м2;

u - периметр поперечного сечения сваи, м;

fi - расчетное сопротивления i-го слоя грунта основания мощностью hi (не более 2,0 м) по боковой поверхности сваи, принимаемое по таблице 14, кПа.

hi - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

При определении fi и hi пласты грунтов, прорезанные сваей, следует расчленить на однородные слои толщиной не более 2,0 м.

Для песков плотного сложения расчетное сопротивления грунта под нижним концом сваи (R) повышается на 60%, а расчетное сопротивления грунта по боковой поверхности сваи (fi ) - на 30%.



Схема к определению несущей способности по грунту висячей сваи

Расчетные сопротивления грунта под нижним концом забивных свай, R

Глубина погружения нижнего конца сваи zR, м	Расчетное сопротивление песчаных грунтов средней плотности, МПа
	гравелистые	крупные	-	Средней крупности	мелкие	пылеватые	-
	и глинистых грунтов с консистенцией JL, МПа
	0,0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
3	7,5		3			1,1	0,6
4	8,3		3,8			1,25	0,7
5	8,8		4			1,3	0,8
7	9,7		4,3			1,4	0,85
10	10,5		5			1,5	0,9
15	11,7		5,6		2,9	1,65	1,0
20	12,6	8,5	6,2		3,2	1,8	1,1
25	13,4	9	6,8	5,2	3,5	1,95	1,2
30	14,2	9,5	7,4	5,6	3,8	2,1	1,3
35	15	10	8	6	4,1	2,25	1,4

П р и м е ч а н и е. Значения R в числителе соответствуют пескам средней плотности, а в знаменателе - глинистым грунтам. Для песков плотного сложения расчетное сопротивления грунта под нижним концом сваи (R) повышается на 60%.

Расчетные сопротивления по боковой поверхности свай, f

Расстояние от поверхности земли до середины рассматриваемого слоя zi, м	Расчетное сопротивление f песчаных грунтов средней плотности, кПа
	Крупные и средней крупности	мелкие	пылеватые
	Расчетное сопротивление f глинистых грунтов с консистенцией JL , кПа
	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 25 30 35	35 42 48 53 56 58 62 65 72 79 86 93 100	23 30 35 38 40 42 44 46 51 56 61 66 70	15 21 25 27 29 31 33 34 38 41 44 47 50	12 17 20 22 24 25 26 27 28 30 32 34 36	8 12 14 16 17 18 19 19 20 20 20 21 22	4 7 8 9 10 10 10 10 11 12 12 12 13	4 5 7 8 8 8 8 8 8 8 8 9 9	3 4 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8	2 4 5 6 6 6 6 66 6 6 6 7 7

П р и м е ч а н и я. Для плотных песков значение f увеличивается на 30% .

грунт фундамент основание свая

Определение допустимой нагрузки на сваю

Расчетная (допустимая) нагрузка на сваю определяется по формуле:

гg = 1,4- коэффициент надежности по грунту.

Определение числа свай

Для определения количества свай необходимо знать ориентировочный вес ростверка и грунта на его ступенях. Для этого находят среднее давление на основание под подошвой ростверка (РР) из условия, что минимальное расстояние между сваями висячими в кусте составляет 3d, сваями стойками - 1,5d, где d - размер поперечного сечения сваи.

Для висячей сваи:

Для сваи-стойка:

Зная Рр определяют площадь подошвы ростверка, м2:

где NI - расчетная нагрузка по обрезу фундамента;

гср - средний удельный вес материала фундамента и грунта принимают 20 кН/м3;

dр - глубина заложения ростверка, м;

гр - коэффициент надежности по нагрузке, равный 1,1.

Ориентировочно вес ростверка и грунта определяем из выражения:



Количество свай определяется по формуле:

k - коэффициент, учитывающий действие момента, принимаемый k = 1…1,6.

Полученное число свай округляется до целого числа в сторону увеличения, удобного для размещения и забивки.

4.5 Конструирование ростверка

Конструирование ростверка начинают с размещения свай в плане. Желательно сваи размещать в плане фундамента правильными рядами. Оси одиночных свайных рядов должны совпадать с линиями действия нагрузок. Сваи могут располагаться в рядовом или шахматном порядке. Ряды свай располагают на равных расстояниях.

Если сваи висячие, то минимальное расстояние между осями свай принимают не менее 3d.

Если свая стойка, то минимальное расстояние между осями свай принимают не менее 1,5d.

Ленточные фундаменты - сваи располагаются в один, два и три ряда. Расстояние между сваями можно определить из выражения:

где kp - число рядов свай;

N - расчетная нагрузка от сооружения и от веса ростверка, грунта на 1 м длины фундамента, кН/м.

Расстояние от наружной грани сваи до края ростверка (свес) принимается не менее 0,25 м

4.6.Проверка свайного фундамента по I-му предельному состоянию (проверка усилий, передаваемых на сваю)

После размещения свай в ростверке и определения размеров ростверка определяют вес ростверка:

Далее определяют фактическую нагрузку, приходящую на одну сваю.

Если фундамент центрально нагруженный фактическую нагрузку определяют по формуле:

где nф - фактическое количество свай.

Перегруз свай не допускается, а недогруз, как правило, не должен превышать 5%, т.е.

Если фундамент внецентренно нагруженный фактические нагрузки определяют по формуле:



где МI - расчетный момент всех сил относительно центра тяжести подошвы ростверка, кНм:

y - расстояние в направлении действия момента МI от центра тяжести площади сечения подошвы всех свай до оси рассматриваемой свай, м;

yi - сумма квадратов расстояний от главных осей до оси каждой сваи, м;

nф - фактическое число свай.

Для нахождения экстремальных значений выбирают крайние сваи в ростверке и проверяют условия:

, ,

где Р - расчетная (допустимая) нагрузка на сваю.

Если условие не соблюдается, то увеличивают либо количество свай, либо расстояние между ними или изменяют конструкцию.

Перегрузка свай не допускается, если свая работает на выдергивание, т. е. , то необходимо проверить работу сваи на выдергивающую нагрузку, т. е. свая будет воспринимать нагрузку только боковой поверхностью, где:



4.4 Проверка свайного фундамента по II-му предельному состоянию

4.4.1 Проверка напряжений под подошвой условного фундамента

Расчет оснований свайных фундаментов по деформациям обязателен, за исключением фундаментов со сваями-стойками. Расчет осадки свайного фундамента производится как для условного фундамента, который передает равномерно-распределенное давление на грунт в плоскости острия свай.

Определение размеров условного фундамента

Весь свайный фундамент рассматривают как условный массив, включающий сваи и грунт вокруг них. Условный массив ограничивают контурами: сверху - поверхностью планировки, снизу - плоскостью в уровне нижних концов свай, с боков - вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстояние , но не больше 2d,

где - осредненное значение угла внутреннего трения, в пределах длины сваи h, град:

здесь цi - расчетные значения угла внутреннего трения для отдельных слоев толщиной hi.



Схема определения размеров условного массива и осадки

Размеры подошвы условного фундамента bc и lc определяют по формулам:

,

где b0 и l0 - расстояние между наружными гранями крайних рядов свай вдоль меньшей и большей сторон подошвы ростверка, м.

Вес условного фундамента определяют по формуле:

где - значение удельного веса отдельных слоев грунта, кН/м3, толщиной hi, в пределах глубины заложения условного фундамента dc.

Определяют средний удельный вес грунта:

, кН/м3

Определяют расчетное сопротивление грунта при условии опирания условного фундамента на основание:

Определяют среднее фактическое давление по подошве условного фундамента:

В случае невыполнения условия увеличивают длину свай или их количество. При выполнении условия производят расчет осадки свайного фундамента.

4.4.2 Расчет осадки свайного фундамента

Расчет осадки свайного фундамента производится методом послойного суммирования аналогично расчету осадки фундамента на естественном основании. При этом верхняя граница сжимаемой толщи соответствует подошве условного массивного фундаме...