4.1 Определение нормативной глубины заложения фундамента

Нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn, м, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле

(3,1)

где: M_t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемых по СНиП по строительной климатологии и геофизике, а при отсутствии в них данных для конкретного пункта или района строительства - по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства;

d_{0 -} глубина промерзания при среднемесячной отрицательной температуре , для: суглинков и глин - 0,23;

супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28;

песков гравелистых, крупных и средней крупности - 0,30;

крупнообломочных грунтов - 0,34.

Значение d₀ для грунтов неоднородного сложения определяется как средневзвешенное в пределах глубины промерзания. Для города Н. Новгорода M_t составляет 41,3 по СНиП 23-01-99 [4].

d_fn = 0,28* 6,43 = 1,8 м

Определение расчетной глубины заложения фундамента

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта d_f, м, определяется по формуле

(3,2)

где: d_fn - нормативная глубина промерзания, определяемая по формуле(3,1).

k_h - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый:

для наружных фундаментов отапливаемых сооружений - k_h = 0,7 (Таблица 12,1 СП 50-101-2004)[3].

D_f = 1,8·0,7 = 1,26 м

Глубина заложения фундамента в зависимости от расчетной глубины промерзания с учетом колебания среднемесячных отрицательных температур:

d₁ = 1,27+0,05+0,1 = 1,41 м

Определение глубины заложения фундамента в зависимости от глубины расположения уровня подземных вод d_w

По СНиП 2.02-01-83* / 3 /, для супеси текучей глубина заложения фундамента должна быть не менее d _f т.к. d _w<d _f+2м.

Уровень грунтовых вод

d _w = 3,2 м d _f+2м = 1,41+2 = 3,41 м

По конструктивным соображениям глубина заложения фундамента должна быть с учётом глубины заложения подвала

d_в = 3,0 м d = d_в+h_сf+h_s = 3,0+0,2+0,3 = 3,5 м

(глубина заложения подошвы), во 2-ом геологическом слое №17.4.2 Расчет ленточного фундамента

Стену подвала принимаем из 6-ти стеновых блоков ФС-5 и 1-го ФСН -5 ГОСТ 13579-78.

Общая высота фундамента:

h = 6 0,58 + 1 0,58 = 4,0 м

-нормативная нагрузка под наружную стену, b = 1.0м.

где

Нагрузка от веса грунта по II-ой группе:

удельный вес грунта, кН/м³,выше подошвы фундамента.

Определим усилия в плоскости подошвы фундамента. Примем плиту марки Ф 10, тогда нормативная нагрузка от веса фундамента составит:

Интенсивность давления грунта на подпорную стенку определяется:

,

где L - высота подпорной стенки, с учётом фиктивного слоя, м;

- среднее значение угла сдвига, зависящего от и С.

где q = 10 кН/м

L = d + h_пр = 3,5 + 0,55 = 4,05 м

Момент от активного давления грунта:

Момент относительно центра тяжести подошвы фундамента от веса грунта на его обрезе:

где

где

Расчет оснований по деформациям

Расчет оснований по деформациям относится к расчету по II гр. предельных состояний. К ним относятся такие состояния, которые затрудняют нормальную эксплуатацию сооружения или снижают его долговечность вследствие недопустимых перемещений (осадок, прогибов, кренов, поворотов и т.д.).

При расчете по деформациям вначале проверяется способность основания выдержать давление от фундамента:

Затем определяют осадку фундамента и сравнивают ее с допустимой:

Определяем расчётное сопротивление грунта на глубине 3,5 м (песок мелкий, плотный, насыщенный водой):

При b = 1.0 м, d = 3,5 м, d_b1 = 2.0 м, = 1,3, = 1,3 из условия, что соотношение длины и высоты сооружения равно = 1,3.

При = , с = 6кПа, = 0,84, = 4,37, = 6,90 (прил. 2).

По формуле (12) получим

Принимаем ширину подвала В<20м, поэтому глубина подвала

d_b1 = 2,0 м

h_s = d-d_в-h_cf = 1,3 м

Проверка:

1) P_II ? R

P_II = 366,4 кПа < R = 497 кПа - условие выполняется, запас составляет:

2) P_{II max} ? 1,2R

P_{II min} > 0

- условие выполняется.

- условие выполняется.

Принимаем фундаментную ленту Ф10,т.к. b = 1м.

Армирование фундаментной подушки

Определяем расчётные нагрузки в плоскости подошвы по первой группе предельных состояний: N_I и M_I.

Коэффициенты надёжности по нагрузке

_{f гр} = 1,15, _{f ф} = 1,1

Изгибающий момент в сечении у грани стены 1-1 определяется по формуле:

где

Требуемая площадь сечения арматуры:

где h₀ = h-a - рабочая высота сечения,

а - толщина защитного слоя бетона;

h₀ = 0,3 - 0,04 = 0,26 м

R_s - расчетное сопротивление арматуры на растяжение.

Шаг рабочих стержней назначают от 100 до 200 мм. Шаг распределительной арматуры 250 - 300 мм. Площадь сечения нерабочей арматуры должно составить 2 - 10 % от А_s . Класс арматуры А300, А400. Класс бетона принимаем на выше В25.

Определяем изгибающий момент в сечении:

Тогда требуемая площадь сечения арматуры:

Принимаем 5Ш А6(400) А_s = 142 мм² с шагом 200 мм

Площадь сечения распределительной арматуры:

0,2 А_s = 0,2 · 142 = 28,4 мм²

Принимаем 9Ш4 А400 А_s = 113 мм² с шагом 250 мм

4.3 Определение осадки ленточного фундамента методом эквивалентного слоя

Метод эквивалентного слоя базируется на теории линейно деформированного полупространства, значительно упрощает технику расчета осадок и имеет следующие допущения:

- деформация грунта пропорциональна действующему напряжению;

- грунт однороден в пределах полупространства;

- деформации грунта в пределах полупространства принимают по теории упругости.

Величина конечной осадки по методу эквивалентного слоя определяется по формуле

- дополнительное давление под подошвой фундамента;

· h_э- мощность эквивалентного слоя грунта так как согласно формуле:

где А_v = 1,62 - значение, принятое по таблице, оно зависит от коэффициента Пуассона х = 0,25 и з = l / b = 2,38.

Имеем h_э = 1,62 1 = 1,62 м.

При неоднородном основании в пределах сжимаемой толщи (Н_с = 2h_э) в формуле используют средний коэффициент относительной сжимаемости грунта:

где h_i - мощность i-го слоя грунта в пределах сжимаемой толщи

Н_с = 2h_э = 21,62 = 3,24 м

m _vi - коэффициент относительной сжимаемости грунта i-го слоя грунта,

z_i - расстояние от нижней границы сжимаемой толщи до середины i-го слоя грунта.

Коэффициент найдём, воспользовавшись рисунком:

В активную зону сжатия Н_с попадает 3 слоя грунта:

h₁ = 1,1 м,

h₂ = 2,0 м,

h₃ = 0,14 м

Средневзвешенное значение коэффициента Пуассона в пределах активной зоны сжатия:

Тогда уточнённое значение А_v :

при v = 0,19 А_v = 1,54

h_э = 1,54 1 = 1,54 м

Н_с = 2h_э = 21,54 = 3,1 м

m _v1 = 510^-5 кПа^-1; m _v2 = 310^-5 кПа^-1; m _v3 = 2,410^-4 кПа^-1;

h₁ = 1,1 м, h₂ = 2,0 м.

z₁ = 1,45м, z₂ = 1,0 м.

Будем иметь:

В итоге находим конечную осадку:

S = 90 1,54 7 10^-5 = 0,0097 м = 1,0 см.

4.4 Прогнозирование осадки ленточного фундамента во времени

Определение осадок фундамента для любого промежутка времени от начала загружения - одна из сложнейших задач механики грунтов, решение которой получено лишь для отдельных пространственных случаев и базируется на теории фильтрационной консолидации. Консолидация - уплотнение грунта во времени под действием постоянной нагрузки.

Расчет осадки во времени проводят в соответствии со следующими допущениями:

рассматриваемый слой толщиной h сложен полностью водонасыщенным однородным грунтом;

движение воды в порах соответствует закону ламинарной фильтрации;

воду в грунтах считают свободной, несжимаемой и гидравлически непрерывной;

в первый момент времени после приложения нагрузки все давление передается на воду и по мере отжатия ее из пор на скелет грунта, который представляет собой линейно - деформируемое тело.

Величину осадки за отрезок времени t с момента приложения нагрузки находят по зависимости

где S - конечная осадка, определение которой рассмотрено в предыдущих разделах;

U - степень консолидации.

Согласно теории фильтрационной консолидации, время консолидации t с момента приложения нагрузки определяют по формуле,

где - коэффициент, величина которого зависит от длины пути фильтрации h (высоты уплотняемого слоя), коэффициента консолидации и величины р = 3,14; N - безразмерный коэффициент.

Величину коэффициента N определяют по табл. в зависимости от характера распределения напряжения в грунтах (схема загружения) и степени консолидации U, причем степенью консолидации задаются.

Коэффициент консолидации вычисляют по формуле

где к_фm - осредненное значение коэффициента фильтрации в пределах сжимаемой толщи H_c (активной зоны сжатия);

m_v - осредненное значение коэффициента относительной сжимаемости в пределах сжимаемой толщи;

- удельный вес воды (10 кН/м³).

Среднее значение коэффициента фильтрации в пределах сжимаемой толщи Н_с вычисляют как

где h_i - мощность i-го слоя грунта в пределах сжимаемой толщи Н_с,

к_фi - коэффициент фильтрации i -го слоя грунта. При слоистом залегании грунтов в пределах сжимаемой толщи рассматривают следующие случаи: водопроницаемость слоев грунта с глубиной уменьшается, т.е.

к_ф1 >к_ф2 > к_ф3 > (рис. 10.2, а). Расчет приближенно проводят по схеме 2 при

h = H_с = 2h_э;

- под толщей залегает слой хорошо фильтрующего грунта (рис. 10.2, б), т.е. к_ф1 <к_ф2 < к_ф3. В этом случае вода отжимается вверх и вниз. Приближенно задача сводится к схеме 0, принимая путь фильтрации

H = H_c/2 = h_э;

- в толще хорошо фильтрующих грунтов залегает слой с пониженным коэффициентом фильтрации (например, прослойка суглинка в слое супеси или песка). Определение осадки ведут по схеме 0. При этом путь фильтрации h равен половине водоупорного слоя, т.е. h = h₂/2 (рис. 10.2,в).

Рис. 10.2

Величина конечной осадки по методу эквивалентного слоя определяется по формуле

где кН/м³

- дополнительное давление под подошвой фундамента;

· h_э- мощность эквивалентного слоя грунта так как согласно формуле:

Средневзвешенное значение коэффициента Пуассона в пределах активной зоны сжатия:

h₁ = 1,1м,

h₂ = 2,0 м

В итоге находим конечную осадку:

S = 90 1,54 7 10^-5 = 0,0097 м = 1,0 см.

Определим средневзвешенное значение коэффициента фильтрации в пределах сжимаемой толщи:

Определяем коэффициент консолидации, зная, что m_v = 7 10^-5 Па^-1,

В нашем случае расчёт будем вести по схеме 0, при h = H_с/2 = h_э.

Рис. 4.2

По формуле (58) рассчитаем время консолидации:

где М = 243 сут.

Далее расчёт ведём в табличной форме:

Таблица 6

График затухания осадки во времени:

4.5 Расчет столбчатого фундамента

Размер подколонника в плане назначаем по типовым фундаментам (глава 2 табл. 2.1 Долматов).

При определении расчетного сопротивления столбчатого фундамента на глубине 4,7 м - глина твёрдая (слой №62), d_в = 0.

h_s = 1,2 + 0,3 = 1,5 м Принимаем:

d₁ = 1,73 м,

b = 1,19м,

= 1,25,

= 1,2 из условия, что соотношение длины и высоты сооружения равно = 1,3 (прил. 4).

При = , с = 49 кПа, = 0,39, = 2,57, = 5,15 (прил. 2).

По формуле (12) имеем:

,

Для глины расчетное сопротивление равно:

геологический грунт нагрузка фундамент осадка

- условие выполняется. Принимаем b = 1,19 м.

- условие выполняется.

Принимаем к расчёту

b = 1,19 м., b = 2,4 м. (ФП-24-12)

Тогда , где

Необходимо, чтобы выполнялось условие

,

условие выполняется, запас составляет

условие выполняется.

Армирование фундамента по подошве

Сечение рабочей арматуры принимается на всю ширину сечения:

Принимаем 5 Ш 14 А400 А_s = 2539 мм² с шагом 250 мм.

Конструирование фундамента. Расчёт на продавливание

- расчетное сопротивление бетона растяжению.

Принимаем В25, ;

Расчет на поперечную силу на прочность бетона ступеньки в наклонном сечении.

Причём Q принимается не менее 0,6R _bt · b · h'₀ = 194,9 кН и не более

2,5 R _bt · b · h'₀ = 812,5 кН.

4.6 Проверка достаточности размеров подошвы фундамента при наличии подстилающего слоя слабого грунта

Проверку производят в том случае, если под несущим слоем грунта залегает более слабый грунт, условное сопротивление которого R₀ (таблица 3) меньше, чем у несущего слоя. Методика проверки несущей способности подстилающего слоя грунта приведена ниже. Проверку несущей способности подстилающего слоя грунта следует производить исходя из условия:

z_i - расстояние от подошвы фундамента до поверхности проверяемого подстилающего слоя грунта, м;

-- коэффициент, принимаемый по таблице;

р - среднее давление на грунт, действующее под подошвой фундамента мелкого заложении(кПа):

d - заглубление подошвы фундамента мелкого заложения от расчетной поверхности грунта, м:

Z = d- Z_I Z = 4,7-1,6 = 3,1 м

- среднее (по слоям) значение удельного веса грунта, расположенного над кровлей проверяемого слоя (19,62кН/_м3)

R - расчётное сопротивление подстилающего слоя грунта, кПа;

_- коэффициент надёжности (1,4)

Для прямоугольного в плане фундамента в зависимости от соотношения сторон его подошвы l/b по таблице 6.4/5/ при

Найдём коэффициент изменения дополнительного напряжения по глубине основания, учитывающий форму подошвы фундамента: Напряжение от загрузки фундамента:

у_Zр = ·d):

у_Zр = ) = 63,3кПа

Напряжение от собственного веса грунта:

,

где = удельный вес грунта i-того слоя грунта в пределах глубины d_пZ, кН/м³

На кровлю слоя слабого грунта приходится давление:

у_ZII = у_Zр+у_Zg = 63,3+77,2 = 140,5 кПа

Расчётное сопротивление слабого грунта (суглинка текучепластичного):

= 1,0, = 1,0. При = ,

с = 17 кПа, = 0,29,

= 2,17, = 4,69.

По формуле (12) имеем

,

Необходимо, чтобы выполнялось условие

, условие выполняется. Размеры фундамента выбраны верно.

4.7 Определение осадки столбчатого фундамента методом послойного суммирования

Метод послойного суммирования рекомендуется СП 22.13330.2011 "Основания зданий и сооружений" для расчёта осадок фундаментов зданий и сооружений и СП "Расчёт осадок фундаментов опор мостов и путепроводов".

В основе метода послойного суммирования лежат следующие допущения:

грунт в основании представляет собой сплошное изотропное линейно - деформируемое тело;

осадка обусловлена действием только вертикального напряжения, остальные пять компонентов напряжения не учитываются;

боковое расширение грунта в основном невозможно;

напряжение определяется под центром подошвы фундамента;

деформация рассматривается только в пределах сжимаемой толщи Н_с.

в соответствии с СП 22.13330.2011 п.5.6.35 осадку определяем по формуле:

в - безразмерный коэффициент равный 0,8;

у_zpi - среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i - ом слое грунта, равное полу сумме дополнительных напряжений на верхней и нижней границах слоя;

у_zгi - среднее напряжение в i - ом слое от собственного веса грунта в пределах глубины заложения фундамента;

h_i и E_i - соответственно толщина и модуль деформации слоя грунта;

n - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

Расчет осадки грунта ведут в указанной ниже последовательности:

Массив грунта ниже подошвы фундамента разбивают на слои толщиной h_i ?0,4b до глубины (как показала практика), равной 3b, где b - ширина фундамента. Под центром подошвы фундамента строят эпюру природного давления грунта, вычисляя ординаты эпюры в уровне подошвы фундамента, на границах слоев h_i и природных напластований фундаментов по формуле: у_zрi = б · Р

Природное давление под подошвой фундамента определяют по формуле: у_zg0 = г₁ · б

Далее определяют среднее напряжение от собственного веса грунта по формуле: у_zгi = б · G_zg0

Дополнительное давление вычисляют на тех же глубинах, что и природное. Величина у_zp с глубиной убывает, поэтому при расчете целесообразно ограничиваться сжимаемой толщей Н_с, ниже которой деформации грунтов пренебрежительно малы.

Нормы рекомендуют мощность сжимаемой толщи H_c для грунтов с модулем деформации E>5 MПа, как в нашем случае принимать до глубины, где выполняется условие: у_zp ? 0,5 у_zgi

Производим разбивку грунтовой толщи ниже подошвы фундамента на элементарные слои : Строим эпюру природного давления:

(См. рис. 4.6.1)

Определяем природные давления грунта на границах элементарных слоев и в уровне подошвы фундамента.

На границе слоев глины твёрдой и супеси текучей:

В уровне подошвы фундамента:

На глубине 0,5 м от подошвы фундамента:

.

На границе слоя суглинка текучепластичного и глины твёрдой:

Дополнительное давление под подошвой фундамента

Дополнительные вертикальные напряжения на глубине Z от подошвы фундамента вычисляют по формуле

.

Коэффициент определяют по таблице СНиП 2.05.01-83^* в зависимости от

и у_zгi = б · G_zg0

Дальнейшие расчеты приводим в табличной форме. (Табл. 7)

Таблица 7

Определяем величину конечной осадки:

Рис. 4.6.1

5. Проектирование и расчет свайных фундаментов

5.1 Расчет ленточного свайного фундамента

Рис. 5.1.1

Выбор глубины заложения ростверка:

, где

d_b - расстояние от планировочной отметки до пола подвала;

h_cf - толщина пола подвала;

h_p- высота ростверка (0,3-0,5 м).

(см. рис. 5.1.1).

Выбор длины и типа свай:

Принимаем сваи С4-20 квадратного поперечного сечения 20х20 см, l = 4 м.

Оценка несущей способности сваи:

Расчетное сопротивление сваи по прочности грунта

, где

- коэффициент надежности ();

- несущая способность сваи по прочности грунта;

, где

- коэффициент условия работы сваи в грунте ();

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи;

A - площадь поперечного сечения сваи;

U - наружный периметр поперечного сечения сваи;

- коэффициенты условия работы соответственно под нижнем концом сваи и по боковой поверхности, для забивных свай ;

- расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой поверхности сваи;

- толщина i-го слоя грунта, должна быть не более 2м.

R = 870 кПа, т.к. глубина погружения нижнего конца сваи (3,5-0,1)+4 = 7,4 м, в 4...