Инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки застройки

;

B_пл=2Чх=2Ч1,4=2,8 м;

L_пл =l+2Чх=2,4+2Ч1,4=5,2 м;

А =2,8Ч5,2=14,56 м².

Рис. 7.2. Схема к определению ширины и длины фундаментной плиты под: две колонны.



Рис. 7.3. Схематичный разрез фундамента под две внутренние колонны каркасного здания.

Определяем новое значение R при ширине общего фундамента под две колонны, равной 2,8 м:

В соответствии с рис. 7.3 объем фундамента

V_ф = 2,8Ч5,2Ч0,5+2Ч(1,2Ч1,2Ч0,9)=9,87 м³,

Удельный вес конструктивных элементов фундамента принимаем равным 24 кН/м^а.

Таким образом, вес самого фундамента:

Q_ф = 9,87Ч24=236,9 кН

Объем грунта на фундаментной плите

V_гр=(5,2Ч2,8-2Ч1,2²)Ч0,9=10,5 м³.

Средний удельный вес грунта обратной засыпки на фундаментной плите принимаем равным 18 кН/м³.

Тогда пригрузка от веса грунта на фундаментной плите

G_гр =10,5Ч18=189кН.

Вес пола подвала:

(5,2Ч2,8-2Ч0,4²)Ч0,2Ч22=62,66 кН

Собственный вес 2 колонн размером 0,4Ч0,4 м.

Q_k = 2Ч0,4Ч0,4Ч3Ч24=23 кН

Среднее давление р_II под общим фундаментом:

Окончательно принимаем монолитный железобетонный фундамент с размерами 5,2Ч2,8Ч0,5 м с двумя подколонниками 2Ф12.9-3.

Условие р_II?R выполнено.

Примеры расчёта фундаментов мелкого заложения на слабых и структурно-неустойчивых грунтах (Примеры13, 14) рассматриваются в разделе 7 (строительство на структурно-неустойчивых грунтах).

Пример 8. Определение конечной (стабилизированной) осадки фундамента мелкого заложения методом послойного суммирования

Методика расчёта вероятной конечной (стабилизированной) осадки фундамента мелкого заложения или свайного и последовательность его выполнения для ленточного или отдельного (столбчатого), сборного или монолитного фундамента наружной или внутренней стен, для здания с подвалом или без него принципиально не отличается и она приводится в данном примере.

Исходные данные. Фундамент мелкого заложения наружной стены многоэтажного кирпичного жилого дома имеет ширину b= 1,4 м, длину l = 20 м, глубину заложения d=2,1 м, среднее давление под подошвой р=279,5 кПа<R. Инженерно-геологические условия по расчётной вертикали разреза приведены в таблице на графической схеме (рис. 8.1). Дополнительные данные по III слою:

г_s =26,7 кН/м³, e = 0,66; по IV слою: г_s =26,6 кН/м³, e = 0,61.

Деформационные свойства грунтов определены лабораторными компрессионными испытаниями (II и V слои) и полевыми штамповыми (III и IV слои), результаты которых приводятся ниже.

Результаты компрессионных испытаний		Результаты штамповых испытаний Диаметр штампа 27,7 см
Глубина 2,8 м		Глубина 7,0 м		Глубина 3,6 м		Глубина 4,7 м
(II слой)		(V слой)		(III слой)		(IV слой)
уz, кПа	е		уz, кПа	е		уz, кПа	S, мм		уz, кПа	S, мм
0	0,662		0	0,723		0	0,00		0	0,00
50	0,655		50	0,718		50	0,35		50	0,30
100	0,649		100	0,714		100	0,75		100	0,60
150	0,644		150	0,711		150	1,20		150	0,95
200	0,641		200	0,708		200	1,65		200	1,25
300	0,636		300	0,705		250	2,10		250	1,60
400	0,634		400	0,705		300	2,70		300	2,00
						350	3,30		350	2,50
						400	4,10		400	3,00

Определение параметров деформируемости выполняется студентами аналогично определению параметров деформируемости в рамках изучения курса «Механика. Техническая механика. Механика грунтов». Однако, полученные данные требуют уточнения интервала нагрузок, в которых определяются коэффициент сжимаемости и модуль деформации. Построенные по данным штамповых испытаний и лабораторных компрессионных исследований графики остаются без изменений.

Если у студента нет данных результатов испытаний грунтов, то он может самостоятельно определить параметры деформируемости по описанному ниже примеру.

Требуется определить конечную (стабилизированную) осадку методом послойного элементарного суммирования.

Фундаменты под стенами жилого дома, в особенности наружными, не являются центрально нагруженным. Но так как расчёт осадки ведётся для центральной оси фундамента, то за интенсивность нагрузки на грунт под подошвой фундамента принимается средняя ордината трапецеидальной эпюры внецентренно нагруженного фундамента, что в расчётном отношении позволяет считать его центрально нагруженным.

Подготавливаем графическую схему, необходимую для расчёта осадки (рис. 8.1). Вычисляем для ее построения необходимые данные.

а)?вычисление ординат эпюры природного давления у_zg,i

При планировке срезкой (см. 8.1) эпюра природного давления на планировочной отметке DL принимается равной нулю.

*?на границе I и II слоёв у_{zg, I}= г₁h_I = 17·1,3 = 22,1 кПа.

*?на отметке подошвы фундамента у_zg,0 = у_zg,I +21·0,8 =22,1+16,8 = 38,9 кПа

*?на границе II и III слоёв у_{zg, II} =г₁h₁+ г₂h₂ =22,1+21·1,1 = 45,2 кПа.

*?на границе III и IV слоёв у_{zg, III} = у_zg,II + г_3sвh₃ =45,2+(26,7-10)/(1+0,66)Ч1,2 = 57,3 кПа.

*?на границе IV и V слоёв у_zg,IV = у_zg,III + г_4sв·h₄ =57,3+(26,6-10)/(1+0,61)Ч1,2 = 69,7 кПа.

а с учётом давления толщи воды высотой h_w=2,4 м над суглинком полутвёрдым, являющимся водоупором у_zg,IVw= у_zg,IV + г_w·h_w = 69,7+10·2,4 = 93,7 кПа,

*?в V слое на глубине h₅' = 3,74 м: у_{zg, V?} = у_zg,IVw + г_5·h'₅ = 93,7 + 19,1·3,74 = 165,1 кПа

на глубине h₅^”= 4,02 м : у<sub>zg,V``</sub> = у<sub>zg,IVw</sub> + г<sub>5</sub>h<sub>5</sub><sup>`` =</sup> 93.7+19,1Ч4,02=170,5 кПа*.

б)?вычитание ординат вспомогательной эпюры 0,2 у_zg,i



уzg	22,1	38,9	45,2	57,3	69,7	93,7	165,1	170,5
0,2 уzg,i			9,0	11,5	13,9	18,7	33,0	34,1

в)?вычисление ординат эпюры дополнительного давления у_zp,i

Сначала вычисляется верхняя ордината эпюры у_zp,о непосредственно под подошвой фундамента при z = 0:

у_zp,о = р - у_zg,о = 279,5 - 38,9 = 240,6 кПа

Рис. 8.1. Схема к расчёту осадки методом послойного суммирования (наружная стена, ось А): у_zg - эпюра природного давления; у_zp - эпюра дополнительного давления; 0,2у_zg - вспомогательная эпюра для определения нижней границы ВС сжимаемой толщи Н_с.

Затем вычисляются другие ординаты по формуле у_zp,i = у_zp,o ·б_i для различных глубин z_i откладываемых отподошвы фундамента. Коэффициенты б_i для условий данного примера берутся в зависимости от отношения длины фундамента стены l к ширине фундамента b, то есть (принимается по последней колонке табл. 11(Приложение 1), где ) - фундамент ленточный и отношения о=2z/b (первая колонка). Вычисления удобно вести в табличной форме. Для отыскания нижней границы ВС сжимаемой толщи H_c в этой же таблице приводятся значения 0,2 у_zg,i.*

г)?вычисление деформационных характеристик слоёв грунта основания.

После вычисления ординат и построения эпюр природного у_zp , 0,2у_zg и дополнительного у_zp давлений появилась возможность увидеть, каким было в середине каждого (i-го) грунтового слоя давление от собственного веса вышележащей толщи грунтов в природном состоянии и каким стало полное давление , когда к природному давлению добавилось давление от построенного сооружения. Это позволяет получить интервал изменения напряжения и соответствующий ему интервал изменения коэффициентов пористости по компрессионной кривой или осадки s по графику испытаний штампом, которые необходимы для расчёта деформационных характеристик грунта , , Е.

По результатам компрессионных и штамповых испытаний (таблицы, приведённые в исходных данных примера) строятся соответствующие графики, которые используются при определении деформационных характеристик.

Компрессионные испытания

II слой - супесь твёрдая (глубина отбора 2,8 м)

Коэффициент сжимаемости

Коэффициент относительной сжимаемости

Модуль деформации

V слой - суглинок полутвёрдый (глубина отбора 7 м)

Коэффициент сжимаемости

Коэффициент относительной сжимаемости

Модуль деформации

Штамповые испытания

(диаметр штампа 27,7см)

III слой - песок мелкий, средней плотности, насыщенный водой(глубина3,6 м)

у_zg = (45,5+57,3)/2= 51,25 кПа

s₁ = 0,36 мм

уz полн. = уzg +(233,5+126,8)/2=231,35 кПа

s₂ = 1,96 мм

?у_z = 231,35 - 51,25 = 180,1 кПа

?s = 1,96 - 0,36 = 1,60 мм = 0,16 см

IV слой - песок средней крупности, средней плотности, насыщенный водой.

у_zg = (57,3+93,7)/2 = 75,5 кПа



s₁ = 0,5 мм

у_{z полн} = у_zg+(233,5+126,8)/2=177,3 кПа

s₂ = 1,05 мм

?у_z = 177,3 - 75,5 = 101,8 кПа

?s = 1,05 - 0,50 = 0,55 мм

После подготовки всей информации, необходимой для расчёта осадки, переходим к ее вычислению в каждом грунтовом слое и суммируем в пределах сжимаемой толщи H_c.

д)?вычисление осадки.

Осадка в каждом грунтовом слое складывается из осадок входящих в него элементарных слоёв полных и неполных*.

II слой (один элементарный слой):

III слой (три элементарных слоя):

IV слой (три элементарных слоя):

V слой (восемь элементарных слоёв):

Суммарная осадка s = 0,341+0,751+0,251+0,686=2,03< s_u=10 см.

Полученная осадка оказалась значительно меньше S_u=10см - предельной величины осадки, приведённой в СП [6], (Приложение 1, табл. 16) для многоэтажных бескаркасных зданий с несущими стенами из крупных блоков или кирпичной кладки без армирования. Следовательно, условие расчёта по второму предельному состоянию s? s_ивыполнено и использованные в расчёте осадки размеры фундамента - глубину заложения d=2,1 м и ширину фундамента b=1,4 м можно считать достаточными и окончательными, но такое заключение можно делать только в том случае, если осадка внутренней стены этого дома тоже окажется меньше s_и =10 см, а также будет удовлетворено и другое условие: Дs? Д s_пред.



4. Проектирование котлована. Защита от подтопления

Котлованами называются выемки, выполненные в грунте предназначенные для различных целей: устройство фундаментов, монтажа подземных конструкций и т.п. На чертежах котлована (планы и разрезы) указываются горизонтальная и вертикальная привязка котлована к местности, основные оси, размеры поверху и понизу, абсолютные отметки дна и всех заглублений, заложение откосов. Для зданий с небольшими подвалами, как правило, отрываются неглубокие котлованы, глубиной до 5 метров.

Проектом котлована предусматриваются защитные мероприятия, целью которых является сохранение природной структуры грунтов и обеспечением устойчивости стенок котлована. Нарушение природной структуры грунтов в процессе производства работ сопровождается, как правило ухудшением строительных свойств основания. Предусматриваются специальные защитные меры от обводнения, промерзания и механического повреждения рабочего слоя грунта. При сохранении защитного слоя до выполнения фундамента на разрезе котлована необходимо указать отметку, до которой грунт разрабатывается механизированным способом и отметку, до которой выкапывается грунт вручную непосредственно перед укладкой сборных плит. В случае устройства монолитного фундамента, предусматривается устройство песчаной или гравий ной подушки. В случае обоснованной необходимости на разрезе показывается схема крепления откоса котлована.

К основным размерам котлована относятся размеры дна котлована в плане, размеры котлована поверху и его глубина.

В зависимости от глубины заложения фундамента или ростверка определяется глубина котлована. Плановые размеры котлована для вариантов фундаментов мелкого заложения и свайных должны позволять разместить в нем проектируемые фундаменты и обеспечить возможность выполнения работ по их возведению. Котлованы с естественными откосами устраивают в маловлажных устойчивых грунтах.

Защита котлованов от подтопления осуществляется поверхностным или глубинным водопонижением. При определении размеров дна котлована следует учитывать, что в случае необходимости организации поверхностного водоотлива, нужно устраивать водосборные канавки глубиной 0,3 м и зумпфы глубиной 0,7 м, размещающиеся между низом откоса котлована и внешней стороной фундаментной конструкции, т.е. приблизительно 1,5 м. В сухом котловане это расстояние уменьшается до 0,7…1,0 м с тем, чтобы было место для работы монтажникам. Система поверхностного водопонижения влияет на размеры дна котлована и должна быть указана на планах и разрезах.

В зависимости от свойств грунта, стеснённости площадки строительства борта котлована могут выполняться без крепления с откосами необходимой крутизны или устройством соответствующей ограждающей конструкции. При глубине котлована до 5м крутизну откоса можно не рассчитывать, а назначать по Таблице 18. В зависимости от положения уровня грунтовых вод должна быть назначена (без расчёта) схема водоотлива или водопонижения ([1], стр. 405…422; [2], стр. 368…384; [3], стр. 162…172).

Глубинный водоотлив заключается в искусственном водопонижении уровня подземных вод в районе котлована. Работы выполняются чаще всего с помощью иглофильтров. Тип иглофильтров зависит от фильтрационных свойств грунтов и необходимой глубины водопонижения.

Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) служат для понижения уровня подземных вод на глубину 4-5 м в крупных, мелких и средних песках. Эжекторные иглофильтры, как более мощные, применяют в пылеватых песках и супесях с k_ф>0,1 м/сут. Электроосушение (электроосмос) применяется в глинистых грунтах с низкой водоотдачей. Для электроосушения по периметру котлована вдоль его бровки забивают стальные стержни. Затем, на расстоянии 1,5-2м от бровки котлована погружают иглофильтры, располагая их в шахматном порядке относительно стержней.

Более сложные методы водопонижения: замораживание, битуминизация и т.п. применяют при разработке значительных по объёму котлованов.

При проектировании котлована проводятся расчёты по определению его плановых размеров и соображения по назначению крутизны откосов, если стенки котлована не требуют крепления. Обосновывается выбор системы водопонижения, которая схематично указывается на разрезе. Разрез выполняется на миллиметровке А4. Масштаб 1:200. Если крепление стенок котлована необходимо (глинистые грунты в текучем или текуче пластичном состоянии, илы), выбирается тип крепления и изображается его схематический рисунок.

На практических занятиях на основе анализа гидрогеологических условий принимается решение о методе водопонижения. Выбранный тип водопонижения схематично показывается на разрезе котлована.

Рис 4.1. План котлована для жилого здания.

Пример 9. Ленточный свайный фундамент под наружную стену жилого дома

Проектирование свайных фундаментов так же как и фундаментов мелкого заложения производится по двум группам предельных состояний. Первая группа предельных состояний - по прочности (см. Примеры 9 и 10) и по второй группе - по деформациям (см. Пример 12). Также в рамках данных практических занятий выполняется подбор сваебойного оборудования и определяется расчётный отказ свай (см. Пример 11).

Исходные данные. Дом имеет длину L = 56 м, высоту H= 40 м (12 этажей). Стены дома кирпичные, шесть этажей из полнотелого и шесть из щелевого кирпича. Толщина наружных стен 64 см, внутренних -51 см. Под всем домом имеется подвал глубиной 1,7 м от планировочной отметки. Стены подвала из стеновых фундаментных блоков ФБС шириной 60 см. Планировочная отметка DL, совпадающая с отметкой природного рельефа NL, находится на 0,6 м ниже отметки пола первого этажа ( 0,000) 131.4. Пол подвала толщиной 20 см - на отметке (-2,300) 129.1. Расчётная вертикальная нагрузка, собранная до отметки верхнего обреза фундамента (-0,200) 131.2, составляет N_I=620 кН на 1 пог. м длины фундамента. Выборочная информация об инженерно-геологических условиях в объёме, достаточном для решения данного примера, приведена на рис. 9.1. Характеристики прочности и c грунта V слоя - глины тугопластичной приняты по СП [9]. Необходимо запроектировать свайный фундамент под наружную стену этого дома, как альтернативный вариант фундамента неглубокого заложения.

1.?Расчётная нагрузка.

Расчётная нагрузка от сооружения N_I=620 кН дана в исходных данных примера без учёта собственного веса Q ростверка и надростверковой конструкции (в данном случаи стены подвала) и G - пригрузки грунтом и полом подвала на обрезах ростверка, так как конструкция фундамента ещё не разработана. Поэтому после определения размеров ростверка (глубины заложения, ширины, высоты) и вычислений Q и G полная расчётная нагрузка, необходимая для вычисления F - фактической нагрузки, передающейся на одну сваю определится как сумма всех нагрузок, действующих до отметки подошвы ростверка:

N_I^полн=N_I+1,2(Q+G),

где 1,2 - обобщённый коэффициент перегрузки для перерасчёта нормативных нагрузок Q и G в расчётные по Iпредельному состоянию.

2.?Назначение предварительной глубины заложения ростверка и решение надростверковой конструкции.

На начальном этапе разработки проекта глубина заложения ростверка d_р может быть назначена лишь предварительно, так как неизвестна высота ростверка h_р, которая вычисляется после определения Р_св - расчётной нагрузки, допускаемой на одну сваю (п. 4 этого примера). Назначив предварительно из конструктивных соображений h_р=0,5 м, получим глубину заложения ростверка d_р по отметкам, приведённым в исходных данных примера (рис. 9.1,б):

d_р=2,3+0,2+0,5-0,6=2,4 м.

Инженерно-геологические условия и глубина промерзания при назначении d_р в данном случае не учитываются (см. п. 3.1). Полученную при d_р=2,4 м отметку подошвы ростверка и соответственно дна котлована 128.4 следует считать так же предварительной. Она должна быть откорректирована после вычисления h_р. Надростверковая конструкция (стена подвала) может оставаться такой же, как в варианте фундамента неглубокого заложения, поскольку каких-либо убедительных аргументов для отказа от той конструкции нет. В соответствии с исходными отметками стена подвала по высоте может быть образована из трех блоков ФБС24.6.6, одного блока ФБС12.6.3 и двух рядов кирпичной кладки.

3.?Выбор вида свай, их длины и поперечного сечения.

Опыт жилищного строительства указывает на то, что в условиях данного примера целесообразно применять забивные сваи квадратного сечения 30х30 см. Для назначения длины сваи используется информация о грунтовых условиях площадки строительства (рис. 9.1 а) по расчётному вертикальному сечению инженерно-геологического разреза, а также о нагрузке и глубине котлована. Чем больше нагрузка, тем длиннее должны быть сваи и больше их поперечное сечение. Нижние концы свай погружают в грунт с достаточно хорошей несущей способностью на глубину 1,5….2 м. Учитывая указанное, выбираем сваю С60.30 [17], табл. 4.1 длиной 6 м и сечением 30х30 см. Так как свая работает на центральное сжатие ее заделка в ростверк достаточна на 10 см. Следовательно, рабочая длина сваи составляет 5,9 м (длина острия 0,25 м в длину сваи не входит). Нижний конец сваи при такой ее длине будет погружен в суглинок тугопластичный на глубину 1.9м до отметки 122.5 (рис. 9.1 а).

Рис. 9.1 (сверху). Информация по расчётному сечению инженерно-геологического разреза: а)?к определению несущей способности сваи F_d; б) к определению давления на грунт под подошвой условного свайного фундамента. Рис. 9.2. (снизу справа) План расположения свай под ростверком.

4.?Определение несущей способности сваи по грунту F_d и расчётной нагрузки Р_св на одну сваю.

F_d - определяется по формуле 7.8 СП [9]; п. 7.2.2]:

где г_с - коэффициент условий работы сваи в грунте; г_с=1;

R - расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.2 [9] или аналогичных таблиц 11.1 [1], стр. 289 или 9.1 [2] стр. 193, (Приложение 1, табл.12).

A - площадь поперечного сечения сваи, м²;

u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

f_i - расчётное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.3 [9] или аналогичных таблиц 11.2 [1] или 9.2 [2]. (Приложение 1, табл. 13).

h_i -толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

г_сf - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, принимаемые по таблице 3 [9]или табл. 9.3 [2]. В данном случае = г_сf = 1.

Находим значения R и f_i для наших инженерно-геологических условий (рис. 9.1 а).

-?для глины тугопластичной, имеющей I_L= 0,28, на глубине 8,3 м R=3585 кПа;

-?для суглинка мягкопластичного с I_L=0,7 на средней глубине расположения слоя z₁=2,9 м, f₁=7,5 кПа;

-?для супеси пластичной с I_L=0,9 на средней глубине слоя z₂=4,1 м, f₂=7,0кПа;

-?для песка мелкого средней плотности на средней глубине z₃=5,6 м, f₃=41кПа;

-?для глины тугопластичной с I_L=0,28 на средней глубине z₄=7,35 м, f₄=47кПа.

Площадь поперечного сечения сваи A=0,3²=0,09 м².

Периметр площади поперечного сечения сваи u=1,2 м.

F_d =1[1·3585·0,09+1,2(7,5·1+7·1,4+41·1,6+47·1,9)]=322,65+1,2·172,2=529,29 кН.

Расчётная допускаемая нагрузка на сваю Р_св определяется по формуле:

где г_k - коэффициент надёжности (по СП [9]).

Если F_d определена расчётом, как в нашем случае, г_k =1,4.

В случае несовпадения отметок NL и DL и необходимости планировки территории срезкой, подсыпкой или намывом до 3 м глубину погружения нижнего конца сваи Z и среднюю глубину расположения слоя грунта Z_i следует принимать от отметки NL (СП [9] примечание 2 к табл. 7.2).

5.?Определение необходимого числа свай п в свайном фундаменте, размещение их в плане, определение ширины b_p и высоты h_p ростверка.

Необходимое число свай n на один погонный метр длины ленточного фундамента определяется по формуле:

,

где 8 d² - осреднённая грузовая площадь вокруг сваи, с которой передаётся нагрузка от собственного веса ростверка, надростверковой конструкции и грунтовой пригрузки на ростверке;

d - диаметр (сторона сваи);

h - высота ростверка и надростверковой подземной конструкции, нагрузка от которых не вошла в расчёт при определении N₁;

г_ср- средний удельный вес грунта и бетона над подошвой ростверка, г_ср=20 кН/м³;

Определяем расстояние а между осями свай.

а=1 пог.м/1,84=0,54 м.

Сваи в составе фундамента должны размещаться на расстоянии, равном (3…6) d между их осями. Очевидно, что наиболее экономичным был бы ростверк с однорядным расположением свай при расстоянии а между их осями, равном 3d=0,9 м. Но, так как полученное значение а=0,54 м < 0,9 м, приходится принимать двухрядное расположение свай, с тем, чтобы расстояние между соседними сваями одного и другого рядов составляло 3d=0,9 м, а по длине ростверка -0,54 м. При этом расстояние С_Р между рядами свай определяется из треугольника abc (рис. 9.2).

Расстояние от внешней грани вертикально нагруженной сваи до края ростверка принимается равным 0,2d +5 cмпри однорядном размещении свай и 0,3d + 5 см при двух и трех рядном (d - в см), но не менее 10 см. Исходя из этого, получаем ширину ростверка (рис. 9.2):

b_p=0,72+2·0,15+2(0,3·30+5)=1,30 м.

Высота ростверка ленточного двухрядного фундамента должна определяться из условия продавливания его сваей. Но, так как в данном случае расстояние от внутренней грани сваи до внешней грани стены подвала составляет 120 мм > 50 мм, то есть почти половина площади поперечного сечения сваи попадает под стену, то продавливание ростверка оказывается невозможным и расчёт на продавливание не производится. Поэтому, из конструктивных соображений и практики строительства, оставляем h_p=0,5 м и не делаем пересчётов по п.п. 2, 3, 4 и 5 данного примера. Итак, полученные размеры ростверка составляют: ширина b_p=1,3 м, высота h_p=0,5 м.

6.?Расчёт одиночной сваи в составе фундамента по первой группе предельных состояний (по несущей способности грунта основания сваи).

Расчёт предусматривает проверку выполнения условия I предельного состояния:

,

где F - расчётная нагрузка передаваемая на сваи, то есть фактическая нагрузка;

;

F_d - расчётная несущая способность грунта основания одиночной сваи (несущая способность сваи по грунту);

- расчётная нагрузка допускаемая на сваю (см. п. 4) ;

- коэффициент надёжности, равный 1,4.

Вычисление фактической нагрузки F, передаваемой на сваю.

Вес ростверка

Q_P=1,3·1·0,5·24=15,6 кН;

Вес надростверковой конструкции Q_нк (одного пог. м стены подвала) из 3 блоков ФБС24.6.6, одного доборного ФБС12.6.3 и двух рядов кирпичной кладки 0,2·0,6·1:

Q_нк=(0,6·0,6·1·3+0,3·0,6 1) 22+0,2·0,6·1·17=27,72+2,04=29,76 кН;

Общий вес Q ростверка и надростверковой конструкции:

Q=Q_P+Q_нк=15,6+29,76=45,36 кН;

При вычислении Q_нк приняты удельные веса: ; .

Вес грунта на внешнем обрезе ростверка G_гр= 1,9·0,35·г_ср,

Где г_ср - средний удельный вес засыпки пазухи, г_ср?18 кН/м³

G_гр=1,9·0,35·18=11,97 кН.

Пригрузка внутреннего обреза ростверка бетонным полом подвала G_П

G_П=0,35·0,2·1·22=1,54 кН.

Общий вес G пригрузки ростверка грунтом и полом подвала:

G=G_гр+G_П=11,97+1,54=13,51 кН.

.

Расчетная допускаемая нагрузка на сваю (см. п. 4)

.

Проверяем выполнение условия первого предельного состояния:

или, что то же, F?P_св ·375,4 кН < 378,06 кН

- условие выполняется.

Следовательно, размещение свай в плане и ширина ростверка согласно рис. 9.2 принимается для дальнейших расчётов. Если бы условие первого предельного состояния не было выполнено, следовало добиться его выполнения путём уменьшения расстояния между сваями в ряду или удлинения свай. Принятые по рис. 9.1 и 9.2 размеры свайного фундамента будут считаться окончательными при удовлетворении условия расчёта по второму предельному состоянию - по деформациям.

7.?Расчёт основания свайного фундамента по II группе предельных состояний - по деформациям.

Расчёт основания по деформациям включает определение средних максимальных осадок s наружной и внутренней стен методом послойного суммирования и эквивалентного слоя, относительной разности осадок между ними ?s и сравнение их с предельными значениями, s_u и ?s_u., т.е. s ? s_u и ?s ? ?s_u.

Расчёты осадок этими методами основаны на теории линейного деформирования грунта, область применимости которой ограничивается расчетным сопротивлением грунта R, определяемым по формуле (5.7) СП [6], [1] (стр. 68, 141…142, 233…240). Для того, чтобы проверить правильность использования упомянутых методов расчёта осадок в условиях данного примера, необходимо определить среднее давление р_II под подошвой условного фундамента и убедиться в том, что оно не превышает расчётного сопротивления R грунта, на который опирается условный фундамент, т.е. соблюдается условие: р_II?R.

7.1. Определение среднего давления р под подошвой условного фундамента.

Для вычисления р необходимо определить площадь подошвы условного ленточного фундамента А_усл и нагрузки, передающиеся на эту площадь от собственного веса всех элементов, входящих в объем условного фундамента, а также и от сооружения (рис. 9.1 и 9.2).

а)?Площадь условного ленточного фундамента:

где ц_ср- среднее значение угла внутреннего трения грунтов, залегающих в пределах рабочей длины сваи l_св=5,9 м.

; tg5,41^o=0,097; b_усл=0,72+0,3+2·5,9·0,095=2,14 м,

А_усл=b_усл Ч1 пог.м.= 2,14 м²

б)?Объёмы условного фундамента, всех входящих в него конструктивных элементов и грунта (рис. 9.1):

-?условного фундамента: V_усл=А_услЧh_усл = 2,14Ч8,3=17,76 м³;

-?ростверка: V_p=1,3Ч0,5Ч1=0,65 м³;

-?части стены подвала, расположенной ниже верха условного фундамента (ниже отметки DL): V_чсп=0,6Ч1,9Ч1=1,14 м³;

-?части пола подвала (справа от стены подвала): V_чпп=0,2Ч0,77Ч1=0,154 м³;

-?части подвала, примыкающего к стене и ограниченного справа стороной условного фундамента: V_чп=1,7Ч0,77Ч1=1,31 м³;

-?грунта: V_{гр . усл.}=V_усл-V_р-V_чсп-V_чпп -V_чп=17,76-0,65-1,14-0,154-1,31=14,51 м³.

Объем свай не вычитается из объёма V_усл. При подсчёте веса грунта в условном фундаменте G_гр.усл. не учитывается увеличение его удельного веса г_ср^упл за счёт уплотнения при забивке свай.

Принимается, что

G_гр.усл.=V_гр.усл Ч г_ср ?(V_гр.усл. - V_св)Ч г_ср^упл

в)?Нагрузки от собственного веса всех составных частей условного фундамента и от сооружения:

-?ростверка и всей надростверковой конструкции, то есть всей стены подвала, включая ее часть, расположенную выше отметки DL:

Q=Q_p+Q_нк=45,36 кН (определены ранее в п.6)

-?части пола подвала Q_чпп=V_чппЧг_б = 0,154Ч22 = 3,39 кН;

-?свай (1,84 сваи с рабочей длиной l_св=5,9 м, из которых 1,6 м - в водонасыщенном грунте): Q_св=[0,3²(5,9-1,6)·24+0,3²·1,9(24-10)] =21,49 кН;

-?грунта в объёме условного фундамента, кН/м³: Q_гр=V_гр.усл г_II,_ср.усл.;

.

G_гр.усл.=14,5·17,17=249,14 кН

г)?Среднее давление р под подошвой условного фундамента

7.2 Вычисление расчётного сопротивления R по формуле (5.7) СП [6] для глины тугопластичной (V слой), залегающей под подошвой условного фундамента.

,

г_c1 =1,2; г_с2=1,1; k=1,1; М_г=0,36; М_q=2,43; М_с=4,99; L/H=56/40=1,4

г'_II=г_II,_ср.усл=17,17; г_II = г₅=19,5; ц_II,5=ц₅=16°; c_II,5=c₅=40 кПа.

Условие р?R выполняется: 391,6 кПа < 534,24 кПа. Расчёт осадки методами, основанными на теории линейного деформирования грунта, правомерен, поэтому далее производится расчёт осадки методом послойного суммирования или методом эквивалентного слоя. (см. пример 15).

Пример 10. Отдельный свайный фундамент под колонну наружной стены жилого дома с подвалом

Исходные данные. Жилой дом каркасного типа имеет наружные стены, опирающиеся через продольные ригели на ряды колонн сечением 40Ч40 см с шагом 6м. Высота дома Н=27 м, длина L=36 м. Под всем домом имеется подвал. Абсолютная отметка пола 1-го этажа 162.15 м (±0,00), пола подвала - 159.95 (-2,20). Толщина пола подвала 0,2 м. Толщина ограждающих панелей подвала - 0,3м. Планировочная отметка DL на 0,6 м ниже отметки пола 1-го этажа и совпадает с отметкой природного рельефа NL=161.55. Расчётная нагрузка на одну колонну, собранная до отметки низа пола 1-го этажа (-0,20 м) составляет . Уровень грунтовых вод WL находится на глубине 6,4 м от отметки природного рельефа.

Инженерно-геологические условия в объёме, необходимом для решения данного примера показаны на рис. 10.1. Фундамент необходимо спроектировать в сборно-монолитном варианте.

1.?Определение расчётной нагрузки, передающейся на свайный фундамент

Расчётная нагрузка, приведённая в исходных данных примера используется в расчёте по второй группе предельных состояний - по деформациям при расчёте осадки. Но когда определяется необходимое количество свай, производится расчёт свай в составе фундамента по несущей способности грунта основания свай и определяются окончательные размеры ростверка, необходимо использовать нагрузку - для расчёта по первому предельному состоянию.

В рассматриваемом случае ее получают приближённо путём умножения известной нагрузки на обобщённый коэффициент перегрузки, равный 1,2 т.е. .

2.?Назначение предварительной глубины заложения ростверка и решение надростверковой конструкции

По конструктивным особенностям здания (см. информацию в исходных данных примера: отметкам пола 1-го этажа, пола подвала, поверхности планировки и подготовленном на ее основе рис.10.1), глубина заложения ростверка от планировочной отметки 161.55 определяется по вычислению:

,

где 2,2 - расстояние от отметки пола 1-го этажа до пола подвала;

0,2 - толщина пола пола подвала;

0,6 - высота подколонника (башмака);

0,5 - высота ростверка;

0,6 - высота цоколя (расстояние от отм. 0.000 до отм. NL, DL).

3.?Выбор конструкции свайного фундамента

Вид свай и тип свайного фундамента выбирают в зависимости от назначения, конструктивных и технологических особенностей сооружения и условий его эксплуатации, расчётных нагрузок, действующих на фундаменты, инженерно-геологических условий, метода погружения свай, технико-экономических показателей, местных условий строительства.

В условиях данного примера при относительно небольших нагрузках и существующих инженерно-геологических условиях наиболее целесообразны забивные сваи.

Длина свай назначается исходя из инженерно-геологических условий. Нижний конец свай должен погружаться в грунт с достаточно высоким расчётным сопротивлением на глубину не менее 1…1,5 м. В твёрдые глинистые грунты, плотные гравелистые, крупные и средней крупности пески допускается заглубление на 0,5 м. Исходя из сказанного выбираем типовую железобетонную забивную сваю длинной , квадратного сечения 30Ч30 см марки С60.30, у которой нижний конец забивается в песок мелкий, средней плотности, водонасыщенный на глубину 2,4 м. Заделку сваи в ростверк, так как нагрузка центрально приложенная, принимаем минимальной, равной 0,1 м. Рабочую длину сваи составляет расстояние от подошвы ростверка до начала заострения, т.е. без учёта длины острия, которая в длину сваи не входит. Исходя из этого расчётная рабочая длина сваи .

Рис. 10.1(сверху). Информация по расчётному сечению инженерно-геологического разреза: а) к определению несущей способности сваи Fd; б) к определению давления на грунт под подошвой условного свайного фундамента. Рис. 10.2.(снизу) Горизонтальное сечение на отм. 161,0:1 - ростверк;2 - подколонник;3 - колонна;4 - свая;5 - стеновая панель;6 - контур условного фундамента.

4.?Определение несущей способности одиночной сваи по грунту и расчётной нагрузки на одну сваю

Несущая способность по грунту одиночной забивной висячей сваи определяется по формуле (7.8) [9]:

.

Расшифровка формулы в предыдущем примере.

По таблицам 7.2, 7.3 [9] (Приложение 1, табл.12 и 13) определяем расчётное сопротивление под нижним концом сваи R и расчётные сопротивления по боковой поверхности сваи слоёв грунта, через которые проходит свая, (рис. 10.1).

Расчётное сопротивление R под нижним концом сваи для песка мелкого, средней плотности при глубине погружения нижнего конца сваи от природного рельефа z=8,8 м составляет R=2520 кПа.

Сопротивление грунта f_i по боковой поверхности:

-?в суглинке мягкопластичном с на глубине расположения середины слоя от отметки природного рельефа NL:

….....;

-?в глине мягкопластичной с на глубине расположения середины слоя:

z₂=5,5 м……….;

-?в песке мелком на глубине расположения середины слоя:

…….;

-?в песке мелком на глубине расположения середины слоя:

…….

Примечание: согласно [9], примечание к табл. 2 при прохождении сваи через однородный слой мощностью >2м, он для определения f_i расчленяется на части толщиной не более 2м.

Используя найденные значения R и f_i, вычисляем несущую способность сваи по грунту F_d

.

Расчётная нагрузка, допускаемая на сваю по грунту, составит:

,

где - коэффициент надёжности по грунту.

В данном случае г_k=1,4, так как F_d определена расчётом с использованием табличных значений R и f ([9] п. 7.1.11).

5.?Определение необходимого числа свай в свайном фундаменте, размещение их в плане, определение плановых размеров ростверка

Необходимое количество свай определяется приближённо по формуле:

,

где: N_I - расчётная нагрузка для расчёта по первому предельному состоянию, передаваемая сооружением на подвальную часть колонны;

d - диаметр (сторона) квадратной сваи м;

h - высота ростверка и стеновой части фундамента (надростверковой конструкции);

г_ср - средний удельный вес материала ростверка, надростверковой конструкции и пригрузки грунтом на ростверке, принимаемый равным .

Полученное значение округляем до целого числа - 4 сваи и проектируем свайный фундамент из 4 свай. Расстояние между сваями принимаем равным 3d, чтобы получить минимальные размеры ростверка. Расстояние от края сваи до края ростверка - 0,1 м. Тогда ширина b и длина l квадратного монолитного ростверка будут равны:

b = l = 2Ч0,15+2Ч0,1+0,9 = 1,4м (рис. 11.2).

6.?Определение высоты ростверка

Высота ростверка, назначенная ориентировочно, проверяется затем из условия прочности ростверка на продавливание и изгиб. В данном случае продавливание колонной невозможно, так как площадь основания гипотетической пирамиды продавливания значительно больше площади межсвайного пространства. Также невозможно продавливание сваями в условиях, когда площадью подколонника перекрывается весь свайный куст. При ширине ростверка 1,4 м и общей высоте ростверка и подколонника 1,1 м ростверк не работает на изгиб.

Принимаем высоту ростверка из конструктивных соображений .

7.?Проверка выполнения условия расчёта основания одиночной сваи по первому предельному состоянию

Для этого находим фактическую вертикальную нагрузку F, приходящуюся на одну сваю, и сравниваем ее с ранее полученной расчётной нагрузкой P_св (см. п.6 предыдущего примера).

,

где: Q_p - нормативный вес ростверка и надростверковой конструкции (подколонника, колонны, подвальных панелей, пола подвала):

G - нормативная нагрузка от веса грунта на поверхности ростверка , где - объем грунта;

1,2 - коэффициент перевода нормативной нагрузки в расчётную для первого предельного состояния

n - количество свай

.

Условие первого предельного состояния выполняется.

Далее следует рассчитать основание фундамента по второму предельному состоянию (по деформациям) и убедиться в том, что полученные осадка и относительная разность осадок не превышают их предельных значений, приведённых в СП [6] (Приложение, табл.16).

8.?Определение среднего вертикального давления р под подошвой условного фундамента и проверка выполнения условия р?R

Для расчёта осадки необходимо вначале определить давление p на грунт под подошвой условного свайного фундамента, то есть в плоскости нижних концов свай (рис. 10.1) и убедиться, что оно не превышает расчётного сопротивления R этого грунта,

,

где N_II - нормативная вертикальная нагрузка на отметке низа пола первого этажа ; Q_ф - собственный вес колонны, подколонника, ростверка, свай; Q_гр - вес грунта в объёме условного фундамента; A_усл - площадь подошвы условного фундамента.

Для отдельно стоящего прямоугольного фундамента , для квадратного фундамента .

8.1.?Определение ширины условного фундамента b_усл и площади его подошвы A_усл

,

где С_p - расстояние между рядами свай,

d - диаметр (сторона) квадратной сваи,

l_cb - рабочая длина сваи

- среднее значение угла внутреннего трения ц слоёв грунта в пределах рабочей длины сваи

,

8.2.?Определение среднего давления р под подошвой условного фундамента

Для этого собираются нагрузки от собственного веса всех составных элементов, входящих в объем условного фундамента: грунта - Q_гp ,свай - Q_cв, ростверка - Q_p, подколонника с нижней частью колонны в нем - Q_п. Кроме того учитываются нагрузки от конструктивных элементов свайного фундамента, находящихся над поверхностью условного фундамента, то есть выше низа пола подвала (рис. 10.1): колонны - Q_k, ограждающих панелей подвала - Q_п, а так же пригрузки от пола подвала - Q_пп и грунта с внешней стороны подвальных панелей - G. Пригрузки Q_пп и G рассчитываются по их проекциям в пределах площади условного фундамента.

V_гр, V_усл.ф, V_cв, V_p, V_п - объёмы соответственно: грунта в условном фундаменте, условного фундамента, свай, ростверка, подколонника.

г_ср - средневзвешенное значение удельного веса грунта в объёме условного фундамента.

Объем грунта в условном фундаменте:

.

Нагрузки от составных элементов условного фундамента:

Вес грунта в условном фундаменте:

Вес свай



Вес ростверка

Вес подколонника

Нагрузки от конструктивных элементов свайного фундамента над поверхностью условного фундамента.

Вес колонны

Вес ограждающих подвальных панелей

Пригрузка от пола подвала

Пригрузка грунтом поверхности условного фундамента с наружной стороны ограждающих подвальных панелей

.

- средний удельный вес грунта с внешней стороны панелей над поверхностью условного фундамента.

Среднее вертикальное давление р_II от всех нагрузок под подошвой условного свайного фундамента.

8.3.?Определение расчётного сопротивления грунта R под подошвой условного свайного фундамента.

По формуле (5.7) [6] вычисляем расчётное сопротивление R и проверяем выполнения условия , как права на расчёт осадки на основе теории линейного деформирования грунта.

Для песка мелкого по [6] (Приложение 1, табл. 10) коэффициент условий работы грунта г_с1=1,3, коэффициент условий работы здания во взаимодействии с основанием при гибкой конструктивной схеме здания г_с2=1; коэффициент k=1, так как характеристики грунта ц и с определены экспериментально.

Коэффициенты определяем по табл.4 [6] для значения угла :

b - ширина условного фундамента = 2,27 м.

- осреднённое расчётное значение удельного веса грунтов залегающих ниже подошвы условного фундамента. В данном случае один грунт - песок мелкий, средней плотности насыщенной водой.



г'_II - то же, но выше подошвы условного фундамента, от подошвы до планировочной отметки.

d₁ - приведённая глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала до подошвы условного фундамента.

...