Фундаменты транспортных сооружений

Фундаменты транспортных сооружений

1. Оценка инженерно-геологических условий строительной площадки

Вариант инженерно-геологических данных грунтов в районе стройплощадки приведены в задании. На основе этих данных необходимо провести анализ инженерно-геологических условий.

Таблица 1

Необходимо определить наименование грунта для каждого из пластов, которые были вскрыты тремя скважинами.

Число пластичности определяется по формуле:

, % (1.1)

где-влажность на границе текучести, %;

- влажность на границе раскатывания, %.

Показатель текучести определяется по формуле:

где w - природная влажность грунта, %.

Плотность грунта в сухом состоянии определяется по формуле:

где - плотность грунта, т/м³.

Коэффициент пористости определяется по формуле:

где r_s - плотность частиц грунта, т/м³.

Степень влажности:

где r_w=1,0 т/м³ - плотность воды.

Расчетные значения характеристик грунтов ,  и  для расчетов по первой группе предельных состояний обозначаются ,  и , а для расчетов по второй группе предельных состояний - ,  и .

Расчетные значения характеристик грунтов определяются по формуле:

где - коэффициент надежности по грунту.

При вычислении расчетных значений  принимаем для песчаных грунтов =1,1, для пылевато-глинистых =1,15, при вычислении  принять =1,5, при вычислении  принять =1,02.

Расчетные характеристики ,  и следует определять при =1.

1.1 I слой-песчаный грунт

Определим наименование грунта. Так как w_L и w_P равны нулю, следовательно, грунт является песчаным, получаем:

По табл. 4 [2] определяем, что при количестве частиц крупностью более 0,1 мм равном 0%+4%+20%+41%=65%<75% песок является пылеватым.

Вывод: по табл. 7 [2] при =0,99 и по табл. 6 [2] при е=0.83 получаем, что песок пылеватый рыхлый, насыщенный водой, по табл. 9 [2] и табл. 11 [2] получаем, что угол внутреннего трения j, удельное сцепление С и условное сопротивление R₀ нормами не определены.

1.2 II слой-пылевато-глинистый грунт

Определим наименование грунта. Т.к. w_L и w_P не равны нулю, следовательно, грунт является пылевато-глинистым, получаем:

Вывод: по табл. 5 [2] при 7<=10.5£17 и по табл. 8 [2] при 0.25<=0.35≤0.5 грунт - суглинок тугопластичный, по табл. 10 [2] и по табл. 12 [2] получаем, что угол внутреннего трения j=19,4^o, удельное сцепление С=19,0 кПа и условное сопротивление R₀=150,3 кПа.

1.3 III слой-пылевато-глинистый грунт

Определим наименование грунта. Т.к. w_L и w_P не равны нулю, следовательно, грунт является пылевато-глинистым, получаем:

Вывод: по табл. 5 [2] при 7<=15,0£17 и по табл. 8 [2] при 0.25<=0.39≤0.5 грунт - суглинок тугопластичный, по табл. 10 [2] и по табл. 12 [2] получаем, что угол внутреннего трения j=19,2^o, удельное сцепление С=18,5 кПа и условное сопротивление R₀=129,0 кПа.

1.4 IV слой-пылевато-глинистый грунт

Определим наименование грунта. Так как w_L и w_P равны нулю, следовательно, грунт является песчаным, получаем:

По табл. 4 [2] определяем, что при количестве частиц крупностью более 0,1 мм равном 2%+22%+32%+15%=71%<75% песок является пылеватым.

Вывод: по табл. 7 [2] при =1,0 и по табл. 6 [2] при е=0,66 получаем, что песок пылеватый, средней плотности, насыщенный водой, по табл. 9 [2] и табл. 11 [2] получаем, что угол внутреннего трения j=29,6^о, удельное сцепление С=3,8 кПа и условное сопротивление R₀=98,0 кПа.

Основные сведения о грунтах и их свойствах сводим в итоговую таблицу 3.

Таблица 2

Таблица 3

. Расчет фундамента глубокого заложения под крайнюю опору ОП-1

.1 Выбор глубины заложения фундамента

Основанием под опору ОП-1 служит грунт 2-го слоя - суглинок тугопластичный. Минимальная глубина заложения определяется по формуле:

 (2.1)

где  - расчетная глубина сезонного промерзания грунта, м, принимаемая равной:

, (2.2)

здесь  - нормативная глубина сезонного промерзания грунтов в районе строительства, м, определяемая по карте нормативных глубин промерзания суглинков и глин.

По карте нормативных глубин промерзания суглинков и глин для района проектирования г. Смоленск d_fn=113 см. Тогда

Минимальная глубина заложения фундамента:

=124+25=149 см=1,49 м.

Отметку обреза фундамента принимаем на 0,15 м ниже естественной поверхности грунта, 157,30-0,15=157,15 м.

2.2 Определение минимальных размеров подошвы фундамента

Размеры подошвы фундамента определяются с учетом размеров опоры моста. В первом приближении минимальная площадь подошвы фундамента , м²:

, (2.3)

где  - размеры опоры моста в плоскости обреза фундамента, м:

;

;

здесь  - длина и ширина сторон сечения опоры в уровне верха фундамента;

с - размеры уступов фундамента.

Согласно схемы сооружения 0 [2] размеры опоры в уровне верха фундамента равны:

= 0,35 м, =8,05 м.

Уступы по верху фундамента примем с=0,3 м

Тогда

 м²

2.3 Проверка несущей способности основания

В отношении размеров подошвы фундамента следует иметь ввиду следующее:

-       размеры подошвы должны быть достаточными для обеспечения прочности грунта основания и развития осадок и кренов фундамента не более допустимых;

-       Конструкция фундамента должна быть экономически целесообразной. Глубина заложения фундамента и размеры его подошвы подбираются такими, что бы обеспечить работу фундамента как жесткого тела.

Несущая способность основания под подошвой фундаментов мелкого заложения должна удовлетворять условиям:

 (2.4)

где ,  - среднее по подошве и максимальное по краям давление фундамента на основание, кПа;

 - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,4;

 - коэффициент условий работы,  =1,2;

- расчетное сопротивление основания из нескальных или скальных грунтов осевому сжатию, кПа.

В расчетах по несущей способности оснований фундаментов напряжения следует определять отдельно вдоль и поперек оси моста по формулам:

где  - среднее давление под подошвой фундамента;

- максимальное давление под подошвой фундамента в направлении оси y;

у и х - оси симметрии подошвы фундамента, проходящие через ее центр тяжести;

 - сумма расчетных вертикальных нагрузок в уровне подошвы фундамента (включая его собственный вес, вес грунта на обрезах, взвешивающее действие воды);

- расчетный момент силы относительно оси х;

,  - площадь и момент сопротивления подошвы фундамента относительно оси х.

Для прямоугольной подошвы фундамента:

Расчетное сопротивление основания из нескального грунта осевому сжатию,  кПа:

 (2.7)

где  - условное сопротивление грунта, кПа, принимаемое по табл. 3.

 - ширина (меньшая сторона или диаметр) подошвы фундамента, м, при ширине более 6 м принимается b=6 м, принимаем  = 0,95 м;

d - глубина заложения фундамента, м.

 - осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента вычисленное без учета взвешивающего действия воды, допускается принимать  = 19,62 кН/м;

 и  - коэффициенты, принимаемые по табл. 19 [2];

С минимальными размерами и глубиной заложения имеем (рис. 3):

=9500 кН, =13000 кНм - по заданию;

d=1.49+7.6/2=5,29 м,

где 7,6/2 - половина высоты конуса обсыпки;

=0,95 м, l=8,65 м, А_min=8,22 м², тогда

вес грунта на уступах

G_гр =V_гр ∙г_гр =(8.65·0.95-8.05·0.35) ·0.15·17.5=14.2 кН

вес фундамента

G_ф = V_ф ∙г_ф =0.95·8.65· (1.49-0.15) ·24=264.3 кН

N’=P + G_ф·g_fф+ G_грg_гр =9500+264.3·1.1+14.2·1.4=9810,6 кН

где g_fф, g_гр - коэффициенты надежности по нагрузке, принимаемые по табл. 8 [4].

По табл. 19 [2] для суглинка тугопластичного =0,02; =1,5. По (2.7)

, т.е.

условие не выполняется, увеличиваем размеры фундамента и его глубину заложения (в соответствии с рис. 4). Для новых значений имеем:

d =0.15+1.2+1.2+1.2+7.6/2=7,55 м;

=0,35+4×0.6+2×0.7=4,15 м,

l=8,05+4×0.6+2×0.7=11,85 м, ,

вес грунта на уступах

G_гр =V_гр ∙г_гр= 2×17.5× (0.6×0.15× (0.35+9.25)+0.6×1.35× (1.55+10.45)+0.7×2.55× (2.75+11.85))=1282.6 кН,

вес фундамента

G_ф = V_ф ∙г_ф =24× (9.25×1.55×1.2+10.45×2.75×1.2+11.85×4.15×1.2)=2656.9 кН, тогда

N’=P + G_фg_fф+ G_грg_гр =9500+2656.9×1.1+1282.6×1.4=14218,2 кН

где g_fф, g_гр - коэффициенты надежности по нагрузке, принимаемые по табл. 8 [4].

, т.е.

оба условия выполняются, недонапряжение (по ) не превышает 5%.

2.4 Определение осадки фундамента методом послойного суммирования

Цель расчетов по второй группе предельных состояний - проверка назначенных размеров фундамента по предельно допустимым деформациям, при которых мост еще может нормально выполнять свои эксплуатационные функции. В соответствии с требованиями СНиП 2.05.03-84 различные по величине осадки соседних опор моста не должны вызывать появления в продольном профиле моста углов перелома, превышающих предельно допустимые значения.

Эти расчеты производят, используя сочетания нагрузок, вычисленные с коэффициентом надежности по нагрузке g_f=1,0.

Расчет осадки фундамента производится исходя из условия

         (2.8)

где S - величина конечной осадки отдельного фундамента, определяемая расчетом;

- предельная величина деформации основания фундаментов, устанавливаемая нормами или на основе расчета сооружения на взаимодействии с основанием.

Для опор мостов следует принять

, см      (2.9)

где - длина меньшего, примыкающего к опоре, пролета моста в метрах, но не менее 25 м (=25 м).

Необходимо проверить выполнение условия:

,         (2.10)

где Р - среднее давление под подошвой фундамента, вычисленное от действия нагрузок для расчетов по второй группе предельных состояний, кПа;

R - расчетное сопротивление грунта основания.

Среднее давление определяется по выражению:

,       (2.11)

где - сумма всех вертикальных нагрузок в уровне подошвы фундамента;

А - площадь подошвы фундамента.

Расчетное сопротивление грунта основания R, кПа определяется по формуле:

,        (2.12)

где  и  - коэффициенты условий работы;

b - меньшая сторона подошвы фундамента, м;

К - коэффициент, принимаемый 1,1;

, ,  - коэффициенты, принимаемые в зависимости от угла внутреннего трения;

- коэффициент, принимаемый: = 1 при b =4,15<10 м;

- расчетное значение удельного веса грунта, залегающего ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды);

- то же, залегающих выше подошвы фундамента;

- расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа;

 - глубина заложения фундамента;

- глубина подвала - расстояние от уровня планировки до пола подвала (для бесподвальных сооружений ( = 0).

При вычислении R значение характеристик f_II, C_II и g_II принимаются для слоя грунта, находящегося под подошвой фундамента до глубины = 0,5b при b <10 м и =t+0,1b при b 10 м (здесь t = 4,0 м). При наличии нескольких слоев грунта от подошвы фундамента до глубины  принимаются средневзвешенные значения указанных характеристик.

Так для нашего случая:

= 0,5b=0.5∙4.15=2.08, 2.08+3.75=5.83<7.8, следовательно слой не меняется.

=1,2, =1,028, по табл. 21 [2] при суглинке тугопластичном; по табл. 22 [2] при j_II= 19,4° находим = 0.49, = 2.96, =5.55;

9500/1,2+2656,9+1282,6=11856,2 кН

Тогда

Р= кПа R= кПа, условие выполняется.

Ординаты эпюры  вычисляются по формуле:

 (2.14)

где  - удельный вес i - го слоя грунта, кН/м³;

 - толщина i-го слоя грунта, м.

Величина дополнительного вертикального напряжения для любого сечения ниже подошвы фундамента вычисляется по формуле:

    (2.16)

где a - коэффициент, учитывающий изменение дополнительного вертикального напряжения по глубине и определяемый по табл. 20 [2] в зависимости от  (z - глубина рассматриваемого сечения ниже подошвы фундамента, b - ширина фундамента) и

l - длина фундамента;

Р - среднее фактическое давление под подошвой фундамента, кПа;

- вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента от веса вышележащих слоев, кПа.

Построив эпюры  и , определяем нижнюю границу сжимаемой (активной) зоны грунта, которая находится на глубине ниже подошвы фундамента, где =0,2.

Осадка отдельного фундамента на основании определяется по формуле:

 (2.17)

где  - коэффициент корректирующий упрощенную схему расчета, равный 0,8;

n - число слоев, на которое разделена по глубине сжимаемая толща основания;

- толщина i - го слоя грунта, см;

 - среднее дополнительное (к бытовому) напряжение в i - ом слое грунта,

равное полусумме дополнительных напряжений на верхней и нижней границах i - го слоя, кПа;

- модуль деформация i - го слоя, кПа.

Модуль деформации определяем для пластов грунта в целом по формуле

       (2.18)

 (2.19)

где  - коэффициент пористости по табл. 3;

b - коэффициент, допускается принимать равным: для пылеватых и мелких песков - 0,8; супесей - 0,7; суглинков - 0,5; глин - 0,4.

 - бытовое давление в середине слоя грунта (), определяемое вычислением или по эпюре давлений от собственного веса грунта (рис. 5);

 - сумма давления в середине слоя грунта от собственного его веса () и вертикального дополнительного напряжения (), взятого по эпюре дополнительных вертикальных давлений (рис. 4), т.е. = +;

 и  - соответственно коэффициенты пористости при давлениях  и , взятые по компрессионной кривой, рис. 1.

Для удобства вычисления осадки фундамента ведем в табличной форме (табл. 4).

Давления в характерных сечениях:

на уровне подошвы фундамента = 3,75×17,85= 66,9 кПа

в середине 2-го слоя 2= 3,75×17,85+2,025×17,85 = 103,1 кПа

в середине 3-го слоя 3= 7,8×17,85+2,25×18,05= 179,8 кПа

Модуль деформации Е для второго слоя:

середина этого слоя находится на глубине d=5,775 м, z=2,025 м, z / b =2,025/4,15 =0,488, по табл. 20 [2] находим a =0,866, =103,1 кПа, =103,1+0,866×(241,1-66,9)=253,9 кПа, тогда по рис. 1 находим =0,8208, =0,8097, тогда

Модуль деформации Е для третьего слоя:

середина этого слоя находится на глубине d=10,05 м, z=6,3 м, z / b =6,3/4,15=1,518, по табл. 20 [2] находим a =0,339, =179,9 кПа, =179,8+0,339×(241,1-66,9)=238,9 кПа, тогда по рис. 1 находим =0,8180, =0,8125 тогда

Дополнительное давление по подошве фундамента:

241,1-66,9=174,2 кПа

Делим толщу грунта ниже подошвы фундамента на слои толщиной 0,2×4,15=0,83 м, и вычисляем осадку в табличной форме:

Таблица 4

Осадка

2.6 Проверка несущей способности подстилающего слоя грунта

В том случае, когда несущий слой грунта подстилается более слабым грунтовым слоем, у которого условное расчетное сопротивление R_о меньше, чем у несущего, необходимо проверить напряжение в уровне кровли этого слоя, находящегося на глубине z от подошвы фундамента.

Проверку несущей способности подстилающего слоя грунта следует производить исходя из условия:

 (2.20)

где Р - среднее давление на грунт, действующее под подошвой фундамента, кПа;

 - среднее (по слоям) значение расчетного удельного веса грунта на глубине (d+z), расположенного над кровлей проверяемого подстилавшего слоя грунта; допускается принимать  = 19,62 кН/м³;

d - заглубление подошвы фундамента мелкого заложения от расчетной поверхности грунта, м, принимаемое согласно обязательному приложению 24 [4], имеем:

d =3×1,2+0.15+7.6/2=7.55 м;

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

R - расчетное сопротивление подстилающего грунта, кПа, определяемое по формуле (2.7) для глубины расположения кровли проверяемого слоя грунта (d+z), при определении его, ширину прямоугольной подошвы условного фундамента на уровне кровли проверяемого слоя грунта устанавливают по выражению:

    (2.21)

где - площадь подошвы условного фундамента, равная

       (2.22)

где -сумма вертикальных нагрузок действующих на фундамент;

а = 0,5×(l-b)=0,5×(11.85-4.15)=3,85 м - половина разности длины l и ширины b прямоугольной подошвы фундамента;

- коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый 1,4;

a - коэффициент, принимаемый по табл. 20 [2].

Имеем: Р=289.1 кПа, d =7.55 м, z=7.8-3.75=4.05 м, b=4.15 м, z/b=4.05/4.15=0,976, l/b=11.85/4.15=2.855, тогда a= 0.609, по табл. 19 [2] =0,02 и =1,5.

Определяем расчетное сопротивление:

условие выполняется, несущая способность подстилающего слоя (суглинок тугопластичный) обеспечена.

2.7 Проверка положения равнодействующей внешних нагрузок

С целью обеспечения действия сжимающих напряжений по подошве фундамента требуется проверить положение равнодействующей внешних нагрузок относительно центра тяжести подошвы по формуле:

где - относительный экцентриситет, который определяется выражением

где F_v и M - нагрузки, действующие по подошве;

W=l²·b/6 - момент сопротивления подошвы фундамента при расчете поперек моста;

А=l·b - площадь подошвы фундамента.

Величина  при действии постоянных и временных нагрузок принимается равной 1,0.

Имеем:

Условие выполняется.

3. Проектирование свайного фундамента под промежуточную опору ОП-2

.1 Конструирование свайного ростверка

фундамент грунт ростверк транспортный

Согласно рекомендаций [1] русловой опоры обрез ростверка назначаем на уровне поверхности грунта т.е. на отметке 159.40. Толщину плиты ростверка принимаем 2,5 м. Тогда отметка подошвы ростверка 159.40-2.5=156.90 м. Минимальное расстояние между сваями в свету принимаем 1,0 м. Свес ростверка принимаем 0,25 м за сваю.

Ростверк армируется в нижней части, площадь арматуры принимаем не менее 10 см на м. п. ростверка. Величину заделки свай в ростверк принимаем 1,2 м, величина анкеровки сваи не менее 30 диаметров арматуры. Материал ростверка - тяжелый бетон В20.

3.2 Выбор типа и размеров свай и определение их несущей способности

Основанием для свайного фундамента в нашем случае будет служить слой №4 - песок пылеватый, средней плотности, насыщенный водой, поэтому концы свай заглубляем в этот слой на величину не менее 2,0 м, примем 6,6 м.

Полная длина сваи определяется как сумма:

        (3.1)

где  - глубина заделки свай в ростверк;

 - расстояние от подошвы ростверка до кровли несущего слоя (8,2 м по рис. 6);

 - заглубление в несущий слой.

Получим:

По характеру работы сваи будут висячими. Для определения несущей способности висячей сваи-оболочки на вдавливание по грунту составляют расчетную схему, разбивая основание в пределах глубины погружения сваи в грунт на расчетные слои. Несущую способность  определяют как сумму ее составляющих F_R и F_f кН таких свай определяют по формуле:

       (3.2)

где  - коэффициент условий работы сваи в грунте,  = 1,0;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи-оболочки, кПа, определяется по формуле:

где a₁, a₂, a₃, a₄ - безразмерные коэффициенты, принимаемые по табл. 6 [3] в зависимости от j₁ =26,9 грунта основания;

g₁’ - расчетное значение удельного веса грунта, кН/м³, в основании сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды);

g₁ - осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунтов, расположенных выше нижнего конца сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды).

d - диаметр сваи-оболочки, м;

h - глубина заложения нижнего конца сваи, отсчитываемая от природного рельефа или уровня планировки, м.

А - площадь поперечного сечения сваи, м;

U - наружный периметр поперечного сечения ствола сваи, м;

 - расчетное сопротивление i - го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

, - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи.

Для нашего случая (рис. 6) определяем:

Расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи-оболочки:

R=0.75∙0.291 (17,07∙19,24∙0,6+32,4∙0,538∙18,38∙17,3)=1252,7 кПа

Коэффициенты = 1,0; =1,0, =0,7-для суглинка, =1,0-для песка для свай-оболочек, погружаемых вибрированием с выемкой грунта.

Площадь поперечного сечения А=3,1415∙0,3²=0,2827 м².

Периметр U =3,1415×0,6=1,885 м.

Для определения  разбиваем грунт ниже ростверка на слои не более 2 м и для каждого такого слоя в соответствии с глубиной середины слоя z по табл. 2 [3] находим :

Таблица 5. Определениеи

3.3 Определение требуемого количества свай

Количество свай в фундаменте определяется по формуле;

где - расчетная нагрузка на сваи, кН;

- коэффициент, учитывающий влияние момента, равен 1,1-1.6;

- несущая способность сваи;

- коэффициент надежности, принимаемый равным 1,4 по п. 3.10 [3].

Имеем:

Примем фундамент из 41 свай, расположенных как показано на рис. 8. Проверяем выполнение условия

 (3.4)

где - вертикальная нагрузка на наиболее загруженную сваю;

,,- соответственно расчетная сжимающая сила, расчетные моменты относительно главных центральных осей х и у плана свай в плоскости подошвы ростверка;

n - число свай в фундаменте;

,- расстояния от главных осей, до оси каждой сваи;

,- расстояния от главных осей до осей наиболее удаленной сваи, для которой вычисляются расчетные нагрузки;

Считается решение оптимальным, когда расхождение между величинами правой и левой частей формулы 3.4 не более 5%.

Вертикальная нагрузка на наименее загруженную сваю составляет

 (3.5)

При проектировании стремятся добиться такого положения, чтобы  была больше 0, т.е. чтобы свая испытывала сжимающие нагрузки.

В соответствии с рис. 8 и заданными нагрузками определяем:

Вес ростверка: G_p = г_p ∙V_p = 24 (13.9·7,5·2.5) = 6255.0 кН

N_I =N₀+ G_pg_fр, кН

g_fр - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемые по табл. 8 [4].

N_I = 16250+6255,0×1,1 = 23130,5 кН

М_Iх=М_х+Q_у×h_р=6330+250×2,5=6955,0 кНм;

М_Iу=М_у+Q_x×h_р =8500+380×2,5=9450,0 кНм;

=6,4 м, =3,2 м, =8×1,6²+10·3,2²+8·4,8²+10·6,4²=716,8 м²

=10×0,8²+8·1,6²+10·2,4²+8·3,2²=166,4 м²

Тогда

Недонапряжение составит 3,3%<5%, что допустимо.

Оба условия выполняются.

Литература

1.   Методические указания к выполнению курсового и дипломного проектирования по грунтоведению, основаниям и фундаментам транспортных сооружений для студентов специальности 31.10 - гидромелиорация г. Брест, БПИ, 1994, -35 с.

2.       Задания к курсовому проекту по дисциплине» Грунтоведение, основания и фундаменты транспортных сооружений» для студентов специальности 31.10-гидромелиорация. Брест, БПИ, 1994. - 38 с.

.        СНиП 2.02.03 - 85, «Свайные фундаменты». М.: Стройиздат, 1986 г. - 48 с.

.        СНиП 2.05.03-84, «Мосты и трубы». М.: Стройиздат, 1985 г. - 200 с.

.        Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для строительных вузов - М.:Высш. шк., 1983.-288 с.