Механика грунтов, основания и фундаменты

Механика грунтов, основания и фундаменты

Оглавление

1. Исходные данные для проектирования

1.1 Исходные данные

.2 Характеристика площадки. Инженерно - геологические и гидрогеологические условия

.3 Строительная классификация грунтов площадки

. Расчет фундаментов на естественном основании

.1 Выбор типа и конструкции фундаментов. Назначение глубины заложения фундамента

.2 Определение размеров подошвы фундамента

.3 Проверка напряжений в основании фундамента

.4 Расчет осадки фундаментов

.5 Расчет осадки во времени

. Вариант свайных фундаментов

.1 Выбор типа и конструкции свай и свайного фундамента Назначение глубины заложения ростверка

3.2 Определение несущей способности сваи и расчётной нагрузки, допускаемой на сваю

3.3 Определение количества свай в фундаменте и фактической нагрузки на сваю

. Экономическое сравнение вариантов

.1 Подсчет объемов работ и расчет стоимости устройства одного фундамента по первому и второму вариантам

.2 Технико-экономическое сравнение вариантов и выбор основного

Литература

1. Исходные данные и оценка инженерно-геологических условий площадки строительства

.1 Исходные данные

Таблица 1

Отметка поверхности природного рельефа NL = 145,0 м; нормативная глубина промерзания грунта d_fn = 2,2 м.

Типы грунтов по заданному геологическому разрезу (вариант № 24) с нормативными значениями характеристик физических свойств грунтов сведены в таблицу 1.

Конструктивная схема здания представлены на рис. 1, там же приведены усилия по обрезу фундамента.

1.2 Характеристика площадки. Инженерно - геологические и гидрогеологические условия

Оценка инженерно-геологичеких условий площадки начинаем с изучения напластования грунтов. Для этого по исходным данным (табл. 1) строим геологический разрез, а также в колонке скважины показываем уровень воды, зафиксировав его отметку.

рис. 2 План-контур строительной площадки

Для количественной оценки прочностных и деформационных свойств грунтов площадки строительства вычисляются производные характеристики их физических свойств, к которым относятся:

а) для песчаных грунтов - коэффициент пористости и степень влажности;

б) для пылевато-глинистых грунтов - число пластичности, показатель текучести, коэффициент пористости и степень влажности.

Коэффициент пористости определяется по формуле:

.

Для наших грунтов получаем:

; ;

; .

Степень влажности грунта определяется по формуле:

.

Получаем:

; ;

;

Тип пылевато-глинистых грунтов устанавливается по числу пластичности, определяемому по формуле :

.

Для слоёв № 2, 3, 4, 5 получаем:

;  %; %.

Показатель текучести пылевато-глинистых грунтов определяем по формуле

Для слоёв № 3, 4 получаем:

; .

Таким образом, исходя из полученных результатов, грунт слоя № 2 является песок пылеватый, средней плотности; слоя № 3 - супесь; слоя № 4 - глина; слой № 5 является песком средней крупности, средней плотности насыщенный водой.

В целях наглядного представления строительных свойств грунтов площадки строительства их классификационные показатели сводим в табл.2:

1.3 Строительная классификация грунтов площадки

В механике грунтов выделяют два существенно различающихся по своим механическим свойствам основных класса грунтов: скальные и нескальные.

Скальными называют твердые горные породы, которые в невыветрелом состоянии и при отсутствии тектонической раздробленности и трещиноватости отличаются очень малой сжимаемостью и значительной прочностью.

Нескальными - грунты, состоящие из легко разделяющихся в воде несцементированных или слабо сцементированных обломков горных пород и минеральных частиц различной крупности. Они образуют пористые толщи, часто достигающие значительной мощности.

На площадке по исходным данным имеются глинистые грунты, а именно супесь, суглинок и глина. Мощность почвенного слоя составляет 0,3 м. Отметка уровня подземных вод равна 152,0 м, и по данным геологического разреза грунтовые воды находятся в слое суглинка, под которым находится слой глины - водоупора.

2. Расчет фундаментов на естественном основании

2.1 Выбор типа и конструкции фундамента. Назначение глубины заложения фундамента.

Для заданного производственного корпуса устраиваем отдельный фундамент стаканного типа из сборных элементов, глубина заложения которого зависит от:

-     инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки;

-        глубины промерзания грунта;

         конструктивных особенностей подземной части здания.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов по отдельности.

Анализируя физико-механические свойства грунтов площадки строительства (табл. 2) видим, что 1-й слой грунта не может быть использован в качестве основания фундамента. Исходя из этого, глубина заложения фундамента должна отвечать условию

d ³ 0,2 м.

Расчётная глубина сезонного промерзания грунта d_f у фундамента определяется по формуле

.

Принимаем k_h = 0,7 (табл. 1 СНиП [1]). Получаем:

м.

Таким образом, принимаем d = 3,9 м.

.2 Определение размеров подошвы фундаментов

Ширину подошв фундаментов под наружную и внутреннею стены определим графическим способом, предложенным Н.В. Лалетиным :

для фундамента под наружную стену с усилием в плоскости обреза N_0II = =1150 кН ширина подошвы фундамента составит приблизительно 1,8 м (из дальнейших расчетов);

для фундамента под внутреннею стену с усилием в плоскости обреза N_0II = =1350 кН ширина подошвы фундамента составит приблизительно 2,1 м (из дальнейших расчетов). Увеличиваем глубину заложения до 4,5

.

Для фундамента Ф1.

м²,

грунт фундамент свая строительный

тогда ширина подошвы фундамента

м.

Для фундамента Ф2.

м²,

тогда ширина подошвы фундамента

м.

В соответствии с ГОСТ 13579-78 и ГОСТ 13580-78 выбираем:

для наружной стены здания ФА 43-46 3000х1800, А₁=7,2 м²,

для внутренней стены здания ФА 49-52 3000х2100, А₁=7,92 м².

1)      а=3000, а₁=2100, b=1800, b₁=1800.

2)      а=3000, а₁=2100, b=2100, b₁=1500.

Схематический чертеж фундамента стаканного типа

Подсчитаем нагрузки и воздействия, передающиеся на основание.

h_пр = q/g¢_II =10/16=0,6 м.

При этом боковое давление грунта на отметке планировки:

s¢_б1 = s¢_б2 = g¢_II×h_пр×tg²(45 - j/2) = 16×0,6×tg²(45 - 24/2) = 4,05 кПа.

Определение усилия от собственного веса фундамента и веса грунта на его уступах:

Ф1

кН,

 кН,

Нормальная вертикальная нагрузка:

N_II = N_0II + G_фII + G_грII = 1150 + 110,95 + 316,34= 1577 кН;

Ф2

кН,

 кН,

Нормальная вертикальная нагрузка:

N_II = N_0II + G_фII + G_грII = 1350 + 112,93 + 379,85= 1843 кН.

2.3 Проверка напряжений в основании фундамента

Для фундамента под наружную стену здания должны выполняться условия

p £ R;

p_max £ 1,2 R;

p_min > 0.

Определим расчётное сопротивление грунта основания

;

где:

 (табл. 3 СНиП [1]);

k = 1,1;

 (табл. 4 СНиП [1]);

k_z = 1;

b = 1,8 м;

g_II = кН/м³;

g¢_II =  кН/м³;

с_II = 15,88 кПа;

Получаем:

кПа.

Среднее давление под подошвой фундамента

p = N_II/A = 1577/(3×1,8) = 292,04 кПа.

Определяем максимальное и минимальное краевое давление по подошве внецентренно нагруженного фундамента

p_max = N_II/A + M_II/W = 1577 + 40×6/(3²×1,8) = 306,91кПа;

p_min = N_II/A - M_II/W = 1577 - 40×6/(3²×1,8) = 277,28 кПа.

Итак, получаем:

,04 < 457,6;

,91 < 549,2;

,28 > 0.

Расхождение между p и R составляет 36 %.

Для фундамента под внутреннею стену здания должно выполняться условие p £ R. Среднее давление под подошвой фундамента

p = N_II/A = 1843/(3×2,1) = 292,51 кПа.

Расчётное сопротивление грунта основания

,51 < 461,84.

Расхождение между p и R составляет 36,7 %.

2.4 Расчёт осадки фундамента

Осадку фундамента будем определять методом послойного суммирования. Ширина подошвы b = 1,8 м; глубина заложения d = 4,5 м; среднее давление под подошвой фундамента p = 292,04 кПа; напряжение от собственного веса грунта в уровне подошвы фундамента s_zg,о = g¢×d + g_w×h_w = =16×4,5 + 10×0,8 = 80 кПа, дополнительное давление p_о = =292,04 - 80 = =212,04 кПа.

Расчёт осадки фундамента крайнего ряда

Эпюры напряжений в основании фундамента под наружный фундамент

Теперь определим значение конечной осадки отдельно стоящего фундамента внутри здания по методу послойного суммирования. Ширина подошвы b = 2,1 м; глубина заложения d = 4,5 м; среднее давление под подошвой фундамента p = 292,51кПа; напряжение от собственного веса грунта в уровне подошвы фундамента s_zg,о = g¢×d + g_w×h_w = 16×4,5 + 10×0,8 = 80 кПа, дополнительное давление p_о = 292,51 - 80 = 212,51 кПа.

Расчёт осадки внутреннего фундамента

Эпюры напряжений в основании фундамента под внутренний фундамент

2.5 Расчет осадки фундамента во времени

Выполним расчёт консолидации основания ленточного фундамента с шириной подошвы b = 1,8 м, глубиной заложения d = 4,5 м. Под подошвой фундамента залегает пласт супеси мощностью h = 2,7 м. Конечная осадка фундамента s = 1,333 см. Коэффициент фильтрации k_f = 6×10^-5 см/с = =1893,4см/год =18,934 м/год.

Коэффициент относительной сжимаемости:

Па^-1

Вычисляем значение коэффициента консолидации:

м²/год.

Время осадки:

График осадки фундамента во времени

3. Проект свайного фундамента

.1 Выбор типа и конструкции свай и свайного фундамента. Назначение глубины заложения ростверка

Для нашего здания принимаем отдельно стоящие свайные фундаменты, состоящие из свай и балочного ростверка. Глубину заложения ростверка принимаем из условия промерзания и принимаем глубину заложения подошвы ростверка d_р = 1,5 м.

Для выбора марки сваи необходимо определить её длину:

l = l_з + l_н + h = 0,5 + 0,8 + 5,7= 7 м.

По каталогу принимаем сваю марки С7-30 с характеристиками:

-     бетон М200;

-        расход арматуры на сваю 42,08 кг;

          расход бетона на сваю 0,73 м³;

          масса сваи 1,6 т.

3.2 Определение несущей способности сваи и расчётной нагрузки, допускаемой на сваю

Несущая способность сваи-стойки определяется по формуле

;

где:

g_с = 1 (СНиП [3]);

R = 20000 кПа;

А = 0,09 м²;

Получаем:

 кН.

Расчёт свайных фундаментов и свай по несущей способности грунтов производится исходя из условия

N £ F_d / g_k = P; P = 1800/1,4 = 1286 кН;

а по несущей способности сваи

N £ g_cj(R_bA + R_scA_s) = P₁; P₁ = 14500×0,09 + 225000×0,000452 = 1406 кН.

В дальнейших расчётах будем использовать меньшее значение, т.е. расчётная нагрузка, передаваемая на сваю N £ 1285,7 кН.

3.3 Определение количества свай в фундаменте и фактической нагрузки на сваю

Среднее давление под ростверком р_р = Р / (3×d)² = 1285,7 / (3×0,3)² = 1587,3 кПа.

Расчет для Ф2

Определяем площадь подошвы ростверка:

.

Определяем вес ростверка с грунтом на уступах:

кН.

Для наружной и внутренней стен здания соответственно получаем

n = (1150×1,2 + 29,24)/1285,7 = 1,09; n = (1350×1,2 + 29,24)/1285,7 = 1,28

принимаем по 3 сваи.

Сваи располагаем в рядовом порядке с расстоянием между осями равным 3×d, т.е. равным 0,9 м.

Схема расположения свай в ростверке

                                               Х

                                     У

Размеры плиты ростверка в направлении оси Х: 0,2 + 0,3 / 2 + 0,9×sin60^о + +0,3 / 2 + 0,2 = 1,48 м, размеры плиты ростверка в направлении оси У: 0,2 + +0,3 / 2 + 0,9 + 0,3 / 2 + 0,2 =1,6 м. Принимаем размеры подошвы ростверка с учетом модуля 1,5´1,8 м. При этом вес ростверка и расположенного на его ступенях грунта G_Р,ГР1 = 1,1×1,5×1,8×20×1,5 = 89,1 кН

Определим фактическую нагрузку на сваю

для наружной стены М_OI = 1,2×(40 + 8×1,5) = 62,4 кН×м,

Р_max = (1380 + 89,1)/3 ± 62,4×0,45×(0,45² + 0,45²) = 489,7 ± 11,372

N  (N_0I + G_ф)/n = (1150×1,2 + 95)/3= 492 кН;

для внутренней стены

N  (N_0I + G_ф)/n = (1350×1,2 + 95)/3= 572 кН.

Р_max = 501 < 1543 кН

Р_min = 489,5 кН > 0

Р_ср = 491,7 < 1285,7 кН

Перенапряжение более 5 % допускаем, т.к. конструктивно принимали большее количество свай, чем требовалось по расчету.

Основания фундаментов из свай-стоек по деформациям не рассчитываются.

4. Сравнение вариантов фундаментов и выбор основного

.1 Подсчет объемов работ и расчет стоимости устройства одного фундамента по первому и второму вариантам

Расчёт стоимости устройства свайного ленточного фундамента

Подсчитываем объем работ на устройство фундамента мелкого заложения, результаты сводим в таблицу.

Расчёт стоимости устройства свайного ленточного фундамента

4.2 Технико-экономическое сравнение вариантов и выбор основного

По вышеприведенным расчетам видно, что более экономично выгодный вариант - фундамент мелкого заложения. С точки зрения простоты устройства фундамента - фундамент мелкого заложения менее трудоемкий. Поэтому принимаем за основной вариант фундамент мелкого заложения.

Список литературы

1. Вотяков И.Ф. «Механика грунтов, основания и фундаменты»: Задание на курсовой проект и методические указания по его выполнению для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство». - Гомель: БелГУТ, 1996

2. Б.И. Далматов, Н.Н. Морарескул, В.Г. Науменко «Проектирование фундаментов зданий и промышленных сооружений»: Учебное пособие для студентов вузов по специальности «Промышленное и гражданское строительство»: 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1986

3. М.Н. Гольдштейн, А.А. Царьков, И.И. Черкасов «Механика грунтов, основания и фундаменты»: Учебник для вузов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 1981

4. СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» - М.: Гос. комитет СССР по делам стр-ва, 1986

5. СНБ 5.01.01-99 «Основания и фундаменты зданий и сооружений» - Минск, 1999г.

6. СНиП III-4-80* «Строительные нормы и правила», ч.3 «Правила приемки и производства работ», глава 4 «Техника безопасности в строительстве» - М., 1989