Здание фабричного корпуса в Петрозаводске

Здание фабричного корпуса в Петрозаводске

КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ПГС

Курсовой проект

«Здание фабричного корпуса в Петрозаводске»

по дисциплине «Основания и Фундаменты»

г. Калининград 2011 г.

1.  
Исходные данные

Курсовой проект выполняется на основании выданного задания. Задание представляет собой проект здания фабричного корпуса в городе Петрозаводске. Строительство дома ведется на площадке со спокойным, слабохолмистым рельефом. Грунт площадки имеет три слоя, один из которых - верхний насыпной слой - глина. Второй слой представляет собой супесь. Третий слой представляет собой суглинок. Сведения о нагрузках, действующих на обрез фундамента, сведены в таблицу:

2.    
Оценка инженерно-геологических условий и свойств грунта

2.1 Геологические характеристики грунтов

Площадка строительства находится в городе Петрозаводск и инженерно-геологические условия ее освещены тремя выработками: скв. №1, скв. №2, скв. №3, скв. №4, скв. №5.

Первый слой - образец №1 -глина , для которой известны следующие характеристики:

Удельный вес твердых частиц грунта γ_s=26,9кН/м³

Влажность W=0,39

Предел текучести W_L=0,50

Предел раскатывания W_Р=0,30

Коэффициент фильтрации k_ф=3,1х 10^-8см/с

Модуль деформации Е=7500кПа

Для расчета по несущей способности:

Удельный вес грунта γ_I=15,5кН/м³

Угол внутреннего трения φ₁=14 град

Сцепление С_I=22 кПа

Для расчета по деформациям:

Удельный вес грунта γ_II=18,2 кН/м³

Угол внутреннего трения φ_II=16 град

Сцепление С_II=30 кПа

Второй слой - образец №12 - супесь, для которой известны следующие характеристики:

Удельный вес твердых частиц грунта γ_s=26,4 кН/м³

Влажность W=0,29

Предел текучести W_L=0,31

Предел раскатывания W_р=0,25

Модуль деформации Е=8000кПа

Коэффициент фильтрации k_ф=1,1∙10^-5 см/с

Для расчета по несущей способности:

Удельный вес грунта γ₁=15,5кН/м³

Угол внутреннего трения φ₁=17град

Сцепление С₁=4 кПа

Для расчета по деформациям:

Удельный вес грунта γ₁₁=18,3 кН/м³

Угол внутреннего трения φ₁₁=20град

Сцепление С₁₁=5 кПа

Третий слой - образец №7 - суглинок, для которого известны следующие характеристики:

Удельный вес твердых частиц грунта γ_s=26,8 кН/м³

Влажность W=0,31

Предел текучести W_L=0,36

Предел раскатывания W_р=0,22

Модуль деформации Е=10000 кПа

Коэффициент фильтрации k_ф=2,5∙10^-7 см/с

Для расчета по несущей способности:

Удельный вес грунта γ₁=15,7 кН/м³

Угол внутреннего трения φ₁=15град

Сцепление С₁=9 кПа

Для расчета по деформациям:

Удельный вес грунта γ₁₁=18,5 кН/м³

Угол внутреннего трения φ₁₁=17град

Сцепление С₁₁=12кПа

2.2 Определение наименований грунтов

Глина (образец №1)

а) Расчет по несущей способности

Удельный вес сухого грунта

γ_d= γ/(1+W)=15,5/(1+0,39)=11,15кН/м³

Коэффициент пористости

е =( γ_s- γ_d)/ γ_d=(26,9-11,2)/11,2=1,4

Пористость

n=e/(1+e)=1,4/(1+1,4)=0,6

Полная влагонепроницаемость

W_sat=W_max=e· γ_W/ γ_s=1,4·10/26,9=0,52

где γ_W- удельный вес воды; γ_W=10 кН/м³

Степень влажности

S_r=W/W_sat=W· γ_s/ e· γ_W=0,18*26,6/0,8*10=0,6

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды

γ_sb=( γ_s- γ_W)/(1+e)=(26,9-10)/(1+1,4)=7,04 кН/м³

б) Расчет по деформациям

Удельный вес сухого грунта

γ_d= γ/(1+W)=18,2/(1+0,39)=13,09 кН/м³

Коэффициент пористости

е =( γ_s- γ_d)/ γ_d =(26,9-13,09)/13,09=1,06

Пористость

n=e/(1+e)=1,06/(1+1,06)=0,51

Полная влагонепроницаемость

W_sat=W_max=e· γ_W/ γ_s =1,06·10/26,9=0,39

Cтепень влажности

S_r=W/W_sat=W· γ_s/ e· γ_W=0,39*26,9/1,06*10=0,98

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды

γ_sb=( γ_s- γ_W)/(1+e)=(26,9-10)/(1+1,06)=8,2кН/м³

Число пластичности

I_p=W_L-W_p=0,50-0,30=0,2

Показатель текучести

I_L=(W-W_p)/( W_L-W_p)=(0,39-0,30)/(0,50-0,30)=0,45

Коэффициент относительной сжимаемости

m_V=β/E=0,6/8000=7,5х10^-5 1/кПа

β = 0,6 - для глины

Супесь (образец №12)

а) Расчет по несущей способности:

Удельный вес сухого грунта

γ_d= γ/(1+W)=15,5/(1+0,29)=12,02кН/м³

Коэффициент пористости

е =( γ_s- γ_d)/ γ_d =(26,4-12,02)/12,02=1,19

Пористость

n=e/(1+e)=1,19/(1+1,19)=0,54

Полная влагонепроницаемость

W_sat=W_max=e· γ_W/ γ_s =0,54·10/26,4=0,20тепень влажности_r=W/W_sat=W· γ_s/ e· γ_W=0,29/0,20=1,45

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды

γ_sb=( γ_s- γ_W)/(1+e)=(26,4-10)/(1+1,19)=7,48кН/м³

б) Расчет по деформациям

Удельный вес сухого грунта

γ_d= γ/(1+W)=18,3/(1+0,29)=14,2 кН/м³

Коэффициент пористости

е =( γ_s- γ_d)/ γ_d =(26,4-12,02)/12,02=1,19

Пористость

n=e/(1+e)=1,19/(1+1,19)=0,54

Полная влагонепроницаемость

W_sat=W_max=e· γ_W/ γ_s =1,19·10/26,4=0,45

Степень влажности

S_r=W/W_sat=W· γ_s/ e· γ_W=0,29/0,45=0,64

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды

γ_sb=( γ_s- γ_W)/(1+e)=(26,4-10)/(1+1,19)=7,48 кН/м³

Число пластичности

I_p=W_L-W_p=0,31-0,25=0,06

Показатель текучести

I_L=(W-W_p)/( W_L-W_p)=(0,29-0,25)/(0,31-0,25)=0,7

Коэффициент относительной сжимаемости

m_V=β/E=0,74/8000=9,3х10^-5 1/кПа

β = 0,74-для супеси

Суглинок (образец №7)

а) Расчет по несущей способности:

Удельный вес сухого грунта

γ_d= γ/(1+W)=15,7/(1+0,31)=12кН/м³

Коэффициент пористости

е =( γ_s- γ_d)/ γ_d=(26,8-12)/12=1,2

Пористость

n=e/(1+e)=1,2/(1+1,2)=0,5

Полная влагонепроницаемость

W_sat=W_max=e· γ_W/ γ_s =1,2·10/26,8=0,45

Степень влажности_r=W/W_sat=W· γ_s/ e· γ_W=0,31*26,8/1,2*10=0,7

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды

γ_sb=( γ_s- γ_W)/(1+e)=(26,8-10)/(1+1,2)=7,6кН/м³

б) Расчет по деформациям

Удельный вес сухого грунта

γ_d= γ/(1+W)=18,5/(1+0,31)=14,1кН/м³

Коэффициент пористости

е =( γ_s- γ_d)/ γ_d =(26,8-14,1)/14,1=0,9

Пористость

n=e/(1+e)=0,9/(1+0,9)=0,47

Полная влагонепроницаемость

W_sat=W_max=e· γ_W/ γ_s =0,9·10/26,8=0,3

Степень влажности

S_r=W/W_sat=W· γ_s/ e· γ_W=0,31/0,3=1,03

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды

γ_sb=( γ_s- γ_W)/(1+e)=(26,8-10)/(1+0,9)=8,8кН/м³

Число пластичности

I_p=W_L-W_p=0,36-0,22=0,14

Показатель текучести

I_L=(W-W_p)/( W_L-W_p)=(0,31-0,22)/(0,36-0,22)=0,64

Коэффициент относительной сжимаемости

m_V=β/E = 0,52/10000=5,2х10^-5 1/кПа

β = 0,52 - для суглинка

Описание грунтов:

Глина (образец №1) - тугопластичная, среднесжимаемый, легкая песчанистая Супесь (образец №12) - полутвердая, среднесжимаемая, легкая песчанистая.

Суглинок (образец №7) - мягкоопластичный, среднесжимаемый, тяжелый песчанистый.

2.3 Определение расчетной и нормативной глубины промерзания

Нормативная глубина промерзания грунта определяется по формуле (2)

СНиП 2.02.01-83 для районов, где глубина промерзания не более 2,5м: df_n=d_o×ÖM_t - нормативная глубина сезонного промерзания,

M_t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимается по СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика".

d_o - величина, принимаемая равной, м, для: суглинков и глин 0,23м.

M_t=36,8 для г.Петрозаводск

d_fn=0,23×Ö36,8=1,4 м.

Расчетная глубина промерзания определяется по формуле (3) СНиП 2.02.01-83:

d_f = k_h×d_fn,

k_h - коэффициент влияния теплового режима здания на промерзание грунта у наружных стен, т.к. здание с техническим подвалом k_h=0,5.

d_f = 0,5×1,4=0,7м.

3.  
Разработка вариантов фундамента

Разработку вариантов следует производить для одного наиболее нагруженного фундамента заданного сооружения. В нашем случае - фундамент №2.

3.1 Фундаменты на естественном основании

Выбор глубины заложения фундамента.

За относительную отметку ±0,000 принимаем пол первого этажа. Обрез фундаментов выполняем на отметке -0,150м. В соответствии с конструктивными требованиями при глубине пола в подвале на отметке 2,7 м примем толщину пола 0,2 м, а расстояние от низа конструкции пола в подвале до подошвы фундамента назначим равным 0,4 м, имея в виду, что высота типового блока подушки составит 0,3 м. Тогда глубина заложения подошвы фундамента от уровня планировки будет равна 3,6 м, а от отметки земли - 2,7 м, что больше d_f=0,5 м.

Площадь подошвы фундамента и его размеры в плане.

А = N₀₁₁/(R-γ_ср·d);

N₀₁₁ - усилие, передаваемое по обрезу фундамента, кН

γ_ср = 20 кН/м³

А = 3200/(634,9-20·3,6) = 0,91м²;

По конструктивным требованиям принимаем b=1,5м и l = 1,5м.

Конструирование веса фундамента и определение веса фундамента N_фII и грунта на его ступенях N_грII.

Собственный вес фундамента:

N_фII = V_ф· γ_жб,

где V_ф- объем фундамента

γ_жб - удельный вес железобетона, кН/м³; γ_жб=25 кН/м³

V_ф= 1,5·1,5·0,3+1,2·1,2·0,3-0,475·0,675·0,5= 0,95м³

N_фII = 0,95·25 = 23,75кН

Вес грунта, находящегося на ступенях фундамента, кН

N_грII = V_гр· γ_II^´

где V_гр- объем грунта, находящегося на ступенях фундамента, м³

γ_II^´-удельный вес грунта, кН/м³

V_гр = 0,55·0,55·3,3-0,15∙0,15∙0,3 = 0,9м³

N_грII = 0,9· 20,5 = 18,45кН.

Определение среднего давления P по подошве фундамента и сравнение его с расчетным сопротивлением грунта основания R.

P = (N_0II+ N_фII+ N_грII)/А ≤ R

P = (3200+23,75+18,45)/2,25 = 245,4 МПа ≤ 634,9 МПа

Недогрузка фундамента составляет (634,9-245,4)·100%/634,9 = 6,1%

Определение абсолютной осадки основания фундамента S и сравнение с предельной величиной деформации основания S_u, установленной для рассматриваемого типа здания.

Расчет сводится к удовлетворению условия

S ≤ S_u

Осадка основания S с использованием расчетной схемы в виде линейного деформируемого полупространства определяется методом послойного суммирования по формуле:

S=β·Σσ_zp,i·h_i/E_i

β - безразмерный коэффициент, β=0,8

σ_zp,i- среднее значение дополнительного вертикального нормального

напряжения в i-ом слое грунта

h_i- толщина i-го слоя грунта

E_i- модуль деформации i-го слоя грунта

Вертикальные напряжения от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента σ_{zg 0} при планировке срезкой:

σ_{zg 0} =γ´· d,

γ´- удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента

σ_{zg 0} =20,5∙3,0 = 61,5 кПа

Вертикальные напряжения от собственного веса грунта σ_zg на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента:

σ_zg =γ´·d+Σγ_ih_i

γ_i - удельный вес i-го слоя грунта

h_i - толщина i-го слоя грунта

Вертикальное давление на основание на уровне подошвы фундамента

σ_{zр 0} =P- σ_{zg 0} = 245,4-61,5= 183,9кПа

Р- среднее давление под подошвой фундамента

Вертикальные нормальные напряжения на глубине z от подошвы фундамента по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяется по формуле:

σ_zр = α·Р₀

α - коэффициент, принимаемый по СНиП.

Величины, используемые при расчете осадок фундаментов по методу послойного суммирования.

S=0,8[(183,9+(183,9+238,04)/2+(238,04+225,8)/2)·0,2/18000+((224,8+148,7)/2+(148,7+89,3)/2+(89,3+52,8)/2+(52,8+39,3)/2+(39,3+35,3)/2+(35,3+21,6)/2)·0,5/ 22000+((21,6+16,4)/2+(16,4+13,0)/2+(13,0+10,8)/2)·0,5/10000] = 0,0163м = 1,63см.

Сравним предельную осадку с максимальной:

S = 1,63 см < S_u = 12см

Условие удовлетворяется.

3.2 Фундаменты на улучшенном основании

Расчёт песчаной или гравийной подушки сводится к определению её размеров и осадки возводимого на ней фундамента.

1)      В качестве улучшенного основания принимаем песок средней крупности со следующими характеристиками

g_II=20,1кН/м³                 j_II=38°                          g_s=26,4кН/м³

w=0,16                 Е=40·10⁶Па                   к_ф=2·10^-2см/с

Рассчитываем дополнительные характеристики:

е=(g_s/g_II)·(1+w)-1=(26,4/20,1)·(1+0,16)-1=0,52

g_sbII=(g_s-g_b)/(1+е)=(26,4-10)/(1+0,52)=10,79кН/м³

2)      Глубину заложения подошвы фундамента принимаем аналогично тому, как делали это для фундамента на естественном основании,

d = 3,6м

3)      В соответствии с крупностью выбранного песка для подушки по таблице справочника, устанавливаем расчётное сопротивление R₀ для него, которое даётся применительно к фундаменту, имеющему ширину b=1м. Принимаем R₀=500кПа.

4)      Исходя из принятого расчётного сопротивления R₀=500кПа, производим предварительное определение площади подошвы фундамента А₀ и его размеров в плане b и l.

А₀ = N_0II/(R₀-g_ср·d₀) = 510/(500-20·3,6) = 1,19м²

Из конструктивных требований принимаем b=1,5м и l=1,5м.

5)  Для окончательного назначения размеров фундамента определяем расчётное сопротивление грунта подушки (d >2м).

R=(R₀·(1+k₁·(b-b₀)/b₀))+k₂·γ´_II(d-d₀)

Где    b=1,5м                 k₂=0,25       d=3,6м        k₁=0,05

R₁ = (500·(1+0,05·(1,5-1)/1))+0,25·20·(3,6-2) = 522кПа

А₁ = 1500/(522-20·3,6) = 3,15м²

b = 1,5м      l =2,1м

6)  Вычисляем собственный вес фундамента:

_фII=V_ф· γ_жб,

V_ф = 1,5·2,1·0,3+1,2·1,8·0,3-0,675·0,475·0,5 = 1,43м³

N_фII = 1,43·25 = 35,75кН

Вес грунта, находящегося на ступенях фундамента, кН

N_грII=V_гр· γ_II^´

N_грII=18,2(0,55·0,85∙3.3-0,15·0,15∙0,3) = 27,96кН

7)      Определим среднее давление P по подошве фундамента

P = (N_0II+ N_фII+ N_грII)/А ≤ R

P = (510+35,75+27,96)/3,15 = 182,1кПа ≤ 522кПа

Условие выполняется.

Найдем дополнительные вертикальные напряжения от собственного веса грунта

σ_{zg 0} на уровне подошвы фундамента:

σ_{zg 0} = γ´·d

σ_{zg 0} = 61,5 кПа

Дополнительное вертикальное давление на уровне подошвы фундамента σ_{zр 0}:

σ_{zр 0} = P- σ_{zg 0}=182,1-61,5 = 120,6кПа

8)      Зададимся толщиной висячей подушки, h_п=1,0м.

Проверяем условие s_zg+s_zp £ R_z - проверка напряжений на кровле слабого подстилающего слоя

s_zg= 61,5+1·10,79 = 70,85кПа

s_zp= 0,548·120,6 = 66,1 кПа

Для установления R_z вычислим площадь условного фундамента

А_у = N_0II/s_zp = 3200/66,1=7,7м², b=2,7м, l=2,7м.

R_z=1,2·1,1(0,72·1·1·18,2+3,87·3,6·19,2+(2,3-1)·3,3·19,2+6,45·18)/1,1=606,6кПа

,85+66,1=137,0 < 606,6кПа - условие удовлетворяется.

D=((606,6-137,0)/606,6)·100%=46,6%

Ширину подушки понизу определяем по формуле:

b_п=b+2·h_п·tga,

где a - угол распределения давления в теле подушки (30°…40°). Принимаем a=35°,

тогда b_п=1,5+2·1·tg35°=3м

Осадку фундамента определяем так же, как для фундамента на естественном основании.

Величины, используемые при расчете осадок фундаментов по методу послойного суммирования.

= 0,8

[(120,6+(120,6+171,9)/2+(171,9+131,8)/2)*0,2/18000+((131,8+124,1)/2+(124,1+80,8)/2+(80,8+50,2)/2+(50,2+38,2)/2+(38,2+27,7)/2+(27,7+21,7)/2)*0,5/22000+((21,7+16,6)/2+(16,6+13,1)/2+(13,1+10,9)/2)*0,5/10000] = 0,013м = 1,3см

Сравним предельную осадку с максимальной

 = 1,3см < S_u= 12см

Условие выполняется.

3.3 Свайный фундамент

Определение глубины заложения подошвы ростверка:

d_р= d_b+h_ef+h_р

d_b - глубина подвала - расстояние от уровня планировки до пола подвала, м;

h_р - высота ростверка

h_{р min}=a_k+t+20см

t- глубина заделки свай в ростверк, м: t=0,05м

a_k- больший размер колонны в плане, a_k=0,6м

h_{р min} = 0,6+0,05+0,2 = 0,85м

h_ef - толщина пола подвала, h_ef = 0,2м

d_р = 2,7+0,2+0,85 = 4,05м

d_р = 4,05м > d_f = 1,2м - условие выполняется.

Выбор типа, марки и длины сваи:

Марка сваи С6-30 (ГОСТ 19804.1-79). Бетон В25; R_b=14,5Мпа. Продольная арматура 4Æ14 А-III; R_s=340Мпа, А_s=6,16см². Поперечное сечение сваи 0,3х0,3м, длина 4 м, острие - 0,3 м.

Свая погружается с помощью забивки дизель-молотом.

Определение расчетной нагрузки на сваю:

По грунту:

P = g_c· (g_cR·R·A + u Σg_cf·f_i·h_i)

g_c - коэффициент условий работы сваи в грунте, g_c =1

А - площадь опирания сваи на грунт ,м²

h_i - толщина i-го слоя грунта

g_cR, g_cf -коэффициенты условий работы грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью, м

R, f_i- расчетные сопротивления грунта под нижним концом сваи и i-го слоя грунта по боковой поверхности сваи определяемые по таблицам, кПа.

u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м

фундамент грунт основание гидроизоляция

Разбивку грунта делаем на элементарные слои толщиной 1м

Р = 1·(1·2500·0,09 + 1,2·(1∙38·1 + 1∙40·1 + 1∙42·1 + 1∙43·1 + 1∙19·1 + 1∙19·1 )) = 466,2 кПа

По материалу:

Р = φ·γ_с(R_b·A + R_sc·А_s´) = 1·1(14500·0,09 + 340000·0,000616) = 1514 кПа.

В дальнейших расчетах используем меньшее значение расчетной нагрузки, а именно по грунту Р = 466,2 кПа.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю:

Определение размеров ростверка:

Условное давление под подошвой ростверка

s_р = р/(3·d_c)² = 466,2/(3·0,3)² = 575,6кН/м²

Условная площадь подошвы ростверка

А_р = N₀₁/(s_p - g_cp·d_p·g_f) = 3200/(575,6-21,5·4,05·1,1) = 1,06м²

Приближенный вес ростверка и грунта на его уступах:

N_p1=g_f·A_p·d_p·g_ср=1,1·1,06·4,05·21,5=101,5кН

Количество свай в ростверке:

n = (N₀₁₁+N_p1)/N_u = (3200+101,5)/333,0 = 1,8 = 2 шт.