Проектирование инженерного сооружения в сложных геологических условий

  1. Исходные данные

Расчетные характеристики грунтов

№

Наименование грунтов

мощность

 

  

ρ

W

          

e

    

c

  

φ

  

E

  

м

  

-

-

-

-

-

  

-

-

-

кПа

мПа

-

-

1

растительный слой

1

-

1,6

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

2

Лессовидный суглинок и лесс палевый, книзу непросадочный

22,0

2,68

1,63

0,13

0,28

0,16

0,12

-0,25

1,44

0,86

0,3

1,16

33

10

25

16

15

5

3

Песок крупный

4,5

2,65

1,98

0,19

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-


.

Расчетные данные для  водонапорной башни

Высота Н(м)

Диаметр d(м)

Вес башни N(Кн)

Ветровая нагрузка

Т(кН)

Плечо L(м)

51

12

65000

24

21


 

1.1 Определяем нагрузку на фундамент от водонапорной башни

, где

 

вес воды в башне,(кН)

=

 кН

Назначаем глубину заложения фундамента d= 3 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант1. Расчет и проектирование фундаментов опоры водонапорной башни на обводненном лессовом грунте.

 Вычисляем возможную величину  просадки при полном замачивании  лессовых грунтов водой

 

 относительная просадочность  слоя грунта;

мощность слоя грунта;

 – коэффициент, принимаемый  условно для среднего давления  грунта под подошвой фундамента  . Определяется по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

Для проектируемого сооружения (водонапорная башня) согласно ДБН В2.1-10-2009 предельно  допустимая осадка составляет 20 см.

 

Условие не выполняется. Требуется выполнить комплекс противопросадочных мероприятий, которые снизят величину просадки толщи  и обеспечат выполнение данного условия.

1. Определяем физико-механические характеристики обводненного лессового грунта

  
2.Плотность грунта ρ=1,63  
3.Влажность грунта W=0,13

4.Плотность сухого грунта 

ρd=ρ/(1+ W)=1.63/1+0.13=1.44

5.Пористоть

 e = ρs- ρd / ρd =2.68-1.44/1.44=0.86

6.Влажность водонасыщенного грунта

Wsat = e ρw / ρs=0.861/2.68=0.3

7.Определяем плотность водонасыщеного грунта

 

8.Определяем удельный вес минеральной  части грунта и удельный вес  самого грунта

 

 

9.Определяем удельный вес сухого  и водонасыщенного грунта

 

 

10. Определяем значения удельного сцепления(С), угла внутреннего трения (φ) и модуля общей деформации грунта (Е)

 

 

 

10.Определяем  значения удельного сцепления(С), угла внутреннего трения (φ) и  модуля общей деформации грунта (Е) при полном водонасыщении  грунта

 

 

 МПа

2.Конструирование  фундамента

2.1. Подбор размеров сторон фундамента

Вычисляем расчетное сопротивление  грунта основания при полном водонасыщении

 

Согласно ДБН 2-1.10-2009

При

 

 

 

 

 

 

 

Требуемая площадь подошвы фундамента

 

 

Вычисляем расчетное сопротивление  грунта обводненного основания с  учетом примерных размеров подошвы  фундамента

 

 

 

 

 

Вычисляем сходимость размеров подошвы  фундамента первого и второго  приближения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Окончательно принимаем размеры фундамента =22,9 м, А=524,41м2, R=293,2 кПа

2.2.Проверка контактных напряжений на подошве фундамента

 

 

0293,88 кПа

2.3 Конструирование фундамента

2.3.1  Тип фундаменты назначают из условия жесткости: 

 фундамент с повышенной стаканной частью с подколонником;

 фундамент без повышенной стаканной части, без подколонника

  фундамент без подколонника

2.3.2 Для выбранного типа фундамента определяется предварительная высота конструкции фундамента:

;                   

Rbt –расчетное сопротивление материала фундамента растяжению; = для бетона класса В15 ,принимается по таблице 13 СНиП 2.02.03-84

-среднее напряжение под подошвой фундамента;

=122651/524,41+20*3=293,88 кПа;

          

2.3.3 Проверка жесткости конструкции по условию:

 жесткий

 гибкий

 фундамент гибкий

Проверка конструкции гибкого  фундамента проверяется по условию  прочности на продавливание.

2.3.4 Определение требуемой высоты  конструкции фундамента из условия  обеспечения прочности конструкции  на продавливание:

   ,где

 м

 

bпр2=16,62=275,56

(А-Апр)σср=(524,41-275,56)*293,88=73132 кН

= 2 м

2.4 Армирование фундамента

2.4.1 Усилие в конструкции фундамента вычисляется по трапециевидным сечениям.

 

 

2.4.2 Определяем требуемую площадь  арматуры

 

 

Задаем шаг стержней рабочей арматуры  

Вычисляем количество стержней ,которое  вмещается с заданным шагом

 

Определяем  площадь одного стержня:

 

Подбираем диаметр арматуры:

 .

Согласно сортаменту принимаем  Ø арматуры=20мм. Расчетная площадь  сечения As=3,142 cм2.

2.5 Расчет  осадки фундамента

С использованием расчетной схемы  линейно-деформированного полупространства с условным ограничением нижней границы  сжимаемой толщи (для определения  совместной деформации оснований и  сооружений), определяем методом послойного суммирования :

                                           

β = 0,8

σzpi – среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в слое грунта

Ei – модуль деформации i-го основания

hi – толщина i-го слоя грунта

i – число элементарных слоев на которые разбито основание

Вычисляем среднее давление под  подошвой фундамента   

Природное давление грунта на уровне подошвы фундамента кПа

Для установления границ сжимаемой  толщи вычисляем и строим эпюру  напряжения свеса грунта по глубине,                             

Вычисляем дополнительные напряжения на границе каждого элементарного  слоя

                                                          

Толщина под подошвой фундамента разделяется  на элементарные слои

                                                                             ; hэ=0.222.9 = 4.6 м

Вычисляем коэффициент глубины       =24.6/22.9=0.4

По СНиП определяем коэффициент  рассеивания напряжения на границе  каждого элементарного слоя а  – в зависимости от соотношения  сторон фундамента

                                                           =1 ; ƒ(ξ,η)

Вычисляем дополнительные напряжения на границе каждого элементарного  слоя

                                                          

По значению дополнительного напряжения строится эпюра распределения дополнительных напряжений в массиве грунта.

Граница сжимаемой толщи определяется условием, где дополнительное напряжение составляет 20% т напряжений собственного веса грунта

Требования к деформации оснований  : 

ξ

α

hслоя,м

σzp,кПа

σzg,кПа

σzp-σzg,кПа

E,кПа

S,м

Sобщая,м

γ

0

1

0,0

241,38

52,50

188,88

5000

0,00

0,07

18.34

0,4

0,96

4,6

231,72

136,86

94,86

5000

0,07

18.34

0,8

0,8

4,6

193,10

221,23

-28,12

5000

-0,02

18.34


 

Вывод: осадка фундамента квадратного сечения со стороной 22.9 см,который расположен на обводненном грунте не превышает допустимого значения осадки для данного случая согласно ДБН В2.1-10-2009 .

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 2.      Расчет и проектирование фундаментов  опоры водонапорной башни на искусственном  основании (уплотнение грунта тяжелой  трамбовкой до 3-ёх метров).

Грунт уплотняется  тяжелой трамбовкой массой 3-5 т, при  оптимальной влажности (для суглинков) до плотности сухого грунта  :           

Из расчета, что коэффициент пористости уплотнения грунта обеспечивается коэффициентом  фильтрации    :                                                             

Для того что  бы определить требуемую толщину  слоя необходимо получить исходные данные по эксплуатации здания ( время которое  требуется смотрителю здания, для  того что бы выявить аварийную  ситуацию).

, где

Т=30 дней =2592000 сек

 

Требуемое количество проходок механизма  по одному следу по опытным данным составляет 6 ударов.

 

1.Вычисляем физические и механические характеристики уплотненного грунта искусственного основания

 

2.Влажность грунта =0,16

3.Плотность  сухого грунта при оптимальной  влажности 

Показатель текучести =0

Коэффициент пористости 

Из таблицы В2 ДБН В2.1-10 выбираем следующие данные

 

 

Е=26.6

По полученным данным выполняем  расчет оснований и фундаментов  на искусственном основании.

Глубина заложения фундамента d=3 м.

Вычисляем расчетное сопротивление  уплотненного грунта основания

2.Конструирование  фундамента

2.1. Подбор размеров сторон  фундамента

2.1.1 Вычисляем расчетное сопротивление уплотненного грунта основания

 

Согласно ДБН 2-1.10-2009

При

 

 

 

 

 

 

Требуемая площадь подошвы фундамента

                          

Вычисляем расчетное сопротивление  грунта обводненного основания с  учетом примерных размеров подошвы  фундамента

 

 

 

 

 

Вычисляем сходимость размеров подошвы  фундамента первого и второго  приближения

 

 

Окончательно принимаем размеры фундамента =14.2 м, А=201,64 м2, R=658,23 кПа

2.1.2  Вычисляем расчетное сопротивление под подошвой уплотненного грунта

 

Для замоченного грунта

 

 

 

2.2.Проверка контактных  напряжений на подошве фундамента

 

 

0657,7 кПа

2.3 Конструирование  фундамента

2.3.1  Тип фундаменты назначают из условия жесткости: 

 конструкция фундамента  жесткая

  конструкция фундамента  гибкая            

        конструкция фундамента жесткая, проверка  по условию прочности на продавливание не требуется

2.3.2 Для выбранного типа фундамента определяется высота конструкции фундамента:

;                   

Rbt –расчетное сопротивление материала фундамента растяжению; = для бетона класса В15 ,принимается по таблице 13 СНиП 2.02.03-84

-среднее напряжение под подошвой фундамента;

=122651/201,64+20*3=668,27 кПа;

                                                 

Принимаем высоту конструкции Н=0.6 м

2.4 Армирование фундамента

2.4.1 Усилие в конструкции фундамента вычисляется по трапециевидным сечениям.

 

 

2.4.2 Определяем требуемую площадь  арматуры

 

 

Задаем шаг стержней рабочей  арматуры

 

Вычисляем количество стержней ,которое  вмещается с заданным шагом

 

Определяем  площадь одного стержня:

 

Подбираем диаметр арматуры:

 . Согласно сортаменту принимаем  Ø арматуры=25мм. Расчетная площадь сечения As=4,909 cм2.

 

2.5 Расчет  осадки фундамента

С использованием расчетной схемы  линейно-деформированного полупространства с условным ограничением нижней границы  сжимаемой толщи (для определения  совместной деформации оснований и  сооружений), определяем методом послойного суммирования :

                                                                     σzp + σzg≤   

ξ

α

hслоя,м

σzp,кПа

σzg,кПа

σzp-σzg,кПа

E,кПа

S,м

Sобщая,м

γ

0

1

0,0

615,77

52,50

563,27

26600

0,00

0,30

16.67

0,4

0,96

0,4

591,14

59,17

531,97

26600

0,01

16.67

0,8

0,8

2,8

492,62

113,10

379,52

5000

0,17

19.35

1,2

0,606

2,8

373,16

167,02

206,13

5000

0,09

19.35

1,6

0,449

2,8

300,05

220,95

79,10

5000

0,04

19.35

2

0,336

2,8

224,54

275,65

-51,11

5000

-0,02

19.35


 

   591,14+59,17=650,31 кПа       650,31>268,59

Поскольку проверка не выполняется, изменяем толщину уплотняемого слоя на 1,8 м

 

ξ

α

hслоя, м

σzp,кПа

σzg,кПа

σzp-σzg, кПа

E, кПа

S, м

Sобщая, м

γ

0

1

0,0

615,77

52,50

563,27

26600

0,00

0,17

16.67

0,4

0,96

2,8

591,14

99,18

491,96

26600

0,04

16.67

0,8

0,8

2,0

492,62

132,52

360,10

26600

0,02

16.67

1,2

0,606

2,8

373,16

186,44

186,71

5000

0,08

19.35

1,6

0,449

2,8

300,05

240,37

59,68

5000

0,03

19.35

2

0,336

2,8

224,54

295,07

-70,53

5000

-0,03

19.35


 

  - условие не выполняется.

Вывод: применение трамбовки для  уплотнения грунта не рационально.

 

 

Вариант 3. Расчет и проектирование фундаментов опоры водонапорной башни на искусственном основании (устройство грунтовой подушки высотой 5м)

1.Вычисляем  физико-механические характеристики  уплотненного грунта

Плотность грунтовой подушки 

 

Оптимальная влажность

 для суглинков

Вычисляем физические и механические характеристики грунта искусственного основания.

Показатель текучести =0

Коэффициент пористости 

Плотность грунта

Объемный вес грунта

Из таблицы В2 ДБН В2.1-10 выбираем следующие данные

Из таблицы В2 ДБН В2.1-10 выбираем следующие данные

 

 

Е=26.6

Глубина заложения фундамента d=3 м.

2.Вычисляем  расчетное сопротивление уплотненного  грунта основания

 

Согласно ДБН 2-1.10-2009

При

 

 

 

 

 

 

Требуемая площадь подошвы фундамента

                          

Вычисляем расчетное сопротивление  грунта обводненного основания с  учетом примерных размеров подошвы  фундамента

 

 

 

 

 

Вычисляем сходимость размеров подошвы  фундамента первого и второго  приближения

 

 

Окончательно принимаем размеры фундамента =14.2 м, А=201,64 м2, R=658,23 кПа

2.1.Вычисляем  расчетное сопротивление под  подошвой уплотненного грунта

 

Для замоченного грунта

 

 

 

2.2.Проверка  контактных напряжений на подошве  фундамента

 

 

0657,7 кПа

2.3 Конструирование  фундамента

2.3.1  Тип фундаменты назначают из условия жесткости: 

 конструкция фундамента  жесткая

  конструкция фундамента  гибкая            

        конструкция фундамента жесткая, проверка  по условию прочности на продавливание не требуется

2.3.2 Для выбранного типа фундамента определяется высота конструкции фундамента:

;                   

Rbt –расчетное сопротивление материала фундамента растяжению; = для бетона класса В15 ,принимается по таблице 13 СНиП 2.02.03-84

-среднее напряжение под подошвой фундамента;

=122651/201,64+20*3=668,27 кПа;

                                                 

Принимаем высоту конструкции Н=0.6 м

2.4 Армирование фундамента

2.4.1 Усилие в конструкции фундамента вычисляется по трапециевидным сечениям.

 

 

2.4.2 Определяем требуемую площадь  арматуры

 

 

Задаем шаг стержней рабочей  арматуры

 

Вычисляем количество стержней ,которое  вмещается с заданным шагом

 

Определяем  площадь одного стержня:

 

Подбираем диаметр арматуры:

 . Согласно сортаменту принимаем  Ø арматуры=25мм. Расчетная площадь сечения As=4,909 cм2.

2.5 Расчет  осадки фундамента

С использованием расчетной схемы  линейно-деформированного полупространства с условным ограничением нижней границы  сжимаемой толщи (для определения  совместной деформации оснований и  сооружений), определяем методом послойного суммирования :

                                            

ξ

α

hслоя,м

σzp,кПа

σzg,кПа

σzp-σzg,кПа

E,кПа

S,м

Sобщая,м

γ

0

1

0,0

615,77

52,50

563,27

26600

0,00

0,11

16.67

0,4

0,96

2,8

591,14

99,18

491,96

26600

0,04

16.67

0,8

0,8

2,8

492,62

145,85

346,76

26600

0,03

16.67

1,2

0,606

2,4

373,16

185,86

187,30

26600

0,01

16.67

1,6

0,449

2,8

300,05

241,08

58,98

5000

0,03

19.35

2

0,336

2,8

224,54

297,08

-72,54

5000

-0,03

19.35


  - условие не выполняется.

Вывод: применение глубинной трамбовки  для уплотнения грунта не рационально.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 4.Расчет и проектирование опоры фундамента водонапорной башни при глубинном уплотнении грунта на всю просадочную толщу винтовым продавливанием

Рабочий диаметр винтового снаряда 500 мм. Грунт в массиве уплотняется при оптимальной влажности до плотности сухого грунта.                                                                                

Оптимальная влажность  для суглинков

Количество проходок снаряда по 1 следу принимаем  n=3.

Расстояние между скважинами вычисляется  по формуле:

 

1.Вычисляем необходимые физико-механические характеристики грунта

Показатель текучести =0

Коэффициент пористости 

Плотность грунта

Объемный вес грунта

Из таблицы В2 ДБН В2.1-10 выбираем следующие данные

Из таблицы В2 ДБН В2.1-10-2009 выбираем следующие данные

 

 

Е=26.6

Глубина заложения фундамента d=3 м.

2.Вычисляем  расчетное сопротивление уплотненного  грунта основания

 

Согласно ДБН 2-1.10-2009

При

 

 

 

 

 

 

Требуемая площадь подошвы фундамента

                          

Вычисляем расчетное сопротивление  грунта обводненного основания с  учетом примерных размеров подошвы  фундамента

 

 

 

 

 

Вычисляем сходимость размеров подошвы  фундамента первого и второго  приближения

 

 

Окончательно принимаем размеры фундамента =14.2 м, А=201,64 м2, R=658,23 кПа

2.2.Проверка  контактных напряжений на подошве  фундамента

 

 

0657,7 кПа

2.3 Конструирование  фундамента

2.3.1  Тип фундаменты назначают из условия жесткости: 

 конструкция фундамента  жесткая

  конструкция фундамента  гибкая            

        конструкция фундамента жесткая, проверка  по условию прочности на продавливание не требуется

2.3.2 Для выбранного типа фундамента определяется высота конструкции фундамента:

;                   

Rbt –расчетное сопротивление материала фундамента растяжению; = для бетона класса В15 ,принимается по таблице 13 СНиП 2.02.03-84

-среднее напряжение под подошвой фундамента;

=122651/201,64+20*3=668,27 кПа;

                                                 

Принимаем высоту конструкции  Н=0.6 м

2.4 Армирование фундамента

2.4.1 Усилие в конструкции фундамента вычисляется по трапециевидным сечениям.

 

 

2.4.2 Определяем требуемую площадь  арматуры

 

 

Задаем шаг стержней рабочей  арматуры

 

Вычисляем количество стержней ,которое  вмещается с заданным шагом

 

Определяем  площадь одного стержня:

 

Подбираем диаметр арматуры:

 . Согласно сортаменту принимаем  Ø арматуры=25мм. Расчетная площадь сечения As=4,909 cм2.

 

2.5 Расчет  осадки фундамента

С использованием расчетной схемы  линейно-деформированного полупространства с условным ограничением нижней границы  сжимаемой толщи (для определения  совместной деформации оснований и  сооружений), определяем методом послойного суммирования :

                                            

ξ

α

hслоя, м

σzp, кПа

σzg, кПа

σzp-σzg, кПа

E, кПа

S, м

Sобщая,м

γ

0

1

0,0

615,77

52,50

563,27

26600

0,00

0,08

19,35

0,4

0,96

2,8

591,14

106,68

484,46

26600

0,04

19,35

0,8

0,8

2,8

492,62

160,86

331,76

26600

0,03

19,35

1,2

0,606

2,8

373,16

215,04

158,12

26600

0,01

19,35

1,6

0,449

2,8

300,05

269,22

30,83

26600

0,00

19,35

2

0,336

2,8

224,54

324,17

-99,64

26600

-0,01

19,35

Проектирование инженерного сооружения в сложных геологических условий