Основания и фундаменты. 3

Федеральное агентство  по образованию РФ

Волжский институт строительства  и технологий

 

КАФЕДРА ГСХ

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине: «Механика грунтов, основания и фундаменты»

на тему: «Проектирование фундаментов и расчет оснований»

 

 

 

 

 

 

   Выполнил: студент гр. ГСХ-05

                                                                                                                  Калиновский

                                                                                              Проверил: Ермаков

 

                                                                         

 

Волжский 2008

СОДЕРЖАНИЕ

1. Фундаменты мелкого заложения на естественном основании.
1. Анализ физико-механических свойств грунта пятна застройки.
2. Выбор глубины заложения подошвы фундамента.
3. Выбор типа фундамента и определение его размеров.
4. Вычисление вероятной осадки фундамента.
2. Свайные фундаменты.
1. Расчет и конструирование свайных фундаментов.
2. Определение отказа свай.
3. Расчет свайного фундамента по деформациям.
3. Реконструкция фундаментов

 Литература

 

 

1. Фундаменты мелкого заложения на естественном основании.

1. . Анализ физико-механических свойств грунтов пятна застройки.

Прочное, устойчивое и экономичное  основание можно выбрать на основе изучения инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки. В связи с этим в табл. 1 грунтовые условия из трех пластов представлены для данной строительной площадки.

 

Таблица 1

Физико-механические свойства грунтов

№ пласта	Мощность пласта по скважинам,      м			Плотность частиц грунта ρs ,т/м3	Плотность грунта, ρ , т/м3	Влажность W, %	Предел пластичности		Угол внутреннего       трения j˚	Удельное сцеп-ление С, кПа	Вид песчаного грунта	Горизонт подземных вод от поверхн-ти земли , м
	1	2	3				WL %	WP %
1	2	2	3	2.65	2.08	20	-	-	34	-	Ср.крупн.	1.5
2	6	5	4	2.63	2.16	15	23	15	26	3	-
3	10	9	8	2.67	2.11	8	-	-	42	-	Гравелистый

 

Для каждого из пластов, которые  были вскрыты тремя скважинами, должны быть определены их расчетные характеристики. В соответствии с ГОСТ 25100–82 определяется по числу пластичности вид глинистого грунта (табл. 2)

 

Таблица 2

Наименование грунтов  по содержанию глинистых частиц и  по числу пластичности

Наименование грунта	Содержание глинистых частиц (диаметром меньше 0.005 мм) % по весу	Число пластичности JP
Глина	Больше 30	Более 17
Суглинок	30 – 10	17 – 7
Супесь	10 – 3	7 – 1
Песок	Меньше 3	Меньше 1

 

I. Песчаный грунт средней крупности

II. =23-15=8 % суглинок

III. Гравелистый песчаный грунт

Затем по данным лабораторных испытаний  грунтов необходимо подсчитать следующие  грунтовые характеристики, необходимые  для расчета оснований:

• Плотность сухого грунта

         I.   =1,73 т/м³

        II.  =1,88 т/м³

       III. =1.95 т/м³

 

• Пористость и коэффициент пористости грунта

I.   

II.

III.

• Степень влажности

I.   

II.

III.

 

• Показатель текучести для глинистых грунтов

II.

где r – плотность грунта, т/м³;

r_S – плотность частиц грунта, т/м³;

r_w – плотность воды, принимаемая равной 1,0 т/м³;

W – природная весовая влажность грунта, %;

W_L – влажность грунта на границе текучести, %;

W_P – влажность грунта на границе пластичности (раскатывания), %.

 

Песчаные грунты подразделяются по степени влажности S_r на:

• маловлажные, если степень влажности S_r £ 0.5;
• маловлажные, если 0.5<S_r£0.8;
• насыщенные водой, если S_r>0.8

 

По плотности сложения песчаные грунты разделяются на плотные, средней  плотности и рыхлые, в зависимости от величины коэффициента пористости е (табл. 3)

 

Таблица 3

Наименование песков по плотности в зависимости от коэффициента пористости

Виды песков	Плотность сложения песков
	плотные	средней плотности	рыхлые
Пески гравелистые, крупные и средней крупности	e<0.55	0.55 £ e £ 0.70	e > 0.70
Пески мелкие	e<0.60	0.60 £ e £ 0.75	e > 0.75
Пески пылеватые	e<0.60	0.60 £ e £ 0.80	e > 0.80

 

 

                                        Данные о свойствах грунтов представим в таблице.

 Таблица 4      

 Данные свойств грунтов

Показатели	Значения показателей для слоев
Плотность частиц грунта ρs , т/м	2.65	2.63	2.67
Плотность грунта ρ , т/м	2,08	2.16	2.11
Природная весовая влажность W грунта, %	20	15	8
Степень влажности Sr	1,0	0,986	0.577
Число пластичности JP	--	8	--
Показатель текучести JL	--	0	--
Коэффициент пористости е	0.53	0.40	0.37
Угол внутреннего трения j°	34	26	42
Удельное сцепление c, кПа	--	3	--
Наименование грунта и его физическое состояние	Песок средней крупности, насыщенный водой, плотный.	Суглинок твёрдый.	Песок гравелистый, маловлажный, плотный.

 

Определив вид грунта и, зная толщину слоя, строим геолого-литологический разрез строительной площадки.

 

 

 

 

 

 

2. . Выбор глубины заложения фундамента.

Минимальную глубину заложения  подошвы фундамента предварительно назначают по конструктивным соображениям.

Если возможно пучение грунтов  основания, то глубина заложения фундаментов для наружных стен, отапливаемых сооружение принимается не менее расчетной глубины промерзания d_f, определяемой по формуле:

d_f=k_hd_fn

где d_fn — нормативная глубина промерзания, устанавливаемая по схематической карте, равная 1.4 метра

k_h — коэффициент влияния теплового режима здания на промерзание грунта у наружных стен, который равен 0.6

Минимальная глубина заложения  фундаментов принимается не менее 0.5 м от поверхности планировки.

Тогда d_f=0.6•1.4=0.84 м.

По конструктивным соображениям d_к=1.5 м.

Подошва фундаментов заглубляется ниже пола подвала не менее чем  на 0.4 м. При этом верх подушки фундамента располагается ниже чистого пола подвала.

По конструктивным соображениям d_к=3.5 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. . Выбор типа фундамента и определение его размеров.

При расчете оснований по деформациям  необходимо, чтобы среднее давление Р под подошвой центрально нагруженного фундамента не превышало расчетного сопротивления грунта R: Р £ R . Для внецентренно нагруженного фундамента предварительно проверяются три условия:

Р_max £ 1.2R

P £ R

P_min > 0

Расчетное сопротивление грунта основания R в кПа определяется по формуле:

Определим ширину фундамента мелкого заложения сечения 2-2.

γ_c1, γ_c2 — коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. В.1 СНБ 5.01.01-99 равные соответственно 1.4 и 1.2

k — коэффициент надежности, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта j и с определены непосредственными испытаниями (для нашего случая).

М_g, М_q, М_с — коэффициенты, зависящие от расчетного угла внутреннего трения несущего слоя грунта, равные соответственно 1,55;  7,22; 9,22

b — ширина подошвы фундамента (для прямоугольной подошвы фундамента — ее меньшая сторона), м;

k_z — коэффициент, принимаемый равным : при b<10 м k_z=1

g’₁₁= g= =26 кН/м³ — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента;

₁₁ — то же для грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента(с учетом взвешивающего действия воды), кН/м³

 кН/м³

= -удельный вес грунта во взвешенном состоянии;

e - коэффициент пористости грунта;

      -  удельный вес воды;

;          ;

                                              

= кН/м3;     

= кН/м3;     

= кН/м3;

 

 с₁₁ — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа, равное с₁₁=3;                 

d₁ — глубина заложения фундамента бесподвальных сооружений или приведенная глубина заложения наружных или внутренних фундаментов от пола подвала, равная d₁=1,5м:

Давление  под подошвой фундамента определяется из следующих зависимостей:

для центрально нагруженного фундамента:

для внецентренно нагруженного фундамента:

Здесь Р, Р_max, Р_min — соответственно среднее, максимальное и минимальное давление на грунт под подошвой фундамента, кПа;

N_0,11 =1180 кН — расчетная нагрузка на уровне обреза фундамента ;

М_0,11 =180 кН*м — расчетный изгибающий момент;

g_m — осредненный удельный вес материала фундамента и грунта над его уступами, принимаемый равным 20...22 кН/м³;

d — глубина заложения фундамента (для подвальных помещений — глубина заложения от пола подвала), м;

А — площадь подошвы фундамента, м;

W — момент сопротивления площади подошвы фундамента в направлении действия момента, м³.

Выполнения условий P£R и P_mах £1.2R можно достигнуть путем нескольких попыток : назначая соотношение сторон подошвы фундамента или решая систему уравнений относительно величины b . Более удобным является определение размеров подошвы фундамента графическим способом.

В случае внецентренно нагруженного фундамента строятся графики зависимостей Р_mах=f(b) и R=f(m). Полученные значения ширины фундамента b будут удовлетворять условию Р_mах =1,2R . Кроме того, для внецентренно нагруженного фундамента необходима проверка следующих условий: Р£R и P_min >0. Определим ширину фундамента b.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

,           l= 1,2b

Решив систему уравнений, определяем, что ширина фундамента равна b ≈ 1,515 м

Исходя из конструктивного решения  здания (колонна 600х400), размер подошвы b=       900+300+300=1500мм и l=1100+300+300=1700мм. Делаем  проверку  по  следующим условиям:  вычислим Р, R при b=1,8 м, l=2,1 м

     

Определим ширину фундамента мелкого заложения сечения 6-6.

Определим сначала М_0,11 и Т_0,11 от действия активного давления грунта и нагрузки от перекрытия над подвалом.

Равнодействующая от активного давления грунта, приложенная на высоте H/3 = 1.17 м, равна: 

               Т_0,11 = Е_а = g₁₁ * H²/2 * l_а,   где

l_а – коэффициент активного давления

                        l_а = tg² (45 - j/2) ,

j = (j₁ * h₁ + j₂ * h₂) / (h₁ + h₂) = (34*2+26*2)/(2+6) = 28

                     l_а = tg² (45 - 28/2) = 0,36

Т_0,11 = Е_а = 11,46 * 3,5²/2 * 0,36 = 25.27 кН

                   Т_0,11 = 25,27 * 1,15 = 29,06 кН

По условию N_0,11 = 240 кН.

Нагрузка на 1 м.п. от перекрытия     N = 25 * 1 * 0,22 * 6/2 = 16,5 кН

N_0,11 = 240 + 16,5 = 256,5 кН – нагрузка на 1 м.п. на уровне обреза фундамента.

С учетом коэффициента перегрузки   N_0,11 = 256,5 * 1,15 = 294,98 кН

М_0,11 = 29.06 * 3,5/3 = 33,9 кН*м — расчетный изгибающий момент;

d₁ – приведенная глубина заложения наружных или внутренних фундаментов от пола подвала: d₁=0,62 м.

g’₁₁=0.9 = 0.9 =9,48кН/м3 — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента (с учетом фактического уплотнения обратной засыпки);

= -удельный вес грунта во взвешенном  состоянии;

e - коэффициент пористости грунта;

      -  удельный вес воды;

М_g, М_q, М_с — коэффициенты, зависящие от расчетного угла внутреннего трения несущего слоя грунта, равные соответственно 0,84; 4,37; 6,9;

γ_c1, γ_c2 — коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. В.1 СНБ 5.01.01-99 равные соответственно 1,4 и 1,2;

d_b=2,0 м — глубина подвала, принимаемая от уровня планировки до пола подвала(при В 20м и при глубине подвала больше 2 м);

1.2R = 32.34*b + 222.324

При центральном нагружении фундамента (без учета активного давления грунта):

Тогда толщина полосы ленточного фундамента шириной 1 м равна b = 1,17 м

С учетом активного давления грунта толщина полосы ленточного фундамента шириной 1м равна b = 1.56 м

Вычислим Р_max, Р_min, Р, R при b=1.7 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. . Вычисление вероятной осадки фундаментов

Расчет осадки фундамента производится по формуле:

S £ S_u,

где S — конечная осадка отдельного фундамента, определяемая расчетом;

S_u — предельная величина деформации основания фундамента зданий и сооружений, принимаемая по СНБ 5.01.01-99.

Основным методом определения  полной (конечной) осадки фундаментов  является метод послойного суммирования. Расчет начинается с построения эпюр природного (бытового) и дополнительного давлений. На геологический разрез наносятся контуры сечения фундамента, затем от оси фундамента влево откладываются ординаты эпюр.

Природное давление s_zg  в кПа, определяется по формуле:

Величина бытового давления определяется на границе каждого слоя грунта. Если в пределах выделенной толщи  залегает горизонт подземных вод, то удельный вес грунта определяется с учетом гидростатического взвешивания:

= ;

e - коэффициент пористости грунта;

      -  удельный вес воды;

;          ;

                                             

 

= кН/м3;     

= кН/м3;     

= кН/м3;

                          

 

 

 

 

Вычисляем ординаты эпюры природного давления:

 (глубина h =1,5 м)

   

Ординаты вспомогательной эпюры =0.2 - необходимые для определения глубины расположения границы сжимаемой толщи грунта.

Определяем дополнительное (осадочное) давление на грунт р , подразумевая, что осадка грунта произойдет только от действия дополнительного давления:

Р =Р - =345.17-39=306,17 кПа,                      где

P =Р=345.17 кПа- полное давление по подошве фундамента,

= = - природное давление на уровне подошвы фундамента.

Дополнительное вертикальное напряжение для любого сечения, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле:

где a — коэффициент, принимаемый по табл.1 СНиП 2.02.01-83 в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента h=l/b .

Здесь l и b — соответственно длина и ширина фундамента.

Расчет осадки отдельного фундамента на основании в виде упругого линейно  деформируемого полупространства с условным ограничением величины сжимаемой зоны производится по формуле:

где S — конечная осадка отдельного фундамента, см;

n — число слоев, на которые разделена по глубине сжимаемая зона основания;

h_i — толщина i-го слоя грунта основания, см;

E_i — модуль деформации грунта i-го слоя, кПа;

b — безразмерный коэффициент, равный 0,8;

 — среднее значение дополнительного  вертикального нормального напряжения в i-ом слое грунта, равное полусумме  напряжений на верхней и нижней границах слоя, кПа.

Модуль деформации E_i определяется по результатам компрессионных испытаний грунтов из выражения:

  ;          где е₁ — начальный коэффициент пористости;

с_с — коэффициент сжимаемости, 1/кПa.

Коэффициент сжимаемости определяется по зависимости:

;              где е₁ — коэффициент пористости при нагрузке Р₁= 100 кПа

е₃ — то же, при нагрузке Р₃ = 300 кПа;

                                              

 

 

                      

                    

                            

 

 

Расчет осадки фундамента удобно выполнять в табличной форме:

 

 

 

 

 

 

 

 

z	h	ξ	α	σzg	0.2σzg	σzp	E	Si
0.0	0.3	0.00	1.000	39.00	7.80	306.17	6616.22	0.0111
0.3	0.3	0.17	0.970	46.80	9.36	296.98	6616.22	0.0108
0.6	0.3	0.33	0.871	50.19	10.04	266.67	10666.67	0.0060
0.9	0.3	0.50	0.730	53.57	10.71	223.50	10666.67	0.0050
1.2	0.3	0.67	0.585	56.96	11.39	179.11	10666.67	0.0040
1.5	0.3	0.83	0.466	60.35	12.07	142.68	10666.67	0.0032
1.8	0.3	1.00	0.369	63.74	12.75	112.98	10666.67	0.0025
2.1	0.3	1.17	0.298	67.12	13.42	91.24	10666.67	0.0021
2.4	0.3	1.33	0.247	70.51	14.10	75.62	10666.67	0.0017
2.7	0.3	1.50	0.203	73.90	14.78	62.15	10666.67	0.0014
3.0	0.3	1.67	0.169	77.28	15.46	51.74	10666.67	0.0012
3.3	0.3	1.83	0.144	80.67	16.13	44.09	10666.67	0.0010
3.6	0.3	2.00	0.123	84.06	16.81	37.66	10666.67	0.0008
3.9	0.3	2.17	0.107	87.44	17.49	32.76	10666.67	0.0007
4.2	0.3	2.33	0.094	90.83	18.17	28.78	10666.67	0.0006
4.5	0.3	2.50	0.083	94.22	18.84	25.41	10666.67	0.0006
4.8	0.3	2.67	0.073	97.76	19.55	22.35	24355.56	0.0002
5.1	0.3	2.83	0.066	101.31	20.26	20.21	24355.56	0.0002
5.4	0.3	3.00	0.059	104.86	20.97	18.06	24355.56	0.0002
5.7	0.3	3.17	0.053	108.40	21.68	16.23	24355.56	0.0002
6.0	0.3	3.33	0.048	111.95	22.39	14.70	24355.56	0.0001
6.3	0.3	3.50	0.044	115.49	23.10	13.47	24355.56	0.0001
6.6	0.3	3.67	0.040	119.04	23.81	12.25	24355.56	0.0001
6.9	0.3	3.83	0.036	122.59	24.52	11.02	24355.56	0.0001
7.2	0.3	4.00	0.034	126.13	25.23	10.41	24355.56	0.0001
7.5	0.3	4.17	0.031	129.68	25.94	9.49	24355.56	0.0001
7.8	0.3	4.33	0.029	133.22	26.64	8.88	24355.56	0.0001
8.1	0.3	4.50	0.027	136.77	27.35	8.27	24355.56	0.0001
8.4	0.3	4.67	0.025	140.32	28.06	7.65	24355.56	0.0001
8.7	0.3	4.83	0.023	143.86	28.77	7.04	24355.56	0.0001
9.0	0.3	5.00	0.022	147.41	29.48	6.74	24355.56	0.0001
								0.055

 

                Осадка фундамента S равна 55 мм,  нормативное значение S_u=80 мм.

 

Аналогичным образом определяем осадку фундамента по второму сечению учитывая, другие геологические условия под подошвой фундамента.

 

Расчет осадки фундамента производится по формуле

S £ S_u,

где S — конечная осадка отдельного фундамента, определяемая расчетом;

S_u — предельная величина деформации основания фундамента зданий и сооружений, принимаемая по СНиП 2.02.01-83.

Основным методом определения  полной (конечной) осадки фундаментов  является метод послойного суммирования. Расчет начинается с построения эпюр природного (бытового) и дополнительного давлений. На геологический разрез наносятся контуры сечения фундамента, затем от оси фундамента влево откладываются ординаты эпюр :

природное давление в s кПа, определяется по формуле:

Величина бытового давления определяется на границе каждого слоя грунта. Если в пределах выделенной толщи залегает горизонт подземных вод, то удельный вес грунта определяется с учетом гидростатического взвешивания:

= ;

e - коэффициент пористости грунта;

      -  удельный вес воды;

;          ;

                                              

= кН/м3;     

= кН/м3;     

= кН/м3;

 Вычисляем ординаты  эпюры природного давления:

На контакте I и II  слоев(глубина h =2.0 м)

   

Ординаты вспомогательной эпюры =0.2 - необходимые для определения глубины расположения границы сжимаемой толщи грунта.

Определяем дополнительное (осадочное) давление на грунт р , подразумевая, что осадка грунта произойдет только от действия дополнительного давления:

Р =Р - =182.32-61,17=121,15 кПа,        где

P ==Р=182,32 кПа- полное давление по подошве фундамента,

= = - природное давление на уровне подошвы фундамента.

Дополнительное вертикальное напряжение для любого сечения, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле:

где a — коэффициент, принимаемый по табл.1 СНиП 2.02.01-83 в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента h=l/b .

Здесь l и b — соответственно длина и ширина фундамента.

Расчет осадки отдельного фундамента на основании в виде упругого линейно деформируемого полупространства с условным ограничением величины сжимаемой зоны производится по формуле:

где S — конечная осадка отдельного фундамента, см;

n — число слоев, на которые разделена по глубине сжимаемая зона основания;

      h_i — толщина i-го слоя грунта основания, см;    E_i- модуль деформации грунта i-го слоя, кПа;

b — безразмерный коэффициент, равный 0,8;

 — среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-ом слое грунта, равное полусумме напряжений на верхней и нижней границах слоя, кПа.

Модуль деформации E_i определяется по результатам компрессионных испытаний грунтов из   выражения:

;    где е₁ — начальный коэффициент пористости;

с_с — коэффициент сжимаемости, 1/кПa.

Коэффициент сжимаемости определяется по зависимости:

;    где е₁ — коэффициент пористости при нагрузке Р₁= 100 кПа

е₃ — то же, при нагрузке Р₃ = 300 кПа;

Расчет осадки фундамента удобно выполнять в табличной форме:

                      

                    

                           

 

z	h	ξ	α	σzg	0.2σzg	σzp	E	Si
0.0	0.3	0.00	1.000	61.17	12.23	121.15	10666.67	0.0027
0.3	0.3	0.18	0.979	64.56	12.91	118.61	10666.67	0.0027
0.6	0.3	0.35	0.905	67.94	13.59	109.64	10666.67	0.0025
0.9	0.3	0.53	0.799	71.33	14.27	96.80	10666.67	0.0022
1.2	0.3	0.71	0.693	74.72	14.94	83.96	10666.67	0.0019
1.5	0.3	0.88	0.605	78.11	15.62	73.30	10666.67	0.0016
1.8	0.3	1.06	0.528	81.49	16.30	63.97	10666.67	0.0014
2.1	0.3	1.24	0.466	84.88	16.98	56.46	10666.67	0.0013
2.4	0.3	1.41	0.418	88.27	17.65	50.64	10666.67	0.0011
2.7	0.3	1.59	0.376	91.65	18.33	45.55	10666.67	0.0010
3.0	0.3	1.76	0.344	95.04	19.01	41.68	10666.67	0.0009
3.3	0.3	1.94	0.315	98.43	19.69	38.16	10666.67	0.0009
3.6	0.3	2.12	0.290	101.97	20.39	35.13	24355.56	0.0003
3.9	0.3	2.29	0.270	105.52	21.10	32.71	24355.56	0.0003
4.2	0.3	2.47	0.251	109.07	21.81	30.41	24355.56	0.0003
4.5	0.3	2.65	0.235	112.61	22.52	28.47	24355.56	0.0003
4.8	0.3	2.82	0.221	116.16	23.23	26.77	24355.56	0.0003
5.1	0.3	3.00	0.206	119.70	23.94	24.96	24355.56	0.0002
5.4	0.3	3.18	0.197	123.25	24.65	23.87	24355.56	0.0002
5.7	0.3	3.35	0.187	126.80	25.36	22.66	24355.56	0.0002
6.0	0.3	3.53	0.178	130.34	26.07	21.56	24355.56	0.0002
6.3	0.3	3.71	0.170	133.89	26.78	20.60	24355.56	0.0002
6.6	0.3	3.88	0.163	137.43	27.49	19.75	24355.56	0.0002
6.9	0.3	4.06	0.156	140.98	28.20	18.90	24355.56	0.0002
7.2	0.3	4.24	0.149	144.53	28.91	18.05	24355.56	0.0002
7.5	0.3	4.41	0.144	148.07	29.61	17.45	24355.56	0.0002
7.8	0.3	4.59	0.137	151.62	30.32	16.60	24355.56	0.0002
8.1	0.3	4.76	0.133	155.16	31.03	16.11	24355.56	0.0002
8.4	0.3	4.94	0.128	158.71	31.74	15.51	24355.56	0.0002
8.7	0.3	5.12	0.123	162.26	32.45	14.90	24355.56	0.0001
9.0	0.3	5.29	0.119	165.80	33.16	14.42	24355.56	0.0001
								0.024