Основания и фундаменты под промышленное здание

Министерство образования  и науки  Российской Федерации

 

Федеральное агентство по образованию

 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Комсомольский-на-Амуре  государственный

технический университет»

 

 

 

 

Факультет «Инженерно-Экономический»

Кафедра    «Управление недвижимостью и кадастры»

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине  «Основания и фундаменты»

Основания и фундаменты под  промышленное здание

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

Студент группы 8ПСа -3                                                                        С.В. Крылов

Руководитель проекта                                                                           Л.И. Коротеева

Н. контроль                                                                                              Л.И. Коротеева

 

 

 

2012 

Содержание

Введение........................................................................................................... Анализ проектируемого здания. Сбор нагрузок на фундаменты............ Оценка результатов инженерно-геологических, инженерно-геодезических и инженерно-гидрометеорологических изысканий на строительной площадке.......................................................................... Выбор типа основания и возможных конструкций фундаментов.......... Расчет фундаментов мелкого заложения.................................................. Определение глубины заложения фундамента................................... Определение расчетного сопротивления грунта................................. Определение фундамента.............................................................. Расчет осадки фундамента методом послойного суммирования...... Расчет свайных фундаментов из забивных железобетонных свай......... Выбор глубины заложения ростверка.................................................. Выбор глубины погружения свай, их длины и сечения..................... Определение несущей способности сваи по грунту........................... Определение количества свай и размещение их в плане................... Проверка расчетной нагрузки, передаваемой на сваю, и уточнение количества свай ..................................................................................... Определение осадки свайного куста из висячих свай........................ Список использованных источников.............................................................

3 4     7 11 12 12 13 15 20 27 27 28 28 31   33 34 41

 

Цель: закрепление теоретических  знаний, приобретение практических навыков  проектирования фундаментов, знакомство с действующими нормами проектирования и расчетов фундаментов для дальнейшего практического использования при возведении конкретных объектов.

Задача: рассчитать фундамент мелкого заложения и свайный фундамент для одноэтажного промышленного здания.

Фундаментом называется часть здания или сооружения, преимущественно подземная, которая воспринимает нагрузки от сооружения и передает их на естественное или искусственное основание, сложенное грунтами.

Основания – это грунтовая  толща, которая воспринимает нагрузки от фундамента и передает их нижележащие грунтовые слои.

Фундаменты могут быть мелкого и глубокого заложения. В курсовом проекте рассматривается  фундаменты мелкого заложения и  свайные фундаменты. Тип и конструкция  фундамента определяется на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом инженерно-геологических условий площадки, вида сооружений, размера и характера нагрузок, производственных возможностей строительной организации.

Проектирование оснований  является неотъемлемой частью проектирования сооружения в целом. Требования, предъявляемые к основаниям: обеспечить прочность и эксплуатационных требований к сооружению при недопустимо больших деформациях, минимальная стоимость, трудоемкость и сроки строительства. Последовательность проектирования оснований и фундаментов: оценка результатов инженерно-геологических изысканий, анализ проектируемого здания, выбор типа основания и фундамента, начиная с привязки здания к строительной площадке. Расчет ведется по двум предельным состояниям: по несущей способности и по деформациям.

 

Проектируются ф ундаменты для трехпролетного одноэтажного промышленного здания, имеющего пристройку в виде административно-бытовых помещений (рис.1.1). Район  строительства – г.Комсомольск.

 

Рисунок 1.1 - План здания

Рисунок 1.2 – Разрез 1-1 здания

 

 

 

 

 

Нагрузки, передающиеся на фундаменты и основания, включают нагрузки, действующие на сооружение (крановые, снеговые, ветровые, особые и т.п.), а также нагрузки от несущих  конструкций сооружения, различного рода оборудования и эксплуатационных условий.

Вертикальная сосредоточенная  нагрузка N^H, передающаяся от колонны на фундамент, подсчитывается как произведение заданной единичной нагрузки соответствующего пролета на грузовую площадь покрытия (или перекрытия), приходящуюся на данную колонну. В единичные значения нагрузок включены: собственный вес колонны, снеговая, крановая и другие виды временных нагрузок. Единичные нагрузки в каждом из трех пролетов равны соответственно 8 кПа, 10 кПа, 8 кПа. Вертикальная сосредоточенная нагрузка от колонны считается приложенной в центре поперечного сечения колонны.

Кроме вертикальных нагрузки от колонн, на которые опираются элементы покрытия или перекрытий, на фундаменты передаются моменты М^Н и горизонтальные силы Q^H вычисляются по формулам:

,             ,

,            .

Горизонтальные силы Q^H считаются приложенными в уровне обреза фундаментов. Направление действия моментов и горизонтальных сил в плоскости поперечника здания может быть принято для внутренних колонн любым, для наружных колонн вовнутрь помещения.

Нагрузки от собственного веса стен подсчитываются как произведение веса квадратного метра вертикальной поверхности стены на грузовую площадь, приходящуюся на фундамент. Вес стеновых панелей принимаются равным 3 кПа (кН/м²) их вертикальной поверхности. В подсчете нагрузок от стен должны быть учтены коэффициенты уменьшения их веса за счет оконных и дверных проемов. Они принимаются для наружных стен цехов промышленных зданий К = 0,5; для бытовых помещений К = 0.6.

В перечисленные выше нагрузки не входят вес фундамента и грунта на его уступах. Эти нагрузки учитываются в дальнейших расчетах оснований и фундаментов по второй группе предельных состояний. Результаты сбора нагрузок представлены в таблицах 1.1 и 1.2.

 

 

Таблица 1.1 – Нагрузки от колонн

Номер фундамента (оси)	Номер колонны	Грузовая площадь, м2	Единичная нагрузка, кН/м2	Продольная сила сжатия NH, кН	Момент МН,	Горизонтальная сила QH, кН
З-1	8	18	25	450	36	4,5
Г-3	1	126	10	1260	63	7,56

Таблица 1.2 – Нагрузки от стен

Номер фундамента (оси)	Номер колонны	Грузовая площадь, м2	Единичная нагрузка, кН/м2	Коэффициент ослабления нагрузки	Нагрузка от стен , кН
З-1	8	61,2	3	0,5	91,8

 

Для получения расчетных  значений нагрузок нормативные нагрузки следует умножить на коэффициенты перегрузок k. При расчетах по I группе предельных состояний следует принять осредненный коэффициент перегрузок k= 1,2; при расчете по II группе предельных состояний k = 1,0.

 

 

Район строительства – г. Комсомольск. Средняя месячная температура воздуха: самого теплого (июля) +25,50С, самого холодного (января) – 26,70С. Средняя годовая температура воздуха 0,70С. Абсолютная макс имальная температура воздуха +350С, абсолютная минимальная температура воздуха -450С. Сумма осадков: теплый период (ноябрь- март) 73мм, холодный период 79мм, в год 484 дней. 

Таблица 2.1 – Физико-механические характеристики грунтов

Номер грунта	Наименование грунта	Удельный вес частицы грунта γs,  кН/м3	Удельный вес грунта γ, кН/м3	Влажность ω, %	Коэффициент пористости е, доли единицы	Влажность на границе  раскатывания ωр, %
I	Суглинок	27,4	18,2	28,4	0,92	18
II	Глина	27,6	18,3	26	0,8	25
III	Песок мелкий	26,5	18,8	8	0,52	-

 

Продолжение таблицы 2.2

Номер грунта	Влажность на границе  текучести ωL, %	Коэффициент фильтрации kф, см/с	Угол внутреннего трения j0	Сцепление С, кПа	Модуль деформации Е, мПа
I	34	2,6×10-7	19	16	16
II	47	2,4×10-8	20	45	17
III	-	6,3×10-4	36	3	18

 

 

Для определения физико-механических свойств грунтов на строительной площадке было выполнено 5 сква жин с глубиной выработки – Скв.1 – 7,0 м, Скв.2 – 8,2 м, Скв.3 –9,5 м, Скв.4- 8,7 м, Скв.5 – 6,9 м. Расстояния между скважинами: Скв.1 - Скв.2  - 45,0; Скв.2 - Скв.3 – 45,0м; Скв.4 - Скв.2  - 45,0м; Скв.2 - Скв.5 – 45,0м (рис. 2.1)

 

 

Рисунок 2.1 – Строительная площадка в г. Комсомольск

 

Разрез 1-1

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Разрезы грунта по скважинам 1-2-3

 

Разрез 2-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 – Разрезы грунта по скважинам 4-2-5

В литологическом отношении  площадка сложена 4-мя слоями грунта:

1. слой – почвенно-растительный
2. слой – суглинок
3. слой – глина
4. слой – песок мелкий

 

Грунтовые воды обнаружены на отметке 18.00.

 

Оценка:

 

I слой:

Суглинок, число пластичности J_P = 16 => суглинок тяжелый песчанистый или тяжелый пылеватый, по показателю текучести J_L = 0,65 – мягкопластичный; так как S_r = 0,846, то грунт относят к непросадочным, также при J_P = 16  J_SS = 22 >16.

 

 

 

II слой:

Глина, число пластичности J_P = 22=>глина легкая песчанистая или легкая пылеватая, по показателю текучести J_L = 0,045 – полутвердая; так как S_r = 0,89, то грунт относят к непросадочным, также при J_P = 22  J_SS = 22.

 

III слой:

Песок мелкий, так как  е = 0,52 и находится в пределах е ˂ 0,6, то песок плотный мелкий, так как модуль деформации Е_о = 18,0 МПа (5,0 МПа ≤ Е_о ≤ 200,0 МПа), среднесжимаемый. По насыщению песка водой: коэффициент водонасыщения S_r = 0,41–насыщенный водой. Содержание частиц по массе: крупнее 0,1 мм – более 75%.

 

Вывод:

 

I слой- рассматриваемый грунт, суглинок: тяжелый песчанистый или  тяжелый пылеватый, мягкопластичный относиться к непросадочным.

 

II слой- рассматриваемый грунт, глина: легкая песчанистая или легкая пылеватая, полутвердая относиться к непросадочным.

 

III слой- рассматриваемый грунт, песок мелкий: плотный, среднесжимаемый, насыщенный водой.

 

 

Конструктивные решения подземной  части зданий и сооружений имеют  большое разнообразие. Они зависят  от функционального назначения здания, его объемно - планировочного решения, инженерно-геологических условий строительной площадки и природно – климатических условий. Все известные виды фундаментов можно разделить на две большие группы: фундаменты, возводимые в открытых котлованах; фундаменты, устраиваемые без открытия котлована (свайные, буровые). Фундаменты, в озводимые в котлованах, широко используются в строительстве.  На их возведение расходуется большая часть бетона и железобетона, используемого в фундаментостроении.

Даны такие физико-механические характеристики грунтов и геологические условия строительной площадки, что можно рассмотреть два варианта фундаментов: фундаменты мелкого заложения, возводимые на естественном основании в открытом котловане монолитные под сборную железобетонную колонну одноэтажного промышленного здания; свайные фундаменты из сплошных призматических свай постоянного сечения с монолитным ростверком.

 

 

 

 

 

 

1. Определение глубины заложения фундамента

По результатам анализа  инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки выбираем II несущий слой – глина.

Определим нормативную  глубину промерзания грунта, м:

,

где  - нормативная глубина сезонного промерзания, м;

- величина, принимаемая равной  для супеси, м;

- коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе.

.

.

Определим расчетную  глубину заложения фундамента, м:

,

где =  0,6 - коэффициент учитывающий влияние теплового режима сооружения.      .

,

С учетом инженерно-геологических, гидрогеологических условий возможности морозного пучения и конструктивных требований назначаем глубину заложения фундамента 1,7 м.

Перед отрытием котлована  делаем водопонижение.

 

2. Определение расчетного сопротивления грунта

Определение в первом приближении расчетное сопротивление  грунта R, приняв меньший размер площади подошвы фундамента b равным 1.0 м или ширине обреза фундамента.

Величина расчетного сопротивления грунта под подошвой фундамента определяется по формуле, кПа:

,

где = 1,1, =1,1 – коэффициенты условий работы, кН/м³;

k = 1 – если прочностные характеристики грунта (φ и с) определены непосредственными испытаниями;

М_γ = 0,36, М_q = 2,43, М_с = 4,99 – коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения φ_II;

–  коэффициент, принимаемый равным: при b < 10 м – k _z =1;

b = 1,0 – ширина подошвы фундамента, м;

 – удельный вес грунта, залегающего под подошвой фундамента, кН/м³;

 – удельный вес грунта, залегающего выше подошвы фундамента, кН/м³;

С_II = 16 - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, м;

d_b =0 - глубина подвала, м;

= 1,7 м.

Для фундамента З-1: ;

 

,

где h₁ = 5,0 - толщина первого слоя, м;

h₂ = 2,5 - толщина второго слоя, м;

h₃ = 0,8 - толщина третьего слоя, м;

,

 кПа

Для фундамента Г-3:

,

где  h₁ = 5,2 - толщина первого слоя, м;

h₂ = 2,3- толщина второго слоя, м;

h₃ = 0,8 - толщина третьего слоя, м;

,

кПа

 

 

3. Определение фундамента

Под колонны цехов  промышленных зданий проектируется отдельно стоящие монолитные железобетонные фундаменты стаканного типа.

Для фундамента З-1:

Сумма вертикальных нагрузок в уровне обреза фундамента, кН:

,

 кН.

Площадь подошвы фундамента, м²:

,

где = (20 ¸ 23) – средний удельный вес грунта и материала фундамента, кН/м³;

= (1,1 ¸ 1,2) – поправка на действие момента и поперечных сил.

м.

Уточним размеры фундамента с учетом требований стандартизации и унификации (размеры каждой из сторон подошвы фундамента, размеры и число ступеней плитной части фундамента).

,

где b – ширина фундамента, м;

l –длина фундамента, м.

,

где .

.

,

.

Исходя из конструктивных соображений и требований стандартизации и унификации принимаем: = 2,0 м,  =  2,4 м.

Уточняем расчетное  сопротивление грунта основания  в соответствии с принятыми размерами  подошвы фундамента, кПа:

 кПа. 

Определение фактических нагрузок с учетом веса фундамента и грунта на его уступах:

ΣN_II = ΣN_0II + N;

где ΣN_0II – сумма вертикальных нагрузок в уровне обреза фундамента, кН;

N – вес фундамента, и грунта м³ 

 

ΣN_II =541,8 + (111,6+67,27) = 720,67 кН.

Максимальное Р_max и минимальное Р_min давления под подошвой фундамента и грунта на его уступах определим по формулам, кН/м²:

,

,

,

где - суммарные моменты относительно центра подошвы фундаментов «О», кН×м;

,

 кН×м, ,

 кН×м,

,

Так как фундамент  находится под действием моментов относительно двух осей инерции, давления ограничиваются условиями

,

.

 кН/м²,

, условие выполняется.

 кН/м²,

.

Среднее Р_ср определим по формуле, кН/м²:

,

где

- промежуточные значения давлений под подошвой фундамента, кН/м².

,

.

,

,

,

.

Среднее давление по подошве фундамента удовлетворяет условию .

Для фундамента Г-3:

Сумма вертикальных нагрузок в уровне обреза фундамента, кН:

,

.

Площадь подошвы фундамента, м²:

,

где = (20 ¸ 23) – средний удельный вес грунта и материала фундамента, кН/м³;

= (1,1 ¸ 1,2) – поправка на действие момента и поперечных сил.

 м².

Уточним размеры фундамента с учетом требований стандартизации и унификации (размеры каждой из сторон подошвы фундамента, размеры и число ступеней плитной части фундамента).

,

где  b – ширина фундамента, м;

l –длина фундамента, м.

,

где .

.

,

.

Исходя из конструктивных соображений и требований стандартизации и унификации принимаем: = 3,2м,  = 3,6м.

Уточняем расчетное  сопротивление грунта основания  в соответствии с принятыми размерами подошвы фундамента, кПа:

Определение фактических нагрузок с учетом веса фундамента и грунта на его уступах:

ΣN_II = ΣN_0II + N;

где ΣN_0II – сумма вертикальных нагрузок в уровне обреза фундамента, кН;

ΣN_II = 1260 + (212,4+177,41)= 1649,8 кН.

Максимальное Р_max и минимальное Р_min давления под подошвой фундамента и грунта на его уступах определим по формулам, кН/м²:

 

,

,

,

где - суммарные моменты относительно центра подошвы фундаментов «О», кН×м;

,

,

Так как фундамент  находится под действием моментов относительно двух осей инерции, давления ограничиваются условиями

,

.

,

, условие выполняется.

,

.

Среднее Р_ср определим по формуле, кН/м²:

,

,

.

Среднее давление по подошве  фундамента удовлетворяет условию .

 

4.  Расчет осадки фундамента методом послойного суммирования

 

Для фундамента З-1.

При наличии слабого подстилающего  слоя необходимо обеспечить проверку условия:

,

где – дополнительное вертикальное напряжение на глубине z от подошвы фундамента, кПа;

– напряжение на глубине z от собственного веса грунта, кПа;

R_z - расчетное сопротивление грунта пониженной прочности на глубине z, кПа.

 

Рисунок 4.5 - Расчетная схема проверки слабого подстилающего слоя грунта

Определим напряжение от собственного веса грунта на кровле слабого слоя

,

.

Определим дополнительные вертикальные напряжения на кровле слабого слоя, :

,

где α = 0,128 - коэффициент рассеивания напряжений в зависимости от формы фундамента, соотношения сторон и относительной глубины.

,

где - напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы проектируемого фундамента

,

Определим расчетное  сопротивление на кровле слабого слоя грунта по формуле

где М_γ = 0,36; M_q= 2,43; M_c= 4,99  - коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения слабого грунта.

Ширину подошвы условного  фундамента b_z определим по формуле:

где l и b - соответственно длина и ширина подошвы проектируемого фундамента.

Условие проверки 106,07 кН/м² + 16,43 кН/м² <388,05 кН/м² соблюдается.

Размеры подошвы фундамента определены правильно.

Осадка фундамента определяется по формуле:

,

где β – безразмерный коэффициент равный 0,8;

σ_zpi – среднее значение дополнительного вертикального напряжения в i-м слое грунта, равное среднему арифметическому между напряжениями на кровле и подошве элементарного слоя грунта, кПа;

h_i – толщина i-го слоя грунта, м;

Е_oi – модуль общей деформации i-го слоя грунта, кПа;

 n – число элементарных слоев грунта.

Определим напряжения от собственного веса грунта на уровне подошвы  фундамента кН/м².

 

Определим напряжения от собственного веса грунта на границах слоев толщиной h_i

,

Определяем дополнительные вертикальные напряжения. Подсчет напряжений на границах элементарных слоев сводим в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 – Параметры для определения величины осадки фундамента З-1.

hi	z	ζ=2×z/b	η=l/b	α	σzp	σzg	0,2×σzg	σzpi	E0i
0	0	0	1,2	1	128,270	31,090	6,218	121,536
0,6	0,6	0,6	1,2	0,895	114,802	42,062	8,412	92,611	16
0,9	1,5	1,5	1,2	0,549	70,420	58,521	11,704	53,874	16
0,9	2,4	2,4	1,2	0,291	37,327	74,981	14,996	30,721	16
0,9	3,3	3,3	1,2	0,188	24,115	91,440	18,288	20,203	16
0,7	4	4,0	1,2	0,127	16,290	104,241	20,848		17