1. Оценка  грунтовых условий  строительной площадки здания.

1. Исходные  данные.

Таблица 1. Физико-механические характеристики грунтов.

2. Построение  инженерно-геологического разреза

 

Схема расположения  скважин и контур здания приведена  на  рис. 1, а результаты инженерно-геологических  изысканий оговорены заданием на курсовое проектирование. Инженерно-геологический разрез площадки строительства показан на рис.2. Расстояние между скважинами С-1 и С-2 равно 40 м, размеры контура здания – 2L х 36 м, где L=24 м – пролет здания.  

В проекте условно  принято, что грунтовая среда  не агрессивна по отношению к железобетонным конструкциям.

Рисунок 1. План здания и скважин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Оценка  грунтов основания

 

В проекте к слабым грунтам относятся водонасыщенные глинистые грунты, у которых модуль общей деформации Ео < 5 МПа.

Оценка грунтов  основания выполнена послойно сверху вниз с использованием схемы грунтов основания, построенной по оси проектируемого фундамента (рис.3). 

Так как подвал в  здании отсутствует, то для каждого  слоя грунта, кроме почвенно-растительного, его расчетное сопротивление R определяется по формуле, следующей из формулы (7) [1]:

, где

  и   – коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 3 [1];

k – коэффициент, принимаемый равным: k = 1, если прочностные характеристики грунта (j и с) определены непосредственными испытаниями;

, , – коэффициенты, принимаемые  по табл. 4[1];

  –  коэффициент,  принимаемый равным  1 при b<10 м;

b – ширина подошвы фундамента, м; (для предварительной оценки грунтов основания принимается b = 1 м);

  – расчетное значение  удельного сцепления  грунта, залегающего  непосредственно  под подошвой фундамента, кПа;

  – осредненное (в пределах b/2) расчетное значение удельного веса грунта, залегающего ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м³;

  – осредненное  расчетное значение  удельного веса  грунта выше подошвы  фундамента, кН/м³, определяется, как средневзвешенная величина в пределах от DL до FL. 

Слой № 10

  = 1,3;  = 1,0;

= 30°; = 1,15; = 5,59; = 7,95;

= 0; = 1,5 м;

;

;

; 

. 

Слой № 11

  = 1,3;  = 1,0;

= 35°; = 1,68; = 7,71; = 9,58;

= 0; = 2,9 м;

;

;

; 

Слой № 13

  = 1,4;  = 1,0;

= 18°, = 0,43; = 2,73; = 5,31;

= 28 кПа; = 6,8 м; 

; 

. 

Наибольшим  расчетным сопротивлением R = 960,26 кПа обладает слой № 13 – суглинок,  слой № 13 принимаем как несущий слой основания свайных фундаментов.

2. Сбор  действующих нагрузок

 

Усилия  от постоянных нагрузок, а также от действия кранов и ветра  принимают по прил. 3 и 4 [10] соответственно для средних и  крайних колонн.

Дополнительные  усилия от веса стеновых панелей , кН, и фундаментных балок , кН, определяют только для крайней колонны:

;

, где

  = 3 кН/м² – вес 1м² стеновой панели;

  = 2,5 кН/п.м. – вес 1 п.м фундаментной балки;

В = 6 м – шаг колонн по крайней оси;

  – высота стены:

, где

ОНСК = 16,2 м – отметка низа стропильной конструкции;

  0,9 м – высота фермы на опоре;

  0,3 м – высота плиты, при В = 6 м;

  0,3 м– высота кровли;

0,5 м – высота  парапета;

  1,1 – коэффициент надежности по нагрузке [2];

;

;

.  
 

Определяется  момент от стенового  ограждения и фундаментной балки (рис.4).

,

, где 

е – эксцентриситет приложения нагрузки, м;

  0,3 м – толщина стеновой панели;

  0,6 м – высота сечения крайней колонны; 

; 

Рисунок 4. Схема приложения нагрузок от стенового ограждения:

  – вес стеновых панелей, кН; – вес фундаментных балок, кН; е – эксцентриситет приложения нагрузки, м; – момент от стенового ограждения и фундаментной балки, кН^.м. 

Усилие  от снеговой нагрузки определяют по формуле [2]:

, где

  – грузовая площадь, при шаге колонн В = 6 м,

средняя колонна:  ;

крайняя колонна: 

S - полное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия,

, где

  2,4 кН/м² – расчетное значение веса снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности земли [2, табл.4], Уфа - снеговой район IV (карта 1 [2]);           

μ = 0,7 – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие [2, пп. 5.3 – 5.6]; 

средняя колонна:  ;

крайняя колонна:  ; 

Изгибающий  момент и поперечная сила , вызванные действием снеговых нагрузок в крайней колонне, определяются из пропорции:

, где

  , , – усилия от веса покрытия;

;

;

; 

Расчетные сочетания усилий и варианты сочетания  усилий сведены в  табл. 2, 3.

 

 
 

3. Определение глубины заложения  ростверка

 

Для фундаментов наружного  ряда колонн глубина  заложения ростверка Нр  [1, пп. 2.25.–2.28.] зависит от 2-х факторов: глубины сезонного промерзания грунтов , конструктивных требований . Из этих двух значений выбирается  наибольшее.

1. Учет  глубины сезонного  промерзания грунтов

 

Подошва ростверка должна располагаться ниже расчетной глубины сезонного промерзания грунтов:

, где

  – расчетная глубина  сезонного промерзания  грунта [1]:

,

здесь – коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания, для сооружений без подвала с полами, устраиваемыми по грунту, при t = 10°С;

  – нормативная  глубина сезонного  промерзания:

, где

  – величина, принимаемая  для супесей;

  – безразмерный  коэффициент, численно  равный сумме абсолютных  значений среднемесячных  отрицательных температур за зиму в данном районе строительства [3], для г. Уфы.

2. Учет  конструктивных требований

 

Для обеспечения конструктивных требований необходимо, чтобы глубина заложения ростверка принималась не менее конструктивных требований : .

Верх  монолитного стакана  фундамента должен находиться ниже отметки пола как минимум на 0,15 м, тогда (см. рис.5):

. 

Рисунок 5. Схема к определению глубины заложения ростверка. 

Высота стакана для средней колонны:

.

Высота стакана для крайней колонны:

.

Толщина днища стакана для средней колонны:

;

.

Толщина днища стакана для крайней колонны:

;

.

Для средней колонны:

.

Для крайней колонны:

.

Таким образом:                      

>1,26 м

≥ 1,75 м

Принимаю: .

 

4. Выбор длины сваи.

 

 

Рисунок 6. Схема к определению длины сваи. 

Минимальная длина сваи должна быть достаточной для того, чтобы прорезать слабые грунты основания и заглубиться на минимальную величину в несущий слой (рис.6).

, где

  зависит от показателя  текучести  грунта  (слой № 13):

при _, ;

0,05 м – учет шарнирного сопряжения сваи с ростверком;

Принимаю  , тогда ∆h = 0,9 м. Материал сваи бетон В20. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Определение несущей способности  висячей сваи по сопротивлению грунта

 

Вертикальная  привязка сваи к грунтовым  условиям (см. рис.7).

 

Рисунок 7. Схема к определению несущей способности сваи:

  – расстояние  от поверхности  земли до середины  участка сваи  

Согласно  п. 4.2 [4] имеем

, где

  – коэффициент  условий работы  сваи в грунте;

А – площадь опирания сваи на грунт, м²; А = 0,3*0,3 = 0,09 м²;

и – периметр поперечного сечения сваи, u = 0,3*4 = 1,2 м;

, – коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые по табл.3 [4] (при погружении молотом);

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи [4, табл. 1]:

при , _, ;

  – расчетное сопротивление  i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл.2 [4];

  – толщина i-го слоя грунта (мощностью не более 2-х м), соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

Расчет  силы трения по боковой  поверхности сваи (второе слагаемое формулы) приведен в табличной форме (см. табл. 4). 

Таблица 4. Расчет силы трения по боковой поверхности сваи. 

                                                                                                      

. 

Расчетное сопротивление сваи по грунту:

, где

  – коэффициент надежности, равный 1,4 (если несущая способность сваи определена расчетом);

Расчетное сопротивление сваи, уменьшенное на значение ее собственного веса (полезная несущая способность сваи):

, где

  – собственный вес сваи, кН:

, где

  – коэффициент  надежности по  нагрузке;

А = 0,09 м² – площадь поперечного сечения сваи, м²;

  – длина сваи без учета величины заделки сваи в ростверк;

  –  удельный  вес железобетона.

 

6. Определение количества свай.

1. Предварительное определение количества свай в фундаменте и их размещение при центральной нагрузке.

 

В первом приближении  число свай определяется как для центрально нагруженного фундамента без учета действующего момента. При центральной нагрузке усилия между сваями фундамента распределяются равномерно.

Количество  свай n с последующим округлением до целого числа в большую сторону:

, где

  – максимальное  расчетное усилие  из табл.1;

для средней колонны  ;

для крайней колонны  ;

  – минимальное расстояние между осями свай, где

  – сторона сечения  сваи;

  – глубина заложения ростверка;

  – осредненный удельный вес бетона ростверка со стаканом и грунта на уступах ростверка;

  – коэффициент надежности по нагрузке; 

Для средней колонны:

;

Для крайней колонны:

. 

  Размещение свай  см. рис. 8.

 

2. Уточнение количества свай в фундаменте и  их размещение.

 

Рисунок 8. Схема к определению количества свай для фундамента:

а) средней колонны; б) крайней колонны 

Количество  свай:

, где

  – обобщенный  момент, где

, , – расчетные сочетания усилий с максимальной нормативной силой;

  – коэффициент, зависящий от числа рядов свай по оси X, где – число рядов свай по оси Х. 

Для средней колонны:

;

Для крайней колонны:

;

а – расстояние между осями крайних свай.

При свободном опирании ростверка на сваи согласно п.8.8 [5] d_m=0, тогда

;

Для средней колонны:

;

;

принимаем n = 8.

Для крайней колонны:

;

;

принимаем n = 4.

3. Проверка  усилий в сваях.

 

Усилие  в любой свае от основного и дополнительного  сочетаний нагрузок в плоскости действия момента :

, где

  – расстояние от оси сваи до оси У;

  – момент инерции свайного поля:

- для средней колонны:

;

- для крайней колонны:

;

  – вес ростверка:

- для средней колонны:

;

- для крайней колонны:

;

Усилие  в максимально  нагруженной свае:

, где

  – расстояние от ЦТ свайного поля до оси крайней сваи в направлении действия момента (см. рис. 7). 

Усилия  в сваях должны отвечать следующим  условиям:

, где

  – усилие в свае, кН.

Расчет  свайных фундаментов  проводится с учетом ветровых и крановых нагрузок, то нагрузку на крайние сваи допускается  повышать на 20%:

, где

  – продольное усилие в голове наиболее нагруженной сваи от невыгодного сочетания нагрузок, кН.

Для отрицательных значений должно выполняться условие:

. 

Усилие  в свае средней  колонны от I (основного) сочетания нагрузок: 

;

; 

;

; 

;

; 

;

; 

;

;

  кН;  
 
 

Усилие  в свае крайней  колонны от I (основного) сочетания нагрузок: 

;

; 

;

;

;

 

4. Определение степени использования  несущей способности  сваи.

 

Расчет  свайных фундаментов  производится с учетом ветровых и крановых нагрузок, поэтому для наиболее нагруженных свай:

;

При этом степень перегрузки свай (при δ < 0) не должна превышать 5 %, степень недогрузки (при δ > 0) допускается принимать не более 20 %.

Наиболее  нагруженная свая для средней колонны:

.

Наиболее  нагруженная свая для крайней колонны:

.

 

7. Расчет  конечной осадки свайного фундамента.

1. Определение размеров подошвы  условного фундамента

 

Расчет  свайного фундамента и его основания  по деформациям проводится как для условного  фундамента на естественном основании [4, п.6.].

Границы условного фундамента определяются:

- снизу – плоскостью, проходящей через нижние концы свай;

- с боков – вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстояние ∆;

- сверху – поверхностью планировки грунта.

Рисунок 9. Схема к определению размеров условного фундамента. 

Размеры подошвы условного  фундамента:

;

;

;

- осредненное расчетное значение угла внутреннего трения в пределах высоты условного фундамента (рис. 9), где

  – расчетные значения углов внутреннего трения для отдельных пройденных сваями слоев грунта толщиной ; 
 

  – глубина погружения свай в грунт;

Для средней колонны:

;

;

Для крайней колонны:

;

;

2. Проверка  напряжений на уровне нижних концов свай

 

Давление  в грунте от нормативных  нагрузок на уровне нижних концов свай не должно превышать расчетного сопротивления грунта :

.

Давление  под подошвой условного  фундамента:

, где

- осредненное значение коэффициента надежности по нагрузке;

  – нормативный  вес условного  фундамента (рис. 9);

Для средней колонны:

;

Для крайней колонны:

;

  – осредненный объемный вес бетона и грунта;

Для средней колонны:

;

Для крайней колонны:

.

Определяем расчетное сопротивление грунта на уровне нижних концов свай:

, где коэффициенты

, , , , , , , , те же, что в п. 1.3. слой № 13;

;

;

;

Для средней колонны:

=

=628,43

Для крайней колонны:

=

=624,20 

- для средней колонны;

- для крайней колонны;

3. Определение нижней границы сжимаемой  толщи основания

 
 
 
 
 
 

Рисунок 10. Схема к определению ВС 

Вертикальные напряжения от собственного веса грунта (рис. 9):

  ;

  +1,0·9,81·(6,8-2,3)= 143,36;