Проектирование фундамента и основания для водонапорной башни

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

Алтайский Государственный  Аграрный Университет

Факультет Природообустройства

Кафедра инженерных сооружений

Специальность: Механика грунтов, основания и фундаменты

Курсовая  работа

На тему: Проектирование фундамента и основания для водонапорной башни

Выполнил:

Проверил: Щеглов С.П.

Барнаул 2012

Оглавление

Исходные данные 3

1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГРУНТОВ ПЛОЩАДКИ 4

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТА ВОДОНАПОРНОЙ БАШНИ 7

Исходные данные

Геологический разрез площадки строительства с  описанием инженерно-геологических  и гидрогеологических условий:

Проектные размеры водонапорной башни:

1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГРУНТОВ ПЛОЩАДКИ

Инженерно-геологические  условия площадки строительства  изучаются для получения сведений о свойствах грунтов.

Сводную таблицу (Табл. 1) литологического состава  и физико-механических характеристик  грунтов составляем на основании  физических характеристик, принятых по исходным данным проектного задания и расчетным, а также механических характеристик, определяемых по таблицам (2-7).

Физические характеристики, определяемые опытным путем

• Влажность грунтов,   , %  или в д.е.
• Удельный вес грунта,   , кн/м³.
• Удельный вес частиц,   , кн/м³.

Таблица 1

Физико-механические характеристики грунтов для фундаментов на естественном основании

• Влажность на границе раскатывания,   w_р, %.
• Влажность на границе текучести,   w_L, %.

Физические характеристики, определяемые расчетом

• Удельный вес сухого грунта, , кн/м³.
• Коэффициент пористости,  .
• Пористость,  .
• Удельный вес грунта взвешенного в воде, , кн/м³ .
• Число пластичности, , %.
• Показатель текучести, .
• Степень влажности, ,

где значения влажности () подставляются в долях единицы; - удельный вес воды.

В процессе расчета  физических характеристик грунтов  должна быть выполнена их классификация  в соответствии с требованиями таблиц, приведенных ниже, в том числе:

• пылевато-глинистых грунтов по виду согласно табл. 2;
• песчаных грунтов по водосодержанию  –  табл. 3;
• пылевато-глинистых грунтов по консистенции  –  табл. 4;
• песчаных грунтов по плотности сложения  -  табл. 5.
• условное расчетное сопротивление песчаных и пылевато-глинистых грунтов – таблицы 6 и 7.

Классификация соответствующих  характеристик элементов грунтов:

1. Песок пылеватый ср. плотности насыщенный водой
2. Песок ср. крупности ср. плотности насыщенный водой
3. Глины полутвердые суглинок
4. Песок крупный плотный насыщенный водой

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ  ФУНДАМЕНТА ВОДОНАПОРНОЙ БАШНИ

Расчет оснований и фундаментов производится по расчетным нагрузкам, которые определяются как произведение нормативных нагрузок на соответствующие коэффициенты. Проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений ведется в основном по II группе предельных состояний по деформациям.

2.1. Установление величины нормативных  и расчетных нагрузок

2.1.1. Нормативная нагрузка - определяется от веса водонапорной башни, от снеговой и ветровой нагрузок:

а) Нагрузка от веса водонапорной башни определяется по формуле:

                                 ,                                       (1)

где – вес ствола, кН;

 – удельный  вес материала ствола башни (табл. 8);

 – объем  стен ствола башни;

 –  вес резервуара. кН;

 – удельный  вес материала резервуара (табл. 8);

 – объем  стен резервуара;

 –  вес воды в резервуаре, кН;

 – удельный  вес воды;

 – объем  воды в резервуаре;

При подсчете объема воды в резервуаре принять  наполнение резервуара равным 90 % его  емкости.

 –  вес прочих элементов сооружения, кН.

Вес прочих элементов может быть определен по приближенной формуле:

                                                                      (2)

б) Снеговая нагрузка определяется по формуле:

                                                                                                (3)

где - нормативная снеговая нагрузка на 1 площади горизонтальной проекции крыши (табл. 9).

  - площадь горизонтальной проекции крыши, .

в) Ветровая нагрузка рассчитывается для каждой высотной зоны наземной части водонапорной башни по формуле:

                                                                                                    (4)                              

где - нормативный ветровой напор на 1 площади вертикальной проекции соответствующей высотной зоны башни, ;

-  площадь вертикальной  проекции соответствующей высотной  зоны башни, .

Нормативный ветровой напор определяется для  каждой высотной зоны по формуле:

                                                                                                     (5)

где - нормативный скоростной напор ветра по высотным зонам (табл. 10);

 - аэродинамический коэффициент.

Для ствола и резервуара башни (как для цилиндра) величина аэродинамического коэффициента . Для крыши аэродинамический коэффициент определяется в зависимости от угла ската по интерполяции между значениями.

Для высотных сооружений, каким является проектируемая  водонапорная башня, первая надземная  ветровая зона принимается равной 10 м, вышележащие зоны не более 10 м каждая.

Ветровая нагрузка по высотным зонам:

2.1.2. Расчетная нагрузка определяется как произведение нормативной нагрузки на соответствующий коэффициент перегрузки (табл. 10).

;

;

.

2.1.3. Суммарные нагрузки

а) вертикальная, нормативная и расчетная:

                                                                                              (6)      

                                                                                               (7)      

б) горизонтальная, нормативная и расчетная:

                                                                                                       (8)

                                                                                                        (9)

2.1.4. Нормативный изгибающий момент

Величина  изгибающего момента определяется в сечении сопряжения ствола башни  с фундаментом от действия ветровой нагрузки.

                      (10)

2.1.5. Эксцентриситет суммарной вертикальной нагрузки

                                                                                                         (11)

2.2. Определение глубины заложения  фундамента

Глубина заложения фундамента на естественном основании должна приниматься исходя из следующих основных моментов:

1. Конструктивных особенностей проектируемого сооружения. Необходимо рассмотреть наличие в сооружении подвального помещения, приямков, сточных каналов и т.д. Глубину заложения фундамента в этом разделе определяют по формуле

где - глубина подвала, приямка и т.д., м.

2. Инженерно-геологических условий площадки строительства: залегание на определенной глубине грунта, обладающего достаточной несущей способностью, наличие слабых подстилающих слоев, характер напластовывания. Кроме этого, необходимо учесть, в каком состоянии находится грунт и каково его расчетное сопротивление. Для предварительной оценки можно считать, что грунт обладает удовлетворительной несущей способностью и пригоден в качестве естественного основания, если расчетное сопротивление его превышает 200 кПа. Нельзя использовать в качестве естественного основания для фундаментов мелкого заложения глинистые грунты, находящиеся в текучем состоянии, и рыхлые пески.
3. Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов.

Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле

,

где - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемые по СНиП по строительной климатологии и; - величина, принимаемая равной, м, для:

- суглинков и глин - 0,23;

- супесей, песков и пылеватых  - 0,28;

- песков гравелистых крупных и  средней крупности - 0,30;

- крупнообломочных грунтов - 0,34.

3. Учет гидрогеологических условий сводится к тому, чтобы подошва фундамента по возможности находилась выше уровня подземных вод.

2.2.1. Определение расчетной глубины сезонного промерзания грунта

Расчетная глубина сезонного промерзания  грунта , м, определяется по формуле

,

где - нормативная глубина промерзания; - коэффициент,

учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый по табл. 8.

2.3. Выбор типа и определение размеров фундамента

В зависимости  от инженерно-геологических условий  площадки строительства и действующих  нагрузок фундамент водонапорной башни  может быть кольцевым или сплошным в виде круглой плиты.

В первом приближении рекомендуется принимать  фундамент кольцевым или симметричным относительно стен ствола башни.

Такой кольцевой  фундамент можно принять за условный ленточный, ширина которого равна ширине кольца фундамента, а длина длине  дуги окружности диаметром, равным среднему диаметру кольца фундамента. Площадь подошвы такого фундамента равна

                                                                     (12)

где – ширина подошвы фундамента;

 – длина условного ленточного фундамента.

Окончательно  тип фундамента устанавливается  после того, как будет определена ширина подошвы фундамента.

2.3.1. Расчет размеров ширины подошвы фундамента на естественном основании

Нагрузки  на фундамент: ,

,

Расчет  условной ширины подошвы фундамента

Ширина  подошвы фундаментов определяется из условия прочности по первому предельному состоянию:

Ширина  подошвы фундаментов определяется из условия прочности по первому  предельному состоянию:

• при центральной нагрузке:

                   (13)

где - среднее давление на грунт под подошвой фундамента, от расчетной нагрузки второго предельного состояния;

- расчетное сопротивление слоя грунта, на который опирается подошва фундамента, вычисляемое по формуле (17) см. СНиП 2.02.01-83*.

  - глубина заложения подошвы фундамента, м;

- коэффициент, учитывающий  различия в объемных весах  материала фундамента и грунта  на его обрезах, изменяется  в зависимости от  материала фундамента от 0.8 до 1.0;

- объемная  масса материала фундамента, ;

- суммарная  вертикальная нормативная нагрузка  от внешнего воздействия, кН;

- нормативный изгибающий момент от внешнего воздействия, кНм;

- площадь подошвы фундамента, м²;

- момент сопротивления площади подошвы фундамента, м³.

Расчетное сопротивление грунта основания  определяется по формуле:

           (14)

где   и - коэффициенты условий работы, принимаемые по табл.  9. Для определения коэффициентов потребуется вычислить отношение длины здания к высоте - .

- коэффициент, принимаемый , если прочностные характеристики грунта (с и ) определены непосредственными испытаниями, и , если указанные характеристики приняты по таблицам. Коэффициент в курсовом проекте принять равным 1,1.

 , , - коэффициенты определяем по табл. 10 в зависимости от величины угла внутреннего трения слоя грунта, расположенного непосредственно под подошвой фундамента.

- коэффициент, принимаемый: при < 10 м,    при > 10 м (здесь - ширина подошвы фундамента, м; =8 м);

 - расчетное значение средневзвешенного удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м³;

 - то же, залегающие выше подошвы;

 - глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений .

 - глубина подвала. Исходя из конструктивных особенностей водонапорной башни (отсутствие подвала).

 - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа.

При наличии  многослойного основания или  грунта расположенного выше подошвы фундамента, значение и   определяем как средневзвешенные по формуле

                         (15)

где - значение удельного веса -го слоя грунта; - мощность -го слоя грунта.

Расчет  ведут методом последовательных приближений (итераций). Для облегчения расчетов по определению ширины подошвы фундамента профессор Н.В.Лалетин предложил графоаналитический способ. Целесообразно использовать графическую форму ее решения, когда искомое значение ширины фундамента находят на пересечении прямой (1) и кривой (2).

Если  построить график функций (1) и (2), откладывая на оси абсцисс - ширину подошвы фундамента, а по оси ординат - величину расчетного давления на основание, то точка их пересечения будет определять искомый  расчетный размер ширины подошвы  фундамента при соответствующем  ей расчетном давлении на основание.

Вычисляется расчетное сопротивление  грунта основания по формуле (14)

где - зависит от вида и разновидности грунта, лежащего под подошвой фундамента. В нашем случае – песок средней крупности средней плотности  = 1,4 и = 1,4;

- коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1;

- коэффициенты, принимаемые по табл. 10 СНиП в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта , находящегося непосредственно под подошвой фундамента, т.е. "рабочего слоя". При = 34° 1,55, = 7,22, = 9,22;

= 1;

 - ширина подошвы фундамента, м;

- осредненное (по слоям) расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше отметки подошвы фундамента, то есть в пределах глубины заложения фундамента

 - определяется по формуле:

где и - мощности слоев грунтов в пределах глубины заложения фундамента (соответственно 1,0 и 1,2 м);

- удельный вес грунта, залегающего ниже подошвы фундамента

- расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента ( = 1,5 кПа);

 - приведенная глубина заложения фундамента, м ();

- глубина подвала - расстояние от уровня планировки до пола подвала, м В наших условиях .

Вычисление  по формуле (14) проводится при значении = 0 и любом другом значении, например = 2 м, так как его величина изменяется по линейному закону.

Определяем  значение :

При = 0 м:

При b = 2 м.

Определяется среднее давление под подошвой фундамента для каждой ширины:

Задаемся как минимум тремя  размерами ширины фундамента, так как площадь подошвы ленточного фундамента равновелика его ширине .

Площадь подошвы такого фундамента равна:

При b = 0,5м

При b = 1м

При b = 2 м

По полученным двум значениям R в зависимости от строится графикb и (рис. 2).

Точка пересечения  прямой и кривой определяет предварительное значение требуемой ширины подошвы ленточного фундамента = 0,8 м (рис. 2).

По таблице 11  выбираем фундаментную плиту с шириной ближайшей к требуемой = 0,8 м. Выбрали Ф12 шириной = 1,2 м

2.4. Расчет оснований по предельным  состояниям

Целью расчета  оснований по предельным состояниям является уточнение предварительно принятых размеров фундаментов такими пределами, при которых гарантируются прочность, устойчивость и трещиностойкость конструкции, включая общую устойчивость сооружений, а также нормальная эксплуатация надземных конструкций при любых возможных нагрузках и воздействиях.

1. Оценка прочности несущего слоя основания

В расчетах по второму предельному  состоянию действующей СНиП ограничивает среднее давление под подошвой фундамента величиной :

                                                                      (16)

где - вес фундамента;

 - вес грунта на консольные свесы фундаментной плиты.

где - объем фундамента; - удельный вес ж/бетона.

Расчетное сопротивление грунта основания  определяем по формуле (14)

Условие (16) выполняется, следовательно, марку фундамента подобрали верно.

2.4.2. Расчет осадки фундамента

Расчет  осадки фундамента проводим в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83  методом  послойного суммирования.

Результаты  расчета представляются в табличной  форме.

Толщина элементарного слоя .

 –  расстояние от подошвы фундамента  до нижней границы каждого  элементарного слоя грунта, м.

                                                         .                                             (17)

• дополнительное давление по подошве каждого элементарного слоя

                                                                                              (18)

• дополнительное давление непосредственно под подошвой фундамента

                                                                                       (19)

где  – величина среднего давления под подошвой фундамента, принимаемая по формуле

- напряжение  от собственного веса грунта  под подошвой фундамента 

                                                            (20)

Коэффициент определяем согласно данным по табл.12.

Напряжение  от собственного веса грунта для каждого  элементарного слоя

                                                                                  (21)

Нижний  предел, до которого выполняется расчёт, называется нижней границей сжимаемой  толщи. Нижняя граница сжимаемой  толщи может быть определена любым  из двух способов: первым – аналитическим, т.е.  при приблизительном выполнении равенства  при Е=5 МПа или   , при Е£5 МПа; а вторым – графическим, где пересекутся эпюры дополнительного давления и уменьшенная в пять или десять раз соответственно, плюс зеркально перенесённая вправо эпюра природного давления.

• Среднее значение напряжения для каждого элементарного слоя

                                                                                      (22)

• Осадка элементарного слоя

                                                                                              (23)

где  = 0,8;  – модуль деформации грунта рассматриваемого элементарного слоя.

• Общая осадка основания, равная осадке фундамента

                                                                                         (24)

где – количество элементарных слоев грунта задействованных в расчёте осадки фундамента.

Оформления расчёта осадки фундамента приведен в табл. 2.

При расчете  осадки фундамента следует выполнять  проверки по абсолютным и относительным  деформациям.

Проверка  по абсолютным деформациям состоит  в выполнении условия

                                                                                               (25)

где  и – максимальные величины осадки фундамента - расчётная и предельная допустимая, определяемая в зависимости от типа и конструктивных особенностей здания по табл. 14. ().