Проектирование фундаментов. 3

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский  государственный политехнический  университет

Инженерно-строительный факультет

Кафедра подземных сооружений оснований и фундаментов

Курсовой проект

по дисциплине:

«Основания  и фундаменты»

«Проектирование фундаментов»

выполнил:   студент гр. 3013/2,

Абрамов Р.А.

проверил:  Колосов

Санкт-Петербург

2013

Содержание

1 Цель работы 3

2 Исходные данные 3

3 Проектирование фундаментов мелкого заложения 3

3.1 Определение глубины заложения фундамента 3

3.2 Сбор нагрузок 4

3.3 Предварительное определение размеров и площади подошвы фундамента 5

3.4 Определение осадок фундаментов 8

3.5 Проверка устойчивости фундамента 10

4 Проектирование свайных фундаментов 13

4.1 Выбор типа и размеров свай 13

4.2 Конструирование свайного ростверка 14

4.3 Расчет осадки свайного фундамента 14

5 Проектирование котлована 18

Заключение 18

Список использованных источников 19

1 Цель работы

Цель данной работы состоит в проектировании, в рамках действующих СНиП, фундаментов  водонапорной башни, расположенного рядом с откосом, удовлетворяющих условиям допустимых для сооружения деформаций, прочности и долговечности сооружения и его фундаментов. Работа включает в себя расчет двух видов фундаментов (фундамент мелкого заложения и свайный фундамент), с последующим выбором одного из вариантов по технико-экономическим показателям.

2 Исходные данные

Схема сооружения № 4, представленная на рис 1. (См. Приложение).

Географический  район строительства – город  Санкт-Петербург.

Характеристика  сооружения № 1.

Характеристики  грунтов и мощности слоев, слагающих  грунтовое основание сооружения, представлены в таблице 1. Геологический  разрез грунтового основания представлен на рис. 2 (См. Приложение). 

Таблица 1 –  Характеристики грунтов и мощности слоев

3 Проектирование фундаментов мелкого заложения

К фундаментам  мелкого заложения относятся  фундаменты, имеющие отношение глубины  заложения к ширине подошвы d/b, не превышающее 4-х и передающие нагрузку на грунты основания, в основном, через подошву. Их возводят в котлованах, предварительно отрытых на полную глубину с поверхности грунта. Обычно глубина заложения этих фундаментов не превышает 4-6 м.

3.1 Определение  глубины заложения фундамента

Глубина заложения  фундаментов должна приниматься  с учетом:

• назначения и конструктивных особенностей проектируемого сооружения, нагрузок и воздействий на его фундаменты;
• глубины заложения фундаментов примыкающих сооружений, а также глубины прокладки инженерных коммуникаций;
• существующего и проектируемого рельефа застраиваемой территории;
• инженерно-геологических условий площадки строительства (физико-механических свойств грунтов, характера напластований, наличия слоев, склонных к скольжению, карманов выветривания, карстовых полостей и пр.);
• гидрогеологических условий площадки и возможных их изменений в процессе строительства и эксплуатации сооружения;
• возможного размыва грунта у опор сооружений, возводимых в руслах рек (мостов, переходов трубопроводов и т.п.);
• глубины сезонного промерзания.

В данном курсовом проекте будем руководствовать  только данными о сезонном промерзании  грунта региона строительства. Нормативная  глубина сезонного промерзания  грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов. Для заданного района строительства, для города, для покровных отложений глин и суглинков до 2-3м, Санкт-Петербург м. Но так как покровные отложения представлены песчаными грунтами, то требуется перерасчет по следующей зависимости:

где d₀ – некоторый коэффициент, принимаемый для супесей, мелких и пылеватых песков равным 28; для песков средней крупности и крупнозернистых равным 30.

Подставляя  все необходимые данные в выражение (3), получим:

Расчетная глубина  сезонного промерзания грунта определяется по следующей формуле:

где - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, для неотапливаемого сооружения принимаем  k_h = 1.1.

Подставляя  необходимые данные в выражение (4) получим:

Окончательно  назначаем глубину заложения  фундамента d, основываясь на следующем выражении: равной 2 м.

3.2 Сбор нагрузок

Сбор и  подсчет нагрузок представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Таблица сбора и подсчета нагрузок

Для расчёта  одиночного фундамента суммарную нагрузку (горизонтальную –  и вертикальную – ) следует разделить на 6 (число колонн), например:

Вертикальная: N_II = 461/6 = 77 тс, N_I = 524/6 = 87 тс,  

Горизонтальная: T_II = 7,6/6 = 1,27 тс, T_I = 11/6 = 1,83 тс,      

Суммарные усилия и T на обрез фундамента сведены в таблицу 3.

Таблица 3 – Суммарные усилия на обрез фундамента

3.3 Предварительное определение размеров и площади подошвы фундамента

Предварительные размеры фундамента находятся из условия: фактическое давление под  подошвой фундамента p, не должно превышать расчетного сопротивления грунта R:

p ≤ R.

При этом фундамент  получается таким, что области пластических деформаций в основании достаточно малы:

Z ≤ b/4.

Таким образом, p = R – это такое равномерное давление фундамента на основание, при котором глубина развития зон пластических Z ≈ b/4.

В соответствии с расчетной схемой, принимая условие  p = R, получено общее выражение для определения площади A:

где N_c = N₀ – нагрузка, собранная на обрезе фундамента, по II группе предельных состояний.

 – приведенный удельный  вес, вводимый для определения  веса фундамента с грунтом  на его уступах (рекомендуется  принимать ).

d – глубина заложения подошвы фундамента,

 – превышение уровня  грунтовых вод (УГВ) над подошвой фундамента, примем в запас прочности и устойчивости,

R – расчетное сопротивления грунта основания для ширины фундамента b.

Если α = 0,7/0,4 = 1,75 – соотношение сторон поперечного  сечения опорной конструкции, тогда:

R определяется по формуле (интерпретация формулы Пузыревского):

где – коэффициент условия работы грунтового основания,

 – коэффициент условия  работы сооружения во взаимодействии  с основанием,

 – определяются по  табл. 3, стр. 10 СНиП 2.02.01 – 83* «Основания  зданий и сооружений».

k – коэффициент, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта (ϕ и С) определены непосредственными испытаниями,

 – коэффициент, зависящий  от ширины подошвы фундамента, при b < 10 м, = 1,

 – безразмерные коэффициенты, принимаемые в зависимости от  ϕ_II по табл. 4, стр. 11 СНиП 2.02.01 – 83* «Основания зданий и сооружений»,

- расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, тс/м²,

- осредненное значение  удельного веса грунтов, залегающих  выше подошвы фундамента, тс/м³,

- осредненное значение  удельного веса грунтов, залегающих  ниже подошвы фундамента (до  z = 0,5b), тс/м³,

Для каждого  из 4ех типов фундамента определяем b, решая уравнение графически с помощью Excel. Расчеты приведены в таблице 4 и на графике в соответствии с рис. 1. Т.к. изменение грунтового основания от скважины 1 до скважины 2 незначительны, то и значения R меняются очень плавно, и графики зависимости приблизительно одинаковы для всех фундаментов. Таким образом, ширину всех фундаментов назначаем b = 0,7 м, что удовлетворяет условию P < R.

R(b)

P(b)

b, м

P,R, тс/м²

Рис.3.1 – График зависимости P(b) и R(b)

Таблица 1.1 –  расчет ширины b фундамента 1

Таблица 1.2 –  расчет ширины b фундамента 2

Таблица 1.3 –  расчет ширины b фундамента 3

Таблица 1.4 –  расчет ширины b фундамента 4

При учете  внецентренного нагружения наибольшее давление на грунт у краев подошвы  не должно превышать:

P_max ≤ 1,2R = 130,8 тс/м² – в случае момента в одной плоскости,

P_min > 0.

Расчеты сведем в таблицу 2.

Таблица 2 – Расчет ширины фундамента b с учетом внецентренного нагружения.

Таким образом, задаем b = 2,3 м, l = 1,75∙2,3 = 4 м.

3.4 Определение осадок фундаментов

Расчеты ведем  для двух типов фундамента: I и IV. Расчеты ведутся в следующей последовательности:

1. Вычисление P₀ – дополнительного к природному вертикального давления на грунтовое основание:

где P – среднее давление под подошвой фундамента (P = 13,795 тс/м²),

 – вертикальное напряжение  от собственного веса грунта  на уровне подошвы, действовавшее  до начала строительства (тс/м²).

Построение  графика распределения  по оси z (по глубине). При этом вычисления сводим в таблицу 3. Т.к. грунты от опоры к опоре меняются слабо, то и вертикальные усилия от собственного веса грунта практически не меняются. Поэтому примем распределение по оси z одинаковым для фундаментов I и IV.

Таблица 3 - Распределение  по оси z

2. Построение эпюры вертикальных напряжений от собственного веса грунта - (от отметки природного рельефа) по формуле:

Расчеты также удобнее  свести в таблицу 4.

Таблица 4.1 – Напряжения от собственного веса грунта для фундамента I

Таблица 4.2 – Напряжения от собственного веса грунта для фундамента IV

3. Определение точки пересечения  графиков 0,2∙σ_zg и σ_zp0.
4. Полученную активную толщу H_c разделяем на слои таким образом, чтобы в пределах каждого слоя грунт был однородным. В середине каждого слоя по графику определяем σ_zp0i и вычисляем осадку i-ого слоя по формуле:

Расчеты сводим в таблицу 5.

Таблица 5 – Определение осадки слоев  и общей осадки S фундамента по оси 1

σ_zg

0,2∙σ_zg

σ_zp0

z

Рис.3.2 - Определение осадки слоев и общей  осадки S фундамента по оси 1

Таблица 5.2 – Определение осадки слоев и общей осадки S фундамента по оси 4

σ_zp0

σ_zg

0,2∙σ_zg

z

Рис.3.3 - Определение осадки слоев и общей  осадки S фундамента по оси 4

По СНиП 2.02.01 – 83* для водонапорных башен:

S ≤ S_u = 15 см,

8,67 см < 15 см.

Таким образом, условие соблюдается. Но основным расчетом оснований и  фундаментов зданий и сооружений на совместные деформации является проверка относительной неравномерности  осадок фундаментов и кренов.

Расчет относительной  неравномерности осадок фундаментов.

Условие принимает вид:

Условие выполняется.

3.5 Проверка устойчивости фундамента

где N = 87 кН – суммарная вертикальная нагрузка на основание;

А = 2,3∙4 = 9,2 м² – площадь подошвы фундамента;

M_y - момент сил относительно центра подошвы фундамента

W_y - момент сопротивления площади подошвы фундамента относительно той же оси;

где G - вес самого фундамента.

Основное условие устойчивости фундамента:

где F – расчетная нагрузка на основание,

 – коэффициент условия  работы,

 – сила предельного  сопротивления основания.

Устойчивость проверяется  по коэффициенту запаса устойчивости , причем:

где = 1,15 – допускаемый коэффициент запаса сооружения.

Коэффициент запаса устойчивости для произвольной поверхности скольжения определяется по формуле:

где R – радиус дуги цилиндрической поверхности,

i – номер элементарного столбика грунта основания,

b – ширина i-ого столбика грунта,

 – вес i-ого столбика грунта, ,

где – вес грунта,

 – давление от сооружения на верх i-ой полоски, принятое равным по подошве сооружения, равным нулю за пределами сооружения,

 – угол отклонения  от вертикали до середины  i-ого столбика грунта,

 – угол внутреннего  трения,

 – сцепление грунта,

R = 4,93 м – радиус цилиндрической поверхности скольжения,

 – длина i-ого столбика грунта, ,

 – сила, возникающая от веса грунта толщиной d, вычисляемая по формуле:

Условие выполняется.

Рис. 3.4 – Определение устойчивости наиболее неустойчивой части фундамента

Таблица 3.4 –  Проверка устойчивости фундамента