Проектирование фундаментов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине

«Основания и фундаменты»

 

Проектирование  фундаментов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

    1. Цель работы.

 

Целью данной работы является проектирование и расчет фундамента акведука.

Работа включает в себя расчет двух видов фундаментов, с последующим  выбором оптимального варианта по экономическим  показателям.

    1. Исходные данные.

 

На рисунке 1.1. представлены  поперечный разрез сооружения и мощность слоев грунта. Географический район строительства – г. Киев.

Характеристики грунтов и глубины  их залегания представлены в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1.

№ п/п

Наименование грунта

Толщина слоя

ρs

ρ

w

IL

φ

c

E

скв.1.

скв.2.

скв.3.

   

М

т/м3

  

грд

МПа

1

Песок пылеватый

1

1

2

2,65

1,76

0,17

-

27

-

9

2

Песок мелкозерн.

2

2

2

2,67

1,78

0,15

-

28

-

14

3

Супесь

3

3

3

2,71

1,94

0,19

0,4

20

0,005

15

4

Суглинок

5

5

6

2,71

1,91

0,21

0,3

22

0,02

17

5

Глина

∞

∞

∞

2,70

2,01

0,14

0,2

19

0,05

24


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

    1. Определение глубины заложения фундаментов.

 

Для фундаментов мелкого заложения, отношение ширины по подошве b к глубине заложения d не должно превышать двух, т.е. . Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания. В данном случае, для города Киев м [2, c81], где d0 -  величина, принимаемая для супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28 м, Mt -  безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе. Расчетная глубина сезонного промерзания грунта определяется как:

, (2.1.)

где - коэффициент влияния теплового режима сооружения. Для фундаментов не отапливаемых сооружений . По формуле (2.1.) находим:

м.

По геологическому разрезу видно, что грунты основания среднесжимаемые, но пучинистые, т.е. , следовательно, принимаем ,5 м.

На рисунке 2.1. представлена схема  фундаментов и залегания грунтов.

    1. Сбор нагрузок, действующих на фундамент.

 

Для расчетов будут рассмотрены  сочетания нагрузок:

  • Основное;
  • Дополнительное.

Разделим, также, нагрузки на:

  • Постоянные;
  • Временные,  в зависимости от продолжительности действия.

Постоянными нагрузками называют:

  • Собственный вес элементов конструкции.

Временные же нагрузки:

  • Нагрузка от веса воды;
  • Ветровое воздействие (кратковременная нагрузка).

Назначим основное сочетание:

, (2.2.)

где П – постоянная нагрузка;

Вдл – нагрузка от длительных воздействий;

Вкр – нагрузка от кратковременных воздействий.

        Дополнительное сочетание:

, (2.3.)

где n – число кратковременных нагрузок.

Сбор нагрузок проводится на уровне обреза фундамента. В табл. 2.1. приведены полученные значения и расчет.

Таблица 2.1.

№ п/п

Наименование нагрузки

Формулы для расчета

Нормативная нагрузка

Коэф. над.

Расчетное значение нагрузки

Примечания

 

Фундамент 1.

          

1

Постоянные нагрузки:

        

м

 

Вес лотка

68,54

1.1

75,39

т/м3

 

Вес быка

108

1.1

118,8

м

2

Временные нагрузки

        

м

 

Вес воды в лотке

115,92

1.1

127,51

м

 

Суммарная нагрузка

292,46

  

321,7

м

3

Кратковременная нагрузка

        

м

 

Ветровая нагрузка

3,30

1.3

4,29

м

 

Фундамент 2.

        

м

4

Постоянные нагрузки:

        

т/м3

 

Вес лотка

75,68

1.1

83,25

т/м2

 

Вес быка

108

1.1

118,8

м

5

Временные нагрузки

        

м

 

Вес воды в лотке

124,90

1.1

137,39

  
 

Суммарная нагрузка

308,58

  

339,44

  

6

Кратковременная нагрузка

          
 

Ветровая нагрузка

4,13

1.3

5,36

  
 

Фундамент 3.

          

7

Постоянные нагрузки:

          
 

Вес лотка

92,82

1.1

102,10

  
 

Вес быка

108

1.1

118,8

  

8

Временные нагрузки

          
 

Вес воды в лотке

148,88

1.1

163,77

  
 

Суммарная нагрузка

349,70

  

384,67

  

9

Кратковременная нагрузка

          
 

Ветровая нагрузка

4,95

1.3

6,44

  

 

    1.   Определение площади подошвы фундаментов.

 

В связи с тем, что  на каждый из фундаментов действуют  разные нагрузки, а также отличаются характеристики грунтов под подошвой фундаментов, фундаменты будут рассматриваться  отдельно. Общая формула для определения подошвы:

, (2.4.)

где P – расчетная нагрузка на уровне обреза фундамента;

R - расчетное сопротивление грунта основания;

hв – заглубление подошвы под Ñ ГГВ ( м);

gср – осредненное значение удельного веса грунта и бетона ( т/м3);

d – глубина заложения фундамента.

Определяем R по зависимости:

, (2.5.)

где и - коэффициенты условий работы [3, с.8];

;

;

- коэффициенты [3, с.9];

 и  - характеристики грунта над подошвой;

 и  - характеристики грунта под подошвой.

, (2.6.)

где l – неизвестно.

Отношение l к b принимается таким же, как отношение между соответствующими параметрами сооружения:

,

следовательно, подставляя в (2.6.):

. (2.7.)

Подставим (2.7.) в (2.4.):

;

;

;

(2.8.)

Определим коэффициенты:

м.

Определим значение осредненного значения удельного веса грунтов под фундаментом 1:

, (2.9)

где

- удельный вес сухого скелета  грунта.

- отношение плотностей сухого  грунта и грунта в естественном  состоянии.

Для определения m определим плотность в естественном состоянии:

т/м3 – удельный вес взвешенной супеси.

Аналогично рассчитывая суглинок, супесь получаем:

; ,

Таким образом, подставляя данные всех расчетов в (2.9) получаем:

т/м3.

Для грунтов, залегающих выше подошвы фундамента:

,

где т/м3, м, , м.

т/м3.

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

тс/м2.

Таким образом, подставляя все полученное выше в формулу (2.5.) получаем:

. (2.10.)

Решая совместно уравнения (2.8.) и (2.10.) получим:

м;

тс/м2;

м2;

м.

 

      1. Проверка напряжений по подошве фундамента.

Для успешной работы основания необходимо выполнение 2-х условий:

1) -способность грунта воспринимать нагрузки от веса сооружения, где - максимальное краевое давление под подошвой фундамента;

2) - условие отсутствия отрыва фундамента от грунта, где - минимальное краевое давление под подошвой фундамента.

Максимальное  и минимальное  краевые давления под подошвой фундамента при действии момента сил относительно одной из главных осей инерции  подошвы фундамента определяются по методу сопромата (формула внецентренного сжатия):

,

где  N – суммарная вертикальная нагрузка на основание;

А – площадь подошвы фундамента;

- момент сил относительно  центра подошвы фундамента

- момент сопротивления площади подошвы фундамента относительно той же оси;

Теперь уточним компоненты формулы .

, где hлот – высота лотка с водой, h – высота опоры, d – глубина заложения фундамента;

, где - вес самого фундамента.

Опора №1

тс.

тс/м2.

=> условие выполняется.

 

  1. ;

;

Т.е. оба условия выполнены.

 

 

 

 

      1. Определение площади подошвы фундамента.

 

Расчеты площадей остальных двух фундаментов  аналогичны расчету пункта 2.3., а  проверки – пункту 2.3.1. Сведем все  расчеты в табл.2.2., а проверки в табли. 2.3.

 

Табл. 2.2.

 

№ п/п

Величина

Фундамент 1

Фундамент 2

Фундамент 3

1

1,3

1,3

1,25

2

1,3

1,3

1,2

3

0,98

0,98

1,15

4

4,93

4,93

5,59

5

7,4

7,4

7,95

6

28

28

30

7

d=d1

1,5

1,5

1,5

8

1,55

1,55

1,55

9

m

0,58

0,58

0,58

10

0,97

0,97

0,97

11

1,10

1,10

1,00

12

0,94

0,94

0,93

13

С2

-

-

-

14

B

2,70

2,70

2,71

15

R

16,66

16,66

16,73

16

A

23,8

24,10

24,33

17

L

8,80

8,92

8,98


 

Табл. 2.3.

 

№ п/п

Величина

Фундамент 1

Фундамент 2

Фундамент 3

1

Qф

74,97

75,92

76,94

2

15,70

16,19

16,49

3

R

16,66

17,03

16,73

4

M

32,18

32,18

32,18

5

W

10,70

10,84

11,00

6

N

378,14

395,4

437,18

7

18,90

19,40

20,90

8

20,00

20,40

19,80


 

 

    1. Расчет основания по деформациям.

Целью расчета оснований по деформациям  является ограничение абсолютных или относительных перемещений фундаментов и надфундаментных конструкций такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность (вследствие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, изменений проектных уровней и положений конструкций, расстройств их соединений и т.п.). При этом имеется в виду, что прочность и трещиностойкость фундаментов и надфундаментных конструкций проверены расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при взаимодействии сооружения с основанием.

Расчет деформаций основания выполняется, применяя расчетную схему основания в виде линейно деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи Hсж Расчет оснований по деформациям производится исходя из условия:

s £ su

 

где  s  - совместная  деформация  основания и сооружения, определяемая расчетом;

 su - предельное значение совместной деформации основания и сооружения по СНиП (su=0,1м);

- предельно допустимое значение относительной неравномерной осадки.

Согласно СНиП ([3]), Hсж устанавливается по условию равенства напряжений от внешней нагрузки некоторой доле напряжений от собственного веса грунта.

 

где k - коэффициент, определяется видом сооружения и видом грунта. В курсовом проекте принято, что k = 0,2.

Определяется осадка центральной точки для схемы центрального нагружения методом послойного суммирования. При расчете используется основное сочетание нормативных нагрузок.

Последовательность расчета:

1. Строится эпюра распределения напряжений от собственного веса грунта. Построение начинается от дневной поверхности. Так как распределение давления по толще однородного слоя линейно, то достаточно определить давление только в двух граничных точках однородного слоя. Для определения напряжения в каждой точке используется формула:

,

где  - удельный вес грунта, расположенного выше в верхнем слое;

- глубина заложения фундамента;

 и  - удельный вес и толщина i-того слоя грунта.

2. Строится эпюра дополнительных вертикальных напряжений на глубине z от внешнего давления – по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, которые определяются по формуле:

 =aР0=

где a - коэффициент, принятый в зависимости от формы подошвы фундамента и координаты (табл.1, стр.30, [3]);

  Р0 - дополнительное вертикальное давление на основание;

 Р - среднее давление под подошвой фундамента;

- удельный вес грунта, в  котором располагается фундамент;

  - глубина заложения фундамента.

 

  3.  Определяется толщина активной (сжимаемой) зоны, она принимается на глубине z = Hсж , где выполняется условие:

= 0,2

где   – дополнительное вертикальное напряжение на глубине по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента;

– вертикальное напряжение от собственного веса грунта.

4. Толща сжимаемого слоя разбивается на n участков, так чтобы в пределах каждого i-того участка грунт был однородным и толщина этого слоя .

5.  Определяется значение величины дополнительного сжимающего напряжения в средних точках каждого слоя по вертикали .

6.  Определяется осадка каждого слоя и суммируются полученные результаты, используя формулу:

,

где b - безразмерный коэффициент, принимаемый по СНиП , ;

- величина среднего напряжения  в i-том слое грунта;

- толщина i-того слоя;

- модуль деформации i-того слоя

7.Проверка условия s £ su .

8. Определяется относительная неравномерная осадка двух ближайших фундаментов (крен) и сравнивается ее значение с величиной предельно допустимой. Проверка условия .

9. Определение крена для отдельно  стоящего фундамента при действии  момента от ветровой нагрузки  по формуле:

,

где  - модуль деформации, равный 17МПа;

- момент, взятый относительно оси, в которой определяется крен, вычисленный ранее;

- длина фундамента

- коэффициент Пуассона грунта  опорного слоя, для песка м/з он составляет 0,3 согласно СНиП ([2]Приложение2).

- коэффициент, принятый по  СНиП [3 табл.6 Приложения2]

 

Опора №1

Размеры фундамента:  b=2,7 м, l =8,8 м

Площадь подошвы фундамента равна: .

Сила, давящая на подошву фундамента:

Давление на грунт под подошвой фундамента: .

Дополнительная нагрузка на грунт: .

Величина среднего давления по подошве фундамента равна:

1.Построение эпюр распределения напряжений от собственного веса.

Табл.2.4

 

№ слоя

,

,м

, м

,

0,2

,

1

1,76

1,5

1

2,64

0,528

2

1,78

2

6,20

1,240

3

1,94

3

12,02

2,404

4

1,91

5

21,57

4,314


 

2.Построение эпюры дополнительных напряжений сводится в таблицу.

Коэффициент α определяется согласно таблице (табл.1, Приложение 2, [1]).

Ось z имеет начало в центральной точке подошвы.

Табл.2.5

, м

b, м

,

0,000

2,700

0,000

3,259

1,000

13,25

0,540

0,400

0,977

12,95

1,080

0,800

0,879

11,65

1,620

1,200

0,749

9,92

2,160

1,600

0,629

8,33

2,700

2,000

0,530

7,02

3,240

2,400

0,450

5,96

3,780

2,800

0,384

5,09

4,320

3,200

0,330

4,37

4,860

3,600

0,286

3,79

5,400

4,000

0,219

2,90

5,940

4,400

0,193

2,56

6,480

4,800

0,171

2,27

7,020

5,200

0,153

2,03

7,560

5,600

0,137

1,82

8,100

6,000

0,123

1,63

8,640

6,400

0,111

1,47

9,180

6,800

0,101

1,34


 

3. Графически определенная величина сжимаемой зоны составляет: Hсж = 5,60 м  (Приложение 2)

4.  Разбивается вся сжимаемая толща на 11 участков.

5.  Графически определяем  значение величины среднего давления  на каждом участке.

6.  Определяем величину  осадки каждого слоя, затем получаем общую осадку, используя формулу (4.11). Расчет сводим в таблицу 2.6.

Табл.2.6

, м

, м

,

,

, м

0,5

0,5

13,00

1400

0,0037

1

0,5

11,95

1400

0,0034

1,5

0,5

10,30

1400

0,0029

2

0,5

8,78

1500

0,0023

2,5

0,5

7,47

1500

0,0020

3

0,5

6,41

1500

0,0017

3,5

0,5

5,52

1500

0,0015

4

0,5

4,80

1500

0,0013

4,5

0,5

4,10

1500

0,0011

5

0,5

3,40

1700

0,0008

5,5

0,5

2,86

1700

0,0007

5,6

0,1

2,83

1700

0,0001

сумма

0,0216


 

Пример расчета для  i=1,5

.

7.  2,16 <10 см,

Условие s £ su, выполняется.

Крен составляет:

 

Опора №2

Размеры фундамента:  b=2,7 м, l =8,92 м

Площадь подошвы фундамента равна: .

Сила, давящая на подошву  фундамента:

Давление на грунт под  подошвой фундамента: .

Дополнительная нагрузка на грунт: .

Величина среднего давления по подошве фундамента равна:

1.Построение эпюр распределения напряжений от собственного веса.

Табл.2.7

№ слоя

,

,м

, м

,

0,2

,

1

1,76

1,5

1

2,64

0,528

2

1,78

2

6,20

1,240

3

1,94

3

12,02

2,404

4

1,91

5

21,57

4,314


 

2.Построение эпюры дополнительных напряжений сводится в таблицу.

Коэффициент α определяется согласно таблице (табл.1, Приложение 2, [1]).

Ось z имеет начало в центральной точке подошвы.

Табл.2.8

, м

b, м

,

0,000

2,700

0,000

3,3

1,000

13,76

0,540

0,400

0,977

13,44

1,080

0,800

0,879

12,10

1,620

1,200

0,749

10,31

2,160

1,600

0,629

8,66

2,700

2,000

0,530

7,29

3,240

2,400

0,450

6,19

3,780

2,800

0,384

5,28

4,320

3,200

0,330

4,54

4,860

3,600

0,286

3,94

5,400

4,000

0,219

3,01

5,940

4,400

0,193

2,66

6,480

4,800

0,171

2,35

7,020

5,200

0,153

2,11

7,560

5,600

0,137

1,89

8,100

6,000

0,123

1,69

8,640

6,400

0,111

1,53

9,180

6,800

0,101

1,39


 

3. Графически определенная величина сжимаемой зоны составляет: Hсж = 5,6 м  (Приложение 2)

4.  Разбивается вся сжимаемая толща на 11 участков.

5.  Графически определяем значение  величины среднего давления на каждом участке.

6.  Определяем величину осадки  каждого слоя, затем получаем  общую осадку, используя формулу  (4.11). Расчет сводим в таблицу  2.9

Табл.2.9

, м

, м

,

,

, м

0,5

0,5

13,49

1400

0,0039

1

0,5

12,38

1400

0,0035

1,5

0,5

10,67

1400

0,0030

2

0,5

9,12

1500

0,0024

2,5

0,5

7,76

1500

0,0021

3

0,5

6,64

1500

0,0018

3,5

0,5

5,76

1500

0,0015

4

0,5

5,02

1500

0,0013

4,5

0,5

4,26

1500

0,0011

5

0,5

3,49

1700

0,0008

5,5

0,5

2,92

1700

0,0007

5,6

0,1

2,83

1700

0,0001

сумма

0,0224


 

Пример расчета для  i=1,5

.

7.  2,24 <10 см,

8. Относительная неравномерность осадок между опорами №1 и №2

Проектирование фундаментов