Проектирование фундаментов и расчет оснований. 2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра: «Геотехника и экология в строительстве»
Курсовой проект
по дисциплине: «Механика грунтов, оснований и фундаментов»
на тему: «Проектирование фундаментов и расчет оснований»
Минск 2008
СОДЕРЖАНИЕ
- Фундаменты мелкого заложения н
а естественном основании. - Анализ физико-механических свойств грунта пятна застройки.
- Выбор глубины заложения подошвы фундаментов.
- Определение размеров ленточного фундамента.
- Вычисление вероятной осадки ленточного фундамента.
- Определение размеров столбчатого фундамента.
- Вычисление вероятной осадки столбчатого фундамента
- Свайные фундаменты.
- Расчет и конструирование свайных фундаментов.
- Определение отказа свай.
- Расчет свайного фундамента по деформациям.
- Реконструкция фундаментов
Литература
Фундаменты мелкого заложения н
а естественном сновании
Анализ физико-механические свойств грунтов пятна застройк
и
Прочное, устойчивое и экономичное основание можно выбрать на основе изучения инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки. В связи с этим в табл. 1 грунтовые условия из трех пластов представлены для данной строительной площадки.
Таблица 1
№ пласта |
Мощность пласта по скважинам, м |
Плотность частиц грунта ρs ,т/м |
Плотность грунта, ρ , т/м |
Влажность W, % |
Пределы пластичности |
Угол внутреннего трения α˚ |
Удельное сцеп-ление С ,кПа |
Вид песчаного грунта |
Горизонт подземных вод от поверхности земли , м | |||
1 |
2 |
3 |
WL % |
Wp % | ||||||||
1 |
4 |
3 |
3 |
2,67 |
2,13 |
16 |
- |
- |
31 |
- |
Мелкий |
1.9 |
2 |
3 |
4 |
5 |
2,63 |
2,15 |
15 |
23 |
16 |
26 |
13 |
- | |
3 |
10 |
12 |
10 |
2,65 |
2,09 |
19 |
- |
- |
29 |
- |
Пылеватый | |
Для каждого из пластов, которые были вскрыты тремя скважинами, должны быть определены их расчетные характеристики. В соответствии с ГОСТ 25100–82 определяется по числу пластичности вид глинистого грунта (табл. 2)
,
Таблица 2 Наименование грунтов по содержанию глинистых частиц и по числу пластичности
Наименование грунта |
Содержание глинистых частиц (диаметром меньше 0.005 мм) % по весу |
Число пластичности JP |
|
Глина |
Больше 30 |
Более 17 |
Суглинок |
30 – 10 |
17 – 7 |
Супесь |
10 – 3 |
7 – 1 |
Песок |
Меньше 3 |
Меньше 1 |
I. Мелкий песчаный грунт
II. =23-16=7 % супесь
III. Пылеватый песчаный грунт
Затем по данным лабораторных испытаний грунтов необходимо подсчитать следующие грунтовые характеристики, необходимые для расчета оснований:
- Плотность сухого грунта
I. =1,84 т/м3
II. =1,87 т/м3
III. =1.76т/м3
- Пористость и коэффициент порис
тости грунта
I.
II.
III.
- Степень влажности
I.
II.
III.
- Показатель текучести для глинистых грунтов
II.
где r – плотность грунта, т/м3;
rS – плотность частиц грунта, т/м3;
rw – плотность воды, принимаемая равной 1,0 т/м3;
W – природная весовая влажность грунта, %;
WL – влажность грунта на границе текучести, %;
WP – влажность грунта на границе пластичности (раскатывания), %;
Песчаные грунты подразделяются по степени влажности Sr на:
- маловлажные, если степень влажности Sr £ 0.5;
- маловлажные, если 0.5<Sr£0.8;
- насыщенные водой, если Sr>0.8
По плотности сложения песчаные грунты разделяются на плотные, средней плотности и рыхлые, в зависимости от величины коэффициента пористости е (табл. 3)
Таблица 3
Виды песков |
Плотность сложения песков | ||
плотные |
средней плотности |
рыхлые | |
Пески гравелистые, крупные и средней крупности |
e<0.55 |
0.55 £ e £ 0.70 |
e > 0.70 |
Пески мелкие |
e<0.60 |
0.60 £ e £ 0.75 |
e > 0.75 |
Пески пылеватые |
e<0.60 |
0.60 £ e £ 0.80 |
e > 0.80 |
Таблица 4 Данные свойств грунтов
Показатели |
Значения показателей для слоев | ||
Плотность частиц грунта ρs , т/м |
2.67 |
2.63 |
2.65 |
Плотность грунта ρ , т/м |
2,13 |
2.15 |
2.09 |
Природная весовая влажность W грунта, % |
16 |
15 |
19 |
Степень влажности Sr |
0. 95 |
0,99 |
1,48 |
Число пластичности JP |
-- |
7 |
-- |
Показатель текучести JL |
-- |
0 |
-- |
Коэффициент пористости е |
0.45 |
0.4 |
0.51 |
Угол внутреннего трения j° |
31 |
26 |
29 |
Удельное сцепление c, кПа |
-- |
13 |
-- |
Наименование грунта и его физическое состояние |
Мелкий песок, насыщенный водой, плотный |
Супесь твёрдая насыщенная водой |
Пылеватый песок, насыщенный водой, плотный |
Определив вид грунта и зная толщину слоя, строим инженерно- геологический разрез строительной площадки.
Выбор глубины заложения фундаментов
Минимальную глубину заложения подошвы фундамента предварительно назначают по конструктивным соображениям.
По заданию (сечение 4-4) ленточный фундамент проектируется под наружную стену подвала. Подошва фундаментов заглубляется ниже пола подвала не менее чем на 0.4 м. При этом верх подушки фундамента должен быть расположен ниже уровня чистого пола подвала. Поэтому, исходя из приведённых выше требований, и предполагая:
- что отметка уровня планировки совпадает с отметкой чистого пола первого этажа
- что высоты фундаментной подушки 450 мм будет достаточно для обеспечения её прочности на продавливание и изгибающий момент (50 мм от верха подушки до уровня чистого пола подвала)
то минимальная глубина заложения подошвы фундамента от поверхности планировки должна составлять 3.5 метра. (высота подвала 3м).
Для столбчатого фундамента в сечении (2-2) глубина заложения фундаментов для наружных стен отапливаемых сооружений принимается не менее расчетной глубины промерзания df, определяемой по формуле:
df=khdfn
где dfn — нормативная глубина промерзания, устанавливаемая по схематической карте, равная 0.9 метра
kh — коэффициент влияния теплового режима здания на промерзание грунта у наружных стен, который равен 0.6
Минимальная глубина
заложения фундаментов
Тогда df=0.6•0.9=0,54 м.
По конструктивным соображениям для монолитного фундамента под сборную колонну отметка низа столбчатого фундамента равна -1,500.
- Определение размеров ленточного фундамента
Под монолитную стену в уровне подвала проектируем ленточный фундамент.
При расчете оснований по деформациям необходимо, чтобы среднее давление Р под подошвой центрально нагруженного фундамента не превышало расчетного сопротивления грунта R: Р £ R . Для внецентренно нагруженного фундамента предварительно проверяются три условия:
Рmax £ 1.2R
P £ R
Pmin > 0
Расчетное сопротивление грунта основания R в кПа определяется по формуле:
γc1, γc2 — коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. В.1 СНБ 5.01.01-99 равные соответственно 1.3 и 1
k — коэффициент надежности, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта j и с определены непосредственными испытаниями (для нашего случая).
Мg, Мq, Мс — коэффициенты, зависящие от расчетного угла внутреннего трения несущего слоя грунта, равные соответственно 1,24; 5,95; 8,24
b — ширина подошвы фундамента (для прямоугольной подошвы фундамента — ее меньшая сторона), предварительно 0,6 м;
kz — коэффициент, принимаемый равным : при b<10 м kz=1
g’11= g= =20.89 кН/м3 — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента;
11 — то же для грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента(с учетом взвешивающего действия воды), кН/м3
кН/м3
= -удельный вес грунта во взвешенном состоянии;
e - коэффициент пористости грунта;
- удельный вес воды;
; ;
= кН/м3;
= кН/м3;
= кН/м3;
с11 — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа, равное с11=13;
d1 — глубина заложения фундамента бесподвальных сооружений или приведенная глубина заложения наружных или внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле:
=0,4+0.1 ;
hs =0,4 - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м,
hcf = 0.1 - толщина конструкции пола подвала, м,
=22 — расчетное значение удельного веса конструкции пола,
db= 3 м — глубина подвала;
Определим момент, действующий на уровне обреза фундамента:
Давление под подошвой фундамента определяется из следующих зависимостей:
для центрально нагруженного фундамента:
для внецентренно нагруженного фундамента:
Здесь Р, Рmax, Рmin — соответственно среднее, максимальное и минимальное давление на грунт под подошвой фундамента, кПа;
N0,11 =270 кН — расчетная нагрузка на уровне обреза фундамента ;
М0,11 =79.2 кН*м — расчетный изгибающий момент;
gm — осредненный удельный вес материала фундамента и грунта над его уступами, принимаемый равным 20...22 кН/м3;
d — глубина заложения фундамента (для подвальных помещений — глубина заложения от пола подвала), м;
А — площадь подошвы фундамента, м;
W — момент сопротивления площади подошвы фундамента в направлении действия момента, м3.
Выполнения условий P£R и Pmах £1.2R можно достигнуть путем нескольких попыток : назначая соотношение сторон подошвы фундамента или решая систему уравнений относительно величины b . Более удобным является определение размеров подошвы фундамента графическим способом.
В случае внецентренно нагруженного фундамента строятся графики зависимостей Рmах=f(b) иR=f(m). Полученные значения ширины фундамента b будут удовлетворять условию Рmах =1,2R . Кроме того, для внецентренно нагруженного фундамента необходима проверка следующих условий: Р£R и Pmin >0. Определим ширину фундамента b.
Вычислим Р, R при b=1.2 м
Вычисление вероятной осадки ленточного фундамента
Расчет осадки фундамента производится по формуле:
S £ Su,
где S — конечная осадка отдельного фундамента, определяемая расчетом;
Su — предельная величина деформации основания фундамента зданий и сооружений, принимаемая по СНБ 5.01.01-99.
Основным методом определения полной (конечной) осадки фундаментов является метод послойного суммирования. Расчет начинается с построения эпюр природного (бытового) и дополнительного давлений. На геологический разрез наносятся контуры сечения фундамента, затем от оси фундамента влево откладываются ординаты эпюр :
природнго давления в zg (кПа), определяется по формуле:
Величина природного давления определяется на границе каждого слоя грунта. Если в пределах выделенной толщи залегает горизонт подземных вод, то удельный вес грунта определяется с учетом гидростатического взвешивания
Вычисляем ординаты эпюры
(глубина h =2,4 м)
Ординаты вспомогательной
Определяем дополнительное (осадочное) давление на грунт р , подразумевая, что осадка грунта произойдет только от действия дополнительного давления:
Р =Р - =334,1-75.08=259,02 кПа,
P =Р= 463.2 кПа- полное давление по подошве фундамента от нормативных нагрузок,
Дополнительное вертикальное напряжение для любого слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле:
где a — коэффициент, принимаемый по табл. СНБ 5.01.01-99 (прил.16) в зависимости от коэффициента относительной глубины слоя под центром подошвы, равным x=2z/b формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента h=l/b. Где l и b — соответственно длина и ширина фундамента.
Расчет осадки отдельного фундамента на основании в виде упругого линейно деформируемого полупространства с условным ограничением величины сжимаемой зоны производится по формуле:
где S — конечная осадка отдельного фундамента, см;
n — число слоев, на которые разделена по глубине сжимаемая зона основания;
hi — толщина i-го слоя грунта основания, см;
Ei — модуль деформации i-го слоя грунта под подошвой фундамента, кПа;
b — безразмерный коэффициент, равный 0,8;
— среднее значение дополнительного
вертикального нормального
Модуль деформации Ei определяется по результатам компрессионных испытаний грунтов из выражения.
Расчет осадки фундамента удобно выполнять в табличной форме:
Осадка фундамента S равна 33,96 мм, нормативное значение Su=80 мм.
Осадка допустимая.
1.5. Определение
размеров столбчатого
Определим ширину фундамента
мелкого заложения второго
N0,11 =1400 кН — расчетная нагрузка на уровне обреза фундамента;
М0,11 =250 кН*м — расчетный изгибающий момент;
1,9 м;
g’11=20 кН/м3 — удельный вес грунта обратной засыпки;
db=0 м — глубина подвала, принимаемая от уровня планировки до пола подвала(при В 20м и при глубине подвала больше 2 м);
задаемся размерами фундамента 1,8х1,8 м
R = (gc1 gc2/k ) (Mg kz b gII+Mq kz d1 g'II+(Mq-1) db g'II+Mc cII) =
=(1,3 · 1,1/1) · (1,24 · 1 · 1,7 · 21,3+5,95 · 1 · 1,9 · 21,3+(5,95-1) · 0 · 21,3+8,24 · 13) = 561,72кПа .
Максимальное давление под подошвой фундамента:
pmax = N/A+gmt d+My/W+q = 1010/3,23+20 · 1,9+250/1,02+0 = 594,98 кПа
Минимальное давление под подошвой фундамента:
pmin = N/A+gmt d-My/W+q = 1010,595/3,23+20 · 1,9-250/1,02+0 = 106,14 кПа
pmax=594,988 кПа r 1,2 R=1,2 · 561,2 =673,44 кПа условие выполняется.
P= (Pmax+Pmin)/2= (594.98+106.14)/2=350.56 кПа<R=561.2 кПа – условие выполняется.
1.6. Вычисление вероятной осадки столбчатого фундамента
Осадка вычисляется также как и для ленточного фундамента
szg, 0 = g'II dn=21,3 · 1,9 = 40,47 кПа .
szg, 1 = g'II dn+Sg1h1 = 21,3 · 1,9+23,43 = 63,9 кПа
szg, 2 = g'II dn+Sg2h2 = 21,3 · 1,9+130,93 = 171,4 кПа
szg, 3 = g'II dn+Sg3h4 = 21,3 · 1,9+339,93 = 380,4 кПа
szp, 0 = p =387,3408 кПа .
Осадка фундамента S равна 46,49 мм, нормативное значение Su=80 мм.
Осадка допустимая.
2.Расчет и конструирование свайных фундаментов
2.1. Свайные фундаменты .
Основные положения по расчету и проектированию свайных фундаментов.
Свайные фундаменты рассчитываются в соответствии с требованиями СНБ 5.01.01-99 по двум предельным состояниям:
- по предельному состоянию первой группы ( по несущей способности): по прочности – сваи и ростверки, по устойчивости – основания свайных фундаментов;
- по предельному состоянию второй группы ( по деформациям ) – основания свайных фундаментов.
Глубина заложения подошвы свайного ростверка назначается в зависимости от:
- наличия подвалов и подземных коммуникаций;
- геологических и гидрогеологических условий площадки строительства ( виды грунтов, их состояние, положение подземных вод и т. д. );
- возможности пучения грунтов при промерзании.
Описание грунтов |
Мощность слоя, м |
Рыхлый насыпной грунт из мелкого песка с органическими примесями g=13 кН/м3 j=12° |
2.0 |
Ил коричневый водонасыщенный Jl=0.6, g=14(8) кН/м3, j=10° |
4,0 |
|
Супесь пылеватая Jl=0.4, g=17(11) кН/м3,Е=8000 кПа, j=25°, С=20 кПа |
3,0 |
Глина Jl=0.2, g=21 кН/м3, Е=20000 кПа, j=20°, С=100 кПа |
12,0 |
Горизонт подземных вод от поверхности земли , м |
1,5 |
Расчет и конструирование свайных фундаментов.
Прежде всего необходимо выбрать тип сваи, назначить ее длину и размеры поперечного сечения. Длину сваи назначают такой, чтобы ее острие было заглубленно в плотный слой грунта не менее чем на 1 м. Принимаем забивные железобетонные сваи, квадратного сечения размером 300х300 мм.
Несущая способность Fd ( в кН ) сваи трения по грунту определяется как сумма сопротивления грунта основания под нижним концом сваи и по её боковой поверхности:
Fd=gc×( gcr×R×A+U×ågcf×fi×li ),
Где gc –коэффициент условий работы сваи в грунте.
gcr и gcf - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи ( методические указания ); для свай, погруженных забивкой молотами, gcr =1.0 и gcf =1.0;
А – площадь опирания на грунт сваи, в м2, принимаемый по площади поперечного сечения сваи 0,3х0,3=0,09 м2;
R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа;
U – периметр поперечного сечения сваи, м 0,3х4=1,2 м;
Полная длина сваи : l=l1+l2+l3.
l1-глубина заделки сваи в ростверк ( =0,05 м),
l2-расстояние от подошвы плиты до кровли несущего слоя ( =8,5 м),
l3-заглубление в несущий слой ( =1,3м),
l=0,05+8,5+1,3=9,85 м . Принимаем lcв=10 м .
fi – расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа;
li – толщина i-го слоя грунта, м.
Fd=1×( 1×5100×0,09+1,2×(17*2+21*2+49*
P= Fd/gк
где gк – коэффициент надежности, зависящий от способа определения несущей способности сваи, принимаемый равным 1,4.
P=870/1,4=621,4 кН
Определим количество свай в кусте.
N=1400 кН, nсв=N/P=1400/621.4=2,3 принимаем ростверк на 3-х сваях
Расчет основания свайного фундамента по деформациям
При расчете осадки свайный фундамент рассматривается как условный массивный фундамент, в состав которого входят ростверк, сваи и грунт.
Длина условного фундамента определяется
L=m+2*h*tg(jср/ 4), где
jср =(j1×h1+ j2×h2+j3×h3 +j4×h4)/( l1 + l2 +l3 +l4)
jср =(12*2+10*4+25*3+12*20)/(2+4+
m – расстояние между внешними плоскостями свай, м;
lсв – длина сваи, м;
Вусл=1.3+2*10*tg(18,05/4)=3,15 метра.
Далее расчёт осадки условного фундамента выполняется как для фундамента на естественном основании.
Давление Р в кПа по подошве условного фундамента определяется с учетом веса условного массива:
P=N d1 /А
Где A – площадь подошвы условного фундамента, м2;
Nd1 – суммарный вес условного массива и нагрузок, приложенных на уровне обреза ростверка, кН.
Nd1=N0+G1+ G2+ G3 .
Здесь N0 – нагрузка, приложенная на уровне обреза ростверка;
G1 – вес ростверка;
G1 = 1,1*1,5*1,5*22=54,45 кН.
G2 – вес свай;
G2 = 0,3*0,3*10*22=19,8 кН.
G3 – вес грунта в объеме выделенного условного массива.
G3 = 1,5*1,5*(21*1,5+11*3+8*4+9*2)=
Nd1=1400+54,45+19,8+1136,12=
P=2610,4/7,946=328,5 кН
R=1.2*1.1*×[0.51*1*1,5*18+3,
P=328,5 кПа <R=1280,9 кПа
Условие выполняется.
Вычисление вероятной осадки свайного фундамента
Расчет осадки фундамента производится по формуле:
S<Su ,
Где S – конечная осадка отдельного фундамента, определяемая расчетом;
Su – предельная величина деформации основания фундамента зданий и сооружений, принимаемая по нормам.
Определим осадку методом послойного суммирования. Расчет начинается с построения эпюр природного и дополнительного давлений.
Ординаты эпюры природного давления грунта:
n
szg=ågi×hi ,
i=1
szр=a×P0
P0 = 328,5-120.5=208,0 кПа.
Расчет осадки свайного фундамента и распределение напряжений в грунте приведем в таблице.
z |
x |
a |
szр, кПа |
E |
Si, м |
0 |
0.0 |
1.000 |
158.93 |
20000 |
|
0,63 |
0.2 |
0.960 |
152.57 |
0.0039 | |
1,26 |
0.4 |
0.800 |
127.144 |
0.0035 | |
1,89 |
0.6 |
0.606 |
96.311 |
0.0028 | |
2,52 |
0.8 |
0.449 |
71.36 |
0.0021 | |
3,15 |
1.0 |
0.336 |
53.4 |
0.0016 | |
3,78 |
1.2 |
0.257 |
40.85 |
0.0012 | |
4,41 |
1.4 |
0.201 |
31.94 |
0.00092 | |
5,04 |
1.6 |
0.160 |
25.4 |
0.00072 | |
5,67 |
1.8 |
0.130 |
20.66 |
0.00058 | |
6,3 |
2.0 |
0.108 |
17.16 |
0.00048 | |
0,0178 м |
3. Реконструкция фундаментов мелкого и глубокого заложений.
Основными причинами усиления фундаментов являются:
¾ ослабление тела фундамента при выветривании и разрушении кладки или связующего;
¾ разрушение кладки при динамических воздействиях;
¾ недостаточная прочность фундаментов с малым их армированием при работе на изгиб, продавливание или раскалывание в связи с увеличением нагрузок;
¾ недостаточное расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента из-за уменьшения глубины его заложения или ухудшения свойств грунта;
¾ увеличение нагрузок на фундаменты;
¾ перераспределение силовых воздействий на фундамент и изменение давлений под краями его подошвы;
¾ выполнение горнопроходческих работ вблизи или под существующими фундаментами;
¾ недостаточная прочность ростверков по головам свай;
¾ низкая несущая способность свай и других типов фундаментов по грунту при их заглублении в малопрочные грунтовые напластования;
¾ уменьшение сопротивления грунта на боковой поверхности свай и других фундаментов за счет отрицательного трения или его срыва в силу возникновения контактной фильтрации, а также при динамических воздействиях;
¾ разрушение готовых свай при забивке, вибропогружении или срубке, а устраиваемых на месте (набивных, буроинъекционных и др.) за счет дефектов при нарушениях технологии изготовления;
¾ потеря устойчивости основания при ухудшении свойств грунтов или за счет чрезмерных поперечных усилий, особенно под влиянием фильтрационных сил.
Техническое состояние фундаментов до их усиления следует оценивать по проценту их износа:
¾ хорошее ¾ износ до 20 %;
¾ удовлетворительное ¾ износ от 21 до 40 %;
¾ плохое ¾ износ от 41 до 60 %.
К наиболее распространенным методам усиления существующих фундаментов и вариантам их осуществления относятся:
а) Укрепление тела фундамента за счет устройства железобетонных обойм, упрочнения кладки путем оштукатуривания или создания защитного цементно-каменного кожуха по боковым поверхностям и под подошвой фундамента за счет контактной фильтрации при закачке раствора через наклонные скважины, либо заделки трещин и незаполненных связующим швов при закачке цементного раствора через погружаемые в швы трубки. Данный метод применяется при плохом состоянии кладки, как правило, независимо от свойств грунта основания.
б) Увеличение размеров фундаментов мелкого заложения и подводка под них новых конструктивных элементов:
¾ с увеличением опорной площади фундаментов без изменения глубины заложения путем устройства по периметру их подошв приливов-башмаков из бетона и монолитного или сборного железобетона;
