Проектирование фундаментов под 7-этажное здание в открытом котловане

                                                                                                                                    

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра Механика грунтов, оснований и фундаментов

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

 

на тему: «Проектирование  фундаментов под  7-этажное здание в открытом котловане».

Факультет, курс, группа 

Студент 

Консультант 

Геология..................

Конструкция………

Этаж………………..

Город……………….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА 2013

1. Изучение и обработка и анализ исходной  информации,  содержащейся в задании на проектирование.

 

1. Конструкция сооружения, фундаменты, нагрузки.

Требуется запроектировать фундаменты под  жилое здание в 7 этажей. Размеры в плане в осях: длина – 71.2 м., ширина - 12.0 м. Высота этажа 2.7м., высота здания 24 м. Отметка пола первого этажа ±0.000 на 0.6м выше отметки спланированной поверхности земли. Здание имеет подвал во всех осях, отметка пола подвала –2.20 м.

Наружные  кирпичные стены толщиной 64см. Внутренние перегородки кирпичные толщиной 12см. Внутренний каркас из сборных железобетонных колонн сечением 40х40см и продольных ригелей. Перекрытия из сборных многопустотных плит перекрытий толщиной 22 см. Покрытие из сборных железобетонных плит. Конструктивная схема здания – здание со смешанным каркасом. Наружные продольные стены   и  внутренний ряд колонн являются несущими.

Город строительства  - Калуга.

В плане здание состоит из 2х секций.

 

 

Нагрузки  даны: на стену «А» в кН/м, на колонну  «Б» в кН.

При наличии  подвала постоянные временные

нагрузки  увеличиваются:

На стену А – пост. На 14кН/м, врем. на 2кН/м

На колонну Б – пост. На 65кН, врем. на 6кН

 

 

Таблица 1

Нагрузки на уровне 1-го этажа

Количество этажей
		7
Ось А (стена)	Пост.	263
	Врем.	20
Ось Б (колонна)	Пост.	752
	Врем.	139

 

Расчетная нагрузка на ленточный фундамент

Для расчетов по I группе предельных состояний:

N₁=1.2((263+14)+(20+2))=358.8 кН/пог.м.

Для расчетов по II группе предельных состояний:

N₂=1.0((263+14)+(20+2))=299.0 кН/пог.м.

 

Расчетная нагрузка на отдельный фундамент

Для расчетов по I группе предельных состояний:

N₁=1.2((752+65)+(139+6))=1154.4 кН

Для расчетов по II группе предельных состояний:

N₂=1.0((752+65)+(139+6))=962.0 кН

                                                    

                         

1.2.   Основание сооружения и его оценка

 

Все имеющиеся грунты имеют класс  природные дисперсные грунты, группа связниые либо несвяные, подгруппа осадочные, тип минеральные.

 

 

Слой №1 ИГЭ-I (проба из шурфа №1 с глубины 1.1 м)

 

Насыпь  не слежавшаяся,

 

Слой №2 ИГЭ-II (проба из шурфа №1 с глубины 2.0 м)

 

Исходные  данные:

 

Таблица 2

Гранулометрический состав, % (размер частиц в мм)								Влажность на границе		Плотность частиц грунта      ρS,                   т/м3	Плотность частиц грунта            ρ,             т/м3	Природн. влажность           W%
>2,0	2,0-0,5	0,5-0,25	0,25-0,10	0,10-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	<0,005	WL %   текуч.	WP%    раскат.
	5,1	7,8	21,8	28,74	28,90	3,52	4,14	18,2	15,5	2,70	2,10	13,3

 

 

1. Вид грунта

 

Число пластичности

, 

>1%

Число пластичности превышает значение 1% , следовательно, данный грунт считаем глинистым (приложение таблица 5).

Разновидность по числу пластичности

Число пластичности лежит в пределах , следовательно, данный глинистый грунт имеет разновидность супесь по таблице 4 приложения

Разновидность грунта по показателю текучести

, 

.

Показатель  текучести лежит в пределах , следовательно, данная супесь является твердой (приложение таблица 6).

2. Коэффициент пористости грунта   

 

 

3. Расчетное сопротивление

 

Таблица 3 

Пылевато-глинистые	Коэффициент Пористости е	Значения RO, кПа (кгс/см2), при показателе текучести грунта
грунты		IL = 0	IL = 1
Супеси	0,5	300 (3)	300 (3)
	0,7	250 (2,5)	200 (2)

 

Расчетное сопротивление R_O =300 кПа

Вывод: Слой может служить хорошим естественным основанием.

 

Слой №3 ИГЭ-III (проба из шурфа №1 с глубины 3.5 м)

 

Исходные  данные:

 

Таблица 4

Гранулометрический состав, % (размер частиц в мм)								Влажность на границе		Плотность частиц грунта      ρS,                   т/м3	Плотность частиц грунта            ρ,             т/м3	Природн. влажность           W%
>2,0	2,0-0,5	0,5-0,25	0,25-0,10	0,10-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	<0,005	WL %   текуч.	WP%    раскат.
	9,7	35,9	47,08	4,6	1,68	0,88	0,16	-	-	2,67	1,89	8,4

 

 

1. Вид грунта

 

     Т. к. отсутствуют значения характеристик пластичности - влажности на границе текучести и влажности на границе раскатывания , принимаем число пластичности равным нулю, следовательно, данный грунт считаем  песчаным.

       

         Разновидность по гранулометрическому составу

Процентное  содержание по массе частиц >2.0мм=0%<25%

>0.5мм =9.7<50%

                                                                         >0.25мм =9.7+35.9=45.6 <50%

                                                                         >0.1мм =45.6+47.08=92.68 >75%

 

Процентное  содержание по массе частиц >0.1мм  превышает 50%, следовательно данный грунт относится к пескам мелким (приложение таблица 1).

 

2. Коэффициент пористости грунта

 

                                

,                           

Коэффициент пористости   , следовательно данный песок плотный (приложение таблица 2).

 

 

  3.  Степень водонасыщенности грунта

, где 

=1 – удельный вес воды.

Степень водонасыщенности лежит в пределах _, => данный грунт является маловлажным (приложение таблица 3).

 

4.   Расчетное сопротивление

По  Таблице 4 приложения пески мелкие маловлажные плотные имеют расчетное сопротивление

Вывод: Слой может служить хорошим естественным основанием.

 

 

Слой №4 ИГЭ-VI (проба из скважины №1 с глубины 4.5 м)

 

Исходные  данные:

 

Таблица 5

Гранулометрический состав, % (размер частиц в мм)								Влажность на границе		Плотность частиц грунта      ρS,                   т/м3	Плотность частиц грунта            ρ,             т/м3	Природн. влажность           W%
>2,0	2,0-0,5	0,5-0,25	0,25-0,10	0,10-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	<0,005	WL %   текуч.	WP%    раскат.
	24,5	31,4	39,98	3,82	0,24	0,06	0,00	-	-	2,70	2,04	22,0

 

 

1. Вид грунта

     Т. к. отсутствуют значения характеристик пластичности - влажности на границе текучести и влажности на границе раскатывания , принимаем число пластичности равным нулю, следовательно, данный грунт считаем  песчаным.

          Разновидность по гранулометрическому составу

Процентное  содержание по массе частиц >2.0мм=0%<25%

>0.5мм =24.5<50%

                                                                         >0.25мм =24.5+31.4=55.9 >50%                     

Процентное  содержание по массе частиц >0.25мм  превышает 50%, следовательно данный грунт относится к пескам средней крупности (приложение таблица 1).

 

2.       Коэффициент пористости грунта

 

  

,                               

 

Коэффициент пористости  лежит в пределах , следовательно данный песок средней плотности (приложение таблица 2).

 

3.  Степень водонасыщенности грунта

, где                                  

=1 – удельный вес воды.

Степень водонасыщенности лежит в пределах => данный грунт является насыщенный водой (приложение таблица 3).

 

4. Расчетное сопротивление

 

По  Таблице 4 приложения пески средней крупности средней плотности насыщенные водой имеют расчетное сопротивление

 

 Вывод: Слой может служить хорошим естественным основанием.

 

 

Слой №5 ИГЭ-V (проба из скважины №1 с глубины 9.0 м)

 

Исходные  данные:

 

Таблица 6

Гранулометрический состав, % (размер частиц в мм)								Влажность на границе		Плотность частиц грунта      ρS,                   т/м3	Плотность частиц грунта            ρ,             т/м3	Природн. влажность           W%
>2,0	2,0-0,5	0,5-0,25	0,25-0,10	0,10-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	<0,005	WL %   текуч.	WP%    раскат.
	4,3	4,8	8,45	12,45	33,68	9,92	26,40	38,9	22,9	2,73	1,913	28,9

 

 

1. Вид грунта

            Число пластичности

,                                 

>1%

Число пластичности превышает значение 1% , следовательно, данный грунт считаем глинистым.

Разновидность по числу пластичности

Число пластичности лежит в пределах , следовательно, данный глинистый грунт имеет разновидность суглинок (приложение таблица 5).

Разновидность грунта по показателю текучести

,                                           

Показатель  текучести лежит в пределах , следовательно, данный суглинок является тугопластичный (приложение таблица 6).

 

2. Коэффициент пористости грунта   

                                 

                                 

 

 

3. Расчетное сопротивление

                Таблица 7

e / IL	IL = 0	IL = 1
e1 = 0,7	R0(1,0) 250	R0(1,1) 180
e2 = 1	R0(2,0) 200	R0(2,1) 100

      

  

   

 

 

 

 

 

№ сл.	Полное наименование грунтов	γ, т/м3	γS, т/м3	IP, %	IL, %	e	Sr	R0, кПа	kФ, см/с	φ	С, кПа
1	Растительный слой	1.7	-	-	-	-	-	-	-	-	-
2	Супесь твердая	2.1	2.7	2.7	0	0.45	-	300	3х10-6	230	12
3	Пески мелкие, плотные, маловлажные	1.89	2.67	-	-	0.53	0.425	400	2х10-3	310	-
4	Пески средней крупности,  средней плотные, насыщенные водой	2.04	2.70	-	-	0.616	0.965	400	1х10-3	310 301	-
5	Тугопластичные суглинки	1.913	2.73	16.0	0.375	0.84	-	195.37	4х10-8	170	15

Таблица 8

Сводная таблица физико-механических свойств грунтов

2. Привязка сооружения к инженерно-геологическому разрезу.

 

Тип фундаментов – ленточный мелкого заложения под наружные стены и столбчатый под колонны. Грунты имеют слоистое напластование с выдержанным залеганием слоев. Исходя из приблизительной отметки заложения фундамента из конструктивных особенностей, она находится во II слое - супесь твердая , расчетное сопротивление .

 

3. Определение основных размеров и разработка конструкций фундаментов мелкого заложения.

3.1.  Определение глубины заложения  фундаментов наружных и внутренних  стен.

- Из  конструктивных особенностей сооружения: планировочная отметка принимается за +130.70 м., абсолютная отметка пола 1го этажа +131.70 м., абсолютная отметка пола подвала +129.10 м. Учитывая заглубление подошвы фундаментов от отметки поверхности пола подвала на 0.5 м., подошва фундамента мелкого заложения будет иметь отметку +128.60м., т. е. глубина заложения d=2.10 м.

d = d_в+ h_s + h_cf - h_ц = 2,2 + 0,3 + 0,2 - 0,6 = 2,1 м,

где

d_в= 2,2м- размер от чистого пола подвала до пола 1-го этажа

h_s =0,3м – величина заглубления подошвы фундамента от низа пола подвала

h_cf = 0,2- высота пола подвала

h_ц = 0,6 – высота цокольной части здания

 

- Инженерно-геологические  условия: несущий слой  – II супесь твердая, расчетное сопротивление 300кПа.

- Гидрогеологические  условия: d_WL=4.1м.

- Климатические  условия: расчетный уровень промерзания

, где  

- нормативная глубина промерзания

, где 

- коэффициент для супесей

-  безразмерный коэффициент,  численно равный сумме абсолютных  значений среднемесячных отрицательных  температур за зиму в данном  климатическом районе – г. Калуга

  Тогда нормативная глубина промерзания  будет:

- коэффициент для домов с  подвалом

Тогда расчетный уровень промерзания:

 

    

 

 

Рис.1

 

Принимаем глубину заложения фундамента под наружные стены и внутренние колонны d=2.1 м, абсолютная отметка +128.60 м.

 

3.2.  Определение   размеров  площади  подошвы   фундамента и  разработка фундаментной  конструкции.

Определение ширины ленточного сборного фундамента под наружную стену:

Площадь подошвы фундамента подбирается  из условия

, где 

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

, где 

N₂- нормативная расчетная нагрузка на колонну по второй группе предельных состояний, см. Табл. 1,

- сумма собственного веса  фундамента и веса грунтовой пригрузки, где

А=bх1 п.м.= b – площадь подошвы фундамента шириной b;

d=2.1 м. – глубина заложения подошвы фундамента;

- средний удельный вес грунта  и фундамента;

 

Основные  характеристики супеси твердой, которая является рабочим слоем.

Угол  внутреннего трения

Коэффициент пористости е=0.45

R₀=300 кПа – расчетное сопротивление

,

 

 

Где b-  ширина фундаментной плиты (м)

 

R₀=300 кПа – расчетное сопротивление слоя грунта, на который опирается подошва фундамента

d=2.1 м. – глубина заложения подошвы фундамента;

- средний удельный вес грунта  и фундамента;

N₂- расчетная нагрузка на фундамент по второй группе предельных состояний, см. Табл. 1,

Полученная  ширина подошвы ленточного  фундамента b=1,2 м является  предварительной.

 

Так как ширина определена, исходя из табличного значения  расчетного сопротивления 

 

основания. По этому размеру принимаем типовую фундаментную подушку  ФЛ 12.24-3 с

 

h_s=0,3 м, b=1200мм 

 

Проверка  расчетного сопротивления грунта основания  по II-му предельному состоянию по формуле (7) СНиП 2.02.01-83*:

, где 

g_с1 и g_с2 – коэффициенты условий работы, принимаемые по табл.3 СНиП 2.02.01-83* ,

- коэффициент для супеси твердой I_L=-0.81,

g_с2  =  1.04 - для для супеси твердой для сооружений с жесткой конструктивной схемой при отношении длины сооружения к высоте ;

k=1– коэффициент для грунтов, прочностные характеристики которых (j и с) определены непосредственными испытаниями;

М_g , М_q , M_c – коэффициенты, принимаемые по табл. 4 СНиП 2.02.01-83*для

, ,

k_z=1 – коэффициент при b<10 м.;

b – ширина подошвы фундамента

 – осредненное расчетное  значение удельного веса грунтов,  залегающих непосредственно под  подошвой фундамента во взвешенном  состоянии;

– осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента во взвешенном состоянии, определяется по формуле

 

С_II=12кПа– расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента,

d₁ – приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле

, где

– толщина слоя грунта выше подошвы  фундамента со стороны подвала;

м. – толщина конструкции пола подвала;

- расчетное значение удельного  веса конструкции пола подвала;

- осредненное расчетное значение  удельного веса грунтов, залегающих  выше подошвы фундамента во  взвешенном состоянии

 

  = 0.554м

d_b =2м – глубина подвала при ширине менее 20 м,  в нашем случае 1.6м

Тогда расчетное сопротивление грунта тогда будет:

Проверяем фактическое среднее давление  под подошвой фундамента:

 

   

 

G_f=(1.2х0.3х24+0.6х0.6х3х22+0.3х0.2х22+0.64х0.3х18)х1=31.17кН

G_g=0.3х1.8х1х18=9.72кН

 

_{Следовательно, увеличиваем подошву  фундамента.}

Принимаем типовую фундаментную подушку  ФЛ 14.24-3 с

 

h_s=0,3 м, b=1400мм

 

G_f=(1.4х0.3х24+0.6х0.6х3х22+0.4х0.2х22+0.64х0.3х18)х1=38.9кН

G_g=0.4х1.8х1х18=12.96кН

 

 

_{Определяем  разницу между  R и pII}

∆=     

Превышение  расчетного сопротивления R над средним давлением, действующим под подошвой ленточного фундамента не должно составлять более 10%. Так как оно составляет 2%, то ширина подошвы фундамента подобрана экономично.

 

 

 

Определение ширины столбчатого фундамента под колонну:

 

Площадь подошвы фундамента подбирается  из условия

, где 

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

, где 

N_II- расчетная нагрузка на колонну по второй группе предельных состояний, см. Табл. 1,

- сумма собственного веса  фундамента и веса грунтовой пригрузки, где

А=b² – площадь подошвы фундамента шириной b;

d=2.7 м. – глубина заложения подошвы фундамента;

- средний удельный вес грунта  и фундамента;

R₀=300 кПа – расчетное сопротивление слоя грунта, на который опирается подошва фундамента

Предварительная площадь подошвы фундамента подбираем  из условия

, где 

Таким образом, ширина подошвы фундамента для квадратных отдельно стоящих  фундаментов ориентировочно будет равна :

     

 

d=d₁ – приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле

, где 

– толщина слоя грунта выше подошвы  фундамента со стороны подвала;

м. – толщина конструкции пола подвала;

- расчетное значение удельного  веса конструкции пола подвала;

- осредненное расчетное значение  удельного веса грунтов, залегающих  выше подошвы фундамента во  взвешенном состоянии

 

 

 

 

 

Подбираем по каталогу сборные фундаменты под колонны 2Ф21.9-3 – фундамент типа 2Ф с подошвой размерами 2100х2100 мм, высотой 900 мм, третьей несущей способности, предназначенный для эксплуатации в неагрессивной среде.

Тогда среднее давление под подошвой фундамента будет:

кПа.

 

 

Проверка  расчетного сопротивления грунта основания  по II-му предельному состоянию по формуле (7) СНиП 2.02.01-83*:

, где 

 

 

d₁ – приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле

,

d_b =1.6м – глубина подвала при ширине менее 20 м.

 

_{Проверяем фактическое среднее  давление под подошвой фундамента:}

_{Вес фундамента 2Ф21.9-3 Qф= 53кН}

_{Собственный вес колонны 0.4х0.4м   Qк=0.4х0.4х3х24=11.52кН}

_{Собственный вес ригеля  0.4х0.4м длиной 5.6м   Qр=0.4х0.4х5.6х24=21.50кН}

_{Вес пригрузки от бетон. пола в пределах плана фун-та Gп= (2.1²-0.4²)х0.2х22=18.7кН}

 

, т. е. R>p_II меньше, чем на 14% , следовательно, фундамент 2Ф21.9-3 экономичен.

Рис.2.

 

4. Определение размеров конструктивных элементов свайного фундамента под наруж. стену и разработка его конструкций.

 

Назначение  предварительной   глубины   заложения  ростверка  d_p его высоты   h_p и решение надростверковой конструкции (стеновой части фундамента). Выбор вида свай, их длины и поперечного сечения.

 

Принимаем планировочную отметку +130.70м. Из конструктивных особенностей здания отметка верха ростверка +127.9м, d_p=2.2+0.2+0.5-0.6=2.3м. Высоту ростверка принимаем h_p=0.5м. Выбираем сваю С80.30 сечением 30х30см. длиной 8м. Рабочая длина сваи 7.9м., свая заглублена в V слой - суглинок тугопластичный на 4.9м.

 

 

Определение расчетной несущей  способности грунта основания одиночной  сваи  (несущей  способности  сваи  по  грунту) F_d и расчетной нагрузки на сваю Р_св

 

Расчетной нагрузки на сваю Рсв определяется по формуле:

, где (30)

=1.4 - коэффициент надежности

- несущая способность сваи, определяется по формуле:

, где (31)

=1- коэффициент условия работ  сваи в грунте

- коэффициенты работы грунта  соответственно под нижним концом  и боковой поверхностью сваи

- расчетное сопротивление грунта  под острием сваи при I_L=0.375 и глубине погружения нижнего конца сваи на 10.2м по таблице 22(приложение),

 =0.3×0.3=0.09м²- площадь поперечного сечения сваи,

=0.3×4=1.2м. - наружный периметр поперечного сечения сваи,

- расчетное сопротивление  -го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, принимаемое по таблице 23(приложение),

- высота  -го участка , не более 2м.

 

 

Рис.3.

Для слоя II – супеси твердой с I_L =-0.81 на средней глубине расположения слоя z₁=2.6м: