Проектирование и расчет фундамента мелкого заложения

Проектирование  и расчет фундамента мелкого заложения

1.Вычисление физико-механических  характеристик грунта.

 

       -6.000 Песок  мелкий

 

       -8.000 Супесь

 

       -13.000 Суглинок

 

Глина


 

Физико-механические характеристики грунтов, полученные по результатам испытания образцов сводим в таблицы.

Физико-механические характеристики грунтов, полученные в лабораторных условиях

Номер варианта

27

 

Наименование и толщина  слоя грунта

1-й слой – песок  мелкий h=6,0 м

2-й слой – супесь  h=2,0 м

3-й слой – Суглинок  h=5,0м

4-й слой – глина,  толщина не ограниченная

Плотность твердых частиц грунта, ρS, т/м3

2,58

2,67

2,83

2,90

Плотность грунта,

ρS, т/м3

1,67

1,69

1,87

1,91

Природная весовая влажность  грунта, W, д.е

0,1844

0,1046

0,2550

0,2566

Влажность грунта на границе  текучести, WL, д.е

0,185

0,126

0,380

0,425

Влажность на границе пластичности, WР, д.е

0,177

0,083

0,219

0,171

Коэффициент бокового расширения грунта, µ

0,24

0,24

0,15

0,21

Коэффициент  сжимаемости  грунта, m0, 1/МПа

0,092

0,096

0,105

0,113


 

 

 

 

 

 

Физико-механические характеристики грунтов, полученные расчетом

 

Номер слоя грунта

1

2

3

4

Наименование грунта

Песок мелкий

Супесь

Суглинок

Глина

Удельный вес грунта, ¥, кН/м3

16,7

16,9

18,7

19,1

Удельный вес твердых  частиц грунта, ¥S, кН/м3

25,8

26,7

28,3

29

Удельный вес грунта с  учетом взвешивающего действия воды,

¥SW, кН/м3

8,66

9,57

9,71

9,59

Число пластичности грунта, JP, д.е

0,008

0,043

0,17

0,254

Показатель текучести  грунта, JL, д.е

0,925

0,502

0,328

0,337

Коэффициент пористости грунта

е, д.е

0,824

0,745

0,895

0,91

Степень влажности грунта Sr, д.е

0,577

0,375

0,806

0,818

Коэффициент относительной  сжимаемости грунта mV, 1/МПа

0,05

0,055

0,055

0,059

Модуль деформации грунта Е, МПа

23,2

21,09

20

19,49


 

2.Заключение по данным геологического разреза площадки строительства и выбор возможных вариантов фундаментов

1-й слой грунта –  песок мелкий, толщина слоя 6,0 м.  По степени влажности песок  мелкий относится к влажным  грунтам, по модулю деформации  – к малосжимаемым грунтам.

2-й слой грунта –  супесь, толщина слоя 2,0 м. По степени  влажности супесь относится к влажным грунтам, по показателю текучести находится в пластичном состоянии, по модулю деформации – к малосжимаемым грунтам.

3-й слой грунта –  суглинок, толщина слоя 5,0 м. По  степени влажности суглинок относится  к насыщенным водой грунтам,  по показателю текучести находится  в тугопластичном состоянии, по  модулю деформации – к среднесжимаемым  грунтам.

4-й слой грунта –  глина, толщина слоя не вскрыта.  По степени влажности глина  относится к насыщенным водой  грунтам, по показателю текучести  находится в тугопластичном состоянии,  по модулю деформации – к  среднесжимаемым грунтам.

 

 

3.Сбор нагрузок, действующих на фундамент мелкого  заложения

№вар.

А,

м

В,

 м

Н,

м

h1,

м

h2,

 м

h3,

м

C1,

м

Р1,

 кН

Р2,

кН

Т1,

кН

Т2,

кН

Т3,

кН

27

7,5

1,5

7,8

0,35

0,25

1,5

0,25

840

680

210

160

650


 

Вычерчиваем схему промежуточной  опоры, на которую наносим действующие  усилия

  1. Нормальное усилие N

N0,II = 6* (Р1+ Р2)=6*(840+680)=9120 кН

N0,I = ¥f* N0,II=1.2*9120=10944 кН

2)Изгибающий момент относительно  отметки 0,000, действующий вдоль  моста:

M0,II=6*(Р1-Р2)*C1+T1*(H+h1+h2)=6*(840680)*0.25+210*(7.8+0.35+0.25)=

=240+1764=2004 кН*м

M0,I=¥f* M0,II=1,2*2004=2404,8 кН*м

3)Изгибающий момент относительно 0,000, действующий поперек моста:

M0,II= T2*(H+h1+h2+h3)=160*(7.8+0.35+0.25+1.5)=1584 кН*м

M0,I=¥f* M0,II=1,2*1584=1900.8 кН*м

4)Сдвигающая сила, действующая на отметке 0,000, вдоль моста:

Т0,II=Т1=210 кН

Т0,I=¥f* Т0,II=1,2*210=252 кН

5) Сдвигающая сила, действующая на отметке 0,000, поперек  моста:

Т0,II= Т2+ Т3=160+650=810 кН

Т0,I=¥f* Т0,II=1,2*810=972 кН

6)Вес опоры:

а)вес тела опоры:

Non,II=Aon*H*¥б=[(A-B)*B+π*(B/2)2]*H*¥б=

=[(7.5-1.5)*1.5+3.14*(1.5/2)2]*7.8*25=[9+1.766]*195=2099,4 кН

Non,I=¥f* Non,II=1,2*2099,4=2519,3 кН

б)вес подферменника:

Nпф,II=Апф*Н*¥б={[A+8*C1-(B/2+0.3)*2]*(B+0.6)+ π(B/2+0.3)2}*h2*¥б+{[A-(B/2+0.3)*2]*(B+0.6)+ π(B/2+0.3)2}*h1*¥б*£k1=

={[7.5+8*0.25-(1.5/2+0.3]*2)*(1.5+0.6)+3.14*(1.5/2+0.3)2}*0.25*25+{[7.5-(1.5/2+0.3)*2]*(1.5+0.6)+3.14*(1.5/2+0.3)2}*0.35*25*1.053={[9.5-2.1*2.1]+3.462*6.25+{5.4*2.1+3.46}*9.214=((5.09+3.46)*6.25+14.8)*9.214=

=628.74 кН

Nпф, I=¥f* Nпф,II=1,2*628,74=754,49 кН

7)Суммарное нормальное  усилие, включающее вес пролетных  строений, вес опоры и вес подферменника:

∑ N0,II=9120+2099.4+628.74=11848.14 кН

∑ N0, I=10944+2519,3+754,49=14217,8 кН

 

 

4.Расчет и конструирование  фундамента мелкого заложения

Размеры подошвы фундамента из конструктивных соображений можно  определить на по формуле:

Ак=ln*bn=(lоп+2*hф*tgα)*( bоп+2*hф*tgα)

df=kn*d0*=3 м

hф=(3-0,3)*tgα=2.7*tg300=2.7*0.577=1.559=1.6 м

Ак=(7,5+2*1,6)*(1,5+2*1,6)=10,7*4,7=50,29 м2

Значит ln=10,7м, bn=4,7м –соответственно длина и ширина подошвы.

R=1.7*{R0*[1+K1*(b-2)]+K2*¥(df-3)}=

=1.7*{147*[1+0.08*(4.7-2)]+2.5*16.7*(3-3)}=0.08*{186.69+0}=

=303.88 кПа

Определяем площадь подошвы  фундамента:

Аф=, где Р≤R/¥n=217.06

Аф=89,9 м2

Проверяем условие прочности:

*100%=*100%=44% - условие не выполняется.

Увеличиваем глубину заложения  подошвы фундамента до 4.5 м, α=300

Тогда:

Ак=ln*bn=(lоп+2*hф*tgα)*( bоп+2*hф*tgα)

hф=4,2*tg300=2,425 м, принимаем hф=2,5 м

Ак=(7,5+2*2,5)*(1,5+2*2,5)=12,5*6,5=81,25 м2

ln=12,5 м, bn=6,5 м.

R=1.7*{R0*[1+K1*(b-2)]+K2*¥(df-3)}=

=1,7*{147*[1+0.08*(6.5-2)+2.5*16.7*(4.5-3)}=1.7{188.16+62.625)}=426.33 кПа

Р=426,33/1,4=304,52

Аф =65,75 м2

*100%=*100%=23,57%

Изменяем угол α=270

Ак=(7,5+2*1,9)*(1,5+2*1,9)=11,3*5,3=59,89 м2

hф=3,7*tg270=1,88 м, принимаем hф=1,9 м

ln=11,3 м, bn=5,3 м.

Начинаем выполнять конструирование  фундамента исходя из следующих условий: глубина заложения подошвы фундамента df=4.5 м, hф=4,2 м, площадь фундамента по результатам конструирования должна быть не менее расчетной, равной  Аф=72,32 м2.

Назначаем три ступени  hст 1 =1,5м, hст 2 =1,4м, hст 3 =1,3м.

Ширину ступеней определяем по формуле:

bст 1 = hст 1*tg300=0.87. Принимаем 0,9 м.

bст 2 = hст 2*tg300=0.81. Принимаем 0,8 м.

bст 3 = hст 3*tg300=0.75. Принимаем 0,8 м.

Размеры фундамента:

l3=lоп+2*bcт=7,5+2*0,8=9,1 м,    b3=bоп+2*bcт=1,5+2*0,8=3,1 м.

l2=l3+2*bcт=9,1+2*0,8=10,7 м,    b2=b3+2*bcт=3,1+2*0,8=4,7 м.

ln=l2+2*bcт=10.7+2*0,9=12.5 м,   bn=b2+2*bcт=4,7+2*0,9=6,5 м.

Тогда Аф= ln* bст=12,5*6,5=81,25 м2

Определяем объем фундамента по формуле:

Vф= bn* ln* hст 1+( bn-2* bст1)*( ln-2* bст1-2* bст 2)+( bn-2* bст 1-2* bст 2)*( ln-2* bст1-2* bст 2)* hст 3=

=6.5*12.5*1.5+(6.5-2*0.8)*(12.5-2*0.8)*1.4+(6.5-2*0.8-2*0.8)*(12.5-2*0.8-2*0.8)*1.3=121.875+4.9*15.26+3.3*12.09=121.875+74.774+39.897=236.546 m3

Вес фундамента:

Nф,II=Vф*¥б=236,546*25=5913,65 кН

Nф,I=¥f* Nф,II=1.2*5913.65=7096.38 кН

Vгр= bn* ln*df – Vф - Аоп*( df-hф)=6,5*12,5*4,5-236,546=129,079 м3

Вес грунта:

Nгр,II=Vгр*¥гр=129,079*16,7=2155,62 кН

Nгр,I=¥f* Nгр,II=1.2*2155,62=2586,744 кН

С учетом найденного фактического веса фундамента и грунта, лежащего на его уступах, определяем среднее давление по подошве фундамента Р, кПа по формуле:

Р=≤

P===294.17 кПа

294,17≤426,33-условие выполнено.

С учетом найденной глубины  заложения фундамента, размеров его  подошвы, веса фундамента и грунта, лежащего на его уступах, приведем изгибающие моменты, действующие вдоль и  поперек моста относительно подошвы  фундамента.

Изгибающий момент относительно плоскости подошвы, действующий  вдоль моста:

M0,II=6*(Р1-Р2)*C1+T1*(H+h1+h2+df)=6*(840-680)*0.25+210*(7.8+0.35+0.25+4.5)=240+2709=2947 кН*м

M0,I=1,2*2949=3538,8 кН*м

Изгибающий момент относительно отметки 0,000, действующий поперек  моста:

M0,II= T2*(H+h1+h2+h3+df)=160*(7.8+0.35+0.25+1.5+4.5)=2304 кН*м

M0,I=¥f* M0,II=1,2*2304=2764.8 кН*м

Wx== = =88.02 m3

WY== = =169.27 m3

Р=±± ≤ ¥c

P= ± ± =294.17±40.2 ±16.3

Pmax=350.67 кПа

Pmin=237.67 кПа

Pср=294,17 кПа

Pmax=350,67<¥c=1,2*426,33/1,4=365,43 кПа

Pmin=237,67>0

Pср=294,17<426.33 кПа

Pmin/ Pmax=237.63/350.67=0.68>0.25 – условие выполняется.

Производим проверку фундамента мелкого заложения на сдвиг по подошве по формуле:

Qr≤(m/¥n)*Qn

a)в стадии строительства:

Qr=¥f*(T2+T3)=1.2*(160+650)=972 кН, м=0,9, ¥n=1,1

Qz=µ*(∑No,I+Nф,I+Nгр,I)=0.25*(14217.8+7096.38+2586.74)=5975.23 кН

972<(0.9/1.1)*5975.25=4888.84 – Условие выполняется.

б)в стадии эксплуатации:

Qr=¥f*(T3)=1.2*650=780 кН, м=0,9, ¥n=1

Qz=µ*(∑No,I+Nф,I+Nгр,I)=0.25*(14217.8+7096.38+2586.74)=5975.23 кН

780<(0.9*5975.25=5377,73 – Условие выполняется.

Мu≤(m/¥n)*Mz

Mz=(∑No,I+Nф,I+Nгр,I)*=23900.92*=77677.99 кН*м

 

Мu= Мх=3538,8 кН*м, м=0,8, ¥n=1,1

3538,8<(0.8/1.1)*77677.99=56493.08 – условие выполняется.

Nx= Ny=(∑No,I+Nф,I+Nгр,I)=23900.92 кН

Проверяем положение равнодействующей активных сил:

- вдоль моста:

е0= Мх/ Nx=3538,8/23900,92=0,1481 м

r= Wx/A=88.02/(12.5*6.5)=88.02/81.25=1.083м

е0/r=0.1481/1.083=0.1367<1 - условие выполняется.

  • поперек моста:

е0= Му/ Nу=2764,8/23900,92=0,1157 м

r= Wу/A=169,27/81,25=2,1 м

е0/r=0,1157/2,1=0,0551<1 - условие выполняется.

 

5. Определение осадки фундамента мелкого заложения и проверка несущей способности подстилающего слоя грунта.

Конечная осадка основания :

S=β∑n i=1, где β=0.8 – безразмерный коэффициент,

- среднее значение  дополнительного вертикального  напряжения в i-ом слое грунта: ;

α – коэффициент принимаемый  по таблице в зависимости от грунта ;

соотношение сторон подошвы  прямоугольного фундамента и относительной глубины , где - меньшая сторона подошвы фундамента;

- дополнительное  вертикальное давление на основание (для фундаментов шириной bn ≥10 м принимается P0=P); Р- среднее значение давление под подошвой фундамента – вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента; – удельный вес грунта; - глубина заложения подошвы фундамента.

Находим значение  эпюры  вертикальных напряжений от действий собственного веса грунта и вспомогательное:

На поверхности земли:    

На уровне подошвы фундамента:

 

 

На уровне контакта 1-го и 2-го слоя:

 

 

 

 

 

 

На уровне контакта 2-го и 3-го слоев:

 

 

 

 

 

 

На уровне контакта 3-го и 4-го слоя:

 

 

 

 

 

 

 

 

zi

Ç=2zi/bn

αi

       

hi

Ei

,10-3 м

0

0

1

207.865

 

205.958

 

179.685

 

140.876

 

116.457

 

89.209

 

67.195

 

50.04

 

34.063

 

25.733

 

20.194

75.15

 

83.5

 

108.725

 

134.1

 

151.9

 

184.625

 

462.75

 

264.3

 

297.725

 

345.475

 

393.225

 

1

 

2

 

1

 

1

 

2.5

 

2.5

 

2.5

 

2.5

 

2.5

 

2.5

 

23.2

 

23.2

 

21.09

 

21.09

 

20

 

20

 

19.49

 

19.49

 

19.49

 

19.49

 

8.88

 

15.49

 

6.68

 

5.52

 

11.15

 

8.41

 

6.42

 

4.37

 

3.3

 

25.9

1

0.308

0.975

204.05

91.85

3

0.923

0.886

154.087

125.65

4

1.231

0.717

127.665

142.55

5

1.538

0.578

105.457

161.25

7.5

2.308

0.374

72.96

208

10

3.077

0.251

61.43

254.75

12.5

3.846

0.209

38.65

273.85

15

4.615

0.130

29.476

321.6

17.5

5.385

0.099

21.989

369.35

20

6.154

0.077

18.398

417.1


 

∑  96.12×10-3 м

Осадка фундамента:

S=β∑n i=1

S=7.4 см, что меньше допустимой осадки S=12 см

 

 

6. проектирование и расчёт свайного  фундамента.

Необходимо  запроектировать  свайный фундамент  из висячих забивных свай, буровых  столбов с уширениями и свай-оболочек. Все ранее собранные нагрузки остаются без изменения. Назначаем глубину заложения подошвы ростверка свайного фундамента dр=3 м, высоту ростверка hp= 1.5 м. Свая железобетонная размерами 40×40 см, длиной lс=18 м. Для фундаментов опор мостов сваю заделывают в ростверк не менее чем на 2 стороны сваи, т.е. в данном случае на 0.8 м. Допускается также заделывать сваю в ростверк с помощью выпусков арматуры длиной, определяемой расчётом, но не менее ø30 продольной арматуры периодического профиля (ø18-24 мм),при этом тело сваи должно быть заделано в ростверк не менее чем на 10 см. Высота ростверка, считая от верхних концов свай или арматурных выпусков должна быть не менее 0.5 м для расположения над головами свай не менее двух арматурных сеток. Тогда конструктивная высота сеток:

1 вариант:  hp,min=2×0.4+0.5=1.3 м

2 вариант:  hp,min=30×0.02+0.1+0.5=1.2 м

Несущая способность  сваи:

 

Где - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1;

R – расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи(5045кПа);

А – площадь  опирания на грунт сваи (0.16 м2);

u – наружный периметр поперечного сечения сваи (1.6 м2);

fi  - расчётное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности;

hi – толщина i-го слоя грунта соприкасающегося с боковой поверхностью сваи

 

 

 

 

 

hi,cp, м

fi, кПа

hi, м

2

4

h1=2

4

7

h2=1

5

24

h3=1

6

25

h4=1

7

43

h5=1

8

44

h6=2

10

46

h7=2

12

48

h8=2

14

50

h9=2

16

52

h10=2

17.2

53.2

h11=1.2


 

 

Определяем кол-во свай в  фундаменте:

 

Расстояние между сваями a=3b=1.2м

Т.к. фундамент внецентренно нагруженный, полученное расчетом кол-во свай увеличиваем на 25% принимаем равным 19 свай, а с учётом расположения свай в ростверке – 20 свай. Свесы ростверка принимаем равным 0.25 м, считая от наружных граней крайних рядов свай.

Определяем площадь ростверка  свайного фундамента:

 

Определяем вес ростверка  свайного фундамента:

 

 

 

 

 

Определяем вес грунта, лежащего  на обрезе ростверка свайного фундамента:

 

Вес свай в свайном фундаменте определяется следующим образом:

 

Определяем н-ку, действующую на каждую сваю:

- условие выполняется

Расчётную н-ку на одну сваю во внецентренно нагруженном фундаменте при эксцентриситете относительно двух главных осей инерции определяем:

 

Где Mx и My – моменты от расчётных н-к относительно главных центральных осей плана свай в плоскости подошвы ростверка;

xi  и yi – расстояние от главных  осей до оси каждой сваи;

х и у – расстояние от главных осей до оси каждой сваи, для которой определяется расчётная н-ка.

х=5 у=1.4

 

 

 

 

=1034.27<1458.04/1/4=1041.41 кН – условие выполняется

Производим проверку несущей  способности по грунту фундамента из свай как условного фундамента мелкого  заложения. Условный фундамент принимаем  в виде прямоугольного параллелепипеда. Среднее значение расчётных углов  внутреннего трения , прорезанных сваями:

 

 

Размеры условного фундамента будут равны: ширина условного фундамента

 

Площадь подошвы условного  фундамента:

 

Определяем среднее давление под подошвой условного фундамента по первой группе предельных состояний.

Общий объём условного  фундамента:

  
Объём грунта:

 

Среднее давление под подошвой условного фундамента, определённое по первой группе предельных состояний:

 

Определяем расчётное  сопротивление грунта основания  осевому сжатию R=989.74 кПа

Проверяем – условие выполняется

Определяем Pmax, давление на грунт по подошве условного фундамента вдоль и поперёк моста.

вдоль моста:  ac=4.96 м, bc=14.36 м, Мс=3160.8кНм, Fh=315 кН

 

поперёк моста:

 

Проверяем условие  Рmax≤R/,  632.5≤848.35 кПа – условие выполняется

Определяем среднее давление под подошвой условного фундамента по действию нормативных н-к (по второй группе предельных состояний):

 

Определяем осадку свайного фундамента как условного  фундамента мелкого заложения. Расчёт производится аналогично определению  осадки фундамента мелкого  заложения.

Конечная осадка основания :

S=β∑n i=1, где β=0.8 – безразмерный коэффициент,

- среднее значение  дополнительного вертикального  напряжения в i-ом слое грунта: ;

α – коэффициент принимаемый  по таблице в зависимости от грунта ;

соотношение сторон подошвы  прямоугольного фундамента и относительной глубины , где - меньшая сторона подошвы фундамента;

- дополнительное  вертикальное давление на основание (для фундаментов шириной bn ≥10 м принимается P0=P); Р- среднее значение давление под подошвой фундамента – вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента; – удельный вес грунта; - глубина заложения подошвы фундамента.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт осадки свайного фундамента как условного фундамента мелкого  заложения.

zi

Ç=2zi/bn

αi

       

hi

Ei

 

19.49

 

19.49

 

19.49

 

19.49

 

19.49

 

19.49

 

19.49

 

19.49

 

19.49

 

19.49

0

0

1

367.21

 

389.46

 

431.96

 

463.83

 

485.08

 

516.96

 

559.46

 

601.96

 

644.46

 

686.96

 

729.46

344.29

 

318.63

 

256.66

 

174.9

 

128.94

 

110.345

 

88.65

 

65.41

 

48.54

 

38.38

 

32.19

 

2

 

1

 

1

 

1

 

1

 

2

 

2

 

2

 

2

 

2

2

0.88

0.860

410.71

302.97

4

1.77

0.611

454.46

210.36

6

2.65

0.405

474.21

139.44

7

3.09

0.344

495.71

118.44

8

3.53

0.297

538.21

102.25

10

4.51

0.218

580.71

75.05

12

5.3

0.162

623.21

55.77

14

6.18

0.120

665.71

41.31

16

7.06

0.103

708.21

35.46

18

7.95

0.084

750.71

28.92


 

 

см≤12 см – условие выполняется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт и конструирование  фундамента из буронабивных свай по первой группе предельных состояний.

Необходимо запроектировать  свайный фундамент из буронабивных столбов. Все ранее собранные  н-ки остаются без изменений. Назначаем глубину заложения подошвы ростверка свайного фундамента dр=3 м, высоту ростверка hp= 1.5 м. Свая ж/б размерами А=0.5 м2 , hp= 1.5 м. Для фундаментов опор мостов сваю заделывают в ростверк не менее чем на 2 стороны сваи, т.е. в данном случае на 0.8 м. Допускается также заделывать сваю в ростверк с помощью выпусков арматуры длиной, определяемой расчётом, но не менее ø30 продольной арматуры периодического профиля (ø18-24 мм),при этом тело сваи должно быть заделано в ростверк не менее чем на 10 см. Высота ростверка, считая от верхних концов свай или арматурных выпусков должна быть не менее 0.5 м для расположения над головами свай не менее двух арматурных сеток.

1 вариант:  hmin=2×0.8+0.5=2.1 м

Несущая способность  сваи:

 

Где - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1;

R – расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи(5045кПа);

А – площадь  опирания на грунт сваи (0.16 м2);

u – наружный периметр поперечного сечения сваи (1.6 м2);

fi  - расчётное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности;

hi – толщина i-го слоя грунта соприкасающегося с боковой поверхностью сваи

 

 

 

 

 

 

hi,cp, м

fi, кПа

hi, м

2

4

h1=2

4

7

h2=1

5

24

h3=1

6

25

h4=1

7

43

h5=1

8

44

h6=2

10

46

h7=2

12

48

h8=2

14

50

h9=2

16

52

h10=2

17.2

53.2

h11=1.2

Проектирование и расчет фундамента мелкого заложения