Проектирование варианта фундамента на сваях
Оглавление
Введение
Настоящий курсовой проект предназначен для расчета фундамента под промежуточную опору моста на акватории водоема.
Целью курсового проекта является получение практических навыков расчета фундаментов на естественном основании и свайного, выбора и обоснования целесообразности принятии той или иной конструкции для возведения. Изучение обработки статистических данных полученных от бурения скважин и отбора проб производится с помощью компьютера с целью получения навыка статистической обработки и оценки результатов. В ходе расчета так же требуется получить навык использования нормативно-технической и справочной литературы.
По итогам расчета требуется выбрать наиболее подходящий вариант, всесторонне обоснованный и рассчитанный. Так же к пояснительной записке поясняющей ход расчета прилагается чертеж формата А1 с рабочими чертежами обеих вариантов фундаментов и рекомендациями по их сооружению.
1 Исходные данные
1. Вариант 11
2. Номер паспорта инженерно-геологических условий 30;
3. Расстояние между осями ферм B2=4 м;
4. Длина пролета моста L=33 м;
5. Высота опоры h0 = 6,2 м;
6. Отметка дна водоема 62,0 м;
7. Горизонты воды: а) высокой (ГВВ) 66,00 м;
б) меженной (ГМВ) 63,50 м;
8. Глубина размыва русла у опоры hр=0,8 м;
9. Постоянная вертикальная нагрузка от пролетных строений N=750 кН;
10. Временные нагрузки:
а) от подвижного состава:
– вертикальные Q=8400 кН;
– горизонтальные продольные от торможенияT= 840 кН;
б) ветровые нагрузки и плечи приложения относительно обреза фундамента:
– продольные:
на пролетное строение при наличии состава W1=160 кН;
плечо F1=7,3 м;
на опору W2=140 кН;
плечо F2=5,3 м;
–поперечные:
на пролетное строение при наличии состава W3=320 кН
плечо F3=10,0 м;
на опору W4=60 кН;
плечо F4=5,3 м;
в) ледовая нагрузка L1=2000 кН;
г) плечо приложения нагрузки Е=4,3 м.
2 Расчёт фундамента на
естественном основании.
2.1
Выбор глубины заложения
Глубина заложения фундамента dп определяется инженерно – геологическими, гидрологическими, условиями строительства и конструктивными особенностями сооружения.
Глубина заложения фундамента
–по инженерно – геологическим условиям:
dn = hсл+0,5 = 2,5+0,5 = 3 м
–гидрологическими условиями:
dn = hразм+2,5 = 0,8+2,5=3,3 м
Принимаем для дальнейших расчётов глубину заложения подошвы фундамента dn=5,5 м от поверхности дна, что соответствует абсолютной отметке 56,5, так как 3,3 м не удовлетворяет дальнейшим условиям в расчетах на осадку фундамента.
2.2 Определение площади подошвы фундамента.
Геометрические размеры нижней части опоры:
bоп = 260+hо/15 = 260+620/15 = 301 см
lоп = B2+370+hо/15 = 400+370+620/15 = 811 см
Высота фундамента:
dф = dп – 0,5 = 5,5 – 0,5 = 5,0 м.
Объём опоры:
где:
Собственный вес опоры:
Определяем минимально и максимально возможную площадь фундамента по конструктивным соображениям:
Вертикальная составляющая нагрузки на обрез фундамента при основном сечении:
Горизонтальная составляющая вдоль оси моста:
Основанием фундамента служит аллювиальная темно-серая глина с характеристиками: R 0 = 225,54 кПа, φ = 16,28º.
Требуемая площадь подошвы фундамента в первом приближении определяется:
Площадь подошвы проектируемого фундамента должна удовлетворять условию:
Условие выполняется.
Далее определим размеры подошвы фундамента b и l
Коэффициент отношения сторон сечения нижней части опоры и фундамента:
Размеры фундамента следующие:
Определяем вес фундамента Gф и вес грунта Gгр на его уступах с учетом взвешивающего действия воды:
Определение нагрузок, приведенных к центру тяжести подошвы фундамента:
Определение расчётного сопротивления грунта основания для расчёта по второй группе предельных состояний:
Определяем средние и краевые давления по подошве фундамента и проверяем выполнение условий:
где
Условие выполняется.
2.3 Определение осадки основания.
Расчёт производится на основное сочетание нагрузки, при этом временная поездная нагрузка не учитывается.
Условие расчёта:
S – расчётное значение осадки основания, см;
Su – предельное значение вертикального смещения опоры, см определяемое эмпирической зависимостью:
где L = 33 м – длина меньшего примыкающего к опоре пролета
Размеры подошвы фундамента : l = 16,7 м; b = 6,2 м. Глинистые грунты в пределах сжимаемой толщи характеризуются величиной модуля деформации Е = 5,32 МПа. Практически несжимаемый скальный грунт залегает на глубине около18 м ниже подошвы фундамента, давление на основание P меньше R, поэтому расчет осадки выполняем по схеме линейно-деформируемого полупространства, используя формулу:
где:
– среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-ом слое грунта по вертикальной оси, проходящей через центр подошвы фундамента;
hi и Еi – соответственно толщина и модуль деформации i-ом слоя грунта.
Расчёт выполняется в соответствии с прил. 2 СНиП [3].
Расчёт представлен в табл. 1.
Вертикальная составляющая нагрузки, приведённая к центру тяжести фундамента:
Дополнительное давление на основание:
Сжимаемая толщина разбита на слои мощности:
Коэффициент рассеивания напряжений α берем по табл. №1 прил. 2 к СНиП [3].
Расчёт осадки фундамента методом линейно-деформируемого полупространства.
Таблица 1
Грунт |
z, м |
z+d, м |
σzg |
0,2 σzg |
2z/b |
α |
αP0 |
σzpi |
Ei |
Si, м | ||
кПа |
кПа | |||||||||||
Глина |
0,00 |
4,7 |
80,091 |
16,018 |
0 |
1 |
103,032 |
96,696 |
5320 |
0,036 | ||
2,48 |
7,18 |
101,245 |
20,249 |
0,8 |
0,877 |
90,359 | ||||||
86,341 |
0,009 | |||||||||||
3,2 |
7,9 |
107,387 |
21,477 |
1,032 |
0,799 |
82,323 | ||||||
72,998 |
0,008 | |||||||||||
Супесь |
4,96 |
9,66 |
144,714 |
28,943 |
1,6 |
0,618 |
63,674 |
12250 | ||||
53,989 |
0,009 | |||||||||||
7,44 |
12,14 |
171,598 |
34,32 |
2,4 |
0,43 |
44,304 | ||||||
41,007 |
0,003 | |||||||||||
8,6 |
13,3 |
184,172 |
36,834 |
2,774 |
0,366 |
37,710 | ||||||
Граница сжимаемой толщи | ||||||||||||
Итого: |
0,06565 | |||||||||||
Условие расчёта выполняется.
2.4 Определение крена фундамента и перемещения верха опоры вдоль моста.
Крен фундамента определяется от действия всех нагрузок при основном их сочетании, отдельного вдоль и поперёк моста, с учётом момента в уровне подошвы. Перемещение верха опоры моста определяется по формуле:
где ib – расчетное значение крена, в долях единицы
h – расстояние от верха опоры до подошвы фундамента, см
h = h0 + 110 + dф = 6,2 + 1,1 + 5 = 12,3 м
Полученное смещение не должно превышать предельной величины, вычисляемой по эмпирической зависимости
Вертикальная и горизонтальная составляющая нагрузка вдоль моста:
Момент горизонтальных сил, действующих вдоль моста:
Эксцентриситет приложения равнодействующей нагрузки:
Вычисляем в пределах сжимаемой толщи Нc средние значения модуля деформации Е и коэффициента Пуассона грунтов основания по формулам (11) и (12) приложения 2 к СНиП 2.02.01-83
где Аi – площадь эпюры вертикальных напряжений от единичного давления под подошвой фундамента в пределах i-го слоя грунта (для схемы полупространства допускается принимать равной площади эпюры szpi, для схемы слоя Аi = Ki -Ki-1);
Ei n, hi – соответственно модуль деформации, коэффициент Пуассона и толщина i-го слоя грунта.
Крен фундамента при действии горизонтальной составляющей нагрузки вдоль моста определяется по формуле:
где – коэффициент определяемый интерполяцией по таблице 5 приложения 2 к СНиП 2.02.01-83 в зависимости от:
Km=1;
Определяем перемещение верха опоры и сравниваем с предельно допустимой величиной:
Условие не выполняется, увеличим площадь за счет увеличения ширины подошвы фундамента, примем b = 8 м
Определяем вес фундамента Gф и вес грунта Gгр на его уступах с учетом взвешивающего действия воды:
Определение нагрузок, приведенных к центру тяжести подошвы фундамента:
Вертикальная составляющая нагрузки, приведённая к центру тяжести фундамента:
Дополнительное давление на основание:
Сжимаемая толщина разбита на слои мощности:
Коэффициент рассеивания напряжений α берем по табл. №1 прил. 2 к СНиП [3].
Расчёт осадки фундамента методом линейно-деформируемого полупространства.
Таблица 1.1
Грунт |
z, м |
z+d, м |
σzg |
0,2 σzg |
2z/b |
α |
αP0 |
σzpi |
Ei |
Si, м | ||
кПа |
кПа | |||||||||||
Глина |
0,00 |
4,7 |
80,091 |
16,018 |
0 |
1 |
93,329 |
87,309 |
5320 |
0,042 | ||
3,2 |
7,9 |
107,387 |
21,477 |
0,8 |
0,871 |
81,290 | ||||||
68,363 |
0,014 | |||||||||||
Супесь |
6,4 |
11,1 |
160,324 |
32,065 |
1,6 |
0,594 |
55,437 |
12250 | ||||
47,738 |
0,008 | |||||||||||
9 |
13,7 |
188,508 |
37,702 |
2,25 |
0,429 |
40,038 | ||||||
Граница сжимаемой толщи | ||||||||||||
Итого: |
0,0644 | |||||||||||
Условие расчёта выполняется.
Вертикальная и горизонтальная составляющая нагрузка вдоль моста:
Эксцентриситет приложения равнодействующей нагрузки:
Крен фундамента при действии горизонтальной составляющей нагрузки вдоль моста определяется по формуле:
где – коэффициент определяемый интерполяцией по таблице 5 приложения 2 к СНиП 2.02.01-83 в зависимости от:
Km=1;
Определяем перемещение верха опоры и сравниваем с предельно допустимой величиной:
Так как расхождение не превышает 5%, то считаем что условие выполнено. Принимаем размеры фундамента:
dф = 5 м
b = 8 м
l = 16,7 м
2.5 Определение крена фундамента и перемещения верха опоры поперек моста.
Силы, действующие на опору:
Эксцентриситет приложения равнодействующей нагрузки:
Крен опоры моста:
Определяем перемещение верха опоры и сравниваем с предельно допустимой величиной:
Условие выполняется.
2.6 Определение положения равнодействующей.
В соответствии со СНиП 2.05.03-84* для фундаментов мелкого заложения (основание из мелких пород), положение равнодействующей нагрузок (по отношению к центру тяжести площади подошвы фундамента), характеризуем относительным эксцентриситетом, должно быть ограничено следующими условиями.
где: эксцентриситет приложения равнодействующей:
радиус ядра сечения:
Тогда
Условие выполняется.
2.7 Расчёт основания по I группе предельных состояний.
Расчёт произведён с коэффициентом надёжности γf = 1,1 для постоянных нагрузок γf =1,2 – для временных.
Расчётные нагрузки, приведённые к центру тяжести подошвы при проверке несущей способности основания:
Расчётное сопротивление глины основания фундамента одноосному сжатию по СНиП 2.05.03-84* :
где: - условное сопротивление грунта, кПа рассчитанное интерполяцией по табл.1 СНиП 2.05.03-84*;
- ширина подошвы фундамента, м; при ширине более 6 м принимается равной 6 м;
d – глубина заложения фундамента, принимаемая по п 2 приложения 24 СНиП 2.05.03-84*;
γ – осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента, вычисленного без учета взвешивающего действия воды; допускается принимать равным 19,62 кН/м3;
k1,k2 – коэффициенты принимаемые по таб. 4 приложения 24 СНиП 2.05.03-84*;
Несущая способность основания под подошвой фундамента мелкого заложения должна удовлетворять условиям:
Условия выполняются, несущая способность основания обеспечена.
Момент удерживающих сил:
Условие устойчивости сооружения против опрокидывания:
Условие устойчивости сооружения против сдвига:
- удерживающая сила:
где: f – коэффициент трения кладки фундамента о поверхность грунта, принят по п. 7.14 СНиП 2.05.03-84*;
- cдвигающая сила
Требования СНиП 2.05.03-84* на устойчивость конструкции против опрокидывания и сдвига выполняется.
Выбранные размеры фундамента мелкого заложения на естественном основании (b = 8 м; l = 16,7 м; dф = 5 м) полностью удовлетворяет условиям расчёта по I и II группам предельных состояний.
3 Проектирование варианта фундамента на сваях.
В курсовом проекте рассматривается устройство свайного фундамента из забивных призматических свай.
3.1 Выбор глубины заложения ростверка и длины свай.
Определим необходимую глубину заложения ростверка:
– по инженерно – геологическим условиям:
– по гидрологическими условиями
Принимаем для дальнейших расчётов глубину заложения ростверка от поверхности дна, что соответствует абсолютной отметке 59,0 м. Обрез ростверка располагаем на 0,5 м ниже поверхности дна, т е. абсолютная отметка обреза 61,5 м, высота ростверка dр = 2,5 м.
Минимальные размеры подошвы ростверка в плане, как и фундамента на естественном основании:
3.2.Расчет свайного фундамента
Анализ инженерно-геологического разреза показывает, что концы свай могут быть погружены в аллювиальную супесь. В соответствии с ГОСТ 19804.1-84 сечение сваи (350×350) мм тип: С-16-35 с диаметром арматуры 20 мм по 4 стержня класса А-III, класс бетона В25. Глубина заделки в ростверк:
Определяем несущую способность одной сваи по сопротивлению грунта в соответствии с п. 4.2. СНиП2.02.03-85:
gc - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равный 1.
R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, вычисленное интерполяцией по табл.1. СНиП2.02.03-85, при длине сваи 14 м R= 2887,77 кПа;
А = 0,1225 м2 – площадь сечения сваи;
u = 4·0,35 = 1,4 м – наружный периметр поперечного сечения сваи, м
fi – расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл.2, СНиП 2.0203-85.
gcR, gcf - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые по табл. 3.,СНиП 2.0203-85.
Расчётная нагрузка, допускаемая на сваю по сопротивлению грунта основания:
Несущая способность по материалу сваи:
– коэффициент продольного изгиба, принимаемый равным 1 в данном курсовом проекте;
– коэффициент условий работы, принимаемый равным 1, для свай сечением больше 30×30 см;
– коэффициент условий работы бетона, принимаемый равным 1 для всех видов свай, кроме буронабивных;
– расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, зависящее от его класса и принимаемое по таблице 23 СНиП 2.05.03-84*;
, – площади поперечного сечения соответственно сваи и арматуры;
– коэффициент условий работы арматуры, принимаемый равным 1;
– расчетное сопротивление сжатию арматуры, принимаемое по таблице 31 СНиП 2.05.03-84*
Коэффициент использования прочности материала сваи и грунта основания:
Требуемое количество свай:
где:
– коэффициент косвенно
;
– глубина заложения подошвы ростверка от поверхности планировки или дна водотока после размыва
– минимальное расстояние между сваями в плоскости их нижних концов, м принимаемое в соответствии с п. 7.9. СНиП 2.02.03-85
Принимаю количество свай равное 23 шт.
Принимаю в фундаменте 3 ряда свай вдоль моста по 8 свай в крайних рядах и 7 свай в среднем ряду.
Так как a= 3∙0,35=1,05 м, то
Тогда требуемая длина и ширина ростверка:
Так как , то принимаем ;
Так как , то принимаем ,
Основные характеристики ростверка:
– высота ростверка dр = 2,5 м;
– длина подошвы ростверка l = 9 м;
– ширина подошвы b = 3,9 м;
– объем ростверка :
V = 3,9∙2,5∙9 = 87,75 м3;
– вес ростверка:
3.3 Определение расчётных нагрузок.
Расчётные нагрузки, действующие в уровне подошвы ростверка:
- вертикальная составляющая:
– горизонтальная составляющая вдоль моста:
– опрокидывающий момент внешних сил, действующих вдоль моста:
– горизонтальная составляющая и момент поперек моста:
По формуле (3) СНиП 2.02.03.-85 определяем расчетную нагрузку, предаваемую на крайние сваи:
– при действии нагрузок вдоль моста:
Условие не выполняется увеличиваем количество свай. Принимаю количество свай равное 27 шт.
Принимаю в фундаменте 3 рядов свай вдоль моста и по 9 свай в ряду.
Тогда требуемая длина и ширина ростверка:
Так как , меньше чем на 0,5 м то принимаем , без уступов;
Так как , то принимаем ,
Основные характеристики ростверка:
– высота ростверка dр = 2,5 м;
– длина подошвы ростверка l = 9,25 м;
– ширина подошвы b = 3,9 м;
– объем ростверка :
V = 3,9∙2,5∙9,25 = 90,188 м3;
– вес ростверка:
Расчётные нагрузки, действующие в уровне подошвы ростверка:
- вертикальная составляющая:
– при действии нагрузок вдоль моста:
Условия выполняются.
– при действии нагрузок поперек моста:
где: n – количество свай в ростверке;
x и y – расстояния от главных осей до оси крайней сваи поперк и вдоль моста соответственно
xi и yi – расстояния от главных осей до каждой сваи.
В обоих случаях действия нагрузки, условия Nmax ≤ 1.2∙Fv, Nmin > 0 выполняются.
Проверяем несущую способность и деформативность основания свайного фундамента как условного массивного.
Для этого определяем размеры и давление от веса условного фундамента при расчете по первой группе предельных состояний (прил. 25 к СНиП 2.05.03-84) от низа ростверка до острия свай:
- Осредненное
расчетное значение угла
здесь φi - расчетное (по первой группе предельных состояний) значение угла внутреннего трения грунта i-го слоя мощностью hi, град.;
d - глубина погружения свай в грунт от его расчетной поверхности, положение которой принимается по указаниям п. 7.10 СНиП 2.05.03-84.
α — угол для определения границ условного фундамента
Размеры в плане условного фундамента в направлении, параллельном плоскости действия нагрузки (вдоль моста):
Площадь условного фундамента
Объем грунта в пределах условного фундамента:
Средневзвешенное значение удельного веса грунта в пределах условного фундамента, принимаемого с учетом влияния взвешивающего действия воды:
Усилие от веса грунта в объеме условного фундамента:
Усилие от веса ростверка и свай:
Нормальная составляющая усилия условного фундамента на основание с учетом: веса грунтового массива с заключенными в нем ростверком и сваями, давления столба воды от уровня меженных вод до водоупора;
где:
Горизонтальная составляющая внешней нагрузки вдоль моста, действующая в уровне обреза ростверка: H1х= 930,6 кН;
Опрокидывающий момент относительно главной оси x условного фундамента в уровне расчетной поверхности грунта:
Вычисляется коэффициент пропорциональности, определяющий нарастание с глубиной коэффициента постели грунта, который расположен между подошвой условного фундамента и подошвой ростверка, как средне взвешенное по слоям грунта значение Ki принимаемое по таблице приложения 25 к СНиП 2.05.03-84*.
Находим среднее и максимальное давление на грунт основания условного фундамента по формулам (2) и (3) приложения 25 к СНиП 2.05.03-84*
Вычисляем расчетное сопротивление осевому сжатию грунта основания условного фундамента по формуле (1) приложения 24 к СНиП 2.05.03-84*, приняв в запас расчета Ro = 152,72 кПа:
Проверяем выполнение условий п. 7.8. СНиП 2.05.03-84*:
Несущая способность основания условного фундамента обеспечена.
3.4 Расчёт горизонтальных смещений головы сваи и верха опоры.
Определяем расчетные значения горизонтальных перемещений Up и угол поворота ψp головы сваи при действии горизонтальных нагрузок вдоль моста по методике изложенной в приложении 1 к СНиП 2.02.03-85. Конструкция низкого ростверка предполагает, что он прорезает слой слабого грунта, сваи погружают в прочные грунты на глубину значительно превышающую 10d (где d – сторона сечения сваи). Зоны предельного равновесия в верхней части грунта, окружающей сваю не образуется. В связи с этим выполняем одностадийный расчет свай по п.12 приложения 1 к СНиП 2.02.03-85.
Поперечная сила H и изгибающий момент M, действующие на голову сваи в уровне подошвы ростверка, определяем от горизонтальных нагрузок при γf=1 и при допущении равномерного распределения между сваями:
Так как ростверк низкий, принимаем H=H0, M=M0, Up=U0, ψp=ψ0.
Определяем члены уравнений (30) и (31) п.12 прил. 1 к СНиП 2.02.03-85.
– коэффициент деформации:
где:
Е=30·106 кПа – модуль упругости бетона, принимаемый по таблице 20 СНиП 2.05.03-84;
– момент инерции поперечного сечения сваи:
– условная ширина сваи:
K – коэффициент пропорциональности, принятый по таблице 1 приложения 1 к СНиП 2.02.03-85, для грунта расположенного на глубине от подошвы ростверка до
γс=3 – коэффициент условий работы.
Приведенная длина свай по формуле (7) приложения 1 к СНиП 2.02.03-85:
По формулам (32), (33), (34) приложения 1 к СНиП 2.02.03-85 определим горизонтальное перемещение и угол поворота сечения сваи от действия единичных, горизонтальной силы и момента приложенных в уровне поверхности грунта:
– горизонтальное перемещение от действия Н=1 приложенной в уровне поверхности грунта:
–угол поворота сечения от силы Н=1
– угол поворота сечения от момента М=1:
где: A0, B0, C0 – безразмерные коэффициенты принимаемые по таблице 5 приложения 1 к СНиП 2.02.03-85 с учетом отпирания свай на нескальный грунт.
В связи с тем, что сопряжение головы сваи с ростверком жесткое, поворот головы сваи невозможен, т.е. ψ0=0, и на голову сваи со стороны заделки передается момент:
Горизонтальное перемещение головы сваи вычисляем по формуле (30) СНиП 2.02.03-85:
Знак «минус» означает, что при горизонтальной силе Н направленной слева направо, момент Mf направлен против часовой стрелки.
Перемещение верха опоры:
Допускаемое перемещение верха опоры:
Условие расчёта по деформациям удовлетворяется, горизонтальное перемещение головы сваи и верха опоры не превышающей допускаемой величины.
3.5 Выбор механизма для погружения сваи и определения проектного отказа.
Т.к. грунты слагающие площадку строительства в основной своей массе глинистые и маловлажные, то наиболее целесообразным будет для погружения свай на заданную отметку использовать дизель-молот одиночного действия..
Молот подбираем исходя из расчетной нагрузки допускаемой на сваю, по минимальной энергии удара и коэффициенту применимости.
По таблице 8.31 справочника проектировщика Основания, фундаменты и подземные сооружения( под ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова.) выбираем дизель-молот с воздушным охлаждением.
Свая погружается в тугопластичную глину, острие – в пластичную супесь.
Масса ударной части дизель-молота должна составлять 1,25 массы сваи, т.е
Необходимая минимальная энергия удара:
где: a=25 Дж/кН – коэффициент;
Fv – расчетная нагрузка на сваю, кН
По таблице подбираем трубчатый дизель-молот С-949 с воздушным охлаждением, энергия удара которого чуть больше необходимой минимальной. Производим проверку пригодности принятого устройства:
где: Gh = 50 кН – полный вес молота;
Gb = (49,5+4,95) = 54,45 кН – вес сваи, наголовника и подбабка, вес которых принят mt = 0.1m сваи;
Еd=0.9∙Gh’∙hm=0.9∙25∙2.5 = 56,25 кДж – расчетная энергия удара;
Gb’ = 25 кН – вес ударной части молота;
hm = 2.5 м – расчетная высота подскока молота;
Км – коэффициент применимости молота.
Т.к. условие проверки выполнено, то данный дизель-молот подходит для погружения этого типа свай на проектную глубину.
Определяем проектный отказ:
