Расчет фундаментов. 2
1 Оценка инженерно
1.1 Инженерно геологические условия строительной площадки
Физико-механические свойства грунтов.
Место строительства г. Барнаул.
За относительную отметку 0.000 принята отметка уровня пола первого этажа, соответствующая абсолютной отметке 27.80.
Физико-механические свойства грунтов
Наименование грунта |
Ρs, т/м3 |
Ρ, т/м3 |
W, д.е. |
Wp, д.е. |
WL, д.е. |
φΙΙ , град. |
φΙ , град. |
cII, кПа |
cI, кПа |
E, МПа |
Суглинок |
2,71 |
1,959 |
0,272 |
0,221 |
0,333 |
18 |
16 |
20 |
11 |
11,0 |
Суглинок |
2,72 |
1,881 |
0,321 |
0,218 |
0,516 |
15 |
11 |
39 |
20 |
13,2 |
Песок мелкий |
2,67 |
1,971 |
0,270 |
- |
- |
29 |
26 |
2,6 |
0 |
21,0 |
1.2 Объемно планировочное решение здания
План и разрез здания см. на прилагающихся чертежах
Примечание:
Стены производственного корпуса из панелей s=300 мм.
Стены бытовых помещений из обыкновенного кирпича S=510 мм
Балки (фермы) в средних пролетах опираются на подстропильные фермы, в крайних пролетах – на колонны.
Температура внутри производственного корпуса +16º С.,в бытовых помещениях +18;
В бытовых помещениях нагрузки 6 кН/м.кв.
2 Сбор нагрузок
Сбор нагрузок – методом грузовых площадок.
Вертикальная сосредоточенная нагрузка( ),передающаяся от колонны на фундамент, подсчитывается как произведение заданной единичной нагрузки соответствующего пролета на грузовую площадь покрытия или перекрытия, приходящуюся на рассматриваемую колонну.
,
где – грузовая площадь покрытия (перекрытия), приходящаяся на рассматриваемую колонну;
– заданная единичная нагрузка соответствующего пролета.
В единичные значения нагрузок включены: собственный вес конструкции покрытия (перекрытия), собственный вес колонны, снеговая, крановая и другие виды нагрузок.
Кроме вертикальной нагрузки от колонн, на которые опираются элементы покрытия или перекрытий, на фундаменты передаются моменты и горизонтальные силы, действующие в плоскости поперечника здания.
Нагрузки от собственного веса стен подсчитываются как произведение одного квадратного метра вертикальной поверхности на грузовую площадь, приходящуюся на рассматриваемый фундамент.
,
где – ширина стенового пояса, приходящаяся на рассматриваемый фундамент;
– высота стены;
– вес стеновых панелей, ;
– коэффициент просветности, учитывающий уменьшение веса стен за счет оконных и дверных проемов:
фундамент № |
Нагрузки от колонн |
Нагрузки от стен | ||||||||
Колонна |
Грузовая площадь, м2 |
Единичная нагрузка, кН/м2 |
, кН |
, кНм |
, кН |
Грузовая площадь, м2 |
Единичная нагрузка, кН/м2 |
Коэффициент уменьшения нагрузки |
, кН | |
Ф-1 |
К-1 |
90 |
15 |
1350 |
108 |
13,5 |
324 |
15 |
0,6 |
874,8 |
Ф-3 |
К-3 |
45 |
15 |
675 |
54 |
6,75 |
135 |
15 |
0,6 |
364,5 |
Ф-4 |
К-4 |
180 |
10 |
1800 |
144 |
18 | ||||
540 |
10 |
0,6 |
972 | |||||||
Ф-5 |
К-5 |
360 |
10 |
3600 |
180 |
21,6 |
0 |
0 |
0,6 |
0 |
При расчете нагрузки от собственного веса стен грузовая площадь стены домножается на вес одного квадратного метра этой стены, в данном случае он равен 3 кН/м.кв.
3 Анализ инженерно геологических условий
Суглинок (грунт 22)
-уточнение вида грунта (табл.11.[1])
IР=ωL- ωР (3)
где IР - число пластичности,
ωL – влажность на границе текучести,
ωР – влажность на границе пластичности (раскатывания).
IР=0,333-0,221=0,112
IР=0,112<0,17=> грунт – суглинки.
-наименование грунта по показателю текучести
IL=( ω- ωР)/(ωL- ωР) (4)
где IL – показатель текучести,
ω – природная влажность.
IL=(0,273-0,221)/(0,333-0,221)
0,25< IL=0,46<0, 5=> грунт тугопластичной консистенции.
определение степени просадочности [1]
(2)
где Sr – степень влажности грунта,
ρs – плотность частиц грунта,
ρω – плотность частиц воды, ρω=1т/м3,
e – коэффициент пористости грунта, определяем по формуле:
e= (ρs- ρd)/ /ρd
где ρd плотность грунта в сухом состоянии.
ρd = (7)
ρd=1,959/(1+0,273)=1,54
e=(2,71-1,54)/1,54=0,76
Sr=(0,273*2,71)/(0,76*1)=0,97
Sr=0.97<1=> по степени влажности грунт является насыщенным водой ([1] таб 7 на стр.20) необходимо определить просадочность по формуле:
П= где eL – коэффициент пористости на границе текучести, определяется по формуле:
eL= (9)
eL=(0,333*2,71)/1=0,902
П=(0,902-0,76)/(1+0,76)=0,081
Грунт является просадочным, т.к. Sr<1 и П<0,1 (п.10.1.1 [2]).
Были проведены специальные испытания, просадочность грунта не проявляется.
Определение степени сжимаемости
5 МПа < Е=11,0 МПа < 20 МПа => грунт среднесжимаемый.
0.8<Sr<1 – грунт, насыщенный водой
П<0,3 – грунт ненабухающий
Супесь (суглинок 27)
уточнение вида грунта
IР=0,516-0,218=0,298
0,17<IР=0,298 => грунт – глина.
наименование грунта по показателю текучести
IL=(0,321-0,218)/(0,516-0,218)
0< IL=0,35<1=> суглинок пластичной консистенции.
Плотность сухого грунта
ρd=1,881/(1+0,321)=1,4
Определение пористости
e=(2,72-1,4)/1,4=0,94
определение степени влажности
Sr=(0,321*2,72)/0,94*1=0,93<1 грунт, насыщенный водой, необходимо определить просадочность:
eL=(0,516*2,72)/1=1,4
П=(1,4-0,94)/(1+0,94)=0,24 грунт просадочный
определение степени сжимаемости
5 МПа < Е=13,2 МПа < 20 МПа => грунт среднесжимаемый.
Песок мелкий (грунт 6)
определение плотности сложения грунта
e=(2,67-1,55)/1,55=0,72
ρd =1,971/(1+0,27)=1,55
0,6<e=0.72<0.75 => грунт средней плотности
определение степени влажности
Sr=(0,27*2,67)/(0,72*1)=1,
грунт непросадочный, т.к. Sr>0.8 , насыщенный водой
определение степени сжимаемости
E=21 МПа >20 МПа => грунт слабосжимаемый
- Грунт - суглинок тугопластичной консистенции, просадочный, среднесжимаемый, насыщенный водой, ненабухающий;
- Грунт - суглинок пластичной консистенции, просадочный, среднесжимаемый, насыщенный водой;
3- Грунт - песок мелкий, средней плотности, непросадочный, насыщенный водой, слабосжимаемый;
Выбор колонн
Колонны, выбранные, для фундаментов 1, 3,4 и 5 показаны, также, на прилагающихся чертежах..
4 Проектирование фундаментов мелкого заложения
4.1 Определение глубины заложения подошвы фундаментов мелкого заложения
Факторы, оказывающие влияние на глубину заложения:
конструктивная глубина заложения;
морозное пучение грунта;
величина нагрузки.
Нормативная глубина промерзания грунта в г. Барнаул:
где Mt - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе.
d0 - величина, принимаемая равной, м, для суглинков и глин - 0,23;
Для г. Барнаул:
Mt=17,5+16,1+9,1+7,9+15=65,6
dfn=1,9 м
Расчетная глубина сезонного промерзания грунта df, м, определяется по формуле
где dfn - нормативная глубина промерзания;
kh - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения
df=0,6*1,9=1,14 м
Глубина
заложения фундаментов
Так как dw=28,5-25,5-0,15=2,85 м< df+2=3,14м принимаем в
назначаем глубину заложения равную не менее df:,
d=1,9 м.
4.2 Определение нагрузок, действующих на грунтовое основание
Приведение нагрузок к подошве фундамента Ф-1:
No=Nk+Nct=1350+874,8=2224,8 кН
Mн0y= Mнк+ Qнк·d+ Nнст· ест=
=108+13,5*1,2+874,8*0,8= 824,04кН*м;
Мн0х=0 кН;
Приведение нагрузок к подошве фундамента Ф-3:
No=Nk+Nct=675+364,5=1039,5 кН
Mн0y= Mнк+ Qнк·d+ Nнст· ест=
=54+6,75*1,2+364,5*0,8=353,7 кН;
Мн0х=0 кН;
Приведение нагрузок к подошве фундамента Ф-4:
No=Nk+Nct=1800+972=2772 кН
Моy=Мк+Qk*d+Nct*e=
144+18*1,2+972*0,8=943,2
Mox=0
Приведение нагрузок к подошве фундамента Ф-5:
No=Nk+Nct=3600+0=3600 кН
Moy=180+21,6*1,2=205,92 kH*m
Мн0х=0;
Cогласно расчетам самым нагруженным является 5-ый фундамент.
4.3 Определение размеров подошвы фундамента
Определение условного расчетного сопротивления грунта для наиболее загруженного фундамента (Ф-5)
При расчете деформаций основания среднее давление под подошвой фундамента не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания , определяемого по формуле
,
где и – коэффициенты, условий работы, принимаемые по табл.3[1];
– коэффициент, принимаемый равным: , если прочностные характеристики грунта ( и ) определены непосредственными испытаниями, и , если они приняты по табл.1-3 рекомендуемого приложения 1[1];
, , – коэффициенты, принимаемые по табл.4[1];
– коэффициент, принимаемый равным при – ;
– ширина подошвы фундамента, ;
– осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), ;
– то же, залегающих выше подошвы;
– расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, ;
– глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки.
В первом приближении для определения условного расчетного сопротивления грунта принимаем ширину подошвы фундамента равной ее минимально возможному значению, т.е.:
bmin= bстакана=0,9 м. или bmin= 1,1 м тк 0,5+2*0,3
R=1*1/1(0,43*1*1,1*19,59+2,73*
Определяем площадь подошвы
Площадь подошвы фундамента в первом приближении определяем по формуле:
где – сумма нормативных значений вертикальных составляющих внешних
нагрузок;
– осредненное значение удельного веса материала фундамента и грунта на
его уступах; =22кН/м3
Назначение размеров подошвы фундамента
b/l=0,8
b*l=21,02
b=√0,8*21,02≈4,1 m
l=b/0.8≈5,13 m
Размеры подошвы фундамента принимаем: b=4,1 м, l=5,13м
Определение расчетного сопротивления грунта
Rусл=1*1/1(0,43*1*4,1*19,59+2,
Определение давления, передаваемого фундаментом на грунтовое основание на данном этапе приближения:
Проверка выполнения условия P<R : 64,02<238,3 кПа. Условие выполняется.
Определение максимального и минимального давления под подошвой фундамента и проверка выполнения условия P<R
Фактические давления под подошвой фундамента :
где – вес фундамента и грунта на его уступах;
Gф,гр=4,1*5,13*22=462,73
Wx=(b*lкв)/6=(4,1*26,32)/6=17,
Wy=l *bкв/6=(5,13*16,81)/6=14,4 м куб
Pmax=(3600+462,73)/21,03+0/17,
Min - -
Pmax=193,19+0+14,3=207,5 кПа <1,5*R=357,45 кПа
P’max=193,19-14,3=178,9 кПа <1,5*R=357,45 кПа
P’’max=207,5 условие уже проверено
Pmin=193,19-14,3=178,9 кПа <1,5*R=357,45 кПа
Рср=(207,5+178,9)/2=193,2 кПа
Условие выполняется. Окончательно размеры подошвы фундамента принимаем равными: b=4,1 м; l=5,13м.
4.4 Проверка слабого подстилающего слоя
Методика подбора размеров
Если грунт подстилающего слоя имеет более низкую прочность, чем грунт опорного пласта, то в нем могут развиться пластические деформации сверх допустимых пределов. Проверку подстилающего слоя необходимо проводить, если хотя бы одна из прочностных характеристик ( и С ) грунта подстилающего слоя меньше соответствующей характеристики опорного пласта грунте.
- Вычисляются значения бытовых (от собственного веса грунта) и дополнительных (oт нагрузки, передаваемой фундаментом) напряжений на кровле слабого слоя:
где -вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента соответственно дополнительное от нагрузки на фундамент и от собственного веса грунта, кПа
Rz- расчетное сопротивление грунта пониженной прочности на глубине z, кПа
где bz – ширина условного фундамента
- Определяется ширина условного фундамента:
где
N – вертикальная нагрузка на основание от фундамента;
где – коэффициент, принимаемый по табл.1[1] в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины
– дополнительное вертикальное давление на основание;
P=Pср=193,2 кПа– давление под подошвой фундамента;
σzg,z=d*γ+hz* γ=1,9*19,59+3,54*19,59=90,25 кПа
σzр,z=α*(Р- σzg,0)=0,414*(193,2 -37,2)=64,58 кПа
А= N/ α*Р =3600/79,98=45 м. кв
а =(5,13-4,1)/2=0,52
bz=√45+0,2704-0,52=6,21 м
- Вычисляем величину расчетного сопротивления грунта слабого подстилающего слоя для условного фундамента:
Rz=1*1/1*(0,43*1*6,21*18,81+2,
90,25+64,58=154,83<258,04 кПа
Условие выполняется.
4.5 Определение осадок фундамента
Определение расчетной осадки фундамента
Расчет оснований по деформациям производится исходя из условия:
где S – совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом в соответствии с указаниями обязательного приложения 2[1],
Sи – предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемое в соответствии с указаниями пп.2.51-2.55[1].
Осадка основания S c использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства определяется методом послойного суммирования по формуле:
где – безразмерный коэффициент, равный 0,8;
– среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i - ом слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней Zi-1 и нижней Zi границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента;
и – соответственно толщина и модуль деформации i – ого слоя грунта;
– число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.
Дополнительные вертикальные напряжения на глубине Z от подошвы фундамента – по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяются по формуле
где – коэффициент, принимаемый по табл.1[1] в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины
– дополнительное вертикальное давление на основание;
P=Pср=206,4 кПа– давление под подошвой фундамента;
– вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента.
Таблица. Расчет осадки фундамента Ф5
b= |
4 |
|||||||||
№ точ |
Zi , |
2*Z/b |
a i по табл.1 |
σzp |
σzg,i |
0.2*σzgi |
σzp,cр |
hi, |
Ei, |
Si, |
м. |
кПа. |
кПа |
кПа |
кПа |
м |
МПа |
м | |||
|
0 |
0 |
0 |
1 |
193,2 |
37,22 |
7,44 |
1,9 |
11 |
- | |
1 |
1,9 |
0,93 |
0,682 |
131,76 |
37,22 |
7,44 |
162,5 |
1,64 |
11 |
0,02 |
2 |
3,54 |
1,73 |
0,414 |
79,98 |
69,35 |
13,87 |
105,9 |
1,64 |
11 |
0,013 |
3 |
5,18 |
2,53 |
0,26 |
50,23 |
101,48 |
20,3 |
65,1 |
1,64 |
13,2 |
0,007 |
4 |
6,82 |
3,33 |
0,173 |
33,42 |
133,6 |
26,72 |
41,8 |
1,64 |
13,2 |
0,004 |
5 |
8,46 |
4,13 |
0,123 |
23,76 |
165,7 |
33,14 |
28,6 |
1,64 |
13,2 |
0,003 |
6 |
10,1 |
4,93 |
0,091 |
17,58 |
197,86 |
39,6 |
20,7 |
1,64 |
13,2 |
0,002 |
0,049 |
S≤Sи,
4,9≤8 см, Условие выполняется.
5.Свайные фундаменты
5.1.Назначение глубины заложения ростверка
Глубину заложения dp следует принимать минимальной в зависимости от заделки колонны в ростверк, а также минимальной толщины плиты ростверка ( 400мм).
Рис.5.1.Конструктивный размер ростверка
dр=(1,25 – 0,15)+0,45=1,45 м
5.2.Определение нагрузок, действующих на свайный фундамент.
Расчетные нагрузки получаем путем умножения нормативных нагрузок на коэффициент
Для фундамента Ф1
Для фундамента Ф3
Для фундамента Ф4
Для фундамента Ф5
5.3. Выбор длины свай и их сечения.
Длина сваи назначается в зависимости от глубины заложения подошвы ростверка и от положения несущего слоя, в который заглубляется конец сваи. Заглубление сваи в несущий слой lзаг >0,5м для крупных и средней крупности песков.
Несущий слой грунта назначается по расчетному сопротивлению R по табл.1 [2]
I слой - R=1100кПа;
IIслой – R=2000кПа;
IIIслой – R=6600кПа.
За несущий слой принимаем III , песок мелкий.
Расчетная длина сваи определяется по формуле:
где li –суммарная толщина прорезаемых слоев с учетом глубины заложения подошвы ростверка;
lзаг –заглубление сваи в несущий слой грунта;
Рисунок 5.2.. Определение длины свай
для фундамента Ф4:
Заказная длина сваи с учетом высоты заделки сваи в ростверк и бетонной подготовки:
С учетом сортамента принимаем сваю длиной l=10 м и поперечным сечением 300*300 мм (dc=0,3 м). по (табл 8.1 [4])
5.4. Расчет свайных оснований по несущей способности
Расчет свайных оснований по несущей способности сводится к определению несущей способности сваи по грунту и проверки фактической расчетной нагрузке на сваю.
5.4.1Определение несущей способности свай
Несущую способность Fd, кН, висячей забивной сваи работающей на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле:
где – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый
– расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по табл.1[2];
– площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто;
– наружный периметр поперечного сечения сваи, м;
– расчетное сопротивление i - го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл.2[2];
– толщина i - го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи ,м;
– 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[2].
№ слоя |
li (м) |
hi(м) |
fi(кПА) |
hi*fi(м) |
1 |
2,4 |
1 |
18,2 |
18,2 |
2 |
3,4 |
1 |
21,3 |
21,3 |
3 |
4,4 |
1 |
22,8 |
22,8 |
4 |
5,4 |
1 |
24,7 |
24,7 |
5 |
6,4 |
1 |
25,3 |
25,3 |
6 |
7,4 |
1 |
25,9 |
25,9 |
7 |
8,4 |
1 |
26,4 |
26,4 |
8 |
9 |
0,6 |
26,5 |
15,9 |
180,5 |
