Расчет фундаментов промышленного здания

Содержание

 

 

введение

Основания  зданий и сооружений должны проектироваться на основе:

а) результатов геологических, инженерно-геологических и инженерно-гидрметеорологических изысканий для строительства;

б) данных характеризующих назначение, конструктивные и технологические особенности сооружения, нагрузки, действующие на фундаменты, и условия его эксплуатации;

в) технико-экономического сравнения возможных вариантов проектных решений (с оценкой по приведенным затратам) для принятия варианта, обеспечивающего наиболее полное использование прочностных и деформационных характеристик грунтов и физико-механических свойств материалов фундаментов.

При проектировании оснований и фундаментов следует учитывать местные условия строительства, а также имеющийся опыт проектирования, строительства и эксплуатации сооружений в аналогичных условиях инженерно-геологических и гидрогеологических условиях.

Проектирование оснований включает основанный расчетом выбор:

- типа основания (естественное или искусственное);

- типа конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения; ленточные, столбчатые, плитные и  др.; железобетонные, бетонные, бутобетонные  и др.);

- мероприятий, применяемых для уменьшения влияния  деформаций оснований на эксплуатационную  пригодность сооружений (если такие  мероприятия необходимы).

Основания рассчитывают по предельным состояниям. Требования норм расчета заключаются в том, чтобы внешние силовые воздействия не превосходили предельной несущей способности основания, а деформации (осадки, просадки, крены и т.п.) – предельного значения, заданного для данного сооружения. По второй группе предельных состояний по деформациям) основание рассчитывают во всех случаях.

 

  1. исходные данные

Рис. 1 Фабричный корпус

 

Таблица 1.1

Усилия на обрезах фундаментов от расчетных нагрузок

 в наиболее невыгодных сочетаниях

Номер схемы и наименован. сооружения

Вариант

№

фундамента

1е сочетание

2е сочетание

,

кН

, кНм

,

кН

,

кН

,

кНм

,

кН

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Схема 2.

Фабричный корпус

 

Четный,

l = 9 м;

1

1400

- 24

- 20

1680

- 16

12

2

2270

  92

  30

2530

114

13

3

1820

102

  35

2100

122

10

4

620

51

-

630

55

-


 

Примечания:

1. В таблице  даны расчетные усилия для  расчета по деформациям. Расчетные  усилия для расчета по несущей  способности и прочности определяются  путем умножения заданных усилий  на осредненный коэффициент надежности  по нагрузке              =1,2.

2. Знаки усилий: положительное направление поперечной  силы – слева направо, момента  – по часовой стрелке  при  этом положение фундамента –  по разрезу на схеме здания.

 

  1. оценка инженерно-геологических свойств грунтов и определение расчетного сопротивления основания

Рис. 2. Геолого-литологический разрез

 

Таблица 1.2

Расчетные характеристики физико-механических свойств грунтов

 

Номер грунта

Наименование грунта

Для расчета по деформациям

Удельный вес                 частиц грунта γs, кН/ м3

Влажность   ωL

Модуль деформации              Е, кПа

Влажность на границе текучести

 Влажность на границе раскатывания   ωp

Коэффициент         пористости е

Показатель текучести   JL

Степень влажности    Sr

Удельный вес   gII ,  кН/м3

Угол внутреннего трения  φII , град

Сцепление  СII, кПа

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

9

Суглинок пылеватый

17,8

20

15

26,9

0,41

7000

0,45

0,27

1,13

0,60

0,78

13

Песок средней крупности

19,2

36

-

26,5

0,18

31000

-

-

0,63

-

0,76


 

 

Цель проводимой оценки – установление закономерностей изменения сжимаемости и прочности грунтов по глубине, выбор несущих слоев. Общее представление о качестве грунта как основания дает его полное наименование по номенклатуре ГОСТ 25100 - 82.

Устанавливаем полное наименование грунтов:

  • Насыпной слой, суглинок перелопаченный с торфом - может служить основанием.
  • Торф коричневый слаборазложившийся – не может служить основанием.
    • 9 - Суглинок серый, пылеватый с линзами песка, мягкопластичный (при ЈL =0,60), сильносжимаемый (при Е=7000 кПа), R0 =160 кПа (по интерполяции).
    • 13 – Песок желтовато-серый среднезернисый, средней плотности (при0,55 ≤е≤0,70), малосжимаемый (при Е=31000 кПа), R0=400 кПа (по табл.).

Таким образом, все грунты, залегающие ниже насыпного слоя, обладают небольшой сжимаемостью и значительной прочностью, причем последняя нарастает с глубиной. В качестве несущего слоя для фундаментов на естественном основании могут служить суглинок пылеватый; для свайных фундаментов – песок средней крупности.

Рис. 3 Эпюра расчетных сопротивлений

  1. оценка характера нагрузок и конструктивных особенностей здания

В табл. 1. приведены расчетные нагрузки по обрезу фундаментов для расчета по деформациям – вертикальная , горизонтальная и момент . При их анализе оцениваем:

а) максимальная нагрузка приходится на фундаменты под стены 2, 3. Фундаменты № 1, 2, 3, 4 являются тяжелонагруженными так как нагрузка от стены больше 500 кН.

б) степень различия вертикальных нагрузок: фундамент 1, 2, 3, 4, относится к малой.

в) горизонтальные нагрузки незначительные (Fh / Fv < 0,5), следовательно, они не ухудшают условий работы оснований по устойчивости (несущей способности);

в) эксцентриситет нагрузки, также ухудшающий условия работы основания, оценивается как: малый е = / <0,10 м.

Конструктивные особенности здания оцениваются по чувствительности к осадкам (жесткие рамы, шарнирное опирание, несущие стены и др.) и возможным последствиям при неравномерных осадках фундаментов.

  1. разработка вариантов фундамента

Вариантность инженерных решений – важнейший принцип проектирования фундаментов сооружений. Расчету подлежат только два варианта фундамента; на естественном основании и свайный. При выборе вариантов можно менять глубину заложения фундаментов, выбирать в качестве несущего слоя различные грунты, принимать различные типы оснований (естественное, искусственное).

Вариант № 1 – фундамент на естественном основании.

Вариант № 2 – свайный фундамент.

 

  1. проектирование фундаментов на естественном основании

(Фундамент  №2)

    1. Общие положения

Проектирование фундаментов всех типов ведется в следующем порядке:

- предварительно назначаются  основные параметры и размеры фундаментов их частей;

- конструируются фундаменты  и уточняются действующие нагрузки;

- проводятся расчеты основания  и фундамента по предельным  состояниям.

    1. Определение глубины заложения фундамента

Глубина заложения фундамента зависит должна приниматься с учетом:

- назначения и конструктивных  особенностей проектируемого здания, нагрузок и воздействий на  его фундаменты;

- климатических условий (глубины сезонного промерзания);

- инженерно-геологических  условий площадки строительства (физико-механических свойств грунтов, характера напластований, наличия  слоев, склонных к скольжению, карманов  выветривания, карстовых полостей  и пр.);

- гидрогеологических условий  площадки и возможных их изменений  в процессе строительства и  эксплуатации здания;

 

Рис. 4. Схема фундаментов на естественном основании

 

    • По геологическим условиям глубина заложения определяется необходимостью прорезки насыпного слоя

d = 1,2 м.

    • По конструктивным соображениям (наличие подвала)

d = 3,0 м.

    • По климатическим условиям глубина заложения определяется по карте глубин промерзания.

 

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта определяется по формуле:

 

где    -  коэффициент, учитывающий влияние теплового режима =1.

  -  нормативная глубина промерзания, определяемая по п.2.29 (СНиП 2.02.01-83)

 

где    -  величина зависящая от вида грунта,

для суглинков и глин, м. =0,23,

для супесей, песков мелких и пылеватых, м. =0,28,

для песков гравелистых, крупных и средней крупности, м. =0,30,

- безразмерный коэффициент, численно  равный сумме абсолютных значений  среднемесячных температур за  зиму в данном районе. По табл. 3 СНиП 23-01-99* Строительная климатология, =19,5

=0,23·4,4=1,01 м

Тогда находим:

 м.

Вывод. Из 3-х величин принимаем наибольшую d = 3,0 м.

    1. Определение расчетного сопротивления грунта

Расчетное сопротивление грунта основания для первого фундамента определяется по формуле:

 (5.2)

где γс1 , γс2 –  коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 3 СНиП 2.02.01-83*; γс1=1,1, γс2=1,0

k –  коэффициент надежности; при использовании надежной информации о свойствах грунтов принимается к = 1;

Мγ, Mq, Мс –  коэффициенты, зависящие от ; принимаются по таблицам (табл. 4 СНиП 2.02.01-83*);

При φ=220 значения Мγ=1,55 ,  Mq=7,22  ,  Мс= 9,22.

  - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента);

,  -  расчетные значения удельного веса грунта под подошвой фундамента в пределах глубины его заложения) и  залегающих выше подошвы  =19 кН/м3, =18 кН/м3

 -  коэффициент, учитывающий рост R для широких фундаментов; при < 10 м принимается = 1;

b   –  ширина подошвы фундамента, b = 2 м

d1   -  глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки.

где - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;

- толщина конструкции пола  подвала, м;

 - расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м3 (тс/м3);

- глубина подвала - расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной B < 20 м = 2 м,

 

Принимаем в 1-м приближении ширину подошвы b=2 м:

 кПа

 

    1. Определение размеров фундамента

После назначения глубины заложения фундамента ориентировочно определяем требуемую площадь его подошвы:

Атр =                                                   (5.3)

где - нагрузка в уровне обреза фундамента (табл. 1);

R – расчетное сопротивление основания,

γср – средний удельный вес массива γср = 20 кН/м3.

 

Требуемая площадь подошвы фундамента №1:

Атр = =1,83 м2

 

Проверяем напряжения по подошве. Вес фундамента:

GФ = = 34 кН.

 

Вес грунта на консоли подушки:

GГР = = 23 кН.

 

Грунт создает момент:

М= = - 14,3 кН.

 

Суммарные нагрузки по подошве фундамента:

 кН.

 кНм.

 

Среднее давление по подошве

 кПа < 333,2 кПа

Условие выполняется.

Проверяем краевые напряжения:

 м.

=325,4 кПа < 333,2·1,2=399,8 кПа - условие  выполняется.

281,6 кПа.>0

=1,42 < 4.

 

    1. Определение осадки фундамента

Выполняем расчет осадки:

Определение осадки производится с использованием схемы в виде линейного полупространства методом послойного суммирования по формуле:

                                                   (5.4)

где β = 0,8 – безразмерный коэффициент;

szp,i - среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней  zi-1 и нижней  zi границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента;

hi и Еi   - соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта;

n  - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

По прил. 4 СНиП 2.02.01-83* осадка не должна превышать осадку =8 см.

Среднее давление на грунт под подошвой фундамента вычислено выше:

 кН/м2

Определяем давление с учетом напряжений после отрывки котлована:

 

Р0 =Р - szg,0                                                            (5.5)

где Р – среднее давление под подошвой фундамента;

szg,0 = g/ dn, где g/ - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы, dn – глубина заложения фундамента.

Р0 =303,5 - 18·3=272,9 кН/м2

Напряжения, возникающие в грунте основания от указанного выше давления на грунт определяются по формуле:

                                                      (5.6)

где a – коэффициент, принимаемый по табл.1, прил.2 СНиП 2.02.01-83* в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, равной: x = 2z/b;

Толща грунтов разбивается на элементарные слои толщиной 0,4 м. определяется осадка в каждом слое, затем вычисляется суммарная осадка.

 

Расчет сводим в табл. 5.1.

Таблица 3

№

hi, м

zi, м

d, м

z=2z/b

a

g,кН/м3

szg, кН/м2

szp,кН/м2

szp средн

0,2 szg

Е, кН/м2

Si, м

0

  

0

3

    

18,0

30,6

272,9

272,9

6,1

    

1

0,4

0,4

2,1

0,4

0,96

19,0

38,2

262,0

267,4

7,6

17000

0,0050

2

0,4

0,8

2,5

0,8

0,8

19,0

45,8

218,3

240,2

9,2

17000

0,0045

3

0,4

1,2

2,9

1,2

0,606

19,0

53,4

165,4

191,8

10,7

17000

0,0036

4

0,4

1,6

3,3

1,6

0,449

19,0

61,0

122,5

144,0

12,2

17000

0,0027

5

0,4

2

3,7

2

0,336

19,0

68,6

91,7

107,1

13,7

17000

0,0020

6

0,4

2,4

4,1

2,4

0,257

19,0

76,2

70,1

80,9

15,2

17000

0,0015

7

0,4

2,8

4,5

2,8

0,201

19,0

83,8

54,9

62,5

16,8

17000

0,0012

8

0,4

3,2

4,9

3,2

0,16

18,2

91,1

43,7

49,3

18,2

7500

0,0021

9

0,4

3,6

5,3

3,6

0,131

18,2

98,4

35,7

39,7

19,7

7500

0,0017

10

0,4

4

5,7

4

0,108

18,2

105,6

29,5

32,6

21,1

7500

0,0014

11

0,4

4,4

6,1

4,4

0,091

18,2

112,9

24,8

27,2

22,6

7500

0,0012

12

0,4

4,8

6,5

4,8

0,077

18,2

120,2

21,0

22,9

24,0

7500

0,0010

13

0,4

5,2

6,9

5,2

0,067

18,2

127,5

18,3

19,6

25,5

7500

0,0008

14

0,4

5,6

7,3

5,6

0,058

18,2

134,8

15,8

17,1

27,0

7500

0,0007

15

0,4

6

7,7

6

0,051

18,2

142,0

13,9

14,9

28,4

7500

0,0006

                                                                                                        ИТОГО

0,0269


 

Суммарная осадка не превышает допустимой =2,69 см<8 см.

S ≤ Su  - условие выполняется

Нст=6,1 м.

Строим график напряжений szg, 0,2szg, szp.(Рис 5.1)

Рис. 5. Эпюры напряжений

 

  1. проектирование свайных фундаментов

    1. Выбор типов и размеров свай и ростверка

В данной работе анализ грунтовых условий показал, что применение забивных висячих свай наиболее эффективно.

Для начала принимаем квадратную сваю сплошного сечения.

Ориентировочно задаемся глубиной заложения ростверка, т.е глубина заложения равна =2,0 м. Нижний конец сваи заглубляем песок средней крупности с модулем деформации Е=3100 МПа.

Для заданных грунтовых условий проектируем свайный фундамент из сборных железобетонных свай для бесподвальной части L=7,0 м, а для подвальной части с L=5,0 м, размером поперечного сечения 0,3х0,3м и длиной острия l=0,25 м. Применяется вибропогружение сваи в грунт.

 

    1. Определение несущей способности сваи

Найдем несущую способность одиночной висячей сваи, ориентируясь на расчетную схему, показанную на рис. 6.1.

Площадь поперечного сечения сваи А=0,3·0,3=0,09 м2

Периметр сваи u=0,3·4=1,2 м.

Несущую способность Fd, висячей забивной сваи погружаемой без выемки грунта, работающих на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле:

                                   (6.1)

где gc - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый gc = 1;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, тс принимаемое по табл.1 СНиП 2.02.03-85;

A - площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая по площади поперечного сечения сваи;

u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

fi - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл.2 СНиП 2.02.03-85;

hi - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

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 2.02.03-85.

 

 

Рис.6.1. Схема расчета несущей способности сваи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивление под нижним концом сваи R=3700 кПа (по табл. 1 СНиП 2.02.03-85).

Толщу грунта пронизываемого сваей, разбиваем на слои толщиной 1 м.

Из таблицы 2 СНиП 2.02.03-85 выбираем значения:

-для 1-го слоя грунта при средней  глубине расположения слоя h1=2,5 м - f1=45 кПа;

-для 2-го слоя грунта при средней  глубине расположения слоя h2=3,5 м - f2=50 кПа;

-для 3-го слоя грунта при средней  глубине расположения слоя h3=4,5 м - f3=54 кПа;

-для 4-го слоя грунта при средней  глубине расположения слоя h4=5,5 м - f4=57 кПа;

-для 5-го слоя грунта при средней  глубине расположения слоя h5=6,5 м - f5=59 кПа;

-для 6-го слоя грунта при средней  глубине расположения слоя h6=7,5 м – f6=60 кПа;

-для  7-го слоя грунта при средней глубине расположения слоя h6=8,5 м – f7=63 кПа.

 

gcR=1,2, gcf=1 – т.к. применяется вибропогружение сваи в грунт.

Подставим эти значения в формулу (6.1) и найдем несущую способность сваи:

 

Fd=1[1,2·3700·0,09+1·1(45·1+50·1+54·1+57·1+59·1+60·1+63·1)]=787,6 кН.

Расчетная нагрузка на сваю будет определена по формуле:

                                                     (6.2)

где gк - коэффициент надежности gк = 1,4;

=562,5 кН.

    1. Определение необходимого количества свай

Минимальное расстояние между сваями составляет 3 диаметра.

Предварительно назначаем размеры подошвы ростверка =2,0 м, =2,0 м.

Ориентировочный вес ростверка находим по формуле:

                                   (6.3)

Тогда кН.

Количество свай в фундаменте с учетом веса ростверка находим по формуле:

                                               (6.4)

Тогда 1 шт.

Принимаем 1 сваю на фундаментный ростверк.

    1. Определение осадки свайного фундамента

Расчет осадки свайных фундаментов производят, как для условного фундамента мелкого заложения на естественном основании.

Определим осредненный угол внутреннего трения грунтов, прорезываемых сваей, по формуле:

 

                                               (6.5)

 

где - угол внутреннего трения n - го слоя грунта,

hn  - мощность n-го слоя грунта

Т.о:

Площадь условного фундамента равна

                                               (6.6)

где - ширина условного фундамента по подошве,

- длина условного фундамента  по подошве.

=7-0,25=6,75 м длина сваи с учетом  заделки в ростверк,

- расстояние между сваями  в соответствующих осях.

Рис.5.2. Схема приведения свайного фундамента к условному

=2·6,75·0,18=1,95 м

=2·6,75·0,18=1,95 м

Принимаем условный фундамент размером 2х2 м.

= 2 · 2 = 4 м2.

Глубина заложения условного фундамента Н=9 м.

Собственный вес условного фундамента:

=20·4·9=720 т/м2

 

Определение осадки подошвы условного фундамента, как и фундамента мелкого заложения, ведется с использованием схемы в виде линейно деформируемого полупространства методом послойного суммирования по формуле (5.14):

 

Для определения осадки применяем графический метод.

Сила, давящая на подошву условного фундамента определяется по формуле:

3100 кН 

Тогда =3100+720=3820 кН

Давление на грунт под подошвой фундамента: =221,3 кН/м2

Толща грунтов разбивается на элементарные слои толщиной 0,4 м. определяется осадка в каждом слое, затем вычисляется суммарная осадка.

Расчет сводим в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Расчет осадки свайного фундамента

 

№

hi, м

zi, м

d, м

z=2z/b

a

g,кН/м3

szg, кН/м2

szp,кН/м2

szp средн

0,2 szg

Е, кН/м2

Si, м

0

  

0

9

    

18

162,0

59,0

59,0

32,4

    

1

0,4

0,4

9,4

0,4

0,96

10,00

166,0

56,6

57,8

33,2

31000

0,0006

2

0,4

0,8

9,8

0,8

0,8

10,00

170,0

47,2

51,9

34,0

31000

0,0005

3

0,4

1,2

10,2

1,2

0,606

10,00

174,0

35,8

41,5

34,8

31000

0,0004

4

0,4

1,6

10,6

1,6

0,449

10,00

178,0

26,5

31,1

35,6

31000

0,0003

5

0,4

2

11

2,0

0,336

10,00

182,0

19,8

23,2

36,4

31000

0,0002

6

0,4

2,4

11,4

2,4

0,257

10,00

186,0

15,2

17,5

37,2

31000

0,0002

7

0,4

2,8

11,8

2,8

0,201

10,00

190,0

11,9

13,5

38,0

31000

0,0001

8

0,4

3,2

12,2

3,2

0,16

10,00

194,0

9,4

10,6

38,8

31000

0,0001

                                                                                                        ИТОГО

0,0016


 

Суммарная осадка не превышает допустимой =0,2 см<8 см.

Нижняя граница сжимаемой толщи  Нгс=10,2 м.

Строим график напряжений szg, 0,2szg, szp. (рис. 6.2)

Рис. 6.2. Эпюры напряжений

 

 

    1. Вывод

Так как оба варианта фундаментов удовлетворяют расчетам, принимаем наиболее экономичный вариант – фундамент на естественном основании.

 

 

  1. технико-экономическое сравнение вариантов

Сравнение вариантов по стоимости выполняется по укрупненным показателям. Определяем объемы отдельных частей фундаментов на естественном основании и свайного. Расчетная длина участка в обоих случаях принята 1 м. Результаты сводим в таблицы.

Таблица 4

Фундамент на естественном основании

Элементы или виды работ

Объем, м3

Стоимость

единичная

общая

Фундамент под колонну

0,6

46,50

27,90

Отрывка грунта котлована (принимается равной объему фундамента)

1,5

6,99

10,49

Стоимость варианта

38,39


 

Таблица 5

Свайный фундамент

Элементы или виды работ

Объем, м3

Стоимость

единичная

общая

Ростверк монолитный железобетонный

0,75

28,30

21,23

Сваи С 5-30

0,72

88,40

63,65

Бетонная подготовка под ростверки

0,17

28,40

4,83

Отрывка грунта (принимается равной объему фундамента)

1,65

5,89

9,72

Стоимость варианта

99,4

Расчет фундаментов промышленного здания