Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышленных зданий. 6

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра оснований и фундаментов

Курсовая работа

Расчет и проектирование

Оснований и фундаментов промышленных зданий

Вариант 5

Грунтовые условия 12

Преподаватель                                                                               Букша В.В.

Студент гр. С-38013                                                                      Буряк А.В.

Екатеринбург 2011

1. Исходные данные

Рассчитываем и проектируем  основание и фундаменты одноэтажного однопролетного промышленного здания. Габаритные параметры и характеристика условий строительства приводятся в таблице 1

Таблица 1

Параметры задания

Габаритные схемы поперечного  разреза и плана здания показаны на рис.1.

Металлические колонны основного каркаса имеют  жесткое сопряжение со стальными  фермами, шаг колонн каркаса 12 м. Шаг стальных стоек торцевого фахверка 6 м.

Инженерно-геологические условия  площадки строительства  установлены  бурением  4 скважин на глубину  20 м (таблица 2).  Подземные воды  во  всех скважинах распложены на глубине 0,9 м от отметки природного рельефа NL. Исходные показатели физико-механических свойств грунтов приведены в таблице 3.

Таблица 2

Инженерно-геологический условия площадки

Таблица 3

Исходные  показатели физико-механических свойств грунтов

2. Определение нагрузок, действующих на фундаменты

Расчет  нормативных значений усилий на уровне обреза фундаментов от нагрузок, воспринимаемых рамой каркаса (постоянная, снеговая, ветровая и крановая), выполняется  на ЭВМ. Наиболее нагруженными являются фундаменты по оси Д; нормативные значения усилий этих фундаментов приведены в таблице 4.

Таблица 4

Нормативные значения усилий на уровне обреза фундаментов  по оси Д от нагрузок и воздействий, воспринимаемых рамой каркаса

Таблица 5

Нормативные значения усилий на уровне обреза фундамента для основных сочетаний нагрузок

Наиболее неблагоприятным является сочетание из постоянной (1) и всех кратковременных 0,9*[(2) + (3) + (4)] нагрузок.

Для расчетов по деформациям (γ_f = 1.0):

N _{col, II} = N_n × γ_f = 2159,4 × 1 = 2159,4 кН

M _{col, II} = M_n × γ_f = 1097,1 × 1 = -1097,1 кН×м

Q _{col, II} = Q_n × γ_f = 96,7 × 1 = 96,7 кН

Для расчетов по несущей способности (γ_f = 1,2):

N _{col, I} = N_n × γ_f = 2159,4 × 1,2 = 2591,3 кН

M _{col, I} = M_n × γ_f = 1097,1 × 1,2 = 1316,5 кН×м

Q _{col, I} = Q_n × γ_f = 96,7 × 1,2 = 116 кН

3. Оценка инженерно – геологических и гидрогеологических условий площадки строительства

Планово-высотная привязка здания на площадке строительства  приведена на рис.1. (размеры и отметки в метрах). Инженерно-геологические разрезы, построенные по скважинам 1,2, показаны на рис. 2.

Вычисляем необходимые показатели свойств  и состояния грунтов по приведенным  в таблице 3 исходным данным. Результаты вычислений представлены для всех слоев в таблице 6.

Таблица 6

Показатели  свойств и состояния грунтов (вычисляемые)

Примечание. Наименование грунта по ГОСТ 25100-95: 2-й слой – суглинок мягкопластичный; 3-й слой – суглинок текучепластичные ; 4-й слой – Глины пески мелкие.

Слой 2 – суглинок

Плотность сухого грунта: ρ_d =ρ_n /(1 + 0,01×W) = 1,95/ (1+0,01*26,4) = 1,54 т/м³

Пористость: n = (1 – ρ_d /ρ_s) ×100 = (1 – 1,54 /2,7) ×100 = 43%

Коэффициент пористости: e = n/(100 – n) = 43/(100 – 43) = 0,75

Степень влажности: S_r=W×ρ_s/(e×q_w)= 26,4/100×2.7/(0.75×1)=0.75, где q_w = 1 т/м³ – плотность воды

Число пластичности: I_p = W_L – W_р = 32,9-22,9=10%

Показатель  текучести: I_L = (W – W_р) /(W_L – W_р)= (26,4 –22,9) /(32,9 – 22,9)=0,4

Расчетные значения удельного веса и удельного  веса частиц:

γ_I = ρ_I×g = 1,9×9,81=18,64;

γ_II = ρ_II×g = 1.92×9,81=18,84;

γ_s = ρ_s×g = 2.70×9,81=26.49.

Удельный  вес грунта, расположенного ниже УПВ, с учетом взвешивающего действия воды:

γ_sb = (γ_s -γ_w) /(1+e)= (26,49 -10) /(1+0,75)=9,42,

где γ_w = 10 кН/м³ – удельный вес воды

Для определения условного расчетного сопротивления грунта по формуле (7) СНиП 2.02.01-83* принимаем условные размеры  фундамента d₁ = d_усл = 2 м и b_усл =1 м (п.1.3.4) и установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты g_c1, g_c2, k, M_g, M_q и M_c. Коэффициенты g_c1, g_c2 принимаем по табл.3 СНиП 2.02.01-83*: для суглинка (I_L<0,5) g_c1=1,2; для здания с гибкой конструктивной схемой g_c2=1. Коэффициент k=1 принимаем по указаниям п.2.41 СНиП 2.02.01-83*. Для j_II=21° по табл.4 СНиП 2.02.01-83* имеем M_g=0,56, M_q=3,24, M_c=5,84.

Удельный  вес грунта выше подошвы условного  фундамента до глубины d_w=0,90 м принимаем без учета взвешивающего действия воды γ_II=18,84, а ниже уровня УПВ, т.е. в пределах глубины d=d_усл- d_w и ниже подошвы фундамента, принимаем γ_sb =9,42 кН/м³ (п 1.3.4); удельное сцепление с_II=23 кПа.

Вычисляем условно расчетное сопротивление:

=1,2*1,0/1·(0,56·1·1·9,42+3,24· [0,95·18,84+(2-0,95) ·9,42] +5,84·23) = 275,56 кПа.

Полное  наименование грунта слоя № 2 по ГОСТ 25100-95 - суглинок тугопластичный. Этот грунт может быть использован как естественное основание, поскольку имеет достаточную прочность. (R_усл= 275,56 кПа).

Слой 3 – суглинок

Плотность сухого грунта: ρ_d =ρ_n /(1 + 0,01×W) = 1,94/ (1+0,01*26,9) = 1,53 т/м³

Пористость: n = (1 – ρ_d /ρ_s) ×100 = (1 – 1,53 /2,73) ×100 = 44%

Коэффициент пористости: e = n/(100 – n) = 44/(100 – 44) = 0,79

Степень влажности: S_r=W×ρ_s/(e×q_w)= 26,9/100×2.73/(1×1)=0,93, где q_w = 1 т/м³ – плотность воды

Число пластичности: I_p = W_L – W_р = 31,9-16,4=15,5%

Показатель  текучести: I_L = (W – W_р) /(W_L – W_р)= (26,9 –16,4) /(31,9 – 16,4)=0,7

Расчетные значения удельного веса и удельного  веса частиц:

γ_I = ρ_I×g = 1,89×9,81=18,54;

γ_II = ρ_II×g = 1.91×9,81=18,74;

γ_s = ρ_s×g = 2.73×9,81=26.78.

Удельный  вес грунта, расположенного ниже УПВ, с учетом взвешивающего действия воды:

γ_sb = (γ_s -γ_w) /(1+e)= (26,78 -10) /(1+0,79)=9,37,

где γ_w = 10 кН/м³ – удельный вес воды

Для определения условного расчетного сопротивления грунта по формуле (7) СНиП 2.02.01-83* принимаем условные размеры  фундамента d₁ = d_усл = 2 м и b_усл =1 м (п.1.3.4) и установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты g_c1, g_c2, k, M_g, M_q и M_c.  Коэффициенты g_c1, g_c2 принимаем по табл.3 СНиП 2.02.01-83*: для суглинка (I_L>0,5) g_c1=1; для здания с гибкой конструктивной схемой g_c2=1. Коэффициент k=1 принимаем по указаниям п.2.41 СНиП 2.02.01-83*. Для j_II=17° по табл.4 СНиП 2.02.01-83* имеем M_g=0,39, M_q=2,57, M_c=5,15.

Удельный  вес грунта выше подошвы условного  фундамента до глубины d_w=0,90 м принимаем без учета взвешивающего действия воды γ_II=18,74, а ниже уровня УПВ, т.е. в пределах глубины d=d_усл- d_w и ниже подошвы фундамента, принимаем γ_sb =9,37 кН/м³ (п 1.3.4); удельное сцепление с_II=18 кПа.

Вычисляем условно расчетное сопротивление:

= 1*1/1*(0,39*1*1*9,37+2,57*(0,95*18,74+(5,7-0,95)*9,37)+5,15*18)=256,49 кПа

Полное  наименование грунта слоя № 3 по ГОСТ 25100-95 - суглинок мягкопластичный.

Слой 4 – глины пески мелкие

Плотность сухого грунта: ρ_d =ρ_n /(1 + 0,01×W) = 1,98/ (1+0,01*21,7) = 1,63 т/м³

Пористость: n = (1 – ρ_d /ρ_s) ×100 = (1 – 1,63 /2,67) ×100 = 39%

Коэффициент пористости: e = n/(100 – n) = 39/(100 – 39) = 0,64

Степень влажности: S_r=W×ρ_s/(e×q_w)= 21.7/100×2.67/(0,64×1)=0,92, где q_w = 1 т/м³ – плотность воды

Расчетные значения удельного веса и удельного  веса частиц:

γ_I = ρ_I×g = 1,93×9,81=18,93;

γ_II = ρ_II×g = 1.95×9,81=19,13;

γ_s = ρ_s×g = 2.67×9,81=26.19.

Удельный  вес грунта, расположенного ниже УПВ, с учетом взвешивающего действия воды:

γ_sb = (γ_s -γ_w) /(1+e)= (26,19 -10) /(1+0,64)=9,87,

где γ_w = 10 кН/м³ – удельный вес воды

Для определения условного расчетного сопротивления грунта по формуле (7) СНиП 2.02.01-83* принимаем условные размеры  фундамента d₁ = d_усл = 2 м и b_усл =1 м (п.1.3.4) и установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты g_c1, g_c2, k, M_g, M_q и M_c.  Коэффициенты g_c1, g_c2 принимаем по табл.3 СНиП 2.02.01-83*: для глины пески мелкие (0,25<I_L<0,5) g_c1=1,3; для здания с гибкой конструктивной схемой g_c2=1,1. Коэффициент k=1 принимаем по указаниям п.2.41 СНиП 2.02.01-83*. Для j_II=14° по табл.4 СНиП 2.02.01-83* имеем M_g=1,34, M_q=6,34, M_c=8,55.

Удельный  вес грунта выше подошвы условного  фундамента до глубины d_w=0,90 м принимаем без учета взвешивающего действия воды γ_II=19,13, а ниже уровня УПВ, т.е. в пределах глубины d=d_усл- d_w и ниже подошвы фундамента, принимаем γ_sb =9,87 кН/м³ (п 1.3.4); удельное сцепление с_II=2 кПа.

Вычисляем условно расчетное сопротивление:

=1*1/1,1*(1,34*1*1*9,87+6,34*(0,95*19,13+(5,7-0,95)*9,87+1,96*9,87)+8,55*2)=808,57 кПа

Полное  наименование грунта слоя № 4 по ГОСТ 25100-95 – пески мелкие.

Заключение

В целом  площадка пригодна для возведения здания. Рельеф площадки спокойный с небольшим  уклоном в сторону 1 и 3 скважин. Грунты имеют слоистое напластование, с выдержанным залеганием пластов (уклон кровли не превышает 2%). Все грунты имеют достаточную прочность, невысокую сжимаемость и могут быть использованы в качестве оснований в природном состоянии. Грунтовые воды расположены на небольшой глубине, что значительно ухудшает условия устройства фундаментов: при заглублении фундаментов более 0,90 м необходимо водопонижение; возможность открытого водоотлива из котлованов, разработанных в суглинке, должна быть обоснована проверкой устойчивости дна котлована (прорыв грунтовых вод со стороны слоя суглинка); суглинок, залегающий в зоне промерзания, в соответствии с табл.2 СНиП 2.02.01-83, является пучинистым грунтом, поэтому глубина заложения фундаментов наружных колонн здания должна быть принята не менее расчетной глубины промерзания суглинка, а при производстве работ в зимнее время необходимо предохранение основания от промерзания.

Целесообразно рассмотреть следующие возможные  варианты фундаментов и оснований:

1) фундамент  мелкого заложения на естественном  основании - глина

2) свайный  фундамент из забивных висячих  свай; несущим слоем для свай  может служить глина (слой 4).

Следует предусмотреть срезку и использование  почвенно-растительного слоя при  благоустройстве и озеленении застраиваемого участка (п.1.5 СНиП 2.02.01-83).

4. Расчет и проектирование варианта фундамента на естественном основании

Проектируется монолитный фундамент  мелкого заложения на естественном основании по серии 1.412-2/77 под колонну, расположенную по осям Д-2, для исходных данных, приведенных выше.

1. Определение глубины заложения фундамента

Первый фактор - учет глубины сезонного промерзания грунта. Грунты основания пучинистые, поэтому глубина заложения фундамента d от отметки планировки DL должна быть не менее расчетной глубины промерзания. Для t_вн = 10° и грунта основания, представленного суглинком, по 2.28 СНиП 2.02.01-83*:

d  ³  d_f =  K_h×d_fn  =  K_h×d₀ =  0,9×0,23×√55,2 = 1,5 м.

Коэффициент K_h = 0,7 принят как уточненный при последующем расчете в соответствии с указаниями примечания к табл.1 СНиП 2.02.01-83 (расстояние от внешней грани стены до края фундамента a_f = 1,1 м > 0,5 м).

Второй фактор - учет конструктивных особенностей здания. Для заглубления баз стальных колонн обрез фундамента принимают на отметке -0,700.  Высота фундамента  стальной колонны должна составлять не менее, чем (l_ан +100_мм.), где l_ан – глубина заделки анкерных болтов в фундамент, равная 1200 мм. Т.е необходимая высота фундамента  H_ф = 1,5 м. Таким образом, по второму фактору глубина залегания d =  1,5+0,7-0,15=2,05 м.

Третий фактор - инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки. С поверхности на большую глубину залегает слой 2, представленный достаточно прочным малосжимаемым суглинком (R_усл = 275,56 кПа). Подстилающие слои 3 и 4 по сжимаемости и прочности не хуже среднего слоя. В этих условиях, учитывая высокий УПВ, глубину заложения подошвы фундамента целесообразно принять минимальную, однако достаточную из условий промерзания и конструктивных требований.

С учетом всех трех факторов, принимаем  глубину заложения от поверхности  планировки (DL) d = 1,8 м, Н_ф = 1,5 м. Абсолютная отметка подошвы фундамента (FL) составляет 63,2 м, что обеспечивает выполнение требования о минимальном заглублении в несущий слой. В самой низкой точке рельефа заглубление в несущий слой 2 от отметки природного рельефа (NL) равной 65,88 м составляет: 65,88 – 0,3 - 63,2 = 2,68 м.

2. Определение площади подошвы фундамента

Площадь А_тр подошвы фундамента определяем по формуле:

А_тр = N_{col II} / (R_усл - g_mt×d) = 2159,4 / (275,56 - 20×2,05) = 9,2 м²,

где g_mt = 20 кН / м³ - средний удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах.

3. Выбор фундамента и определение нагрузки на грунт

Принимаем фундамент ФВ11-1 с размерами подошвы l = 3,6 м, b = 3 м, тогда

А = l × b = 10,8 м², Нф = 1,5 м, V_fun=6,8

Вычисляем расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:

G_funII = V_fun ×g_b × g_f = 6,8 × 25×1 = 170 кН;

V_g = l×b×d - V_fun = 3,6 × 3 × 2,05 – 6,8 = 15,34 м³;

G_gII = V_g × k_pз × g_II × g_f  = 15,34 × 0,95 × 18,84 × 1 = 274,56 кН.

Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:

N_totII = N_{col II} + G_{fun II} + G_gII =2159,4 + 170+ 274,56 = 2603,96 кН;

M_totII = M_{col ll} + Q _{col ll} × Нф  = 1097,1 +  96,7×1,5 = 1242,15 кН×м

Q_totII = Q_{col II} = 96,7 кН.

4. Расчетное сопротивление грунта.

Уточняем расчетное сопротивление R для принятых размеров фундамента

(b = 3,6 м, l = 3 м, d = 2,05 м):

R_усл= 1,2*1/1·(0,56·1·3·9,42+3,24· [0,95·18,84+(2,05-0,95) ·9,42] +5,84·23) = 290,04 кПа.

5. Давление на грунт под подошвой фундамента.

Определяем среднее P_IImt, максимальное P_IImax и минимальное P_IImin давления на грунт под подошвой фундамента

P_IImax= N_totll/A + M_totll/w = N_totll/(b×l) + M_totll×6/(b×l²)=2603,96/(3,6×3)+(1242,15×6)/(3×3,6²)= =432,69 кПа

P_IImin=N_totll/A-M_totll/w=N_totll/(b×l)-(M_totll×6)/(b× l²)= 2603,96/(3,6×3)+(1242,15×6)/(3×3,6²)

=49,31 кПа

P_IImax = 432,69 кПа > 1,2×R = 1,2 × 290,04 = 348,048 кПа

Условия не выполняются, значит необходимо увеличить площадь подошвы  фундамента.

Принимаем фундамент ФВ12-1 с размерами подошвы l = 4,2 м, b = 3 м, тогда

А = l × b = 12,6 м², Нф = 1,5 м, V_fun=7,8

Вычисляем расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:

G_funII = V_fun ×g_b × g_f = 7,8 × 25×1 = 195 кН;

V_g = l×b×d - V_fun = 4,2 × 3 × 2,05 – 7,8 = 18,03 м³;

G_gII = V_g × k_pз × g_II × g_f  = 18,03 × 0,95 × 18,84 × 1 = 322,7 кН.

Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:

N_totII = N_{col II} + G_{fun II} + G_gII =2159,4 + 195+ 322,7 = 2677,1 кН;

M_totII = M_{col ll} + Q _{col ll} × Нф  = 1097,1 +  96,7×1,5 = 1242,15 кН×м

Q_totII = Q_{col II} = 96,7 кН.

6. Расчетное сопротивление грунта.

Уточняем расчетное сопротивление R для принятых размеров фундамента

(b = 4,2 м, l = 3 м, d = 2,05 м):

R_усл= 1,2*1/1·(0,56·1·3·9,42+3,24· [0,95·18,84+(2,05-0,95) ·9,42] +5,84·23) = 290,04 кПа.

7. Давление на грунт под подошвой фундамента.

Определяем среднее P_IImt, максимальное P_IImax и минимальное P_IImin давления на грунт под подошвой фундамента

P_IImax= N_totll/A + M_totll/w = N_totll/(b×l) + M_totll×6/(b×l²)= 2677,1 /(4,2×3)+(1242,15×6)/(3×4,2²)= =352,46 кПа

P_IImin=N_totll/A-M_totll/w=N_totll/(b×l)-(M_totll×6)/(b× l²)= 2677,1 /(4,2×3)+(1242,15×6)/(3×4,2²)

=72,46 кПа

P_IImax = 352,46 кПа > 1,2×R = 1,2 × 290,04 = 348,048 кПа

Условия не выполняются, значит необходимо увеличить площадь подошвы  фундамента.

Принимаем фундамент ФВ13-1 с размерами подошвы l = 4,2 м, b = 3.6 м, тогда

А = l × b = 15,12 м², Нф = 1,5 м, V_fun=9,3

Вычисляем расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:

G_funII = V_fun ×g_b × g_f = 9,3× 25×1 = 232,5 кН;

V_g = l×b×d - V_fun = 4,2 × 3,6 × 2,05 – 9,3 = 21,7 м³;

G_gII = V_g × k_pз × g_II × g_f  = 21,7 × 0,95 × 18,84 × 1 = 388,32 кН.

Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:

N_totII = N_{col II} + G_{fun II} + G_gII =2159,4 + 232,5 + 388,32 = 2780,2 кН;

M_totII = M_{col ll} + Q _{col ll} × Нф  = 1097,1 +  96,7×1,5 = 1242,15 кН×м

Q_totII = Q_{col II} = 96,7 кН.

8. Расчетное сопротивление грунта.

Уточняем расчетное сопротивление R для принятых размеров фундамента

(b = 4,2 м, l = 3,6 м, d = 2,05 м):

R_усл= 1,2*1/1·(0,56·1·3,6·9,42+3,24· [0,95·18,84+(2,05-0,95) ·9,42] +5,84·23) = 291,9 кПа.

9. Давление на грунт под подошвой фундамента.

Определяем среднее P_IImt, максимальное P_IImax и минимальное P_IImin давления на грунт под подошвой фундамента

P_IImax= N_totll/A + M_totll/w = N_totll/(b×l) + M_totll×6/(b×l²)= 2780,2 /(3,6×4,2)+(1242,15×6)/(3,6×4,2²)= =301,24 кПа

P_IImin=N_totll/A-M_totll/w=N_totll/(b×l)-(M_totll×6)/(b× l²)= 2780,2 /(3,6×4,2)+(1242,15×6)/(3,6×4,2²)

=66,46 кПа

P_IImax = 301,24 кПа < 1,2×R = 1,2 × 291,9 = 350 кПа

P_IImin=66,46 > 0

P_IImt= N_totll/A=2780,2 /(3,6×4,2)=183,83 < R = 291,9

Условия выполняются!

4.6 Расчет осадки  фундамента методом послойного  суммирования

Для расчета осадки фундамента методом послойного суммирования составляем расчетную схему, совмещенную с  геологической колонкой по оси фундамента А-5.

Напряжение  от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента при планировке срезкой в соответствии с п.1 прил.2 СНиП 2.02.01-83:

s_zg,0 = [g_II×d_w + g_{sb II} ×(d - d_w)] = [18,84×0,95 + 9,42 × (2,05 – 0,95)] = 28,35 кПа.

Дополнительное  вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы фундамента:

s_{zp 0} = P₀  = P_IImt - s_zg,0 = 183,83 – 28,35 = 155,48 кПа.

Соотношение сторон подошвы фундамента:.ŋ=l/b=4,2/3,6=1,17

Значения коэффициента a устанавливаем по табл.1 прил.2 СНиП 2.02.01-83.

Для удобства пользования указанной  таблицей из условия: ξ=2h/b=0,4 принимаем толщину элемента слоя грунта h_i = 0,2 × b = 0,2 × 3,6= 0,72 м.

Дальнейшие  вычисления сводим в таблицу 8.

Определение осадки.