Устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения в различных инженерно геологических ус

Введение

     Любое здание или сооружение строится на грунтовом основании. Его прочность, устойчивость и нормальная эксплуатация определяются не только конструктивными  особенностями сооружения, но и свойствами грунта, условиями взаимодействия сооружения и основания.

     Нормальная  эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько  правильно запроектировано и  осуществлено его взаимодействие с  основанием. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки  строительства.

     В настоящее время наметилась тенденция  к повышению этажности зданий, увеличению габаритов сооружений и  массы технологического оборудования, что связано с увеличением  нагрузок на основания. Одновременно возросли требования к качеству строительства, сокращению его материалоемкости, стоимости  и продолжительности работ. Это  повышает значение правильной оценки несущей способности грунтов  оснований, выбора оптимальных типов фундаментов и проектирования их конструкций, обеспечивающих нормальную эксплуатацию сооружений.

     Уплотнение  городской и промышленной застройки, интенсивное использование подземного пространства требуют надежной оценки влияния строительных работ на существующие здания, обоснования безопасных технологий строительства. Сложные проблемы возникают  в связи с резким увеличением  объемов работ по реконструкции  зданий и сооружений.

     Всякое  сооружение покоится на грунтовом основании. В зависимости от геологического строения участка застройки, строение основания, даже расположенных вблизи сооружений, может быть различным. Обычно, основание состоит из нескольких типов грунтов, которые определенным образом сочетаются в пространстве.

     Сооружение  и основание составляют единую систему. Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузками от сооружения во многом определяют прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию сооружения. Поэтому инженер-строитель должен хорошо понимать, что представляют собой грунты, каковы их особенности по сравнению с конструкционными материалами (бетон, железобетон, металл, кирпич и т.п.), каким образом залегают грунты в основании сооружения, что определяет свойства грунтов и грунтовых оснований, их поведение под нагрузками и другими воздействиями.

     Цель  настоящей курсовой работы – научить  будущих инженеров-строителей обоснованию  и принятию оптимальных решений  по устройству оснований и фундаментов  зданий и сооружений промышленного  и гражданского назначения в различных  инженерно геологических условиях. 
 
 
 

     1. Исходные данные. Оценка инженерно-геологических  условий площадки 

1. Назначение  и конструктивные особенности подземной  части здания

     Проектируемым зданием является электровозное депо. Высота здания – 17 м. В плане объект имеет прямоугольную конструкцию со следующими габаритными размерами: в осях 1-7-36 м с шагом колонн по 6 м; в осях А-Г – 28.5 м. Размеры колонн по оси А и по оси Б – 400 х 400 мм, по оси В и по оси Г – 600 х 400 мм. В зданиях отсутствует подвальное помещение.

     Фундамента  воспринимают нагрузку от колонн и  передают ее на основание.

     Нагрузки  и воздействия на основание определяется суммированием усилий, действующих  в сечении по обрезу фундамента, и соответствующих усилий, возникающей  от собственного веса фундамента, веса грунта на уступах фундамента. 

2. Характеристика  площадки, инженерно-геологические  и гидрологические  условия

     Оценка  инженерно-геологических условий  начинается с анализа напластования  грунтов (наименование грунтов, условия  залегания, мощность, наличие и глубина  залегания подземных вод). Для  этого в соответствии с исходными  данными, приведенными в приложении к заданию на курсовое проектирование, строим геологический разрез (см. рис. 1).

     Отметка 0,000 соответствует отметке 140,000 м на местности. нормативная глубина промерзания грунта в районе строительства – 1,9 м. Подземные воды замечены на отметке 139,3 м.

     Площадка  района строительства сложена следующими грунтами:

     Для количественной оценки прочностных  и деформационных свойств грунтов площадки вычисляем производные характеристики физических свойств: 1) для песчаных грунтов – коэффициент пористости и степень влажности; 2) для пылевато-глинистых грунтов – число пластичности, показатель текучести, коэффициент пористости и степень влажности.

     Результаты  вычислений производственных характеристик  физических свойств грунтов сводим в таблицу 2. 

3. Строительная классификация грунтов площадки

      Слой 1. Почвенный слой мощностью h₁ = 0.2 м.

      Слой 2. Песок гравелистый мощность h₂ = 5.0 м.

      Коэффициент пористости грунта определяем по формуле: 

  - плотность частиц  грунта, г / см³;

- плотность  грунта, г / см³;

W – природная влажность, доли единицы.  

     Вид песчаного грунта по плотности сложения устанавливаем по коэффициенту пористости: → песок гравелистый плотный.

     Степень влажности грунта определяем по формуле: 

где   - плотность воды;  г/ см³. 

      Слой 3. Песок средней крупности мощностью h₃ = 6.0 м. 
 

       Слой 4. Песок мелкий мощностью h₄ = 7.0 м. 
 

       Слой 5. Суглинок мощностью h₅ = 2.0 м.

       Число пластичности грунта определяем по формуле: 

- влажность на границе  текучести, % ;

-  влажность на границе  раскатывания, %; 

      Показатель  текучести грунта определяем по формуле: 
 
 
 

      Слой 6. Суглинок мощностью h₆ = 3.0 м. 
 

 Для  песчаных грунтов устанавливаем  вид по плотности сложения  в зависимости от коэффициента  пористости и разновидность в  зависимости от степени влажности. 

        Для пылевато-глинистых грунтов  в зависимости от показателя  текучести определяем разновидность  пылевато-глинистого грунта.

     По  значениям характеристик физических свойств грунтов, определяющих их тип  и разновидность, выписываем из соответствующих таблиц СНБ значения угла внутреннего трения , удельного сцепления  , модуля деформации и расчётного сопротивления грунта  .

        В целях наглядного представления  о строительных свойствах грунтов  площадки классификационные показатели  сводим в таблицу 2. 
 

4. Оценка  строительных свойств грунтов площадки и возможные варианты фундаментов здания

     По  характеристикам механических свойств  грунтов () и значению расчетного сопротивления можно судить о несущей способности, деформативности грунта и возможности использования его в качестве основания фундамента. Явными для этой цели служат модуль деформации и расчетное сопротивление .

     Грунты  принято считать малосжимаемыми (а, следовательно, хорошими как основания  для сооружений), если  модуль деформации ; среднесжимаемыми при и сильносжимаемыми, если . Опирать фундаменты на сильносжимаемые грунты с показателем текучести, превышающим 0.75 небезопасно, и использовать эти грунты в качестве оснований капитальных зданий нормативными документами не допускается.

     1 слой – почвенный. Перед началом  производственных работ по строительству  сооружений его снимают и складируют  в штабеля в пределах площадки  строительства, поэтому почвенный  слой и его характеристики  в расчеты не включают;

     2 слой – песок гравелистый плотный  насыщенный водой, модуль деформации  , следовательно, этот слой является несущим;

     3 слой – песок средней крупности  насыщенный водой, модуль деформации  , следовательно, этот слой является несущим;

     4 слой – песок мелкий рыхлый, насыщенный водой, модуль деформации , следовательно, этот слой является несущим;

     5 слой – суглинок мягкопластичный,  модуль деформации , следовательно, этот слой может являться несущим;

     6 слой – суглинок тугопластичный, модуль деформации , следовательно, этот слой может являться несущим.

     Поскольку все слои грунтов, составляющие геологический  разрез площадки, являются несущими, наиболее экономически целесообразным считаем  размещение фундаментов во втором слое. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Фундаменты мелкого заложения 

2.1. Нагрузки, учитываемые  в расчетах оснований  фундаментов 

     Исходя  из задания, необходимо рассчитать фундамент  Ф3. Этот фундамент запроектирован под  сборные железобетонные колоны. Тип  фундамента – отдельный фундамент стаканного типа.

     Глубина заложения фундамента зависит от многих факторов. Определяющими из них являются:

1. инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки и положения несущего слоя грунта;
2. глубина промерзания грунта;
3. конструктивные особенности подземной части здания (наличие подвала коммуникаций, примыкание к соседнему зданию и т.д.).

     Предварительную глубину заложения фундамента назначаем  исходя из конструктивных соображений.

     Здание  электровозного депо подвала не имеет.

     Несущим слоем грунта является грунт №2 - песок гравелистый, плотный. Заглубление фундамента в несущий слой грунта должно быть на 0,1 - 0,15 м.

     Глубина заложения фундамента, с учетом глубины  промерзания, назначается в соответствии с указаниями, приведенными в табл. 2 СНБ [4].

     Расчетная глубина сезонного промерзания  грунта у фундамента определяется по формуле:

     d_f =K_h*d_fn =0,5*1.9=0.95 м,

     где K_h - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания на глубину промерзания грунта у фундамента стен и колонн, принимается по табл. 1 [4]; d_fn - нормативная глубина сезонного промерзания грунта, принимаем из табл. 1 СНБ [4].

     При назначении глубины заложения фундаментов  каркасных зданий надо иметь в  виду, что фундаменты сборных железобетонных колонн принимаются обычно типовые, минимальная высота которых 1,5 м. За окончательно глубину заложения фундаментов принимаем глубину равную 1.7 м из конструктивных соображений. 
 

2.3. Определение размеров  подошвы фундамента

     Размеры подошвы фундамента зависят от ряда связанных между собой параметров и устанавливаются путем последовательного приближения.

       – расчетная нагрузка в плоскости обреза фундамента;

       – расчетное сопротивление грунта, залегающего под подошвой фундамента;

       – среднее значение удельного веса фундамента;

       – глубина заложения фундамента от уровня планировки.

     Для фундамента Ф3: 

     У фундаментов прямоугольной подошвой задают отношение сторон: 

     Ширина  подошвы фундамента: 

     Длина подошвы фундамента: 

     С учетом унификации окончательные размеры  фундамента: 

     Суммарные нагрузки и воздействия на подошве  фундамента Ф3 можно представить  в виде:

     а) нормальная нагрузка:

     N_II =N_0II + G_фII + G_грII ;

     N_0II – вертикальная нормальная нагрузка в плоскости обреза фундамента;

     G_фII – расчетная нагрузка от веса фундамента;

     G_грII – расчетная нагрузка от веса грунта на консоли подушки. 

     б) момент в плоскости подошвы фундамента: 
 

      Рис. Габаритные размеры фундамента Ф3 

     2.4. Проверка напряжений  в основании и  уточнение размеров  подошвы фундамента

      Принятые  в первом приближении размеры  подошвы фундамента уточняются исходя из требований СНБ [9], выражаемых неравенствами:

где     Р – среднее давление под подошвой фундамента, кПа;

       ;

      P_max и P_min – соответственно максимальное и минимальное значение краевого давления по подошве внецентренно нагруженного фундамента, определяемого по формуле внецентренного сжатия 

где    W – момент сопротивления подошвы фундаменты;

      R – расчетное сопротивление грунта основания, кПа, определяемое по формуле: 

где     – коэффициенты условий работы;

        – коэффициент, принимаемый равный: = 1, если прочностные характеристики грунта (j и с) определены непосредственными испытаниями и = 1.1 – если они приняты по таблице[9];

        – коэффициенты, принимаемые по  табл. В.2. [11];

        – ширина подошвы фундамента, м;

        – коэффициент,  принимаемый равный: = 1 при < 10 м;

        – определенное  значение удельного  веса грунтов,  залегающих выше  подошвы фундамента (при  наличии подземных  вод определяется  с учетом взвешивающего  действия воды), кН/м³;

        – то же, залегающих ниже подошвы фундамента, кН/м³;

        – расчетное значение  удельного сцепления  грунта, залегающего  непосредственно  под подошвой фундамента, кПа;

        – глубина заложения  фундаментов бесподвальных  сооружений от  уровня планировки, м;

        – глубина подвала - от уровня планировки до пола подвала, м. 

     Вес 1 м подошвы фундамента: 

     Принимая  удельный вес грунта засыпки равным 18 кН/м³ определим вес 1 м длины грунта на обрезах фундамента: 

     Среднее давление на подошве фундамента: 

     Основное  условие  выполняется. 
 

2.5. Расчет осадки фундамента

     Сущность  расчета осадки фундамента заключается  в удовлетворению условию:

где     S – конечная осадка отдельного фундамента, определяемая расчетом;

        – предельная величина деформации основания фундаментов зданий  сооружений, принимаемая по [11].

      Значение  конечной осадки вычисляется по методу послойного суммирования по формуле:

где     S – конечная (стабилизированная) осадка фундамента;

      S_i – осадка i-го слоя грунта основания;

      b – безразмерный коэффициент, принимаемый равным 0,08;

      n – число слоев, на которое разбита сжимаемая толща основания;

      s_zp,i – среднее значение дополнительного напряжения в i-м слое грунта;

      h_i – толщина i-го слоя грунта;

      Е_i – модуль деформации i-го слоя грунта.

      Значения  вертикального напряжения от собственного веса грунта на границах выделенных слоев  оси z, проходящей через центр подошвы фундамента, определяют по формуле: 

где    – напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента; 

        – удельный вес грунта, залегающего выше подошвы фундамента;

        – глубина заложения фундамента  от поверхности природного рельефа;

        – собственно удельный вес и толщина i-го слоя грунта.

     Удельный  вес 6-го слоя грунта с учетом взвешивающего  действия воды: 

     Находим значение эпюры вертикальных напряжений от действия собственного действия грунта и вспомогательной :

• на поверхности земли

• на уровне подошвы фундамента

• на уровне контакта 2-го и 3-го слоев

• на уровне контакта 3-го и 4-го слоев

     По полученным данным построим эпюры вертикальных напряжений и вспомогательную.

     Дополнительное  вертикальное давление по подошве фундамента: 

Рис. Расчетная схема для расчета осадки фундамента

     Построим  эпюру дополнительных вертикальных напряжений от верхней нагрузки, в толще основания рассчитываемого фундамента используя формулу  
и значений таблицы коэффициента , определяя нижнюю границу сжимаемой толщи по точке пересечения дополнительной эпюры дополнительного давления. Все вычисления проведем в табличной форме (см. таб. 3)

     Таблица 3

     Вычислим  осадку фундамента, пренебрегая различием  модуля деформации на границе слоев  грунта, принимая во внимание, что данное предложение незначительно скажется на результатах расчета: 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Свайные фундаменты

    3.1. Выбор типа и  конструкции свай  и свайного фундамента. Назначение глубины  заложения ростверка 

     Свайные фундаменты следует подразделять на фундаменты с высоким и низким ростверком; на сваи-стойки и сваи трения; на жесткие и гибкие.

     Фундаменты  из забивных свай рассчитываются в  соответствии с требованиями СНБ  5.01.01-99 по двум предельным состояниям:

• по предельному состоянию первой группы (по несущей способности): по прочности — сваи и ростверки, по устойчивости — основания свайных фундаментов;
• по предельному состоянию второй группы (по деформациям) — основания свайных фундаментов.

     Прежде  всего, необходимо выбрать тип сваи, назначить ее длину и размеры  поперечного сечения. Длину сваи назначают такой, чтобы ее острие было заглублено в плотный слой грунта:

• в мелкие пески и супеси — не менее чем на 2,0 м;
• в пески средней крупности, твердые глины и суглинки — не менее чем на 1,0 м;
• в крупные и гравелистые пески и галечники — не менее чем на 0,5 м. Полная длина сваи определяется как сумма:

     где — глубина заделки сваи в ростверк, которая принимается для свайных фундаментов с вертикальной нагрузкой не менее 5 см, для свайных фундаментов, работающих на горизонтальную нагрузку — не менее наибольшего размера поперечного сечения сваи;

     h — расстояние от подошвы ростверка до кровли несущего слоя;

       — глубина погружения нижнего конца сваи в несущий грунт.

     Рекомендуется применять железобетонные сваи квадратного  сечения размером 250 х 250,300 х 300 или 350 х 350 мм. Типовые размеры свай приведены в приложении 16.

     Глубина заложения ростверка назначается  в зависимости от:

     — наличия подвалов и подземных коммуникаций;