Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышленных и гражданских зданий

Содержание
1. Состав, анализ и оценка исходных данных для проектирования оснований и фундаментов
1.1 Исходные данные
1.2 Определение нагрузок, действующих на фундаменты
1.3 Оценка инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства
1.4 Определение степени агрессивности воздействия подземных вод и разработка рекомендаций по антикоррозийной защите подземных конструкций
2 Расчет и проектирование основных типов фундаментов и их оснований
2.1 Расчет и проектирование варианта фундамента на естественном основании
2.2 Расчет и проектирование варианта фундамента на искусственном основании в виде песчаной распределительной подушки
2.3 Расчет и проектирование свайного фундамента
3. Технико-экономическое сравнение и выбор основного варианта системы основание-фундамент
3.1 Принципы сопоставимости
3.2 Определение технико-экономических показателей
4. Учет особых условий проектирования и строительства
Литература
Приложение

Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышленных и гражданских зданий

n, %
e
Sr
IP, %
IL
γI/γII, кН/м3
γs, кН/м3
γsb, кН/м3
Rусл, кПа
2
1,54
43
0,754
0,95
10
0,35
18,6
18,8
26,5
9,4
229,4
3
1,53
44
0,786
0,93
15,5
0,68
18,5
18,7
26,8
9,5
260,7
4
1,63
39
0,639
0,91
-
-
18,9
19,1
26,2
9,9
598,4
Примечание. Наименование грунта по (1): 2-й слой – суглинок тугопластичный; 3-й слой – суглинок мягкопластичный; 4-й слой – песок мелкий, средней плотности, водонасыщенный.
Слой 2 – суглинок тугопластичный
Число пластичности: IP = WL – WP = 32,9 – 22,9 = 10 %.
Плотность сухого грунта: ρd = = = 1,54 т/м3.
Пористость и коэффициент пористости:
n = (1 - ρd/ ρs)х100 = (1 – 1,54/2,70)х100 = 43 %.
е = n/(100 - n) = 43/(100 - 43) = 0,754.
Степень влажности:
Sr = = = 0,95.
Показатель текучести: IL = = = 0,35.
По показателю текучести суглинок находится в тугопластичном состоянии
(1). Расчетные значения удельного веса и удельного веса частиц:
γI = ρIg = 1,90х9,81 = 18,6 кН/м3;
γII = ρIIg = 1,92х9,81 = 18,8 кН/м3;
γs = ρsg = 2,7х9,81 = 26,5 кН/м3.
Удельный вес суглинка, расположенного ниже УПВ, с учетом взвешивающего действия воды:
γsb = = = 9,4 кН/м3.
Для определения условного расчетного сопротивления грунта по формуле 7 (2) примем условные размеры фундамента d1 = dусл = 2м bусл = 1м и установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты γс1, γс2, k, Mγ, Mq и Мс. Коэффициенты γс1 и γс2 принимаем по табл. 3 (2): для суглинка тугопластичного (0,25 < IL < 0,50) γс1 = 1,0; для здания с гибкой конструктивной схемой γс2 = 1,0. Коэффициент k = 1 принимаем по указаниям п. 2.41 (2). Для φII = 210 по талб. 4 (2) имеем Mγ = 0,56; Mq = 3,24; Мс = 5,84.
Удельный вес грунта выше подошвы условного фундамента до глубины dw принимаем без учета взвешивающего действия воды γ׳II = 18,8 кН/м3, а ниже уровня УПВ, т.е. в пределах глубины d = dусл - dw и ниже подошвы фундамента, принимаем γII = 9,4 кН/м3; удельное сцепление сII = 23 кПа, db = 0.
Вычисляем условно расчетное сопротивление:
Rусл = {Mkzbγ + M[dwγ + (2 - dw)γ] + Мс] =
= {0,56х1х1х9,4 +3,24[0,95х18,8 + (2 – 0,95)х9,4] + 5,84х23} = 229,4 кПа.
Полное наименование грунта слоя 2 по (1) – суглинок тугопластичный; этот грунт может быть использован как естественное основание, поскольку имеет достаточную прочность (Rусл = 229,4 кПа; = 1514,26 кН; Е = 14,0 МПа > 5,0 МПа).
Слой 3 – суглинок мягкопластичный
Число пластичности: IP = 31,9 – 16,4 = 15,5 %.
Плотность сухого грунта: ρd = = 1,53 т/м3.
Пористость и коэффициент пористости:
n = (1 – 1,53/2,73)х100 = 44 %.
е = 44/(100 - 44) = 0,786.
Степень влажности:
Sr = = 0,93.
Показатель текучести: IL = = 0,68.
По показателю текучести суглинок находится в мягкопластичном состоянии
(1). Расчетные значения удельного веса и удельного веса частиц:
γI = 1,89х9,81 = 18,5 кН/м3;
γII = 1,91х9,81 = 18,7 кН/м3;
γs = 2,73х9,81 = 26,8 кН/м3.
Удельный вес суглинка, расположенного ниже УПВ, с учетом взвешивающего действия воды:
γsb = = 9,5 кН/м3.
Для определения условного расчетного сопротивления грунта по формуле 7 (2) примем условные размеры фундамента d1 = dусл = 2м bусл = 1м и установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты γс1, γс2, k, Mγ, Mq и Мс. Коэффициенты γс1 и γс2 принимаем по табл. 3 (2): для суглинка мягкопластичного (IL > 0,50) γс1 = 1,0; для здания с гибкой конструктивной схемой γс2 = 1,0. Коэффициент k = 1 принимаем по указаниям п. 2.41 (2). Для φII = 170 по талб. 4 (2) имеем Mγ = 0,39; Mq = 2,57; Мс = 5,15.
Удельный вес грунта выше подошвы условного фундамента до глубины dw принимаем без учета взвешивающего действия воды γ1II = 18,8 кН/м3, а ниже уровня УПВ, т.е. в пределах глубины d = dусл - dw и ниже подошвы фундамента, принимаем γIIsb = 9,5 кН/м3; удельное сцепление грунта, залегающего непосредственно под подошвой грунта сII = 23 кПа, db = 0.
Вычисляем условно расчетное сопротивление:
Rусл = {Mkzbγ + M[dwγ + (h1 - dw)γ] + Мс} =
= {0,39х1х1х9,5 + 2,57 х [0,95х18,8 + (5,85 - 0,95)х9,4] + 5,15х18} = 260,7 кПа.
Полное наименование грунта слоя 3 по (1) – суглинок мягколастичный; этот грунт может быть использован как естественное основание, поскольку имеет достаточную прочность (Rусл = 260,7 кПа; = 1514,26 кН; Е = 10,0 МПа > 5,0 МПа).
Слой 4 – песок мелкий
Плотность сухого грунта: ρd = = 1,63 т/м3.
Пористость и коэффициент пористости:
n = (1 – 1,63/2,67)х100 = 39 %.
е = 39/(100 - 39) = 0,639.
Степень влажности:
Sr = = 0,91.
Расчетные значения удельного веса и удельного веса частиц:
γI = 1,93х9,81 = 18,9 кН/м3;
γII = 1,95х9,81 = 19,1 кН/м3;
γs = 2,67х9,81 = 26,2 кН/м3.
Удельный вес песка, расположенного ниже УПВ, с учетом взвешивающего действия воды:
γsb = = = 9,9 кН/м3.
Для определения условного расчетного сопротивления грунта по формуле 7 (2) примем условные размеры фундамента d1 = dусл = 2м bусл = 1м и установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты γс1, γс2, k, Mγ, Mq и Мс. Коэффициенты γс1 и γс2 принимаем по табл. 3 (2): для песка мелкого γс1 = 1,1; для здания с гибкой конструктивной схемой γс2 = 1,0. Коэффициент k = 1 принимаем по указаниям п. 2.41 (2). Для φII = 320 по талб. 4 (2) имеем Mγ = 1,34; Mq = 6,34; Мс = 8,55.
Удельный вес грунта выше подошвы условного фундамента до глубины dw принимаем без учета взвешивающего действия воды γ1II = 18,8 кН/м3, а ниже уровня УПВ, т.е. в пределах глубины d = dусл - dw и ниже подошвы фундамента, принимаем γIIsb = 9,9 кН/м3; удельное сцепление грунта, залегающего непосредственно под подошвой грунта сII = 23 кПа, db = 0.
Вычисляем условно расчетное сопротивление:
Rусл = {Mkzbγ + M[dwγ + (h1 - dw)γ + h2 γ] + Мс} =
= {1,34х1х1х9.9 + 6,34 х [0,95х18,8 + (5,85 - 0,95)х9,4 + 1,8х9,5] + 8,55х2} = 598,4 кПа.
Полное наименование грунта слоя 4 по (1) – песок мелкий, средней плотности, водонасыщенный; этот грунт может быть использован как естественное основание, поскольку имеет достаточную прочность (Rусл = 598,4 кПа; = 1514,26 кН; Е = 28,0 МПа > 5,0 МПа).
Заключение
В целом площадка пригодна для возведения здания. Рельеф площадки спокойный с небольшим уклоном в сторону скважин 2 и 4. 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 0,95 м необходимо водопонижение; возможность открытого водоотлива из котлованов, разработанных в тугопластичном суглинке, должна быть обоснована проверкой устойчивости дна котлована (прорыв грунтовых вод со стороны слоя мягкопластичного суглинка); суглинок, залегающий в зоне промерзания, в соответствии с табл. 2 (2) является пучинистым грунтом (dw < df + 2м, IL > 0,25), поэтому глубина заложения фундаментов наружных колонн здания должна быть принята не менее расчетной глубины промерзания тугопластичного 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 – суглинке туглопластичном;
2) фундамент на распределительной песчаной подушке (может быть достигнуто уменьшение размеров подошвы фундаментов и расчетных осадок основания);
3) свайный фундамент из забивных висячих свай; несущим слоем для свай может служить песок мелкий, средней плотности (слой 4).
Следует предусмотреть срезку и использование почвенно-растительного слоя при благоустройстве и озелени застраиваемого участка (п. 1.5 (2)).
2 Расчет и проектирование основных типов фундаментов и их оснований
2.1 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 Е-5, для исходных данных приведенных выше.
2.1.1 Определяем глубину заложения фундамента с учетом трех факторов.
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 tвн = 50С и грунта основания, представленного тугопластичным суглинком, по п. 2.28 [2]
d df = = 0,9х0,23х= 1,73 м.
Коэффициент кh = 0,9 принят как уточненный при последующем расчете в соответствии с указаниями прим. 1 к табл.1 (2)(расстояние от внешней грани стены до края фундамента af = 1,5м > 0,5м).
Второй фактор – учет конструктивных особенностей здания. Для заданных размеров сечения колонны 500х1000 мм и необходимой глубины заделки анкерных болтов в фундамент (lan + 100 мм = 1200 + 100 = 1300 мм). Минимальный типоразмер высоты фундамента для указанного типа колонн Нф = 1,5 м. Таким образом, по второму фактору требуется
d = Нф + 0,700 = 1,5 + 0,7 = 2,2 м.
Третий фактор – инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки. С поверхности на большую глубину залегает слой 2, представленный достаточно прочным малосжимаемым суглинком (Rусл = 229,4 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 = 2,05 м, Нф = 1,5 м. Абсолютная отметка подошвы фундамента (FL) составляет – 63,25, что обеспечивает выполнение требования заглубления фундамента в несущий слой не менее 0,5 м: в самой низкой точке рельефа (см. рис. 5) заглубление в несущий слой 2 от отметки природного рельефа (NL) составляет 64,8 – 63,25 = 1,55 м.
2.1.2 Площадь Атр подошвы фундамента определяем по формуле:
Атр = = = 8,04 м2,
где γmt = 20 кН/м3 – средний удельный вес материала фундамента (бетона) и грунта на его уступах.
2.1.3 Принимаем фундамент ФВ 10-2 с размерами подошвы l = 3,3 м, b = 2,7 м, A = lb = 8,91 м2, Нф = 1,8 м; объем бетона Vfun = 6,5 м3. При Нф = 1,8 м глубина заложения от поверхности планировки (DL) d = 2,35 м (рис. 6). Абсолютная отметка подошвы фундамента (FL) составляет – 62,95, что обеспечивает выполнение требования заглубления фундамента в несущий слой не менее 0,5 м: в самой низкой точке рельефа (см. рис. 5) заглубление в несущий слой 2 от отметки природного рельефа (NL) составляет 64,8 – 62,95 = 1,85 м.
Вычисляем расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:
GfunII = Vfunγbγf = 6,5х25х1 = 162,5 кН;
Vr = lbd - Vfun = 3,3x2,7x2,35 – 6,5 = 14,4 м3;
GgII = VrkрэγIIγf = 14,4х0,95х18,8х1 = 257,2 кН,
где kрэ = 0,95 – коэффициент разрыхления, а γII – удельный вес грунта, идущего на обратную засыпку, γb = 25 кН/м3 – удельный вес бетона фундамента.
Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:
NtotII = Ncol II + GgII + GfunII = 1514,26 +257,2 + 162,5 = 1933,96 кН;
MtotII = Mcol,II + QcolIIHф = 676,03 + 73,76х1,8 = 808,8 кНм;
QtotII = QcolII = 73,76 кН.
2.1.4 Уточняем R для принятых размеров фундамента (l = 3,3 м, b = 2,7 м, d = 2,35 м):
Rусл = {Mkzbγ + M[dwγ + (d - dw)γ] + Мс] =
= {0,56х1х2,7х9,4+3,24[0,95х18,8+(2,35–0,95)х9,4] +5,84х23} = 249 кПа.
2.1.5 Определяем Рmt, PIImax и PIImin по формулам:
P= ,
где А = bxl – площадь подошвы принятого фундамента, м2;
W = bl2/6 – момент сопротивления площади фундамента, м3.
Рmt = .
PIImax = = 382 кПа > 1,2R= 299 кПа.
Условие ограничения давления PIImax 1,2R не выполняется. Увеличим размеры фундамента. Принимаем фундамент ФВ 12-2 (рис. 7) с размерами подошвы l = 4,2 м, b = 3,0 м, A = lb = 12,6 м2, Нф = 1,8 м; объем бетона Vfun = 8,3 м3.
Вычисляем расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:
GfunII = 8,3х25х1 = 207,5 кН;
Vr = 4,2x3,0x2,35 – 8,3 = 21,3 м3;
GgII = 21,3х0,95х18,8х1 = 380,6 кН
Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:
NtotII = 1514,26 +380,6 + 207,5 = 2102,36 кН;
MtotII = 676,03 + 73,76х1,8 = 808,8 кНм;
QtotII = 73,76 кН.
Уточняем R для принятых размеров фундамента (l = 4,2 м, b = 3,0 м, d = 2,35 м):
Rусл = {Mkzbγ + M[dwγ + (d - dw)γ] + Мс] =
= {0,56х1х3,0х9,4+3,24[0,95х18,8+(2,35–0,95)х9,4]+5,84х23} = 250,6 кПа.
Определяем Рmt, PIImax и PIImin :
PIImax = = 258,6 кПа < 1,2R= 300,7 кПа.
PIImin = = 75,2 кПа > 0;
РIImt = = 166,9 кПа < R= 250,6 кПа.
Все условия ограничения давлений выполнены.
Эпюра контактных давлений по подошве фундамента приведена на рис. 7.
2.1.6 Для расчета осадки фундамента методом послойного суммирования составляем расчетную схему, совмещенную с геологической колонкой по оси фундамента Е-5 (рис. 8).
Напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента при планировке срезкой в соответствии с п. 1 прил. 2 (2):
=[18,8х0,95+9,4х(2,35-0,95)]=31,02 кПа.
Дополнительное вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы фундамента:
=166,9-31,02=135,88 кПа.
Соотношение сторон подошвы фундамента:
n=l/b=4,2/3=1,4.
Значение коэффициента α устанавливается по табл. 1 прил. 2 (2).
Для удобства пользования указанной таблицей из условия ξ=2hi/b=0,4 принимаем толщину элементарного слоя грунта hi=0,2 b=0,2х3,0=0,6м.
Дальнейшие вычисления сводим в табл. 2.1.1.
Таблица 2.1.1 Определение осадки
Zi, м
ξ=2Zi/b
Zb+d,
м
α
σzp= αp0, кПа
σzg= σzg,0+, кПа
0,2 σzg, кПа
E, кПа
2,35
1,000
135,88
31,02
6,20
14000
0,6
0,4
2,95
0,972
132,08
36,66
7,33
14000
1,2
0,8
3,55
0,848
115,23
42,30
8,46
14000
1,8
1,2
4,15
0,682
92,67
47,94
9,59
14000
2,4
1,6
4,75
0,532
72,29
53,58
10,72
14000
3,0
2,0
5,35
0,414
56,25