Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышленных 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 зданий

15000
3,6
2,4
5,95
0,325
49,55
63,58
12,72
15000
4,2
2,8
6,55
0,260
39,64
63,76
12,75
7000
4,8
3,2
7,15
0,210
32,02
68,62
13,72
7000
5,4
3,6
7,75
0,173
26,38
73,48
14,70
7000
6,0
4,0
8,35
0,145
22,11
80,74
16,15
12000
6,6
4,4
8,95
0,123
18,75
85,84
17,17
12000
7,2
4,8
9,55
0,105
16,00
90,94
18,19
12000
Граница суглинка полутвердого условно смещена до глубины Zi =3,6 м от подошвы (фактическое положение на глубине Z=3,9 м). Граница глины мягкопластичной условно смещена до глубины Zi =5,4 м от подошвы (фактическое положение на глубине Z=5,6 м). На глубине Нс=7,2м от подошвы фундамента выполняется условие прил. 2, п.6 (2) ограничения глубины сжимаемой толщи основания (ГСТ): σzp=16,00 кПа0,2 σzg=90,94х0,2=18,19 кПа, поэтому послойное суммирование деформаций основания производим в пределах от подошвы фундамента до ГСТ. Осадку основания определяем по формуле:
=0,8х0,6х[(+148,19+129,29+103,98+81,11+63,12+)+
+(+39,64+32,02+)+(+22,11+18,75+)]= 0,033м =
= 3,3см
Условие S=3,3см < Su=12,0см выполняется (значение Su=12,0см принято по прил. 4 (2)).
2.2 Расчет и проектирование варианта фундамента на искусственном основании в виде песчаной распределительной подушки
2.2.1 Аналогично фундаменту на естественном основании в данном варианте назначаем глубину заложения фундамента d = 2,05 м, Нф = 1,5 м. Принимаем для устройства подушки песок среднезернистый, плотный имеющий проектные характеристики: Е = 45 Мпа; е = 0,50; γII = 20,2 кН/м3; γIisb = 10,7 кН/м3.
2.2.2 Для определения площади Атр подошвы фундамента принимаем расчетное сопротивление R0, кПа, материала песчаной подушки – среднезернистого песка – по табл. 2 прил. 3 (2).
Тогда
Атр = = = 3,76 м2.
2.2.3 В соответствии с требуемой величиной площади подошвы Атр=3,76 м2 и высотой фундамента Нф = 1,5 м подбираем типовой фундамент серии 1.412-2/77.
Принимаем фундамент ФВ 5-1, размеры которого l = 2,4 м, b = 1,8 м, A = lb = 4,32 м2, Нф = 1,5 м; объем бетона Vfun = 3,6 м3.
Вычисляем расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:
GfunII = Vfunγbγf = 3,6х25х1 = 90 кН;
Vr = lbd – Vfun = 2,4x1,8x2,05 – 3,6 = 5,3 м3;
GgII = VrkрэγIIγf = 5,3х0,95х17,9х1 = 90,1 кН.
Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:
NtotII = Ncol II + GgII + GfunII = 1725,8 +90,1 + 90 = 1905,9 кН;
MtotII = Mcol,II + QcolIIHф = 1095,6 + 93,18х1,5 = 1235,4 кНм;
QtotII = QcolII = 93,18 кН.
2.2.4 Уточняем расчетное сопротивление R песка подушки по формуле 2 прил.3 (2):
R=500x[1+0,125x(1,8-1)/1]+0,25х17,9(2,05-2)=550,2 кПа.
2.2.5 Определяем PIimax:
PIimax = = 1156 кПа > 1,2R= 660,2 кПа.
Условие ограничения давления PIimax 1,2R не выполняется. Увеличим размеры фундамента. Принимаем фундамент ФВ 9-1 (рис. 9) с размерами подошвы l = 3,0 м, b = 2,4 м, A = lb = 7,2 м2, Нф = 1,5 м; объем бетона Vfun = 4,9 м3.
Вычисляем расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:
GfunII = 4,9х25х1 = 122,5 кН;
Vr = 3,0x2,4x2,05 – 4,9 = 9,9 м3;
GgII = 9,9х0,95х17,9х1 = 167,7 кН
Все нагрузки, действующие на фундамент, приводим к центру тяжести подошвы:
NtotII = 1725,8 +167,7 + 122,5 = 2016 кН;
MtotII = 1095,6 + 93,18х1,5 = 1235,4 кНм;
QtotII = 93,18 кН.
Определяем Рmt, PIimax и PIimin :
PIimax = = 623 кПа < 1,2R= 660,2 кПа.
PIimin = = -63 кПа < 0,
для фундаментов зданий, оборудованных подвесными кранами, допускается треугольная эпюра с отрывом подошвы от грунта на участке шириной не более 0,25l; в этом случае нагрузка от здания распределяется на меньшей площади подошвы; следовательно, давление по краю фундамента будет больше PIImax и равно P*IImax. Для прямоугольной подошвы это давление определяют в предположении, что равнодействующая эпюры давлений лежит на одной вертикали с равнодействующей внешних сил и равна ей:
, где l=3(-е)=3с0.
Отсюда:
,
при этом должно быть соблюдено условие с0 0,25 l.
Примем с0=0,25х l=0,25х3,0=0,75 м. Тогда P*IImax будет равно:
=747 кПа < 1,5R = 825,3 кПа.
РIimt = = 280 кПа < R= 550,2 кПа.
Все требования по ограничению давлений выполнены.
Эпюра контактных давлений по подошве фундамент приведена на рис. 9.
2.2.6 Назначаем в первом приближении толщину песчаной подушки hп=0,9 м. Проверяем выполнение условия проверки п. 2.48 (2):
σzg + σzpRz.
Для этого определяем при z= hп=0,9 м:
σzg=γIIdw+γsbII (d-dw)+ γsbп z=17,9х0,9+9,4х(2,05-0,9)+10,7х0,9=36,6 кПа;
σzp=α(РIimt – σzр,0)=0,676х(280-26,9)=171,1 кПа;
где σzg,0= γII dw+γsbII (d-dw)= 17,9х0,9+9,4х(2,05-0,9)=26,9 кПа;
α=0,676 для ξ=2z/b=2х0,9/2,4=0,75 и η=l/b=3,0/2,4=1,25.
Коэффициент α определен по интерполяции из табл. 1 прил. 2 (2);
Az= NtotII/ σzp=2016/171,1=11,78м2;
Rz=1,1х1,0/1,0х[0,69х2,4х9,4+3,65х(0,9х17,9+1,15х9,4+0,9х10,7)+6,24х23]==321,8 кПа.
σzg + σzp=171,1+26,9=198 < Rz=321,8 кПа – условие выполняется.
2.2.7 Конструируем распределительную подушку. Размеры подушки bп и lп установлены с учетом угла рассеивания напряжений в подушке α=300. Угол наклона откоса котлована к горизонту β принимается для суглинка равным 500. Уширение подушки по сравнению с размерами фундамента в обоих направлениях принято 0,5 м (рис. 10).
2.2.8 Для расчета осадки фундамента методом послойного суммирования составляем расчетную схему, совмещенную с геологической колонкой по оси фундамента Ж-5 (рис. 10).
Напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента при планировке срезкой в соответствии с п. 1 прил. 2 (2):
σzg,0= γII dw+γsbII (d-dw)= 17,9х0,9+9,4х(2,05-0,9)=26,9 кПа.
Дополнительное вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы фундамента:
=280-26,9=253,1 кПа.
Соотношение сторон подошвы фундамента:
n=l/b=3,0/2,4=1,25.
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=0,2х2,4=0,48 м.
Дальнейшие вычисления сводим в табл. 2.2.1.
Таблица 2.2.1
Определение осадки
Zi, м
ξ=2Zi/b
Zb+d,
м
α
σzp= αp0, кПа
σzg=σzg,0+, кПа
0,2 σzg, кПа
E, кПа
2,05
1,000
253,1
26,9
5,4
45000
0,48
0,4
2,53
0,968
245,0
32,0
6,4
45000
0,96
0,8
3,01
0,830
210,1
37,2
7,4
45000
1,44
1,2
3,49
0,654
165,5
40,4
8,1
15000
1,92
1,6
3,97
0,501
126,8
44,9
9,0
15000
2,40
2,0
4,45
0,385
97,4
49,5
9,9
15000
2,88
2,4
4,93
0,300
75,9
54,0
10,8
15000
3,36
2,8
5,41
0,238
60,2
58,5
11,7
15000
3,84
3,2
5,89
0,191
48,3
63,0
12,6
15000
4,32
3,6
6,37
0,157
39,7
61,9
12,4
7000
4,80
4,0
6,85
0,131
33,2
65,8
13,2
7000
5,28
4,4
7,33
0,111
28,1
69,7
13,9
7000
5,76
4,8
7,81
0,095
24,0
73,6
14,7
7000
6,24
5,2
8,29
0,082
20,8
79,9
16,0
12000
6,72
5,6
8,77
0,071
18,0
84,0
16,8
12000
7,20
6,0
9,25
0,063
16,0
88,1
17,6
12000
На глубине Нс=7,20 м от подошвы фундамента выполняется условие прил. 2, п.6 (2) ограничения глубины сжимаемой толщи основания (ГСТ): σzp=16,0 кПа0,2 σzg=88,1х0,2=17,6 кПа, поэтому послойное суммирование деформаций основания производим в пределах от подошвы фундамента до ГСТ. Осадку основания определяем по формуле:
=0,8х0,48х[(+245+)+(+165,5+126,8+97,4+75,9+60,2+)+(+39,7+33,2+28,1+)+(+20,8+18+)]= 0,030м = =3,0см
Условие S=3,0см < Su=12,0 см выполняется (значение Su=12,0см принято по прил. 4 (2)).
2.3 Расчет и проектирование свайного фундамента
Рассмотрим вариант свайного фундамента из забивных висячих свай сечением 300х300 мм, погружаемых дизельным молотом.
2.3.1. Назначаем глубину заложения подошвы ростверка.
Расчетная глубина промерзания грунта от поверхности планировки DL равна df = 1,56 м.
По конструктивным требованиям верх ростверка должен быть на отметке -0,700, размеры подколонника в плане lcf xbcf=1500х1200 мм, глубина подколонника dр = 1300 мм =1,30 м.
Для дальнейших расчетов принимаем большее из двух значений (1,25 и 1,56 м), т.е. hf=1,8 м (кратно 150 мм), что соответствует глубине заложения – 2,5 м (абс. отм. 44,35) (рис. 11).
2.3.2 В качестве несущего слоя висячей сваи принимаем глину тугопластичную (слой 4-й), тогда необходимая длина сваи должна быть не менее lсв=h1+ h2+ h3=0,05+5,6+1=6,65 м (рис. 11).
Принимаем типовую железобетонную сваю С-8-30 (ГОСТ 19804.1-79*) квадратного сечения 300х300 мм, длиной L=8 м. Класс бетона сваи В20, арматура из стали класса А-III 4 Ø12, объем бетона 0,73 м3, масса сваи 1,82 т, толщина защитного слоя аb=20 мм.
2.3.3 Определяем несущую способность одиночной сваи из условия сопротивления грунта основания по формуле 8 (3):

В соответствии с расчетной схемой сваи (рис. 11) устанавливаем из табл.1 (3) для глины тугопластичной IL=0,30 при z=10,955 м расчетное сопротивление R=3595,5 кПа. Для определения fi каждый однородный пласт грунта (инженерно-геологический элемент) на слои толщиной li2 м и устанавливаем среднюю глубину расположения zi каждого слоя, считая от уровня природного рельефа. Затем по табл. 2 (3), используя в необходимых случаях интерполяцию, устанавливаем:
для суглинка при IL=0,2 и z1=4,190 м f1=53,6 кПа;
для суглинка при IL=0,2 и z2=6,055 м f2=58,2 кПа;
для глины при IL=0,71 и z3=7,845 м f3=9,8 кПа;
для глины при IL=0,3 и z4=9,765 м f4=45,8 кПа;
для глины при IL=0,3 и z5=10,955 м f5=47,0 кПа.
Площадь опирания сваи на грунт А=0,3х0,3=0,09 м2, периметр U=0,3х4=1,2 м. Для сваи сплошного сечения, погружаемой забивкой дизельным молотом, по табл. 3 (3) γcR =γcf =1; γc=1.
Fd=1х[1х3595,5х0,09+1,2х1х(53,6х2+58,2х1,73+9,8х2+45,8х2+47х0,375)]= =727,7 кН.
2.3.4 Определяем требуемое число свай в фундаменте в первом приближении по формуле:
,
где NcolII=Ncol,IIγf=2071 кН,
γк=1,4 – коэффициент надежности (по п. 3.10 (3);
γmt=20 кН/м3 – средне значение удельного веса материала ростверка и грунта на его уступах;
d – глубина заложения подошвы ростверка от поверхности планировки, м;
k = 1,3 – коэффициент увеличения числа свай, косвенно учитывающий влияние момента и поперечной силы;
γn= 0,95 – коэффициент надежности по назначению здания II класса.
N = .
Принимаем n равным 6.
2.3.5 Размещаем сваи в кусте по типовой схеме. Окончательно размеры подошвы ростверка назначаем (рис. 12), придерживаясь размеров в плане, кратных 0,3 м, и по высоте – кратных 0,15 м.
3. Технико-экономическое сравнение и выбор основного варианта системы основание-фундамент
3.1 Принципы сопоставимости
Оценка вариантов проектных решений фундаментов производится путем сравнительного анализа их технико-экономических показателей. Основные методические принципы, позволяющие осуществить технико-экономическую оценку и выбор наиболее эффективных проектных решений, сводятся к следующему.
Для анализа технико-экономических показателей вариантов проектных решений системы основание-фундамент должна быть выбрана сопоставимая единица измерения. В качестве такой единицы принимаем 1 фундамент.
Сравниваемые варианты проектных решений фундаментов и оснований отвечают условиям сопоставимости, т.е, рассчитаны на одинаковые нагрузки, для одних и тех же грунтовых условий.
В качестве критерия при выборе и оценке лучшего проектного решения в соответствии с (10) принимается минимум приведенных затрат.
3.2 Определение технико-экономических показателей
Разработка грунта под столбчатые фундаменты и ростверки при шаге колонн 12 м предусмотрена в виде отдельных котлованов под каждый фундамент. Размеры котлованов понизу приняты на 0,6 м больше соответствующих размеров подошвы фундамента, ростверка (рис. 13). Предельная крутизна откосов котлована (1:m) для суглинков – 1:0,5. В отвал разрабатывается грунт в объеме, необходимом для обратной засыпки с учетом остаточного разрыхления 5%, т.е. объем грунта в отвал равен разности в объемах грунта котлована и бетона фундамента (или песчаной подушки и фундамента, ростверка), деленной на 1,05. Остальной объем грунта вывозится со стройплощадки автосамосвалами. Подсчет объемов работ по каждому варианту выполнен в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Подсчет объемов работ
№ п/п
Наименование работ, эскиз
Ед. изм
Расчетная формула и вычисление
Кол-во
1-й вариант
1
Разработка котлована
м3
Vk=[(2а+а1)b+(2а1+а)b1]=
2,35[(2х3,6+5,95)х4,8+(2х5,95+3,6)х7,15]/6
68,1
2
Устройство фундамента
м3
Vф
8,3
3
Обратная засыпка
м3
Vо= (Vk – Vф)/1,05=(68,1-8,3)/1,05
57
4
Вывоз грунта
м3
Vв= Vk – Vо=68,1-57
11,1
2-й вариант
1
Разработка котлована
м3
Vk=[(2а+а1)b+(2а1+а)b1]=
2,95[(2х3+5,95)х3,6+(2х5,95+3)х6,55]/6
69,1
2
Устройство песчаной подготовки
м3
Vп
8,9
3
Устройство фундамента
м3
Vф
4,9
4
Обратная засыпка
м3
Vо= (Vk – Vф – Vп)/1,05=(69,1-4,9-8,9)/1,05
52,7
5
Вывоз грунта
м3
Vв= Vk – Vо=69,1-52,7
16,4
3-й вариант
1
Разработка котлована
м3
Vk=[(2а+а1)b+(2а1+а)b1]=
2,35[(2х2,1+4,45)х2,4+(2х4,45+2,1)х4,75]/6
28,6
2
Устройство набивных свай
м3
Vсв
4,32
3
Устройство ростверка
м3
Vр
3,51
4
Обратная засыпка
м3
Vо= (Vk – Vр)/1,05=(28,6-3,51)/1,05
23,9
5
Вывоз грунта
м3
Vв= Vk – Vо=28,6-23,9
4,7
Подсчитанные объемы работ используются для определения сметной стоимости и капитальных вложений в основные производственные фонды строительной индустрии, а также трудозатрат на выполнение каждого варианта фундамента (табл. 3.2, 3.3, 3.4).
Таблица 3.2
Сметная себестоимость, трудозатраты и капитальные вложения (1-й вариант)
№ п/п
№ расценок, сметных норм и др.
Наименование работ и затрат
Единица измерения
Количество
Стоимость, руб.
Затраты труда, чел-ч
Капитальные вложения, руб./год
единицы
общая
на единицу
всего
Удельные на ед. изм.
всего
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
СНиП 4.02-91 Сб.1
Разработка грунта с погрузкой на автосамосвалы экскавторами
1 м3
11,1
0,22
2,44
0,035
0,39
1,5
16,65
2
СНиП 4.02-91 Сб.1
Разработка грунта в отвал экскаваторами-драглайн
1 м3
57
0,14
8,15
0,027
1,54
0,85
48,45
3
СНиП 4.02-91 Сб.6
Фундаменты под здания и сооружения до 10 м3
1 м3
8,3
4,01
33,28
4,93
40,92
6,21
51,54
4
СНиП 4.02-91 Сб.1
Работа на отвале
1 м3
57
0,023
1,31
0,007
0,40
0,23
13,11
5
СНиП 4.02-91 Сб.1
Засыпка котлованов бульдозерами
1 м3
57
0,05
2,85
0,009
0,51
0,41
23,37
Всего
С=48,08
Ч=43,76
К=153,12
Накладные расходы от прямых затрат, %=48,08х0,08=3,84 руб.
Сметная стоимость Сс=48,08+3,84=51,92 руб.
Таблица 3.3
Сметная себестоимость, трудозатраты и капитальные вложения (2-й вариант)
№ п/п
№ расценок, сметных норм и др.
Наименование работ и затрат
Единица измерения
Количество
Стоимость, руб.
Затраты труда, чел-ч
Капитальные вложения, руб./год
единицы
общая
на единицу
всего
Удельные на ед. изм.
всего
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
СНиП 4.02-91 Сб.1
Разработка грунта с погрузкой на автосамосвалы экскавторами
1 м3
16,4
0,22
3,61
0,035
0,57
1,5
24,6
2
СНиП 4.02-91 Сб.1
Разработка грунта в отвал экскаваторами-драглайн
1 м3
52,7