Расчет и устройство фундаментов мелкого заложения

1. Оценка инженерно-геологических условий и свойств грунтов с определением расчетного сопротивления грунтов основания а) По шифру принимается схема сооружения и геологические условия Шифр задания: 46.

Выбор варианта (табл. 3.1):

· вариант задания по табл. 1 Приложения 2 (10): номер схемы — 4 (Химический цех); вариант — четный (L=6 м, без подвала);

· вариант по геологическому разрезу — 1.

б) Устанавливаются нагрузки и характеристики грунтов Вариант 1.

Рис. 1 Геолого-литологический разрез По варианту № 1 геолого-литологического разреза четыре вида грунтов: почвенно-растительный слой, глина серая пылеватая, слоистая (ленточная); супесь серая, легкая, слабо слоистая с линзами песка; суглинок темно-серый, тяжелый, с линзами песка, включениями гальки (морена); уровень поземных вод на глубине 5 м. Так как почвенно-растительный слой срезается при устройстве котлована под фундамент (в виду того, что имеет малую мощность, низкие расчетные характеристики и не может служить основанием), то его характеристиками можно пренебречь.

Таблица 1. Характеристики грунтов 1

Для расчетов по несущей способности (по первой группе предельных состояний) некоторые показатели свойств нужно вычислить по формулам:

гI = гII /1,1; цI = цII /1,1; С_I = С_II /1,5

Таблица 2. Характеристики грунтов 2

в) Анализ инженерно-геологических условий и оценка строительных свойств грунтов Площадка строительства химического цеха находится в г. Москва. Порядок напластования указан на Рис. 1 Геолого-литологический разрез. Исходные характеристики грунтов приведены в табл. 1.

Анализируя инженерно-геологические условия площадки строительства и расчетные характеристики, представленные изыскателями, можно сделать следующие выводы:

· Почвенно-растительный слой имеет малую мощность, низкие расчетные характеристики и не может служить основанием.

· Грунт 2-го слоя: глина серая пылеватая, слоистая (ленточная), мощность 4 м. По показателю текучести — коэффициент пористости е=1,08; показатель текучести JL=0,5; согласно ГОСТ 25 100–2011 тугопластичная, сильносжимаемая Е0=3,5 Мпа, условное расчетное давление сопротивления R0=200 кПа (по интерполяции из табл. 5 «Методических рекомендаций к выполнению курсовой работы»).

· Грунт 3-го слоя: супесь серая, легкая, слабо слоистая с линзами песка, мощностью 2,5 м. По показателю текучести — коэффициент пористости е=0,69; показатель текучести JL=0,55; пластичная; средней сжимаемости Е0=14 Мпа, условное расчетное давление сопротивления R0=225 кПа (по интерполяции из табл. 5).

· Грунт 4-го слоя: суглинок темно-серый, тяжелый, с линзами песка, включениями гальки (морена), мощностью больше 5 м. По показателю текучести — коэффициент пористости е=0,42; показатель текучести JL=0,31; согласно ГОСТ 25 100–2011 тугопластичный, Е0=18 Мпа, условное расчетное давление сопротивления R0=280 кПа (по интерполяции из табл. 5).

Таким образом, все грунты, залегающие ниже насыпного слоя, обладают небольшой сжимаемостью, за исключением 2-го слоя, и значительной прочностью, причем последняя нарастает с глубиной (эпюра R 0, рис.16). В качестве несущего слоя для фундаментов на естественном основании могут служить мелкий песок или суглинок; для свайных фундаментов — полутвердая глина. Супесь является водоносным слоем (У.Г.В. на глубине 5 м).

Результаты расчёта представлены в таблице 2.

Таблица 3. Оценка инженерно-геологических условий площадки строительства).

В конечном итоге:

· для глины серой пылеватой, слоистой (ленточной) — R0=200 кПа;

· для супеси серой, легкой, слабо слоистой с линзами песка — R0=225 кПа;

· для суглинка темно-серого, тяжелого, с линзами песка, включениями гальки (морена) — R0=280 кПа.

2. Расчет фундамента мелкого заложения

2.1 Определение глубины заложения подошвы фундамента При выборе глубины заложения фундамента учитываются следующие факторы:

1) инженерно-геологические условия площадки строительства: в соответствии с приложением 1, грунты пригодны в качестве основания для фундаментов мелкого заложения (расчетное сопротивление R=200 кПа, начиная с глубины dф = 1,7 м);

2) особенности возводимого здания: глубина заложения подошвы фундамента принимается равной 0,5 м, т. е. здание не имеет подвала, dф = 0,5 м;

3) климатические особенности: основным климатическим фактором, влияющим на глубину заложения фундаментов, является промерзание грунтов. Для определения возможности промерзания грунтов под фундаментами необходимо, прежде всего, знать нормативную глубину промерзания dfn:

dfn=d0*Mt

где M_t — безразмерный коэффициент, равный сумме абсолютных среднемесячных отрицательных температур за зимний период в районе строительства, принимаемый по СНиП 2.01.01−82 для г. Москвы M_t=34,3; d0 — величина, принимаемая равной для суглинков и глин — 0,23 м.

dfn=0,23* 34,3=1,35 м.

Принимаем глубину заложения фундамента равную 1,35 м.

Для определения расчетной глубины промерзания воспользуемся формулой

df = dfn*kh*гc

где (dfn= 1,35 м — нормативная глубина промерзания; kh — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения на глубину промерзания грунтов у фундаментов, принимаемый по СНиП 2.01.01−82 (таблица 1): kh = 0,5; гc = 1 — коэффициент условий промерзания грунта, учитывающий изменчивость климата.

df =1,35*0,5*1=0,68 м.

Окончательно принимаем глубину заложения подошвы фундамента 1,35 м (в зависимости от нормативной глубины промерзания).

2.2 Определение расчетного сопротивления грунта основания при ширине подошвы фундамента равной 1 м Расчетное сопротивление грунта определяется по СП 12.13 330.2011 (формула (5.7).

где _с1 = 1,2 (коэффициент зависит от вида грунтов, лежащих в основании здания. I_L = 0,5, т. е. 0,25? I_L? 0,5, согласно СП — ?_с1=1,2) и ?_с2=1,1 (коэффициент ?_с2 зависит как от вида грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, так и от отношения длины здания L к его высоте Н, а также жесткости здания. Длина здания L=36 м, высота Н=34 м. L/H=36/34=1,06) — коэффициенты, условий работы, принимаемые по табл. 5.4 (СП 12.13 330.2011);

k — коэффициент, принимаемый равным k₁ = 1,1, т.к. прочностные характеристики грунта приняты по табл. 1 -3, Приложения Б (рекомендуемого) (СП 12.13 330.2011);

М_?=0,51;М_q=3,06;M_c=5,66(цп=20) — коэффициенты, принимаемые по табл.5.5 (СП12.13 330.2011);

k_z — коэффициент, принимаемый при b? 10 м — k_z = 1;

Определяем ориентировочную ширину подошвы ленточного фундамента при табличном значении расчётного сопротивления для слоя грунта, лежащего под подошвой фундамента R_o = 200 кПа по формуле:

b=N_II/(R₀-d*г^II_ср)

N_II — расчётная нагрузка от массы сооружения на погонный метр, (160 кН, табл.1, приложение 2);

R_o -значение расчётного сопротивления грунта основания под подошвой фундамента, (200 кПа);

г^II_ср — осреднённое значение удельного веса грунта:

г^II_ср =(? г_ср*h)/Уh=18,2*1,35/1,35=18,2 кН/м³

d — глубина заложения фундамента, м.

Тогда:

b=160/(200−1,35*18,2)=0,91 м Принимаем:

b =1 м — ширина подошвы фундамента, м (b — меньшая сторона подошвы фундамента);

г_II — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, (18,2 кН/м³);

г^I_II — то же, залегающих выше подошвы, (18,2 кН/м³);

с_II — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, (18кПа);

d — глубина заложения фундаментов, (1,35 м).

Полученная ширина подошвы ленточного фундамента b =1м является предварительной, так как ширина определена, исходя из табличного значения расчётного сопротивления основания. По этому размеру в соответствии со СНиП, принимаем типовую фундаментную подушку ФЛ-10, находим уточнённое значение расчётного сопротивления грунта основания. Определяем значение R при b = 1 м:

2.3 Определение размеров подошвы фундамента Согласно варианту задания необходимо запроектировать и рассчитать основание и фундаменты Химического корпуса (вариант 4). Выбираем первое сочетание нагрузок.

Рис. 2 Химический корпус (вариант 4), l=6 м.

Таблица 4. Усилия на обрезе фундамента от расчетных нагрузок.

Размер подошвы фундамента А_ф определяется по формуле:

А_ф = N₀^II/(Rг_ср^IId)

где N₀^II — расчетная нагрузка по II группе предельных состояний, приложенная к обрезу фундамента; R — расчетное сопротивление грунта основания; г_ср^II — средний удельный вес грунта; d — глубина заложения фундамента.

А_ф = N₀^II/(224- 18,2*1,35)

N₀^II — расчетная нагрузка по II группе предельных состояний для пяти типов фундаментов и двух сочетаний.

Таблица 5. Нагрузка по типам фундамента

Результаты вычислений А_ф сводим в таблицу:

Таблица 6. Размер подошвы фундамента

На фундамент действует изгибающий момент, поэтому найденную площадь увеличиваем на 20%.

2.4 Конструирование фундамента (определение размеров подошвы фундамента) В методических указаниях по выполнению курсовой работы по дисциплине «Основания и фундаменты» указано, что для определения размеров подошвы прямоугольного фундамента, необходимо учитывать следующее условие:

b/l = 0,5ч0,85

где b — ширина подошвы фундамента; l — длина подошвы фундамента. 1-й тип. Для ленточного фундамента из сборных ЖБ элементов ФЛ-10−12−2 (1-й тип фундамента) усилия даны на 1 м их длины: b=1 м, а l=1 м. Отсюда: b/l =1>0,85. Увеличив l на 0,2 м (под значения ФЛ-10−12−2), получим b/l=1/1,2=0,83. Площадь подошвы: S=1*1,2=1,2 м²>0,96 — удовлетворяет условиям (для 1-го типа). Проведем вычисления для остальных типов фундаментов:

2-й тип. Размеры колонны 0,8×0,6 м, длину подошвы фундамента l можно расcчитать (см. рис. 2): l = 0,8 + 0,075*2 + 0,3*2 + 0,3*2 = 2,15 м.

Аналогично рассчитываем ширину подошвы b:

b = 0,6 + 0,075*2 + 0,3*2 + 0,3*2 = 1,95 м Рис. 3 Заделка колонны в монолитный ж/б фундамент Отношение: b/l=1,95/2,15=0,9>0,85. Увеличим l на 0,6 и получим: b/l= =1,95/2,75=0,7<0,85.Удовлетворяет условиям по соотношению b/l.

Площадь подошвы фундамента: S=1,95*2,75=5,36 м²<16,91 м² (для 2-го типа). Не удовлетворяет условиям. Следовательно, необходимо увеличить размеры подошвы фундамента, путем подбора получаем (с учетом кратности размера фундамента = 300 мм):

b=1,95+1,65=3,6; l=2,15+2,65=4,8.

Проверяем соответствие условиям:

b/l=3,6/4,8=0,75<0,85;

удовлетворяет условию отношения: 0,5<0,65<0,85;

а S=3,6*4,8=17,28 м2>16,91 м² (для 2-го типа).

Так как расстояние между фундаментами в осях равно 6−4,55=1,45 м >1 м, то размеры подошвы фундамента проходят.

3-й тип. Размеры колонны 0,8×0,6 м, длину подошвы фундамента l можно расcчитать (см. рис. 2):

l = 0,8 + 0,075*2 + 0,3*2 + 0,3*2 = 2,15 м.

Аналогично рассчитываем ширину подошвы b:

b = 0,6 + 0,075*2 + 0,3*2 + 0,3*2 = 1,95 м Отношение: b/l=1,95/2,15=0,9>0,85. Увеличим l на 0,6 и получим: b/l= =1,95/2,75=0,7<0,85.Удовлевторяет условиям по соотношениям b/l.

Площадь подошвы фундамента: S=1,95*2,75=5,36 м²<20,52 м² (для 3-го типа). Не удовлетворяет условиям. Следовательно, необходимо увеличить размеры подошвы фундамента, путем подбора получаем (с учетом кратности размера фундамента = 300 мм):

b=1,95+1,95=3,9; l=2,15+3,35=5,5.

Проверяем соответствие условиям:

b/l=3,9/5,4=0,72<0,85;

удовлетворяет условию отношения: 0,5<0,72<0,85;

а S=3,9*5,4=21,06 м² >20,52 м² (для 3-го типа). Так как расстояние между фундаментами в осях равно 6−5,4=0,6 м < 1 м, то размеры подошвы фундамента не проходят. Необходимо увеличить глубину заложения фундамента до 1,55 м. Пересчитываем значение R:

Определим площадь подошвы фундамента с глубиной заложения 1,55 м.

А¹_ф = 3410/(237- 18,2*1,55)=16,33 м².

С учетом момента: А¹_ф*1,2=19,6 м².

Используем полученное ранее значения l, а b возьмем немного меньше:

b=1,95+1,65=3,6; l=2,15+3,55=5,7.

b/l=3,6/5,7=0,63<0,85;

удовлетворяет условию отношения: 0,5<0,63<0,85; а S=3,6*5,7=20,52 м² >19,6 м² после увеличения глубины заложения фундамента до 1,55 м (для 3-го типа). Окончательно принимаем площадь подошвы фундамента 20,52 м² (для 3-го типа).

4-й тип. Размеры колонны 0,8×0,6 м, длину l и ширину b подошвы фундамента можно расcчитать (см. рис. 2):

l = 0,8 + 0,075*2 + 0,3*2 + 0,3*2 = 2,15 м; b = 0,6 + 0,075*2 + 0,3*2 + 0,3*2 = 1,95 м Отношение: b/l=1,95/2,15=0,9>0,85. Увеличим l на 0,6 и получим: b/l= =1,95/2,75=0,7<0,85.Удовлевторяет условиям по соотношениям b/l. Площадь подошвы фундамента: S=1,95*2,75=5,36 м2<13,3 м² (по 1-му сочетанию 4-го типа). Не удовлетворяет условиям. Следовательно, необходимо увеличить размеры подошвы фундамента, путем подбора получаем (с учетом кратности размера фундамента = 300 мм):

b=1,95+1,35=3,3; l=2,15+2,05=4,2.

Проверяем соответствие условиям:

b/l=3,¾, 2=0,78<0,85;

а S=3,3*4,2=13,86 м2>13,3 м² (по 1-му сочетанию 4-го типа). Так как расстояние между фундаментами в осях равно 6−4,2=1,8 м >1 м, то размеры подошвы фундамента проходят.

5-й тип. Размеры колонны 0,4×0,4 м, длину подошвы фундамента l можно расcчитать (см. рис. 2):

b =l = 0,4 + 0,075*2 + 0,3*2 + 0,3*2 = 1,75 м.

Отношение: b/l=1,75/1,75=1>0,85. Увеличим l на 0,6 и получим: b/l= =1,75/2,35=0,74<0,85.Удовлевторяет условиям по соотношениям b/l.

Площадь подошвы фундамента: S=1,75*2,35=4,11 м²<6,09 м² (по 1-му сочетанию 5-го типа). Не удовлетворяет условиям. Следовательно, необходимо увеличить размеры подошвы фундамента, путем подбора получаем (с учетом кратности размера фундамента = 300 мм):

b=1,75+0,35=2,1; l=1,75+1,25=3.

Проверяем соответствие условиям:

b/l=2,1/3=0,7<0,85;

а S=2,1*3=6,3 м2>6,09 м² (по 1-му сочетанию 5-го типа).

Так как расстояние между фундаментами в осях равно 6−3=3 м >1 м, то размеры подошвы фундамента проходят.

2.5 Определение давления на грунт основания под подошвой фундамента Вертикальная расчетная нагрузка, приходящаяся на грунт основания под подошвой фундамента, определяется по формуле:

N^II=N₀^II+N_ф+N_гр

где N₀^II — расчетная нагрузка по II группе предельных состояний, приложенная к обрезу фундамента;

N_ф — вес фундамента, который определяется по формуле:

N_ф=V_ф*г_ж/б

где V_ф — объем фундамента:

V_ф=V₁+ V₂ +V₃ +V₄;

г_ж/б — удельный вес железобетона, который равен 23 кН/м³ .

N_гр — расчетный вес грунта, лежащего на уступах фундамента:

N_гр = V_гр *г_ср^II

г_ср^II =?г_h^II /?h

г_ср^II — усредненное значение удельного веса грунта:

г_ср^II =?г_h^II /?h

где h — мощность слоя грунта.

Момент, действующий по подошве фундамента, определяют по формуле М^II = М₀^II +T^II*H_ф

где М₀^II — момент, действующий по обрезу фундамента; T^II — сдвигающее горизонтальное усилие; H_ф — высота фундамента (размер по вертикали от обреза фундамента до подошвы).

Эксцентриситет равнодействующей относительно центра тяжести:

е = М^II / N^II

Среднее давление под подошвой фундамента Р^II_ср = N^II/ А_ф

где А_ф — площадь подошвы фундамента.

Максимальное и минимальное давление под подошвой фундамента

P^max = N^II/А_ф*(1+6e/l)

P_min = N^II/А_ф*(1−6e/l)

Рис. 4 Эпюра давлений под подошвой фундамента Для 1-го типа фундамента согласно ГОСТ 13 580–85: объем бетона: 0,26 м³; Размер: 1000*300*1180 мм.

Рис. 5 Конструкция монолитного железобетонного фундамента Конструируем фундамент в соответствии с размерами колонн (фундаменты 2,3,4,5 типов), глубиной заложения и площадью подошвы фундамента. Основные размеры приведены в таблице 7 (рисунок 5).

Табл. 7 Основные размеры фундамента

Табл.8 Размеры плитной части

Для определения веса фундамента вычислим его объем для всех типов и сведем результаты вычислений в таблицу 9 (т.к. «стакан» полый, то из объема подстаканника надо вычесть объем стакана — V4= V4*-0,9*0,71=2,03−0,64=1,39 м³ (для 2,3,4 типов фундамента) и V4= V4*-0,65*0,3=0,73−0,19=0,54 м³ (для 5 типа фундамента):

Табл.9 Расчет объема фундамента

Зная объем фундамента, получим вес фундамента:

Табл.10 Расчет веса фундамента

Для 1-го типа фундамента: N_ф=0,26*23=5,98 кН.

Определим N_гр (расчетный вес грунта, лежащего на уступах фундамента). Так как в пределах заложения фундамента тип грунта не меняется, то г_ср^II — усредненное значение удельного веса грунта тоже одинаково и равно 18,2 кН/м³.

V_гр — объем грунта, вычисляемый по формуле:

V_гр =d_ф*b*l — V_ф ,

где d_ф — глубина заложения подошвы фундамента; b — ширина подошвы фундамента; l — длина подошвы фундамента. Проделаем вычисления для всех типов фундамента и результаты сведем в таблицу 11:

Табл.11 Расчет объема грунта и веса грунта

Теперь можно определить вертикальную расчетную нагрузку, приходящуюся на грунт основания под подошвой фундамента:

Табл.12 Расчет вертикальной расчетной нагрузки

Так как T^II — сдвигающее горизонтальное усилие, в нашем случае для всех типов фундамента, равно 0, то момент, действующий по подошве фундамента, будет равен моменту, действующему по обрезу фундамента (М^II = М₀^II).

Определим эксцентриситет равнодействующей относительно центра тяжести и среднее давление под подошвой фундамента для всех типов фундамента и результаты сведем в таблицу 13.

Табл.13 Расчет эксцентриситета и среднего давления

Определим максимальное и минимальное давление под подошвой фундамента для всех типов фундамента и результаты сведем в таблицу 14.

Табл.14 Расчет максимального и минимального давления под подошвой фундамента

Рис. 6 Расчетная схема определения давления на фундамент

2.6 Уточнение расчетного сопротивления грунта основания при выбранной ширине подошвы фундамента Расчетное сопротивление определяется по СП 12.13 330.2011 (формула (5.7), с учетом ширины подошвы фундамента.

где _с1 = 1,2 (коэффициент ?_с1 зависит от вида грунтов, лежащих в основании здания. I_L = 0,5, т. е. 0,25? I_L? 0,5, согласно СНиПа ?_с1 = 1,2) — коэффициент, условий работы, принимаемый по табл. 3 (СНиП 2.01.01−82);

_с2 = 1,1 (коэффициент _с2 зависит как от вида грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, так и от отношения длины здания L к его высоте Н, а также жесткости здания. Длина здания L = 36 м, высота Н = 34 м. L/H=36/34=1,06) — коэффициент, условий работы, принимаемый по табл. 3 (СНиП 2.01.01−82));

k — коэффициент, принимаемый равным k = 1,1, т.к. прочностные характеристики грунта приняты по табл. 1 -3, Приложения Б (рекомендуемого) (СП 12.13 330.2011);

М_?=0,51;М_q=3,06;M_c=5,66(ц_п=20) — коэффициенты, принимаемые по табл.5.5 (СП12.13 330.2011);

k_z — коэффициент, принимаемый при b? 10 м — k_z = 1.

Определяем значение R при b1 = 1 м; b2 = 3,6 м; b3 = 3,9 м; b4 =3,3 м; b5 =2,1 м:

2.7 Проверка давления, действующего на грунт основания а) для среднего давления на грунт: Р^II_ср ?R

для 1,2,3,4,5 типов фундамента:

Р^II_ср1=198,11 кПа? 223,6 кПа Р^II_ср2=190,78 кПа? 252,58 кПа Р^II_ср3=197,99 кПа? 255,92 кПа Р^II_ср4=187,61 кПа? 249,23 кПа Р^II_ср5=195,5 кПа? 235,87 кПа б) для максимального краевого давления при эксцентриситете относительно главной оси: P_max? 1,2*R

P_max для всех типов фундамента ?1,2*R (т.к. эксцентриситет для 1,3,4,5 -го типов фундамента <0, выбираем P_max максимальные из значений P_max и P_min):

P_{max 1}=267,54 кПа? 223,6*1,2=303,09 кПа

P_{max 2}=193,16 кПа? 252,58*1,2=303,09 кПа

P_{max 3}=200,07 кПа? 255,92*1,2=307,1 кПа

P_{max 4}=200,18 кПа? (249,23*1,2)=299,07 кПа

P_{max 5}=254,15 кПа? (235,87*1,2)=283,04 кПа в) для проверки недопустимости отрыва подошвы фундамента от грунта:

P_min ?0

Данные, сведенные в табл. 14, подтверждают выполнение данного условия. Для всех типов фундаментов: P_min ?0. Таким образом, все требуемые условия выполняются.

2.8 Проверка слабого подстилающего слоя Так как в основании фундамента под несущим слоем грунта не залегает слой более слабого грунта, необходимости в его проверке нет.

2.9 Расчет основания по деформациям (по второму предельному состоянию). Определение осадки фундамента методом послойного суммирования Расчет осадки фундамента производится методом послойного суммирования. Основание под подошвой фундамента разбиваем на элементарные слои, 8−10 точек. Толщина каждого слоя h_i не должна превышать: h_i?0,4b, где b — ширина подошвы фундамента.

Для расчета осадки методом послойного суммирования на разных глубинах определяем напряжение от собственного веса грунта у_zg по формуле:

где у_zg0 — природные напряжения в точке 0, n — число слоев грунта в пределах глубины z; г_i — удельный вес i — го слоя, кН/м³; h_i — толщина i — го слоя, м. Дополнительные напряжения у_zp в точке 0 определяют по формуле:

Табл.15 Значения коэффициента б В нижележащих точках дополнительные напряжения определяются:

где б — коэффициент, зависящий от отношений l/b = К_П, 2z/b = m и принимаемый по таблице 15, l и b соответственно длина и ширина фундамента; z — расстояние от подошвы фундамента до i-ой точки.

При определении у_zp принимаем, что грунт однороден и изотропен на значительную глубину, давление по подошве фундамента распределяется равномерно. По полученным значениям у_zp и у_zg строим эпюры давлений на разных глубинах: эпюру у_zp — от природной поверхности земли, а эпюру у_zg — от подошвы фундамента (рисунок 6.4). Эти эпюры строят до нижней границы активной зоны, которую устанавливают из условия:

у^,_гр ?0,2 у^,_zg

Для определения напряжений у_zp необходимо найти дополнительные давления, МПа, в плоскости подошвы фундамента из выражения:

у_zp0 = p_II — у_z0g = p_II — г_IIdd_ф

где p_II — давление по подошве фундамента от расчетных нагрузок при расчете по II группе предельных состояний, кПа; у_z0g — природное вертикальное напряжение на глубине подошвы фундамента, считая от природного рельефа, кПа; г_IId — удельный вес грунта в пределах глубины заложения фундамента d, кН/м³. Ниже границы сжимаемой толщи грунт можно считать практически несжимаемым, поэтому осадку фундамента считаем до нижней границы сжимаемой толщи по формуле:

Где в₀ — безразмерный коэффициент, учитывающий условность расчетной схемы, принимаемый равным 0,8; n — число слоев, на которые разделена сжимаемая толща основания; у_zpi — среднее вертикальное (дополнительное) напряжение, возникающее в i-ом слое, кПа); h_i — толщина i-ого слоя грунта (м) (не более 0,4b); E_0i — модуль общей деформации i-ого слоя грунта, кПа.

Для типов фундамента 1,2,3,4,5 рассчитываем значения у_zg0 и у_zp0:

Табл.16 Значения у_zg0 и у_zp0

Определяем б для каждого типа фундамента по таблице 15. Для 1-го типа фундамента значение Кп=l/b, равно 1,2. Для 2-го и 4-го типов фундамента значения Кп=l/b, равны соответственно 1,33 и 1,27, и б практически одинаковы, т.к. точность берем до второго знака после запятой.

А для 3-го и 5-го типов фундамента значения Кп=l/b, равны соответственно 1,58 и 1,42, значения б различаются. Результаты вычислений сводим в таблицы:

Таблица 17а

Таблица 17б

Таблица 17в

Таблица 17г

Таблица 17д

В зависимости от типа фундамента нижняя граница сжимаемой толщи, где соблюдается условие у_гр ?0,2 у_zg (ниже грунт можно считать практически не сжимаемым), для каждого вида:

для 1-го типа: в 10-й точке (3,6 м) и осадка S = 0,124 м;

для 2-го типа: в 10-й точке (3,6 м) и осадка S = 0,122 м;

для 3-го типа: в 11-й точке (4 м) и осадка S = 0,136 м;

для 4-го типа: в 10-й точке (3,6 м) и осадка S = 0,108 м;

для 5-го типа: в 10-й точке (3,6 м) и осадка S = 0,133 м;

Предельные деформации (максимальная предельная осадка) для производственных многоэтажных зданий с устройством монолитных перекрытий равны 15 см (приложение Е, СП 50−101−2004). Таким образом, по всем видам фундаментов полученные расчетные осадки проходят до уровня предельно допустимых. Большие величины осадок вызваны тем, что первым слоем грунта является глина серая пылеватая, слоистая (ленточная) сильносжимаемая (Е0=3,5 Мпа).

Рис. 7 Расчетная схема распределения напряжений по оси фундамента на горизонтальные площадки в грунте основания Рис. 8 Расчетная схема (размеры в мм)

2.10 Расчет основания по несущей способности (по первому предельному состоянию) Целью расчета оснований по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

В п. 5.1.3. СП 50−101−2004 сказано: Расчет оснований по несущей способности должен производиться в случаях, если:

а) на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций и т. п.), в том числе сейсмические;

б) сооружение расположено на откосе или вблизи откоса;

в) основание сложено дисперсными грунтами, указанными в п. 5.6.5 (основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными глинистыми, органоминеральными и органическими грунтами (при степени влажности S_r? 0,85 и коэффициенте консолидации c_v? 10⁷ см²/год);

г) основание сложено скальными грунтами.

В нашем случае основание сложено медленно уплотняющимся водонасыщенным глинистым грунтом (S_r=1) (пункт в), и расчет выполняется исходя из условия:

где F — расчетная нагрузка на основание, кН; г_n — коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15; и 1,10 соответственно для зданий и сооружений I, II и III классов (в нашем случае химический цех относится к III-му классу, т. е. г_n=1,1); F_u — несущая способность основания (предельная), кН; г_c — коэффициент условий работы, принимаемый для пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии г_c=0,9. Таким образом, для нашего случая получим отношение: г_c/ г_n=0,82.

Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления N_u, кН, основания, сложенного дисперсными грунтами в стабилизированном состоянии, допускается определять по формуле:

если фундамент имеет плоскую подошву и грунты основания ниже подошвы однородны до глубины не менее ее ширины, а в случае различной вертикальной пригрузки с разных сторон фундамента интенсивность большей из них не превышает 0,5R, где bґ и lґ - соответственно приведенные ширина и длина фундамента, м, вычисляемые по формулам:

bґ = b — 2*e_b; lґ = l — 2*е_l

здесь e_b и е_l — соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок в направлении поперечной и продольной осей фундамента, м;

N_г, N_q, N_c — безразмерные коэффициенты несущей способности, определяемые по СП 50−101−2004 (табл. 5.10) в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта ц_I (по табл.2 данной работы, в нашем случае 18,18°), и угла наклона к вертикали д равнодействующей внешней нагрузки на основание F в уровне подошвы фундамента (в нашем случае д=0), следовательно (используя метод интерполяции) получим: N_г=2,84, N_q=5,9, N_c=14,5.

расчетные значения удельного веса грунтов, кН/м³, находящихся в пределах возможной призмы выпирания соответственно ниже и выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяют с учетом взвешивающего действия воды для грунтов, находящихся выше водоупора), т.к. грунт однороден, то принимаем одно значение ?₁=16,55 (по табл.2 данной работы);

с₁ — расчетное значение удельного сцепления грунта, с₁=12 кПа (по табл.2 данной работы);

d — глубина заложения фундамента, м;

о_?, о_q, о_c — коэффициенты формы фундамента, определяемые по формулам:

о_? = 1 — 0,25 / з, о_q = 1 + 1,5 / з; о_c = 1 + 0,3 / з, здесь з = l / b

l и b — соответственно длина и ширина подошвы фундамента, м, принимаемые в случае внецентренного приложения равнодействующей нагрузки равными приведенным значениям lґ и bґ, (так как моменты, заданные в условиях данного варианта не определены по осям, то принимаем смещение нагрузки только по b (наиболее узкой части фундамента) и рассчитываем приведенное значение только bґ).

Если з = l / b < 1, в формулах следует принимать з = 1.

Расчет коэффициентов сведем в таблицу для разных типов фундамента.

Табл.17 Расчет коэффициентов

Проведем расчет предельной нагрузки и результаты сведем в таблицу:

Табл.18 Расчет вертикальной составляющей силы предельного сопротивления основания

Отклонения от вертикали силы предельного сопротивления основания нет. Несущая способность основания (предельная) F_u= N_u.

Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения (в нашем случае выбираем нагрузку, полученную в результате расчетов в разделе 2.5 данной работы, т. е. N^II) на коэффициент надежности по нагрузке г_f, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию и принимаемый (СНиП 2.01.07−85*, п. 1.3): при расчете на прочность и устойчивость — для веса строительных конструкций и грунтов (в нашем случае г_f=1,1). Для всех типов фундаментов получим:

Табл.19 Вычисление расчетной нагрузки и сравнение с несущей способностью основания

Условие выполняется.

Расчет фундамента на сдвиг по подошве не производим, так как T^II — сдвигающее горизонтальное усилие, в нашем случае для всех типов фундамента, равно 0.

2.11 Расчет плитной части на продавливание Расчет плитной части железобетонных фундаментов на прочность выполняется в следующей последовательности:

а) определение реактивного давления грунта на подошву;

б) проверка высоты плитной (ступенчатой) части фундамента;

в) проверка прочности нижней ступени;

г) подбор сечения арматуры плитной части фундамента.

При определении реактивных давлений под подошвой фундамента учитываем только давление от нагрузок, приложенных к обрезу фундамента и вес подколонника, т.к. собственный вес плитной части и вес грунта на ее уступах уравновешиваются реактивными давлениями и не вызывают усилий изгиба в теле фундамента (рис. 9).

Рис. 8 Расчетная схема (размеры в мм)

N₁=N₀+N_под; M₁=M₀+T₀*H_ф; e=M₁/N₁; P_max=N₁/A_ф*(1+6e/l); P_min=N₁/A_ф*(1−6e/l);

где N₀ — нагрузка, приложенная к обрезу фундамента; N_под — вес подколонника; M₀ — момент, действующий по обрезу фундамента; T₀ — сдвигающая сила; H_ф — высота фундамента (размер по вертикали от обреза фундамента до подошвы); e — эксцентриситет силы N₁; l — размер подошвы фундамента в направлении действия момента (так как моменты, заданные в условиях данного варианта не определены по осям, то принимаем смещение нагрузки только по b (наиболее узкой части фундамента); A_ф — площадь подошвы фундамента. Произведем расчеты для всех типов фундамента и сведем результаты в таблицу (при проведении расчетов учитываем, что в нашем случае T₀=0, следовательно, M₁=M₀).

Табл.20 Вычисление давлений под подошвой фундамента

После расчета давлений под подошвой фундамента, построим эпюру давлений и пирамиду продавливания.

Расчет на продавливание производится для того, чтобы действующие усилия были восприняты бетонным сечением фундамента без установки поперечной арматуры. При расчете на продавливание от верха плитной части принимается, что продавливание от фундамента при центральном нагружении происходит по боковым поверхностям пирамиды, стороны которой наклонены под углом 45° к горизонтали (рис. 8).

Расчетная продавливающая сила определяется по формуле:

F=A₀*P_max

где P_max — наибольшее краевое давление (выбираем из максимальных значений P_max и P_min); A₀ — площадь многоугольника abcdef, которая рассчитывается:

A₀ = 0,56*(l — l_под — 2*h₀) — 0,25*(b — b_под — 2*h₀)²

Где b, l — соответственно ширина и длина подошвы фундамента;

b_под и l_под — ширина и длина стаканной части фундамента;

h₀ — размер по вертикали от верха плитной части фундамента до арматуры, с учетом защитного слоя равного 50 мм для 2,3,4-го типов фундамента: h₀=0,3+0,3+0,3−005=0,85 м.

Табл.21 Вычисление площади многоугольника abcdef и расчетной продавливающей силы

Расчет на продавливание при монолитном сопряжении колонны или подколонника с плитой производится по формуле:

F?k*R_p*U_cp*h₀

где F — расчетная продавливающая сила; k — коэффициент (при монолитном сопряжении колонны с плитной частью фундамента k = 1); R_p — расчетное сопротивление бетона растяжению (принимается по СП 63.13 330.2012, табл.6.7 в зависимости от марки выбранного бетона (В25 для предельных состояний второй группы равно 1,55 мПа; В7,5 — 0,7 мПа); U_cp — среднее арифметическое значение периметров верхнего и нижнего оснований пирамиды, образующейся при продавливании, в пределах рабочей высоты сечения, определяемое по формуле:

U_cp =2*(l_под + b_под +2*h₀)

Для 1-го типа фундамента в качестве размеров подколонника используем размеры ФБС 9.6.6 — 880×600×580 (мм).

Произведем расчеты для всех типов фундамента и сведем результаты в таблицу.

Табл.22 Выполнение расчета на продавливание

По результатам расчетов видно, что условие F? k*R_p*U_cp*h₀ выполняется для всех типов фундамента.

Проверка прочности нижней ступени фундамента сводится к определению выноса нижней ступени C₁ (рис.8), который можно расcчитать из условия:

F? R_p*h₀₁*b_1cp

где F=A₀₁*P_гр; b_1cp=b₁+h_01.

A₀₁ — площадь, с которой собирается реактивное давление. Здесь определение размеров пирамиды продавливания и площади выполняют аналогично изложенному ранее, а верхнее основание пирамиды b₁ является размером второй ступени фундамента.

A₀₁ = 0,56*(l — l₁ — 2*h₀₁) — 0,25*(b — b₁ — 2*h₀₁)²

Следовательно, для 2,3,4-го типов фундамента h₀₁=0,55 м, для 5-го — h₀₁=0,25 м (т.к. используется только две плиты), а для 1-го — h₀₁=0 (т.к. используется только одна плита). Произведем расчеты для 2,3,4,5-го типов фундамента и сведем результаты в таблицу.

Табл.23 Выполнение расчета на продавливание нижней ступени фундамента

Вынос нижней ступени не должен превышать значения:

C₁=k₁*h₀₁

где k₁ — коэффициент, принимаемый по таблице 24:

Табл.24

Произведем расчеты для всех типов фундамента и сведем результаты в таблицу.

Табл.25 Выполнение расчета выноса нижней ступени

Расчеты показывают, что вынос нижней ступени для 2,3,4,5-го типов фундаментов не превышает значения С₁.

2.12 Расчет плитной части на изгиб с подбором арматуры Площадь сечения рабочей арматуры нижней ступени фундамента рассчитывают по моменту, действующему в сечении фундамента по грани колонны (сечения 1−1 и 4−4); в сечениях по граням ступеней фундамента проверяют достаточность принятой по этому расчету арматуры и в случае необходимости вводят изменения. При прямоугольной подошве площадь сечения арматуры находят расчетом в обоих направлениях.

Рис. 9 Расчетная схема для определения площади сечения арматуры Определим момент в сечении 1−1 (рис.9): M₁₋₁=[(P_max+P₁)/2]*[(ll _k)²/8]*b;

в сечении 4−4: M₄₋₄=P_cp*l*(b-b_k)²/8,

где P₁ — давление по подошве в сечении 1−1. Площадь арматуры для сечения 1−1:

A_a= M₁₋₁/(0,9*h₀*R_a)

где h₀ — рабочая высота плитной части фундамента; R_a — расчетное сопротивление арматуры растяжению, которое определяется по таблице 26, R_a=270 000 кПа для арматуры класса А-II.

Табл.20 Расчетное сопротивление арматуры Табл.27а Выполнение расчета площади сечения арматуры

Табл.27б Выполнение расчета площади сечения арматуры (продолжение)

Площадь арматуры для сечений 1−1, 4−4 рассчитываем, принимая защитный слой 50 мм. По площади сечения арматуры необходимо подобрать по сортаменту арматуры (Методические указания по выполнению курсовой работы, приложение 3) количество и диаметр стержней. Для фундаментов диаметр арматуры стержней принимается не меньше 10 мм, шаг стержней — 20 см, крайних — 15 см. Произведем подбор для 1,2,3,4-го типов фундамента по полученным расчетам.

Табл.28 Выполнение подбора арматуры

В сечениях по граням ступеней фундамента проверяем достаточность принятой арматуры для сечений 2−2, 3−3, 5−5, 6−6, тоже принимая защитный слой 50 мм.

Табл.28а Выполнение проверки достаточности принятой арматуры для сечений 2−2 и 5−5

Табл.28б Выполнение проверки достаточности принятой арматуры для сечений 2−2 и 5−5

Табл.29а Выполнение проверки достаточности принятой арматуры для сечений 3−3 и 6−6

Табл.29б Выполнение проверки достаточности принятой арматуры для сечений 3−3 и 6−6

Для фундамента 5-го типа используются только две плиты, а для фундамента 1-го типа — одна. Поэтому данные для них по сечениям 3−3 и 6−6 отсутствуют, а для фундамента 1-го типа — и по сечениям 2−2 и 5−5.

Результаты вычислений и сравнение с подобранной площадью по сортаменту сведем в таблицу:

Табл.30 Выполнение проверки достаточности принятой арматуры для сечений 2−2, 3−3, 5−5 и 6−6

Как видно из таблицы 30 принятая арматура достаточна по всем сечениям и для 2,3,4,5-го типов фундамента.

В пояснительной записке необходимо вычертить принятый фундамент в двух проекциях с указанием арматуры.

3. Расчет свайного фундамента

3.1 Определение глубины заложения подошвы ростверка При выборе глубины заложения учитываются следующие факторы:

1) инженерно-геологические условия площадки строительства.

2) особенности возводимого здания.

3) климатические особенности.

Основным климатическим фактором, влияющим на глубину заложения, является промерзание грунтов. Для определения возможности промерзания грунтов под фундаментами необходимо, прежде всего, знать нормативную глубину промерзания d_fn. Расчет произведен в п. 2.1 данной курсовой работы.

Окончательно принимаем глубину заложения ростверка 1,35 м (в зависимости от нормативной глубины промерзания).

давление грунт фундамент подошва

3.2 Выбор вида, материала и размера сваи Рис. 10 Расчетная схема для определения длины сваи Примем железобетонные забивные сваи квадратного сечения с ненапрягаемой арматурой. По характеру работы целесообразно принять висячую сваю.

Определим длину сваи, для фундаментов 2,3,4,5-го типов (рассматривать устройство свайного фундамента вместо ленточного — 1-го типа не будем, т.к. это нецелесообразно ввиду явно более дорогого и трудоемкого способа устройства фундамента в этом случае):

l_св=H₁-d_f+H₂+0,05=4−1,35+2,5+0,05=5,65 м Табл.31 Подбор сваи по технико-экономическому сравнению вариантов

Марку сваи принимаем С6−20 по таблице 31 для фундаментов 2,3,4,5-го типов. Для получения необходимой длины часть сваи необходимо удалить. Основные характеристики сваи приведены в таблицу 31а.

Табл.32 Основные характеристики сваи

3.3 Определение несущей способности сваи по материалу и по грунту

1. Расчетное сопротивление (несущая способность) сваи по материалу определяется по следующей формуле:

F_d=г_с*ц*(R_пр*А_с+R_а.с.*А_а)

где г_с =1- коэффициент условий работы сваи; ц=1 — коэффициент, учитывающий условия погружения; R_пр — расчетное сопротивление бетона при осевом сжатии (СП 52−101−2003,Таблица 5.2), R_пр=11 500 кПа; R_а.с. — расчетное сопротивление арматуры сжатию (СП 52−101−2003,Таблица 5.8), R_а.с.=215 000 кПа; А_с=0,09 м² — площадь поперечного сечения сваи; А_а=4,52*10^-4 м² — площадь поперечного сечения всех продольных стержней арматуры.

F_d=1*1*(11 500*0,09+215 000*0,452)=1*1*(1035+97,18)=1132,18 кН

2. Несущую способность сваи по грунту (рис.12) находят как сумму сопротивлений, оказываемых грунтами основания под нижним концом сваи и по ее боковой поверхности по формуле (СНиП 2.02.03−85, СП 24.13 330.2011):

Рис. 12 Расчетная схема для расчета висячей сваи по несущей способности

F_d=г_с*(г_сR*R*А+u*?г_сf*f_i*h_i)

где г_с =1- коэффициент условий работы сваи в грунте; R=2400 кПа — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по табл. 7.2, примечание № 4; А=0,09 м² — площадь опирания на грунт сваи, принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто; u=1,2 м — наружный периметр поперечного сечения ствола сваи; f₁=22 кПа; f₂=14 кПа — расчетные сопротивления i-го слоя грунта (1-й — глина серая пылеватая, слоистая; 2-й — супесь серая, легкая) основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемые по табл. 7.3; h₁=4 м; h₂=1,65 м; - толщина i-го слоя грунта основания, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи (1-й — глина серая пылеватая, слоистая; 2-й — супесь серая, легкая); г_сR=1 и г_сf=1 — коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи, принимаемые по таблице 7.4.(погружение сплошных свай механическими молотами).

Получаем: F_d=1*(1*2400*0,09+1,2*(1*22*4+1*14*1,65)=1*(216+1,2*111,1)=349,32 кН Определив несущую способность сваи по материалу и грунту, выбираем наименьшее значение и используем его в дальнейших расчетах — 349,32 кН.

3.4 Определение необходимого числа свай в фундаменте Число свай, необходимых для восприятия нагрузки на фундамент рассчитывается по следующей формуле:

n=(г_k*N₀^I)/(F_d-б²*d_p*г_cp*г_k)

где N₀^I — расчетная нагрузка на фундамент по первому предельному состоянию из раздела 2.11 данной курсовой работы; г_k — коэффициент надежности, который равен 1,4, если F_d определяется расчетным путем; F_d — несущая способность сваи, которая была рассчитана в пункте 3.3 (принимается наименьшее значение, F_d=349,32 кН); a — расстояние между осями свай, которое принимается для висячих свай б?3d=0,9 м, где d=0,3 м, размер поперечного сечения сваи, т.о. б²=0,81 м²; d_p=1,35 м — глубина заложения ростверка; принимаем г_cp=20 кН/м — средний удельный вес материал ростверка фундамента и грунта.

Рассчитав необходимое число свай, округляем цифру до целого числа. Так как на фундамент действует момент, необходимо расчетное количество свай увеличить на 20%.

Табл.33 Расчет необходимого числа свай

3.5 Конструирование ростверка и его расчет Конструирование ростверка начинается с размещения свай в плане. Сваи располагаем в рядовом порядке. Расстояние между осями свай принимаем равным: для висячих свай б?3d=0,9 м. Расстояние от края сваи до края ростверка принимаем? d = 0,4 м.

Табл.34 Расчет размеров ростверка

Размеры ростверка: b=(0,4*2+0,9*3)+0,3=3,8 м; l=(0,4*2+0,9*4)+0,3=4,7 м (для 20 свай — фундаменты 2,4-го типа).

Размеры ростверка: b=(0,4*2+0,9*4)+0,3=4,7 м; l=(0,4*2+0,9*4)+0,3=4,7 м (для 25 свай — фундаменты 3-го типа).

Размеры ростверка: b=(0,4*2+0,9*2)+0,3=2,7 м; l=(0,4*2+0,9*3)+0,3=3,8 м (для 12 свай — фундамент 5-го типа).

Проверим возможность опрокидывания ростверка для всех типов фундамента с учетом приложенного момента. Ширина ростверков под стены должна быть не менее 0,4 м (определяется по формуле: b>d+20 см). Высота ростверка принимается не менее 0,6 м. Вес ростверка определяется по следующей формуле:

N_p=V_p*г_жб

где V_p — объем ростверка; г_жб — удельный вес железобетона, который принимаем в зависимости от класса, выбранного по СП 63.13 330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции (для В20 - 23,48 кН/м3).

Расчетные усилия для расчета по несущей способности и прочности определяются путем умножения заданных усилий на усредненный коэффициент перегрузки n=1,2.

Табл.35 Проверка условия неопрокидывания