3. Разработка вариантов фундаментов и выбор типа

ОСНОВАНИЯ

Рассматриваются следующие варианты решений: фундамент в открытом котло­ване на естественном основании; фундамент глубокого заложения; замена слабых грунтов основания песчаной подушкой.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА ФУНДАМЕНТЫ

В задании на курсовое проектирование в учебных целях приводятся только основные сочетания нормативных нагрузок, действующих на фундамент в уровне обреза и соответствующих максимальным значениям нормальной силы. Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке _f, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию и принимаемый:

а) при расчете на прочность и устойчивость в соответствии с пп. 2.2, 3.4, 3.7, 3.11, 4.8, 5.7,6.11,7.3,8.7/5/;

б) в расчетах по деформациям - равным единице, если в нормах проектирования конструкций и оснований не установлены другие значения.

Расчет свайных фундаментов и их оснований должен быть выполнен по предельным состояниям:

а) первой группы: по прочности материала свай и свайных ростверков; по несущей способности грунта основания свай, по устойчивости грунтового массива со свайным фундаментом (в курсовом проекте не производится), коэффициент надежности по нагрузке приближенно принимается равным _f,=1,1.. ..1,2;

б) второй группы: по осадкам основания свай и свайных фундаментов от вертикальных нагрузок; по перемещениям свай (горизонтальным и_p , углами поворота головы свай ψ_p , ) совместно с грунтом оснований от действия горизонтальных нагрузок и моментов, по образованию или раскрытию трещин в элементах железобетонных конструкций свайных фундаментов (не производится), _f, =1,0.

Расчет фундаментов мелкого заложения и их оснований должен быть выполнен по предельным состояниям:

а) первой группы: по несущей способности грунта основания фундаментов (в курсовом проекте не производится), по прочности и раскрытию трещин тела фундамента;

б) второй группы: по деформациям (осадкам, прогибам), _f =1,0.

5. Фундамент мелкого заложения на естественном

ОСНОВАНИИ.

5.1. Определение глубины заложения фундамента.

Глубина заложения фундаментов определяется в соответствии с указаниями пунктов 2.25-2.33 СНиП 2.02.01-83 /6/ с учетом глубины сезонного промерзания грунта, положения УГВ, теплового режима, конструктивных особенностей сооружения и т.п...

Максимальная из полученных выше величин откладывается в масштабе по расчетной оси, и проверяются свойства грунта, на который будет опираться подошва фундамента. Если данный грунт имеет небольшое расчетное сопротивление (ил, торф, насыпной грунт, растительный слой), а близко залегает более прочный слой, в ряде случаев целесообразно заглубить фундамент в этот слой, что позволит уменьшить размеры его подошвы. Принятая глубина заложения фундамента не должна находиться на границе двух слоев грунта. В таком случае необходимо заглубить фундамент в нижележащий слой не менее чем на 0,2 м.

Для района г. Златоуста нормативная глубина сезонного промерзания грунтов d_fn, = 2,0 м. Расчетная глубина сезонного промерзания грунтов определяется как

d_f,=К_h-d_fn,,

где К_h - коэффициент влияния теплового режима сооружения, принимаемый: для наружных фундаментов отапливаемого здания по табл. 1 /6/; для наружных и внутренних фундаментов не отапливаемых зданий К_h=1,1.

С учетом этого d_f, = 2,0-1,1 = 2,2 м.

Из конструктивных требований при отсутствии подвала или технического подполья, минимальная глубина заложения столбчатого фундамента под железобетонную колонну d_к определяется из условия d_к = h_f, + 0,2 м,

где h_f, - глубина заделки колонны в фундамент, в данном случае h_f, =1,0 м;

0,2 - минимальная толщина дна стакана, м.

Тогда d_к = 1 + 0,2 = 1,2 м.

Максимальной является величина d_f, =2,2 м, которую и откладываем на геологическом разрезе от отметки планировки (рис. 2). Подошва фундамента в этом случае имеет абсолютную отметку 110,4 м и опирается на слой супеси пластичной I_L = 0,8. В соответствии с пп. 2.29-2.31 СНиП /6/ проверяется условие недопущения морозного пучения грунтов основания. Для этого вычисляется глубина расположения уровня подземных вод d_=112,6 -109,6 = 3,0 м, и величина d_f, + 2,0 = 2,2 + 2,0 = 4,2 м.

В данном случае d_<d_f+2, 3,0м < 4,2 м. По таблице 2 /6/ в таких условиях для супеси пластичной при I_L > 0 глубина заложения фундамента должна приниматься не менее расчетной глубины промерзания d_f =2,2 м. Окончательно с учетом всех требований глубины заложения фундамента принимается равной d_f = 2,2 м.

5.2. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженного фундамента мелкого заложения под колонну промышленного здания.

Определение оптимальных размеров подошвы отдельных внецентренно нагруженных фундаментов под колонны производится методом последовательных приближений или с использование программы расчета на ЭВМ в следующем порядке:

а) определяется требуемая площадь подошвы фундамента как центрально нагруженного.

,

где N ^P- расчетное значение вертикального усилия на обрез фундамента, которое определяется при коэффициенте надежности по нагрузке _f , принимаемым в расчете оснований по деформациям равным γ_f =1, N^P =2354x1 =2354 кН;

R₀ - ориентировочное значение расчетного сопротивления грунта основания в уровне подошвы фундамента, определяемое, например, по эпюре R₀ геологического разреза, R₀=190кПа;

d₁ - глубина заложения подошвы фундамента, d₁=2,2 м;

- осредненное значение удельного веса фундамента и грунта на его ступенях,

= 20 кН/м³ ;

;

б) определяются размеры подошвы фундамента в плане, как имеющего квадратную форму , размеры подошвы плитной части фундаментов обычно принимаются кратными 0,1 м (0,3 м, если предполагается использование унифицированной щитовой опалубки);

в) уточняется величина расчетного сопротивления грунта основания для квадратного фундамента с шириной подошвы b=4,0 м по формуле 7/6/

,

где γ_c1 , _с2 - коэффициенты условий работы принимаемые по табл. 3 /6/,

γ_c1 =1,1, _с2 =1,0;

k - коэффициент надежности,k: =1,0;

М_, М_q, М_c- коэффициенты, принимаемые по табл. 4 /6/ в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта основания фундамента , для супеси пластичной при φ_II = 18⁰ , М_ =0,43 ; М_q =2,73 ; М_c =5 ,31 ;

К_z - коэффициент, принимаемый равным: при b<10м - К_z=1, при

b≥10м - К_z= + 0,2м (здесь z₀=8м);

γ₁₁ - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента,γ₁₁ =20 кН/м³ , при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды;

- то же, залегающих выше подошвы фундамента, в примере

с₁₁ - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего ниже

подошвы фундамента, с₁₁=5 кПа;

d_b - глубина подвала, в курсовом проекте для бесподвального здания d_b=0

b - ширина подошвы фундамента, b =4,0 м.

кПа.

Если подсчитанные по формуле 7 /6/ значение R существенно отличается от R₀ (более 10%), производится перерасчет размеров подошвы квадратного фундамента путем подстановки в выражение для определения требуемой площади подошвы вместо R₀ полученного значения R;

г) вычисляется эксцентриситет равнодействующей вертикальной нагрузки относительно центра подошвы фундамента как ,

где М_х - расчетное значение суммарного изгибающего момента, передаваемое фундаментом на основание в уровне подошвы, кНм;

N - расчетное значение вертикальной нагрузки на основание включая вес конструкций фундамента, грунта на его ступенях и т.п. кН.

,

где М^P, ^P - соответственно расчетные значения изгибающего момента и поперечного усилия в основном сочетании при γ_f=1,

М^P =1792 = 792 кНм, Q^Р = 1132 = 132 кН;

d₁ = 2,2 м.

Тогда М_х = 792 + 1322,2 = 1082,4 кНм.

N = N^P + G,

где N^P =2354кН;

G - расчетное значение вертикального усилия от веса конструкций фундамента и грунта на его ступенях, ориентировочно, при γ_f = 1 ,

.

Окончательно

N= 2354 + 704 = 3058 кН.

Тогда эксцентриситет вертикальной нагрузки

.

Рис. 3. Монолитный фундамент под колонну.

Поскольку e_x=0,35 м >0,033l=0,0334,0=0,132 м, но меньше l/6=4:6=0,64м, принимается прямоугольная в плане подошва фундамента и увеличивается ее размер в направлении действия изгибающего момент. Для этого вычисляется коэффициент увеличения К₀ по формуле

,

,

Значения К₀, как правило, принимаются в пределах от 1,1 до 1,5 /7/.

С учетом вычисленного значения К₀ длина подошвы внецентренно нагруженного фундамента под колонну определяется как l = К₀  b = 1,2  4,0 = 4,8 м.

Если е_х меньше 0,033l, допускается квадратная в плане подошва фундамента и краевые давления можно не определять, поскольку при выполнении условия р₀ ≤ R. краевое давление р_тax ≤ 1,2R.

д) проверяются краевые напряжения под подошвой фундамента исходя из трапециевидной эпюры давлений

,

где N - расчетное значение вертикальной нагрузки на основание, включая вес фундамента и грунта на его ступенях, кН,

N=N^P+G=12354+44.8202.21=3198,8кН;

А - площадь подошвы фундамента, м²,

А = 448=19,2м²;

M_х- расчетное значение изгибающего момента относительно центра подошвы фундамента кН м ,

М_х =М^P+Q^Рd₁ =1792 + 1322,21= 1082,4кHм;

е_х - эксцентриситет равнодействующей вертикальной нагрузки относительно центра подошвы фундамента, м,

, что меньше l/6=4,8:6=0,8 м;

l - размер подошвы фундамента в направлении действия момента, l =4,8 м .

Тогда .

2-2

Рис.4. Монолитный фундамент под колонну.

При правильном, экономичном подборе размеров подошвы фундамента должны выполнятся условия:

1. p_max≤1,2R, т.е. максимальное давление под краями подошвы внецентренно нагруженного фундамента p_шах, согласно СНиП /6/, должно быть меньше или равно 1,2R (до10%),

238,2 кПа < 1,2∙182 = 218,4 кПа - не выполняется.

2. p_min> 0, для минимального давления ограничение не введено, но оно должно быть больше 0, т.е. не, должно быть отрыва части подошвы фундамента от грунта в резуль­тате появления растягивающих напряжений, когда р_min со знаком «минус»,

95 кПа > 0 - выполняется.

3. p₀ < R, т.е. среднее давление под подошвой фундамента должно быть меньше рас четного сопротивления грунта основания,

166,6 кПа < 182 кПа - выполняется.

Условие (1) не выполняется, поэтому увеличивается размер подошвы фундамента в направлении действия момента, что соответствует рекомендациям /7/. Принимается l=5,2 м, b=4,0 м при прежнем значении R=182 кПа и производится перерасчет (в ряде случаев целесообразно увеличить значение b и определить l = К₀ ∙ b ).

Тогда

N = 2354 + 1∙4∙5,2∙2,2∙20 = 2354 + 915,2 = 3269,2 кН;

, что меньше l/6 = 5,2:6 = 0,86 м:

р_max = 217кПа, р_тin = 97,5кПа, p₀ = 157,З кПа.

Проверяется выполнение условий

p_max=217кПа< 1,2R=218,4 кПа;

p_min =97,5 кПа>0;

р₀ = 157,3 кПа < R = 182 кПа.

p_min/p_max= 97,5 кПа /217 кПа = 0,45, что больше рекомендуемой величины 0,25.

Условия выполняются, а недонапряжение по максимальному краевому давлению составляет , что меньше 10%. Следовательно, фундамент запроектирован экономично.

Окончательно принимается фундамент с габаритами подошвы l= 5,2 м, b = 4,0 м, h₁ =2,2м. Таким образом, принятые размеры фундамента удовлетворяют условиям, ограничивающим краевые давления и их соотношение.

Если под несущим слоем грунта основания залегает менее прочный, то в нем под действием сжимающих напряжений могут развиваться пластические деформации, приводящие к нелинейной зависимости между нагрузкой на фундамент и его осадкой. В этом случае необходимо проверить выполнение условия

где σ_zp- дополнительное вертикальное давление на кровлю подстилающего слоя, передаваемое фундаментом, кПа;

σ_zg - давление от собственного веса грунта на кровлю подстилающего слоя,

считая от отметки природного рельефа, кПа;

R_z - расчетное давление на кровлю грунта пониженной прочности вычисляемое по формуле 7/6/ для условного фундамента, шириной b_z , кПа.

В свою очередь , A_z=N/σ_zp , a=(l-b)/2,

где N - расчетное значение вертикальной нагрузки на основание, включая вес конструкции фундамента и грунта на его ступенях, кH ,

l, b - соответственно длинна и ширина проектируемого фундамента, м.

Если условие не выполняется, необходимо принять большие размеры подошвы фундамента.

В данном случае несущим слоем является супесь пластичная с условным расчетным сопротивлением R₀ = 190 кПа, которая подстилается суглинком полутвердым с R₀ = 230 кПа, т.е. более прочным грунтом. Поэтому проверка подстилающего слоя не выполняется.