Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышленных зданий

ОиФ.dwg

Термическое отделение
Отделение механической обработки
Отделение общей сборки
Малярное отделение и экспедиция
утеплитель пенополистирол
сухая стяжка - 20 мм
двухслойный наплавляемый ковер
крупнозернистая посыпка
цем.-песчаная стяжка
композиционная пленка изоспан
Д.С.270102.46021д.05.КП.10-ОиФ
Фундамент на естественном основании
Фундамент на распределительной подушке
Лакокрасочная гидроизоляция
Бетонная подготовка - 100
Защитная стенка в 12 кирпича
Относительная отметка 0.000 соответствует
Основанием фундамента служит суглинок
с модулем деформации Е=12
расчетное сопротивление R=26
удельное сцепление грунта с = 14 кПа
угол внутреннего трения = 18 град
Уровень подземных вод на отм. -0.800 м.
Нормативная глубина промерзания
(г. Алапаевск) d = 1
Схема расположения элементов фундамента
Сопряжение фундаментных балок с фундаментом

Готовая работа.docx

Министерство образования Российской Федерации
ФГАОУ ВПО «УрФУимени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Факультет дистанционного образования
ПО КУРСУ «ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ»
Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышленных
Преподаватель Аверьянова Л.Н.
Определение нагрузок действующих на фундаменты
Оценка инженерно-геологических и гидрологических условий площадки
Расчет и проектирование варианта фундамента на естественном основании
1 Определение глубины заложения фундамента
2 Определение площади подошвы фундамента
3 Выбор фундамента и определение нагрузки на грунт
4 Расчетное сопротивление грунта
5 Давление на грунт под подошвой фундамента
Расчет и проектирование свайного фундамента
Библиографический список
Требуется рассчитать и запроектировать основания и фундаменты для двухпролётного одноэтажного промышленного здания со смешанным каркасом с мостовыми кранами и приямком в одном из пролетов.
Таблица 1. Габаритные параметры здания и характеристика условий строительства
где L1 L2 - ширина пролетов м;
Н1 Н2 — высота пролетов м;
Нпр — глубина заложения приямка м;
Q1 Q2 — грузоподъемность кранов т;
tвн — расчетная среднесуточная температура воздуха в помещении °С;
Мt — безразмерный коэффициент численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур наружного воздуха за зиму в данном районе;
S0 — снеговая нагрузка. кПа;
W0 — давление ветра.
Остекление здания принято ленточного типа (от оси 1 до оси 6 включительно). Остекление торцевых стен не предусмотрено.
Рисунок 1. Габаритные схемы плана и разреза здания
Инженерно-геологические условия площадки строительства установлены бурением четырех скважин на глубину 20 м. Подземные воды во всех скважинах расположены на глубине 08 м от отметки природного рельефа.
Таблица 2. Инженерно-геологические условия площадки
Почвенно-растительный слой
Толщина слоя бурения до глубины 20 м не установлена
Таблица 3. Исходные показатели физико-механических свойств грунтов
Группа грунтов по трудности разработки
Пески средней зернистости
Таблица 4. Состав подземных вод по данным химического анализа
Показатели агрессивности воды-среды
Бикарбонатная щелочность ионов HCO3 мгэквл
Водородный показатель pH
Содержание агрессивной углекислоты CO2 мгл(дм)
Содержание аммонийных солей ионов NH4+ мгл(дм)
Содержание магнезиальных солей ионов Mg2+ мгл(дм)
Содержание щелочей гл
Содержание сульфатов ионов SO4-2 мгл
Содержание хлоридов ионов C- мгл
Определение нагрузок на фундамент
Расчет нормативных значений усилий на уровне обреза фундаментов от нагрузок воспринимаемых рамой каркаса (постоянная снеговая ветровая и крановая) выполнены на ЭВМ. Наиболее нагруженными являются фундаменты по оси А-5. Правило знаков М и Q: "плюс" - вправо "минус" - влево применительно к изображению поперечного разреза здания.
Таблица 5. Нормативные значения усилий фундаментов по оси А-5
Таблица 6. Расчетное сочетание нагрузок
Определяем основные сочетание нагрузок состоящие из постоянных длительных и кратковременных по формуле (СП 20.13330.2011 п.6.2а):
Cm = Pd + (t1Pti + t2Pti + t3Pti )
где Pd - постоянная нагрузка кН;
t1= 10 - коэффициент сочетания соответствующий основной по степени влияния кратковременной нагрузке (СП 20.13330.2001 п.6.4);
t2 = 09 - коэффициент сочетания соответствующий второй по степени влияния кратковременной нагрузке (СП 20.13330.2001 п.6.4);
t3 = 07 - коэффициент сочетания для остальных кратковременных нагрузок (СП 20.13330.2001 п.6.4).
CmN = 12954+(12520+093381+0700) = 18517 кН
CmM = -3622+(100+091424+0712265) = 6245 кН
CmQ = -126+(100+0950+071046) = 651 кН
Расчетное значение нагрузки получаем произведением нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке f.
При определении расчётных нагрузок для расчета по второй группе предельных состояний -по деформации - величина коэффициента надежности по нагрузке принимаем f = 1.
NII = Nnf = 185171 = 18517 кН
MII = Mnf = 62451 = 6245 кНм
QII= Qnf = 6511 = 651 кН
При определении расчетных нагрузок для расчета по первой группе предельных состояний - по несущей способности оснований фундаментов ростверков и свай - величина коэффициента надежности по нагрузке принимаем f = 12.
NI = Nnf = 18517 12 = 222204 кН
MI = Mnf = 6245 12 = 7494 кНм
QI = Qnf = 65112 = 7812 кН
Физико-механические свойства грунта
Вычисляем физико-механические свойства грунта по приведенным в таб. 3 исходных характеристик.
Число пластичности Iр% определяем по формуле (ГОСТ 25100-2011 А.31):
Iр = WL - WP = 339 - 229 = 10%
где WL - влажность на границе текучести %;
WP — влажность на границе раскатывания %.
Плотность сухого грунта ρd тсм3 вычисляем по формуле (ГОСТ 5180-84 п.9.2):
где ρn - плотность грунта тсм3;
W - влажность грунта %.
Пористость n определяется по формуле:
где ρd - плотность сухого грунта тсм3;
ρs - плотность частиц грунта тсм3.
Коэффициент пористости e д.е. определяется по формуле (ГОСТ 25100-2011 А.6):
ρs — плотность частиц грунта тсм3.
Коэффициент водонасыщения Sr д.е. определяются по формуле (ГОСТ 25100-2011 А.2):
где W - природная влажность грунта д.е.;
ρs — плотность частиц грунта тм3;
е — коэффициент пористости д.е.;
ρw — плотность воды принимаемая равной 10 тм3.
Показатель текучести IL д.е. - показатель состояния (консистенции) глинистых грунтов определяют по формуле (ГОСТ 25100-2011 А. 18):
где W - природная влажность грунта %;
Wp — влажность на границе раскатывания %;
Iр — число пластичности %.
По показателю текучести суглинок находится в тугопластичном состоянии (ГОСТ 25100-2011 блок-схема Е.7).
Расчетное значение удельного веса и удельного веса твердых частиц:
I(2) = ρIg = 189981 = 1854 кНм3
II(2) = ρIIg = 191981 = 1874 кНм3
s = ρsg = 271981 = 2659 кНм3
w = ρwg = 10981 = 981 кНм3
ρw — плотность воды принимаемая равной 1 тм3;
g - ускорение свободного падения мс2.
Удельный вес суглинка расположенного ниже уровня подземных вод с учетом взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний вычисляем по формуле:
где s - удельный вес твердых частиц грунта кНм3;
w - удельный вес воды кНм3;
е — коэффициент пористости.
Удельный вес грунта выше подошвы фундамента до глубины dw = 08 м принимаем без учета взвешивающего действия воды II(2) = 1874 кНм3 а ниже уровня подземных вод т.е. в пределах глубины d = d1 - dw = 2 - 08 = 12 м и ниже подошвы фундамента принимаем sb(2) = 943 кНм3.
Удельный вес грунта расположенного выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды) вычисляем по формуле:
где sb(2) - удельный вес суглинка расположенного ниже уровня подземных вод с учетом взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний кНм3;
dw - глубина расположения уровня подземных вод м;
II(2) - удельный вес суглинка без учета взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний кНм3;
d1 - условная глубина заложения фундаментов м.
Условное расчетное сопротивление грунта основания R кПа определяем по формуле (СП 22.13330.2011 п.5.6.7):
где c1 c2 - коэффициенты условий работы при показателе текучести IL = 049;
k - коэффициент принимаемый равным единице т.к. прочностные характеристики грунта (φII и сII) определены непосредственными испытаниями;
М MqMc - коэффициенты в зависимости от угла трения φII = 20°;
kz = 1 - коэффициенты принимаемые равным единице при b 10 м;
b= 1м - условная ширина подошвы фундамента м;
sb(2) - удельный вес суглинка расположенного ниже уровня подземных вод с учетом взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний кНм3;
'II - удельный вес грунта расположенного выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды) кНм3;
сII - расчетное значение удельного сцепления грунта залегающего непосредственно под подошвой фундамента кПа;
d1 - условная глубина заложения фундаментов м;
db = 0 - глубина подвала м.
Полное наименование грунта слоя 2 по ГОСТ 25100-2011 – суглинок тугопластичный. Этот грунт может быть использован как естественное основание поскольку имеет достаточную прочность. (Rусл = 2695 кПа 20 МПа >Е = 12 МПа > 10 МПа —слабосжимаемый).
Iр = WL - WP = 277– 227 = 5%
По показателю текучести суглинок находится в мягкопластичном состоянии (ГОСТ 25100-2011 блок-схема Е.7).
I(3) = ρIg = 182981 = 1785 кНм3
II(3) = ρIIg = 184981 = 1805 кНм3
s = ρsg = 273981 = 2678 кНм3
где sb(3) - удельный вес суглинка расположенного ниже уровня подземных вод с учетом взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний кНм3;
где c1 c2 - коэффициенты условий работы при показателе текучести IL = 068;
М MqMc - коэффициенты в зависимости от угла трения φII = 19°;
Полное наименование грунта слоя 3 по ГОСТ 25100-2011 – суглинок мягкопластичный. Этот грунт может быть использован как естественное основание поскольку имеет достаточную прочность. (Rусл = 2281 кПа Е = 10 МПа - слабосжимаемый).
Слой 4 – песок средней зернистости
I(4) = ρIg = 192981 = 1883 кНм3
II(4) = ρIIg = 194981 = 1903 кНм3
s = ρsg = 267981 = 2619 кНм3
Удельный вес песка мелкого расположенного ниже уровня подземных вод с учетом взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний вычисляем по формуле:
где sb(4) - удельный вес песка мелкого расположенного ниже уровня подземных вод с учетом взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний кНм3;
sb(3) - удельный вес суглинка расположенного ниже уровня подземных вод с учетом взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний кНм3;
h3 + h4 - условная глубина заложения фундаментов м.
где c1 c2 - коэффициенты условий работы;
М MqMc - коэффициенты в зависимости от угла трения φII = 35°;
sb(4) - удельный вес песка мелкого расположенного ниже уровня подземных вод с учетом взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний кНм3;
Полное наименование грунта слоя 4 по ГОСТ 25100-2011 – песок средней зернистости. Этот грунт может быть использован как естественное основание поскольку имеет достаточную прочность. (Rусл = 36882 кПа Е = 30 МПа > 20 МПа – практически несжимаемый).
Таблица 7. Показатели свойств и состояний грунтов (вычисляемые)
Примечание. Наименование грунта по ГОСТ 25100-2011:
- 2-й слой – суглинок тугопластичный;
- 3-й слой - суглинок мягкопластичный;
- 4-й слой – песок средней зернистости.
В целом площадка пригодна для возведения здания. Рельеф площадки спокойный с небольшим уклоном в сторону скважины 4. Грунты имеют слоистое напластование с выдержанным залеганием пластов. Слой 2 (суглинок тугопластичный) имеет достаточную прочность является слабосжимаемым (20 МПа >E = 14 МПа > 10 МПа) и может быть использован в качестве основания в природном состоянии. Слой 3 является слабым грунтом. Слой 4 (песок средней зернистости) имеет достаточную прочность является практически несжимаемым (Е = 30 МПа > 20 МПа) и может быть использован в качестве основания в природном состоянии. Грунтовые воды располагаются на небольшой глубине что значительно ухудшает условия устройства фундаментов:
- при заглублении фундаментов более 09 м необходимо водопонижение;
- возможность открытого водоотлива из котлованов разработанных в суглинке должно быть обосновано проверкой устойчивости дна котлована.
При производстве работ в зимнее время необходимо предохранение основания от промерзания.
Целесообразно рассмотреть следующие возможные варианты фундаментов и оснований:
- фундамент мелкого заложения на естественном основании – суглинок тугопластичный;
- фундамент на распределенной песчаной подушке (может быть достигнуто уменьшением размеров подошвы фундаментов и расчетных осадок основания);
- свайный фундамент из забивных висячих свай (несущим слоем для свай может служить песок средней зернистости - слой 4).
Следует предусмотреть срезку и использование почвенно-растительного слоя при благоустройстве и озеленении застраиваемого участка (СП 22.13330.2011 п. 1.5).
Расчет и проектирование фундамента на естественном основании
Проектируется монолитный фундамент мелкого заложения на естественном основании под колонну расположенную по осям А-5 для исходных данных приведенных в п.1
1. Определение глубины заложения фундамента
Определяем глубину заложения фундамента в соответствии с учетом трех факторов.
Учет глубины сезонного промерзания грунта. Грунты основания пучинистые поэтому глубина заложения фундамента d от отметки планировки должна быть не менее расчетной глубины промерзания которую можно определить по формуле (п.5.5.4 СП 22.13330.2011):
где kh = 07 - коэффициент учитывающий влияние теплового режима сооружения
принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых сооружений - по таб. 5.2 СП 22.13330.2011 при tвн = 10°С;
d0 — величина принимаемая равной для суглинков 023 м;
Мt — безразмерный коэффициент численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе.
Учет конструктивных особенностей здания. Так как высота здания Н1 = 288 м и производственный процесс не сопровождается какими–либо специфическими процессами (особый температурный влажностный режим режим работы крана) необходима постановка стальных колонн.
Высота фундамента стальной колонны Нф должна составлять не менее чем:
где – глубина заделки анкерных болтов в фундамент принимаем
Принимаем – при этом условии можно принять размеры фундамента по таблице 1.6 МУ.
Заглубление фундамента в несущий слой принимаем 0.7 м для исключения возможности опирания фундаментов на насыпной грунт в самой низкой точке рельефа.
где – глубина заложения фундамента от уровня планировки.
Инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки.
С поверхности на большую глубину залегает слой 2 представленный малосжимаемым суглинком тугопластичным (Rусл = 2695 кПа). В этих условиях учитывая высокий УПВ глубину заложения подошвы фундамента целесообразно принять минимальную но достаточную из условий промерзания и конструктивных требований.
С учетом всех трех факторов принимаем глубину заложения от поверхности планировки (DL) с отметкой 6590 d=235 м Нф = 18 м..
Абсолютная отметка подошвы фундамента (FL) составляет 6355 что обеспечивает выполнение требования о минимальном заглублении в несущий слой.
2. Определение площади подошвы фундамента.
Площадь Атр подошвы фундамента определяем по формуле:
где = 18517 кН – наибольшая величина нормативной нагрузки передаваемой колонной в уровне обреза фундамента;
= 200 кНм³ - средний удельный вес материала фундамента (бетона) и грунта на его уступах;
d = 235 м – глубина заложения фундамента от уровня планировки.
3. Выбор фундамента и определение нагрузки на грунт
Принимаем фундамент ФД 14-2 с размерами подошвы l = 48 м b = 36 м м².
Объем бетона Vfun = 118 м³.
Вычисляем расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:
- вес грунта на уступах фундамента
– объем грунта на уступах
= 1 – коэффициент надежности по нагрузке
= 25 кНм³ - удельный вес для бетона фундамента
= 095 – коэффициент разрыхления
= 1874 кНм³ - удельный вес суглинка (грунт идущий на обратную засыпку в природном состоянии).
Все нагрузки действующие на фундамент приводим к центру тяжести подошвы:
Qtot = Qcol = 651 кН.
4. Расчетное сопротивление грунта
Уточняем R для принятых размеров фундамента (l = 48 м b = 36 м d = 235 м):
где c1 c2 - коэффициенты условий работы при показателе текучести IL = 035;
k — коэффициент принимаемый равным единице т.к. прочностные характеристики грунта (φII и сII) определены непосредственными испытаниями;
М Mq Mc - коэффициенты в зависимости от угла трения φII = 21°;
kz = 1 - коэффициенты принимаемые равным единице при b 10 м;
b - ширина подошвы фундамента м;
II’ - удельный вес грунта расположенного выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды) кНм3;
cII = 21 кПа - расчетное значение удельного сцепления грунта залегающего непосредственно под подошвой фундамента кПа;
d1 = 235 м - глубина заложения фундаментов м;
5. Давление на грунт под подошвой фундамента
Определяем среднее PII mt максимальное PII max и минимальное PII min давления на грунт под подошвой фундамента:
где – момент сопротивления фундамента
где NII — сумма вертикальных нагрузок действующих на основание кроме веса
фундамента и грунта на его обрезах и определяемых для случая расчета основания по деформациям кН;
А - площадь подошвы фундамента м2;
mt - средний объемный вес материала фундамента и грунта расположенного над уступами фундамента кНм3;
d - глубина заложения фундамента считая от планировочной отметки земли около фундамента м;
MtotII — момент от равнодействующей всех нагрузок действующих на подошве фундамента найденных с учетом заглубления фундамента в грунте и перераспределяющего влияние подошвы фундамента м3;
W — момент сопротивления площади подошвы фундамента м3.
PII min = 1415 кПа > 0.
Т.к. грузоподъемность мостового крана Q1 = 10т 75 т то отношение проверять не требуется.
Все условия ограничения давлений выполнены.
Эпюра контактных давлений по подошве фундамента приведена на рисунке 4
Рисунок 4. Эпюра контактных давлений по подошве фундамента
Расчет оснований по деформациям производят исходя из условия
где S - осадка основания фундамента (совместная деформация основания и сооружения);
Su - предельное значение осадки основания фундамента (совместной деформации основания и сооружения) (таб. Д.1 СП 22.13330.2011).
Осадку основания фундамента S см с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства определяем методом послойного суммирования по формуле:
где = 08 - безразмерный коэффициент;
zpi - среднее значение вертикального нормального напряжения от внешней нагрузки
n — число слоев на которые разбита сжимаемая толща основания.
Вертикальное эффективное напряжение от собственного веса грунта zg кПа на границе слоя расположенного на глубине z от подошвы фундамента определяется по формуле:
где ' - средний удельный вес грунта расположенного выше подошвы фундамента кНм3;
dn — глубина заложения фундамента м;
i и hi — соответственно удельный вес кНм3 и толщина i-го слоя грунта залегающего
выше границы слоя на глубине z от подошвы фундамента м.
Определяем составляющие формулы для определения осадки основания фундамента на уровне подошвы:
- zp0 = PIImt = 14813 кПа
где РIImt - среднее давление под подошвой фундамента кН.
- z0 = zg0 = ’dn = II(2)dw+sb(2)(d1-dw) = 1854×08+943×(235-08) = 2945 кПа
где ' - средний удельный вес грунта расположенного выше подошвы фундамента кНм3;
dn - глубина заложения фундамента м;
II(2) - удельный вес суглинка без учета взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состоянии кНм3;
dw - глубина заложения фундаментов м.
- Е0 = 14 МПа = 14000 кПа
Определяем составляющие формулы для определения осадки основания фундамента на глубине h1 от уровня подошвы фундамента:
- h1 = 02b = 02×36=072 м
где b - ширина подошвы фундамента м.
- zp1 = α×PIImt = 0967 ×14813 = 14324 кПа
где α - коэффициент принимаемы по таб. 5.8 СП 22.13330.2011 в зависимости от относительной глубины и соотношению сторон подошвы фундамента
b - ширина подошвы фундамента м;
- длина фундамента м.
PIImt - среднее давление под подошвой фундамента кН.
- z1 = α×zg0 = 0967×2945 = 2848 кПа
где α- коэффициент принимаемы по таб. 5.8 СП 22.13330.2011 в зависимости от относительной глубины и соотношению сторон подошвы фундамента
- zg1 = zg0 + sb(2)×h1=2945+943×072 = 3624 кПа
где sb(2) - удельный вес суглинка расположенного ниже уровня подземных вод с учетом
взвешивающего действия воды для расчета по II группе предельных состояний кНм3;
h1 - толщина 1-го слоя грунта залегающего выше границы слоя на глубине z от подошвы фундамента м.
- E1-3 = 14МПа = 14000 кПа.
Дальнейшие вычисления сводим в таблицу.
Таблица 9. Определение осадки.
Примечание. Граница суглинка (2 слой) и суглинка (3 слой) условно смещена до глубины hi = 072 м от подошвы (фактическое положение на глубине h = 03 м). Граница суглинка (3 слой) и песка средней зернистости (4 слой) условно смещена до глубины hi = 24 м от подошвы (фактическое положение на глубине h = 22 м).
На глубине Нс = 504 м от подошвы фундамента выполняется условие:
zp7 = 3451 кПа 3849 кПа = 05zg7 (п.5.6.41 СП 22.13330.2011) поэтому послойное суммирование деформации основания производим в пределах от подошвы фундамента до глубины сжимаемой толщи (ГСТ). Определим осадку фундамента:
S = 94 см 15 см = Su — условие выполняется
Su — предельное значение осадки основания фундамента (совместной деформации основания и сооружения) (таб. Г.1 СП 22.13330.2016).
Расчетная схема распределения напряжений в основании фундамента по оси А-5
Рассмотрим вариант свайного фундамента из забивных железобетонных висячих свай сечением 400x400мм погружаемых дизельным молотом.
По конструктивным требованиям так же как и для фундамент на естественном основании верх ростверка должен быть на отм. —0150 м.
Определяем глубину заложения подошвы ростверка исходя из:
- расчетной глубины промерзания грунта от поверхности планировки которая определяется по формуле (п.5.5.4 СП 22.13330.2016):
где kh = 07 - коэффициент учитывающий влияние теплового режима сооружения принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых сооружений - по таб. 5.2 СП 22.13330.2011 при tвн = 10°С;
d0 — величина принимаемая равной для глин и суглинков 023 м;
Mt — безразмерный коэффициент численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе.
- конструктивных требований к минимальной высоте ростверка которая складывается из высоты стакана hст мм и толщины дна стакана hдн мм:
hr ≥ hст + hдн +100 = 1250 + 400 + 100 = 175 м
где hст - высота стакана для колонны с площадью сечением 1400
hдн — толщина дна стакана которая должна быть не менее 400мм мм.
Для дальнейших расчетов принимаем большее из двух значений с округлением до кратного 150 мм т.к. 175 м = hрост. ≥ df = 139 м то принимаем глубину заложения равным 1800 мм что соответствует отм. -1950 м (абсолютной отм. 9470 м)
В качестве несущего слоя висячей сваи принимаем песок средней зернистости практически несжимаемый (слой 4).
Определяем минимально необходимую длину сваи Lmin м по формуле:
Lmin = h1 + h2 + h3 = 005 + 540 + 1 = 328 м
где h1 - размер заделки сваи в ростверк (принимаем шарнирное сопряжение ростверка и сваи) м;
h2 — толщина прорезаемых сваей слабых слоев грунтов м;
h3 — требуемое заглубление нижних концов свай в зависимости от показателя текучести несущего слоя (п. 8.14 СП 24.13330.2011) м.
Окончательную длину сваи принимаем равной ближайшей стандартной длине (с округлением в большую сторону большего размера) а размер поперечного сечения и класс бетона сваи по прочности на сжатие - минимальный соответствующими принятой длине.
Принимаем типовую железобетонную сваю С7-40 квадратного сечения. Класс бетона сваи В25 арматура из стали класса 412АIII объем бетона 060 м3 массой сваи 16 т толщиной защитного слоя аb = 20 мм.
Расчетная схема к определению несущей способности сваи по грунту
Определяем несущую способность одиночной сваи из условия сопротивления грунта основания Fd кН по формуле (п. 7.2.2 СП 24.13330.2011):
где γс = 1 - коэффициент условия работы;
R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи кПа принимаемый по
таблице 7.2 СП 24.13330.2011;
А - площадь опирания на грунт сваи м2;
u - наружный периметр поперечного сечения ствола сваи м;
fi - расчетное сопротивление -го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи
кПа принимаемый по таблице 7.3 СП 24.13330.2011;
γcR - коэффициент условия работы грунта под нижним концом сваи принимаемые по
таблице 7.4 СП 24.13330.2011;
γcf - коэффициент условия работы грунта на боковой поверхности сваи принимаемые по таблице 7.4 СП 24.13330.2011.
Определяем составляющие формулы:
- Т.к. погружение сплошной сваи осуществляется дизельным молотом тогда принимаем коэффициенты условия работы грунта под нижним концом и на боковой поверхности равным единице;
- Для определения fi расчленяем каждый однородный пласт грунта на слой толщиной hi 2 м и устанавливаем среднюю глубину расположения zi каждого слоя считая от уровня природного рельефа. По таблице 7.3 СП 24.13330.2011 используя в необходимых случаях устанавливаем:
Вид грунта: zi м fi кПа
Суглинок при IL = 049 45 235
Суглинок при IL = 068 51 115
Песок сред. зернистости 77 614
- В соответствии с расчетной схемой сваи устанавливается для песка мелкого при z
площадь опирания на грунт квадратной сваи определяем по формуле:
А = а2 = 042 = 016 м2
наружный периметр поперечного сечения ствола сваи определяем по формуле:
u = 2(а + а) = 2(03 + 03) = 12 м
Определяем требуемое число свай в фундаменте в первом приближении по формуле:
где NI - расчетное значение нагрузки кН;
γ0 - коэффициент условий работы учитывающий повышение однородности грунтовых
условий при применении свайных фундаментов;
Fd - несущую способность висячей сваи кН;
γmt - среднее значение удельного веса материала ростверка и грунта на его уступах кНм3;
d - глубина заложения подошвы ростверка от поверхности планировки м;
(3dCB)2 — площадь подошвы ростверка приходящаяся на одну сваю при минимальном расстоянии между свая 3
γg - коэффициент надежности по грунту;
k - коэффициент увеличения числа свай косвенно учитывающий влияние момента и
γn — коэффициент надежности по назначению здания и сооружения;
γk — коэффициент надежности по грунту.
Размещаем сваи в кусте по типовой схеме. Окончательный размер ростверка назначаем придерживаясь размеров в плане кратных 03 м и по высоте - кратных 03 м.
Размещение свай в плане и конструирование ростверка
Вес ростверка и грунта на его уступах:
Gr + Gg = γmtdb = 20·235·33·18 = 27918 кН
Все действующие нагрузки приводим к центру тяжести подошвы ростверка:
NtotI = NI + Gr + Gg = 222204+27918 = 250122 кН
MtotI = МI + QI · Hr = 7494 + 7812·235 = 93298 кНм
QtotI = QI = 7812 кН
Расчетную нагрузку на сваю N кН определяем рассматривая фундамент как группу свай объединённую жестким ростверком воспринимающим вертикальные нагрузки и изгибающие моменты по формуле (п. 7.1.12 СП24.13330.2011):
где NtotI - расчетная сжимающая сила передаваемая на свайный ростверк в уровне его подошвы кН;
MtotI - передаваемый на свайный ростверк в плоскости подошвы расчетные изгибающие
n - число свай в фундаменте;
yi - расстояние от главных осей до оси каждой сваи для которой вычисляют расчетную нагрузку м.
Проверим выполнение условий:
Nmax = 60347 кН 6497 кН = 12 75798114 – условие выполняется
Nmt = 41687 кН 54141 кН = 75798114 – условие выполняется
Nmin = 23027 кН > 0 – условие выполняется.
Выполним предварительную проверку сваи по прочности. Для этого определим коэффициент деформации по формуле (п. В.4 СП 24.13330.2011):
где Е - модуль упругости материала сваи кПа;
I - момент инерции поперечного сечения сваи м4;
bр - условная ширина сваи м;
γс — коэффициент условий работы;
k — коэффициент пропорциональности.
- начальный модуль упругости бетона сваи класса В25 подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении составляет Е = 27·103 МПа (согласно таб. 18 СНиП 2.03.01-84*).
- момент инерции поперечного сечения сваи находим по формуле:
- т.к. диаметр сваи меньше 08 м то условную ширину сваи находим по формуле:
bр = 15 d + 05 = 15 ·03 + 05 = 095 м
- для песка средней зернистости по таблице В.1 СП 24.13330.2011 определяем что коэффициент пропорциональности k = 170 МНм4.
Определим глубину расположения условной задели сваи от подошвы ростверка по формуле (п. 7.1.8 СП24.13330.2011):
где 0- длина участка сваи от подошвы высокого ростверка до уровня планировки грунта м;
α - коэффициент деформации м-1.
Определим возникшие реакции в условной заделки:
M1 = QtotI 1n = 147483479 = 5686 кНм.
График для проверки прочности сечения ненапряженных свай
Точка соответствующая значениям указанных усилий лежит на графике ниже кривой для принятой сваи (сечение 300х300 бетон класса В20 продольное армирование А-Ш 4 12) следовательно предварительная проверка показывает что прочность сваи по материалу обеспечена.
Расчет на продавливание плитных конструкций (ростверка) от действия сил равномерно распределенных на расчетной площади должен производится из условия (п. 3.42 СНиП 2.03.01- 84*):
где Fper- продавливающая сила кН;
α - коэффициент принимаемый равный единице для тяжелого бетона;
Rbt - расчетное сопротивление бетона МПа;
um - среднеарифметическое значение периметров верхнего и нижнего основания
пирамиды образующейся при продавливании в пределах рабочей высоты сечения;
h0 — рабочая высота сечения;
с - длина горизонтальной проекции боковой грани пирамиды продавливания м;
Т.к. угол наклона боковых граней пирамиды продавливания больше 45° правую часть формулы необходимо умножить на h0c.
Т.к. класс бетона ростверка В20 тогда Rbt = 09 МПа согласно таб. 13 СНиП 2.03.01- 84*
Рабочую высоту сечения принимаем 055 м;
Расчетная сила Fper равна силе действующей на пирамиду продавливания:
где α1 - коэффициент учитывающий частичную передачу продольной силы на плитную часть ростверка через стакан находим по формуле:
где yb2yb9 - коэффициенты;
Af - площадь боковой поверхности заделанной в стакан части колонны м2 найдем по формуле:
Af = 2(hcol + bcol)hs = 2(05 + 08)125 =325 м2
NI - расчетное значение нагрузки кН.
Подставляем значения в вышенаписанное неравенство:
Прочность ростверка на продавливание колонной обеспечена.
Расчет свайного фундамента по деформациям.
Выполним расчет свайного фундамента по деформациям на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок и момента исходя из условия:
где H1 - горизонтальная нагрузка на голову сваи кН;
Не1 — значение горизонтальной силы соответствующей границе упругой работы системы свая-грунт.
Находим значение горизонтальной силы соответствующей границе упругой работы системы свая-грунт по формуле:
где а - прочностной коэффициент пропорциональности кНм3;
bр - условная ширина сечения сваи (см. проверку сваи по прочности) м;
α - коэффициент деформации (см. проверку сваи по прочности);
- приведенное значение продольной силы для приведенной глубины погружения сваи в грунт при и
Определяем горизонтальную нагрузку на голову сваи по формуле:
Подставляем значения в неравенство:
Н1 = 1432 кН 3519 кН = Нег — условие выполняется.
Т.к. условие выполняется то расчет ведем по первой (упругой) стадии работы системы свая – грунт.
Для дальнейшего расчета сваи по деформациям требуется соблюсти условие:
где up - расчетное значение горизонтального перемещения головы сваи м;
uu - предельное допустимое значение горизонтального перемещения головы сваи м.
Горизонтальное перемещение uр м определяем по формуле:
где Н0 М0- расчетное значение поперечной силы кН и изгибающего момента кНм;
нн - горизонтальное перемещение сечения мкН от действия силы Н = 1 приложенной
в уровне поверхности грунта;
нм - горизонтальное перемещение сечения 1кН от действия силы М = 1 приложенной в уровне поверхности грунта.
Определим составляющие формулы:
При шарнирном опирании низкого ростверка на сваи расчетное значение изгибающего момента М0 = 0 и 0 = 0;
расчетное значение поперечной силы Н0 кН определяем по формуле:
горизонтальное перемещение сечения нн мкН от действия силы Н = 1 приложенной в уровне поверхности грунта определим по формуле:
I - момент инерции поперечного сечения сваи м4;
А0 - безразмерный коэффициент при = 4.
горизонтальное перемещение сечения HM 1кН. действия силы М = 1 приложенной в уровне поверхности грунта определяем по формуле:
В0 - безразмерный коэффициент при = 4.
036 м = 036 см 1 см = uu - условие выполняется.
Расчет устойчивости основания окружающего сваю выполним исходя из условия:
где z - расчетное давление на грунт кПа боковой поверхности сваи на глубине z м отсчитываемой при низком ростверке от его подошвы;
- коэффициент учитывающий долю постоянной нагрузки в суммарной нагрузке;
φI cI - расчетное значение соответственно угла внутреннего трения грунта град и удельного сцепления грунта кПа;
γI - расчетный удельный (объемный) вес грунта ненарушенной структуры с учетом
взвешивающего действия воды кНм3;
расчетное давление на грунт z кПа боковой поверхности сваи на глубине z м определяем по формуле:
α - коэффициент деформации (см. проверку сваи по прочности);
К - коэффициент пропорциональности кНм4;
- приведенная глубина м;
uр - расчетное значение горизонтального перемещения головы сваи м;
А1 В1 С1 D1 — коэффициенты;
- угол поворота сваи рад.
Н0 М0- расчетное значение поперечной силы кН и изгибающего момента кНм.
начальный модуль упругости бетона сваи класса В25 подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении составляет Е = 27·103 МПа (согласно таб. 18 СНиП 2.03.01-84*);
момент инерции поперечного сечения сваи находим по формуле:
Коэффициент деформации α = 0784 м 1:
для песка средней зернистости по таблице В.1 СП 24.13330.2011 определяем что коэффициент пропорциональности k = 17000 кНм4;
для глубины так как > 25; откуда а = 085. расчетное значение горизонтального перемещения головы сваи ир = 00037 м (см. расчет свайного фундамента по диффамациям);
При = 085 принимаем А1 = 0996; В1 = 0849; С1 = 0363; D1 = 0103;
Угол поворота сваи 0 рад определяем по формуле:
где Н0 М0 - расчетное значение поперечной силы кН и изгибающего момента кНм;
мн — угол поворота сечения 1кН от силы Н=1;
мм — угол поворота сечения 1кНм от силы М=1.
расчетное значение поперечной силы H0 кН определяем по формуле:
угол поворота сечения мн 1кН от силы Н = 1 определяем по формуле:
Угол поворота сечения мм 1кНм от момента М=1 определяем по формуле:
где E – модуль упругости материала сваи кПа;
С0 - безразмерный коэффициент при = 4.
Коэффициент 1 = 1 т.к. не распорное сооружение;
Коэффициент 2 определим по формуле:
где Мс - момент от внешних постоянных нагрузок в сечении фундамента на уровне нижних концов сваи кНм;
Mt - момент от внешних временных расчетных нагрузок в сечении фундамента на уровне
нижних концов сваи. кНм;
Момент от внешних постоянных нагрузок в сечении фундамента на уровне нижних концов сваи определяем по формуле:
Мс = Мпост + Qпостh = 307 + 73 · 525 = 69025 кНм
Момент от внешних временных расчётных нагрузок в сечении фундамента на уровне нижних концов сваи определяем по формуле:
Угол внутреннего трения для второго слоя φI = 18°;
Удельное сцепление грунта для второго слоя сI = 14 МПа;
расчетный удельный (объемный) вес грунта ненарушенной структуры с учетом взвешивающего действия воды для второго слоя γI = 953
= 06 т.к. применяются забивные сваи.
Подставим значения в неравенство:
09 кПа ≤ 3669 кПа =
Условие выполняется а значит устойчивость грунта окружающего сваю обеспечена.
Определим несущую способность сваи по прочности материала. Для указанных характеристик сваи получаем следующее выражение для определения моментов в сечениях свай на разных глубинах от подошвы ростверка:
I — момент инерции поперечного сечения сваи м4;
up - расчетное значение горизонтального перемещения головы сваи м;
— угол поворота сваи рад.
H0 M0 – расчетное значение поперечной силы кН и изгибающего момента кНм.
Результаты дальнейших вычислений имеющих цель определению Mzmax сводим в таблицу причем при значении Z используем соотношение
Как видно из таблицы Мz max I = 1930 кНм действует на глубине z =165 м.. Эксцентриситеты продольной силы для наиболее и наименее нагруженных свай составляют соответственно:
Определяем значение случайных эксцентриситетов по формуле:
где 1 - расчетная длина м которую находим по формуле:
dCB — поперечный размер сваи см.
Т.к. полученные значения эксцентриситетов e01 и е02 больше еi тогда составляем эти значения для дальнейшего расчета свай.
Находим расстояние от точек приложения продольных сил Nmах и Nmin до равнодействующей усилий в арматуре S:
где а' = а - расстояние от осей растянутых и сжатых стержней арматуры до ближайшей грани сечения см;
h0 - рабочая высота поперечного сечения сваи см.
Проверим прочность сечения сваи исходя из условия (п. 3.20 СНиП 2.03.01-94*):
где Rb- расчетное сопротивление бетона для предельных состояний первой группы Мпа;
b = dcв - сторона квадратного сечения сваи м;
Rsc = Rs - расчетное сопротивление арматуры для предельных состояний первой группы
соответственно сжатию и растяжению продольной арматуры МПа;
As = A's - половина площади сечения всех продольных арматурных стержней в
поперечном сечении сваи м2;
h0 - рабочая высота сечения м;
а' = а - расстояние от осей растянутых и сжатых стержней арматуры до ближайшей грани сечения см.
По таблицы 13 СНиП 2.03.01-84* при классе бетона В25 и тяжелом бетоне расчетное сопротивление Rb = 145 МПа;
По таблицы 22 СНиП 2.03.01-84* при классе арматуры 12АIII расчетное сопротивление для предельных состояний первой группы соответственно сжатию и растяжению продольной арматуры Rsc = Rs = 365 МПа;
Сторона квадратного сечения сваи b = dCB = 03 м;
Половину площади сечения всех продольных арматурных стержней в поперечном сечении сваи определим по формуле:
Рабочая высота сечения определяем по формуле:
h0 = dcв - а' = 30 - 3 = 27 см
Высоту сжатой зоны определяем по формуле:
Граничное значение относительно высоты сжатой зоны при классе растянутой арматуре AIII и классе бетона В25 R = 0563
Принимаем х1 = 1387 см и х2 = 529 см
Несущая способность свай по прочности материала в наиболее нагруженных сечениях обеспечена.
Расчет осадки свайного фундамента определим по формуле (п. 7.4.5 СП 24.13330.2011):
Nj - нагрузка на сваю кН
G1 - модуль сдвига МПа.
Проверим условия перед расчётом осадки одиночной сваи:
d - наружный диаметр поперечного сечения ствола сваи м;
G1 - модуль сдвига слоев грунта прорезаемых сваей кПа;
G2 - модуль сдвига слоя грунта на который опирается свая кПа.
- Длина сваи = 35 м;
- наружный диаметр поперечного сечения ствола сваи определяем по формуле:
- модуль сдвига слоев грунта прорезаемых сваей определяем по формуле:
где E0 – модуль общей деформации кПа;
v1 - коэффициент Пуассона.
Примечание. Характеристики G1 и v1 принимаются осреднёнными для всех грунтов в пределах глубины погружения сваи.
Модуль общей деформации определяем по формуле:
hi — толщина i-го слоя прорезаемого сваей м
Коэффициент Пуассона определяем как среднее значение:
Примечание. Коэффициент поперечной деформации определяем по таблицы 5.10 СП 22.13330.2011 для каждого слоя в зависимости от показателей текучести.
Модуль сдвига слоя грунта на который опирается свая определяем по формуле:
где Е0- модуль деформации слоя на который опирается свая кПа;
v2 — коэффициент Пуассона слоя на который опирается свая.
Примечание. Характеристики G2 и v2 принимаются в пределах 0.5 т.е. на глубинах от до 15 от верха свай при условии что под нижними концами свай отсутствуют глинистые грунта текучей консистенции органоминеральные и органические грунты.
Условие выполняется значит расчет допускается производить по формуле для одиночной висячей сваи без уширения по формуле (п. 7.42 СП 24.13330.2011):
где N- вертикальная нагрузка передаваемая на сваю. кН;
G1 — модуль сдвига слоев грунта прорезаемых сваей кПа;
- вертикальная нагрузка передаваемая на сваю определим по формуле:
- длина сваи = 35 м;
- модуль сдвига определяем по формуле:
где Е0- модуль общей деформации кПа;
Коэффициент Пуассона определим как среднее значение:
- Коэффициент определяется по формуле:
где '- коэффициент соответствующий абсолютно жесткой свае (ЕА = )
α' — коэффициент соответствующий абсолютно жесткой свае (ЕА = ) для случая однородного основания с характеристиками G1 и
λ1 — параметр характеризующий увеличение осадки за счет сжатия ствола;
х – относительная жесткость сваи.
Коэффициент соответствующий абсолютно жесткой свае (ЕА = ) определим по формуле:
G1 - модуль сдвига слоев грунта прорезаемых сваей кПа
G2 — модуль сдвига слоя грунта на который опирается свая кПа
d — наружный диаметр поперечного сечения ствола сваи м;
kv — коэффициент определяемый по формуле:
коэффициент соответствующий абсолютно жесткой свае (ЕА = ) для случая однородного основания с характеристиками G1 и v1 определим по формуле:
kv1 — коэффициент определяемый по формуле:
относительная жесткость сваи определяем по формуле:
где ЕА — жесткость ствола на сжатие кН;
параметр характеризующий увеличение осадки за счет сжатия ствола определяем по формуле:
где х — относительная жесткость сваи.
Определим коэффициент для каждой сваи зависящий от расстояний между сваями по формуле:
Найдем силы приходящиеся на каждую сваю по формуле:
Подставим значения в формулу для нахождения осадки свайного куста:
S = 961 см 10 см = Su — условие выполняется.
где S - осадка свайного фундамента (совместная деформация основания и сооружения);
Su — предельное значение осадки свайного фундамента (совместной деформации основания и сооружения) (таб. Д.1 СП 22.13330.2011).
Определение активного бокового давления в пределах глубины Нпр
При наличии вблизи фундаментов подвалов или приямка следует увеличить глубину заложения фундаментов или устроить подбетонки с тем чтобы выполнялось условие (п. 5.5.10 СП 22.13330.2011):
где α - расстояние между фундаментами в свету м;
φI cI - расчетное значение угла внутреннего трения град. и удельного сцепления кПа;
Δh - превышение отметки подошвы фундамента или низа подбетонки над отметкой дна
котлована под приямок подвал и т.д.;
р - среднее давление под подошвой вышерасположенного фундамента от расчётных нагрузок кПа определяемое по формуле:
р = γfPIImt= 12·24953 = 29944 кПа
где γf- среднее значение коэффициента надежности по нагрузке.
Принимаем Δh = 035м.
Для заглубленных помещений или емкостей типа приямков следует выполнить три расчета:
По схеме плоской задачи определить активное боковое давление грунта и воды;
Оценить устойчивость против всплытия;
Определить усилия для расчета прочности стенок и днища приямка.
Активное боковое давление гранту на вертикальные стены ограждения допускается определить без учета сцепления т.к. обратная засыпка выполняется грунтом нарушенной структуры. Характеристики этого грунта определяются через характеристики грунта ненарушенного сложения следующими соотношениями:
Горизонтальные составляющие активного давления Я кН (на 1 погонный метр длины стены) в пределах глубины равной Нпр м определяем по формулам;
От полезной нагрузки кНм:
От давления воды кНм:
где НПр— глубина приямка м;
φI - расчетное значение угла внутреннего трения град;
γfa - коэффициент надежности по нагрузке для бокового давления грунта;
γfg - коэффициент надежности по нагрузке для qп;
γfW - коэффициент надежности по нагрузке для давления воды;
γImt - средневзвешенное значение удельного веса грунта в пределах глубины приямка Нпр кНм3 определяем по формуле:
Толщина стенки приямка должна определяться по изгибающему моменту всех горизонтальных сил относительно оси проходящей через центр тяжести сечения 1-1 кНм:
И поперечной силе равной сумме всех горизонтальных сил выше сечения 1-1 кН:
Расчет прочности днища (полоса шириной 1 м рассматривается как внецентренно-сжаты й элемент) производится по усилиям N2-2 и М2-2 в расчетном сечение 2-2 кН:
где E ah - активное давление от веса грунта с учетом ориентировочной толщины днища приямка кН определяем по формуле:
где γImt - средневзвешенное значение удельного веса грунта в пределах глубины приямка Нпр кНм3 определяем по формуле:
E'gt - активное давление от полезной нагрузки с учетом ориентировочной толщины днища приямка кН определяем по формуле:
E w - активное давление от давления воды с учетом ориентировочной толщины днища приямка кН определяем по формуле:
где М - момент сил E'ah E'gh Е’w относительно оси проходящей через центр тяжести сечения 2-2 кНм;
q - равномерно распределенная нагрузка кнм2;
bn - ширина приямка за вычетом толщины стенок приямка м.
момент сил E'ah E'gh Е’w определяем по формуле:
Определение равномерно распределенной нагрузки зависит от собственного веса приямка и силы всплытия.
Определим собственный вес приямка и грунта на его уступах:
GI = ((ln + 2bст)(bn + 2bcт)(dn + 02) – ln bn· Hпр) ) 25 981 γfb = ((24 + 21)(4 + 21)(50 + 02) – 24 4 42) 25 981 09 = 1048885 кН
Определим силу всплытия приямка по формуле:
где Aw- площадь основания приямка м2:
Aw = (bn + 2 bст)(ln + 2 bст) = (4 + 2 1)(24 + 2 1) = 156 м2
Т.к. вес приямка G1 больше силы всплытия Fw то равномерно распределенную нагрузку считаем по формуле:
где рw - гидростатическое давление подземных вод кПа определим по формуле:
pw = γw(dn - dw) = 981(55 - 09) = 45126 кПа
Проверим условия не всплытия приямка исходя из условия:
где G1 - вес приямка и грунта на его уступах кН;
Fw — силы всплытия кН;
γem - коэффициент надежности от всплытия.
ГОСТ 10178-85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия.
ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация.
ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.
СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия (актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*).
СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений (актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*).
СП 28.13330.2012. Защита строительных конструкций от коррозии (актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85*).
СП24.13330.2011. Свайные фундаменты (актуализированная редакция СНиП2.02.03-85).
ГОСТ 19804-91. Сваи железобетонные.