Проектирование оснований и фундаментов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Рязанский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«Московский политехнический университет»

Кафедра «Промышленного и гражданского строительства»

И.А.Борисова

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ

МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ НА ЕСТЕСТВЕННОМ ОСНОВАНИИ

Учебно-методическое пособие по основаниям и фундаментам
для студентов специальности 08.03.01 «Строительство»

Рязань 2017

Термины и определения

Грунты –любые горные породы, которые в инженерно-строительной деятельности человека используются в качестве оснований сооружений, среды, в которой сооружения возводятся, или материала для сооружений.

Прочность грунта – способность сопротивляться воздействию внешних нагрузок не разрушаясь.

Фундамент – подземная часть здания, которая предназначена для передачи нагрузки от здания на залегающие грунты основания.

Осадка– вертикальные перемещения подошвы фундамента. Основной вид деформации.

Обрез- верхняя плоскость фундамента, на которую опираются надземные конструкции.

Глубина заложения – расстояние от поверхности планировки до подошвы.

Высота фундамента – определяется расстоянием от подошвы фундамента до его обреза.

Центрально-нагруженный фундамент – фундамент, у которого центр тяжести подошвы и внешней нагрузки находится на одной вертикали.

Внецентрально-нагруженный фундамент – фундамент, у которого внешняя нагрузка приложена с эксцентриситетом относительно центра тяжести подошвы фундамента.

ФУНДАМЕНТЫ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

Оценка инженерно-геологических свойств грунтов

Цель проводимого анализа - установление закономерностей изменения сжимаемости и прочности грунтов по глубине, выбор несущих слоев грунта.

Сжимаемость оценивается по величине модуля деформации (Е₀). В зависимости от нагрузок действующих на фундаменты, при Е₀ = 5 ...10 мПа - грунты следует относить к сильносжимаемым, при Е₀ = 15 .20 мПа - к малосжимаемым. При промежуточных значениях Е₀ основания имеют среднюю сжимаемость.

Общее представление о качестве грунта как основания дает его полное наименование по номенклатуре ГОСТ 25100-82. Для его установления используются значения коэффициента пористости (е), показателя текучести (J_L) и степени влажности (S_r) .

Для песков следует уточнить название грунта по плотности (табл. 10), а также по степени влажности (S_r < 0,5 - песок маловлажный, 0,5 < S_r < 0,8 - водонасыщенный).

Классификация песков по плотности

Таблица 1 Вид песка: Плотность сложения Плотный Средней плотности рыхлый • Г равелистый, крупный и средней крупности е < 0,55 0,55 < е < 0,70 е>0,70 • Мелкий е < 0,55 0,60 < е < 0,75 е>0,75 • Пылеватый е < 0,55 0,60 < е < 0,80 е>0, 80

Для глинистых грунтов (суглинков, глин) их название уточняется по консистенции (показателю текучести J_L):

■ твердые при J_L < 0,

■ полутвердые при 0 < J_L < 0,25,

■ тугопластичные при 0,25 < J_L < 0,50,

■ мягкопластичные при 0,50 < J_L < 0,75,

■ текучепластичные при 0,75 < J_L < 1

■ текучие при J_L > 1.

Для супесей во всем интервале 0 < J_L < 1 присваивается единое название супесь пластичная.

При строительной оценке следует учитывать, что рыхлые пески и глинистые грунты при J_L > 0,80 относятся к слабым основаниям.

В конце данного раздела следует определить расчетные сопротивления (R0) всех слоев геологического разреза и поострить их эпюру. Величины условного расчётного давления Ro по СНиП 2.02.01-83* приведены в таблице 2 и таблице 3.

Таблица 2

Характеристика песка	Ro песка кПа
плотного	средней плотности
Гравелистый и крупный независимо
от влажности
Средней крупности:
маловлажный
влажный или водонасыщенный
Мелкий:
маловлажный
влажный или водонасыщенный
Пылеватый:
маловлажный
влажный
водонасыщенный

Величины условного расчётного давленияRoдля пылевато - глинистых

Грунтов

Таблица 3 Пылевато - глинистые Коэффициент R0 , кПа, при значении JL грунты пористости е Супеси 0,5 0,7   0,5 Суглинки 0,7   1,0   0,5 Глины 0,6 0,8   1,1

Конструирование фундамента

После проверки условия р_II≤R и Р_max≤1,2R производятся конструирование фундамента, определение формы, размеров его элементов по высоте.

Для колонн принимается квадратный в плане фундамент, а для стен конструирование ведется на 1 м.п. фундамента l=1м.

По высоте фундаменту придают ступенчатую форму, под колонну - форму стаканного типа, для стен возможна трапециевидная форма.

Предельный угол распределения давления в плане принимается для бетонных фундаментов α=35⁰, а для железобетонных – α=45⁰.

В зависимости от общей высоты фундамента может быть одна, две или несколько ступеней. Высота ступеней не должна превышать 0,9м и быть кратной 0,15м, минимальная высота ступени - 0,3м, а ширина ступеней должна быть кратной 0,1м.

Окончательные размеры фундамента принимаются после расчета деформаций оснований.

Таблица 7

Значения коэффициентов

Угол внутрен-него трения φII,град	Коэффициенты	Угол внутрен-него трения φII,град.	Коэффициенты
Mγ	Mq	Mc	Mγ	Mq	Mc
	0,00	1,00	3,14		0,69	3,65	6,24
	0,01	1,06	3,23		0,72	3,87	6,45
	0,03	1,12	3,32		0,78	4,11	6,67
	0,04	1,18	3,41		0,84	4,37	6,90
	0,06	1,25	3,51		0,91	4,64	7,14
	0,08	1,32	3,61		0,98	4,93	7,40
	0,10	1,39	3,71		1,06	5,25	7,67
	0,12	1,47	3,82		1,15	5,59	7,95
	0,14	1,55	3,93		1,24	5,95	8,24
	0,16	1,64	4,05		1,34	6,35	8,55
	0,18	1,73	4,17		1,44	6,76	8,88
	0,21	1,83	4,29		1,55	7,21	9,21
	0,23	1,94	4,42		1,68	7,71	9,58
	0,26	2,05	4,55		1,81	8,25	9,98
	0,29	2,17	4,69		1,95	8,81	10,37
	0,32	2,30	4,84		2,11	9,44	10,80
	0,36	2,43	5,00		2,28	10,11	11,25
	0,39	2,57	5,15		2,46	10,84	11,73
	0,43	2,72	5,31		2,66	11,64	12,24
	0,47	2,89	5,48		2,87	12,50	12,77
	0,51	3,06	5,66		3,12	13,46	13,37
	0,56	3,24	5,84		3,37	14,48	13,96
	0,61	3,44	6,04		3,66	15,64	14,64

Пример расчета центрально-сжатого фундамента

Оценить инженерно-геологические условия строительной площадки, данные о грунтах приведены в табл.11:

№	Пределы пластичности, ٪	При род ная влаж-ность, ٪	Плотность грунта, г/см3	Удельное сцеп- ление, расчетное,   С (а=0,85) кПа	Угол внут рен-него тре ния, φ º	Коэф-фициент фильтра- ции, м/сут	Сте пень сжи мае мос ти, МПа-1	Отметка подошвы слоя, м	Геологи-ческий индекс
WL Верх ний	Wp Ниж ний	W	ρs	ρ	ρd
	насыпной	-	1,5	-	-	-	-	-	-0,380
	27,9	14,3	15,2	2,71	2,07	1,79				0,12	-1,480
	47,1	31,4	28,7	2,73	1,73	1,34				0,095	-5,280
	28,3	15,4	23,3	2,68	1,81	1,46				0,085	-5,880WL -6,480
	47,8	39,8	38,4	2,68	1,79	1,30				0,14

Таблица 11

Для заданного варианта грунтовых условий производим оценку характеристик слоев грунта с целью использования его в качестве естественного основания.

Определение типа и наименования пылевато-глинистых грунтов производим по числу пластичности и показателю (индексу) текучести :

; .

Коэффициент пористости определяется по формуле: .

Степень влажности определяется: ,

где плотность воды, .

После оценки свойств грунтов основания определяем значение условного расчетного сопротивления грунта методом интерполяции.

Второй слой.

суглинок

полутвердый

е
0,5
0,51	297,5	293,93	246,5
0,7

Третий слой.

суглинок

твердый

Четвертый слой.

суглинок

мягкопластичный

е
0,7
0,83	228,3	177,67	145,3

Пятый слой.

глина

твердая

е
0,8
1,07
1,1

Вывод:

Грунты имеют слоистое напластование с выдержанным залеганием грунтов.

В качестве основания для фундаментов мелкого заложения наиболее благоприятным является второй слой – суглинок твердый, и .

Результаты расчета сводим в таблицу

№ пп	Число пластич- ности I P	Показатель текучести   I L	Коэф-фициент пористости е	Степень влажности   Sr	Модуль деформации Е, МПа	Наименование грунта	Расчетное сопротивление Ro, кПа
	0,136	0,07	0,51	0,81	29,8	Суглинки полутвердые, пылеватые тяжелые	293,93
	0,157	≤0	1,03	0,76		Суглинки твердые, тяжелые
	0,129	0,61	0,83	0,75	8,8	Суглинки мягкопластичные, тяжелые и легкие	177,67
	0,38	≤0	1,07	0,96		Глины тяжелые, полутвердые и твердые

Определение глубины заложения фундамента

По СНиП 2.01.01-82 «Строительная Климатология и геофизика» для г.Ульяновск определяем :

.

Нормативна глубина промерзания:

.

Расчетная глубина промерзания для здания с подвалом:

.

Расчетная глубина промерзания для здания без подвала:

.

Определение размеров фундамента в плане

Определить необходимые размеры подошвы отдельно стоящего фундамента под колонну 0,4х0,4м при условии, что расчетная нагрузка по II группе предельных состояний, приложенная к обрезу фундамента, .

В первом приближении находим предварительную площадь подошвы:

,

предварительная ширина подошвы .

Найдем расчетное сопротивление грунтов основания по формуле:

,

где и коэффициенты условий работы, , при отношении ;

коэффициент, принимаемый , т.к. в характеристики прочности грунта определены опытным путем;

- угол внутреннего трения;

коэффициенты, принимаемые в зависимости от угла внутреннего трения;

коэффициент, принимаемый равным 1;

;

то же для грунтов, залегающих выше подошвы.

Насыпной грунт не учитываем, т.к. его срезаем, а на его место насыпаем песок.

.

глубина заложения фундамента.

глубина пола подвала, принимаемая в зависимости от ширины подвала, ;

расчетная величина удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента.

.

При новом расчетном сопротивлении грунтов основания найдем площадь подошвы:

,

, тогда .

Подбираем монолитный железобетонный фундамент под сборные колонны: ФА 43-48, объем со сторонами .

Для b=1,8м определим:

.

Находим вес фундамента согласно принятым размерам:

- удельный вес бетона.

.

Определяем расчетный вес грунта над уступами фундамента:

.

Сравним среднее давление по подошве фундамента с расчетным сопротивлением грунта:

,

проверяем полученную площадь подошвы фундамента: ;

.

Определяем разницу между значениями :

, следовательно, размеры подошвы подобраны правильно, окончательно принимаем фундамент ФА 43-48 двухступенчатый высотой с размерами подошвы в плане и размерами второй ступени в плане .

Расчет осадки фундамента методом послойного суммирования

Определяем природное и дополнительное напряжения в основании под подошвой фундамента:

,

.

Удельный вес взвешенного в воде грунта:

Четвертый слой – это глина, она служит водоупором, воспринимающим давление воды сверху, равным: на отметке -5,880.

Коэффициент определяем при значении параметра .

Основание разбиваем на элементарные слои .

№	h, м	z, м			, кПа	, кПа	, кПа
	1.93	0.00	0.0	1.000	238.21	30,99	6.20
	2.29	0.36	0.4	0.974	232.02	30,99+0,36·17,3=37,22	7.44
	2.65	0.72	0.8	0.859	204.62	37,22+0,36·17,3=43,45	8.69
	3.01	1.08	1.2	0.703	167.46	43,45+0,36·17,3=49,67	9.93
	3.37	1.44	1.6	0.558	132.92	49,67+0,36·17,3=55,9	11.18
	3.73	1.80	2.0	0.441	105.05	55,9+0,36·17,3=62,13	12.43
	4.09	2.16	2.4	0.352	83.85	62,13+0,36·17,3=68,36	13.67
	4.45	2.52	2.8	0.284	67.65	68,36+0,36·17,3=74,59	14.92
	4.81	2.88	3.2	0.232	55.26	74,59+0,36·17,3=80,81	16.16
	5.17	3.24	3.6	0.192	45.74	80,81+0,36·17,3=87,04	17.41
	5.53	3.60	4.0	0.161	38.35	87,04+0,11·17,3+0,25·18,1=93,47	18.69
	5.89	3.96	4.4	0.137	32.63	93,47+0,35·18,1+0,01·9,18=99,9	19.98
	6.25	4.32	4.8	0.118	28.11	99,9+0,36·9,18=103,2	20.64
	6.61	4.68	5.2	0.102	24.30	103,2+0,23·9,18=105,31 105,31+6=111,31 111,31+0,13·17,9=113,64	22.73
	6.97	5.04	5.6	0.089	21.20	113,64+0,36·17,9=120,08	24.02

Полученные значения ординат эпюры наносим на геологический разрез. В точке пересечения эпюры дополнительных давлений со вспомогательной эпюрой находим границу сжимаемой толщи: Н_с=4,96м.

Полная осадка фундамента: ,

.

Предельное значение осадки для проектируемого здания 8 см, что удовлетворяет условию т.е. 3,6см ≤ 8 см.

Расчет осадки фундамента методом эквивалентного слоя Н.А. Цытовича

Найдем коэффициент относительной сжимаемости :

,

где - степень сжимаемости;

; ; ;

; ; .

При и по таблице найдем .

- мощность эквивалентного слоя.

- сжимаемая толща.

Строим треугольную эпюру и определяем соответствующие значения и .

;

;

.

Определяем величину среднего коэффициента относительной сжимаемости:

.

Найдем осадку:

.

Условие т.е. 3,3см ≤ 8 см соблюдается.

Расчет затухания осадки во времени

Высота треугольной эпюры . Полная величина осадки .

Средний коэффициент фильтрации для всей сжимаемой толщи:

;

;

;

.

U	N	, год	, см
0,2	0,02	0,04	0,66
0,4	0,13	0,25	1,32
0,6	0,42	0,8	1,98
0,8	1,08	2,06	2,64
0,95	2,54	4,85	3,14

Задания на курсовой поект

6.1 Расчетные характеристики физико-механических

свойств грунтов

(номера грунтов нанесены на геологических разрезах)

Таблица 12 Номер грунта Наименование грунта Для расчета по деформациям Удельный вес тв. частиц грунта ᵧs, кН/м3 Влажность, W Модуль деформации Е, мПа Влажность на границе текучести Влажность на границе раскатывания юр Коэффициент фильтрации Кф Степень сжимаемости, m0 Удельный вес грунта ᵧ, кН/м3 Угол внутреннего трения φ , град Удельное сцепление с, кПа Глина 18,2 26,9 0,39 7,5 0,50 0,28 3,1х10-8 0,13 - 18,2 27,1 0,40 3,5 0,46 0,31 2,1х10-8 0,14 - 18,1 26,9 0,39 7,4 0,46 0,20 2,2х10-8 0,07 Сугли­ нок 21,5 26,5 0,15 0,24 0,11 2,3х10-6 0,1 - 19,0 26,6 0,31 0,41 0,27 4,3х10-7 0,12 - 18,2 26,7 0,31 0,39 0,26 2,7х10-7 0,085 - 18,5 26,8 0,31 0,36 0,24 2,5х10-7 0,18 - 18,0 26,8 0,32 0,37 0,23 2,6х10-7 0,095

	-	17,8			26,9	0,41		0,45	0,27	1,0х10-7	0,07
	Супесь	20,5			26,6	0,18		0,21	0,15	2,7х10-5	0,13
	-	19,2			26,5	0,30		0,33	0,31	2,1х10-5	0,06
	-	18,3			26,4	0,35		0,37	-	1,9х10-5	0,05
	Песок средней крупное ти	19,2		-	26,5	0,18		-	-	3,5х10-2	0,03
	20,1		-	26,4	0,22		-	-	2,6х10-2	0,03
	Песок пылева тый	19,0		-	26,5	0,25		-	-	8,1х10-4	0,02
	19,0		-	26,8	0,26		-	-	2,2х10-4	0,03
	Глина	20,0			27,2	0,29		0,58	0,30	3х10-10	0,19
	-	19,5			27,1	0,30		0,56	0,28	2х10-8	0,09

6.2 Схемы зданий для расчета фундаментов

Схема №2 (Фабричный корпус)

Схема №3 (Ремонтный цех)

Схема №4 (Котельная)

Схема №5 (Вокзал)

Схема №6 (Механический цех)

Схема №7 (Сварочный цех)

Вариант №1 (№2)

Вариант №3 (№4)

Вариант №5 (№6)

Вариант №7 (№8)

Вариант №9 (№10)

Приложение 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Рязанский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«Московский политехнический университет»

Кафедра «Промышленного и гражданского строительства»

И.А.Борисова

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ