Расчет несущей способности грунтов в основании сооружения

Министерство образования и науки РФ

Иркутский Государственный Технический Университет

Кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии

МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД И ГРУНТОВ

Методические указания по курсовому проектированию для студентов всех форм обучения специальности 080300 «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания»

Иркутск, 2005

УДК 624.131.04

Механика горных пород и грунтов. Методические указания по курсовому проектированию. ИрГТУ г. Иркутск. Составила Г.Е. Серова

Методические указания предназначены для студентов специальности 080300 «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания», изучающих учебную дисциплину «Механика горных пород и грунтов». Содержатся рекомендации по структуре и написанию курсового проекта.

Табл. 2 Рис. 5 Библиог. 8

Рецензент: Козырева Е.А., ведущий сотрудник ИЗК СО РАН, канд. г.-м.н.

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект составляется по результатам производственной практики на конкретной строительной площадке, в связи с этим необходимо дать заключение об инженерно геологических условиях, сопровождаемое прогнозом изменений в грунтовом основании, оценить его прочность, устойчивость и дать рекомендации по проектированию и строительству с учетом стадии исследований и типа сооружений.

Основные задачи, которые ставятся перед студентом:

1-овладеть приемами и методами комплексной оценки состава, строения и свойств грунтов строительной площадки;

2-уметь обосновать выбор метода оценки состояния грунтового основания под нагрузками сопровождаемыми сложными механическими процессами;

3-овладеть методикой расчета прочности, оценки конечной осадки грунтового основания, ее неоднородности, прогноза устойчивости системы грунт-сооружение.

I.МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Фактическая основа и тематика курсовых проектов

Необходимые материалы для курсового проекта следует собрать во время производственной практики, в отдельных случаях задание на проектирование выдает руководитель курсового проекта.

Объектом проектирования могут быть сооружения, под которые вы в процессе практики проводили изыскания или решали вопросы реконструкции, расширения, выявления причин деформаций, в наиболее сложных районах, где распространены опасные геологические и инженерно-геологические процессы или в основании проектируемых сооружений распространены специфические грунты.

Исходная информация должна содержать материалы выполненных ранее инженерно-геологических исследований в том числе:

1-инженерно-геологические карты и разрезы;

2-план расположения пройденных выработок их документацию и геолого-литологические колонки;

3-данные по физико-механическим свойствам грунтов, изученные как в лабораторных, так и в полевых условиях;

4-при изысканиях на стадии рабочего проекта и рабочей документации размеры сооружения, предположительно тип фундамента, глубину заложения и интенсивность нагрузки от сооружения.

Для курсового проектирования используется опубликованная и фондовая литература регионального характера, учебники, инструкции для определенного вида строительства, нормативные документы.

Примерные названия тем курсового проекта.

Тема курсового проекта определяется по материалам производственной практики. Ниже приведен перечень возможных тем и расчеты к ним:

1-Оценка геодинамического состояния грунтового основания при действии сосредоточенной силы (мостовые опоры, опоры линий электропередач, платформа бурового станка при бурении глубоких скважин и т.д.) [7].

2.2.-Расчет активной зоны фундамента проектируемого сооружения при ленточном, столбчатом или плитном фундаменте.

2.3.-Расчет несущей способности грунтов в основании сооружения [5].

2.4.-Расчет устойчивости природных склонов, откосов, в том числе осложненных оползнями[6].

2.6.-Прогнозная оценка конечной осадки проектируемого сооружения.

2.7.-Расчет устойчивости природно-техногенных систем с учетом сейсмической опасности территорий.

1.2.Примерный план и содержание курсового проекта

Курсовой проект должен содержать:

1-текст пояснительной записки

2-графические и расчетные приложения

3-список использованной литературы

Пояснительная записка включает в себя задание на выполнение курсового проекта, титульный лист, аннотацию, оглавление, введение, собственно текст пояснительной записки, заключение, список использованных источников, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Введение

Излагаются цели и задачи, поставленные перед проектом, кратко характеризуется объект, тип фундамента, положение площадки проектируемого строительства объекта, обосновывается необходимость расчетов и прогнозов возможных деформаций основания под воздействием конкретного сооружения- объем 1 стр.

1.Характеристика инженерно-геологических условий участка проектируемого строительства на основе собранных в процессе производственной практики материалов.

Структура изложения этого материала:

1.1.Местоположение проектируемого объекта, краткая характеристика рельефа и геоморфологии -объем 2 стр.

1.2.Техническая характеристика проектируемого инженерного сооружения.-1 стр.

1.3.Геолого-литологическое строение площадки проектируемого инженерного сооружения.-1 стр.

1.4.Краткие сведения о гидрогеологических условиях , в том числе о возможном техногенном подтоплении .-объем 2 стр.

1.5.Анализ физико- механических свойств грунтового основания проектируемого сооружения по результатам полевых и лабораторных исследований с возможным выделением инженерно-геологических элементов.-3-4 стр.

1.6.Характеристика геологических и инженерно-геологических процессов на территории проектируемого строительства и прогноз их развития при освоении территории.

2.Вторая часть проекта должна содержать:

Выбор и обоснование методов расчета конкретно для каждого проекта в соответствии с заданием.

2.1.Оценка геодинамического состояния грунтового основания выполняется с применением решения задачи построение «луковицы» напряжений. [7]. В схеме расчета определяется точка, в которой сосредоточена сила от мостовой опоры, от платформы бурового станка или другого сооружения, в кН.

Если оценивается геодинамическое состояние в основании сооружения, то оно зависит от формы фундамента в плане. Распределение напряжений определяется методами теории упругости, основание в этом случае рассматривается как упругое полупространство. Напряжения соответствуют стабилизированному состоянию, т.е. такому периоду времени, когда все процессы консолидации и ползучести грунтов основания под действием приложенной нагрузки завершились и внешняя нагрузка оказывается полностью уравновешенной внутренними эффективными напряжениями в грунте. Зоны пластических деформаций возникающие в краевой части фундамента незначительны и не оказывают заметного влияния на распределение напряжений (рис. 1а и 1б).В основе лежит решение задачи о действии вертикальной сосредоточенной силы (задача Ж.Буссинеска,1885г.)Это решение позволяет определить, все компоненты напряжений и деформаций в любой точке полупространства. Поскольку для практических расчетов наибольшее значение имеют вертикальные сжимающие напряжения определяемые по формуле s_z= К , где К- коэффициент рассеяния напряжений величина, которого зависит от соотношения r/z, r-расстояние по горизонтали от точки действия сосредоточенной силы, z-глубина до точки, в которой определяется напряжение, и та и другая величина задается в зависимости от масштаба построения схемы в приведенном примере r=2 м, z=3 м. (рис.1а). Отношение 2/3 дает возможность по таблицам [5] определить К, величина Р задана по условию задачи. Используя принцип суперпозиции, легко определить значение вертикального сжимающего напряжения при действии нескольких сосредоточенных сил приложенных на поверхности грунтового массива при равномерном их распределении (рис. 1б).

Рис. 1б Рис. 1а

В случае действия сосредоточенной силы в каждой точке пересечения координат г и z определяется сжимающее напряжение s_z и методом интерполяции строится «луковица» напряжений (т.е. линии равных напряжений).

В случае, когда нагрузка распределена равномерно по площади застройки интегрированием определяется напряжение в любой точке грунтового массива . Анализируя эпюры напряжений оцениваем геодинамическое состояние, т.е. устанавливаем какие механические процессы могут протекать в основании проектируемого сооружения (равномерное уплотнение, локальные сдвиги или разрушения). В соответствии с этим в заключении курсового проекта даются рекомендации.

2.2.Расчет активной зоны фундамента проектируемого сооружения.

Мощность активной (сжимаемой) зоны грунтов зависит, прежде всего от строения грунтового основания, от свойств грунтов. Сжимаемость грунтов изучается при компрессионных испытаниях в лабораторных условиях или при полевых “штамповых” испытаниях статической нагрузкой. Основные показатели свойств сжимаемости получают в эксперименте: модуль общей деформации Е₀, коэффициент сжимаемости а, коэффициент относительной сжимаемости а₀.

Мощность сжимаемой толщи (активной зоны) оценивается сравнением величин напряжений, возникающих в основании под нагрузкой от сооружения s_{z (p)} и напряжений возникающих в грунте под собственным весом вышележащей толщи . Напряжение под дополнительной нагрузкой может быть определено двумя методами, по методу действия сосредоточенной силы или по методу “угловых точек” , где К₀ также как К коэффициент рассеяния напряжений, определяемый по таблицам [5]. Нижняя граница сжимаемой толщи в основании гражданских и промышленных зданий и сооружений находится на той глубине, где ордината эпюры дополнительных напряжений составляет 0,2 от природного давления (т.е. от ординаты напряжения под действием природного давления, напряжения возникающего под собственным весом грунта)

Если в пределах этой глубины залегают слабые грунты с модулем деформации Е₀<5 Мпа, то мощность активной зоны фундамента увеличивается и ее нижняя граница назначается из условия

Это положение базируется на том, что соответствует структурной прочности грунта при компрессионном сжатии.

По результатам оценки напряжений строится схема, включающая обобщенную геолого-литологическую колонку и эпюры напряжений (Рис. 2)

Расчетная схема оценки мощности активной зоны

Расчетная схема оценки мощности активной зоны.

DL-отметка планировки

NL-отметка поверхности природного рельефа

FL-отметка подошвы фундамента

УГВ-отметка уровня подземных вод

АС-отметка нижней границы активной зоны

Оценка мощности сжатия активной зоны используется при обосновании глубины выработок при изысканиях, при оценке прогнозной величины осадок и в целом ряде практических решений.

Расчет несущей способности грунтов в основании сооружения.

Практические способы расчета несущей способности грунтов в основании сооружения определяются нормативными документами (СНиП 2.02.01-83*)[1]. Исходными данными для таких расчетов являются:

-инженерно-геологическое строение основания сооружения (инженерно-геологические разрезы)

-наивысшие положения уровня грунтовых вод

-расчетные значения физико-механических характеристик грунтов основания (плотность минеральной части г/см³, плотность грунтов с естественной влажностью г/см³, угол внутреннего трения , удельное сцепление с кН

-тип фундамента, размеры подошвы его ширина d м, длина l м и глубина заложения d_n м.

Целью расчетов несущей способности грунтов является обеспечение прочности и устойчивости основания любого типа сооружений.

В общем случае вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания N_и, сложенного несколькими грунтами в стабилизированном состоянии СНиП 2.02.01-83* [1] рекомендует определять по следующей формуле:

N_и=b¹l¹(N b¹ +N_{g g}d+N_{c c}c),

где

b¹ и l¹-соответственно приведенные ширина и длина подошвы фундамента:

b¹=b-2l_bl, l¹=l-2l_е

l_и и l_е- соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок в уровне подошвы фундамента, причем символом b обозначена сторона фундамента в направлении которой ожидается потеря устойчивости основания, при центральном приложении нагрузки b¹=b, l¹=l.

Коэффициенты N , N_g, N_c принимаются по таблице 1 в зависимости от расчетного значения и s, при этом необходимо выполнение условия tgd< sin

Коэффициенты a, , вносят поправку на соотношение сторон фундамента =l/b. При <1 принимается равным =1, при >5 фундамент рассматривается как работающий в условиях плоской задачи, тогда x_у = x_g= x_c =1. В пределах между этими величинами поправочные коэффициенты рассчитываются по формулам: , ,

При высоком положении уровня подземных вод значение плотности нужно принимать с учетом взвешивающего действия воды

, где

- плотность грунта во взвешанном состоянии, г/см³, г/ м³

-плотность частиц грунта г/см³, г/ м³

-плотность воды, принимаемая, равной 10 кН/м³

е- коэффициент пористости грунта

Таблица 1.

Угол внутреннего трения грунта	Коэффициент	Коэффициенты N , Ng, Nc при углах наклона к вертикали равнодействующей внешней нагрузки d, град. равных
	N Ng Nc N Ng Nc N Ng Nc N Ng Nc N Ng Nc	1,35	1,02	0,61	0,21	s=14,5
3,94	3,45	2,84	2,06
10,98	9,13	6,88	3,94
2,88	2,18	1,47	0,82	0,36	s=18,9
6,40	5,56	4,64	3,64	2,69
14,84	12,53	10,02	7,26	4,65
5,87	4,50	3,18	2,00	1,05	0,58	s=22,9
10,66	9,17	7,65	6,13	4,58	3,60
20,72	17,53	14,26	10,99	7,68	5,58
12,39	9,43	6,72	4,44	2,63	1,29	0,95	s=26,5
18,40	15,63	12,94	10,37	7,96	5,67	4,95
30,14	25,34	20,68	16,23	12,05	8,09	6,85
27,50	20,58	14,63	9,79	6,08	3,38	1,60	s=29,8
33,30	27,86	22,77	18,12	13,94	10,24	7,04
46,12	38,36	31,09	24,45	18,48	13,19	8,63

Примечания: 1. В фигурных скобках приведены значения коэффициентов несущей способности, соответствующие указанным рядом значениям s, полученным из условия tgs <sin

2. s-угол наклона равнодействующей нагрузки к вертикали.

Предельное сопротивление оснований, сложенных неконсолидированными пылевато-глинистыми грунтами, для прямоугольных фундаментов l<3b можно определить по формуле N_и=b¹l¹(N ₊ N_{g +} N_c ), полагая и

Допущение =0 связано с предположением наибольшего значения порового давления в медленно уплотняющихся водонасыщенных грунтах и идет в запас прочности.

Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания N_и, сложенного скальными грунтами определяют по формуле N_и=R_cb¹l¹, где R_с- прочность образца грунта на одноосное сжатие. Остальные обозначения те же [1,5]

Статистикой установлено, что если допустить под подошвой центрально нагруженного фундамента шириной b развитие зон предельного равновесия на глубину z_max=1/4b , то несущая способность основания остается обеспеченной.

В соответствии с действующими документами по проектированию введено понятие нормативного сопротивления грунта основания Rⁿ. Значение нормативного сопротивления определяют поставив в формулу R_кр= [1,5]

В СНиП 2.02.01-83* эта формула представлена в виде трехчленного выражения Rⁿ=M b+ M ¹d+M_cc, где M , М_g, М_с безразмерные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения , значения их приведены в таблице 2.

Таблица 2

Угол внутреннего трения j, град	Коэффициенты	Угол внутреннего трения j, град	Коэффициенты
Мg	Мq	Mc	Мg	Мq	Mc
	0,0	1,0	3,14		0,72	3,87	6,45
	0,03	1,12	3,32		0,84	4,37	6,90
	0,06	1,25	3,51		0,98	4,93	7,40
	0,10	1,39	3,71		1,15	5,59	7,95
	0,14	1,55	3,93		1,34	6,34	8,55
	0,18	1,73	4,17		1,55	7,22	9,22
	0,23	1,94	4,42		1,81	8,24	9,97
	0,29	2,17	4,69		2,11	9,44	10,80
	0,36	2,43	4,99		2,46	10,85	11,73
	0,43	2,73	5,31		2,88	12,51	12,79
	0,51	3,06	5,66		3,88	14,50	13,98
	0,61	3,44	6,04

В курсовом проекте должен быть четко обоснован выбор метода расчета несущей способности грунтового основания.