варианты КП_ОФ_ДС_2014
.pdf11
фундаментов принимают ниже горизонта низкого ледохода с учѐтом толщины льда.
Обрез фундамента на суходоле назначают ниже на 10-15 см глубины размыва поверхности грунта у опоры.
3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДИ ПОДОШВЫ ФУНДАМЕНТА И РАСЧЕТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОСНОВАНИЯ
Размеры обреза фундамента в плане принимают больше размеров надфундаментной части опоры на величину с = 0,15-0,30 м в каждую сторону для компенсации возможных отклонений положения и размеров фундамента при разбивке и производстве работ (см. рис. 1.1).
Минимальная площадь подошвы фундамента рассчитывается по формуле |
|
Amin L 2c B 2c , |
(3.3) |
где L и В – ширина и длина надфундаментной части опоры в плоскости обреза фундамента, принимается по заданию.
Требуемая минимальная площадь подошвы фундамента в первом приближении может быть определена по формуле (3.3). При значительной вертикальной и горизонтальной полезной нагрузке площадь фундаментов рекомендуется назначить больше минимальной.
Далее по формуле (1) приложения 24 [2] определяется расчѐтное сопро- |
|
тивление грунта основания (кПа) при ширине подошвы фундамента b= B 2c |
|
R 1.7 R0 1 k1 b 2 k2 d 3 , |
(3.4) |
где R0 – условное сопротивление грунта, кПа; b – ширина подошвы фундамента, м; при b>6 м принимается b = 6 м; d – глубина заложения фундамента, м; принимается от поверхности грунта (на суходоле) или дна водотока после размыва (в русле реки) до подошвы фундамента; - осредненное по слоям расчѐтное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента, вычисленное без учѐта взвешивающего действия воды, кН/м3, по формуле
|
h |
(3.5) |
i i , |
||
|
hi |
|
где i - удельный вес отдельных слоѐв грунта, лежащих выше подошвы фун-
дамента, кН/м3; hi – толщина отдельных слоѐв грунта выше подошвы фундамента, м; k1 и k2 – коэффициенты, принимаемые по таблице 4, прил. 24 [2].
Если основание в постоянном водотоке сложено глинами или суглинками, то значение R может быть увеличено в пределах водотока на 14,7d , кПа,
где d - высота столба воды, м, от УМВ до дна водотока после размыва.
3.3ПРОВЕРКА ПРИНЯТЫХ РАЗМЕРОВ ПОДОШВЫ ФУНДАМЕНТА
Расчѐт преследует цель определить средние, максимальные и минимальные давления под подошвой фундамента и сравнить их с расчѐтным сопротивлением грунта:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
p |
|
|
N I |
|
|
|
c |
R |
, |
(3.6) |
||||||||
ср |
A |
|
|
n |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
pmax |
|
NI |
|
|
|
M I |
|
|
c R , |
(3.7) |
||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
W |
|
n |
|
||||
pmin |
|
|
NI |
|
|
M I |
0 , |
(3.8) |
||||||||||
|
|
A |
|
W |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где pср, pmax и pmin – соответственно среднее, максимальное и минимальное давления подошвы фундамента на основание, МПа; N – расчѐтная вертикальная нагрузка на основание с учѐтом гидростатического давления воды, если оно имеется, МН; M – расчѐтный момент относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента, МН м; с =1,0 - коэффициент условий
работы (для нескальных оснований [2, п.7.8*]) ; n =1,4 - коэффициент надѐжности по назначению сооружения; А – площадь подошвы, м2; W- момент сопротивления по подошве фундамента, м3;
W |
bl |
2 |
, |
(3.9) |
|
|
|||
6 |
|
где l - длина подошвы фундамента, м; b – ширина подошвы фундамента, м; R – расчѐтное сопротивление грунта под подошвой фундамента, МПа.
Определяем нормальную N и моментную нагрузки М, действующие на основание
N = 1,2(Ро+РП+Рф+Рв+Рг)+ 1.13 Ртр, |
(3.10) |
M = 1,2T(Н+hф), |
(3.11) |
где Рф и Рг – соответственно нагрузки от веса фундамента и грунта на его уступах (с учѐтом взвешивающего действия воды, при УПВ выше подошвы фундамента), МН; Рв – нагрузка от веса воды, действующей на уступы фундамента (учитывается, если фундамент врезан в водонепроницаемый грунт), МН; Н – высота опоры моста, м; hф – высота конструкции фундамента, м.
Расчѐтные величины Ро, РП, Ртр, Т даны в таблице 2.5.
Если условия 3.6 3.8 не удовлетворяются, следует увеличить размеры подошвы фундамента и/или глубину заложения подошвы и путѐм повторных расчетов добиться выполнения условий.
3.4 РАСЧЁТ ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТА ПО ДЕФОРМАЦИЯМ
Далее размеры фундамента проверяются расчѐтом основания по деформациям: определяется величина осадки и крена фундамента по приложению 2 [3].
13
3.4.1 Расчет деформаций оснований
Различные по величине осадки соседних опор не должны вызывать появления в продольном профиле дополнительных углов перелома, превышающих для автодорожных мостов 2 %о [2, п.1.47].
Для расчѐта деформаций основания фундаментов по приложению 2 СНиП3 рекомендует метод послойного суммирования: величина осадки фундамента определяется по формуле
n |
|
|
h |
|
|
S |
|
zpi |
i |
, |
(3.12) |
|
|
|
|||
i 1 |
|
Ei |
|
||
где = 0,8 – безразмерный коэффициент; zpi – среднее вертикальное (дополнительное) напряжение в i-м слое грунта; hi и Ei – соответственно мощность и модуль деформации i-го слоя грунта; n – число слоѐв, на которое разбита сжимаемая толщина основания Hc.
Сжимаемая толщина основания Нс определяется как расстояние от подошвы фундамента до нижней границы сжимаемой толщи; на рис. 3.1 нижняя граница обозначена символами В.С. При этом В.С находится на той глубине под подошвой фундамента, где выполняется условие
zpi = 0,2 zgi. (3.13)
Расчѐт начинается с построения эпюр бытовых zgi и дополнительныхzpi давлений, после чего определяется В.С., а затем определяется осадка S по формуле 3.12.
Порядок расчета осадки фундамента мелкого заложения методом послойного суммирования
1)вычерчивается расчетная схема (рисунок 3.1), на которой показывается расположение фундамента в грунтовом массиве;
2)определяются значения вертикальных напряжений от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента и на границе каждого слоя грунта по формуле (графы 7,8 таблицы 3.1)
zgi = zg0 + i hi , |
(3.14) |
где zg0 – вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне |
|
подошвы фундамента, определяемое по формуле zg0 = id0 ; i |
–удельный |
|
– глубина |
вес грунта слоѐв, залегающих выше подошвы фундамента; d0= hi |
|
заложения подошвы фундамента, м; hi - мощности геологических слоѐв грунта, прорезаемых фундаментом, м. Если фундамент находится в акватории, то природное (бытовое) давление в плоскости подошвы фундамента определяется от поверхности водотока, т.е. с учѐтом веса воды, м;
Удельный вес грунтов, залегающих ниже уровня подземных вод или ниже воды в реке, но выше водоупора, должен определяться с учѐтом взвешивающего действия воды (таблица 2.1). В водоупоре напряжение от собственного веса грунта в любом горизонтальном сечении определяют без учѐта взвешивающего действия воды.
По результатам расчѐта строится эпюра вертикальных напряжений от собственного веса грунта слева от оси фундамента в масштабе 1 см = 100 кПа.
14
3) значения дополнительных (уплотняющих) вертикальных напряжений по оси фундамента zpi определяют под подошвой фундамента и до глубины, около 6…8 b, в каждом элементарном слое hi мощностью не более 0,4 b, где b – ширина подошвы фундамента. При этом границы элементарных слоѐв должны совпадать с границами геологических слоѐв и уровнем подземных вод.
Дополнительное вертикальное напряжение в грунте в уровне подошвы фун-
дамента определяют по формуле |
|
zp0 = pср - zg0. |
(3.15) |
Рисунок 3.1 – Расчетная схема определения деформаций основания фундамента мелкого заложения методом послойного суммирования с использованием расчетной схемы основания в виде линейно-деформированного слоя.
15
Среднее давление на грунт от нормативных постоянных нагрузок определено по формуле (3.16)
Дополнительные вертикальные напряжения в грунте вычисляются по
формуле (графы 4,5,6 таблица 3.1) |
|
zpi = i zp0, |
(3.16) |
где i – коэффициент, принимаемый по таблице 1 приложения 2 СниП [3] в зависимости от соотношения сторон прямоугольного фундамента = l / b и относительной глубины, равной = 2z / b, где z – расстояние до границы элементарного слоя от подошвы фундамента.
При построении эпюры значения дополнительных напряжений откладываются вправо от оси фундамента в том же масштабе (в 1 см – 100 кПа).
4) определяют нижнюю границу сжимаемой толщи (В.С). Она находится на той глубине по оси фундамента, где соблюдается условие
zpi = 0,2 zgi . |
(3.17) |
Если найденная нижняя граница сжимаемой толщи находится |
в слое |
грунта с модулем деформации Е<5,0 МПа или такой слой залегает непосредственно ниже В.С., то нижняя граница определяется из условия
|
|
|
|
|
zpi = 0,1 zgi. |
|
|
|
|
|
(3.18) |
|||
|
|
Границу В.С. можно получить графически, построив справа от оси фун- |
||||||||||||
дамента эпюру фундамента 0,2 zgi |
или |
0,1 zgi. В точке пересечения с эпюрой |
||||||||||||
zpi получим границу В.С. Величина сжимаемой толщи Нс |
- это расстояние по |
|||||||||||||
вертикали от отметки заложения фундамента FL до В.С. |
|
|
|
|||||||||||
5) |
определяют осадку каждого слоя основания по формуле (3.12). |
|
||||||||||||
|
|
Осадка основания фундамента получается суммированием величины |
||||||||||||
осадки каждого слоя в пределах Нс. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Расчет осадки методом послойного суммирования рекомендуется выпол- |
||||||||||||
нять в табличной форме (см. таблицу 3.1). |
|
|
|
|
|
|||||||||
Таблица 3.1– Определение осадки основания фундамента опоры моста |
|
|||||||||||||
подошвыотРасстояние |
подошвыдофундамента |
слояzтого-i |
iгрунтаслояМощность h |
грунтавесУдельныйγ, 3м/кН |
z/bζ=2Коэффициент [2]).2,прил1,таблица( |
αтабли(Коэффициент- [2]).2,прил1,ца |
|
давлеДополнительноеσние |
давлениеПриродное σ |
|
|
Мо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дуль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дефор- |
Осадка |
|
|
|
i |
, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
кПа |
|
0.2σzgi |
мации |
слоя Si, |
||
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
кПа |
кПа |
Е, |
см |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
zpi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
zgi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
3 |
4 |
|
5 |
|
6 |
7 |
|
8 |
9 |
10 |
3.4.2 Проверка несущей способности подстилающего слоя грунта
При наличии слоя слабого грунта, залегающего ниже подошвы фундамента в пределах сжимаемой толщи, выполняется проверка несущей способности
16
подстилающего слоя грунта по обязательному приложению 26 [2] исходя из условия
(d + z ) + (p - d) |
R |
, |
(3.19) |
i |
n |
|
где р – среднее давление на грунт, кПа; - среднее значение удельного веса грунта, расположенного над кровлей проверяемого подстилающего слоя грунта, можно принять =19,62 кН/м3; d – глубина заложения фундамента от поверхности грунта у опоры, а в русле рек – от дна водотока после понижения его уровня на глубину местного размыва; zi – расстояние от подошвы фундамента до поверхности проверяемого подстилающего слоя грунта, м; - коэффициент, принимаемый по таблице 1 приложения 26 [2]; R – расчетное со-
противление подстилающего слоя грунта, кПа; n=1,4 – коэффициент надежности по назначению сооружения.
3.4.3 Крен фундамента
Крен фундамента i при действии внецентренной нагрузки определяется по формуле (10) приложения 2 [3]
|
1 2 |
M |
|
|
|
i |
|
ke |
II |
, |
(3.20) |
|
a / 2 3 |
||||
|
Ek m |
|
|
||
где Е - модуль деформации, МПа; - коэффициент Пуассона грунта основания; ke– безразмерный коэффициент, принимаемый по таблице 5 приложения 2 [3]; МII – момент, действующий вдоль соответствующей стороны прямоугольной подошвы фундамента, МН м; а – сторона подошвы прямоугольного фундамента, в направлении которой действует момент МII; km – безразмерный коэффициент ( см. таблицу ниже или таблицу 3, приложения 2 [3] ).
Среднее значение модуля |
Значения коэффициента km при ширине фундамента b, м, рав- |
||
деформации грунта осно- |
|
ной |
|
вания Е, МПа |
b < 10 |
10 ≤ b ≤ 15 |
b > 15 |
Е < 10 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
Е ≥ 10 |
1 |
1,35 |
1,5 |
Коэффициент Пуассона принимается равным для грунтов: крупнообломочных - 0,27; песков и супесей – 0,30; суглинков – 0,35; глины – 0,42. В случае неоднородного основания значения Е и принимаются как средневзвешенное в пределах снимаемой толщи Нс с учѐтом мощности слоев грунта.
Должно выполнятся условие
i iu , |
(3.21) |
где iu 0,5
l p , предельно допустимый крен подошвы фундамента; l p - длина меньшего, примыкающего к опоре, пролѐта моста, м.
3.4.4 Проверка положения равнодействующей активных сил
Для нескальных оснований фундамента мелкого заложения положение равнодействующей вертикальных нагрузок (по отношению к центру тяжести
17
площади подошвы фундамента), характеризуемое относительным эксцентриси-
тетом е0/r, должно быть ограничено значениями: для постоянных нагрузок – |
|
0,1; постоянных и временных – 1,0, согласно п.7.7* и таблице 107 [2]. |
|
Эксцентриситет определяется по выражению |
|
е0 = М / N, |
(3.22) |
а радиус ядра подошвы фундамента – |
|
r = W / A, |
(3.23) |
где М – момент сил в площади подошвы фундамента, кН м, действующий относительно главной центральной оси подошвы фундамента; N – равнодействующая вертикальных сил, кН; W – момент сопротивления площади фундамента, м3; А – площадь подошвы фундамента, м2.
Если относительный эксцентриситет е0/r больше единицы, максимальное давление рmax под подошвой фундамента следует определить исходя из треугольной формы эпюры давлений, построенной в пределах сжимаемой части основания фундамента.
3.4.5Расчѐт фундамента на устойчивость против опрокидывания
Расчѐт фундамента на устойчивость должен исключать возможность его опрокидывания во взаимно перпендикулярных направлениях площади подошвы фундамента [2, п. 1.40*]. Расчѐтная схема устойчивости основания фундамента представлена на рисунке 3.2.
Устойчивость фундамента против опрокидывания определяется по фор-
муле
Mu |
m Mz |
, |
(3.24) |
|
|||
|
n |
|
|
где Mu и Mz - соответственно моменты опрокидывающих и удерживающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания) фундамента, проходящей по крайним точкам О опирания, кН м; m= 0,8 - коэффициент условий работы; n = 1,1 – коэффициент надежности по назначению.
Момент удерживающих сил Mz рассчитываем по выражению
Mz NI b / 2 |
(3.25) |
3.4.6 Расчѐт фундамента на устойчивость против сдвига
Устойчивость фундамента против сдвига (скольжения) подошвы относи-
тельно основания определяется по формуле [2, п. 1.41*]: |
|
|||
Qr |
m Qz |
, |
(3.26) |
|
n |
||||
|
|
|
||
где Qr и Qz – соответственно горизонтальные сдвигающие и удерживающие силы в плоскости подошвы фундамента, кН; m= 0,9 - коэффициент условий работы; n = 1,1 – коэффициент надежности по назначению.
Определяем горизонтальные опрокидывающую и удерживающую силы:
Qr = T (по заданию); Qz = f NI, |
(3.27) |
18
где f - коэффициент трения подошвы фундамента по грунту, принимаемый: для глин во влажном состоянии – 0,25; в сухом состоянии – 0,30; для суглинков и супесей – 0,30; для гравийных и галечниковых грунтов – 0,5; для песков – 0,4
[2, п. 7. 14].
|
|
NI |
|
|
Mu |
Mz |
|
|
Oz |
||
O |
Or |
||
|
|||
|
|
||
ось поворота |
|
p |
|
b/2 |
b/2 |
||
|
z |
||
|
|
Рисунок 3.2 - Расчетная схема фундаментов на устойчивость
3.4.7 Конструирование фундамента мелкого заложения
Переход от стаканной части фундамента к подошве обеспечивается путѐм устройства уступов (ступеней). Высота уступа фундамента принимается равной 0,7 – 2 м, а ширина – обычно не более 0,5 hy, при этом отношение ширины уступа к его высоте не должно превышать tg300 = 0,577 [2, п. 7. 26].
4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА
4.1 ГЛУБИНА ЗАЛОЖЕНИЯ И РАЗМЕРЫ РОСТВЕРКА. ДЛИНА И ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ СВАЙ
4.1.1 Определение глубины заложения и предварительного назначения размеров ростверка
На суходоле и в водотоке при глубине воды менее 3 м следует проектировать свайные фундаменты с низким ростверком.
Подошва низкого ростверка располагается ниже дна акватории или поверхности грунта при условии обеспечения расчетной несущей способности и долговечности фундаментов исходя из местных климатических условий, особенностей конструкций фундаментов, обеспечения требований судоходства и лесосплава, надежности подлежащих осуществлению мер по эффективной за-
19
щите свай от неблагоприятного воздействия знакопеременных температур среды, ледохода и других факторов [5, п. 7.11]
Сваи должны быть заделаны в ростверк (выше слоя бетона, уложенного подводным способом) на длину, определяемую расчетом и принимаемую не менее половины периметра призматических свай, и 1,2 м – для свай диаметром 0,6 м и более.
Допускается заделка свай в ростверке с помощью выпусков стержней продольной арматуры (длина заделки должна быть не менее 30 диаметров арматуры при арматуре свай периодического профиля и не менее 40 диаметров – при арматуре гладкого профиля). При этом сваи должны быть заведены в ростверк не менее чем на 10 см [2, п.7.22*].
С учетом вышесказанного назначается высота ростверка и, следовательно, его обрез.
Размеры ростверка по верху определяются размерами надфундаментной конструкции (нормы уширения по обрезу – такие же, как для фундамента на естественном основании); по низу – площадью для размещения свай. При необходимости развития подошвы ростверка (по сравнению с площадью по обрезу) оно осуществляется уступами высотой hy = 0,7 – 2,0 м и шириной не более 0,5hy. В настоящих методических указаниях рассматривается ход проектирования свайных фундаментов применительно к низкому ростверку.
Сборные железобетонные ростверки фундаментов мостов проектируются из бетона класса не ниже В25, монолитные - не ниже В15.
4.1.2 Назначение длины и поперечного сечения свай
Если в курсовой работе принят вариант свайного фундамента на забивных призматических сваях, то рекомендуется применять забивные железобетонные сваи сплошного квадратного сечения (сеч. 30 30, 35 35, 40 40 см), полые круглые или буронабивные сваи (см. приложение Б, таблица Б.1).
Длина сваи определяется положением подошвы ростверка и кровли прочного грунта, в который целесообразно заделывать сваю. Слабые грунты должны прорезаться сваями.
Заглубление свай в грунты, принятые за основание, должно быть:
-при крупнообломочных грунтах, гравелистых, крупных и средней крупности песках, а также глинистых грунтах с показателем текучести JL 0,1 – не менее 0,5 м;
-при прочих нескальных грунтах – не менее 1,0 м.
Глубина погружения сваи от поверхности грунта (в русле реки – с учѐтом размыва) не должна быть менее 4 м.
4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАИ
При небольших горизонтальных нагрузках и низких ростверках сваи, как правило, размещаются вертикально.
20
Расчет свай по первому предельному состоянию заключается в определении несущей способности свай (допускаемая нагрузка на сваю) по грунту и по материалу. Для дальнейших расчѐтов принимается меньшее полученное значение. Несущая способность сваи по материалу равна прочности материала сваи на сжатие и определяется по 4 . Расчет несущей способности всех типов свай по грунту производится согласно 5, глава 4 и зависит от типа свай, их конструкции и условий взаимодействия свай с грунтом.
4.2.1 Несущая способность сваи по прочности материала
Расчѐт висячих свай по материалу, как правило, не требуется, т.к. несущая способность сваи по материалу обычно больше, чем по грунту. В общем случае, несущая способность по материалу железобетонных свай определяется выражением
Fdm= ( c mRbA+ aRsAa), |
(4.1) |
где =1 – коэффициент продольного изгиба для низкого ростверка; с - |
коэф- |
фициент условий работы, принимаемый 0,85 для свай сечением менее |
30 30 |
см и 1 – для свай большего сечения; m =1 – коэффициент условий работы бетона для всех видов свай кроме буронабивных, для буронабивных при бетонировании под водой m =0,8; Rb – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа; А – площадь поперечного сечения сваи, м; a = 1 - коэффициент условий работы арматуры, МПа; Rs – расчетное сопротивление сжатию арматуры, МПа; Aa – площадь сечения рабочей арматуры, м.
4.2.2 Несущая способность сваи-стойки
Несущую способность свай, опирающихся на малосжимаемый грунт (Е 50 МПа) определяется по формуле
Fd= c RA, (4.2)
где с = 1 –коэффициент условий работы сваи в грунте [5]; R - расчетное со-
противление грунта под нижним концом сваи; А - площадь опирания сваи на грунт, м2.
4.2.3 Несущая способность висячей сваи, погружаемой без выемки грунта
Несущая способность висячей забивной и вдавливаемой сваи всех видов
определяется по формуле |
|
Fd= c ( cR RA + u cf fi hi), |
(4.3) |
где с; cR; cf = 1 – соответственно коэффициенты условий работы сваи в грунте, работы грунта под острием сваи и по боковой поверхности для забивных призматических свай [5, таблица 3]; R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по таблице 5, таблица 1 ; А - площадь опирания сваи на грунт, м2; u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м2; fi - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на бо-