6. Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов в качестве основания по II принципу
Все расчеты ведутся для грунтов, оттаивающих в процессе эксплуатации.
6.1 Расчет глубины оттаивания под серединой и краем сооружения производится по формулам (1) и (2) рекомендуемого приложения 8[8].
Расчет ведется с учетом физических и теплофизических характеристик оттаивающего массива, средневзвешенные значения которых находим по формуле:
X=
где
–
характеристика грунта для слоя грунта
толщиной
.
Глубина оттаивания находим в 1,2,3,5,10,20,30,40,50 годы эксплуатации сооружения. По вычисленным значениям глубин оттаивания под серединой и краем здания за период эксплуатации строят динамику развития чаши оттаивания по годам.
6.2. При назначении глубины заложения фундаментов и их размеров сначала выбирают тип фундамента. Для оттаивающих грунтов следует принимать фундамент с развитой площадью опоры – столбчатый фундамент.
Глубину заложения фундамента назначают по таблице 2 [7], предварительно определив расчетную глубину промерзания по формуле (1) [7] c коэффициентом теплового влияния, принятым по таблице 1[7].
Площадь подошвы фундамента в случае центрального загружения определяется по формуле:
A
= F’/
(
),
Где F’ – нормативная нагрузка на фундамент;
–
расчетное
сопротивление оттаявшего грунта под
подошвой фундамента, принимаемое по
таблице 2.3 приложения 4[8];
–
средневзвешенная
плотность массива грунта в зоне установки
фундамента, принимаемая
=
2 т/м³;
d – глубина заложения фундамента;
Исходя из найденной площади подошвы фундамента, задаются размерами подошвы, округляя до кратности 5см.
Для принятых размеров подошвы фундамента определяют давление на грунт под подошвой фундамента:
P=
+
.
Это давление не должно превышать расчетного сопротивления грунта, рассчитанного по формуле (7) [7] с учетом прочностных характеристик грунта (угла внутреннего трения и удельного сцепления, принимаемых по таблице 1 или 2 [6]).С учетом выполненных сравнений производится корректировка размер фундаментов.
6.3. Вычисление конечной осадки фундамента производится по расчетной схеме линейно – деформируемого слоя конечной толщины, т.к. весь расчет ведется для случая оттаивания грунта во время эксплуатации. Расчет ведется по формуле (25)[8].
Предварительно
для каждого фундамента составляется
схема расположения оттаивающих грунтов
под подошвой фундамента, устанавливается
толщина всех слоев и вычисляются
напряжения от собственного веса грунта
в середине каждого слоя(
).
После расчета абсолютных осадок фундаментов вычисляют относительную неравномерность осадок между крайним и средним, между крайним и угловым фундаментами.
Эти деформации должны быть меньше допустимых значений соответствующих деформаций, которые приведены в прилож. 4[7].
В случае, если значения расчетных осадок больше предельно допустимых, должны быть опасны мероприятия по их уменьшению и целесообразности применения II принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве основания.
Пример.
Расчет
глубин оттаивания грунтов под зданием
с расчетным сопротивлением теплопередачи
цокольного перекрытия, равным
=
3,8 м² °С/Вт, и с температурой внутри
здания
=
18 °C
за период эксплуатации – 50 лет –
производится по формулам:
- под
серединой здания
=
(
–
)B;
-
под краем здания
=
(
–
–
0,1β
)B,
Где В-ширина здания;
-коэффициент, определяемый по таблице 1 приложения 8 [8] в зависимости от отношения L/B и параметров β и ψ;
,
,
,
-
коэффициенты, определяемые по номограммам
на черт.1,2 прилож. 8[8] в зависимости от
параметров
,
β,
ψ:
=
/B;
β
= - [
(
-
)]/
[
(
–
)];
ψ = t/ ( B²).
Все характеристики грунта, входящие в эти формулы, имеют следующие средневзвешенные значения, имеют следующие средневзвешенные значения:
=
= 1, 34 ккал/м·час·°С;
=
= 1,44 ккал/м·час·°С;
=
=
-0, 1°C;
I = 11611 ккал/м³ - из примера по определению нормативной глубины сезонного оттаивания;
II = ( II – II) II,
II
=
II·
II,
II
= 0,385,
=
0, 11·0,385 = 0,042, тогда
II= 80(0, 18-0,042)1652 = 18238 ккал/м³;
III = ( III – III) III,
III = III· III, III = 0,385, = 0, 1·0, 0385, тогда
III = 80(0, 15 -0, 0385)1738 = 15503 ккал/м³;
=
=
15480, 3 ккал/м³.
Тогда имеем
=
=
0,42; β
=
=
0,14;
Ψ
=
=
1, 08·
·t.
Подбор коэффициента , , , и расчет и по годам сводим в таблицу:
t |
ψ |
kn |
|
|
, м |
|
|
He, м |
|
год |
час |
||||||||
1 2 3 5 10 20 30 40 50
|
8760 17520 26280 43824 87648 175296 262944 350592 438000 |
0,095 0,189 0,284 0,473 0,946 1,893 2,840 3,786 4,73 |
1,0 0,994 0,987 0,977 0,949 0,922 0,908 0,9015 0,9015 |
0,4 0,54 0,59 0,74 0,85 1,08 1,18 1,23 1,23 |
0,23 0,29 0,32 0,35 0,38 0,39 0,40 0,40 0,40 |
2,04 2,74 3,20 4,57 5,35 7,63 8,5 8,98 8,98 |
0,22 0,29 0,34 0,43 0,59 0,8 0,95 1,02 1,05 |
0,17 0,22 0,25 0,30 0,34 0,4 0,45 0,46 0,47 |
0,55 0,77 1,0 1,47 2,83 4,57 5,72 6,39 6,59 |
Т.е. за 50 лет эксплуатации имеет глубину оттаивания грунта под зданием ≈9м, ≈6,6м.
Далее
назначаем глубину заложения столбчатого
фундамента и его размеры. Зная, что
=
,
то в супесчаных грунтах глубина заложения
фундамента
d>
.
Расчетная глубина сезонного промерзания
определяется
по формуле:
= · ,
где
–
коэффициент теплового влияния здания,
назначаемая по табл.1 [7] в зависимости
от конструкции цокольного перекрытия
и температуры внутри помещения
В
данном примере для здания без подвала
и с
=
18°C
=
0,7;
– нормативная глубина сезонного промерзания, = 4м, тогда
= 0,7·4 = 2,8 м.
Принимаем глубину заложения фундамента d = 3 м. Расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента назначаем по таблице3 приложения 3[7] – =2,4 кгс/cм².
Тогда площадь подошвы фундамента находим для нормативной нагрузки F’ = 44003 кгс:
A= 44003/ (2, 4 - 300·0,002) = 24446 см²;
Отсюда ширина подошвы фундамента равна
b=
=
156см, принимаем
b=
160 cм.
Распределенное давление по подошве фундамента будет равно
p=
+
=
+
0,002·300
= 2, 32 <
=
2, 4 кгс/cм².
Для уменьшения размеров подошвы фундамента производим проверку расчетного сопротивления грунта с учетом его прочностных характеристик, которые назначаем по табл. 2 прилож. 1 [7]: c=0,13 кгс/cм², φ = 24°; проверка производится по формуле:
R
=
=
3, 10 кгс/cм²>
(
·b·ρ+
·d·ρ’
+
·c),
Где
=
0,72;
=
3,87;
=6,45;
k=1,1;
=
1,1;
=
1, 0;
=1,
0; d
= 300см; ρ
= 1, 95; ρ’=
1,76г/cм³.
Тогда
R=
+
(0, 72·1·160·0,
00195+3, 87·300·0,
00176+6, 45·0,
13) =3, 10
кгс/cм².
Т.к.R = 3,10 кгс/cм²> = 2,4 кгс/cм², то можем уменьшить размеры подошвы фундамента, исходя из R= 3,10 кгс/cм², тогда площадь подошвы равна
A
=
=
17601, 2 cм²,
А ширина- b = 135 cм, тогда распределенное давление будет равно
P=
+
300·0,002
= 3, 01 кгс/cм²,
А расчетное сопротивление грунта
R=
+
(0, 72·135·0,
00195+3, 87·0,
00176+6, 45·0,
13) =3, 04
кгс/cм² > p=3, 01 кгс/см²
Т.е несущая способность грунтов основания обеспечена.
Далее производим расчет осадки фундамента при оттаивании грунтов основания в процессе эксплуатации по формуле:
S=
+
;
где – составляющая осадки основания, обусловленная действием собственного веса оттаивающего грунта, определяемая по формуле
=
i;
– составляющая осадки основания, обусловленная дополнительным давлением на грунт от действия веса здания, определяемая по формуле
=
,
i
(
–
).
Составляем расчетную схему основания
d = 3,0м
h
I
= 3,0м –супесь II
слоя
=
9м 
h
II
= 3,0м –супесь III
слоя
Находим напряжения от собственного веса грунта в середине каждого расчетного слоя оттаивания:
= + ρII (hI/2) = 0,002·300 + 0, 00185· (300/2) = 0,88 кгс/см²;
= + ρIIhI+ ρIII (hII/2) = 0,002·300 + 0, 00185·300+0,002(300/2) = 1, 45 кгс/см²;
Дополнительное вертикальное давление на основание под подошвой фундамента определяем по формуле:
=P-
=
3, 01 – 0,002·300=
2, 41 кгс/см².
Для определения осадки находим параметр
=f (z/b); z/b = 600/135 = 4, 44; тогда = 1, 05.
Все остальные расчеты сводим в таблицу:
|
|
|
|
|
z/b |
|
/b |
|
( )/b |
|
|
300 600 |
0 300 |
0,88 1,45 |
0,00616 0,00727 |
3,65 3,67 |
1,11 3,33 |
1,35 1,35 |
2,22 4,44 |
0,65 0,76 |
2,22 |
0 0,65 |
2,09 0,3 |
|
7,32 |
|
2,9 |
||||||||
Тогда
s=
7, 32 +2, 9 = 10, 22≈
=
10см.
Вывод: следовательно, можно использовать грунты основания в оттаивающем состоянии в процессе эксплуатации.
Приложения
Таблица 1
Расчетные климатические характеристики района строительства
Предпосл цифра шифра |
Наименование населенного пункта |
Среднегодовая температура воздуха ,°C |
Температура на глубине 10 м , °C |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
|
Жиганск Якутск Среднеколымск Олекминск Верхоянск Вилюйск Алдан Ленск Чульман Сангар
|
-11,9 -10,3 -12,5 -6,7 -15,7 -9,3 -6,2 -6,3 -16,6 -10,1 |
-2,8 -2,5 -3,2 -1,6 -3,9 -1,7 -1,4 -1,2 -4,7 -2,1
|
Таблица 2
Предпосцифра шифра |
Период положительных температур |
Период отрицательных температур |
Средняя скор.ветра м/ сек
|
||
Средняя температура воздуха , °C |
Продолжит. , сут.
|
Средняя температура воздуха , °C |
Продолж , сут. |
||
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
|
+8,82 +12,16 +9,32 +12,14 +8,62 +11,16 +10,34 +11,18 +9,7 +11,14
|
137 155 131 160 133 147 151 158 148 146 |
-26,7 -26,3 -23,4 -20,7 -33,08 -23,88 -18,01 -18,78 -23,0 -25,98 |
228 210 234 205 232 218 214 207 217 219 |
5.1 2.6 2.9 3.5 2.1 3.0 4.1 4.1 2.8 7.6 |
Планы строительных площадок
Таблица 3
Таблица 4
Физико-механические свойства грунтов
Посл. цифра шифра |
Глубина отбора проб, м |
Плотн. грунта ρ г/см³ |
Влажность мерзлого грунта wm, д.ед. |
Влажность за счет ледяных включений
|
Плотн. частиц грунта
|
Влажн. на границе раскат
|
Влажн. на границе текучести
|
Степень засол.
|
Коэф. сжим. оттав. грунта
|
Коэф отаивания
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
I |
0-3 3-6 6-10 |
1.71 1.87 2.03 |
0.19 0.16 0.19 |
0.01 0.01 0.0 |
2.72 2.69 2.65 |
0.15 0.10 0. |
0.25 0.17 0.0 |
0.01 0.05 0.0 |
0.012 0.009 0.007 |
0.018 0.008 0.002 |
II |
0-2 2-5 5-10 |
1.74 1.85 2.0 |
0.20 0.12 0.12 |
0.01 0.01 0.0 |
2.73 2.69 2.69 |
0.16 0.11 0.11 |
0.24 0.16 0.16 |
0.0 0.02 0.02 |
0.014 0.010 0.008 |
0.009 0.009 0.009 |
III |
0-2,5 2,5-6 6-10 |
1.76 1.95 2.05 |
0.14 0.18 0.15 |
0.0 0.0 0.0 |
2.70 2.70 2.69 |
0.12 0.11 0.10 |
0.16 0.17 0.17 |
0.01 0.02 0.02 |
0.012 0.007 0.005 |
0.008 0.006 0.005 |
IV |
0-8 3-7 7-10 |
1.68 1.84 1.97 |
0.16 0.18 0.18 |
0.01 0.0 0.0 |
2.69 2.65 2.65 |
0.10 0.0 0.0 |
0.15 0.0 0.0 |
0.06 0.05 0.05 |
0.012 0.005 0.003 |
0.010 0.008 0.008 |
V |
0-3 3-7 7-10 |
1.76 1.88 1.69 |
0.27 0.20 0.13 |
0.0 0.01 0.0 |
2.71 2.69 2.65 |
0.15 0.11 0.0 |
0.27 0.17 0.0 |
0.0 0.05 0.0 |
0.011 0.006 0.005 |
0.012 0.005 0.005 |
VI |
0-2 2-6 6-10 |
1.77 1.90 1.98 |
0.24 0.20 0.20 |
0.0 0.02 0.0 |
2.65 2.65 2.65 |
0.0 0.0 0.0 |
0.0 0.0 0.0 |
0.10 0.0 0.0 |
0.009 0.007 0.005 |
0.008 0.007 0.007 |
VII |
0-2.5 2.5-7.5 7.5-10 |
1.69 1.78 1.92 |
0.35 0.24 0.13 |
0.02 0.0 0.0 |
2.72 2.72 2.67 |
0.19 0.23 0.12 |
0.31 0.42 0.18 |
0.0 0.05 0.04 |
0.018 0.010 0.004 |
0.015 0.008 0.005 |
VIII |
0-4 4-7 7-10 |
1.74 1.89 1.96 |
0.26 0.24 0.20 |
0.01 0.01 0.01 |
2.67 2.65 2.65 |
0.15 0.0 0.0 |
0.21 0.0 0.0 |
0.0 0.0 0.0 |
0.019 0.009 0.009 |
0.022 0.012 0.010 |
IX |
0-2 2-6 6-10 |
1.79 1.36 2.05 |
0.20 0.35 0.39 |
0.0 0.0 0.0 |
2.69 2.71 2.72 |
0.12 0.20 0.20 |
0.18 0.31 0.31 |
0.07 0.05 0.02 |
0.021 0.011 0.009 |
0.024 0.012 0.010 |
X |
0-1.5 1.5-5 5-10 |
1.73 1.90 2.05 |
0.20 0.18 0.19 |
0.0 0.01 0.0 |
2.65 2.68 2.65 |
0.0 0.10 0.0 |
0.0 0.15 0.0 |
0.02 0.00 0.0 |
0.010 0.009 0.005 |
0.013 0.010 0.005 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
д.ед.
г/см³
д.ед.
д.ед.
%
см³/кгс
Начало: Таблица5
Окончание: Cкважина № абсолютная отметка устья:
№слоя |
Геологический возраст |
Разрез и конструкция скважины |
Литологическое описание пород |
Отметка подошвы слоя, м |
Мощность слоя, м |
Абсолютная отм. подошвы слоя, м |
УГВ |
Состояние грунтов
|
Весовая влажность, д.ед. |
|
||||
Появление |
установка |
|
||||||||||||
0.05 |
0.10 |
0.15 |
0.02 |
|
||||||||||
1
2
3
4
5
6
7
8
9 |
четвертичный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6
Условные обозначения грунтов.
1 – супесь легкая; 2 – супесь пылеватая; 3 – супесь тяжелая; 4 – суглинок легкий; 5 - суглинок легкий пылеватый; 6 – суглинок тяжелый; 7 – суглинок пылеватый тяжелый; 8 – глина песчанистая; 9 – глина пылеватая; 10 – глина жирная; 11 – песок мелкий; 12 – песок пылеватый; 13 - плывун; 14 – суглинок тяжелый валунный (грунты разнородные по составу, показываются условными знаками составляющих их компонентов); 15 – торф; 16 – торф разжиженный; 17 - сапропель; 18 – ил, иловый грунт; 19 – насыпной грунт; 20 - гравий; 21 - галька; 22 - валуны; 23 - гранит; 24 - диник; 25 – сланец глинистый; 26 - известняк; 27 - мергель; 28 – известняк - ракушечник; 29 – песчаник (знак “кв”. обозначает кварцевый, “ гл.” – глинистый, “изв” – известковый); 30 – трещиноватость пород
Составы полов цокольного перекрытия
Таблица 7
А. Настил пола
а - доски ГОСТ 824.2 -75, δ = 28 (36) мм;
б-паркетные доски ГОСТ 862.3 -77, δ = 25 мм;
в - паркетные щиты ГОСТ 862.4 -87, δ = 30 мм;
г - паркет штучный ГОСТ 862.1 -85 на холодной мастике, δ =6 мм;
д – паркет мозаичный ГОСТ 862.2 -76 на холодной мастике, δ =9 мм;
е- линолеум поливинилхлоридный на теплозвукоизолирующей основе ГОСТ 18108-80 по прослойке из холодной мастики на водостойких вяжущих, δ =5 мм;
ж - линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе ГОСТ 7251-77 однослойный и многослойный без подосновы ГОСТ 14632-79 по прослойке из холодной мастики на водостойких вяжущих, δ =3 мм;
и - плитки поливинилхлоридные ГОСТ 16475-85 на холодной мастике, δ =3 мм;
к – плитки керамические ГОСТ 6778-80 на прослойке из цементно-песчаного раствора марки 150, δ =25 мм;
л – бетон класса В15, δ =20 мм;
м – бетон класса 22, δ =25 мм;
н- бетон мозаичного состава В15, δ =20 мм;
п - бетон мозаичного состава класса В22, δ =25 мм;
р – дерево – стружечные плиты П-3,ГОСТ 10632 – 77, δ =19 мм.
Б.состав пола
1 –настил пола
2 – стяжка из цементно-песчаного раствора марки 150, армированного сеткой с ячейкой 50х50 из холоднотянутой проволоки диаметром 3 мм по ГОСТ 277.1-81 δ =40 мм;
(при толщине газобетона 260, 360, 460, 560мм , δ =50 мм);
2а – то же, δ =90 мм (при толщине газобетона 260, 360, 460, 560мм , δ =100 мм);
2б - стяжка из цементно-песчаного раствора марки 150, армированного сеткой δ =50 мм (при толщине газобетона 260, 360, 460, 560мм , δ =60 мм);
3-водонепроницаемая бумага, один слой;
4 – утеплитель:
A-минераловатные плиты на синтетическом связующем, δ =170, 220, 270 мм;
Б - минераловатные плиты на битумном вяжущем, δ =170, 220, 270 мм;
(для города Якутска , δ =220, 270 мм)
В - газобетон δ =260, 320,360, 420,460,520,570мм (для города Якутска , δ =420-570 мм)
5 -Один слой толя (для сборных плит) с проклейкой швов;
6 – железобетонная плита;
7- лаги из досок шириной 80 мм, установленные с шагом 500 мм, δ =40 мм;
8 –прокладки деревянные шириной 100мм, длиной150мм с шагом 800 мм, δ =40 мм;
9 – бетонная стяжка δ =50 мм;
10 – прокладка из кирпича, расположенная на расстоянии (в осях)
800 мм или между собой и в обоих направлениях δ =65 мм;
Таблица 8
Наименование нагрузки |
Нормативная нагрузка кгс/м² или кгс/м |
Коэф. надежности по нагрузке |
Расч нагрузка кг/м² или кг/м |
Грузовые площадки |
|||||
Средняя |
Крайняя |
Угловая |
|||||||
Площ м² |
Нагр кгс |
Площ м² |
Нагркгс |
Площ м², |
Нагр кгс |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
А. Постоянная нагрузка I. Кровля |
|||||||||
ж/б плита σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пароизоляция σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Утеплитель σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Цементно-песчаная стяжка σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 слоя рубироида σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Защитный слой из песка σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИТОГО: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
II. Междуэтажное перекрытие (кол - во) |
|||||||||
ж/б плита σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пароизоляция σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Утеплитель σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Цементно-песчаная стяжка σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пол σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИТОГО: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
III. цокольное перекрытие |
|||||||||
ж/б плита σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гидроизоляция σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Утеплитель σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пергамент σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Цементно-песчаная стяжка σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пол σ = ρ =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IV. Наружная стена |
|||||||||
Стена σ = ρ = l = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V. Внутренняя стена |
|||||||||
Стена σ = ρ = l = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VI. Перегородки |
|||||||||
Перегородки σ = ρ = l = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VII. Рандбалки |
|||||||||
Рандбалка σ = ρ = l =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VIII. Фундамент |
|||||||||
Фундамент ρ = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IX. Ферма, балка перекрытия, колонна стойка и т.п. В. Временные нагрузки |
|||||||||
Снеговая Полезная Нагрузка на междуэтажное перекрытие |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИТОГО: |
|
||||||||
ВСЕГО: |
|
||||||||
Примечания: состав перекрытий принят условно. |
|||||||||