Плотность сухого грунта  по формуле:

• коэффициент пористости е по формуле:

- грунт относится к пескам средней плотности

• коэффициент водонасыщения S по формуле:

- пески насыщенные водой

3. по СНиП 2.02.01-83 определяем расчетное сопротивление R для пылеватых, влажных, средней плотности песков:

5. Определяем модуль деформации грунта Е_к по формуле:

Рассматриваемый грунт – песок пылеватый, влажный , средней плотности с расчетным сопротивлением R =100 кПа, и Е_к=8,8 МПа. По предварительной оценке данный грунт может служить естественным основанием.

ИГЭ №3

Глубина подошвы слоя 8,0м. Монолит отобран с глубины 5,5м. Так как W 0 и W 0, следовательно, грунт глинистый.

Разновидность глинистого грунта определяется по числу пластичности I и по показателю текучести I .

1.По числу пластичности I согласно формуле:

Так как 17<I ≤27, то это глина легкая пылеватая.

2.По показателю текучести I , согласно формуле:

Так как глина 0,25 I 0,50, то она тугопластичная.

3. Поскольку грунт глинистый, определяем следующие характеристики:

• плотность сухого грунта по формуле:

• коэффициент пористости е по формуле:

• коэффициент водонасыщения S по формуле:

Грунт непросадочный.

4. По СНиП 2.02.01-83 определяем расчетное сопротивление R для пылевато-глинистого (непросадочного) грунта:

5. Определяем модуль деформации грунта Е_к по формуле:

Рассматриваемый грунт – глина тугопластичная с расчетным сопротивлением R = 257 кПа, и Е_к = 8.2 МПа. По предварительной оценке данный грунт может служить естественным основанием.

ИГЭ № 4.

Глубина подошвы 15м , монолит отобран с глубины 8,5м.

Так как W 0 и W 0, следовательно, грунт глинистый.

Разновидность глинистого грунта определяется по числу пластичности I и по показателю текучести I .

1. По числу пластичности I согласно формуле:

Так как 7 _< I 7, то это суглинок легкий песчанистый.

2. По показателю текучести I , согласно формуле:

Так как суглинок 0,5  I  0,75 то он мягкопластичный.

3. Поскольку грунт глинистый, вначале определяем следующие характеристики:

• Плотность сухого грунта по формуле:

• коэффициент пористости е по формуле:

• коэффициент водонасыщения S по формуле:

Грунт непросадочный.

4. По СНиП 2.02.01-83 определяем расчетное сопротивление R для пылевато-глинистого (непросадочного) грунта:

5. Определяем модуль деформации грунта Е_к по формуле:

Рассматриваемый грунт –суглинок легкий песчанистый, мягкопластичный, с расчетным сопротивлением R =236 кПа, и Е=12,9 МПа. По предварительной оценке данный грунт может служить естественным основанием.

ИГЭ № 5.

Глубина подошвы слоя 15м,монолит отобран с глубины 12м.

Так как W 0 и W 0, следовательно, грунт глинистый.

Разновидность глинистого грунта определяется по числу пластичности I и по показателю текучести I .

1. По числу пластичности I согласно формуле:

Так как 7 < I ≤12 то это суглинок легкий песчанистый.

2. По показателю текучести I , согласно формуле:

Так как суглинок 0,5  I  0,75, то он мягкопластичный.

3. Поскольку грунт глинистый, вначале определяем следующие характеристики:

• удельный вес сухого грунта по формуле:

• коэффициент пористости е по формуле:

• коэффициент водонасыщения S по формуле:

Грунт непросадочный.

4. По СНиП 2.02.01-83 определяем расчетное сопротивление R для пылевато-глинистого (непросадочного) грунта:

5. Определяем модуль деформации грунта Е_к по формуле:

Рассматриваемый грунт – суглинок легкий песчанистый, мягкопластичный, не просадочный, с расчетным сопротивлением R =229 кПа, и Е=12,9 МПа. По предварительной оценке данный грунт может служить естественным основанием.

Сбор нагрузки.

1. Шестиэтажный кирпичный секционный жилой дом с подвалом;

2. V снеговой район, г. Томск;

3. Наружные стены выполнены из красного кирпича (=18 кН/м ), толщиной 510 мм;

4. Постоянная нагрузка 1м междуэтажного перекрытия равна 2,8 кН;

5. Внутренние стены из кирпича толщиной 510 мм на первом этаже и 380 мм на остальных;

6. Постоянная нагрузка 1м чердачного перекрытия равна 5 кН/м ;

7. Постоянная нагрузка кровельного настила 1,52 кН/м;

8. Временные нагрузки принять по СНиП 23-01-99 (2.01.01-82) Строительная климатология.

Сбор нагрузок выполняется на 1м погонный стены по одному сечению.

Сбор нагрузки для наружных стен выполняется до поверхности земли (до обреза фундамента).

где N , N - нормативная и расчетная нагрузка, кН/м ,

s- ширина грузовой площади, м ,

h- высота стены, м.

Расчет фундаментов мелкого заложения.

Определение глубины заложения фундамента.

Глубина заложения фундаментов d должна назначаться в зависимости от конструктивных решений подземной части здания (наличия подвалов, технического подполья, подземных коммуникаций и др.), инженерно-геологических условий строительной площадки, величины и характера нагрузок на основание, а также возможного пучения грунтов при промерзании и других факторов. Глубина заложения d исчисляется от поверхности планировки основания, а в некоторых случаях (для зданий с подвалами) от поверхности пола подвала и подполья.

В пучинистых грунтах для наружных и внутренних стен глубина заложения d обычно назначается не менее расчетной глубины промерзания d . К пучинистым грунтам относятся мелкие и пылеватые пески, супеси независимо от показателя текучести (консистенции), а также суглинки и глины с показателем текучести I 0,25.

К непучинистым грунтам относятся крупнообломочные грунты с заполнителем (песок, гравий и др.) до 10%; пески гравелистые, крупные и средней крупности; пески мелкие и пылеватые при S 0,6, а также пески мелкие и пылеватые, содержащие менее 15% по массе частиц мельче 0,05мм (независимо от S ). Глубина заложения фундаментов в таких грунтах не зависит от глубины промерзания в любых условиях. Минимальная глубина заложения d при этом принимается обычно не менее 0,5 от спланированной поверхности.

Исходные данные: Жилое шестиэтажное здание с подвалом строится в г. Томск. Высота подвала Н =2,2м, высота цоколя Н =1,0м. Грунтовые воды на глубине 4,4м. Нормативная глубина сезонного промерзания =2,4м. Требуется определить глубину заложения фундамента d под наружную стену здания.

Решение: Вначале глубину заложения фундамента d назначаем по конструктивным соображениям. Для этого от поверхности планировки откладываем высоту цоколя Н =1,0м и принимаем полученную отметку за 0,000.

Рис.1.

От отметки пола первого этажа откладываем высоту подвала Н =2,2м и получаем отметку пола подвала. Затем откладываем расстояние 500мм, которое назначается с учетом высоты фундаментной подушки, и получаем глубину заложения подошвы фундамента d = 2,2+0,5-1,0=1,7 м.

Так как грунт под подошвой фундамента пучинистый при промерзании, следовательно, глубина заложения должна быть не менее расчетной глубины промерзания.

d =d k =2,40,6=1,44м.

Условие d  d (1,7 м1,44м) выполняется.

Окончательно принимаем глубину заложения фундамента d = 1,7 м по конструктивным требованиям.

Определение размеров подошвы фундамента мелкого заложения.

Прежде чем определять размеры подошвы фундаментов, необходимо проанализировать конструктивную схему здания (сооружения) и установить наиболее целесообразный тип фундаментов в рассматриваемых грунтовых условиях. В процессе анализа уточняются размеры и материал основных элементов здания, выявляется жесткость конструкций и их чувствительность к неравномерным осадкам, а также устанавливается характер передачи нагрузок на основание, материал и формы подошвы фундаментов.

Для промышленных и гражданских зданий без подвалов нагрузки, обычно, суммируют на уровне спланированной отметки земли, а в зданиях с подвалом на уровне отметки пола подвала. При этом должны быть установлены наиболее неблагоприятные сочетания нагрузок.

Расчет размеров подошвы фундаментов необходимо производить на основные сочетания расчетных нагрузок с коэффициентом перегрузки n=1 (нормативные значения).

Фундамент под наружную стену.

Рис.2.

Ширину подошвы фундамента в первом приближении определяем по формуле:

где N - нормативная погонная нагрузка для наружной стены на уровне планировочной отметки земли, кН/м ,

а – участок фундамента длиной 1 м,

R - расчетное сопротивление грунта основания, кПа,

d – глубина заложения подошвы фундамента, м,

= 20кН/м - среднее значение удельного веса материала фундамента и грунта на его обрезах.

Принимаем для дальнейших расчетов b = 0,8 м

Вычисляем расчетное сопротивление грунта:

где  , - коэффициенты условий работы, по СНиП 2.02.01-83(2000),

k=1 – коэффициент надежности,

М ,М ,М - коэффициенты, принимаемые в зависимости от  по СНиП 2.02.01-83(2000),

b - ширина подошвы фундамента, м,

k =1 – коэффициент, зависящий от ширины фундамента (b10м),

 - удельный вес грунта под подошвой фундамента

- удельный вес грунта выше подошвы фундамента

d - приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяется по формуле:

h =0,4 м – расстояние от низа конструкции пола до подошвы фундамента,

h =0,1 м – пол подвала бетонный с цементной стяжкой,

=22 кН/м - удельный вес материала пола,

d =2,2-1,0=1,2 м – глубина подвала от поверхности планировки,

с =с – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента.

Среднее давление по подошве фундамента Р должно быть не более расчетного сопротивления грунта основания R.

где G=bad =0,811,720=27,2 кН – нагрузка от веса фундамента и грунта на его обрезах на участке фундамента длиной 1м.

Условие Р  R выполняется.

Определяем коэффициент запаса:

Поскольку коэффициент запаса составляет 5 % то ширину подошвы фундамента принимаем 0,8 м.

Расчет осадки фундамента.

Для определения конечных (стабилизированных) осадок оснований фундаментов (далее осадок фундаментов) в настоящее время наибольшее распространение получили метод послойного суммирования, метод эквивалентного слоя и метод линейно-деформируемого слоя конечной толщины.

Методы послойного суммирования и эквивалентного слоя используются обычно для определения осадок фундаментов с небольшими размерами подошвы (ширина подошвы фундамента менее 10 м), возводимых на однородных и слоистых основаниях. При этом форма подошвы фундамента может быть любой.

Метод линейно-деформируемого слоя конечной толщины используется, как правило, при проектировании фундаментов с большой опорной площадью (ширина подошвы фундамента более 10 м), возводимых на слое сжимаемого грунта, ниже которого залегают практические несжимаемые породы (Е 100 МПа),а также на слое сжимаемого грунта любой мощности. Для определения осадок промышленных и гражданских зданий (ширина подошвы фундамента менее 10 м) действующие нормативы рекомендуют использовать метод послойного суммирования СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений.

Разделяем в первом приближении сжимаемую толщу основания на элементарные слои, толщиной h . При этом мощность элементарных слоев может быть различной, и назначается таким образом, чтобы границы раздела пластов (суглинок – глина – уровень грунтовых вод) совпадала с границей раздела элементарных слоев, но не более 2м.

Определяем напряжение от собственного веса грунта р и дополнительное напряжение р в уровне подошвы фундамента.

Вычисляем дополнительное напряжение p на границах выделенных слоев по формуле:

где  - коэффициент, учитывающий изменение по глубине основания дополнительно напряжения p и принимаемый в зависимости от относительной глубины =2z/b и отношения сторон фундамента  = a/b по СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений.

Для определения нижней границы сжимаемой толщи (НГСТ) основания фундамента вычисляем напряжение от собственного веса грунта p на границах пластов грунта и выделенных слоев h . При этом для глины, залегающей ниже уровня грунтовых вод, удельный вес принимается без учета взвешивающего действия воды.

Поскольку в основании залегают грунты с модулем деформации Е  5 Мпа, то согласно СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений за НГСТ принимается условие р = 0,2 p .

Для определения величины осадки фундамента вычисляем среднее дополнительное напряжение р в каждом элементарном слое.

Осадку фундамента определяем по формуле:

где  = 0,8 – безразмерный коэффициент, корректирующий упрощенную схему расчета, и принимаемый равным 0,8 для всех видов грунтов.

Средняя осадка для многоэтажных зданий с несущими кирпичными стенами не должна превышать 10 см, СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений.

Схема к расчету осадки фундамента

Значения дополнительных напряжений сводим в таблицу

к расчету осадки ленточного фундамента мелкого заложения.

(под наружную стену)

Максимальная осадка для многоэтажных бескаркасных зданий в соответствии с приложением 4 СНиП 2.02.01-83 не должна превышать S_max,u = 10см. S = 2,02 см < S_max,u = 10см, осадка наружной стены не превышает максимально допустимой.

Проектирование свайных фундаментов.

Выбор глубины заложения ростверка.

Глубина заложения ростверка определяется аналогично определению глубины заложения подошвы фундамента мелкого заложения, d=1,7м.

Назначение длинны сваи и определение её несущей способности.

Из анализа грунтовых напластований можно сделать вывод, что в качестве несущего слоя целесообразно принять слой супеси с расчетным сопротивлением R =295 кПа, и Е=24,1 МПа. Тогда, длина забивной сваи с учетом заглубления в несущий слой не менее 1 м составит:

Примем забивную сваю типа С 5-30 по ГОСТ 19804.1-79 длиной 5 м, сечением 3030 см с заглублением в текучепластичный суглинок на 1,6 м. При этом свая будет висячей. Погружение сваи будет осуществляться дизельным молотом.

Определение несущей способности сваи.

Несущая способность висячей забивной сваи определяется в соответствии со СНиП 2.02.03-85 Строительные нормы и правила. Свайные фундаменты, как сумма расчетных сопротивлений грунтов оснований под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле:

где  - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый  =1;

 , - коэффициенты условий работы соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, принимаемые для забивных свай, погруженных дизельными молотами без лидерных скважин,  =1, =1, а для других случаев по СНиП 2.02.03-85 Строительные нормы и правила. Свайные фундаменты;

А- площадь опирания сваи на грунт, принимаемой равной площади поперечного сечения сваи.

А=0,30,3=0,09м ;

U- наружный периметр поперечного сечения сваи,

U=0,34=1,2м;

R- расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое по СНиП 2.02.03-85 Строительные нормы и правила. Свайные фундаменты, кПа;

f - расчетное сопротивление i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, кПа. Принимаемое по СНиП 2.02.03-85 Строительные нормы и правила. Свайные фундаменты;

h - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

Расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи зависит от вида и состояния грунта и от глубины погружения сваи.

Расчетная схема для определения несущей способности висячей сваи.

Глубина погружения нижнего конца сваи определяется от уровня природного рельефа и будет равна 6,4 м. Табличное значение R для супеси имеем на глубинах 5 и 7м равные соответственно 1300 и 1400 Кпа. Необходимое значение R на глубине 6,4 м находим по интерполяции:

R = = 1330 кПа.

Расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности сваи определяется как сумма сопротивлений отдельных слоев, соприкасающихся со сваей. Основание разбивается таким образом, чтобы каждый расчетный слой был однородным и имел толщину не более 2 м. В соответствии с этими требованиями разобьем основание, окружающее сваю, на расчетные слои. Значение f определяется для каждого расчетного слоя отдельно, причем на глубине, соответствующей глубине расположения середины расчетного слоя. Определим f :

h = 0,3 м

h = 1,5 м

h = 1,3 м

h₄ = 1,6 м

Подставляем полученные значения в формулу:

F =1,0(1,013300,09+1,21(0,328,95+1,519,25+1,322,3+1,610))=202,26 кН.

Несущая способность сваи по грунту составила 202,26 кН. Причем, 119,7 кН грунт воспринимает через нижний конец сваи, а остальные 82,56 кН реализуется в виде сил трения по боковой поверхности сваи.

Расчет количества свай и конструирование ростверка.

Конструирование свайного фундамента под наружную стену.

Рис.6 Расчетная схема ленточного свайного фундамента

Количество свай С5-30 на 1 п.м. под стену здания можно определить по формуле:

где N - расчетная нагрузка на обрез фундамента, кН;

F - несущая способность сваи, кН;

 - коэффициент надежности, принимаемый при определении несущей способности сваи по грунту, принимаемые по СНиП 2.02.03-85 Строительные нормы и правила. Свайные фундаменты, принимаемый равным  =1,4.

Принимаем двухрядное расположение свай, расстояние между сваями (шаг свай) вычисляется по формуле:

где m - количество или число рядов свай.

Принимаем шаг сваи, а = 1,2 м, принимаемая от (3  6)d. Ширина ростверка в этом случае будет равна:

b = c + d + 0,1 = 0,9 + 0,3 + 0,1 = 1,3 м,

где с - расстояние между центрами свай, м,

d - сторона квадратного сечения сваи, м.

Выполняем проверку правильности подобранных размеров свайных фундаментов.

Собственный вес одного погонного метра ростверка и грунта на его уступах определим по формуле:

где d- глубина заложения ростверка, м.

Находим расчетную нагрузку в плоскости подошвы ростверка:

тогда фактическая нагрузка, передаваемая на каждую сваю в ленточном фундаменте:

Проверим выполнение условия несущей способности грунта в основании сваи:

Условие выполняется с коэффициентом запаса:

что меньше 15%.

Расчет осадки свайного фундамента.

Расчет осадки свайного фундамента под наружную стену.

Осадку ленточных фундаментов с одно- и двухрядным расположением свай и расстоянием между сваями (34)d- рекомендуется определять по формуле:

где n- нормативная погонная нагрузка на ленточный свайный фундамент (кН/м) с учетом веса условного фундамента в виде массива грунта и свай,

Е- модуль деформации (кПа),

- коэффициент Пуассона грунта в пределах сжимаемой толщи (для глины =0,42),

 - коэффициент, определяемый по номограмме СНиП 2.02.03-85 Строительные нормы и правила. Свайные фундаменты.

Погонная нагрузка n складывается из расчетной нагрузки, действующей в уровне планировочной отметки, и собственного веса условного ленточного фундамента.

Погонная нагрузка n определяется по формуле:

где b - ширина фундамента, м,

d- глубина заложения фундамента от уровня планировочной площадки до острия сваи, м.

Рис.8 Схема к расчету осадки ленточного свайного фундамента.

Для определения коэффициента  необходимо знать глубину сжимаемой толщи H , которая в свою очередь зависит от значений дополнительных напряжений, развивающихся в массиве грунта под фундаментом.

Дополнительные напряжения определяются по формуле:

где h- глубина погружения сваи, м,

 - безразмерный коэффициент, принимаемый по МУ «Примеры проектирования свайных фундаментов».

Коэффициент  зависит от приведенной ширины и приведенной глубины рассматриваемой точки Z/h где Z - фактическая глубина рассматриваемого слоя грунта от уровня планировки. Приведенная ширина фундамента равна:

Вычисленные значения дополнительных напряжений сводим в таблицу к расчету осадки ленточного свайного фундамента.

Значения дополнительных напряжений к расчету осадки

отдельно стоящего свайного фундамента.

z/h		Рzp	Zм	Pzq	0,2Pzq
1,01	8,50	179,65	0,05	133,94	26,79
1,05	6,66	140,71	0,24	137,70	27,54
1,10	5,04	106,55	0,47	142,40	28,48
1,20	3,43	72,43	0,94	151,80	30,36
1,30	2,67	56,45	1,41	161,20	32,24
1,40	2,23	47,11	1,88	170,60	34,12
1,50	1,93	40,89	2,35	180,00	36,00
1,60	1,72	36,35	2,82	189,40	37,88

Ориентировочно, глубину сжимаемой толщи H можно определить из условия P  0,2P . Анализ данных таблицы показывает, что это условие выполняется примерно на относительной глубине Z/h=1,60, тогда

Пользуясь номограммы, при H /h=1,6 и =0,2, находим  =1,5.

Осадка фундамента будет равна:

Средняя осадка для многоэтажных зданий с несущими стенами из керамического кирпича не должна превышать 10 см, СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений. Следовательно, условие S=0,4 см  =10 см выполняется.

Подбор свайного оборудования.

От правильности выбора дизель-молота зависит успешное погружение свай в проектное положение. В первом приближении дизель-молот можно подобрать по отношению веса его ударной части к весу сваи, которое должно быть для штанговых дизель-молотов и молотов одиночного действия не менее 1,5 при плотных грунтах, 1,25 при грунтах средней плотности и 1,0 при слабых водонасыщенных грунтах.

Минимальная энергия удара, необходимая для понижения свай, определяется по формуле:

где а- коэффициент, равный 25 Дж/кН,

N - расчетная нагрузка, допускаемая на сваю и принятая в проекте, кН.

Пользуясь техническими характеристиками дизель-молотов, подбирают такой молот, энергия удара которого соответствует минимальной.

По техническим характеристикам принимаем дизель-молот с неподвижными штангами С-268 с энергией удара 16 кДж. Полный вес молота G =31000 Н, вес ударной части =18000 Н, высота падения ударной части молота h =2,1 м. Вес сваи С5-30 G =11500 Н.

Расчетная энергия удара дизель-молота С-268 для штанговых дизель-молотов:

Проверка пригодности принятого молота производится по условию:

k =5 для штанговых дизель-молотов.

Условие соблюдается. Следовательно, принятый дизель-молот с неподвижными штангами С-268 обеспечивает погружение свай С5-30.

Определение проектного отказа свай.

В проекте свайного фундамента должен быть определен проектный отказ свай.

Проектный отказ необходим для контроля несущей способности свай в процессе производства работ, если фактический отказ при испытании свай динамической нагрузкой окажется больше проектного, то несущая способность сваи может оказаться не обеспеченной. Формула для определения проектного отказа имеет вид:

где - коэффициент, принимаемый для железобетонных свай, =1500кН/м ;

А- площадь поперечного сечения ствола сваи, м ;

М- коэффициент равный, М=1;

 - коэффициент надежности, принимаемый при определении несущей способности сваи по расчету, равным  =1,4;

Е - расчетная энергия удара, кДж;

N - расчетная нагрузка допускаемая на сваю и принятая в проекте, кН;

m - масса молота, т;

m - масса сваи, т;

m - масса подбабка, т;

- коэффициент восстановления удара, принимаемый при забивки железобетонных свай  =0,2.

Технико-экономическое сравнение вариантов.

Технико-экономические показатели фундаментов подразделяются на стоимостные и натуральные. Стоимостные показатели включают: приведенные затраты, сметную стоимость возведения фундаментов, капитальные вложения в материально-техническую базу строительства, эффект от ускорения строительства, экономическую оценку фактора дефицитности стали и эксплуатационные затраты; натуральные – продолжительность возведения, затраты труда и расход основных материалов (стали, цемента, топлива).

Для анализа технико-экономических показателей вариантов фундаментов выбирается сопоставимая единица измерения. Это может быть фундамент или нулевой цикл в целом.

Оптимальное проектное решение принимается по минимуму приведенных затрат.

Удельные показатели стоимости и трудоемкости основных видов работ при устройстве фундаментов мелкого заложения.

Удельные показатели стоимости и трудоемкости основных видов работ при устройстве свайных фундаментов.

Сравнив результаты расчета, принимаем за основной вариант применение фундаментов мелкого заложения как более эффективное и выгодное по сравнению с применением свайных фундаментов.