6. Замена слабых грунтов основания песчаной подушкой

В ряде случаев, когда основание сложено слабыми грунтами, имеющими недостаточно высокую прочность, экономически целесообразно искусственно улучшить их свойства. В курсовом проекте рассматривается один из способов искусственного улучшения грунтов основания - устройство песчаной подушки. Применение песчаных подушек позволяет: уменьшить глубину заложения фундамента, в этом случае подушка воспринимает нагрузку от фундамента и передает ее на более прочный, чем заменяемый нижележащий слой; уменьшить давление на слабый грунт основания путем распределения нагрузки от сооружения на большую площадь. Кроме этого, подушка препятствует выпиранию грунта из-под подошвы фундамента и уплотняет основание своим весом до возведения сооружения, благодаря чему уменьшается осадка.

В соответствии с рекомендациями /7/ «... плотность грунтов в подушках назначается в зависимости от вида применяемых грунтов и должна быть не менее 0,95 максимальной плотности, получаемой опытным уплотнением грунтов с оптимальной влажностью в полевых или лабораторных условиях. При отсутствии результатов опытного уплотнения допускается плотность грунтов в сухом состоянии принимать не менее: для подушек из однородных крупных и средних песков - 1,60 т/ж³, неоднородных крупных и средних песков -1,65 т/м³».

Модули деформации грунтов в подушках, а также расчетные сопротивления основания принимаются, как правило, по результатам непосредственных их испытаний на опытных участках, а также по данным опыта строительства в аналогичных условиях. При отсутствии результатов непосредственных испытаний модули деформации грунтов в подушках в водо-насыщенном состоянии и расчетные сопротивления допускается принимать по табл. 11.18 /8/.

Параметры подушки назначаются и проверяются таким образом, чтобы давление, передаваемое на основание, не превосходило его расчетного сопротивления. При этом в соответствии с /7/ ширина грунтовой подушки поверху должна быть не менее, чем на 0,6 м больше ширины фундамента, понизу - не менее чем на 0,4 м.

В курсовом проекте в качестве материала песчаной подушки используется песок крупный, средней плотности, угол  обычно принимается равным 45⁰ .

Песчаные подушки устраиваются следующим образом: слабые грунты основания выбираются на некоторую проектную глубину и заменяются песком крупным или средней крупности, укладываемым слоями толщиной 15-20 см. Каждый слой проливается водой для достижения оптимальной влажности и уплотняется.

Таблица 3

Модули деформации и условные расчетные

сопротивления подушки из различных грунтов

Грунт	Модуль деформации Е, МПа	Условное расчетное сопротивление R0, МПа
Гравелистый, щебеночный Песок: крупный средний мелкий пылеватый Супеси, суглинки Шлак	40 30 20 15 10 10 20	0,4 0,3 0,25 0,2 0,15 0,2 0,25

6.1. Расчет столбчатого фундамента.

В соответствии с инженерно-геологическими условиями площадки строительства, представленными на рис. 2, глубина заложения подошвы фундамента мелкого заложения, определяемая по указаниям п. 2.25...33 /6/, составляет d_l =2,2 м. При этом, основанием фундамента является слой супеси пластичной (слабый грунт) с условным расчетным сопротивлением R₀ = 190кПа, подстилаемый слоем суглинка полутвердого (прочный грунт) с R₀=230кПа. В таких условиях целесообразно рассмотреть вариант устройства фундамента минимально допустимой высоты с заменой слабого грунта (супеси пластичной) песчаной подушкой, опирающейся на прочный грунт (суглинок полутвердый). В качестве материала подушки принимается песок крупный средней плотности с R₀=300кПа.

В процессе проектирования вначале определяются параметры фундамента, опирающегося на искусственно улучшенное основание в виде песчаной подушки в соответствии с последовательностью, приведенной в разделе 5. Глубина заложения подошвы фундамента в этом случае назначается, исходя из конструктивных требований и принимается равной d_k=d₁=h_f+0,2=1,2 м. С учетом этого

а) определяется требуемая площадь подошвы фундамента как центрально нагруженного

;

б) определяются размеры подошвы фундамента в плане, как имеющего квадратную форму

;

Рис.5. Монолитный фундамент под колонну.

в) вычисляется эксцентриситет равнодействующей вертикальной нагрузки относительно центра подошвы фундамента м, где

М_х = М^Р + Q^Р∙ d₁ =1∙792 + 1∙132∙1,2 = 950,4кН∙м;

N = N^Р + G = 2354∙1 + 1∙2,9²∙20∙1,2 = 2555,84кН

Поскольку е_х = 0,37м > 0,033∙b= 0,033-2,9 = 0,0957м, принимается прямоугольная в плане подошва фундамента, для чего увеличивается ее размер в направлении действия изгибающего момента. Для этого вычисляется коэффициент увеличения

С учетом вычисленного значения К₀ длина подошвы внецентренно нагруженного фундамента под колонну составит l=1,3∙2,9 = 3,773,8м.

Принимается монолитный столбчатый фундамент с размерами подошвы l= 3,8 м, b=2,9м;

г) вычисляются напряжения под подошвой фундамента

А = 2,9-3,8 = 11,02м²;

N = 1∙2354 + 1∙2,9∙3,8∙1,2∙20 = 2618,48кН;

;

p_max=370,6кПа; p_min=104,5кПа

Уточняется величина эксцентриситета равнодействующей вертикальной нагрузки относительно центра прямоугольной подошвы фундамента

, что меньше l / 6=2,9/6=0,48 м.

Определяется среднее давление под подошвой фундамента

.

Проверяется выполнение условий

1. р_mах ≤ 1,2R; 370,6кПа > 1,2∙300 = 360кПа - условие не выполняется;

2. p_min>0; 104,5кПа> 0 - выполняется;

3. p₀<R; 237,6кПа < 300кПа - выполняется;

4. p_min /p_max=104,5/370,6=0,28>0,25.

Первое условие не выполняется, поэтому увеличиваются размеры подошвы фундамента.

Принимается b=3м, l=K₀∙b=1,3∙3=3,9м 4м.

Тогда А = 4∙3 = 12м².

N = 2354∙1 + 1∙12∙1,2∙20 = 2642кH.

, что меньше l/6 = 3/6 = 0,5м.

3-3

4-4

Рис.6. Монолитный фундамент по колонну.

Определяются краевые напряжения под подошвой фундамента

;

;

Среднее давление под подошвой фундамента

.

Проверяются условия

1. р_mах = 339,1кПа <1,2R₀ = 360кПа - условие не выполняется;

2. p_min=101,3кПа> 0 - выполняется;

3. p₀=220.2кПа < R₀=300кПа - выполняется;

4. p_min /p_max=101,3/360=0,28>0,25.

Условия выполняются, а недонапряжение по максимальному краевому давлению составляет

<10%

Следовательно, размеры подошвы фундамента запроектированы достаточно экономично.

Конструирование фундамента производится в соответствии с указаниями п.3 раздела 5.

6.2.Производится расчет тела фундамента на продавливание исходя из условия

N≤R_bl∙b_m∙h_ob,

где h_ob = h_b-0,055 = 1,2-1-0,05 -0,055 = 0,095 м;

b_m=b_h+h_ob=b_c+2∙0,05 + 0095=0,8 + 0,1 + 0,095=0,995 м;

A_fo=0,5b(l-l_h-2h_ob)-0,25(b-b_h-2h_ob)² =0,5∙4(5,2-0,81-2∙0,095)-

-0,25(4-0,51-2∙0,095)²=1,28м²;

R_bt =750кПа;

N = p_max∙A_fo=1,1∙339,1∙1,28 = 477,4 кН.

477,4≤1,1∙750∙0,995-0,095.

477,41кН78кН.

Условие не выполняется, поскольку возможно продавливание фундамента колонной. В связи с этим, необходимо увеличить рабочую высоту фундамента и добиться выполнения условия. Ряд промежуточных расчетов показал, что все предъявляемые требования удовлетворяются при размерах подошвы фундамента l = 4,4 м, b = 3,0 м, глубине заложения подошвы d₁ = 2,2м. В этом случае p_max = 345,72кПа, p_тin=98,9кПа, р₀ = 222,3кПа, p_min/p_max = 98,9/345,7=0,28>0,25.

Основные параметры монолитного фундамента представлены на рис. 5,6.

6.3. Проектирование песчаной подушки.

Задаемся ориентировочной толщиной h_П подушки из условия ее опирания на нижележащий слои суглинка полутвердого с учетом заглубдения на 0,4м (рис. 7.8). Тогда h_П = 2,0 м.

Рис.7. Основные габариты подушки

Рис.8. Замена слабого грунта основания песчаной подушкой.

Определяется природное давление грунта на уровне подошвы фундамента (точка 0)

_zg0=_II1∙h₁+_II2∙h₂

где _II1, h₁ - соответственно удельный вес и мощность растительного слоя

_II1=16кН/м³, h₁ = 0,9м;

_II2∙h₂ - соответственно удельный вес и мощность супеси пластичной, залегающей выше отметки подошвы фундамента (при необходимости следует учитывать взвешивающее действие воды), _II1 = 20кН/м³ , h₂ = 2,2м.

Таким образом _zgo = 16∙0,9 + 20∙2,2 = 14,4 + 44 = 58,4кПа.

Вычисляется природное давление грунта на кровлю подстилающего песчаную подушку слоя, т.е. на 2,0 м ниже подошвы фундамента. Предварительно определяется удельный вес супеси пластичной с учетом взвешивающего действия воды и гидростатическое давление воды на кровлю суглинка полутвердого, который является водоупором. С учетом этого

.

_∙h_=10∙1,15=11,5кПа

Тогда _zg1 = 58,4+ 20∙0,45+10,12∙1,15+11,5+ 20,2∙0,4 = 98,бкПа.

Осадочное давление под подошвой фундамента определяется как

_zp0=p₀-_zg0=220,2-58,4=161,8кПа.

По таблице 5.4 /7/ при и значение коэффициента рассеивания  определяется двойной интерполяцией и составляет  =0,557. Тогда осадочное давление на кровлю подстилающего песчаную подушку слоя суглинка полутвердого равняется _z =∙-_zp0 = 0,557-161,8 = 90,1кПа.

Полное давление на кровлю подстилающего слоя от природного и осадочного давления составляет _z =_zp1+_zg1 = 90,1 + 98,6 = 188,7 кПа.

В соответствии с п. 2.18 /2/ определяется площадь подошвы условного фундамента как

,

где N = N^P +G = 2354∙1 + 4,4∙3∙2,2∙20=2934,8кН.

Размер подошвы песчаной подушки в плане рассчитываются как

; ,

где .

Тогда , .

Расчетное сопротивление грунта, основания, подстилающего песчаную подушку, определяется по формуле (7) /6/:

где _c1 = 1,25; _с2 = 1,0; k = 1,0;

M = 0,36; М_q=2,43; М_с = 4,99 при  = 16⁰;

K_z= 1;

₁₁ = 20,2кН/м³, определяется без учета взвешивающего действия воды, поскольку суглинок полутвердый является водоупорным слоем;

.

.

Проверяется выполнение условия

 = 188,7кПа <R = 370,4кПа.

Условие выполняется, однако недонапряжение составляет

.

Уменьшаются размеры подошвы песчаной подушки, принимая в соответствии с /7/, минимально допустимые величины b_П =b + 2∙0,4 = 3 + 2∙0,4 = 3,8м, l_П =l + 2∙0,4 = 4,4 + 2∙0,4 = 5,2м.

Тогда расчетное сопротивление определяется как

.

Проверяется выполнение условия =188,7кПа <R =361,2кПа. Условие выполняется.

Окончательно размеры песчаной подушки принимаются равными b_П = 3,8м, l_П = 5,2м, h_П = 2,0м.

6.4. Сметная стоимость возведения фундамента.

Объем земляных работ при разработке котлована:

.

Объем материала песчаной подушки:

.

Расход монолитного бетона:

.

Расход бетона на устройство подготовки толщиной 100 мм:

V₄ =4,8∙3,4∙0,1 = 1,63м³.