2. Разработка вариантов фундаментов.

Разработку вариантов (не менее 3) следует производить для одного наиболее нагруженного и характерного фундамента заданного здании или сооружения. Так, например, для силосного корпуса (см.рис 9) - это фундамент I. Размеры фундаментов в стадии выбора вариантов определяю по максимальным вертикальным нагрузкам.

В числе трех вариантов обязательно должны быть рассмотрены вариант, устройства фундамента на естественном основании и свайный. Если в качестве третьего варианта рассматривается фундамент искусственной основании (песчаной полушке, закрепленном грунте и т.п.), то такое основание нужно рассчитывать, чтобы получить все необходимые размеры для экономического сравнения с другими вариантами.

Экономическое сравнение вариантов выполняется по укрупненным единичным расценкам (табл.3).

Разработка вариантов - важнейший этап курсового проекта, которому, необходимо относиться с особым вниманием.

Прежде чем приступить к расчету и конструированию фундаментов, необходимо четко представить себе возможное архитектурное решение (особенно в местах перехода надземной части здания в подземную), т.е. установить абсолютные и относительные отметки, планировки, пола первого этажа, обреза фундамента, а такта при меняемые конструкции. При этом необходимо стремиться при минимальном 'расходе материалов для устройства оснований и фундаментов получить наиболее рациональное и экономичное решение.

За относительную отметку ± 0,0 обычно принимают пол первого этажа Обрез фундаментов большинства зданий устраивают на относительной отметке -0,15 м, а для металлических колонн промышленных зданий - на отметке, находящейся в продолах -0,6 - 1,2 м (в зависимости от поперечного размера колонны и высоты траверс).

Вариант 1 ФУНДАМЕНТ НА ЕСТЕСТВЕННОМ ОСНОВАНИИ

Вначале следует эскизно проработать конструктивные дета­ли частей сооружения, примыкающих к фундаменту (стена и пол подвала, надподвальное перекрытие и т. д.), увязав их отметку с принятой планировочной отмоткой.

Дальнейший порядок расчетов мажет быть следующий:

1. Устанавливают глубину заложения подошвы фундамента d, исходя из конструктивных особенностей подземной части: сооружения, положения уровня подземных вод, глубины промерзания, характера напластования и состояния грунтов.

2. Определяют площадь подошвы фундамента по формуле (1, 4, 5):

(2)

3. 3. Останавливают размеры подошвы фундамента (ширину В и длину l), размеры ступеней и высоту фундамента hf, иcходя из принятых правил конструирования конструируют фундамент с учетом размера и типа надфундаментных конструкций.

Рекомендуется проектировать отдельные фундаменты под колонны монолитными, а под стены - ленточными (сборными или монолитными) Размеры подошвы (В х l) в плане, ступеней (В₁ и l₁) и подколонника (В_пс, l_пс) принимают кратными 300 мм, высоту ступеней (h₁, h₂, h₃) - 300, 450 и 600мм, а общую высоту, фундамента (h_f) - кратной 300 мм (табл.1). Форма фундамента в плане при центральной нагрузке квадратная, а при внецентренной - прямоугольная. При этом соотношение в/l назначает в пределах 0,5 - 0,85.

Таблица I

Высота плитной части фундамента, см	Высота ступеней, см.			Высота плитной части фундамента, см	Высота ступеней, см.
	h1	h2	h3		h1	h2	h3
30	30	-	-	90	30	30	30
45	45	-	-	105	30	30	45
60	30	30	-	120	30	45	45
75	30	45	-	150	45	45	60

Примечание. Разрешается применение фундаментов, имеющих размеры, кратные 100 мм:.

Размеры подколонной части фундаментов приведены в табл.2.

Таблица 2.

Размеры поперечного сечения колонны, мм		Размеры подколонника, мм		Размеры стакана, мм
Большая сторона lc	Меньшая сторона bс	Большая сторона lnc	Меньшая сторона bnc	Высота hq	Большая сторона lq	Меньшая сторона bq
400	400	900	900	800-900	500	500
500	500	1200	1200	800	600	600
600	400	1200	1200	900	700	500
600	500	1200	1200	800	700	600
800	400	1200	1200	900	900	500
800	500	1200	1200	900	900	600

Виды и марки бетона фундамента назначают в результате расчета на прочность и трещиностойкость. Унциальные марки бетона определяются видом и состоянием грунта, а также классом сооружения (табл.3).

Таблица 3

Материал фундамента	Минимальная марка бетона для сооружения класса
	I			II			III
Бетон тяжелый	а	б	в	а	б	в	а	б	в
	В7,5	В7,5	В10	В5	В7,5	В7,5	В3,5	В3,5	В5

Примечание: В таблице приняты следующие обозначения грунтов:

а - крупнообломочные и песчаные маловлажные; супеси, суглинки и глины твердой консистенции;

б - крупнообломочные и песчаные влажные; супеси пластичные, суглинки и глины туго- и мягкопластичные;

в – крупнообломочные песчаные, насыщенные водой; супеси, текучие, суглинки и глины текуче пластичные и текучие.

4. Собственный вес фундамента N_fII и вес грунта на его обрезах N_qII вычисляют по их объемам (соответственно V_f и V_q):

N_fII =V_f •γ_f

N_qII =V_q •γ_q

5. Определяют среднее давление по подошве фундамента и, краевые давления р_min и р_mах

Допускается недогрузка фундамента до 5%. Если условие не удовлетворяется, необходимо изменить размеры фундамента.

При М_YII = 0 P_max ≤ 1.2

При М_YII ≠ 0 P_max ≤ 1.5

Здесь - соответственно моменты сил, приведенные к подошве фундамента, и моменты сопротивления площади подошвы относительно главных осей X и У.

Усилия (М_а, F_а) по подошве фундамента от горизонтального давления грунта на стену подвала суммируются с заданными усилиями на фундамент. М_а и F_a определяются в предположении, что на поверхности грунта действует сплошная нагрузка интенсивностью q = 10 кН/м², а сам грунт находится в состоянии предельного равновесия и оказывает активное давление на стену подвала (рис.17)

Рис. 17 Расчетная схема к определению момента по подошве фундамента от горизонтального давления грунта на стену подвала (величина а равна шагу столбчатых фундаментов или 1м ленточных фундаментов)

6. выполняют расчет прочности

а) основным является расчет на продавливание. На рис.18 представлена наиболее характерная расчетная схема.

Рис. 18 Возможные пирамиды продавливания (N₁, N₂, N₃). Расчетная схема к расчету прочности по пирамиде №1

В каждой из пирамид рассматривается, как правило, одна, наиболее нагруженная ее грань (см.рис.18):

б) расчет ступеней па поперечную силу Q_мах необходим только в том случае, если длина консоли ступени L_k<h₂₀/0,6. Условие прочности имеет вид.

Q_max<2.5R_pbh₂₀

7. Проверяют прочность слабого подстилающего слоя, если это требуется по результатам оценки инженерно-геологических условий.

8. Рассчитывают величину конечной осадки S фундамента и сравнивают ее с предельно допустимой величиной абсолютной осадки S_{max n.}

Предварительно необходимо выбрать расчетную схему основания (рис.19), исходя из характера напластований грунтов, конструктивных особенностей сооружения и размеров фундамента, в виде:

линейно-деформируемого полупространства с условным ограничение глубины сжимаемой толщи Н_с [2, прил.2 п.I-6] -

линейно-деформируемого слоя, если:

а) в пределах, сжимаемой толщины Н_с; определенной так для линейно-деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации Е_I > 100 МПа и толщиной h₁ >H_c(1-√E₂/E₁) где Е₂ - модуль деформации грунта, подстилающего слоя грунта с модулем деформации E₁ [2, п п.7, 8]

б) ширина (диаметр фундамента b>10м и модуль деформации грунтов основание Е > 100 МПа

Расчет осадки выполняют в соответствии с прил.2. По схеме линейно-деформируемого пространства осадка фундамента может быть определена к и методом эквивалентного слоя Цытовича [1,4,5]

Рис. 19 Расчетная схема для определения осадок фундамента методами: а-послойного суммирования; б-линейно-деформируемого слоя; в-

Hc : σ_zpi / σ_zgi ≈ 0,2

Абсолютная осадка фундамента рассчитывается [2]:

а) методом послойного суммирований по формуле (I) прил.2

_n

S = β ∑ (σ_zpi h_i)/E_oi

ⁱ⁼¹

б) методом линейно-деформируемого. слоя по формуле (7) прил,2 [2]

в) методом эквивалентного слоя по формуле

Вариант 2 СВАЙНЫЙ ФУНДАМЕНТ

1. Как и в варианте I, вначале следует эскизно проработать конструкции подземной части сооружения на геологическом разрезе, указав их отметки, с планировочными отметками площадки строительства, положением слоев грунта ниже подошвы ростверка проектируемого фундамента это позволяет правильно назначить длину свай с учетом заделки их верхних торцов ("голов") в ростверк, прорезки слабых слоев грунта и необходимого заглубления нижних торцов ("острия") в более плотный грунт (несущий слой). Обычно сваи заглубляют в несущий слой не менее чем на 1-2м. Если насущна слоем являются твердые пылевато-глинистые грунты, гравелистые, крупные и средней крупности пески, то достаточно заглубление не менее 0,5м. Минимальная длина свай должна не менее чем в 2-3 раза превышать ширину ростверка, размеры подошвы которого предварительно могут быть оценены исходя из заданной на фундамент нагрузки, оптимального количества свай в фундаменте и приближенно (без расчета) назначенной несущей способности сваи по ее размерам и характеристикам слоев грунта в пределах длины сваи и ниже ее острия.

Такая приближенная оценка необходима для уточнения типа и длины свай, установления несущего слоя, грунта до определения несущей способности одиночной сваи расчетом по формуле. Ориентировочные значения несущей способности свай на этом этапе проектирования можно узнать у преподавателя или определить по табл. 8.11 [6].

Типовые конструкции забивных свай производятся в [4] и табл.8.3 [б]. Номенклатура типоразмеры буронабивные сваи указаны в табл.8.4-8.7 [б].

2. Определяют несущую способность одиночной сваи из условий: сопротивления грунта, окружающего сваю ("по грунту"), и сопротивления материала свай ("по материалу").

Несущую способность сваи по грунту определяют расчетом по формулам (5) и (8) [3], предварительно выбрав способ, погружения ее в грунт [6, с.207-209] (по грунту). Для сваи-стойки

для висячей сваи

Расчетные сопротивления R и f_i для висячей сваи устанавливают по табл.1-4 [3] составив предварительно расчетную схему (рис.20). Расчетное сопротивление грунта под нижний торцом сваи-стойки для забивных свай принимают равным 20000 кПа, набивных и свай-оболочек - по формулам (6) и (7) [3]

Рис. 20 Расчетная схема для определения сопротивления грунта R и f_i

Из условия сопротивления материала сваи, ее несущая способность (по материалу) вычисляется по формуле

Для последующих расчетов из двух. F_d и F_m принимают меньшее.

3. Целесообразно определить расчетную нагрузку, допустимую на одну сваю:

у становив значение коэффициента надежности γ_к по СНиП в зависимости от способа определения несущей способности сваи F_d [3, п.3.10.].

4. Рассчитывают необходимое количество свай по формуле

принимая при М_сI =0; К =1; при М_сi ≠ 0; К =1,2. Нагрузку от веса ростверка и грунта на его обрезах вычисляют по выражению

Площадь подошвы ростверка [4]

5. Размещают сваи в кусте, исходя из минимального расстояния мёжду висячими сваями 3d, сваями-стойками – 1,5d. Рекомендации по размещению сваи в плане приведены в табл. в 8.20 и 8.21 [6]

6. Конструируют ростверк минимального объема, исходя из полученных размеров площади подошвы ростверка (l_p x b_p) и глубины его заложения d_n

7. Определяют нагрузку от собственного веса ростверка N_fII и грунта на его обрезах N_gII и проводят всю нагрузку на фундамент к подошве ростверка N_II= N_0II +N_fII +N_gII . Вычисляют момента М_II и горизонтальную нагрузку F_hII

8. Устанавливают максимальную фактическую нагрузку на одну наиболее нагруженную сваю:

и проверяют условия

9. Рассчитывают железобетонный ростверк на прочность по методике (4; 6). Отдельный ростверк рассчитывают на продавливание колонной и угловой сваей в соответствии со схемой (рис.21,).

Рис. 21 Расчетная схема для проверки прочности ростверка на продавливание колонной и угловой сваей:

1-ростверк; 2-арматура; 3-свая; 4-пирамида продавливания колонной; 5-то же сваей

Расчет ростверка на продавливание колонной ведут по формуле

Расчетная продавливающая нагрузка равная сумме реакций свай, расположенных с одной наиболее нагруженной стороны от оси колонны за пределами нижнего основания пирамиды продавливания, не долина быть больше силы сопротивления бетона продавливания при расчетном сопротивлении его осевому растяжению Rbt, соответствующем площади пирамиды продавливания и α_i=h₀/С. Минимальная толщина дна стакана принимается равной h₁=40см.

H_c

Рис. 22 схема к расчету осадки свайного фундамента

Рассчитывают осадку свайного фундамента как осадку условного, фундамента на естественной основании.

Расчетную схему условного фундамента составляют по рекомендациям [1, с.289] и рис.22.;

Порядок расчета осадки свай такой же, как при расчете осадки фундамента на естественной основании [4].

Вариант 3. ФУНДАМЕНТ НА ПЕСЧАНОЙ ПОДУШКЕ

Расчет песчаной подушки сводится к определению ее размеров и осадки возводимого на ней фундамента. При этом последовательность проектирования может быть следующей:

1. Выбирают песок (крупный, средней крупности или гравелистый) для устройства подушки и назначают плотность сложения его в теле подушки.

2. Устанавливают глубину заложения подошвы фундамента, как для фундамента на естественном основании

3. В соответствии с крупностью песка средней плотности сложения по табл.2 прил 3 [2] устанавливают расчетное сопротивление грунта песчаной подушки R₀

4. Предварительно определяют площадь, подошвы фундамента А и его размеры в плане (b и l), исходя из величины расчетного сопротивления R₀

5. Далее проектирование осуществляют в последовательности изложенной для расчета фундамента на естественном оснований. При этом значение расчетного сопротивления, R₀ для окончательного назначения размеров фундамента может быть уточнено по .формулам (1)и (2) прил.3 (2)

6. Определив давления по подошве фундамента р р_мах р_мin сравнив их с R₀ и проверив условие прочности материала фундамента, рассчитывают размеры песчаной подушки.

7. Для этого задаются толщиной подушки h_п (вначале ее можно принять равной 1м) и проверяют условие п,2.4 [2.]:

σ_zg + σ_zp ≤ R_z

которое должно выполняться на уровне низа подушки (z = h_п).

Расчетное сопротивление грунта подстилающего песчаную подушку на глубине z, определяют по формуле (7) [2], для условного фундамента, ширина которого в_z определяется по формуле (10) [2].

Если условие не соблюдается необходимо изменить толщину подушки и произвести расчет заново.

8. Ширину песчаной подушки b_п на отметке ее подошвы можно определить конструктивно по формуле

Угол распределения давления в теле подуши α составляет 30-40°. Чем больше различие в деформационных и прочностных свойствах материала подушки и подстилающего ее грунта, тем больше должен быть α

Рис. 23 Расчетная схема для определения размеров песчаной подушки

9. Абсолютную усадку фундамента на песчаной подушке определяю по соответствующей расчетной схеме (рис.23) основания и одной из формул;.(9), (10) или (11). Модуль деформации песка подушки принимают по табл.1 прил.1 [2]