3. Разработка вариантов фундаментов и

ВЫБОР ТИПА ОСНОВАНИЯ

Рассматриваются следующие варианты решений: фундамент в открытом котло­ване на естественном основании; фундамент глубокого заложения; замена слабых грунтов основания песчаной подушкой.

4. Характеристика здания, определение нагрузок

НА ФУНДАМЕНТЫ

Здание производственное бес подвальное не отапливаемое. Каркас здания состоит из сборных железобетонных колонн прямоугольного сечения и сборных железобетонных сегментных стропильных ферм. Стропильные фермы опираются на колонны сверху, т.е. сопряжение элементов шарнирное. Колонны жестко заделываются в отдельно стоящие фундаменты стаканного типа.

По степени ответственности рассматриваемое здание относится ко второму классу.

По расчетному сопротивлению грунта здание классифицируется как имеющее гибкую конструктивную схему. По чувствительности к неравномерным деформациям основания - здание малочувствительно к осадкам.

В задании на курсовое проектирование в учебных целях приводятся только основное сочетание нормативных нагрузок (прил. 13), действующих на фундамент в уровне обреза и соответствующее максимальному значению вертикальной силы (постоянные нагрузки+временные нагрузки длительного). Расчетные значения нагрузок следует определять как произведение их нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке _f, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию и принимаемый:

а) при расчете на прочность и устойчивость в соответствии с пп. 2.2, 3.4, 3.7, 3.11, 4.8, 5.7,6.11,7.3,8.7/5/;

б) в расчетах по деформациям - равным единице, если в нормах проектирования конструкций и оснований не установлены другие значения.

Расчет свайных фундаментов и их оснований должен быть выполнен по предельным состояниям:

а) первой группы: по прочности материала свай и свайных ростверков; по несущей способности грунта основания свай, по устойчивости грунтового массива со свайным фундаментом (в курсовом проекте не производится), коэффициент надежности по нагрузке приближенно принимается равным _f,=1,1.. ..1,2;

б) второй группы: по осадкам основания свай и свайных фундаментов от вертикальных нагрузок; по перемещениям свай (горизонтальным и_p , углами поворота головы свай ψ_p , ) совместно с грунтом оснований от действия горизонтальных нагрузок и моментов, по образованию или раскрытию трещин в элементах железобетонных конструкций свайных фундаментов (не производится), _f, =1,0.

Расчет фундаментов мелкого заложения и их оснований должен быть выполнен по предельным состояниям:

а) первой группы: по несущей способности грунта основания фундаментов (в курсовом проекте не производится), по прочности и раскрытию трещин тела фундамента;

б) второй группы: по деформациям (осадкам, прогибам), _f =1,0.

5. Фундамент мелкого заложения на естественном

ОСНОВАНИИ.

5.1. Определение глубины заложения фундамента.

Глубина заложения фундаментов определяется в соответствии с указаниями пунктов 2.25-2.33 СНиП 2.02.01-83 /6/ с учетом глубины сезонного промерзания грунта, положения УГВ, теплового режима, конструктивных особенностей здания и т.п.

Из конструктивных требований при отсутствии подвала или технического подполья, минимальная глубина заложения столбчатого фундамента под железобетонную колонну d_к определяется из условия d_к = h_f + 0,2 м,

где h_f - глубина заделки колонны в фундамент, в данном случае h_f =1,0 м;

0,05 – зазор между торцом колонны и дном стакана, см;

0,2 - минимальная толщина дна стакана, м.

Тогда d_к = 1 + 0,2+0,05 = 1,25=1,3 м.

Полученная глубина заложения откладывается на геологическом разрезе от отметки планировки. Подошва фундамента при этом опирается на слой супеси пластичной с I_L = 0,8. В соответствии с пп. 2.29-2.31 СНиП /6/ проверяется условие недопущения морозного пучения грунтов основания.

Для района г. Тюмень нормативная глубина сезонного промерзания грунтов d_fn = 2,0 м. Расчетная глубина сезонного промерзания грунтов определяется как

d_f = К_h · d_f ,

где К_h - коэффициент влияния теплового режима здания, принимаемый: для наружных фундаментов отапливаемого здания по табл. 1 /6/; для наружных и внутренних фундаментов не отапливаемых зданий К_h=1,1.

Рассматриваемое промышленное здание является не отапливаемым, с учетом этого

d_f = 2,0·1,1 = 2,2 м.

Далее из геологического разреза (по расчетной оси) определяется глубина расположения уровня подземных вод d_=112,6 -109,6 = 3,0 м и величина d_f + 2,0 = 2,2 + 2,0 = 4,2 м.

Как видно имеет место выполнение условия d_<d_f+2 м, т.е. 3,0 м < 4,2 м. По таблице 2 /6/ в таком случае для супеси пластичной при I_L > 0 глубина заложения фундамента должна приниматься не менее расчетной глубины промерзания d_f =2,2 м, что больше d_к = 1,3 м.

Выбирая большую из этих величин, глубина заложения фундамента принимается равной d₁ = 2,2 м. Подошва фундамента в этом случае опирается на супесь пластичную, которая и принимается за опорный слой грунта.

Если данный грунт имеет небольшое расчетное сопротивление (ил, торф, насыпной грунт, растительный слой и т.п.), а близко залегает более прочный слой, в ряде случаев целесообразно заглубить фундамент в этот слой, что позволит уменьшить размеры его подошвы. Принятая глубина заложения фундамента не должна находиться на границе или вблизи границы двух слоев грунта. В таком случае необходимо заглубить фундамент в нижележащий слой не менее чем на 0,2 м.

5.2. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженного фундамента мелкого заложения под колонну промышленного здания.

Определение оптимальных размеров подошвы отдельных внецентренно нагруженных фундаментов под колонны производится методом последовательных приближений (приложение 1, блок-схема) или с использование программы расчета на ЭВМ в следующем порядке:

а) определяется требуемая площадь подошвы фундамента как центрально нагруженного.

,

где N ^P- расчетное значение вертикального усилия на обрез фундамента, которое определяется при коэффициенте надежности по нагрузке _f , принимаемым в расчете оснований по деформациям равным γ_f =1, N^P =2354x1 =2354 кН;

R₀ - ориентировочное значение расчетного сопротивления грунта основания в уровне подошвы фундамента, определяемое, например, по эпюре R₀ геологического разреза, R₀=190кПа;

d₁ - глубина заложения подошвы фундамента, d₁=2,2 м;

- осредненное значение удельного веса фундамента и грунта на его ступенях, = 20 кН/м³ ;

;

б) определяются размеры подошвы фундамента в плане, как имеющего квадратную форму , размеры подошвы плитной части фундаментов обычно принимаются кратными 0,1 м (0,3 м, если предполагается использование унифицированной щитовой опалубки);

в) уточняется величина расчетного сопротивления грунта основания для квадратного фундамента с шириной подошвы b=4,0 м по формуле 7/6/

,

где γ_c1 , _с2 - коэффициенты условий работы принимаемые по табл. 3 /6/,

γ_c1 =1,1 для супеси пластичной с I_L=0,8, _с2 =1,0 для здания с гибкой конструктивной схемой (п. 4);

k - коэффициент надежности, k =1,0 т.к. прочностные характеристики грунта определялись по данным испытаний;

М_, М_q, М_c - коэффициенты, принимаемые по табл. 4 /6/ в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта основания фундамента, для супеси пластичной при φ_II = 18⁰ , М_ =0,43; М_q =2,73; М_c =5 ,31;

К_z - коэффициент, принимаемый равным: при b<10м - К_z=1, при

b≥10м - К_z= + 0,2м (здесь z₀=8м);

γ₁₁ - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, γ₁₁ =20 кН/м³ , при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды;

- то же, залегающих выше подошвы фундамента до отметки планировки, в примере

с₁₁ - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего ниже

подошвы фундамента, с₁₁=5 кПа;

d_b - глубина подвала, в курсовом проекте для бесподвального здания d_b=0

b - ширина подошвы фундамента, b =4,0 м.

кПа.

Если подсчитанные по формуле 7 /6/ значение R существенно отличается от R₀ (более 10%), производится перерасчет размеров подошвы квадратного фундамента путем подстановки в выражение для определения требуемой площади подошвы вместо R₀ полученного значения R;

г) вычисляется эксцентриситет равнодействующей вертикальной нагрузки относительно центра подошвы фундамента как е_х=М_х/N,

где М_х - расчетное значение суммарного изгибающего момента, передаваемое фундаментом на основание в уровне подошвы, кНм;

N - расчетное значение вертикальной нагрузки на основание, включая вес

конструкций фундамента, грунта на его ступенях и т.п. кН.

М_х=М^р + Q^Р.d₁,

где М^P, ^P - соответственно расчетные значения изгибающего момента и поперечного усилия в основном сочетании при γ_f=1,

М^P =1792 = 792 кНм, Q^Р = 1132 = 132 кН;

d₁ = 2,2 м.

Тогда М_х = 792 + 1322,2 = 1082,4 кНм.

N = N^P + G,

где N^P =2354кН;

G - расчетное значение вертикального усилия от веса фундамента и грунта на его ступенях, ориентировочно, при γ_f = 1 ,

кН.

Окончательно

N= 2354 + 704 = 3058 кН.

Тогда эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки

.

Поскольку e_x=0,35 м >0,033l=0,0334,0=0,132 м, но меньше l/6=4:6=0,64м, принимается прямоугольная в плане подошва фундамента и увеличивается ее размер в направлении действия изгибающего момент. Для этого вычисляется коэффициент увеличения К₀ по формуле

,

.

Значения К₀, как правило, принимаются в пределах от 1,1 до 1,5 /7/.

С учетом вычисленного значения К₀ длина подошвы внецентренно нагруженного фундамента под колонну определяется как l = К₀  b = 1,2  4,0 = 4,8 м.

Если е_х меньше 0,033b, допускается квадратная в плане подошва фундамента и краевые давления можно не определять;

Рис. 3. Монолитный фундамент под колонну.

д) проверяются краевые напряжения под подошвой фундамента исходя из трапециевидной эпюры давлений

,

где N - расчетное значение вертикальной нагрузки на основание, включая вес фундамента и грунта на его ступенях, кН,

N=N^P+G=12354+1·44,8202,2=3198,8 кН;

А - площадь подошвы фундамента, м²,

А = b·l=44,8=19,2м²;

M_х- расчетное значение изгибающего момента относительно центра подошвы фундамента кН м ,

М_х =М^P+Q^Рd₁ =1792 + 1·1322,2= 1082,4кHм;

, что меньше l/6=4,8:6=0,8 м;

l - размер подошвы фундамента в направлении действия изгибающего момента, l =4,8 м .

Тогда кПа.

При правильном, экономичном подборе размеров подошвы фундамента должны выполняться условия:

1. p_max≤1,2R, т.е. максимальное давление под краями подошвы внецентренно нагруженного фундамента p_шах, согласно СНиП /6/, должно быть меньше или равно 1,2R (до 5% для монолитных фундаментов),

238,2 кПа < 1,2∙182 = 218,4 кПа - не выполняется.

2. p_min> 0, для минимального давления ограничение не введено, но оно должно быть больше 0, т.е. не должно быть отрыва подошвы фундамента в резуль­тате появления в грунте растягивающих напряжений, когда р_min со знаком «минус»,

95 кПа > 0 - выполняется.

3. p₀ < R, т.е. среднее давление под подошвой фундамента должно быть меньше рас- четного сопротивления грунта основания,

166,6 кПа < 182 кПа - выполняется.

Условие (1) не выполняется, поэтому увеличивается размер подошвы фундамента в направлении действия момента, что соответствует рекомендациям /7/. Принимается l=5,2 м, b=4,0 м, К₀=1,3 (значении R=182 кПа при той же величине b=4,0 м не изменилось) и производится перерасчет. В ряде случаев целесообразно увеличить значение b, определить l = К₀ ∙ b и пересчитать R).

Тогда

N = 1·2354 + 1∙4∙5,2∙2,2∙20 = 2354 + 915,2 = 3269,2 кН;

, что меньше l/6 = 5,2:6 = 0,86 м:

р_max = 217кПа, р_тin = 97,5кПа, p₀ = 157,З кПа.

Проверяется выполнение условий

p_max=217кПа< 1,2R=218,4 кПа;

p_min =97,5 кПа>0;

р₀ = 157,3 кПа < R = 182 кПа.

p_min/p_max= 97,5 кПа /217 кПа = 0,45, что больше рекомендуемой величины 0,25.

Условия выполняются, а недонапряжение по максимальному краевому давлению составляет , что меньше 5%. Следовательно, фундамент запроектирован экономично.

Окончательно принимается фундамент с габаритами подошвы l= 5,2 м, b = 4,0 м, d₁ =2,2 м. Таким образом, принятые размеры фундамента удовлетворяют условиям, ограничивающим краевые давления и их соотношения.

Если под несущим слоем грунта основания залегает менее прочный, то в нем под действием сжимающих напряжений могут развиваться пластические деформации, приводящие к нелинейной зависимости между нагрузкой на фундамент и его осадкой. В этом случае необходимо проверить выполнение условия

где σ_zp- дополнительное вертикальное давление на кровлю подстилающего слоя, передаваемое фундаментом, кПа;

σ_zg - давление от собственного веса грунта на кровлю подстилающего слоя,

считая от отметки природного рельефа, кПа;

R_z - расчетное давление на кровлю грунта пониженной прочности вычисляемое по формуле 7/6/ для условного фундамента, шириной b_z , кПа.

В свою очередь , A_z=N/σ_zp , a=(l-b)/2,

2-2

Рис.4. Монолитный фундамент под колонну.

где N - расчетное значение вертикальной нагрузки на основание, включая вес конструкции фундамента и грунта на его ступенях, кH;

l, b - соответственно длинна и ширина проектируемого фундамента, м.

Если условие не выполняется, необходимо принять большие размеры подошвы фундамента.

В данном случае несущим слоем является супесь пластичная с условным расчетным сопротивлением R₀ = 190 кПа, которая подстилается суглинком полутвердым с R₀ = 230 кПа, т.е. более прочным грунтом. Поэтому проверка подстилающего слоя не выполняется.