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 4

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 (прил. 3 блок-схема) 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+0,05=1,25 м=1,3 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 приложения равнодействующей вертикальной нагрузки относительно центра подошвы фундамента м, где

М_х = М^Р + Q^Р∙ d₁ =1∙792 + 1∙132∙1,3 = 963,6кН∙м;

N = N^Р + G = 1·2354 + 1∙2,9²∙20∙1,3 = 2573,7кН.

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=b·К₀= 2,9·1,3 = 3,773,8м.

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

г) вычисляются краевые напряжения под подошвой фундамента, для чего определяются:

А = 2,9·3,8 = 11,02м²;

N = 1∙2354 + 1∙2,9∙3,8∙1,3∙20 = 2640,5 кН;

, что меньше l / 6=3,8/6=0,63 м.

Тогда

,

p_max=376,2 кПа; p_min=103 кПа.

Определяется среднее давление под подошвой фундамента

.

Проверяется выполнение условий:

1. р_mах ≤ 1,2R; 376,2 кПа > 1,2∙300 = 360кПа - условие не выполняется;

2. p_min>0; 103 кПа > 0 - выполняется;

3. p₀<R; 239,6кПа < 300 кПа – выполняется;

4. p_min /p_max=103/376,2=0,27>0,25.

Первое условие не выполняются, поэтому увеличиваются размеры подошвы фундамента.

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

Тогда А = 4∙3 = 12м².

N = 1·2354+ 1∙12∙1,3∙20 = 2666 кH.

, что меньше l/6 = 3,9/6 = 0,65 м.

Определяются краевые напряжения под подошвой фундамента, как

;

.

Среднее давление под подошвой фундамента

кПа.

Проверяется выполнение условий

1. р_mах = 342,2 кПа <1,2R₀ = 360 кПа - условие выполняется;

2. p_min=102,2кПа> 0 - выполняется;

3. p₀=220,2 кПа < R₀=300 кПа - выполняется;

4. p_min /p_max=102,2/342,2=0,30>0,25.

Условия выполняются, а недонапряжение по максимальному краевому давлению составляет

<5%

Следовательно, размеры подошвы фундамента запроектированы достаточно экономично.

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

3-3

4-4

Рис.6. Монолитный фундамент по колонну.

6.2. Производится расчет тела фундамента на продавливание от дна стакана, исходя из условия (см. далее п. 5.4)

N≤R_bl∙b_m∙h_ob,

где h_ob = h_b-0,055 = 1,3-1-0,05 -0,055 = 0,195 м;

b_m=b_h+h_ob=(b_c+2·0,05)+0,195=0,8 + 0,1+0,195=1,095 м;

A_fo=0,5b(l-l_h-2h_ob)-0,25(b-b_h-2h_ob)² =0,5∙3(4-0,81-2∙0,195) –

• 0,25(3-0,51-2∙0,195)² = 3,3м²;

R_bt =853 кПа;

N = p_max∙A_fo=1,1∙342,2∙3,3 = 1242,2 кН.

1242,2 кН≤1,1∙853∙1,095·0,195 кН.

1242,2 кН>182 кН.

Условие не выполняется, поэтому возможно продавливание фундамента колонной. В связи с этим, необходимо увеличить рабочую высоту фундамента и добиться выполнения условия (прил. 3 блок схема). Ряд промежуточных расчетов показал (расчеты не приводятся), 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 = 345,72 кПа, p_тin=98,9 кПа, р₀ = 222,3кПа, p_min/p_max = 98,9/345,7=0,28>0,25.

Основные параметры монолитного фундамента, удовлетворяющего всем условиям, 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 заглублением 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), расчет ведется от отметки природного рельефа

_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 = 20 кН/м³, h₂ = 2,2м.

Таким образом, _zg0 = 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 (т.к. к_ф=3·10^-9 см/сек, что меньше 1,2·10^-8 см/сек). С учетом этого

.

Гидростатическое давление столба воды на кровлю суглинка полутвердого равно _∙h_=10∙1,15=11,5кПа.

Тогда _zg1 = 58,4+ 20∙0,45+10,12∙1,15+11,5+ 20,2∙0,4 = 98,6кПа.

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 = 1·2354 +1· 4,4∙3∙2,2∙20=2934,8 кН.

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;

Mγ = 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. Стоимость возведения фундамента.

Объем земляных работ в курсовом проекте рассчитывается для котлована под отдельный фундамент. Глубина котлована равняется глубине заложения подошвы песчаной подушки. Крутизна откоса котлована назначается по приложению 12. В случае, если в пределах высоты котлована располагаются несколько слоев грунта, крутизна откоса назначается по наименьшему значению, определенному для каждого из этих слоев. Объем фундамента определяется за вычетом стаканной части. Толщина бетонной подготовки под фундамента принимается равной 100 мм. В данном случае объем земляных работ при разработке котлована - 289 м³, расход монолитного бетона – 8,4 м³, объем материала песчаной подушки – 77,8 м³, расход бетона на устройство подготовки толщиной 100 мм – 1,63 м³. Полученные значения заносятся в таблицу 6.