Скачиваний:
13
Добавлен:
21.04.2019
Размер:
303.1 Кб
Скачать

11

Проектирование свайного фундамента

Свайные фундаменты применяют в тех случаях, когда необходимо нагрузку от сооружения передать на глубоко залегающие плотные грунты. Мы обопрём проектируемые сваи-оболочки на слой суглинка, залегающего на глубине 14 метров.

1Песок пылеватый насыщен водой рыхлый

влажность

Естественная 0.19

Коэффициент водонасыщения 0.61

Плотность влажного грунта 1.73

Скелета 1.45

Частиц 2.66

Коэффициент пористости 0.83

25 0.002 – 0.0 2.2

12Суглинок легкий пылеватый полутвердый

Естественная 0.21

Число пластичности IP=0.1

Показатель текучести IL=0.0

Плотность влажного грунта 2.00

Скелета 1.65

Частиц 2.67

Коэффициент пористости 0.62

Угол внутреннего трения 24

Сцепление МПа 0.032

Модуль общей деформации МПа 23

11Суглинок легкий пылеватый твердый

Естественная 0.15

Число пластичности IP=0.09

Показатель текучести IL=<0.0

Плотность влажного грунта 2.04

Скелета 1.77

Частиц 2.69

Коэффициент пористости 0.52

Угол внутреннего трения 25

Сцепление МПа 0.040

Модуль общей деформации МПа 28

Так как глубина воды в месте строительства всего 1 метр, то можно применить низкий ростверк. Под водой распологается слой ил мощностью также – 1 метр. Исходя из этого, примем минимальную высоту ростверка – 2 метра; она складывается из величины, необходимой для заделки голов свай-оболочек в плиту ростверка, принимаемой равной

1,2 метра и минимальной толщины слоя бетона над головами свай, гарантирующей невозможность продавливания этого слоя сваями.

Минимальная площадь ростверка определяется размерами опоры в плоскости обрезов:

A=(A0+2c)*(B0+2c)=a*b,

где c – обрез ростверка, принимаемый равным с =0,5м

A=(10+2*0,5)*(4+2*0,5)=11*5=55 м2

Рассмотрим и сравним два типа свай-оболочек: оболочки, заполняемые бетоном и оболочки с грунтовым ядром.

Расчёт сваи-оболочки, заполняемой бетоном

Несущая способность зависит от размера свай, наличия уширения в основании, свойства грунтов, в которых работает свая, технология погружения свай и особенности их изготовления. В соответствии со СНиП 2.02.03-85 ”Свайные фундаменты” определяем тип её работы в грунте. Мы имеем дело с висячей сваей, так как свая передает нагрузку на грунт своим основанием и боковой поверхностью.

Сваи применяются одного типа, поэтому достаточно определить несущую способность только одной сваи, она будет одинакова у всех. Свая может невыдержать в двух случаях: если недостаточным будет сопротивление материала сваи, и если недостаточным будет взаимодействие сваи с грунтом.

Несущая способность сваи по грунту определяется по формуле:

Fdc*(γcr*R*A+u*γcf*fi*hi),

где γс=1 – коэффицент надёжности

R – расчётное сопротивление грунта под концом сваи, кПа

Глубина погружения сваи 23.6м

R=1908 кПа13200

A =2.01– площадь поперечного сечения сваи, брутто, м2

u =5.02- периметр поперечного сечения сваи, м

fi – расчётное сопротивление i-ого слоя грунта по боковой поверхности

свай, кПа

1 0.85 14.1 1.7

12 2.7 23.8 2 46.2

4.7 28.4 2 55.1

6.7 31.7 2 59.4

8.7 33.35 2 63.05

10.4 34.3 1.5 65.6

11.8 35.4 1.3 67.5

11 13.5 36.8 2.0 69.9

15.5 38.3 2.0 72.7

17.5 39.5 2.0 75.5

19.5 40.7 2.0 78.3

21.2 41.7 1.5 80.7

22.8 42.7 1.6 82.9

hi – толщина i-ого слоя грунта, м

γcr=1, γcf=1 – коэффиценты условий работы соответственно под концом и на

боковой поверхности сваи, учитывающие способ погружения

Fd=1*[1*1908*2.01+5.02*1*(14.1*1.7+23.8*2+28.4*2+31.7*2+33.35*2+34.3*1.5+35.4*1.3+36.8*2+39.5*2+40.7*2+41.7*1.5+42.7*1.6)] =7453,5 кН 34082.6

Необходимое число свай рассчитывается через величину p:

p=Fdк,

где γк =1.4 – коэффициент надёжности.

p= 7453,5 /1.4 = 5323.9 кН24345

Ориентировочное количество свай определится из формулы:

nсв=PI*β/p,

где PI – суммарная вертикальная расчётная нагрузка, кН

β=1,1-:-1,5

Несущая способность по материалу

Определим расчётные нагрузки в уровне подошвы плиты ростверка:

вес ростверка:

=2831.7×2.5×10=70792.5 кН

вес воды на обрезах фундамента:

GB= 10*(0.5x41.6)=208.0 кН

P0= Pv+Pc=[(932+320×0.75)+(934+764)]×10=28700 кН

Вертикальная расчётная нагрузка:

PI= γk(P0+GP+GB)=1.2*(28700+70792.5 +208)=119640.6 кН

Расчётный момент:

MI= γk×P×e=1.2× (Pvmax - Pvmin)×(0.22+2.2)=1.2×(320×0.75+932+934-764)×10×2.42=38971.7 кНм

Нормативная нагрузка от торможения (сила тяги)

ν1=0.1×9.81×14=13.7 кН/м h=2.2

ν2=0.5×0.98×11×1.6=8.6 кН/м h=1.5

Fт= Fт1+Fт2×0.75= γf1×ν1×220+γf2×ν2×220×0.75 кН

h=1.5

7.8K≤ Fт1≤24.5K

Fт2=1.2×8.6×220=2270.4≤270 кН, Fт1=270 кН, Fт2=1.1×13.7×220=3315.4 кН

Fт=3315.4 +270×0.75=3517.9 кН

Ветровая нагрузка

где w0 нормативное значение ветрового дав­ления 0.6 кПа (5 район) НАГРУЗКИ

И ВОЗДЕЙСТВИЯ СНиП 2.01.07-85*

k — коэффициент, учитывающий измене­ние ветрового давления по высоте

h

k

 5

0,75

10

1,0

20

1,25

40

1,5

60

1,7

80

1,85

100

2,0

150

2,25

200

2,45

250

2,65

300

2,75

350

2,75

 480

2,75

с — аэродинамический коэффициент

где сxi — аэродинамический коэффициент i-го элемента кон­струкций; для профилей сxi = 1,4,

Ai площадь проекции i-го элемента на плоскость кон­струкции;

Аk площадь, ограниченная контуром конструкции

ферм h — длина наименьшей стороны контура, для решетчатых конструкций

b — расстояние между соседними фермами.

Для второй и последующих конструкций

сx2 = сx1.

Значение  для ферм из профилей и труб

при Re < 4 · 105 и , равном

1

2

4

6

0,1

0,93

0,99

1

1

1

0,2

0,75

0,81

0,87

0,9

0,93

0,3

0,56

0,65

0,73

0,78

0,83

0,4

0,38

0,48

0,59

0,65

0,72

0,5

0,19

0,32

0,44

0,52

0,61

0,6

0

0,15

0,3

0,4

0,5

cx = kcx; cy = kcy.

e = 2, где l, b соответственно максимальный и минимальный размеры сооружения или его элемента в плос­кости, перпендикулярной направлению ветра.

e

5

10

20

100

k

0,6

0,65

0,75

0,95

1

Эскизы сечений

и направлений ветра

сх

Прямоугольник

 1,5

 3

2,1

1,6

Правильный треугольник

0

180

2

1.2

Поперек моста:

Пролетное строение

w0=0.6 кПа

k =1.24

c 1=0.28, c 2=0.25

W11=0.21×6500×0.2=273 кН

W12=0.19×6500×0.2=247 кН

Опора:

k 1=0.61, k 2=0.58, k 3=0.22,

c 1=1.60, c 2=1.83, c 3=1.20,

W11=0.6×8.1=4.86 кН

W12=0.6×63.0=37.8 кН

W13=0.2×45.0=9.0 кН

Вдоль моста:

k1=1.49, k2=1.47, k3=1.45, k4=1.43, k5=1.39, k6=1.35, k7=1.29, k8=1.20, K9=1.05

,

,

,

,

,

, ,, ,, ,,

W11=6.3×612.3×0.2=771.5 кН, W12=5.3×612.3×0.2=649.0 кН

W13=4.4×593.5×0.2=522.3 кН, W14=3.8×569.9×0.2=433.1кН

W15=3.1×535.4×0.2=331.9 кН, W16=2.6×489.8×0.2=254.7 кН

W17=2.1×433.3×0.2=182.0 кН, W18=1.7×364.2×0.2=123.8 кН

W19=1.3×284.2×0.2=73.9 кН, W110=1.0×190.0×0.2=38.0 кН

W111=0.8×190.0×0.2=30.4 кН, W112=0.8×284.2×0.2=45.5 кН

W113=0.7×364.2×0.2=50.98 кН, W114=0.6×433.3×0.2=52.0 кН

W115=0.5×489.8×0.2=49.0 кН, W116=0.5×535.4×0.2=53.5 кН

W117=0.4×569.9×0.2=45.6 кН, W118=0.3×593.5×0.2=35.6 кН

W119=0.3×612.3×0.2=36.7 кН

Опора:

k1=0.80, k2=0.35, k3=0.61,

c1=1.60, c2=2.1, c3=1.60,

W11=0.6×28.2=16.9 кН

W12=0.4×225.1=90.0 кН

W13=0.6×129.2=77.5 кН

Вертикальная расчётная нагрузка:

P0= Pv+Pc=[(932+320×0.75) ×0.8+(934+764)]×10=26360 кН

PI= γk× (P0+GP+GB)=1.2× (26360+70792.5 +208)=116832.6кН

Горизонтальная расчётная нагрузка:

Поперек моста:

HI= γk×H0=1.2×0.5×WI=1.2×0.5×(12740+10700+4.86+37.8+9.0)=14095.0 кН

Вдоль моста:

HIlk×H0=1.2×(0.8×Fт+0.5×WIl)=1.2×(0.8×3517.9+0.5× (771.5+649.0+522.3+433.1

+331.9+254.7+182.0+123.8+73.9+38.0+30.4+45.5+50.98+52.0+49.0 +53.5+45.6 +35.6+36.7+16.9+90.0+77.5))=5939.0 кН

Расчётный момент:

Поперек моста:

MIk(P0*e+H0*hP)=1.2×0.5×(12740×45.33+10700×45.33+4.86×22.6+37.8×15.8+

+9.0×6.62)=637981.1 кНм

Вдоль моста:

MIl=0.8×38971.7+1.2×(0.8×(3315.4×27.68+270×0.75×38.38)+0.5×(771.5 ×45.33+649.0 ×45.33+522.3 ×44.75+433.1×43.96+331.9 ×42.86+254.7 ×41.41+182.0 ×39.62+123.8 ×37.45+73.9 ×34.88+38.0 ×31.88+30.4 ×31.88+45.5 ×34.88+50.98 ×37.45+52.0 ×39.62+49.0 ×41.41+53.5 ×42.86+45.6 ×43.96+35.6 ×44.75+36.7×45.33+16.9×22.6+90.0×15.8+77.5×6.62))= 0.8×38971.7+1.2×(0.8×99542.2+0.5×165637.9)=226120.6 кНм

Ледовая нагрузка

F x=min(F11×Rzn×b×t; F2=ψ×Rmn×t²×tgβ) горизонтальная составляющая

Fz= Fx/tgβ – вертикальная составляющая

ψ1=0.9, ψ=0.2×b/t=0.2×7.2/1.38=1.0≥1

t=0.8×1.73=1.38

Rzn= Kn×Rz1=1.25×735кПа=918.8 кПа

Rmn= 0.7×Rzn=0.7×918.8=643.2 кПа

F x=min(0.9×918.8×7.2×1.38; 1×643.2×1.38²×57.3) =min(8216.3; 70187.3)= 8216.3 кН

Fz= Fx/tgβ=8216.3 /57.3=143.4 кН

Точка приложения ниже РУВ на 0.3×t=0.41 м

Расчётный момент:

MI=F x×e1+ Fz×e2=8216.3×8.78+143.4×11.96=72139.1+1715.1=73854.2 кНм

Вертикальная расчётная нагрузка:

PI= Fz=143.4 кН

Итак, количество свай:

nсв=33348*1,3/4857,03=8,9шт

По конструктивным соображениям принимаем количество свай-оболочек – 10шт

Расположим сваи как показано на рисунке, пусть будет 5 рядов по 2 свай в каждом ряду. Для удобства вычислений расчёт ведём применительно к одному ряду свай; такой подход возможен только при одинаковом расположении свай во всех рядах.

Расчетный усилия, приходящиеся на один ряд свай:

PI=33348/5=6669,6 кН

HI=1440/5=288 кН

MI=10380/5=2076 кНм

Далее определим жёсткость сваи на изгиб:

EI= 0,8*31,5*106*3,14/(1,62-1,282)/64+0,8*2,65*107*3,14*1,284/64=29,66*105 кНм2

Расчёт свайных фундаментов по I группе предельных состояний проводится методом перемещений с использованием плоских схем.

Определим глубину hk, в пределах которой учитывается действие отпора грунта.

hk= 3,5*d+1,5=3,5*0,35+1,5=2,725 м

В этой зоне расположен слой крупного песка (е=0,61). Для него коэффициент пропорциональности К=7367,6 кН/м4

Вычислим приведённую глубину заложения сваи в грунте:

L=αe*l=0,332*16,5=5,478м,

Здесь αe – коэффициент деформации

αe = 5√(K*bP/EI)=5√(7367,6*1,62/29,66*105)=0,332

bP=Kф(d+1)k’=0,9(1,6+1)*0,6923=1,62 м – расчётная ширина сваи

Вычислим момент и горизонтальную силу, действующие в уровне расчетной поверхности(линии размыва).

H0I= 288 кН

M0I= Mi+H0I*h=2076+288*(-1,3)=1701,6 кНм

Можно вычислить наибольший изгибающий момент, действующий в поперечном сечении оболочки:

MHI= M0I+H0I*K3e= 1701,6+288*0,75/0,332= 2352,2 кНм

Далее проверяется надёжность заделки оболочек в грунте

σzη12*4/cosφI*(γI*z*tgφI+ξcI),

где σz- давление на грунт, создаваемое боковой поверхностью

φI, γI, cI- расчётные характеристики грунта

η1, η2- коэффициенты, принимаемые равными 1,0

Давление действующие на глубине z=0,85/ αe:

σz= (4M0I+10H0I*z)/(9*bP*z2)* ξ1= =(4*1701,6+10*288*2,56)/(9*1,62*2,562)*0,7=93,87кН/м2

93,87<1*1*(4/cos350(10*2.56*tg350)=97,53 кН/м2

Свая надёжно закреплена в грунте.

Для нахождения перемещений ростверка найдём единичные перемещения:

EHH=A0e3*EI= 2,4406/(0,332)3*29,66*105= 2,26*105 м/кН

EMH=EHM=B0e2*EI= 1,621/(0,332)2*29,66*105= 0,496*105 1/кН

EMM=C0e*EI= 1,75056/0,332*29,66*105= 0,177*105 1/кНм

По этим значениям найдём горизонтальное смещение и угол поворота поперечного сечения оболочки в уровне подошвы плиты ростверка:

y0= H0II*EHH+M0II*EHM=288*2,26*10-5+1701,6+0,496*10-5= 1,495*10-2 м

w0= H0II*EMH+M0II*EMM= 288*0,496*10-5+1701,6+0,177*10-5= 0,444*10-2 рад

Горизонтальное перемещение и угол поворота ростверка вычислятся по формулам:

u= y0+w0*l0+l02/(6EI)*(3MII+2HII*l0)= 1,495*10-2-0,444*10-2*1,3+

+1,32/(6*29,66*105)*(3*1701,6-2*288*1,3)= 9,59*10-3м

ψ= w0+l0/(2EI)*(2MII+HII*l0)= 0,444*10-2+1,3/(2*29,6*105)*(2*1701,6-288*1,3)=

=0,378*10-2рад

Естественно, необходимо проверить фундамент на горизонтальное смещение верха опоры. Расчёт ведётся на нормативные нагрузки, т.е. коэффициент надёжности принимаем равным γn=1,0

Горизонтальное смещение верха опоры высотой h0, в сантиметрах, определяется из формулы:

u’= 1/γf*[u+ψ*h0x]≤0,5√Lp

где u и ψ – соответствующие перемещения ростверка

δx- горизонтальное смещение верха опоры в результате деформации её тела (в

курсовом проекте δx=0)

Lp, м - длина наименьшего примыкающего к опоре пролёта, но не менее 25м

γf – коэффициент, учитывающий переход величин u и ψ, вычисленных для I группы

предельных состояний, ко II группе предельных состояний.

1/1,2*[9,59*10-3+0,378*10-2*10]=0,0395м = 3,95см

0,5*√66=4,062см

3,95см < 4,062см­­

Расчёт сваи-оболочки,

погружаемой без выемки грунта

Несущая способность сваи по грунту определяется по формуле:

Fdc*(γcr*R*A+u*γcf*fi*hi),

где γс=1 – коэффицент надёжности

R – расчётное сопротивление грунта под концом сваи, кПа

A – площадь поперечного сечения сваи, нетто, м2

u - периметр поперечного сечения сваи, м

fi – расчётное сопротивление i-ого слоя грунта по боковой поверхности

свай, кПа

hi – толщина i-ого слоя грунта, м

γcr, γcf – коэффиценты условий работы соответственно под концом и на

боковой поверхности сваи, учитывающие способ погружения

Fd= 1*[1*3060*0,723+ +5,03*1*(35*2+48*2+56*2+60*2+63,5*2+67*2,5+37*3+40*1)] =6455,18 кН

Необходимое число свай рассчитывается через величину p:

p=Fdк,

где γк =1,75 – коэффициент надёжности.

p= 6455,18/1,75= 3688,67 кН

Ориентировочное количество свай определится из формулы:

nсв=PI*β/p,

где PI – суммарная вертикальная расчётная нагрузка, кН

β=1,1-:-1,5

Очевидно, что расчётные нагрузки не изменятся и соответственно будут равны:

вес ростверка:

GP= Amin*hPб=55*2*24=2640 кН

вес воды на обрезах фундамента:

GB= 10*(2*11*0,5+2*0,5*4)=150 кН

Вертикальная расчётная нагрузка:

PI= γk(P0+GP+GB)=1,2*(25000+2640+150)=33348 кН

Горизонтальная расчётная нагрузка:

HI= γk*H0=1,2*1200=1440 кН

Расчётный момент:

MI= γk(P0*e+H0*hP)=1,2*(25000*0,25+1200*2,0)=10380 кНм

Итак, количество свай:

nсв=33348*1,3/3688,67=11,7шт

По конструктивным соображениям принимаем количество свай-оболочек – 12шт

Расположим сваи как показано на рисунке, пусть будет 6 рядов по 2 свай в каждом ряду. Для удобства вычислений расчёт ведём применительно к одному ряду свай; такой подход возможен только при одинаковом расположении свай во всех рядах.

Расчетный усилия, приходящиеся на один ряд свай:

PI=33348/12= 2779 кН

HI=1440/12= 120 кН

MI=10380/12= 865 кНм

Далее определим жёсткость сваи на изгиб:

EI= 0,8*31,5*106*3,14/(1,62-1,282)/64+0,8*2,65*107*3,14*1,284/64=29,66*105 кНм2

Расчёт свайных фундаментов по I группе предельных состояний также проводится методом перемещений с использованием плоских схем.

Определим глубину hk, в пределах которой учитывается действие отпора грунта.

hk= 3,5*d+1,5=3,5*0,35+1,5=2,725 м

В этой зоне расположен слой крупного песка (е=0,61). Для него коэффициент пропорциональности К=7367,6 кН/м4

Вычислим приведённую глубину заложения сваи в грунте:

L=αe*l=0,332*16,5=5,478м,

Здесь αe – коэффициент деформации

αe = 5√(K*bP/EI)=5√(7367,6*1,62/29,66*105)=0,332

bP=Kф(d+1)k’=0,9(1,6+1)*0,6923=1,62 м – расчётная ширина сваи

Вычислим момент и горизонтальную силу, действующие в уровне расчетной поверхности(линии размыва).

H0I= 120 кН

M0I= Mi+H0I*h=865+120*(-1,3)=709 кНм

Можно вычислить наибольший изгибающий момент, действующий в поперечном сечении оболочки:

MHI= M0I+H0I*K3e= 709+120*0,75/0,332= 980,08 кНм

Далее проверяется надёжность заделки оболочек в грунте

σzη12*4/cosφI*(γI*z*tgφI+ξcI),

где σz- давление на грунт, создаваемое боковой поверхностью

φI, γI, cI- расчётные характеристики грунта

η1, η2- коэффициенты, принимаемые равными 1,0

Давление действующие на глубине z=0,85/ αe:

σz= (4M0I+10H0I*z)/(9*bP*z2)* ξ1= =(4*709+10*120*2,56)/(9*1,62*2,562)*0,7=43,28кН/м2

43,28<1*1*(4/cos350(10*2,56*tg350)=97,53 кН/м2

Свая надёжно закреплена в грунте.

Для нахождения перемещений ростверка найдём единичные перемещения, они останутся теми же:

EHH=A0e3*EI= 2,4406/(0,332)3*29,66*105= 2,26*105 м/кН

EMH=EHM=B0e2*EI= 1,621/(0,332)2*29,66*105= 0,496*105 1/кН

EMM=C0e*EI= 1,75056/0,332*29,66*105= 0,177*105 1/кНм

По этим значениям найдём горизонтальное смещение и угол поворота поперечного сечения оболочки в уровне подошвы плиты ростверка:

y0= H0II*EHH+M0II*EHM=120*2,26*10-5+709*0,496*10-5= 0,623*10-2 м

w0= H0II*EMH+M0II*EMM= 120*0,496*10-5+709*0,177*10-5= 0,185*10-2 рад

Горизонтальное перемещение и угол поворота ростверка вычислятся по формулам:

u= y0+w0*l0+l02/(6EI)*(3MII+2HII*l0)= 0,623*10-2-0,185*10-2*1,3+

+1,32/(6*29,66*105)*(3*709-2*120*1,3)= 0,406*10-2м

ψ= w0+l0/(2EI)*(2MII+HII*l0)= 0,185*10-2+1,3/(2*29,6*105)*(2*709-120*1,3)=

=0,157*10-2рад

Естественно, необходимо проверить фундамент на горизонтальное смещение верха опоры. Расчёт ведётся на нормативные нагрузки, т.е. коэффициент надёжности принимаем равным γn=1,0

Горизонтальное смещение верха опоры высотой h0, в сантиметрах, определяется из формулы:

u’= 1/γf*[u+ψ*h0x]≤0,5√Lp

где u и ψ – соответствующие перемещения ростверка

δx- горизонтальное смещение верха опоры в результате деформации её тела (в

курсовом проекте δx=0)

Lp, м - длина наименьшего примыкающего к опоре пролёта, но не менее 25м

γf – коэффициент, учитывающий переход величин u и ψ, вычисленных для I группы

предельных состояний, ко II группе предельных состояний.

1/1,2*[0,406*10-2+0,157*10-2*10]=0,0164м = 1,64см

0,5*√66=4,062см

1,64см < 4,062см­­

Итак, в первом варианте, где использованы сваи-оболочки с заполнением бетоном, несущая способность одной сваи оказалась больше, чем во втором варианте со сваями с грунтовым ядром. Поэтому, для обеспечения прочности, понадобилось 10 свай, когда, во втором варианте их необходимое количество – 12. В итоге при увеличении количества свай, нужно увеличивать площадь ростверка, что не желательно.

11

Соседние файлы в папке ПОЯСНИЛОВКА