Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Томский Политехнический Университет

УТВЕРЖДАЮ:

Зав кафедрой БС

_____В.Д. Евсеев

«__» ________ 20__

Лабораторная №2

Расчет оснований фундаментов

Томск 2008

Задание

1. Для своей буровой установки выбранной в лабораторной №1, рассчитать площадь подошвы подвышечного фундамента. Расчет производится по несущей способности.

2. Расчет произвести для следующих грунтов

• песчаник крупнокристалический (скалистый грунт)

• глина при коэффициенте текучести = 1 и коэффициенте пористости = 0,6 (не скальный грунт).

Исходные данные

Исходные данные представлены в файле Варианты. (если нет выбранной вами буровой, выбрать любую другую со схожими параметрами).

Расстояние от поверхности планировки до уровня грунтовых вод 10 м.

Глубина промерзания 1,2 м.

Теория

Под действием внешних сил (веса сооружений, оборудования и их оснований, фундаментов и др.) на несущую поверхность грунтов в них возникают внутренние силы, которые сопротивляются стремлению внешних сил разрушить грунт, изменить его форму, отделить одну часть от другой. Существуют три стадии деформации грунтов: уплотнение (осадки), сдвиги и разрушения.

Нагрузка на несущую поверхность грунта не должна вызывать в нём напряжения, при которых образуются недопустимые для сооружений осадки или сдвиги. Осадки грунтов могут привести к разрушению сооружения, а сдвиги — к потере несущей способности основания грунтов и устойчивости сооружения.

При проектировании фундамента необходимо учитывать, что деформации грунтов под его подошвой не должны превышать предельно допустимых для нормальной эксплуатации сооружений, а несущая способность грунта должна быть достаточной, чтобы не происходили потеря устойчивости или разрушение несущей поверхности грунтов.

Площадь подошвы фундамента рассчитывается по двум группам пре­дельных состояний: по первой группе — по несущей способности грунта под подошвой, и по второй группе — по деформациям грунта (осадкам, прогибам и др.), создающим препятствия для нормальной эксплуатации сооружений.

По несущей способности грунты рассчитываются в случаях, когда на них передаются значительные вертикальные или (и) горизонтальные нагрузки, при которых происходит разрушение породы фундамента или смещение фундамента. Последнее наиболее опасно в случае, если фундамент расположен на бровке откоса или вблизи крутопадающего слоя грунта, а также, если грунт представляет собой обводнённую глину, способную давать горизонтальные перемещения даже на небольших уклонах.

Несущие грунты по деформациям рассчитывают в случаях, когда они представлены неоднородными в пределах бурового сооружения грунтами.

При расчете по предельным состояниям ожидаемые деформации и несущая способность грунта сопоставляются с предельно допустимыми деформациями и минимально-необходимой несущей способностью, определяемыми с учетом особенностей конструкций сооружений. В расчетах учитывается совместное действие силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды — атмосферных и грунтовых вод на физико-механические характеристики грунтов и др.

Расчетная схема системы фундамент — грунт должна выбираться с учетом наиболее существенных факторов, определяющих напряженное состояние и деформации основания и конструкции сооружения.

В результате расчета определяется площадь подошвы фундамента (площадь несущей поверхности грунта), а затем размеры фундаментов сооружения (длина, ширина).

1. Расчет грунтов по несущей способности

Цель расчета грунтов по несущей способности (по первой группе предельных состояний) — обеспечение прочности и устойчивости грунтов, а также недопущения сдвига фундаментов по подошве и его опрокидывания. Расчет грунтов по несущей способности проводится, исходя из условия

N ≤ (k ·Ф - S · ρ · h·g)/n (1)

где N — расчетная нагрузка на фундамент от конструкции сооружения, Н;

Ф — сила предельного сопротивления (несущая способность) грунта, Н;

n — коэффициент запаса, принимаемый не менее 1,2;

k — коэффициент условий работы, принимаемый для скальных грунтов и песков 1,0, для пылеватых и глинистых грунтов 0,85;

S — площадь подошвы фундамента, м²;

ρ - плотность материала фундамента, кг/м³ (2400);

h – высота фундамента, м;

g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с².

Величина расчетной максимальной нагрузки от буровой вышки на фундамент N, которая является одним из главных параметров при расчёте фундаментов сооружений бурового оборудования, может быть найдена по формулам

N = Q_Ф = Q_B · n₁ + G_B · n₂ +G_об · n₂ + G₀ · n₂, Н (10)

где Q_Ф - максимальная нагрузка на фундамент вышки;

Q_B -вертикальная нагрузка на вышку (допускаемая нагрузка на крюке буровой установки);

G_B - вес вышки;

G_об - вес оборудования смонтированного на подвышечном основании и вышке;

G₀ – вес основания;

n₁, n₂ - коэффициенты динамических перегрузок, принимаемых в пределах 1,05 - 1,3.

G_B, G_0б, G₀ — определяют по паспортным данным оборудования.

Высота фундамента (глубина заложения) определяется с учетом грунтов, их физического состояния, уровня грунтовых вод, климатических особенностей района и возможности выпучивания грунтов при промерзании и осадки при оттаивании. Основной фактор, влияющий на глубину заложения, глубина промерзания. При отсутствии данных наблюдений нормативную глубину промерзания можно определять по формуле

h_пр = 23 (T_м +2)^0,5,

где T_м – сумма отрицательных среднемесячных температур воздуха за зиму, принимаемая как средняя из данных многолетних наблюдений местной метеостанции.

Для данной задачи принять высоту фундамента на скальном грунте 1 м, а на нескальном грунте 1,5 м.

Несущая способность оснований, сложенных скальными грунтами Ф, независимо от глубины заложения фундамента определяется по формуле

Ф = σ_сж · S , Н (2)

где σ_сж - экспериментальное значение предела прочности на одноосное сжатие образцов скального грунта (в водонасыщенном состоянии), Па.

Из формул (1) и (2) можно найти площадь подошвы фундамента, м²

S ≥ N · n /(k · σ_сж - ρ · h · g) (3)

Несущая способность основания, сложенного нескальными грунтами, определяется из условия, что в грунте образуются поверхности скольжения, охватывающие всю подошву фундамента. Соотношение между нормальными р и касательными напряжениями т по всей поверхности скольжения, соответствующее предельному состоянию основания, подчиняется зависимости

т = р • tg α + С (4)

где α — угол внутреннего трения грунта, градус; (СНиП 2.02.01-83)

С — удельного сцепления грунта, Па. (СНиП 2.02.01-83)

Эти значения зависят от коэффициента пористости грунтов, а для глинистых грунтов и от консистенции. Для критического случая потери устойчивости нескального грунта т = 0 и уравнение (4) преобразуется

p_кр = С/ tg α (5)

где р_кр - критическое напряжение сжатие грунта, при котором происходит потеря его устойчивости, Па.

Несущая способность нескального грунта запишется в виде

Ф = p_кр · S (6)

Из формул (1), (5) и (6) найдём выражение для расчета размеров подошвы фундамента, м²

S ≥ N · n / (С · k /tg α - ρ · h · g) (7)