- Нормативные нагрузки на фундамент под среднюю колонну:
|
мы
|
кНм
|
Собствен.вес
|
Снег
|
Кран левого пролета
|
Кран правого пролета
|
Ветер
|
|
|
|
|
|
Dmax
|
Dmin
|
T
|
Dmax
|
Dmin
|
T
|
|
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
|
|
20
|
Q
|
-
|
-
|
25
|
20
|
16
|
-24
|
-29
|
15
|
27
|
|
|
2. Анализ инженерно геологических условий
В соответствии с классификационными показателями , взятые из задания (таблицы результатов определения физических характеристик грунта) определяем вид и разновидность грунтов, слагающих площадку.
Образец №1 грунт отобран из скважины № 1 с глубины 6,1 м (табл. 1) так как Wр > 0 и Wl > 0, следовательно, грунт глинистый.
Разновидность глинистого грунта определяем по числу пластичности Ip и по показателю Il согласно [1].
по числу пластичности Ip согласно формуле (1) :
Следовательно, грунт суглинок (табл. 2.4) [1]. По таблице 2.5 [1] суглинок пылеватый, так как частиц от 2,0мм до 0,05мм (27%) содержится менее 40%.
По показателю текучести :
Следовательно, грунт мягкопластичный суглинок (таблица 2.6 [1]).
Поскольку грунт глинистый, необходимо установить, обладает ли он набухающими или просадочными свойствами. Для этого определяем следующие характеристики:
(% д.е.) вес сухого грунта:
;
коэффициент пористости е по формуле (4):
;
коэффициент водонасыщения:
,
т.е. грунт по предварительной оценке является непросадочным ;
коэффициент пористости грунта при влажности на границе текучести:
;
Определяем коэффициент просадочности Iss,:
т.е. грунт по предварительной оценке является ненабухающим;
По таблице 3.2 [1] определяем расчетное сопротивление грунта. R0=214,5 кПа.
Определяем модуль деформации грунта:
Рассматриваемый грунт - суглинок пылеватый мягкопластичный с расчетным сопротивлением R0 =214,5 кПа, и модулем деформации Е0 = 8,12 МПа .
Образец №2 грунт отобран из скважины № 1 с глубины 11 м (табл. 1) так как Wр > 0 и Wl > 0, следовательно, грунт глинистый.
Разновидность глинистого грунта определяем по числу пластичности Ip и по показателю Il согласно [1].
1. по числу пластичности:
Следовательно, грунт глина (табл. 2.4) [1]. По таблице 2.5 [1] глина легкая пылеватая, так как частиц от 2,0мм до 0,05мм (15%) содержится менее 40%.
2. По показателю текучести :
Следовательно, грунт тугопластичная глина (таблица 2,4 [1]).
Поскольку грунт глинистый, необходимо установить, обладает ли он набухающими или просадочными свойствами [11]. Для этого определяем следующие характеристики:
(% д.е.) вес сухого грунта:
;
коэффициент пористости е по формуле (4):
;
коэффициент водонасыщения:
,
т.е. грунт по предварительной оценке является непросадочным ;
коэффициент пористости грунта при влажности на границе текучести:
;
Определяем коэффициент просадочности Iss,:
т.е. грунт по предварительной оценке является ненабухающим;
По таблице 3.2 [1] определяем расчетное сопротивление грунта R0=329,125 кПа.
Определяем модуль деформации грунта:
Рассматриваемый грунт глина легкая пылеватая тугопластичная с расчетным сопротивлением R0 =329,125 кПа, и модулем деформации Е0 = 7,2 МПа .
Образец №3 грунт отобран из скважины № 1 с глубины 13 м (табл. 1) так как Wр > 0 и Wl > 0, следовательно, грунт глинистый.
Разновидность глинистого грунта определяем по числу пластичности Ip и по показателю Il согласно [1].
1. по числу пластичности:
Следовательно, грунт суглинок (табл. 2.4) [1]. По таблице 2.5 [1] суглинок легкий пылеватый, так как частиц от 2,0мм до 0,05мм (32%) содержится 40%.
2. По показателю текучести :
Следовательно, грунт мягкопластичный суглинок (таблица 2.4 [1]).
Поскольку грунт глинистый, необходимо установить, обладает ли он набухающими или просадочными свойствами [11]. Для этого определяем следующие характеристики:
(% д.е.) вес сухого грунта:
;
коэффициент пористости е по формуле (4):
;
коэффициент водонасыщения:
,
т.е. грунт по предварительной оценке является непросадочным ;
коэффициент пористости грунта при влажности на границе текучести:
;
Определяем коэффициент просадочности Iss,:
т.е. грунт по предварительной оценке является ненабухающим;
По таблице 3.2 [1] определяем расчетное сопротивление грунта. R0=230,9 кПа.
Определяем модуль деформации грунта:
Рассматриваемый грунт -суглинок пылеватый мягкопластичный с расчетным сопротивлением R0 =230,9 кПа, и модулем деформации Е0 = 11,11 МПа .
Образец №4 грунт отобран из скважины № 1 с глубины 15м (табл. 1) так как Wр = 0 и Wl = 0 и содержание частиц крупнее 2 мм (1%) менее 25%, вид грунта - песок.
Разновидность грунта определяется по гранулометрическому составу, по коэффициенту пористости е, по коэффициенту водонасыщения.
1. По гранулометрическому составу согласно табл. 2.1[1] содержание частиц крупнее 0,25 мм более 50% (4+3+20+24=51% табл. 2.1). Песок средний крупности.
2. По коэффициенту пористости е:
вес сухого грунта:
;
коэффициент пористости е по формуле (4):
,
т.е. песок средней крупности плотный;
3. коэффициент водонасыщения:
,
т.е. грунт средней степени водонасыщения согласно
табл. 2.3.[1].
По таблице 3.1 [1] определяем расчетное сопротивление грунта. R0=500 кПа.
Определяем модуль деформации грунта:
Рассматриваемый грунт - песок средней крупности, плотный, средней степени водонасыщения, с расчетным сопротивлением R0 =500 кПа, и модулем деформации Е0 = 21,99 МПа.
Таблица 1 Гранулометрический состав и нормативные значения физико-механических характеристик грунтов, установленных по результатам испытаний
Таблица 2 нормативные значения физико-механических характеристик грунтов
Рис. 1. Геологический профиль строительства
3. Сбор нагрузок
3.1 Сбор нагрузок на крайнюю колонну
Таблица 3
3.2 Сбор нагрузок на среднюю колонну
Таблица 4
4. Проектирование фундамента мелкого заложения для промышленного здания (расчет по деформациям)
4.1 Назначение глубины заложения фундаментов
Определим глубину заложения фундаментов под одноэтажное промышленное здание, строится в г. Екатеринбург. Грунт- песок серый. Грунтовые воды отсутствуют. Требуется определить глубину заложения фундамента d под наружную, и внутреннюю колонны.
Определим нормативную глубину промерзания dfn для г. Екатеринбурга dfn=2,2м, тогда расчетная глубина промерзания составит:
2,2·0,6=1,32 м,
kh=0,6 - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания.
Принимаем глубину заложения фундамента d = 2 м по конструктивным требованиям. Высота конструкции фундамента должна быть кратной м.
Рис. 2. Схема к назначению глубины заложения подошвы фундамента
DL-отметка планировки, FL-отметка заложения фундамента,
1-насыпной грунт, 2-расчетная глубина промерзания грунта, 3- песок мелкий.
4.2 Определение размеров подошвы фундаментов под крайнюю колонну
Определить размеры подошвы внецентренно нагруженного фундамента под колонну промышленного здания. Расчетные нагрузки основного, наиболее невыгодного сочетания на уровне планировки, составляет: N=2867,82кН, M= -724,58кНм, Q= -164,42кН.
Глубина заложения фундаментов d=2,1 м. Грунт основания - суглинок пылеватый мягкопластичный. (IL=0,73, e=0,83). Удельный вес грунта II=18,2 кН/м3, угол внутреннего трения II=16, удельное сцепление СII=16 кПа, расчетное сопротивление грунта основания R0=214,5 кПа.
Площадь подошвы фундамента в первом приближении равна:
м2.
1,2 - коэффициент, учитывающий действие момента сил.
На основание передаются вертикальные горизонтальные и моментные нагрузки. Поэтому подошву фундамента принимаем прямоугольной формы в плане. Для определения размеров подошвы задаемся соотношением сторон b=0,7·а=3,6 м.
м.
Вычисляем расчетное сопротивление грунта основания R. Для несущего слоя грунта с1=1,1; с2=1,0; k=1; M=0,36; Mq=2,43; Mс=4,99; kz=1; II=18,2кН/м3; d=d1=2,1 м; db=0.
кПа.
Максимальное рmax, среднее р и минимальное рmin давление под подошвой фундамента должны удовлетворять условиям:
Делаем проверку по: N=2867,82кН, M= -724,58кНм, Q= -164,42кН.
рmax= кПа
Mn=M+Q·hф=724,58+164,42·1,5 = 971б21 кНм;
G=a·b·d·=5,4·3,9·1,5·20 = 631,8кН;
W=м3;
рmin=
р=
Определяем коэффициенты запаса:
Условие рmax выполняется с запасом 3,26%, поэтому окончательно принимаем размеры подошвы равными b=3,6 м; а=5,4 м.
Рис. 3. Схема к определению размеров подошвы фундамента под колонну промышленного здания
4.3 Определение размеров подошвы фундаментов под среднюю колонну
Расчетные нагрузки основного, наиболее невыгодного сочетания на уровне планировки, составляет: N=3657,08 кН, M= -354,24кНм, Q=-65,88 кН.
Глубина заложения фундаментов d=2,1 м. Грунт основания - суглинок пылеватый мягкопластичный. (IL=0,73, e=0,83). Удельный вес грунта II=18,2 кН/м3, угол внутреннего трения II=16, удельное сцепление СII=16 кПа, расчетное сопротивление грунта основания R0=214,5 кПа.
Площадь подошвы фундамента в первом приближении равна:
м2.
1,2 - коэффициент, учитывающий действие момента сил.
На основание передаются вертикальные горизонтальные и моментные нагрузки. Поэтому подошву фундамента принимаем прямоугольной формы в плане. Для определения размеров подошвы задаемся соотношением сторон b=0,7·а=3,9 м.
м.
Вычисляем расчетное сопротивление грунта основания R. Для несущего слоя грунта с1=1,1; с2=1,0; k=1; M=0,36; Mq=2,43; Mс=4,99; kz=1; II=18,2кН/м3; d=d1=2,1 м; db=0.
кПа.
Максимальное рmax, среднее р и минимальное рmin давление под подошвой фундамента должны удовлетворять условиям:
Делаем проверку по: N=3657,08 кН, M= -354,24кНм, Q=-65,88 кН.
рmax= кПа
Mn=M+Q·hф=354,24+65,88·1,5 = 453,06 кНм;
G=a·b·d·=5,7·4,2·1,5·20 = 718,2 кН;
W=м3;
рmin=
р=
Определяем коэффициенты запаса:
Условие р выполняется с запасом 1,01%, поэтому окончательно принимаем размеры подошвы равными b=3,9 м; а=5,4 м.
4.4 Проверка прочности подстилающего слоя
Проверка прочности подстилающего слоя не требуется, т.к. ниже залегающий слой глина легкая пылеватая тугопластичная с расчетным сопротивлением R0 =329,125 кПа, и модулем деформации Е0 = 7,2 Мпа, дельный вес грунта II=20 кН/м3, угол внутреннего трения II=17, удельное сцепление СII=50 кПа обладает более высокими физико-механическими характеристиками, чем несущий слой.
4.5 Определение конечных осадок фундаментов
4.5.1 Определение конечных осадок фундаментов под крайнюю колонну
Для определения конечных осадок оснований фундаментов в настоящее время наибольшее распространение получили метод послойного суммирования, метод эквивалентного слоя и метод линейно-деформируемого слоя конечной толщины.
Определить методом послойного суммирования осадку прямоугольного фундамента с размерами b=3,6 м; a=5,4 м. Глубина заложения фундамента d=1,5 м. Среднее давление по подошве фундамента р= 189,52кПа.
На геологический профиль наносим контуры фундамента. Разделяем в первом приближении сжимаемую толщу основания на элементарные слои, толщиной h1=(0,2-0,4)·b=0,2·3,6=0,7 м. При этом мощность элементарных слоев может быть различной и назначается таким образом, чтобы границы раздела пластов совпадала с границей раздела элементарных слоев.
Определяем напряжение от собственного веса грунта pzq,o и дополнительное напряжение p0 в уровне подошвы фундамента.
pzq,o=·d=18,2·2,1= 38,22 кПа;
p0=p-pzq,o=189,52- 38,22= 151,3 кПа;
Вычисляем дополнительные напряжения pzp на границах выделенных слоев:
Результаты расчета сводим в таблицу 7;
и т.д.(см. табл.7).
Для определения величины осадки фундамента вычисляем среднее дополнительное выражение в каждом элементарном слое:
Осадку фундамента определяем по формуле:
прил.4[2].
где - безразмерный коэффициент, корректирующий упрощенную схему расчета, и принимаемый равным 0,8 для всех видов грунтов.
Таблица 5
|
№
|
Z,м
|
hb
|
2z/b
|
|
pzp
|
|
pzq
|
0,2 pzq
|
pzрср
|
Е,МПа
|
S,м
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0,000
|
1
|
151,30
|
18,2
|
38,22
|
7,64
|
|
8120
|
|
|
|
1
|
0,7
|
0,7
|
0,389
|
0,9734
|
147,28
|
18,2
|
50,96
|
10,19
|
149,29
|
8120
|
0,01180
|
|
|
2
|
1,4
|
0,7
|
0,778
|
0,859
|
126,51
|
18,2
|
63,7
|
12,74
|
136,89
|
8120
|
0,00931
|
|
|
3
|
2,1
|
0,7
|
1,167
|
0,7068
|
89,42
|
18,2
|
76,44
|
15,29
|
107,96
|
8120
|
0,00601
|
|
|
4
|
2,8
|
0,7
|
1,556
|
0,56
|
50,07
|
18,2
|
89,18
|
17,84
|
69,75
|
8120
|
0,00311
|
|
|
5
|
3,5
|
0,7
|
1,944
|
0,4426
|
22,16
|
18,2
|
101,92
|
20,38
|
36,12
|
8120
|
0,00132
|
|
|
6
|
4
|
0,5
|
2,222
|
0,3773
|
8,36
|
18,2
|
111,02
|
22,20
|
15,26
|
8120
|
0,00034
|
|
|
7
|
4,7
|
0,7
|
2,611
|
0,3023
|
2,53
|
18,2
|
123,76
|
24,75
|
5,44
|
7200
|
0,00015
|
|
|
5,4
|
0,7
|
3,000
|
0,2456
|
0,62
|
20
|
137,76
|
27,55
|
1,57
|
7200
|
0,00003
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого:
|
0,03207
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого с коэффициентом
|
0,025655
|
|
|
Рис. 4. Расчетная схема к определению осадки фундамента под крайнюю колонну методом послойного суммирования
4.5.2 Определение конечных осадок фундаментов под среднюю колонну
Определить методом послойного суммирования осадку прямоугольного фундамента с размерами b=3,9 м; a=5,4 м. Глубина заложения фундамента d=1,5 м. Среднее давление по подошве фундамента р= 215,65кПа.
На геологический профиль наносим контуры фундамента. Разделяем в первом приближении сжимаемую толщу основания на элементарные слои, толщиной h1=(0,2-0,4)·b=0,2·3,9=0,7 м. При этом мощность элементарных слоев может быть различной и назначается таким образом, чтобы границы раздела пластов совпадала с границей раздела элементарных слоев.
Определяем напряжение от собственного веса грунта pzq,o и дополнительное напряжение p0 в уровне подошвы фундамента.
pzq,o=·d=18,2·2,1 = 38,22 кПа;
p0=p-pzq,o=215,65- 38,22 = 177,43 кПа;
Вычисляем дополнительные напряжения pzp на границах выделенных слоев:
Результаты расчета сводим в таблицу 7;
и т.д.(см. табл.7)
Для определения величины осадки фундамента вычисляем среднее дополнительное выражение в каждом элементарном слое:
и т.д.(см. табл.7).
Осадку фундамента определяем по формуле:
прил.4[2].
где - безразмерный коэффициент, корректирующий упрощенную схему расчета, и принимаемый равным 0,8 для всех видов грунтов.
Таблица 6
|
№
|
Z,м
|
hb м
|
2z/b
|
|
pzp
|
кН/м3
|
pzq кПа
|
0,2 pzq
|
pzрср
|
Е,МПа
|
S,м
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0,000
|
1
|
177,43
|
18,2
|
38,22
|
7,64
|
|
8120
|
|
|
|
1
|
0,7
|
0,7
|
0,359
|
0,9755
|
173,08
|
18,2
|
50,96
|
10,19
|
175,26
|
8120
|
0,01400
|
|
|
2
|
1,4
|
0,7
|
0,718
|
0,877
|
151,79
|
18,2
|
63,7
|
12,74
|
162,44
|
8120
|
0,01123
|
|
|
3
|
2,1
|
0,7
|
1,077
|
0,7164
|
108,75
|
18,2
|
76,44
|
15,29
|
130,27
|
8120
|
0,00752
|
|
|
4
|
2,8
|
0,7
|
1,436
|
0,6038
|
65,66
|
18,2
|
89,18
|
17,84
|
87,20
|
8120
|
0,00421
|
|
|
5
|
3,5
|
0,7
|
1,795
|
0,4863
|
31,93
|
18,2
|
101,92
|
20,38
|
48,80
|
8120
|
0,00195
|
|
|
6
|
4
|
0,5
|
2,051
|
0,4149
|
13,25
|
18,2
|
111,02
|
22,20
|
22,59
|
8120
|
0,00054
|
|
|
7
|
4,7
|
0,7
|
2,410
|
0,3355
|
4,44
|
18,2
|
123,76
|
24,75
|
8,85
|
7200
|
0,00028
|
|
|
5,4
|
0,7
|
2,769
|
0,2761
|
1,23
|
20
|
137,76
|
27,55
|
2,84
|
7200
|
0,00006
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого:
|
0,039785
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого с коэффициентом
|
0,031828
|
|
|
Рис. 5. Расчетная схема к определению осадки фундамента под среднюю колонну методом послойного суммирования
Определение неравномерности деформаций фундаментов мелкого заложения
Условие выполняется.
5. Конструирование фундамента и расчет его на прочность
5.1 Назначение предварительных геометрических размеров фундамента
5.1.1 Назначение предварительных геометрических размеров фундамента под крайнюю колонну
Размеры подколонника согласно табл. 4.24 [3
Площадь подошвы фундамента:
Рабочая высота плитной части:
Глубина стакана:
Конструкция фундамента показана на рис. 6.
Рис. 6. Размеры проектируемого фундамента под крайнюю колонну
Рис. 7. Размеры проектируемого фундамента под среднюю колонну
5.1.2 Назначение предварительных геометрических размеров фундамента под среднюю колонну
Размеры подколонника согласно табл. 4.24 [3
Площадь подошвы фундамента:
Рабочая высота плитной части:
Глубина стакана:
Конструкция фундамента показана на рис. 7.
5.2 Расчет фундамента на продавливание
5.2.1 Расчет фундамента на продавливание фундамента под крайнюю колонну
Для фундамента с многоступенчатой плитной частью пирамида продавливания показана на рис.8. Расчет на продавливание производиться из условия:
где - продавливающая сила,
- рабочая высота нижний ступени фундамента, А0
/
- площадь многоугольника ABCDEG,
/
Максимальное краевое давление на грунт при сочетание N=2867,82кН, M= -724,58кНм, Q= -164,42кН:
Тогда
Задаемся маркой бетона В25 с Rbt = 1,05 МПа. С учетом гb2 =0,9 и гb4 =0,85
Rbt = 1,05•0,9•0,85=0,803 МПа.
Тогда:
Условие выполняется.
Принимаем трехступенчатый фундамент с высотой плитной части 1,05 м.
Для внецентренно нагруженного фундамента расчет на продавливание производиться из условия:
где - продавливающая сила, А0 - площадь многоугольника ABCDEG,
Максимальное краевое давление на грунт при сочетание N=2867,82кН, M= -724,58кНм, Q= -164,42кН:
Тогда Задаемся маркой бетона В25 с Rbt = 1,05 МПа. С учетом гb2 =0,9 и гb4 =0,85
Rbt = 1,05•0,9•0,85=0,803 МПа.
Тогда:. Принятый фундамент удовлетворяет условию прочности на продавливание.
Рис. 8. Схемы образования пирамиды продавливания
5.2.2 Расчет фундамента на продавливание фундамента под среднюю колонну
Для фундамента с многоступенчатой плитной частью пирамида продавливания показана на рис.9. Расчет на продавливание производиться из условия:
Рис. 9. Схемы образования пирамиды продавливания
где - продавливающая сила,
- рабочая высота нижний ступени фундамента, А0 - площадь многоугольника ABCDEG,
Максимальное краевое давление на грунт при сочетание N=3657,08 кН, M= -354,24кНм, Q=-65,88 кН.
Тогда
Задаемся маркой бетона В25 с Rbt = 1,05 МПа. С учетом гb2 =0,9 и гb4 =0,85
Rbt = 1,05•0,9•0,85=0,803 МПа.
Тогда:
Условие выполняется.
Принимаем трехступенчатый фундамент с высотой плитной части 1,05 м. Для внецентренно нагруженного фундамента расчет на продавливание производиться из условия:
где - продавливающая сила, А0 - площадь многоугольника ABCDEG,
Максимальное краевое давление на грунт при сочетание N=3657,08 кН, M= -354,24кНм, Q=-65,88 кН.
Тогда
Задаемся маркой бетона В25 с Rbt = 1,05 МПа. С учетом гb2 =0,9 и гb4 =0,85
Rbt = 1,05•0,9•0,85=0,803 МПа.
Тогда:
Принятый фундамент удовлетворяет условию прочности на продавливание.
5.3 Определение площади сечений арматуры плитной части фундамента
5.3.1 Определение площади сечений арматуры плитной части фундамента под крайнюю колонну
Расчетные усилия на уровне подошвы принимаем без учета веса фундамента:
N=2867,82кН, M= -724,58кНм, Q= -164,42кН:
Определим максимальное давление на грунт:
Площадь сечений рабочей арматуры в обоих направлениях определяется из расчета на изгиб консольного выступа плитной части фундамента в сечениях на грани колонны (подколонника) и по граням ступеней от действия давления грунта.
Площадь сечения арматуры на всю ширину фундамента определяется по формуле:
,
где - изгибающий момент в рассматриваемом сечении консольного выступа;
- рабочая высота рассматриваемого сечения от верха ступени до центра арматуры;
Изгибающий момент, определяемый в направлении :
Изгибающий момент, определяемый в направлении :
,
Где - длина консоли от края фундамента до расчетного сечения; - максимальное краевое давление на грунт; - давление на грунт в расчетном сечении;
Момент сопротивления в направление l :
Момент сопротивления в направление b :
, где
Для первой ступени:
; кПа;
; кПа;
кНм;
кНм;
Для второй ступени:
; кПа;
; кПа;
кНм;
кНм;
Для третей ступени:
; кПа;
; кПа;
кНм;
кНм;
мм2
В направлении большей стороны принимаем арматуру класса А-II, площадью мм2 , 28O16, с шагом 180 мм.
мм2
В направлении меньшей стороны принимаем арматуру класса А-II, площадью мм2, 22 O18, с шагом 150 мм.
Рис. 10. Схема к определению сечений арматуры
5.3.2 Определение площади сечений арматуры плитной части фундамента под среднюю колонну
Расчетные усилия на уровне подошвы принимаем без учета веса фундамента:
N=3657,08 кН, M= -354,24кНм, Q=-65,88 кН.
Определим максимальное давление на грунт:
Площадь сечений рабочей арматуры в обоих направлениях определяется из расчета на изгиб консольного выступа плитной части фундамента в сечениях на грани колонны (подколонника) и по граням ступеней от действия давления грунта.
Площадь сечения арматуры на всю ширину фундамента определяется по формуле:
,
где - изгибающий момент в рассматриваемом сечении консольного выступа; - рабочая высота рассматриваемого сечения от верха ступени до центра арматуры;
Изгибающий момент, определяемый в направлении :
Изгибающий момент, определяемый в направлении :
,
Где - длина консоли от края фундамента до расчетного сечения; - максимальное краевое давление на грунт; - давление на грунт в расчетном сечении;
Момент сопротивления в направление l :
Момент сопротивления в направление b :
, где
Для первой ступени:
; кПа;
; кПа;
кНм;
кНм;
Для второй ступени:
; кПа;
; кПа;
кНм;
кНм;
Для третей ступени:
; кПа;
; кПа;
кНм;
кНм;
мм2
В направлении большей стороны принимаем арматуру класса А-II, площадью мм2 , 28O16, с шагом 180 мм.
мм2
В направлении меньшей стороны принимаем арматуру класса А-II, площадью мм2, 22 O18, с шагом 160 мм.
Рис. 11 Схема к определению сечений арматуры
6. Проектирование свайных фундаментов
6.1 Определение глубины заложения ростверка
Нормативная глубина промерзания грунтов для г. Екатеринбурга составляет м. Расчетная глубина промерзания зависит от теплового режима здания и определяется по формуле:
,
где - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания, принимаемый по [3, табл. 1].
м.
Исходя из конструктивных требований верх подколонника должен быть заглублен на 0,15 м ниже отметки чистого пола. Глубина стакана для заделки колонны сечением 600 х 400 мм, принимается равной м. Толщина плитной части ростверка при назначении предварительных размеров должна приниматься не менее 0,4 м. Следовательно исходя из конструктивных требований, минимальная глубина заложения подошвы ростверка составит:
м
Окончательно глубину заложения свайного ростверка принимаем 1,5 м. Эта глубина удовлетворяет как конструктивным требованиям, так и условию сезонного промерзания грунта.
6.2 Подбор типа сваи и определение ее несущей способности
В качестве несущего слоя целесообразно принять слой песка средней крупности. Тогда, длина забивной сваи с учетом заглубления в несущий слой 1,2 м составит:
м.
Принимаем сваю длиной 13 м.
Принимаем забивную сваю типа по ГОСТ 19804.1-79 длиной 13 м, сечением 35 х 35 см с заглублением в песок средней крупности на 1,2 м. При этом свая будет висячей. Погружение свай будет осуществляться дизельным молотом.
Несущая способность висячей забивной сваи определяется в соответствии со СНиП 2.02.03-85 как сумма всех расчетных сопротивлений грунтов под нижним концом свай и на ее боковой поверхности по формуле:
,
где - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1;
- коэффициент условий работы соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, принимаемые для забивных свай, погружаемых дизельными молотами без лидерных скважин, и ;
- площадь опирания сваи на грунт, принимаемая равной площади поперечного сечения сваи, м2;
- наружный периметр поперечного сечения сваи, м;
- расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое по [4. табл.1];
- расчетное сопротивление i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, принимаемое по [4. табл.2];
- толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи;
Рис. 12. Расчетная схема для определения несущей способности висячей сваи
Расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи зависит от вида и состояния грунта и от глубины погружения сваи. Глубина погружения нижнего конца сваи определяется от уровня природного рельефа и будет равна 14,2 м. Табличные значения для песка на глубине 14,2 м составляет 4360 кПа.
Расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности сваи определяется как сумма сопротивлений отдельных слоев, соприкасающихся со сваей. Основание разбиваем таким образом, чтобы каждый расчетный слой был однородным и имел толщину не более двух метров. В соответствии с этими требованиями разобьем основание, окружающее сваю, на расчетные слои. Значение определяется для каждого расчетного слоя отдельно, причем на глубине, соответствующей глубине расположения середины расчетного слоя по [4. табл.2].
Таблица 7
|
№ слоя
|
|
|
|
|
|
1
|
6,375
|
1,5
|
9,5625
|
|
|
2
|
7,875
|
1,5
|
11,8125
|
|
|
3
|
10,31
|
1,6
|
16,496
|
|
|
4
|
37,25
|
1,5
|
55,875
|
|
|
5
|
38,6875
|
1,5
|
58,03125
|
|
|
6
|
39,8125
|
2
|
59,71875
|
|
|
7
|
9,15
|
2
|
18,3
|
|
|
8
|
69,9
|
1,2
|
139,8
|
|
|
Сумма
|
369,596
|
|
|
Определим несущую способность сваи по грунту:
кН;
7. Определение количества свай в свайном фундаменте
7.1 Определение количества свай в свайном фундаменте под среднюю колонну
Количество свай в фундаменте в первом приближении определяется без учета действия горизонтальной силы и момента по формуле:
,
где - расчетное значение вертикальной составляющей внешних нагрузок;
- несущая способность сваи; - коэффициент надежности, принимаемый при определении несущей способности сваи по грунту равным
свай.
Учитывая, то что на фундамент передается горизонтальная нагрузка и момент, количество свай необходимо увеличить на 20 %.
Общее количество свай в фундаменте составит: свай.
Рис. 13. Расчетная схема свайного фундамента
Для дальнейших расчетов принимаем куст из 6 свай .
При компоновке свайного куста исходим из условия, что расстояние между осями забивных свай должно быть не менее . Как видно из рис. 12 размеры в плане плитной части ростверка, объединяющего куст из 6 свай сечением 350 х 350 мм, равны 1800 х 2700 мм. Собственный вес ростверка и грунта на его уступах приближенно может быть определен по формуле:
,
где и - соответственно ширина и длина ростверка; - глубина заложения подошвы ростверка; - усредненное значение удельного веса железобетона ростверка и грунта на уступах, принимаемое, кН/м3; - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый 1,1.
кН;
Расчетная сжимающая сила в плоскости подошвы ростверка будет равна:
кН,
а суммарный момент:
кНм;
Зная расчетные нагрузки, действующие в плоскости подошвы ростверка, количество свай и их расположение, определяем нагрузку, передаваемую на любую сваю в кусте по формуле:
кН;
Расчетную нагрузку воспринимаемую крайними сваями необходимо повысить на 20 % в связи с учетом ветровых и крановых нагрузок. Поэтому условие обеспечения несущей способности по грунту для крайних свай будет иметь вид:
кН
Несущая способность сваи по грунту обеспечена. Недоиспользование несущей способности сваи составляет 20,4 %.
7.2 Расчет осадки свайного фундамента под среднюю колонну
Расчет осадки отдельно стоящих фундаментов из висячих свай в соответствии со СНиП2.02.03-85 производится как для условного фундамента на естественном основании методом послойного суммирования. Причем, определяется средняя осадка фундамента от действия только вертикальной силы без учета момента.
Границы условного фундамента определяются снизу плоскостью АБ, проходящей через нижние концы сваи, с боков вертикальными плоскостями АВ и БГ, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии равном:
.
Осредненное расчетное значение угла внутреннего трения слоев грунта, прорезаемых сваями, определяется по формуле:
,
где - расчетные значения углов внутреннего трения для отдельных слоев грунта толщиной пройденных сваей;
- глубина погружения свай в грунт.
Расчетное значение угла внутреннего трения определяется путем деления нормативного значения на коэффициент надежности по грунту. В расчетах по деформациям этот коэффициент принимается равным единице. Поэтому расчетное значение ,численно равно .
Тогда, размеры условного фундамента в плане будут равны:
м;
м;
Площадь условного фундамента:
м2.
Собственный вес условного свайного массива может быть определен по формуле:
кН;
Среднее давление под подошвой условного фундамента:
кН/м2
Расчетное сопротивление грунта под подошвой условного фундамента определим по формуле:
; ; ; ; кН/м3; кПа; м; ;
Осредненное значение удельного веса грунта выше подошвы условного фундамента:
кН/м3
Коэффициенты ; ; ;
кПа
Условие удовлетворено.
Природные напряжения от действия собственного веса грунта определяются по формуле:
,
где - удельный вес -го слоя грунта, толщиной .
Природное напряжение в уровне подошвы условного фундамента будет равно:
кПа;
Природные напряжения в любой точке на глубине ниже подошвы условного фундамента можно определить по формуле:
,
где - удельный вес слоя, залегающего ниже подошвы условного фундамента.
Дополнительное напряжение под подошвой условного фундамента равно:
кПа;
Дополнительные напряжения с глубиной затухают и их значения определяются по формуле:
Коэффициент для каждого рассматриваемого слоя, расположенного на глубине от подошвы фундамента, определяется в зависимости от параметров:
и
Для построения эпюры дополнительных напряжений вся толща ниже подошвы условного фундамента разбивается на элементарные слои. Толщиной элементарного слоя должна быть не более . При этом каждый однородный слой должен быть однородным.
Примем толщину элементарных слоев 0,9 м.
Активная зона, в пределах которой учитывается сжатие грунта, определяется из условия . Результаты расчета сводим в таблицу 8.
Рис. 14. Схема к расчету осадки отдельно стоящего фундамента под среднюю колонну
Осадка условного фундамента определяется по формуле:
,
где - среднее напряжение в - том слое грунта, кПа;
- толщина - го слоя грунта, м;
- модуль деформации - го слоя грунта, кПа;
- коэффициент принимаемый равным 0,8;
- число элементарных слоев, на которые разбита сжимаемая толща.
Необходимое условие расчета свайного фундамента по предельному состоянию выполняется.
Таблица 8
|
№
|
Z,м
|
hb м
|
2z/b
|
|
pzp
|
кН/м3
|
pzq кПа
|
0,2 pzq
|
pzрср
|
Е,МПа
|
S,м
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0,000
|
1
|
178,21
|
19,9
|
278,47
|
55,69
|
|
21990
|
|
|
|
1
|
0,9
|
0,9
|
0,389
|
0,9355
|
166,72
|
19,9
|
296,38
|
59,28
|
172,46
|
21990
|
0,00596
|
|
|
2
|
1,8
|
0,9
|
0,778
|
0,7479
|
124,69
|
19,9
|
314,29
|
62,86
|
145,70
|
21990
|
0,00408
|
|
|
3
|
2,7
|
0,9
|
1,167
|
0,6004
|
74,86
|
19,9
|
332,2
|
66,44
|
99,78
|
21990
|
0,00216
|
|
|
4
|
3,6
|
0,9
|
1,556
|
0,41007
|
30,70
|
19,9
|
350,11
|
70,02
|
52,78
|
21990
|
0,00081
|
|
|
5
|
4,5
|
0,9
|
1,944
|
0,2893
|
8,88
|
19,9
|
368,02
|
73,60
|
19,79
|
21990
|
0,00000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,01302
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого с коэффициентом
|
0,01041
|
|
|
7.3 Определение количества свай в свайном фундаменте под крайнюю колонну
Количество свай в фундаменте в первом приближении определяется без учета действия горизонтальной силы и момента по формуле:
,
где - расчетное значение вертикальной составляющей внешних нагрузок;
- несущая способность сваи; - коэффициент надежности, принимаемый при определении несущей способности сваи по грунту равным
свай.
Рис. 15. Расчетная схема свайного фундамента
Учитывая, то что на фундамент передается горизонтальная нагрузка и момент, количество свай необходимо увеличить на 20 %.
Общее количество свай в фундаменте составит:
свай.
Для дальнейших расчетов принимаем куст из 5 свай .
При компоновке свайного куста исходим из условия, что расстояние между осями забивных свай должно быть не менее .
Как видно из рис.14 размеры в плане плитной части ростверка, объединяющего куст из 5 свай сечением 350 х 350 мм, равны 2400 х 2400 мм.
Собственный вес ростверка и грунта на его уступах приближенно может быть определен по формуле:
,
где и - соответственно ширина и длина ростверка; - глубина заложения подошвы ростверка; - усредненное значение удельного веса железобетона ростверка и грунта на уступах, принимаемое, кН/м3; - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый 1,1.
кН;
Расчетная сжимающая сила в плоскости подошвы ростверка будет равна:
кН,
а суммарный момент:
кНм;
Зная расчетные нагрузки, действующие в плоскости подошвы ростверка, количество свай и их расположение, определяем нагрузку, передаваемую на любую сваю в кусте по формуле:
кН;
Расчетную нагрузку воспринимаемую крайними сваями необходимо повысить на 20 % в связи с учетом ветровых и крановых нагрузок. Поэтому условие обеспечения несущей способности по грунту для крайних свай будет иметь вид:
кН
Несущая способность сваи по грунту обеспечена. Недоиспользование несущей способности сваи составляет 6,43 %.
7.4 Расчет осадки свайного фундамента под крайнюю колонну
Расчет осадки отдельно стоящих фундаментов из висячих свай в соответствии со СНиП2.02.03-85 производится как для условного фундамента на естественном основании методом послойного суммирования. Причем, определяется средняя осадка фундамента от действия только вертикальной силы без учета момента.
Границы условного фундамента определяются снизу плоскостью АБ, проходящей через нижние концы сваи, с боков вертикальными плоскостями АВ и БГ, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии равном:
.
Осредненное расчетное значение угла внутреннего трения слоев грунта, прорезаемых сваями, определяется по формуле:
,
где - расчетные значения углов внутреннего трения для отдельных слоев грунта толщиной пройденных сваей;
- глубина погружения свай в грунт.
Расчетное значение угла внутреннего трения определяется путем деления нормативного значения на коэффициент надежности по грунту. В расчетах по деформациям этот коэффициент принимается равным единице. Поэтому расчетное значение ,численно равно .
Тогда, размеры условного фундамента в плане будут равны:
м;
м;
Площадь условного фундамента:
м2.
Собственный вес условного свайного массива может быть определен по формуле:
кН;
Среднее давление под подошвой условного фундамента:
кН/м2
Расчетное сопротивление грунта под подошвой условного фундамента определим по формуле:
; ; ; ; кН/м3; кПа; м; ;
Осредненное значение удельного веса грунта выше подошвы условного фундамента:
кН/м3
Коэффициенты ; ; ;
кПа
Условие удовлетворено.
Природные напряжения от действия собственного веса грунта определяются по формуле:
,
где - удельный вес -го слоя грунта, толщиной .
В случае если грунты залегают ниже уровня подземных вод, их удельный вес должен определяться с учетом взвешивающего действия воды.
Природное напряжение в уровне подошвы условного фундамента будет равно:
кПа;
Природные напряжения в любой точке на глубине ниже подошвы условного фундамента можно определить по формуле:
,
где - удельный вес слоя, залегающего ниже подошвы условного фундамента.
Дополнительное напряжение под подошвой условного фундамента равно:
кПа;
Дополнительные напряжения с глубиной затухают и их значения определяются по формуле:
Коэффициент для каждого рассматриваемого слоя, расположенного на глубине от подошвы фундамента, определяется в зависимости от параметров:
и
Для построения эпюры дополнительных напряжений вся толща ниже подошвы условного фундамента разбивается на элементарные слои. Толщиной элементарного слоя должна быть не более . При этом каждый однородный слой должен быть однородным.
Примем толщину элементарных слоев 0,9 м.
Активная зона, в пределах которой учитывается сжатие грунта, определяется из условия . Результаты расчета сводим в таблицу 9.
Таблица 9
|
№
|
Z,м
|
hb м
|
2z/b
|
|
pzp
|
кН/м3
|
pzq кПа
|
0,2 pzq
|
pzрср
|
Е,МПа
|
S,м
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0,000
|
1
|
144,31
|
19,9
|
278,47
|
55,69
|
|
21990
|
|
|
|
1
|
0,9
|
0,9
|
0,424
|
0,9504
|
137,16
|
19,9
|
296,38
|
59,28
|
140,74
|
21990
|
0,00499
|
|
|
2
|
1,8
|
0,9
|
0,847
|
0,777
|
106,57
|
19,9
|
314,29
|
62,86
|
121,86
|
21990
|
0,00344
|
|
|
3
|
2,7
|
0,9
|
1,271
|
0,578
|
61,60
|
19,9
|
332,2
|
66,44
|
84,08
|
21990
|
0,00181
|
|
|
4
|
3,6
|
0,9
|
1,694
|
0,4341
|
26,74
|
19,9
|
350,11
|
70,02
|
44,17
|
21990
|
0,00074
|
|
|
5
|
4,5
|
0,9
|
2,118
|
0,3479
|
9,30
|
19,9
|
368,02
|
73,60
|
18,02
|
21990
|
0,00000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,01097
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого с коэффициентом
|
0,00878
|
|
|
Осадка условного фундамента определяется по формуле:
,
где - среднее напряжение в - том слое грунта, кПа;
- толщина - го слоя грунта, м;
- модуль деформации - го слоя грунта, кПа;
- коэффициент принимаемый равным 0,8;
- число элементарных слоев, на которые разбита сжимаемая толща.
Рис. 16. Схема к расчету осадки отдельно стоящего фундамента под крайнюю колонну
Определение неравномерности деформаций свайных фундаментов
Условие выполняется.
8. Расчет железобетонного ростверка
8.1 Расчет железобетонного ростверка под крайнюю колонну
На продавливание колонной ростверк рассчитывается по формуле:
,
где - рабочая высота ростверка; - ширина и высота сечения колонны; - расстояние от соответствующих граней колонн до внутренних граней каждого ряда свай, принимаемые от до ; - безразмерные коэффициенты, принимаемые от 2,5 до 1.
Расчетные усилия в сваях от нагрузок на уровне верха ростверка:
кН;
Расчетное продавливающее усилие действующее на ростверк:
кН;
Расчетное продавливающее усилие воспринимаемое ростверком (бетон В25
кН;
кН;
Изгибающие моменты относительно граней ступеней и колонны соответственно:
кНм;
кНм;
мм2;
мм2;
Принимаем арматуру класса А-III, площадью мм2 , 17 O20, с шагом 140 мм.
Принимаем арматуру класса А-III, площадью мм2 , 17 O20, с шагом 140 мм.
Рис. 17. Схема к расчету железобетонного ростверка под крайнюю колонну
8.2 Расчет железобетонного ростверка под среднюю колонну
На продавливание колонной ростверк рассчитывается по формуле:
,
где - рабочая высота ростверка;
- ширина и высота сечения колонны;
- расстояние от соответствующих граней колонн до внутренних граней каждого ряда свай, принимаемые от до ;
- безразмерные коэффициенты, принимаемые от 2,5 до 1.
Расчетные усилия в сваях от нагрузок на уровне верха ростверка:
кН;
Расчетное продавливающее усилие действующее на ростверк:
кН;
Расчетное продавливающее усилие воспринимаемое ростверком (бетон В20)
кН;
кН;
Рис. 17. Схема к расчету железобетонного ростверка под среднюю колонну
Изгибающие моменты относительно граней ступеней и колонны соответственно:
кНм;
кНм;
мм2;
мм2;
Принимаем арматуру класса А-III, площадью мм2 , 16 O20, с шагом 110 мм.
Принимаем арматуру класса А-III, площадью мм2 , 19O14, с шагом 160 мм.
9. Подбор молота для погружения свай
Определим минимальную энергию удара, необходимую для погружения свай по формуле:
,
где - коэффициент равный 25;
- расчетная нагрузка, допускаемая на сваю.
Дж;
По техническим характеристикам принимаем трубчатый дизель-молот С-1048И с энергией удара 52 кДж. Полный вес молота Н, вес ударной части кН.
Вес свай С13-35 40,3 кН. Вес наголовника примем 2 кН.
Расчетная энергия удара дизель-молота С-995:
,
где - высота падения ударной части молота.
кДж.
Проверка пригодности принятого молота производится по условию:
,
где - расчетная энергия удара;
- полный вес молота;
- вес сваи и наголовника;
- коэффициент, принимаемый равным 6.
Принятый трубчатый дизель-молот С-1048И обеспечивает погружение сваи С13-35.
10. Определение проектного отказа свай
Проектный отказ необходим для контроля несущей способности сваи в процессе производства работ, если фактический отказ при испытании свай динамической нагрузкой окажется больше проектного, то несущая способность сваи может оказаться необеспеченной.
Формула для определения проектного отказа имеет вид:
,
где - коэффициент, принимаемый для железобетонных свай 1500;
- площадь поперечного сечения ствола сваи;
- коэффициент равный 1;
- коэффициент надежности, принимаемый при определении несущей способности сваи, равным 1,4;
- расчетная энергия удара;
- расчетная нагрузка, допускаемая на сваю;
- масса молота;
- масса сваи и наголовника;
- масса подбабка;
- коэффициент восстановления удара, принимаемый 0,2;
Технико-экономическое сравнение принятого решения фундаментов.
Оптимальное проектное решение принимается по минимуму приведенных затрат. Технико-экономическая оценка дается по стоимости и трудоемкости. Показатели стоимости и трудоемкости в расчете на один фундамент для фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов приведены в следующих таблицах:
Удельные показатели стоимости и трудоемкости основных видов работ при устройстве фундаментов мелкого заложения.
Таблица 8
|
Наименование работ
|
Объем, м3
|
Стоимость, руб.
|
Трудоемкость, чел.-дн.
|
|
|
Разработка грунтов глубиной до 3м.
|
5150,08
|
1,8
|
0,23
|
|
|
Устройство песчаной подготовки под фундамент
|
25,75
|
4,8
|
0,11
|
|
|
Устройство ж/б фундаментов
|
986,688
|
29,6
|
0,72
|
|
|
ИТОГО
|
|
38599,7088
|
1897,76626
|
|
|
Удельные показатели стоимости и трудоемкости основных видов работ при устройстве свайных фундаментов.
Таблица 9
|
Наименование работ
|
Объем, м3
|
Стоимость, руб.
|
Трудоемкость, чел.-дн.
|
|
|
Разработка грунтов глубиной до 3м.
|
3577,38
|
1,8
|
0,23
|
|
|
Устройство песчаной подготовки под ростверки
|
22,36
|
4,8
|
0,11
|
|
|
Погружение ж/б свай в грунты I группы длиной до 12м
|
120,75
|
85,2
|
0,89
|
|
|
Устройство столбчатых монолит. ж/б ростверков В15
|
368,928
|
29,6
|
0,72
|
|
|
ИТОГО
|
|
27754,781
|
1198,3527
|
|
|
Сравнив результаты расчета, принимаем за основной вариант применение свайных фундаментов, как более эффективное и выгодное по сравнению с применением свайных фундаментов.
Список литературы
1. Методические указания. Оценка грунтовых условий площадки строительства.
2. СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений/ Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 50 с.
3. Основания, фундаменты и подземные сооружения/ М.И. Горбунов-Посадов, В.А. Ильичев, и д.р.; Под общ. ред. Е.А. Сорочана. - М.: Стройиздат, 1985. - 480 с. (Справочник проектировщика).
4. Сорочан Е.А. Фундаменты промышленных зданий. - М.: Стройиздат, 1986. - 303 с.
5. Цытович Н.А., Березанцев В.Г., Далматов Б.И. и др. Основания и фундаменты. - М.: Высшая школа, 1970. - 383 с.
6. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник/ С.Б. Ухов и др. - М., 1994. - 527 с.
7. СНиП 2.07.01-85 Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987. - 40 с.
8. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции. / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 80 с.
9. СНиП 2.02.03 - 85 Свайные фундаменты. / М.: Стройиздат, 1985.
