Определение размеров фундамента

3.1.1.  Определение размеров фундамента

-    Определяем площадь фундамента:

где: кН/м³ – среднее значение удельного веса материала фундамента и грунта на его уступах.

-    Определяем ширину фундамента:

.

-    Расчетное сопротивление грунта под фундаментом:

где:  - коэффициент условий работы грунтового основания, табл. 15/2/;

 - коэффициент условий работы здания во взаимодействии с основанием, табл. 15/2/, зависящий от вида грунта и отношения:.

k=1,1 – коэффициент надежности, п. 2.174/8/.

  - коэффициенты, зависящие от , табл.16/2/;

, при b<10м (b=4,33м - ширина подошвы фундамента).

- расчетное значение удельного веса грунта, залегающего ниже подошвы фундамента.

 - расчетное значение удельного веса грунта, залегающего выше подошвы фундамента:

d₁ – приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле:

;

где: h_s– толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;

 – расчетное значение удельного веса материала пола подвала, ;

 – толщина конструкции пола подвала, м.

.

d_b=2м – глубина подвала(т.к. глубина подвала 2,2м, что больше 2м);

- Ширина фундамента при R₁= 237,6кПа

Значение R₂ отличается от предыдущего значения R₁ на 3,5%, что меньше 5%,

Выбираем плиту ФЛ.32.12, шириной 3,20 м, высотой 0,50 м. Поскольку высота плиты 0,50 м, то отметка подошвы фундамента изменится Следовательно окончательная глубина заложения фундамента равна 4,1 м.

-        Фактическое давление под подошвой фундамента:

кПа;

.

Условие, необходимое для расчета по деформациям, выполняется. Производить расчет на прерывистость не требуется.

3.1.2 Определение сечения арматуры подошвы фундамента

 

Рис.2. К определению сечения арматуры.

Принимаем арматуру Æ16 S400(A_s=20,1см²) с шагом 100мм. Распределительную арматуру принимаем Æ6 S400 с шагом 250мм.

  3.1.3Определение осадки фундамента

Строим эпюру распределения напряжений от собственного веса грунта в пределах глубины  ниже подошвы фундамента.

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта определяют в характерных горизонтальных плоскостях:

-        отметка подошвы фундамента:

кПа;

-        на подошве второго слоя:

кПа;

-        на отметке уровня подземных вод:

кПа;

-        на подошве третьего слоя:

 кПа;

где: - удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды:

кН/м³

-        на кровле четвертого слоя (водоупор , т.к. J_L = 0,24 < 0,25. ):

 кПа;

-        на подошве четвертого слоя

 кПа;

Далее определяем дополнительное (вертикальное) напряжение в грунте под подошвой фундамента по формуле:

,

где: 235кПа; 68,01кПа

тогда: кПа.

Толщину грунта ниже подошвы фундамента разбиваем на слои , толщиной 0,4b:

.

Эпюру распределения дополнительных вертикальных напряжений в грунте строим используя формулы:

где: - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента от веса вышележащих слоев.

где:  - коэффициент, принимаемый по табл. 55 /8/ в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента  и относительной глубины, равной .

Вычисление  для любых горизонтальных сечений ведем в табличной форме (табл. 3)

По полученным результатам строим эпюру  и определяем нижнюю границу сжимаемой зоны (В.С.). Она находится на горизонтальной плоскости, где соблюдается условие: .

Так как расчеты не дали результатов, то нижнюю границу сжимаемой зоны определяем графическим способом (см. рис.3).

Определяем осадку основания каждого слоя по формуле:

 

где: - безразмерный коэффициент для всех видов грунтов.

Осадка основания фундамента получается суммированием величины осадки каждого слоя:

где: - предельно допустимая осадка сооружения;  (для многоэтажных бескаркасных сооружений с несущими стенами из крупных панелей СНБ 5.01.01.-99 т. Б.1.).

.

Условие выполняется, т.е. деформации основания меньше допустимых.

Таблица 3.

Суглинок мягкопластичный
0		0	1			-	163,35	71,65	14,33	8400	-
70		0,44	0,967			70	157,96	84,93	16,99		1,354
Глина тугопластичная
128		0,8		0,881		58	143,91				0,243
256		1,6	0,642			128	104,87			18000	0,597
370		2,31		0,493		114	80,53	117,39	23,48		0,443
Глина полутвёрдая (водоупор)
370	2,31				0,93	0	80,53	144,39	28,88		0
384		2,4	0,477			14	77,92			21000	0,042
512		3,2		0,374		128	61,09				0,289
640		4	0,306			128	49,99				0,244
710		4,44		0,278		70	45,41	212,73	42,55		0,121
Песок крупный
747		4,669		0,265		37	43,29	216,72	43,34	41000	0,031

Осадка основания  - условие выполняется .

Рис.3. К определению осадки фундамента методом послойного суммирования.

3.2 Проектирование свайных фундаментов 3.2.1 Определение глубины заложения ростверка

По схематической карте нормативная глубина промерзания: м. Расчетная глубина м.

Принимаем глубину заложения ростверка .

3.2.2 Определение длины сваи.

где: - глубина заделки сваи в ростверк

- глубина забивки сваи в несущий слой грунта

- расстояние от подошвы ростверка до несущего слоя грунта

.

Принимаем сваю С60, 3-2 (с поперечным армированием 4Æ10 S400).

3.2.3 Определение несущей способности сваи

где: U – периметр поперечного сечения сваи, U=1,2м;

- коэффициент работы сваи в грунте;

А – площадь поперечного сечения сваи, ;

- коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи;

h_i – толщина i-ого слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

f_i – расчетное сопротивление i-ого слоя грунта по боковой поверхности сваи, кПа.

При z₀=8,9м; R=2600кПа; A×R=0,09×2600=234кН.

Таблица 4

z0,м			fi,кПа	hi,м
3,15			6,65	0,3		1,995
4,05			8,95	1,5		13,43
5,8			36,1	2		72,2
7,3			37,8	1,00		37,8
8,35		53,44			1,1	58,78
						184,21

Рис.4. К выбору глубины заложения ростверка.

Расчетно-допустимая нагрузка на сваю:

где:  - для промышленных и гражданских сооружений.

Определяем количество свай:

Принимаем 2 сваи.

Расчетное усилие на сваю по материалу можно определять из условия:

;

где: m – коэффициент условий работы сечения, равный 1,0;

j - коэффициент продольного изгиба ствола, равный 1,0;

R_b=10,67МПа (для бетона марки )

А_b=0,09м² – площадь поперечного сечения бетона;

R_S =365МПа (S400); A_s=5,03см²=0,000503м² .

.

Так как несущая способность сваи по грунту меньше несущей способности сваи по материалу:  < , то количество свай определено верно.

В дальнейших расчетах принимаем меньшее значение .

3.2.4 Проектирование ростверка

т.к. а_р < 3×d=3×0,3=0,9 м, то располагаем сваи в два ряда, а с учетом плана фундамента здания принимаем расстояние между сваями 1000мм – по осям А, В, Г, Е и 900 мм – по оси 9 (сечение 3-3).

Рис.5. Двухрядное размещение свай.

Расчет фактического давления на сваю будем вести по осям А, В, Г, Е, т.к. расстояние между сваями там наибольшее и, следовательно, нагрузка будет больше.

Фактическое давление на сваю:

Т.к. проверка выполняется, то количество свай не меняем.

3.2.5 Определение осадки фундамента методом эквивалентного слоя

Должно соблюдаться условие .

Определяем средневзвешенное значение угла внутреннего трения:

Определяем ширину условного фундамента:

Определяем вес условного фундамента:

Определим объём и вес ростверка и свай:

;

Определим объём условного фундамента:

Определим объём и вес грунта:

Определяем вес условного фундамента:

 

Среднее давление по подошве условного массивного фундамента:

Уточняем расчетное сопротивление грунта по формуле:

где:  - коэффициент условий работы грунтового основания, табл. 15/2/;

 - коэффициент условий работы здания во взаимодействии с основанием, табл. 15/2/, зависящий от вида грунта и отношения:.

k=1,1 – коэффициент надежности, п. 2.174/8/.

 - коэффициенты, зависящие от , табл.16/2/;

, при b<10м (b=2,07м - ширина подошвы фундамента).

- расчетное значение удельного веса грунта, залегающего ниже подошвы фундамента.

 

- расчетное значение удельного веса грунта, залегающего выше подошвы фундамента:

d₁ – приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле:

;

где: h_s– толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;

 – расчетное значение удельного веса материала пола подвала, ;

 – толщина конструкции пола подвала, м.

.

d_b=2м – глубина подвала;

<, т.е. условие выполняется.

Дополнительное вертикальное напряжение на уровне подошвы условного фундамента:

.

Мощность эквивалентного слоя вычисляется по формуле:

;

где: 1,38- коэффициент эквивалентного слоя табл. 7.2. /1/

.

Осадку свайного фундамента вычисляют по формуле:

где:  - коэффициент относительной сжимаемости грунта;

;

где:  (для глины ).

 

Рис.6. К определению осадки свайного фундамента.

3.2.6 Расчет ростверка по прочности

Изгибающие моменты в ростверке и поперечную силу на грани сваи, возникающие в период строительства, определяем по формулам:

 

где: q_k – расчетная равномерно распределенная нагрузка от здания на уровне низа ростверка:

l – расстояние между сваями в осях, м.

d – сечение сваи, м.

Расчёт на эксплуатационные нагрузки производится в зависимости от местных условий по различным расчётным схемам. Для всех схем нагрузок величина а (длина полу основания эпюры нагрузки), м, определяется по формуле:

где: E_p – модуль упругости бетона ростверка, кПа;

I_p – момент инерции сечения ростверка;

E_k – модуль упругости стеновых панелей над ростверком, кПа;

B_k - ширина панели крупнопанельной стены или цоколя;

0,0314 – коэффициент, имеющий м/см;

Максимальную ординату эпюры нагрузки над гранью сваи Ро для схемы №4 принимаем равной q₀:

Определение опорного и пролётного моментов, а также поперечной силы от нагрузок, возникающих в период строительства, производится по следующим формулам:

По полученным значениям M и Q проверяем принятое сечение ростверка, подбирают продольную и поперечную арматуру.

По Q проверяем выбор высоты ростверка:

- условие выполняется.

Расчёт армирования ленточного ростверка.

Верхнюю арматуру рассчитываем по опорному моменту:

Нижнюю арматуру рассчитываем по пролётному моменту:

Рис.7. Эпюры опорного, пролётного моментов и поперечной силы.

3.2.7 Выбор сваебойного оборудования и определение отказа свай

Определяем минимальную энергию удара Э:

;

где: a - коэффициент равный 25 Дж/кН;

Р=325,04кН – расчетная допускаемая нагрузка на сваю;

По табл. 8.29-8.322 /8/ подбираем молот, энергия удара которого соответствует расчетной минимальной.

Имеем – трубчатый дизель-молот С-995 со следующими характеристиками:

-        масса ударной части – 1250 кг;

-        высота подскока ударной части – 2800…2000 мм;

-        энергия удара – 19,00 кДж;

-        число ударов в минуту – не менее 44;

-        масса молота с кошкой – 2600 кг.

Далее производим проверку пригодности принятого молота по условию:

где: G_h – полный вес молота, Н;

G_b – вес сваи, наголовника и подбабка, Н;

k_m – коэффициент принимаемый по табл. 8.33 /8/ и k_m=6;

Э_р – расчетная энергия удара, Дж;

где: G'_h - вес ударной части молота, кН;

h_m – фактическая высота падения ударной части молота, м.

Имеем:

Для контроля несущей способности свайных фундаментов и окончательной оценки применимости выбранного молота определяем отказ свай:

где: S_a – остаточный отказ, равный значению погружения сваи от одного удара молота;

h - коэффициент принимаемый по табл. 10 СНиП /13/ в зависимости от материала сваи h=1500 кН/м²;

А – площадь, ограниченная наружным контуром сплошного или полого поперечного сечения ствола сваи, м² А=0,3×0,3=0,09м²;

E_d – расчетная энергия удара молота Е_d=31,5 кДж;

F_d – несущая способность сваи F_d=455,05 кН;

М – коэффициент, принимаемый при забивке свай молотами ударного действия, равный 1;

m₁ – вес молота, кН;

m₂ – вес сваи и наголовника, кН;

m₃ – вес подбабка, m₃=1 кН.

e – коэффициент восстановления удара при забивке ж/б свай молотами ударного действия с применением наголовника с деревянными вкладышами e²=0,2.

 

3.3 Проектирование фундаментов на искусственном основании

 

3.3.1 Принимаем, в качестве искусственного основания песчаную подушку.

Глубину заложения фундамента подбираем с учетом климатических условий (глубина промерзания ) и конструктивных особенностей фундамента (Принимаем фундаментную плиту высотой 0,3м и три фундаментных блока высотой 0,6м. Причем фундамент выступает над планировочной отметкой на высоту 1,2м.). Исходя из выше изложенных условий принимаем глубину заложения фундамента на расстоянии 3м от планировочной отметки.

В качестве материала подушки принимаем песок крупный со следующими характеристиками:

 

Степень влажности:

следовательно, основанием является песок крупный, средней плотности маловлажный.

Определим нормативные значения прочностных и деформационных характеристик грунта песчаной подушки:

по. т. 10 /2/: кПа; по. т. 8 /2/: Е=35 МПа, по. т. 12 /2/: кПа.

Рис.8. К определению глубины заложения фундамента на искусственном основании.

3.3.2 Определяем ориентировочные размеры фундамента

-        Определяем площадь фундамента

где: кН/м³ – среднее значение удельного веса материала фундамента и грунта на его уступах.

-        Определяем ширину фундамента:

;

-        Расчетное сопротивление грунта под фундаментом:

;

где:  - коэффициент условий работы грунтового основания табл. 43 /8/;

-коэффициент условий работ здания во взаимодействии с основанием, зависящий от вида грунта и отношения: .

k=1,1 – коэффициент надежности по п. 2.174 /8/;

-коэффициенты, зависящие от , табл.16/2/;

k_z=1; при b<10м (b=1,44м - ширина подошвы фундамента)

- расчетное значение удельного веса грунта, залегающего ниже подошвы фундамента.

 - расчетное значение удельного веса грунта, залегающего выше подошвы фундамента:

d₁ – приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле:

;

где: h_s– толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;

 – расчетное значение удельного веса материала пола подвала, ;

 – толщина конструкции пола подвала, м.

.

d_b=2м – глубина подвала;

- Ширина фундамента при R₁= 968,5 кПа

Вычисленное значение R₂ отличается от предыдущего значения на 0,3%<5%, поэтому полученную ширину округляем до большего стандартного размера фундаментной плиты.

Выбираем плиту ФЛ.6.12-2, шириной 0,60м, высотой 0,3м. Поскольку высота плиты 0,3м, то отметка подошвы фундамента не изменится.

-        Фактическое давление под подошвой фундамента:

кПа

.

Т.к. расчетная ширина фундамента не совпадает с шириной плиты 0,6м не требуется расчет на прерывистость.

3.3.3 Расчет размеров песчаной подушки

В курсовом проекте в качестве искусственных оснований рекомендуется принимать:

а) песчаные подушки – если основание сложено сильносжимаемыми связными (с показателем текучести J_L>0.5) грунтами и насыпными грунтами;

б) поверхностное уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками – если основание сложено рыхлыми песчаными и насыпными (песчаными) грунтами;

в) глубинное уплотнение грунтов песчаными сваями – если основание сложено водонасыщенными рыхлыми мелкими и пылеватыми песками.

Т.к. в нашем случае первый слой суглинок текучепластичный с показателем текучести J_L>0.5, то первый слой заменяем песчаной подушкой полностью (см.рис.8). Толщина грунтовой подушки для замены грунта назначаем

3.3.4 Определение сечения арматуры подошвы фундамента

Рис.9. К определению сечения арматуры.

Принимаем арматуру Æ8 S400(A_s=5,03см²) с шагом 100мм. Распределительную арматуру принимаем Æ5 S400 с шагом 150мм.

3.3.5 Проверка прочности подстилающего слоя грунта

Прочность подстилающего слоя грунта проверяем на глубине 3,70м ниже планировочной отметки.

.

Для определения на глубине z = 2,50м, находим:

  .

Тогда

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на кровле подстилающего слоя:

Расчетное сопротивление грунта R_z на кровле подстилающего слоя грунта, с характеристиками:

определим по формуле:

;

где:  - коэффициент условий работы грунтового основания табл. 43 /8/;

-коэффициент условий работ здания во взаимодействии с основанием, зависящий от вида грунта и отношения

k=1,1 – коэффициент надежности по п. 2.174 /8/;

 - коэффициенты, зависящие от , табл.16/2/;

k_z=1; при b<10м;

 

Проверяем условие: 234,04+75,69=309,73кПа, <R_z=319,76кПа.

Условие выполняется – прочность подстилающего слоя обеспечена.

3.3.6 Расчет осадки фундамента

Расчет осадки ведем методом послойного суммирования.

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта определяют в характерных горизонтальных плоскостях:

-        отметка подошвы фундамента:

кПа;

-        на подошве песчаной подушки:

кПа;

-        на подошве второго слоя:

кПа;

-        на отметке уровня подземных вод:

кПа;

-        на подошве третьего слоя:

 кПа;

где: - удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды:

кН/м³

 

-        четвертый слой (водоупор)

 кПа

-        на подошве четвертого слоя

 кПа

Далее определяем дополнительное (вертикальное) напряжение в грунте под подошвой фундамента по формуле

,

где: 876кПа; 51,9кПа

тогда: кПа.

Толщину грунта ниже подошвы фундамента разбиваем на слои , толщиной 0,4b:

.

Эпюру распределения дополнительных вертикальных напряжений в грунте строим используя формулы:

где: - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента от веса вышележащих слоев.

где:  - коэффициент, принимаемый по табл. 55 /8/ в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента  и относительной глубины, равной .

По полученным результатам строим эпюру  и определяем нижнюю границу сжимаемой зоны. Она находится на горизонтальной плоскости, где соблюдается условие: .

Так как расчеты не дали результатов, то нижнюю границу сжимаемой зоны определяем графическим способом (см. рис.11).

Определяем осадку основания каждого слоя по формуле:

 

где: - безразмерный коэффициент для всех видов грунтов.

Осадка основания фундамента получается суммированием величины осадки каждого слоя:

где: - предельно допустимая осадка сооружения;  (для многоэтажных бескаркасных сооружений с несущими стенами из крупных панелей СНБ 5.01.01.-99 т. Б.1.).

.

Условие выполняется, т.е. деформации основания меньше допустимых.

Табл. 5

Z,см	=2·Z/b	α	hi,см	кПа	кПа		0,2·		Еi, кПа		Si, см
Песок крупный , средней плотности
0	0	1	0	824,1	51,9		10,38				-
24	0,8	0,881	24	725,9					35000		0,398
48	1,6	0,642	24	529							0,29
72	2.4	0,477	24	393,05							0,216
96	3.2	0,374	24	302,2							0,169
120	4	0,306	24	252,1							0,138
130	4,33	0,285	10	234,8	57,69		15,14				0,054
Суглинок мягкопластичный
144	4,8	0,258	14	212,6					8400		0,283
168	5,6	0,223	24	183,8							0,42
180	6	0,206	12	169,7	84,79		16,96				0,194
Глина тугопластичная
192	6,4	0,196	12	161,5							0,086
216	7,2	0,175	24	144,2							0,154
240	8	0,158	24	130,2				18000		0,081
264	8,8	0,144	24	118,6							0,127
288	9,6	0,132	24	108,7							0,116
312	10,4	0,121	24	99,7							0,106
336	11,2	0,112	24	92,29							0,098
360	12	0,104	24	85,7	105,89		21,18				0,091
480	16	0,064	120	55,7	117,9		23,6				0,297
Глина полутвёрдая (водоупор)
480	16	0,064	0	55,7	144,99		28,99		21000		0
555	18,5	0,039	75	32,14	160,07		32,01				0,092

Рис.10. К определению осадки фундамента.

4. СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ

Наименование работ	Единицы измерения	Объём работ	Стоимость на ед. измерения	Общая стоимость
Фундамент на естественном основании.
1. Разработка грунта под фундамент: а) при глубине выработки 4,1 м, что > 2 м. б) при ширине траншеи 3,5 м, что > 1 м.  2. Устройство трапецеи-дальных блоков ленточ-ных фундаментов.  3. Устройство бетонных фундаментных блоков.	м3 м3 м3	14,93 0,96 3,6	7,49 46,50 36,00	111,77 44,64 129,6 S=286,01
Свайный фундамент.
1. Разработка грунта под фундаменты (глубина 3 м, ширина 2,1 м). 2. Забивка ж/б свай глубиной 6 м.  3. Устройство монолит-ного ж/б ростверка.  4. Устройство бетонных фундаментных блоков.	м3 м3 м3 м3	5,04 0,54 0,42 3,3	4,32 88,40 31 36,00	21,77 47,74 13,02 118,8 S=201,33
Фундамент на искусственном основании.
1. Разработка грунта под фундаменты (глубина 3 м, ширина 1,0 м). 2. Устройство песчаной подушки. 3. Устройство трапецеи-дальных блоков ленточ-ных фундаментов. 4. Устройство бетонных фундаментных блоков.	м3 м3 м3 м3	4,2 6,825 0,18 3,3	4,32 7,20 46,50 36,00 S=	18,14 49,14 8,37 118,8 194,45

По результатам сравнения вариантов наиболее экономичным по затратам на устройство является фундамент на искусственном основании.