2. Вариант фундамента мелкого заложения

Для расчета выбираем фундамент №1 в осях ”А”-”2” – отдельно стоящий, под металлическую колонну размером 1200*600 мм, наиболее нагруженный.

Расчет ведем по второму предельному состоянию.

2.1 Расчетная схема

Рис.6 – Расчетная схема фундамента №1 и грунтовые условия (скв. Ф-т 1)

2.2 Определение глубины заложения фундамента

а) Учет инженерно - геологических условий

Первый слой – растительный слой - в качестве естественного основания использоваться не может, поэтому основанием будет являться следующий слой - глина коричневая пылеватая

б) Учет промерзания грунта

Глубина промерзания грунтов в г.Уфа 1,8м

Согласно п.2.27 [1], нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5м ее нормативное значение допускается определять по формуле:

=0.23*= 1,68м, где - величина, принимаемая для глин – 0,23 (п.2.27[ 1 ])

- безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений отрицательных температур за зиму, принимаемых по [3],

Расчетная глубина промерзания =0,54*1,68=0,91м, где

=0.54 – коэффициент, учитывающий тепловой режим помещения (табл.1[ 1 ])

Расчетная температура внутреннего воздуха: t_в= 18ºС /9, табл.1/.

в) Учет грунтовых вод

УГВ находится на глубине 5,5м, что больше (d_f+2), значит по табл.2 [1] глубина заложения фундамента должна быть не менее d_f.

д) Учет конструкции фундамента

Фундамент монолитный железобетонный стаканного типа под стальную колонну.

Рисунок 7 – конструктивные размеры

h_з=l_k·k=600·1,2=720мм

Глубина стакана: 720+50=780мм.

Толщина днища стакана 200мм

d_{констр.}200+780=980(мм)

д) Учет соседних конструкций

Рядом с фундаментом соседних конструкций нет.

Окончательно принимаем глубину заложения фундаментов равной d=2,1м

2.3 Определение размера подошвы фундамента

Определение размеров подошвы фундамента выполняем графическим методом Лалетина, построив графики зависимостей P(b) и R(b).

Определяем размеры подошвы фундамента исходя из условия, что давление под подошвой фундамента меньше расчетного сопротивления основания.

1) Давление на основание от подошвы фундамента определяется по формуле:

, где

N_0II – внешняя расчетная нагрузка, равная 282 тс,

k – коэффициент, учитывающий наличие расчетных изгибающих моментов M_0II и расчетных горизонтальных нагрузок Т_0II, в зависимости от значения эксцентриситета равнодействующей относительно центра подошвы, определяемого по формуле:

.

Для е=0.07 k=1.2

_ср – среднее значение удельного веса бетона и грунта по нижнему обрезу фундамента, равное 2т/м³,

d - глубина заложения фундамента, равная 2,1 м,

b – ширина фундамента,

 - коэффициент, равный: = l_k /b_k = 1200/600= 2 - отношение сторон монтируемой в фундамент колонны;

2) Расчетное сопротивление грунта

R(b)=(_c1·_c2/k)·(M_·k_z·b·_II+M_q·d₁·_II'+M_c·c_II), где

- коэффициенты условий работы, определяются по табл.3 [1]:

при L_зд/Н_зд=20,4/24=0,85 для глин с J_L=0,15 ; ;

, т.к. прочностные характеристики определены непосредственными испытаниями;

при b < 10 м;

M, Mq , Mc - коэффициенты, принимаемые по табл.4 [1], при

М = 0.43; Мq = 2.73; Mc = 5.31;

b - ширина подошвы фундамента, м

_II = 2 –расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, тс/м3

_II' = 2 тс/м3 - расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы, т/м3

с_II = 0,47 тс/м2 – расчетное значение удельного сцепления грунта, непосредственно залегающего под подошвой фундамента.

d_I =2,1 м - глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки, тогда:

R(b)=1,25·1,2·(0,43·1·b·2+2,73·2,1·2+5,31·4,7)=1,29b+54,63

Таблица 1 - Значения Рср и R при произвольном значении b

b, м	Pср, т/м^2	R, т/м^2
1	173,4	55,85
1.5	79,4	56,49
2	46,5	57,14
2.5	31,272	57,79
3	23	58,434

Рисунок 8 – Графоаналитическое решение (метод Н.В. Лалетина)

Из графика ширина фундамента b = 1.8 м.

Принимаем b = 4,6 м кратно модулю 300

Окончательно принимаем размеры подошвы фундамента .

2.4 Конструирование фундамента

Рисунок 9 - Конструирование фундамента

2.5 Фактическое давление под подошвой фундамента.

Объем фундамента

V_ф=4,6*4*0,3+3,4*2,8*0,3+2,2*1,6*0,9+0,6*1,8*0,9=12,516м³

Объем грунта на обрезах фундамента

V_гр=4,6*4*2,1-12,516=26,124 м³

Вес фундамента N_ф=2,4*12,51=30,04 т

Вес грунта N_гр=26,124*2=52,248 т

= (282+52,248+30,04)/4,6*4=19,79 т/м²

Фактическое сопротивление грунта под подошвой

_ф=1,29b+54,63=1,29*4+54,63=59,79 т/м²

; – условие выполняется.

2.6 Учет внецентренного нагружения

Рисунок 10 – Расчетная схема внецентренно-нагруженного фундамента

- центрально нагруженный фундамент.

Условие выполняется.

2.7 Проверка прочности слабого подстилающего слоя

Слабый подстилающий слой может служить естественным основанием, если выполняется условие:

σ_{z p}+ σ_zg ≤ R_z, где

σ_{z p} и σ_zg вертикальные напряжения в грунте на глубине z=1,75 м от подошвы фундамента соответственно от нагрузки на фундамент и от собственного веса

σ_z – расчетное сопротивление грунта пониженной прочности на глубине z

Вычисленное для условного фундамента шириной b_z , равной

b_z= где

A_z=N/σ_zp – площадь подошвы условного фундамента

Рисунок 11 – Проверка прочности слабого подстилающего слоя

N – вертикальная нагрузка на основание от фундамента

a=( l - b)/2 где l и b длина и ширина фундамента

a=(4,6-4)/2=0,3 м

σ_{z p}=Р₀* где Р₀ - дополнительное вертикальное давление

Р₀=Р_ср-σ_zg0 где Р_ср=19,79 т/м² - среднее давление по подошве

σ_zg0=2*2,1=4,2 т/м² – вертикальное напряжение от

собственного веса грунта на подошве фундамента

- коэффициент, учитывающий изменения дополнитель-

ного давления нагрузки, учитывающий форму подошвы

фундамента

Р₀=19,79-4,2=15,59 т/м²

σ_zg=(d+z)* =( 1,75+2,1)*2=7,7 т/м²

=2z/b=2*1,75/4=0,935 , η=l/b=4,6/4=1,15 тогда = 0,757 (Прил2 табл1[ 1 ])

σ_zp= 19,79*0,757=14,98 т/м²

A_z=N/σ_zp=364,28/14,98 =24,32 м²

b_z==4,64 м

=0,29*b*1.82+2.17*2.1*2+4.69*1=0,527*4,64+21,91=24,36 т/м²

σ_{z p}+ σ_zg=14,98 +7.94=22,68 т/м² < 24,36 т/м²

Суглинок может служить естественным основанием.

2.8 Определение осадки фундамента

Для определения осадки используем метод послойного элементарного суммирования.

Расчет производится по формуле:

S=·(_zpi·h_i)/E_i,

β - безразмерный коэффициент, равный 0,8

- среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-ом слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней Zi-1 и нижней Zi границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента

hi и Ei - соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта.

Суммирование производим до глубины, на которой выполняется условие: _zp<0,2·_zg,

т.к. Е > 5 МПа (50 кгс/см²) согласно п.6 прил.2 [1].

Напряжения в грунте от его веса определяются по формуле _zg= 'd_n + (_i·h_i).

_zp=α·Pо= α·(P_ср-_zg,о), п.2 прил.2 [1],

где  - коэффициент, принимаемый по табл.1 прил.2 [1],

_zg,o = 'd_n= 2·2,36=4,72 тс/м2

'-удельный вес грунта, расположенного выше подошвы; d_n-глубина заложения фундамента от поверхности природного рельефа.

_zp= α·(19,79-4,72)= α·15,07тс/м²

Грунтовую толщу разбиваем на слои h=(0,20,4)b=(0,81,6)м.

Таблица 2 – Расчет осадки

Zi, м	2z/b	l/b	α	zp, тс/м²	zg, тс/м²	0,2zg, тс/м²	hi, м	Ei, тс/м²	Si, м
0	0	1,15	1	15,070	4,720	0,944	0	1800	0,0000
1	0,5	1,15	0,927	13,970	6,720	1,344	1	1800	0,0062
2	1	1,15	0,726	10,941	8,675	1,735	1	1800	0,0049
3	1,5	1,15	0,518	7,806	10,495	2,099	1	500	0,0125
4	2	1,15	0,365	5,501	11,243	2,249	1	500	0,0088
5	2,5	1,15	0,267	4,024	11,735	2,347	1	500	0,0064
6	3	1,15	0,2	3,014	12,315	2,463	1	1800	0,0013
7	3,5	1,15	0,155	2,336	12,895	2,579	1	1800	0,0010
								∑Si=	0,0412

Полученная осадка меньше допустимой Sдоп.=12см.

S_p=0,0412 м < S_доп=0,12 м

Условия выполняются – увеличения размеров подошвы фундамента не требуется.

Рисунок 12 – Расчет осадки фундамента

2.9 Проверка на действие сил морозного пучения

Рисунок 13 - Проверка на действие сил морозного пучения

Рассматриваемый грунт (глина) является сильнопучинистым, т.к. S_r=0,99>0,9.

Устойчивость фундамента на действие касательных сил пучения проверяется по формуле:

_fh·A_δi  0.9N_I + R_fj·A_δj,

где _fh =72кПа=7,2тс/м² - значение удельной расчетной касательной силы пучения, определяется по таблице 9 [10],

A_δi - площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины сезонного промерзания грунтов:

А_δj- площадь вертикальной поверхности сдвига в слое грунта ниже расчетной глубины промерзания

Для незавершенного строительства (нормативная глубина промерзания – 1.68м):

А_δi =(2,2+1,6)*0,9*2+(3,4+2,8)*0,18*2+(1,8+0,9)*0,6*2=12,31м²

А_δj=(4.6+4)·0.3*2+(3,4+2,8)*0,12*2=6,648м²

F - расчетная постоянная нагрузка, с учетом γ_n=0,9:

_с,_п - коэффициенты условий работы и надежности, равные 1,1,

где R_fj =4,2 тс/м² - расчетное сопротивление талых грунтов сдвигу по боковой поверхности, принимаем по таблице 2 [3],

Для незавершенного строительства выражение принимает вид:

7,2·12,31 0,3*0,9·282+4,2·6,648

88,632<104,06

условие выполняется

Для завершенного строительства (расчетная глубина промерзания – 0,91м):

А_δi =(1,8+0,9)*0,6*2+(2,2+1,6)*0,31*2=5,596м²

А_δj==(4.6+4)·0.3*2+(3,4+2,8)*0,3*2+(2,2+1,6)*0,59*2=13,364

Для незавершенного строительства выражение принимает вид:

7,2·5,596 0,9·282+4,2·13,364

40,29<309,93

условие выполняется

2.10 ТЭП фундамента мелкого заложения

Рисунок 14 – Схема для подсчета объемов земляных работ

Для глины φ=76º при глубине до 3 метров; Примем φ=60º

F1=(4,6+1,6)(4+1,6)==34,72м² - площадь по низу котлована;

F2=8,615*8,014=69,04м² - площадь по верху котлована;

Vгр=2.1/3(34.72+69.04+√34.72*69.04)=106.9 м³

Vф=12.516 м³

Стоимость земляных работ за 1м³ при глубине выработки до 2м. и ширине фундамента 1м. равна руб. При ширине фундамента больше 1м. стоимость увеличивается на 7%.

Скотл.=106,9*3,85 = 411,56*7%=440,37 руб.

Стоимость возведения фундамента за 1м³ бетонных работ руб.

Сфунд.= 12,516*31,10 =389,24руб.

Общая стоимость возведения фундамента:

Собщ.=Скотл.+Сфунд.= 440,37+ 389,24= 829,6 руб.

3. Вариант свайного фундамента. Забивные сваи

Рассчитываем фундамент №1 в осях ”А”-”2” – отдельно стоящий, под металлическую колонну размером 1200*600 мм, наиболее нагруженный.

Расчетная схема и грунтовые условия показаны на рис. 9. Нагрузки на обрез

фундамента: N0II = 282 т, Т0II = 2 т, М0II = 7,5 т·м, N0I = 338 т, Т0I = 7,2 т,

М0I = 9,0 т·м.

Глубина нормативного промерзания грунта dfn = 1,68 м.

3.1 Расчетная схема

Рис. 15. Расчетная схема и грунтовые условия

3.2 Выбор глубины заложения ростверка

Определяем глубину заложения ростверка dр. Принимаем заделку колонны в ростверке 900, заделку головы сваи в ростверк 500 (жесткая), так, как есть

момент и горизонтальная сила. Таким образом, исходя из конструктивных

условий, dр > 900 + 500 + 250 (рис. 9). Так как глубина нормативного

промерзания dfn = 1,68 м, окончательно принимали dр = 2.0 м (низ его расположен выше уровня грунтовых вод и ниже глубины промерзания) (рис. 10).

3.3 Выбор типа и размера

Исходя из ИГУ целесообразно использовать сваи трения, так как в основании нет скальных грунтов. Свая марки С 12–40 (ГОСТ 19804) с отметкой плоскости нижнего

конца минус 13,65 м и заделкой нижнего конца в слой № 4 на 6515 мм.

Длина сваи равна 12м, поперечное сечение сваи 400х400мм. Голова сваи разбивается, и стальная арматура заделывается в ростверк на 500мм.

3.4 Определение несущей способности одиночной сваи

Для расчета принимаем сваю С 12-40 , исходя из условия заглубления нижнего конца сваи в слой наиболее прочного грунта не менее чем на 1 м.

Несущая способность F_d забивной сваи определяется как сумма расчетных сопротивлений грунтов основания над нижним концом сваи и на ее боковой поверхности:

где

R=156 т/м² – расчетное сопротивление грунтов под нижним концом сваи;

A =0,4*0,4=0,16 м.– площадь поперечного сечения сваи;

U =0,4*4=1,6 м – наружный периметр поперечного сечения;

hⁱ - толщина i-го слоя грунта;

f - расчетное сопротивление i-го слоя грунта мощностью h по боковой поверхности сваи.

Коэффициенты условий работы сваи в грунте, грунта над острием сваи , грунта по боковой поверхности , для забивных свай принимается равным 1.

Значения R и f принимаются по таблицам 1 и 2 СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».

F_d=1*(1*156*0,16+1,6*(1,825*4,65+1,58*0,55+1,58*0,6+1,515*3,3+2*3,375+2*3,52+1*3,64))=77,324 т

Расчетная нагрузка , допустимая для сваи :

Р= F_d/ , где =1,4 – коофициент надежности

Рдоп=77,324/1,4=55,23 т

Определяем количество свай по формуле:

n=N₀₁/P n=338/55,23=6,1

Принимаем ростверк на 7 сваях С 12-40

3.5 Конструирование ростверка

Рисунок 16 - Конструирование фундамента

Определяем вес ростверка и грунта на нем :

V_р=15,6*1,05+2,8*0,95=19,04 м³

N_р=2,4*19,04=45,69 т

V_гр=15,6*0,95-2,8*0,95=12,16м³

N_гр=2,05*12,16=24,93 т

Уточнение нагрузки , действующей на одну сваю

N₁=(N₀₁+N_р+N_гр)/n=(338+19,04+24,93)/7=54,56 т

N₁=54,56 т < Р =55,23 т

Расчетная сжимающая сила

N_d=54,56*7=381,92 т

3.6 Учет внецентренного нагружения

Эксцентриситет приложения нагрузки определяется по формуле:

е=(М₁+Т₁·d_p)/(N₁+N_{р, +}N _гр)

Тогда

е=(9+7,2·2)/(338+45,69+24,93)=23,4/408,62=0,0926м>l/30 – внецентренное нагружение.

Нагрузку, приходящуюся на каждую сваю во внецентренно нагруженном фундаменте, определяем по формуле:

N_max,min =(N₁+N_гр+N_р)/n(M_x·y)/y_i²

где n - число свай, у - расстояние от главной оси фундамента до оси сваи, для которой определяется нагрузка, у_i - расстояние от оси фундамента до оси каждой сваи

M=M01+T01*dp

N_max,min=54.56(9.0+7.2*2)2.21/(1.1²·4+2.21²·2)=54.563.54

Nmax=58.1, Nmin=51.02тс

Nmax< 1,2Pдоп.=66.27тс

Nmin>0

Условие выполняется и изменений в конструкции ростверка не требуется.

3.7 Расчет свайных фундаментов и их оснований по деформациям.

Расчет свайного фундамента и его основания производим как для условного фундамента на естественном основании

=(18*1,825+14*3.16+30*6.515)/(1,825+3.16+6.515)=23.69⁰

α=/4=5,9⁰ tg5,9⁰=0,103

Размеры подошвы условного фундамента

L=a+2*l*tgα=4.83+2*11.27*0,103=7.15 м

B= b+2*l*tgα =2.62+2*11.27*0,103=4.94 м

А=4.94*7.15=35.32 м²

Vусл=S*H=28.9*13.27=383.5

Vсв=0,4*0,4*11,27*7=12,62

Рисунок 17 – Расчетная схема

Осредненное значение удельного веса грунты в условном массиве

γоср=(γ1*l1+γ2*1.58+ γ2’*1.64 + γ w*1.64+γ3’*l3+ γ w*l3)/(l1+l2+l3)= (2*3.825+ 1.82*1.58+(1.82-1)/1.7* 1.58+1*1.64+(1.95-1)/1.64*6.515+1*6.515)/13.27=1.74т/м2

вес свай в условном фундаменте

N_св= Vсв *γжб=12,62*2,4=30,29 т

вес грунта в условном фундаменте

Nгр=(Vусл-Vсв-Vр)*γоср=(383.5-12,62-19.04)1.74=612.2

вертикальная составляющая нормативных сил в уровне нижних концов свай

N₁₁=N₀₁₁+N_p+N_св+N_гр=282+30.29+612.2+45.69=970.18т

среднее давление в уровне подошвы условного фундамента

Pср=N₁₁/S=970.18/28.9=33.57

Давление под подошвой условного фундамента должно быть меньше расчетного сопротивления грунта в уровне подошвы условного фундамента

P < R

R=1.15*0.58*7.15+5.59*0.58*13.27+7.95*0.4=50.97 т/м²

==(1.95-1)/(1+0.64)=0.58

P=33.57 т/м² < R=50.97 т/м²

Условие выполняется.

бытовое давление грунта на уровне подошвы условного фундамента

σzgo=2*3.62+(1.82-1)/1.7* 1.64+ 1.82*1.54+1*1.64+6.47*1.95=23,09

Р₀= Р_cр- σzgo =33.57-23,09=10,48 т/м²

Расчет ведем методом элементарного послойного суммирования, как и для фундамента мелкого заложения.

S=βΣБ_zpi*h_i/E_i

β=0,8 - безразмерный коэффициент

σ_zpi - среднее значение дополнительного нормального вертикального напряжения в i-ом слое грунта.

h_i и E_i толщина и модуль деформации i- ом слое грунта

σ_{z p}=Р₀* где Р₀ - дополнительное вертикальное давление

σ_zg=*d+Σ*h_i - вертикальное напряжение от собственного веса

грунта на границе z от подошвы

и h_i удельный вес и толщина i- ого слоя

l=7,15 м

b =4,94 м

l/b = 7,15/4,94 = 1,45

0,4*7,15=2,86 м

0,2*7,15=1,43 м принимаем толщину слоев 2 м .

Таблица 3 – Расчет осадки

Zi, м	2z/b	l/b	α	zp, тс/м²	zg, тс/м²	0,2zg, тс/м²	hi, м	Ei, тс/м²	Si, м
0	0,00	1,45	1	8.49	23,09	4,618	0	1800	0,0000
2	0,81	1,45	0,85	7.21	26,99	5,398	2	1800	0,0079
4	1,62	1,45	0,149	1,265	30,89	6,178	2	1800	0,0014
								∑Si=	0,0394

∑S=3,94см < S_доп=12 см Условие выполняется.

Рисунок 18 – Схема формирования напряженно-деформированного состояния

3.8 Определение проектного отказа свай и выбор оборудования.

Необходимая минимальная энергия удара молота :

E_min=1,75*a*N , где

a – коэффициент равный 25 кг*м/т

Pдоп – расчетная нагрузка допускаемая на сваю

E_min=1,75*25*55,23=2416,3 кг*м

Из прил. 2[ 7 ] выбираем трубчатый дизель молот С- 996 А с характеристиками : масса ударной части G=1,8 т

расчетная энергия удара E_d=4,536 т*м

общая масса молота m₁=3,5 т

расчетная энергия удара принята при высоте падения молота 2,8 м

принятый тип молота должен удовлетворять условию

(m₁+m₂)/E_d ≤ 6 где

m₂=0,16*11,77*2,4=4,52 т – масса сваи

(3,5+4,52)/4,536=1,76 ≤ 6

Условие выполняется , значит молот по энергии удара можно принять.

Назначение проектного отказа свай.

S_пр= , принимая для забивных железобетонных свай :

=150 ; m₃=0 ; E_d=0.9*G*H=0.9*2.8*G=2.52*G ; =0,2 получим:

S_пр= где,

А=0,16 м² – площадь поперечного сечения сваи

F_u=55,23 т- несущая способность забивной сваи

S_пр=150*0,16*1,8*(3,5+0,2*4,52)/(55,23*(55,23+150*0,16)*

( 3,5+4,52))= 0,005421= 6 мм > 2 мм.

Полученный проектный отказ находится в пределах от 2мм до 25мм, что обеспечивает стабильную работу дизель – молота.

3.9 Проверка свайного фундамента на действие сил морозного пучения.

Рисунок 19 – Расчетная схема

Устойчивость свайных фундаментов под действием сил морозного

пучения можно представить в виде:

F_пуч ≤ F_анк+0,9N где

F_анк= F_анк^пр/1,4- удерживающая сила анкеровки, где

F_анк^пр=γ_c*u*Σf_i*h_i

f_i – расчетное сопротивление талых грунтов сдвигу по боковой

поверхности

u = 1,6 м- периметр сваи

γ_c=0,8 – коэф. условий работы для свай длиной > 4 м

h_i – средняя глубина расположения слоя грунта

F_пуч= τ*A_н – выдергивающая сила пучения

τ – удельная касательная сила пучения, табл.11[ 7 ]

принятая для гладких поверхностей

А_н –площадь боковой поверхности сваи в промерзающем грунте

G_св =4.52 т – вес сваи

N – расчетная нагрузка на сваю

1 случай: N₀₁=338 т

d_f = d_fn =1,8 м

N=N₀₁+N_p+N_гр =338 +45,69 +24,93 =408,62 т

N_гр=24.93 т

N_р= 45.69 т

F_пуч =10,8*1,8*1,6*7=217,728 т

F_анк=7*1,6*(1,825*4,65+1,58*0,55+1,58*0,6+1,515*3,3+2*3,375+2*3,52+1*3,64)/1,4=261,66

F_пуч =217,728 < 0,5(261,66+0,9*408,62)=314,71 т

Условие устойчивости свайного фундамента под действием сил морозного пучения выполняется; дальнейшей проверки не требуется.

3.10 Технико-экономические показатели свайного фундамента.

Таблица 4 – Технико-экономические показатели

№	Наименование работ	Объем работ	Ед. изм.	Расценка руб./ед.изм.	Стоимость руб.
1	Разработка грунта под фундаменты	70,95	м^3	3-85	273-18
2	роатверки железобетонные монолитные под колонну	19,04	м^3	31-10	592-14
3	Железобетонные сваи до 12м длинной	12,62	м^3	88-40	115-61

Итого 1980-93 руб.

( Прил.1[ 5 ] )

Стоимость ФМЗ 829-60 руб.

Выбираем за основной вариант фундамент мелкого заложения.

4. Вариант фундамента на буронабивных сваях

4.1 Технология изготовления буронабивных свай с креплением стенок скважин от обрушения обсадными трубами.

Устройство буронабивных свай по данной технологии возможно в любых геологических и гидрогеологических условиях.

Наиболее рациональным является применение инвентарных труб для удержания стенок скважин, извлекаемых в процессе изготовления свай. Секции обсадных труб соединяются при помощи стыков специальной конструкции, а также с помощью сварки.

Погружаются обсадные трубы в процессе бурения скважины посредством забивки трубы в фунт.

Бурение скважины при изготовлении буронабивных свай осуществляется вращательным способом. При этом способе бурения вначале производится лидерная скважина на длину секции обсадной трубы, после чего в скважину погружается обсадная труба. Затем производится бурение следующего участка скважины, после чего наращивается и погружается в скважину очередная секция обсадной трубы. Таким образом ведется бурение до проектной отметки.

После зачистки забоя и установки в скважину арматурного каркаса скважина бетонируется.

Бетонирование ведется методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). При этом применяется секционное бетонирование трубы различных конструкций с герметичными стыками.

Бетонная смесь поступает в приемную воронку бетонолитной трубы по лотку непосредственно из автобетоносмесителя или накопительного бункера. По мере заполнения скважины бетоном обсадная труба извлекается. При этом специальная система гидродомкратов, смонтированных на буровом станке, сообщает колонне обсадных труб возвратно-поступательное и полувращательное движение, дополнительно уплотняя бетонную смесь.

По окончании бетонирования скважины, голова сваи формуется в специальном инвентарном кондукторе.

При бетонировании скважины в процессе изготовления буронабивных свай данным способом используется литая бетонная смесь с осадкой корпуса 16-20 см.

Технологию изготовления буронабивных свай – см. рис.12.

1) Установкой СП-45 с применением трёх шарошечных долот бурится скважина, для закрепления стенок используется обсадная труба.

2) После проходки скважины до проектной отметки, в неё отпускаются арматурные стержни.

3) Через воронку в скважину подается литой бетон порциями, каждую порцию уплотняют, а обсадную трубу поднимают.

Рис.20– Технология изготовления буронабивных свай

4.2 Расчетная схема и выбор типа сваи

Рассчитываем фундамент №1 в осях ”А”-”2” – отдельно стоящий, под металлическую колонну размером 1200*600 мм, наиболее нагруженный.

Расчетная схема и грунтовые условия показаны на рис. 9. Нагрузки на обрез

фундамента: N0II = 282 т, Т0II = 2 т, М0II = 7,5 т·м, N0I = 338 т, Т0I = 7,2 т,

М0I = 9,0 т·м.

Глубина нормативного промерзания грунта dfn = 1,68 м.

Рис. 21. Расчетная схема и грунтовые условия

Выбираем буронабивную висячую сваю длиной 11 м, заглубленную в песок на 5,515 м, диаметром 0,6м. Сваи изготавливаются из бетона марки В20.

4.3 Определение несущей способности сваи

Для сваи трения несущую способность по грунту определяем по формуле 11 [3]:

F_d=_c·(_cr·R·A+u·_cf·f_i·h_i),

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, для песчаных грунтов определяется по формуле 12, [3]:

R=0,75α₄(α₁₁^Id+ α₂α₃₁h)=0,75·0,265·(29,5·1,01·0,6+54,75·0,63·1,49·12,3)=129,2 тс/м²,

где α₁, α₂, α₃, α₄ – безразмерные коэф., принимаемые по табл.6,[3] в зависимости от угла внутреннего трения φ=30^о, h/d=12,3/0,6=20,5 и d=0,6 м,

₁^I = (2.66-1)/(1+0.64)=1.01– расчетное значение удельного веса грунта в основании сваи (с учетом взвешивающего действия воды),

₁=(2*2,025+1,82*1,475+(2.66-1)/(1+0.64)*5,33+(2.67-1)/(1+0.7)*1,685)/(2,025+1,475+1,685+5,33)=1.31 - осредненное значение удельного веса грунтов, расположенных выше конца сваи (с учетом взвешивающего действия воды),

d – диаметр сваи,

h – глубина заложения нижнего конца сваи от NL или DL;

А - площадь поперечного сечения сваи;

u - периметр сечения сваи;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи (табл. 2[3]);

h_i- толщина i-го слоя грунта;

Коэффициент условий работы сваи в грунте _с равен 0,8, коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи _cr равен 1, коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности _cf равен 0,7(глина) 0,8 (супесь, песок) для буронабивных свай.

Площадь поперечного сечения сваи А=3,14·0,6²/4=0,2826м²

Периметр сечения сваи u=3,14·1,4=1,884м.

h1=2,025м z1=2,75м f1=2,4тс/м²

h2=1,475м z2=4,5м f2=2,8тс/м²

h3=1,685м z3=6,5м f3=3,15тс/м²

h₄=1,8м z₄=8м f₄=3,3/м²

h₅=2 м z₅=9,785м f₄=3,39/м²

h₄=1,515м z₆=11,54м f₄=3,52/м²

F_d=0,8·(1·129,2·0,2826+1,884·(0,7*2,025·2,4+0,8*(1,475*2,8+1,685·3,15+1,8·3,3+2*3,39+1,515*3,52))=67,48тс. Расчетная нагрузка допускаемая на сваю:

Р=67,48/0,6=112,47тс.

Определяем количество свай в кусте:

Количество свай принимается минимально возможное – 4 шт.

Рис.13 – Конструирование ростверка

Определяем вес ростверка и грунта на нем :

V_р=9*1,05+2,8*0,75=11,55 м³

N_р=2,4*11,55=27,72 т

V_гр=9*0,75-2,8*0,75=4,65м³

N_гр=2,05*4,65=9,53 т

Уточнение нагрузки , действующей на одну сваю

N₁=(N₀₁+N_р+N_гр)/n=(338+27,72+9,53)/4=93,81 т

N₁=93,81 т < Р =112,47 т

Расчетная сжимающая сила

N_d=93,81*4=375,24 т

4.4 Расчет внецентренно нагруженного свайного фундамента

Эксцентриситет приложения нагрузки определяется по формуле:

е=(М₁+Т₁·d_p)/(N₁+N_{р, +}N _гр)

Тогда

е=(9+7,2·1,8)/(338+27,72+9,53)= 0,0585м>l/30 – внецентренное нагружение.

Нагрузку, приходящуюся на каждую сваю во внецентренно нагруженном фундаменте, определяем по формуле:

N_max,min =(N₁+N_гр+N_р)/n(M_x·y)/y_i²

где n - число свай, у - расстояние от главной оси фундамента до оси сваи, для которой определяется нагрузка, у_i - расстояние от оси фундамента до оси каждой сваи

M=M01+T01*dp

N_max,min=93,81(9.0+7.2*1,8)*0,9/(0,9²·4)=93,816.1

Nmax=99,91, Nmin=87,71тс

Nmax< 1,2Pдоп.=134,964тс

Nmin>0

Условие выполняется и изменений в конструкции ростверка не требуется.

4.5 Расчет осадки

Расчет свайного фундамента и его основания производим как для условного фундамента на естественном основании

=(18*2.025+14*3.16+30*5,315)/(2.025+3,16+5,315)=22,87⁰

α=/4=5,72⁰ tg5,72⁰=0,1

Размеры подошвы условного фундамента

L=B=a+2*l*tgα=2.4+2*10.5*0,1=4.5 м

А=4.5*4.5=20.25 м²

Vусл=S*H=20.25*10.5=212.625 м3

Vсв=0,2826*10.5*4=11.8692 м3

Рисунок 22 – Расчетная схема

Осредненное значение удельного веса грунта в условном массиве

γоср=(γ1*l1+γ2*1.475+ γ2’*1.685 + γ w*1.685+γ3’*l3+ γ w*l3)/(l1+l2+l3)= (2*3.825+ 1.82*1.475+(1.82-1)/1.7* 1.685+1*1.685+(1.95-1)/1.64*5.315+1*5.315)/12.3=1.725т/м2

вес свай в условном фундаменте

N_св= Vсв *γжб=11.87*2,4=28.49 т

вес грунта в условном фундаменте

Nгр=(Vусл-Vсв-Vр)*γоср=(212.625-11.87-11.55)1.725=326.37 т

вертикальная составляющая нормативных сил в уровне нижних концов свай

N₁₁=N₀₁₁+N_p+N_св+N_гр=282+27,72 +28.49 +326.37=664.58т

среднее давление в уровне подошвы условного фундамента

Pср=N₁₁/S=664.58/20.25=32.82 т/м²

Давление под подошвой условного фундамента должно быть меньше расчетного сопротивления грунта в уровне подошвы условного фундамента

P < R

R=1.15*4.5*0.58+5.59*0.58*12.3+7.95*0.4=46.06 т/м²

==(1.95-1)/(1+0.64)=0.58

P=32.82 т/м² < R=46.06 т/м²

Условие выполняется.

бытовое давление грунта на уровне подошвы условного фундамента

σzgo=2*3.825+ 1.82*1.475+(1.82-1)/1.7* 1.685+1*1.685+(1.95-1)/1.64*5.315 +1*5.315 =21,22

Р₀= Р_cр- σzgo =32,82-21,22=11,6 т/м²

Расчет ведем методом элементарного послойного суммирования, как и для фундамента мелкого заложения.

S=βΣσ_zpi*h_i/E_i

β=0,8 - безразмерный коэффициент

Б_zpi - среднее значение дополнительного нормального вертикального напряжения в i-ом слое грунта.

h_i и E_i толщина и модуль деформации i- ом слое грунта

σ_{z p}=Р₀* где Р₀ - дополнительное вертикальное давление

σ_zg=*d+Σ*h_i - вертикальное напряжение от собственного веса

грунта на границе z от подошвы

и h_i удельный вес и толщина i- ого слоя

0,4*4,5=1,8 м

0,2*4,5=0,9 м принимаем толщину слоев 1,5 м .

Таблица 5 – Расчет осадки

Zi, м	2z/b	l/b	α	zp, тс/м²	zg, тс/м²	0,2zg, тс/м²	hi, м	Ei, тс/м²	Si, м
0	0,00	1	1	21,22	23,09	4,618	0	1800	0,0000
1,5	0,67	1	0,818	17,358	26,015	5,203	1,5	1800	0,0116
3	1,33	1	0,496	10,5251	28,94	5,788	1,5	1800	0,0070
4,5	2,00	1	0,285	6,0477	31,865	6,373	1,5	1800	0,0040
								∑Si=	0,0398

∑S=3,98 см < S_доп=12 см

Условие выполняется.

Рисунок 23 - Схема формирования напряженно-деформированного состояния

Вывод: наиболее выгоден экономичный расчет по фундаментам мелкого заложения, поэтому оставшиеся фундаменты рассчитываем как фундаменты мелкого заложения

5. Расчет и конструирование фундаментов других сечений.

5.1 Фундамент №2

Расчетная схема

Колонна под фундамент № 2 расположена на пересечении осей Д-3.

Нагрузки на обрез фундамента принимаем по второму предельному состоянию

N₀₁₁=238 т ; M₀₁₁=-58 тм; T₀₁₁=-6,0 т

Рис.24 – Расчетная схема фундамента №2 и грунтовые условия (скв. Ф-Т2)

Так как фундамент устраивается под крайнюю колонну, его глубина заложения

должна быть не менее расчетной глубины промерзания грунта. Принимаем глубину заложения 2,1 м.

Расчет размеров подошвы фундамента.

Определение размеров подошвы фундамента выполняем графическим методом Лалетина, построив графики зависимостей P(b) и R(b).

Определяем размеры подошвы фундамента исходя из условия, что давление под подошвой фундамента меньше расчетного сопротивления основания.

1) Давление на основание от подошвы фундамента определяется по формуле:

, где

N_0II – внешняя расчетная нагрузка, равная 238 тс,

k – коэффициент, учитывающий наличие расчетных изгибающих моментов M_0II и расчетных горизонтальных нагрузок Т_0II, в зависимости от значения эксцентриситета равнодействующей относительно центра подошвы, определяемого по формуле:

.

Для е=0.077 k=1.2

_ср – среднее значение удельного веса бетона и грунта по нижнему обрезу фундамента, равное 2т/м³,

d - глубина заложения фундамента, равная 2,1 м,

b – ширина фундамента,

 - коэффициент, равный: = l_k /b_k = 1200/600= 2 - отношение сторон монтируемой в фундамент колонны;

2) Расчетное сопротивление грунта

R(b)= 1,29b+54,63

Значения Рср и R при произвольном значении b

b, м	Pср, т/м^2	R, т/м^2
1	173,4	55,85
1.5	79,4	56,49
2	46,5	57,14
2.5	31,272	57,79
3	23	58,434

Из графика ширина фундамента b = 1,75 м.

Принимаем b = 4,6 м кратно модулю 300

Окончательно принимаем размеры подошвы фундамента .

Конструируем фундамент.

Рисунок 25 – Конструирование фундамента

Фактическое давление под подошвой фундамента.

Объем фундамента

V_ф=4*3,4*0,3+3,25*2,5*0,3+2,2*1,6*0,9+0,6*1,8*0,9=10,657м³

Объем грунта на обрезах фундамента

V_гр=4*3,4*2,1-10,657=17,903 м³

Вес фундамента N_ф=2,4*10,657=25,577 т

Вес грунта N_гр=17,903*2=35,806 т

= (238+25,577+35,806)/4*3,4=22,01 т/м²

Фактическое сопротивление грунта под подошвой

_ф=1,29b+54,63=1,29*3,4+54,63=59,02 т/м²

; – условие выполняется.

Расчет внецентренно нагруженного фундамента.

Рисунок 26 – Расчетная схема внецентренно-нагруженного фундамента

- центрально нагруженный фундамент.

Условие выполняется.

Проверка слабого подстилающего слоя

Слабый подстилающий слой может служить естественным основанием, если выполняется условие:

σ_{z p}+ σ_zg ≤ R_z, где

σ_{z p} и σ_zg вертикальные напряжения в грунте на глубине z=1,96 м от подошвы фундамента соответственно от нагрузки на фундамент и от собственного веса

σ_z – расчетное сопротивление грунта пониженной прочности на глубине z

Вычисленное для условного фундамента шириной b_z , равной

b_z= где

A_z=N/σ_zp – площадь подошвы условного фундамента

Рисунок 27 – Проверка прочности слабого подстилающего слоя

N – вертикальная нагрузка на основание от фундамента

a=( l - b)/2 где l и b длина и ширина фундамента

a=(4 -3,4)/2=0,3 м

σ_{z p}=Р₀* где Р₀ - дополнительное вертикальное давление

Р₀=Р_ср-σ_zg0 где Р_ср=22 т/м² - среднее давление по подошве

σ_zg0=2*2,1=4,2 т/м² – вертикальное напряжение от

собственного веса грунта на подошве фундамента

- коэффициент, учитывающий изменения дополнитель-

ного давления нагрузки, учитывающий форму подошвы

фундамента

Р₀=20-4,2=15,8 т/м²

σ_zg=(d+z)* =( 1,96+2,1)*2=8,12 т/м²

=2z/b=2*1,96/3,4=1,15 , η=l/b=4/3,4=1,18 тогда = 0,663 (Прил2 табл1[ 1 ])

σ_zp= 22*0,663=14,59 т/м²

A_z=N/σ_zp=299,38/14,59=20,52 м²

b_z==4,24 м

=0,29*b*1.82+2.17*2.1*2+4.69*1=0,527*4,24+21,91=24,14 т/м²

σ_{z p}+ σ_zg=14,59 +8,12=22,71 т/м² < 24,14 т/м²

Суглинок может служить естественным основанием.

Расчет осадки фундамента

Для определения осадки используем метод послойного элементарного суммирования.

Расчет производится по формуле:

S=·(_zpi·h_i)/E_i,

β - безразмерный коэффициент, равный 0,8

- среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-ом слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней Zi-1 и нижней Zi границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента

hi и Ei - соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта.

Суммирование производим до глубины, на которой выполняется условие: _zp<0,2·_zg,

т.к. Е > 5 МПа (50 кгс/см²) согласно п.6 прил.2 [1].

Напряжения в грунте от его веса определяются по формуле _zg= 'd_n + (_i·h_i).

_zp=α·Pо= α·(P_ср-_zg,о), п.2 прил.2 [1],

где  - коэффициент, принимаемый по табл.1 прил.2 [1],

_zg,o = 'd_n= 2·2,36=4,72

'-удельный вес грунта, расположенного выше подошвы; d_n-глубина заложения фундамента от поверхности природного рельефа.

_zp= α·(22-4,72)= α·17,28 тс/м²

Грунтовую толщу разбиваем на слои h=(0,20,4)b=(0,681,36)м.

Таблица 6 – Расчет осадки

Zi, м	2z/b	l/b	α	zp, тс/м²	zg, тс/м²	0,2zg, тс/м²	hi, м	Ei, тс/м²	Si, м
0	0,00	1,18	1	17,280	4,720	0,944	0	1800	0,0000
1	0,59	1,18	0,897	15,500	6,720	1,344	1	1800	0,0069
2	1,18	1,18	0,649	11,215	8,720	1,744	1	1800	0,0050
3	1,76	1,18	0,439	7,586	10,540	2,108	1	500	0,0121
4	2,35	1,18	0,297	5,132	11,127	2,225	1	500	0,0082
5	2,94	1,18	0,211	3,646	11,707	2,341	1	500	0,0058
6	3,53	1,18	0,155	2,678	12,287	2,457	1	1800	0,0012
7	4,12	1,18	0,119	2,056	12,867	2,573	1	1800	0,0009
								∑Si=	0,0402

Полученная осадка меньше допустимой Sдоп.=12см.

S_p=0,0402 м < S_доп=0,12 м

Условия выполняются – увеличения размеров подошвы фундамента не требуется.

Рисунок 28 – Расчет осадки фундамента

Учет морозного пучения.

Рисунок 29 - Проверка на действие сил морозного пучения

Рассматриваемый грунт (глина) является сильнопучинистым, т.к. S_r=0,99>0,9.

Устойчивость фундамента на действие касательных сил пучения проверяется по формуле:

_fh·A_δi  0.9N_I + R_fj·A_δj,

где _fh =72кПа=7,2тс/м² - значение удельной расчетной касательной силы пучения, определяется по таблице 9 [10],

A_δi - площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины сезонного промерзания грунтов:

А_δj- площадь вертикальной поверхности сдвига в слое грунта ниже расчетной глубины промерзания

Для незавершенного строительства (нормативная глубина промерзания – 1.68м):

А_δi =(2,2+1,6)*0,9*2+(3,1+2,5)*0,18*2+(1,8+0,9)*0,6*2=12,096м²

А_δj=(4+3,4)·0.3*2+(3,1+2,5)*0,12*2=5,784м²

F - расчетная постоянная нагрузка, с учетом γ_n=0,9:

_с,_п - коэффициенты условий работы и надежности, равные 1,1,

где R_fj =4,2 тс/м² - расчетное сопротивление талых грунтов сдвигу по боковой поверхности, принимаем по таблице 2 [3],

Для незавершенного строительства выражение принимает вид:

7,2·12,096 0,3*0,9·238+4,2·5,784

87,09<88,55

условие выполняется

Для завершенного строительства (расчетная глубина промерзания – 0,91м):

А_δi =(1,8+0,9)*0,6*2+(2,2+1,6)*0,31*2=5,596м²

А_δj==(4 +3,4)·0.3*2+(3,1+2,5)*0,3*2+(2,2+1,6)*0,59*2=12,284

Для незавершенного строительства выражение принимает вид:

7,2·5,596 0,9·238+4,2·12,284

40,29<265,79

условие выполняется