Проектирование оснований и фундаментов гражданских зданий

В курсе «Механика грунтов, основания и фундаменты» особое внимание уделяется вопросам внедрения новейших достижений теории в практику фундаментостроения, направленных на индустриализацию, удешевление, ускорение, и улучшение качества строительства.

Целью курсового проекта по этой дисциплине является ознакомление с принципами проектирования оснований и фундаментов и закрепление теоретических знаний. Тематика проектирования отвечает учебным задачам подготовки инженеров и увязана с решением практических вопросов – выполнением проектов фундаментов сооружений.

При выполнении курсового проекта необходимо научиться пользоваться строительными нормами, ГОСТами, типовыми проектами, каталогами изделий для выполнения фундаментов, а также учебной, справочной и научной литературой; рекомендуется широко использовать вычислительную технику; должны найти отражение требования стандартов единой системы конструкторской документации (ЕСКД), технико-экономического анализа, предложения по производству работ нулевого цикла, вопросы техники безопасности.

Исходные данные к курсовой работе указаны на листах, выданных кафедрой.

1. Обработка результатов исследований физико-механических свойств грунтов

1.1 Определение расчетных показателей физико-механических свойств грунтов ИГЭ №1

Инженерно геологический элемент №1 (ИГЭ №1) представлен супесью.

- Число пластичности

Iр=WL-Wp, % ;

где    WL – на границе текучести

Wp – влажность на границе раскатывания

Ip=20-15=5%

Определяем тип грунта по (1) табл. п.2.4 в соответствии с данными ГОСТ 25.100-95 тип грунта супесь.

- Показатель текучести

IL=;

IL=;

В соответствии с данными из табл. п.2.5 супесь характеризуется как пластичная.

- Плотность сухого грунта

ρd=, г/см3;

ρd=

- Коэффициент пористости

 ;

;

- Расчётное сопротивление грунта по (1) табл. П.3.1 R0 =176.14 кПа

-Модуль деформации грунтов определяется по графикам компрессионных испытаний или испытаний штампом.

Е=

где W=0,79 – безразмерный коэффициент учитывающий форму штампа (круглый)

d=0,798 – диаметр штампа (при площади 5000 см2)

V – коэффициент Пуассона принимаем равный

0,3 – для супеси;

0,35 – для суглинков;

0,3 – для песка

ΔР=Р2-Р1 – приращение давления на прямолинейном участке графика

S=f(P) – график

Где    Р1=50кПа – давление равное вертикальному напряжению от собственного веса грунта на уровне заложения подошвы фундамента

ΔР= Р2-Р1=100-50=50 кПа   ΔS=5-2=3мм=0,003м

Е==9561.4 кПа

1.2 Определение расчетных показателей физико-механических свойств грунтов ИГЭ №2

Инженерно геологический элемент №2 (ИГЭ №2) представлен суглинком.

- Число пластичности

Iр=WL-Wp, % ;

где    WL – на границе текучести

Wp – влажность на границе раскатывания

Ip=22-14=8%

Определяем тип грунта по (1) табл. п.2.4 в соответствии с данными ГОСТ 25.100-95 тип грунта суглинок.

- Показатель текучести

IL=;

IL=;

В соответствии с данными из табл. п.2.5 суглинок характеризуется как текучий.

- Плотность сухого грунта

ρd=, г/см3;

ρd=

- Коэффициент пористости

 ;

;

- Расчётное сопротивление грунта по (1) табл. П.3.1 R0 =100 кПа

-Модуль деформации

Строим график компрессионных испытаний  e=f(P)

По графику определяем коэффициент сжимаемости

где    p1 и p2 - давления принимаемые соответственно 100 и 200 кПа.

e1 и e2 – коэффициенты пористости соответствующие принятым давлениям

 кПа-1

Компрессионный модуль деформации

β=0,62 для суглинка

e1- коэффициент Пористости при р=100

=2504,8 кПа

Для перехода к натуральному значению E от компрессионных испытаний значений EK вводятся корректирующие коэффициенты mK

E=mK.EK

E=2·2504,8=5009,6 кПа

1.3 Определение расчетных показателей физико-механических свойств грунтов ИГЭ №3

Инженерно геологический элемент №3 (ИГЭ №3) представлен песком

Тип грунта по гранулометрическому составу - песок мелкий, так как d частиц >1мм составляет 100%, что превышает 75% от массы всего песка

- Плотность сухого грунта

ρd=, г/см3;

ρd=

- Коэффициент пористости

 ;        

где Рs – плотность частиц грунта, г/см2;

Р – плотность грунта , г/см2;

W – природная влажность , %;

;

В соответствии (1) табл.п.2.3 песок средней плотности сложения.

- Степень влажности

SR;

где РW – плотность воды, г/см3;

SR;

По степени влажности определяем насыщенность песков водой. Из (1) табл. П.2.2 следует, что песок влажный.

Расчётное сопротивление грунта

Для ИГЭ – 3 по (1) табл. П.3.1 R0=200 кПа.

Строим график компрессионных испытаний  e=f(P)

По графику определяем коэффициент

 кПа-1

Компрессионный модуль деформации

=10842,7 кПа

Для перехода к натуральному значению E от компрессионных испытаний значений EK вводятся корректирующие коэффициенты mK

E=mK.EK

E=1·10842,7=10842,7 кПа

Результаты расчета физико-механических свойств грунтов сводятся в таблицу

Итоговая таблица физико-механических свойств грунтов

2. Оценка инженерно-геологических условий участка застройки и инженерно-геологический разрез

Жилой дом расположен в городе Челябинск. Площадка строительства свободна от существующих зданий и инженерных коммуникаций. Рельеф участка ровный.

Инженерно-геологические условия исследованы путём бурения трёх скважин. По результатам бурения построен инженерно-геологический разрез.

В геологическом отношении строительная площадка представлена следующими инженерно-геологическими элементами:

ИГЭ – 1: Супесь пластичная, аллювиальный - делювиальный, современного четвертичного возраста (a-dQIV); с расчетным сопротивлением R0=176,14 кПа; мощность слоя 1,0 м. Является слабым основанием.

ИГЭ – 2: Суглинок текучий, аллювиальный, четвертичного возраста (aQIV); с расчетным сопротивлением R0=100кПа; мощность слоя 1,0 м; является слабым основанием.

ИГЭ – 3: Песок мелкий, средней плотности сложения, влажный, аллювиальный, современного третичного возраста (aQIII); с расчётным сопротивлением R0=200 кПа.

В целом инженерно-геологические условия благоприятные для строительства.

3.  Нагрузки, действующие в расчетных сечениях

Расчет производится по двум группам предельных состояний:

- по первой группе предельных состояний определяется несущая способность свайных фундаментов, а так же проверяется прочность конструкций фундамента. Расчет ведется по расчетным усилиям, определяется с коэффициентом надежности по нагрузке γf>1;

-по второй группе предельных состояний (по деформациям) определяется размер подошвы фундаментов и их осадки. Расчет производиться по расчетным усилиям при γf=1.

3.1 Выбор расчетных сечений и определение грузовых площадей

Сечение 1-1: принимаем сечение по наружной стене по оси 1 между осями В и Г. Стена самонесущая, поэтому грузовая площадь не находится, берется участок стены шириной 1 м.

Сечение 2-2: принимаем сечение по внутренней стене по оси В между осями 3 и 4 Агр = (2,52-0,38)/2 + (5,7-0,19-0,07)/2=3,79 м²

Сечение 3-3: принимаем сечение по наружной стене по оси А между осями 3 и 4.

Агр = (1,81/2+1,2+1,81/2)·(5,7-0,19-0,07)/2=8,19м2

Сечение 4-4: принимаем сечение по наружной стене по оси 2

Агр = 2,82/2 = 1,41 м2

План проектируемого здания и выбранные расчетные сечения представлены в задании.

3.2 Расчетные нагрузки действующие на 1 м2 грузовой площади

Постоянные: Кровельное покрытие

Междуэтажные перекрытия

Стены из кирпича

Оконное заполнение

Перегородки

Лестничные марши

Временные: Снеговая нагрузка

Нагрузка на перекрытия

Постоянные распределённые нагрузки от 1м2.       

3.3 Расчет нагрузок от собственного веса кирпичных стен

Сечение 1 – 1

а) Расчетные нормативные нагрузки для расчета оснований по 2-й группе предельных состояний

Р = γкк · Vкк = γкк· (Vст - Vок ), кН,

где    γкк – удельный вес кирпичной кладки, кН/м3

Vкк – объем кирпичной кладки, м3

Vст – объем стены, м3

Vок – объем оконных проемов, м3

Vок =hок··δст·nок , м3,

Vок =1,81··0,64·4=5,61 м3,

Vст =(9,9+0,3+3)··0,64+1,0··0,51=21,59 м3

Р = 16· (21,59-5,61 )=255,68 кН

- Расчетные нагрузки для расчета по 2-й группе предельных состояний

РII = P · γf

γf =1 – коэффициент перегрузки

РII = 255,68·1=255,68 кН

б) Для расчета по 1-й группе предельных состояний

РI = P · γ1

РI = 255,68·1,1=281,25 кН

Сечение 2 – 2

а) Расчетные нормативные нагрузки для расчета по 2-й группе предельных состояний

Р = γкк · Vкк , кН,

Vкк =(9,9+0,3+3)·1,0·0,38=5,016 м3

Р = 18·5,016 =90,3 кН

- Расчетные нагрузки для расчета по 2-й группе предельных состояний

РII = P · γf

γf =1 – коэффициент перегрузки

РII = 90,3·1=90,3 кН

б) Для расчета по 1-й группе предельных состояний

РI = P · γ1

РI = 90,3·1,1=99,33 кН

Сечение 3 – 3

а) Расчетные нормативные нагрузки для расчета оснований по 2-й группе предельных состояний

Р = γкк · Vкк = γкк· (Vст – Vок ), кН,

где    γкк – удельный вес кирпичной кладки, кН/м3

Vкк – объем кирпичной кладки

Vст – объем стены

Vок – объем оконных проемов

Vок =hок··δст·nок , м3,

Vок =1,81··0,64·4=6,08 м3,

Vст =(9,9+0,3+3)··0,64+1,0··0,51=27,0 м3

Р = 16· (27,0 – 6,08 )=334,72 кН

- Расчетные нагрузки для расчета по 2-й группе предельных состояний

РII = P · γf

γf =1 – коэффициент перегрузки

РII = 334,72·1=334,72 кН

б) Для расчета по 1-й группе предельных состояний

РI = P · γ1

РI = 334,72·1,1=368,2 кН

Сечение 4 – 4

а) Расчетные нормативные нагрузки для расчета по 2-й группе предельных состояний

Р = γкк · Vкк , кН,

Vкк =(9,9+0,3+3)·1,0·0,64+1,0·0,51·1,0=8,96 м3

Р = 16·8,96 =143,36кН

- Расчетные нагрузки для расчета по 2-й группе предельных состояний

РII = P · γf

γf =1 – коэффициент перегрузки

РII = 143,36·1=143,36 кН

б) Для расчета по 1-й группе предельных состояний

РI = P · γ1

РI = 143,36·1,1=157,7 кН

3.4 Расчетный вес оконных заполнений

Сечение 1 – 1

а) для расчета оснований по 2-й группе предельных состояний

Р = 0,7 · Аок· nок , кН,

где    Аок – площадь одного окна, м

Аок =hок·

0,7 – вес одного квадратного метра остекления

nок – количество окон

Аок =1,81·=2,19 м2

Р = 0,7·2,19·4 =6,13 кН

 - Расчетная длительная нагрузка

РII = P · γf

РII = 6,13·1=6,13 кН

б) Для расчета фундаментов по первой группе предельных состояний

РI = P · γ1

РI = 6,13·1,1=6,74 кН

Сечение 3 - 3

а) для расчета оснований по 2-й группе предельных состояний

Р = 0,7 · Аок· nок , кН,

где    Аок – площадь одного окна, м

Аок =hок·

0,7 – вес одного квадратного метра остекления

nок – количество окон

Аок =1,81·=3,28 м2

Р = 0,7·3,28·4 =9,18 кН/м

 - Расчетная длительная нагрузка

РII = P · γf

РII = 9,18·1=9,18 кН

б) Для расчета фундаментов по первой группе предельных состояний

РI = P · γ1

РI = 9,18·1,1=10,1 кН

3.5 Временная нагрузка

По длительности действия нагрузка распределяется на длительные и кратковременные. При расчете оснований по первой группе предельных состояний (по несущей способности) они учитываются как кратковременные, а при расчете по второй группе предельных состояний (по деформации) – как длительные. Для определения длительной нагрузки берем пониженное значение нагрузок ψ1=0,95, а для определения кратковременных напряжений – полное нормативное напряжение ψ2=0,9.

Снеговая нагрузка

а) для расчета оснований по второй группе предельных состояний (по деформации)

 - полное нормативное значение нагрузки

S=So·µ,

где So – нормативное значение веса снегового покрова на 1м2 горизонтальной поверхности земли. Челябинск относится к III снеговому району: So=1,8 кПа.

µ - коэффициент перехода от веса снегового покрова на земле к снеговой нагрузке на покрытие.

S=1,8·1=1,8 кН/м2

- Пониженное нормативное значение нагрузки

Sn=S·k,

где S – полное нормативное значение

k – понижающий коэффициент.

Sn=1,8·0,5=0,9 кН/м2

- Расчетное значение длительной снеговой нагрузки

SII = Sn · γf · ψ1,

где    ψ1 – коэффициент сочетаний для длительной нагрузки

γf - коэффициент надежности по нагрузке при расчете по второй группе предельных состояний.

SII = 0,9·1,2·0,95=1,026 кПа

б) Для расчета фундаментов по первой группе предельных состояний.

- Расчетное значение кратковременной снеговой нагрузки

SI = S · γf · ψ2, где

γf - коэффициент надежности по нагрузке

ψ2=0,9 – коэффициент сочетаний для кратковременной нагрузки

SI = 1,8·1,4·0,9=2,268 кПа

Нагрузка на междуэтажные перекрытия

а) для расчета по второй группе предельных состояний

- пониженное значение нормативной нагрузки.

Р=0,7 кПа

- Расчетное значение длительных нагрузок

PII = γf · ψ1 · P

γf =1,3

ψ1=0,95

PII = 1,3·0,95·0,7=0,86 кПа

б) для расчета фундаментов по первой группе предельных состояний.

- полное значение нормативной нагрузки.

Р=2,0кПа

 - расчетное значение кратковременных нагрузок

PI = γf · ψ2 · P· ψn1

γf =1,3

ψn1 - коэффициент сочетаний.

ψn1 = 0,4+ ,

где ψA1 - коэффициент сочетаний для ленточных фундаментов

n - общее количество перекрытий

ψn1 = 0,4+=0,7 ,

PI = 1,3·0,9·2,0·0,7=1,638 кПа

Нагрузка на лестничные конструкции

а) для расчета оснований по второй группе предельных состояний

- пониженное значение нормативной нагрузки.

Р=1 кПа.

- расчетное значение длительной нагрузки

PII = γf · ψ1 · P

γf =1,0

ψ1=0,95

PII = 1,0·0,95·1,0=0,95 кПа

б) для расчета фундаментов по первой группе предельных состояний

- полное значение нормативной нагрузки. Определяется по табл. 3 п.12 ( ): Р=3кПа

- расчетное значение кратковременной нагрузки

PI = γf · ψ2 · P· ψn1

γf =1,2

ψ2=0,9

PI = 1,2·0,9·3,0·0,7=2,27 кПа

Нагрузки, действующие в расчетном сечении

Таблица 3.3