Проектирование оснований и фундаментов

1). Свая С4-30 имеет следующие характеристики: ‒ длина 4,0 м; ‒ поперечное сечение 300х300 мм; ‒ марка бетона В15; ‒ сечение и класс продольной рабочей арматуры - 4Ø12 А400. 4.3. Определение несущей способности сваи Несущая способность железобетонной сваи по материалу: Fм ≤ γС · φ (Rb · А + RS · AS) (кН), гдеγС = 1,0 – коэффициент условий работы при размере поперечного сечения сваи > 200 мм; φ = 1 – коэффициент, учитывающий особенности погружения сваи, гибкость и др. (для свай, полностью находящихся в грунте); Rb = 19600 кПа - расчетное сопротивление бетона марки В15 при сжатии; А = 0,09 м2 - площадь поперечного сечения сваи; RS = 350000 кПа – расчетное сопротивление арматуры сжатию (кПа), для арматуры класса А400; AS = 0,000452 м2 – площадь всех продольных стержней арматуры (рабочая арматура 4Ø 12). Fм = 1 · 1 (19600 · 0,09 + 350000 · 0,000452) = 1922кН.Несущая способность сваи-висячей (забивной) по грунту: Fd = γС (γСR · R · А + u ∑ γСf · fi · hi) (кН), гдеγС = 1 – коэффициент условий работы сваи в грунте; γСR = 1, γСf =1 – коэффициенты условий работы грунта под нижним концом и по боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа изготовления и погружения сваи, для забивных свай, согласно СП 24.13330.2016 - γСR = γСf = 1; R = 8550 кПа – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи (при заглублении острия сваи от природной отметки грунта в супеси твердой на глубину 4,5 м) (приложение1, табл.2); А = 0,09 м2 – площадь поперечного сечения сваи; u = 1,2 м – периметр поперечного сечения сваи;fi – расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой поверхности сваи, кПа, (Приложение1, табл. 3); hi – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи (см. схему), м. Значения Zi , hi и fi для всех слоев грунта в пределах длины свай приведены на рис. 19.Рис. 19. Расчетная схема к определению несущей способности сваи Z1 = 1,9 м; h1 = 1,8 м; f1 = 41,3 кПа; Z2 = 3,65м; h2 = 1,7м; f2 = 51,3 кПа; Z3 = 6,7м; h3 = 1,4м; f3 = 10 кПа; Z4 = 8,1м; h4 = 1,3м; f4 = 62 кПа. ∑fi · hi = 41,3 · 1,8 + 51,3 · 1,7 = 161,6кН.Fd = 1· (1 · 8550 · 0,09 + 1,2 · 161,6) = 963кН.Расчетная (допустимая) нагрузка на сваю: здесь γк – коэффициент надежности по грунту, при определении Fd по таблицам СП, принимается равным 1,4; Fd = 963 кН – наименьшее из несущей способности по материалу и грунту; Р = 963/1,4 = 688кН.4.4. Определение количества свайКоличество свай в ростверке определяется из учета расчетных нагрузок действующих на обрез фундамента, веса ростверка и грунта на его уступах (с коэффициентом надежности по нагрузке более 1,0). Вес ростверка и грунта на его уступах определяются ориентировочно при условии, что расстояние в кусте ростверка между сваями равно 3d (d - размер поперечного сечения сваи, м), и что вся нагрузка воспринимается грунтом основания в пределах подошвы ростверка. В этом случае среднее давление на основание под подошвой ростверка:где Р = 688 кН – расчетная (допустимая) нагрузка на сваю:Ориентировочная площадь подошвы ростверка:где N01 = 1355,5 кН – расчетная нагрузка по обрезу фундамента; γср – усредненный удельный вес материала ростверка и грунта, принимается 20 кН/м3 ;dp = 1,0 м – глубина заложения ростверка; γf – коэффициент надежности по нагрузке, равный 1,1.Ориентировочный вес ростверка и грунта: Gp = γf ∙ Ap ∙ γср ∙ dp = 1,1 ∙ 1,64 ∙ 20 ∙ 1,0 = 36,1кН.Количество свай в ростверке:здесь k = 1,2 – коэффициент, учитывающий действие моментаПолученное количество свай округляется до целого числа в сторону увеличения с учетом удобства размещения, забивки и целесообразности. Под колонну целесообразно принимать не менее 4-х свай. Принимается 4 сваи.4.5. Конструирование ростверка и проверка по I предельному состояниюСваи размещаются в плане ростверка в виде свайного куста (под колонну). По выше приведенному расчету под колонну 4 сваи с размерами поперечного сечения d = 300 мм.Рис. 20. Схема ростверка со сваями Ростверк квадратный с размерами в плане 1,5 х 1,5 м. Ростверк конструируется с учетом заделки колонны вростверка и размера плитной части.Размеры ростверка: ‒ плитная часть высотой 400 мм, в плане 1500 х 1500 мм; ‒ стаканная часть высотой 600 мм, в плане 900 х 700 мм (рис. 12). Проверка свайного фундамента по первому предельному состоянию выполняется на фактическую расчетную нагрузку (NI; MI; TI) на сваю в уровне подошвы ростверка. Учитываются нагрузка по обрезу ростверка (N0I; M0I; T0I), расчетный вес ростверка, вес обратной засыпки грунта на выступы плитной части ростверка, вес бетонного пола и усилия от бокового давления грунта (наличие подвала, крайняя ось). Расчетные нагрузки на обрез ростверка: N0I = 1355,5кН; M0I = 0,05 ∙ N0I= 0,05 ∙ 1355,5 = 67,8кНм; T0I= 0,01 ∙ N0I= 0,01 ∙ 1355,5 = 13,6кН.Расчетный вес ростверка: Gрост.= 1,1∙ Vрост. ∙ γж.б.= 1,1 ∙ (1,5 ∙ 1,5 ∙ 0,4 + 0,9 ∙ 0,7 ∙ 0,6) ∙ 24 = 33,74 кН.Нагрузка от веса ростверка действует по центру подошвы, поэтому МI = 0; ТI = 0. Обратная засыпка выполняется песком средней крупности, для которого φI = φII/1,1 = 300 /1,1 = 270 ; γ = 18 кН/м3 ; γI = 18/1,1 = 16,4 кН/м3 . Вес грунта: – с наружной стороны:Gгр..= 1,1∙ Vгр. ∙ γ..= 1,1 ∙ [0,75 - (0,30 + 0,24)] ∙ 1,5 ∙ (1 – 0,4) ∙ 18 = 3,74 кН; – момент от веса грунта с наружной стороны: МI = Gгр. ∙ егр.= Gгр. ∙{ b/2 - [b/2- (0,30 + 0,24)] /2}= 3,74 ∙ (1,5/2 – 0,1) = 2,43кНм (момент со знаком минус);Свайный фундамент нагружен внецентренно (наличие момента). Определяются максимально и минимально нагруженные сваи в ростверке:где NI = 1355,5 кН – расчетная вертикальная нагрузка в уровне подошвы ростверка; МI = 67,8кНм – расчетный момент относительно центра тяжести подошвы ростверка; y = 0,45 м – расстояние в направлении действия момента МI от центра тяжести площади сечения всех свай в уровне подошвы ростверка до оси рассматриваемой сваи; ∑y 2 i = 2 ∙ 0,452 + 2 ∙ 0,452 = 0,81 м – сумма квадратов расстояний от центра тяжести площади всех свай до оси каждой сваи.Таблица 7. Сбор нагрузки на подошву ростверка№п/пНагрузкиNI,кНMI,кН∙мTI,кН1Нагрузканаобрезростверка1355,567,813,62Весростверка33,74--3Вес грунта с наружнойстороныростверка3,74-2,43-Суммарная нагрузка в уровнеподошвыфундамента1393,065,4+(Т0I·1,0)=65,4+(13,6·1,0) =78,813,6Рmax = 392,1 кН; Рmin = 304,5кН.Проверяются выполнения условий:; Рmax ≤ Р; Рmin > 0.Рmax = 392,1 кН≤ Р=688 кН;Рmin = 304,5кН. > 0Условия выполняются. Максимальная нагрузка на сваю по сравнению с допустимой:Недогруз свай обусловлен принятием под колонну 4-х свай вместо 3-х по расчету. 4.6. Проверка по II предельному состоянию4.6.1. Проверка напряжений под подошвой условного фундаментаРасчет осадки выполняется при условии, что напряжения по подошве условного фундамента меньше или равно расчетному сопротивлению грунта:РII ≤ R, где РII – напряжения по подошве условного фундамента, кПа; R – расчетное сопротивление грунта в уровне подошвы условного фундамента, кПа. Свайный фундамент рассматривается как условный массив, включающий сваи и грунт вокруг них (рис. 14). Условный массив ограничивается контурами: сверху – поверхностью планировки, снизу – плоскостью в уровне нижних концов свай, с боков – вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстояниегде ℓ – длина сваи от подошвы ростверка до начала острия; φср – осредненное значение угла внутреннего трения для грунтов в пределах длины свай ℓ, град.:здесь φi – нормативные значения угла внутреннего трения для отдельных слоев толщиной hi.Размеры условного фундамента b усл. и lусл.:bусл. = b0 + 2 ∙ ℓ ∙ tg(φср/4) = 1,2 + 2 ∙ 3,5 ∙ tg7 = 2,1 м; lусл. = l0 + 2 ∙ ℓ ∙ tg(φср/4) = 1,2 + 2 ∙ 3,5 ∙ tg7 = 2,1 м, здесь b0 и l0 соответственно – расстояние между наружными гранями крайних рядов свай вдоль меньшей и большой сторон подошвы ростверка, м. Вес условного фундамента: Nусл. = Аусл ∑γi ∙ hi, кН, где γi – значение удельного веса отдельных слоев грунта (кН/м3 ) в пределах глубины заложения условного фундамента (dусл.);hi – мощность отдельных слоев грунта (м) в пределах глубины заложения условного фундамента (dусл.). Nусл. = Аусл ∑γi ∙ hi = 2,1 ∙ 2,1∙(19,52 ∙ 4,5) = 387,4 кН.Средний удельный вес грунта в пределах глубины заложения условного фундамента (dусл.): м2.Расчетное сопротивление грунта при условии опирания условного фундамента на основание:,здесь все характеристики для грунта в уровне подошвы условного фундамента, кроме γср:Рис. 21. Схема к расчету условного фундамента кПа.Среднее фактическое давление по подошве условного фундамента:Условие РII ≤ Rусл. соблюдается, расчет осадки свайного фундамента выполняется с использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства.4.6.2. Расчет осадки свайного фундаментаРасчет осадки свайного фундамента выполняется методом эквивалентного слоя. Осадка грунтов основания, расположенных ниже свай, определяется от дополнительного давления действующего по подошве условного фундамента (рис. 15). Р0PIIzq0 , = РII – γср ∙ dусл. = 688 – 19.52 ∙ 4.5 = 600,2кПа. Осадка определяется по формуле: S = hэкв.∙ mvm ∙ P0, м, где hэкв. – мощность эквивалентного слоя, определяемая по формуле hэкв.= Аω.∙ bусл. = 1,26 ∙ 2,1 = 2,65 м, здесьАω = 1,26 – коэффициент эквивалентного слоя, определяется по таблице в зависимости от соотношения сторон условного фундамента (α = lусл./bусл = 2,1/2,1 = 1), вида грунта в уровне подошвы условного фундамента (супесь твердая с коэффициентом Пуссона μ = 0,25) и жесткости фундамента (значения Аωconst для жестких фундаментов); mvm = 0,0304 МПа-1 = 0,0000304 кПа-1 – средний коэффициент относительной сжимаемости грунта; принимается для одного слоя (супеси твердой). S = hэкв.∙ mvm ∙ P0 = 2,65 ∙ 0,0000304 ∙ 600,2 = 0,048 м = 4,8 см. Осадка по результатам расчета S = 4,8 см меньше допустимойSu = 8,0 см, т. е. условие S ≤ Su выполняется.Рис. 22. Схема к расчету осадки свайного фундамента5. Технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов5.1. Фундамент на естественном основанииРис. 23. Схема фундамента со стороны большого размера подошвыРис. 24. Схема фундамента со стороны меньшего размера подошвыТаблица8.Определениеобъемовдляфундаментнаестественномосновании№п/пВидыработОбъем1Отрывкагрунтаглубинойдо2м3,3∙2,5 ∙1,35=11,14м32Бетоннаяподготовкатолщиной100мм3,3∙2,5∙0,1=0,83м33Площадьвертикальныхстенокдеревянногошпунта(3,3∙2 +2,5∙2) ∙1,35=15,7м24Железобетонныйфундамент(3,3∙ 2,5∙0,3)+(0,9∙0,7∙0,7)+(0,6∙0,4∙0,35) =3,0м3Таблица9.Стоимостьработдляфундаментанаестественномосновании№п/пНаименованиеработКоли-чествоСтоимость,руб.Един.Общая1Отрывкагрунтаглубинойдо2-хм11,14м3900100242Бетоннаяподготовкатолщиной100мм0,83 м2600049503Площадьвертикальныхстенокдеревянногошпунта15,7м21900297544Железобетонныйфундамент3,0 м3775023250Итого679785.2. Свайный фундаментРис. 25. Схема фундамента со стороны большого размера подошвы ростверкаРис. 26. Схема фундамента со стороны меньшего размера подошвы ростверкаТаблица10.Определениеобъемовдлясвайногофундамента№п/пВидыработОбъем1Отрывкагрунтаглубинойдо2м2,5∙2,5∙1 =6,25м32Песчанаяподготовкатолщиной100мм2,5∙2,5∙0,1=0,62м33Площадьвертикальныхстенокдеревянногошпунта(2,5∙2+2,5∙2) ∙1,35=13,5м24Железобетонныйростверк(1,5∙ 1,5∙ 0,3) +(0,9∙0,7∙0,7) =1,12м35Железобетонныесваи0,3∙0,3∙4∙4 =1,44м3Таблица11.Определениестоимостьработдлясвайногофундамента№п/пНаименованиеработКоли-чествоСтоимость,руб.Един.Общая1Отрывкагрунтаглубинойдо2м6,25м390056252Песчанаяподготовкатолщиной100мм0,62м213128133Площадьвертикальныхстенокдеревянногошпунта13,5м21900256504Железобетонныйростверк1,12м3775086805Железобетонныесваи1,44м32210031824Итого72592Список использованных источников1. ГОСТ 25100-2020. Грунты. Классификация . - М.: 2021.2.СП 22.13330.2016. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. - М.: 2016.3.СП 24.13330.2021. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты.– М.: 2021.4. Колмогоров С.Г., Колмогорова С.С. Основания и фундаменты зданий и сооружений: в 3 частях. Часть 1. Анализ инженерно-геологических условий : методические указания для выполнения курсового проекта для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство / С.Г. Колмогоров, С.С. Колмогорова. – Санкт-Петербург :СПбГАУ, 2022. – 32 с. 5. Колмогоров С.Г., Колмогорова С.С. Основания и фундаменты зданий и сооружений: в 3 частях. Часть 2. Проектирование фундаментов на естественном основании : методические указания для выполнения курсового проекта для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство / С.Г. Колмогоров, С.С. Колмогорова. – Санкт-Петербург :СПбГАУ, 2022. – 56 с