Проектирование фундамента промышленного здания на грунте, состоящем из 3 слоев (супесь, глина, песок мелкий)

1.  Исходные данные.

1.1  Объёмно планировочное решение здания.

План и разрезы здания см. рис 1.1

Примечания:

1.  Стены здания из панелей  в=6000мм.

2.  Опирание всех балок (ферм) на колонны.

3.  Лестничные клетки в бытовых помещениях условно не показаны.

4.  Температура внутри производственного корпуса  +16 ⁰С, в бытовых помещениях  +19⁰С.

Значение единичных нагрузок:

1.  Производственного корпуса 10 кН/м²

2.  Бытовых помещений 10 кН/м²

1.2   Инженерно – геологические условия площадки.

Рельеф площадки и инженерно – геологические разрезы см. рис 1.2

I Слой - супесь

II Слой – глина

IIIСлой – песок мелкий

1.2.1 Физико-механические характеристики грунтов

Супесь

Плотность частиц  _s = 2,70

Плотность грунта  = 1,62

Природная влажность  W = 0,111

Влажность на границе раскатывания  W_p = 0,10

Влажность на границе текучести  W_L = 0,15

Угол внутреннего трения_I = 19

                                            _II =21

Угловая сила сцепления  C_I = 7

                                            C_II = 14

Модуль деформации  E = 9,4

Супесь

Плотность частиц  _s = 2.71

Плотность грунта  = 1.98

Природная влажность  W = 0.264

Влажность на границе раскатывания  W_p = 0.22

Влажность на границе текучести  W_L = 0.28

Угол внутреннего трения_I = 18

                                            _II =20

Угловая сила сцепления  C_I = 5

                                            C_II = 9,6

Модуль деформации  E = 11,2

Песок крупный

Плотность частиц  _s = 2,65

Плотность грунта  = 1,98

Природная влажность  W = 0,23

Угол внутреннего трения_I = 35

                                            _II =38

Угловая сила сцепления  C_I = 0

                                            C_II = 0

Модуль деформации  E = 32

1.3  Подбор колонн.

Размер колонн и их привязка к разбивочным осям принимается в зависимости от проектов, шага и отметок верха колонн.

2.  Сбор нагрузок.

На обрез фундамента передаются: вертикальная сосредоточенная нагрузка от колонны, которая считается приложенной в центре тяжести поперечного сечения колонны; моменты и горизонтальные силы, действующие в плоскости рамы здания; от свободного веса стен.

Результаты сбора нагрузок сведён в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

№ фунд.	Нагрузки от колонн						Нагрузки от стен
	колонна	Грузовая площадь м2	Единичн нагрузка кН/м2	N кН	M кН	Q кН	Грузовая площадь м2	Единичн нагрузка кН/м2	Коэф. уменьш нагр.	Рст, кН
Ф-2		72	10	720	36	4,32
		54	10	540	27	3,24
Ф-3		18	10	180	14,4	1,8	18,36	25	0,5	229,5
Ф-7		36	10	360	28,8	3,6	9,18	25	0,5	114,8
							9,18	25	0,5	114,8
							15,61	18	0,6	168,6
Ф-8		36	10	360	18	2,16

3.  Анализ инженерно – геологических условий.

3.1  Вычисления производственных характеристик физического состояния грунтов.

В исходных данных даны базовые характеристики грунтов. По переходным формулам вычислим производственные характеристики грунтов.

1. Удельный вес грунта

g,

где g = 10 м/с² – ускорение свободного падения; плотность грунта

2.  Плотность сухого грунта

_д =/1+W,

где W – природная влажность

3.  Удельный вес сухого грунта

_д = _д* g

4.  Удельный вес твёрдых частиц

 _s = _s* g

где _s – плотность твёрдых частиц

5.  Объём твёрдых частиц в ед. объёма

m = _д/_s

6. Объём пор в ед. объёма

n = 1-m

7. Коэффициент пористости

е = n/m

8. Влажность полного водонасыщения

W_sat = e*_w/_s,

где _w = 1m/м³ – плотность воды,

9. Степень влажности

S_r = W/W_sat

10. Удельный вес с учётом взвешенного действия воды

_sb = (_s - _w)/(1+e), (к,Н/м³),

где _w = 10 кН/м³ = удельный вес воды.

Рассчитаем производные характеристики грунтов, сведем в таблицу 3.1.

Таблица 3.1.

3.2. Классификация грунтов.

Супесь № 1

 Показатель текучести грунта вычисляется по формуле:

J_L = (W-W_P)/(W_L-W_P),

где W – природная влажность грунта, (доли ед.)

        W_P – влажность на границе скалывания грунта, (доли ед.)

        W_L – влажность на границе раскатывания грунта, (доли ед.)

J_L = (0,111-0,1)/(0,15-0,1) = 0,22 супесь пластичная

S_R = 0.353 – грунт насыщенный водой

J_SS = e_L-е /1+e,

где  e_L - коэффициент пористости при влажности на границе текучести;

        е -  коэффициент пористости;

e_L = W*_S /_W

e_L = 0,15*2,7/1=0,405

J_SS =0,405-0,85/1+0,85=-0,24 – грунт не набухающий

J_Р = W_L - W_P

J_Р = 0,15-0,1 = 0,05 – 5% - супесь не просадочная

Супесь № 2

Показатель текучести грунта вычисляется по формуле:

J_L = (W-W_P)/(W_L-W_P),

где W – природная влажность грунта, (доли ед.)

        W_P – влажность на границе скалывания грунта, (доли ед.)

        W_L – влажность на границе раскатывания грунта, (доли ед.)

J_L = (0,264 – 0,22)/(0,28 – 0,22) = 0,73 супесь пластичная

S_R = 0.992 – грунт насыщенный водой

J_SS = e_L-е /1+e,

где  e_L - коэффициент пористости при влажности на границе текучести;

        е -  коэффициент пористости;

e_L = W*_S /_W

e_L = 0,28*2,71/1=0,76

J_SS =0,76-0,72/1+0,72=-0,023 – грунт не набухающий

J_Р = W_L - W_P

J_Р = 0,28-0,22 = 0,06 – 6% - супесь не просадочная

Песок крупный

S_R = 0,96 – грунт насыщенный водой

Е = 32МПа

Е = 0,64 – средней плотности

4.  Фундаменты мелкого заложения

Принимаем отдельно стоящий фундамент под каждую колонну из монолитного железобетона, верхний обрез фундамента имеет относительную отметку фундамента -0,15м.

4.1  Назначение глубины заложения фундамента (Фундамент Ф – 2)

d_fn = d₀ * (M_t)^1/2; м

M_t = сумма среднесуточных отрицательных температур по месяцам, для г. Свердловск, равная 56,4

d₀ – величина, принимаемая для супеси равной 0,28

d_fn = 0,28*(0,56)^1/2 = 2,1

d_f = d_fn*к_n , м

где d_f – расчетная глубина сезонного промерзания грунта

               d_fn – нормативная глубина сезонного промерзания грунта

               к_n – коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, к_n = 0,6

d_f = 2,1*0,6 = 1,26

d_f  принимаем равной 1.5 (кратно300 мм)

Так как нормативная нагрузка на фундамент составляет 1260 кН, то из опыта проектирования принимаем глубину заложения фундамента 2.2 м.

4.2   Определение приведенных нагрузок

Все действующие нагрузки на обрез фундаментов передаются на основание. Определим нагрузки, действующие на основание:

Ф – 2

N_К1 = 720кН; М_К1 = 36; Q_К1 = 4,32кН

N_К2 = 540кН; М_К2 = 27; Q_К2 = 3,24кН

N₀ = N_К1+ N_К2 = 720+540 = 1260кН

М_х0 = М_К2 + Q_К2 * 2,2 = 27+3,24*2,2 = 34,128

М_у0 = М_К1 - Q_К1*2,2 - N_К2 + N_К1 = 36-4,32*2,2-540+720 =

=206,496кН

Ф – 3

Р_ст = 29,5; N_К = 180 кН; М_К = 14,4кН

М_К = 14,4кН; Q_К = 1,8кН

N₀ =  N_К + Р_ст = 180 + 229,5 = 409,5кН

М_х0 = Р_ст *0,65 + Q_К*2,2 = 229,5*0,65+1,8*2,2 = 153,14

М_у0 = 0

Ф – 7

Q_К = 3,6кН; М_К = 28,8кН; N_К = 360кН

N_ст1 = 114,75кН; N_ст2  = 114,75кН; N_ст3 = 168,59кН

М_у0 = Q_К*d + М_К+ N_ст1*0,65+ N_ст3*0,755- N_ст2*1 =

=3,6*2,2+28,8+114,75*0,65+168,588*0,755-114,75*1=123,84

М_х0 = N_ст2*0,65- N_ст1*1+ N_ст3*(1,5+0,3+0,5) =

114,75*0,65-114,75*1+168,59*2,3 = 347,59

Р_Z = N_К + N_ст1 + N_ст2  + N_ст3 =360+114,75*2+168,588 = 758,09

Ф – 8

N_К = 360кН; М_К = 0 кН; Q_К = 0 кН;

N₀ =  360 кН

М_у0 = 0; М_х0 = 0

4.3  Назначение размеров подошвы фундамента по величине расчётного сопротивления основания

1. Расчётное сопротивление основания определяется по формуле:

R = _c1*_c2*(M_y*K_Z*b*_II + M_g*d₁*^I_II + M_C*C_II*^I_II )/K,   кН/м²

где  _c1;_c2 – коэффициент условий работы, _c1 = 1,25;_c2  = 1;

        К – коэффициент, принимаемый равным 1

        M_y M_g M_C – коэффициенты, принимаемые по таблице 4[3]; M_y=0,56; M_g=3,24; M_C=5,84;

        К_Z - коэффициент, принимаемый равным 1, при b 10 м., где b – ширина подошвы фундамента;

        _II – среднее расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учётом взвешивающего действия воды), _II = 11,35 кН/м³;

        ^I_II – среднее расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, ^I_II = 16,2 кН/м³;

         С_II – расчетное значение удельного сцепления, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, С_II = 14;

         d₁ – глубина заложения фундамента; d₁ = 2,2м;

R = 1.25*1/1*(0.56*1*0.9*11.35+3.24*2.2*16.2+5.84*14) = 253.69

2. Требуемая площадь подошвы фундамента определяется по формуле:

А_тр = N₀ / (R-_ср*d), м²;

где  А_тр - требуемая площадь подошвы фундамента;

        _ср – усреднённый удельный вес фундамента и грунта, _ср = 20кН/м³;

       d₁ – глубина заложения фундамента; d₁ = 2,2м;

А_тр = 1260/(253,69-20*2,2) = 6 м;

Размеры  L и B определяются из соотношения B/L = 0,8

B = 2.4;   L =2.7, следовательно найденная площадь составляет А = 7,2 м²

3. Расчетное сопротивление основания определяется по формуле:

R = 1.25*1/1*(0.56*1*2,4*11.35+3.24*2.2*16.2+5.84*14) = 265,61

4. Среднее давление под подошвой фундамента определяется по формуле:

Р = N₀ +G_гр / А, кН/м²

G_гр = А*d*_ср;

где  А_тр - площадь подошвы фундамента, А = 7,2 м²;

       d₁ – глубина заложения фундамента; d₁ = 2,2м;

      _ср – усреднённый удельный вес фундамента и грунта, _ср = 20кН/м³;

G_гр = 7,2*2,2*20 = 316,8 кН;

Р = (1260+316,8)/7,2 = 219 кН/м²;

5. Проверка условия Р, R

219265,61, проверка выполняется

5.  Проверка краевых условий:

Р_max = P + M_0x/W_0x + M_0y/W_0y , кН/м²;

Р_min = P - M_0x/W_0x - M_0y/W_0y , кН/м²;

где  W_0x, W_0y – моменты сопротивления относительно осей, соответственно OX, OY, м³;

W_0x = L*b³/6 = 2,88 м³;  W_0y = L³*b/6 = 3,6 м³;

Р_max = 243,1 кН/м²; Р_min = 194,94 м³;

4.4  Расчет осадок фундамента

Расчетная схема основания в виде линейно – деформируемого пространства