Проектирование фундамента промышленного здания, длинной 120 метров на грунте, состоящем из 3 слоев (супесь, глина, песок средней плотности)

1.  Исходные данные на проектирование.

1.1  Объемно-планировочное решение здания.

                                         

Рис 1.1

Примечания:

1.  Стены производственного корпуса из стеновых панелей δ = 300; l = 6000 мм.

2.  Балки (фермы) в средних пролетах опираются на подстропильные фермы, в крайних пролётах на колонны.

3.  Стены бытовых помещений из кирпича обычного (δ=510 мм)

4.  Температура внутри производственных помещений + 16⁰С , в бытовых помещений + 18⁰С.

Нагрузка на 1м² горизонтальной проекции:

I пролет – 12 кН/м²

II пролет - 15 кН/м²

III пролет - 15 кН/м²

Бытовое помещение без подвала.

Нагрузка в бытовых помещениях 6 кН/м² одного перекрытия.

Место строительства – г. Новосибирск.

1.2  Инженерно-геологические условия площадки.

                   Рис 1.2

Рис 1.3

Таблица №1

Физико-механические характеристики грунтов.

Наименование грунта	Супесь	Глина	Песок средней плотности
Плотность частиц т/м3	2.68	2.72	2.65
Плотность грунта т/м3	1.81	1.569	2.005
Природная влажность, д.е.	0.182	0.154	0.241
Влажность на границе раскатывания, д.е.	0.170	0.094	-
Влажность на границе текучести, д.е.	0.210	0.276	-
Угол внутреннего трения, град. fII                                                                                 fI	21 18	13 10	35 34
Удельная сила сцепления кПа  СII                                                     СI	11 6	35 24	2 6
Модуль деформации, Мпа ,Е	10	10.4	30

            1.3 Подбор колонн

Рис 1.3

Т.к. основные параметры для подбора колонн совпадают для всех пяти вариантов (шаг 6000мм, пролет L=18000мм L=24000мм, отметка верха колонны Н=14400мм), то колонны во всех случаях будут одинаковые.

2.  Сбор нагрузок

Для расчета нагрузок на фундаменты используются следующие формулы:

М_II =К• N_II,                        (1)

Где К₁ – коэффициент принимаемый

-  Для наружных колонн К₁=0.08

-  Для внутренних колонн К₁=0.05

Q_К =К₂• N_К ,                         (2)

Где К₂ – коэффициент принимаемый

-  Для наружных колонн К₂=0.01

-  Для внутренних колонн К₂=0.006

Нагрузка воспринимаемая колонной от стены

N_СТ=А_ГР•δ•γ_n•γ_k ,             (3)

Где А_ГР – грузовая площадь, м²

      .δ – толщина стены, м  (0.51)

       γ_n – удельный вес стены, кН/м³ (18)

А_ГР=L•H,                          (4)

Где L – шаг (пролет) здания, м

       H – высота здания, м

Нагрузка воспринимаемая колонной от перекрытия:

N_К=А_ГР•F ,                      (5)

Где А_ГР – грузовая площадь, м²

       F – заданная нагрузка от перекрытия, кН

А_ГР=L•ΔL,                     (6)

Где L – пролет здания, м

      ΔL – шаг здания, м

Фундамент №1 (Колонна №1)

                        Рис 2.1

Расчет нагрузки от перекрытия:

А_ГР1=12•6=72 м²

А_ГР2=9•6=54 м²

N_К1 =72•15=1080 кН

N_К2 =54•15=810 кН

N_СУМ = N_К1 + N_К2 =1890 кН

М_К =0.05• 1890 =94.5 кНм

Q_К =0.006• 1890 =11.34 кН

Фундамент №2 (колонна №2 - фахверк)

            Рис 2.2

А_ГР=14.4•6=86.4 м²

N_СТ= 86.4•0.51•18•1=793.1 кН

М_СТ=0.08•793.1=63.48 кНм

Q_СТ=0.01•793.1=7.93 кН

Фундамент №3 (колонна №3)

 

                        Рис 2.3

Расчет стеновой нагрузки:

А_ГР1=4.5•14.4=64.8 м²

А_ГР2=3•14.4=43.2 м²

N_СУМ=108•0.51•18•1=991.4 кН

М_СТ=0.08•991.4=79.38 кНм

Q_СТ=0.01•991.4=9.91 кН

Расчет нагрузки от перекрытия:

А_ГР=9•3=27 м²

N_К=27•15=405 кН

М_К =0.05• 405=20.25 кНм

Q_К =0.006• 405 =2.43 кН

Фундамент №4 (колонна №4 - фахверк)

                        Рис 2.4

Расчет стеновой нагрузки:

А_ГР=9•14.4=129.6 м²

N_СТ=129.6•0.51•18•1=1189.7 кН

М_СТ=0.08•1189.7=95.19 кНм

Q_СТ=0.01•1189.7=11.9  кН

Фундамент №5 (колонна №5)

Расчет стеновой нагрузки:

А_ГР1=4•14.4=57.6 м²

А_ГР1=3•14.4=43.2 м²

N_СТ=100.8•0.51•18•1=925.34 кН

Расчет нагрузки от перекрытия:

А_ГР1=12•3=36 м²

А_ГР1=3•9=27 м²

N_К=63•15=945 кН

М_К =0.05• 945=47.25 кНм

Q_К =0.006• 945 =5.67 кН

3.  Анализ инженерно-геологических условий площадки

3.1  Вычисление производных характеристик физического состояния грунтов

I.  Супесь (γ_S, γ, W , W_P , W_L см стр.   )

Удельный вес сухого грунта вычисляется по формуле:

γ_d= ρ_d•g,   кН/м³                   (7)

Где ρ_d – плотность сухого грунта, т/м³

       .g – ускорение свободного падения, м/с² (10)

        ρ – плотность грунта, т/м³

ρ_d= ρ/(W+1),      т/м³                 (8)

ρ= γ/g,                 т/м³                (9)

                                                      ρ=21.3/10=2.13 т/м³

                                                      ρ_d=2.13/1+0.165=1.83 т/м³

                                                      γ_d=1.83•10=18.3 кН/м³

Объем занимаемый твердыми частицами вычисляется по формуле:

.m= γ_d/ γ_S                              (10)

Где m – объём занимаемый твердыми частицами

       γ_d - удельный вес сухого грунта, кН/м³

       γ_S - удельный вес грунта, кН/м

                                                      .m=18.3/72.2=0.672

Пористость грунта вычисляется по формуле:

.n=1 – m                              (11)

Где  n – пористость грунта;

        m – объём занимаемый твердыми частицами;

                                                      n=1 – 0.672=0.372

Коэффициент пористости грунта вычисляется по формуле:

.e=n/m                                 (12)

Где  e – коэффициент пористости грунта;

        n – пористость грунта;

        m – объём занимаемый твердыми частицами;

Полное водонасыщение грунта вычисляется по формуле:

W_Sat=e• γ_W/γ_S                   (13)

Где  W_Sat – полное водонасыщение грунта;

        e – коэффициент пористости грунта;

        γ_W – удельный вес воды, кН/м³  (10);

        γ_S - удельный вес грунта, кН/м³;

                                                      W_Sat=0.487•10/27.2=0.187

Степень влажности грунта вычисляется по формуле:

S_r=W/ W_Sat                     (14)

Где S_r – степень влажности грунта;

       W_Sat – полное водонасыщение грунта;

       W – влажность грунта;

                                                       S_r=0.165/0.178=0.94

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды вычисляется по формуле:

γ_Sb= γ_S - γ_W/1+e, кН/м³     (15)

Где γ_Sb – удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды, кН/м³;

        γ_W – удельный вес воды, кН/м³  (10);

        γ_S - удельный вес грунта, кН/м³;

        e – коэффициент пористости грунта;

                                                       γ_Sb=27.2-10/1+0.487=10.5 кН/м³    

II.  Песок мелкий

ρ=19.8/10=1.98 т/м³

ρ_d=1.98/1+0.262=1.57 т/м³

γ_d=1.57•10=15.7 кН/м³

      m=15.7/26.7=0.59

      n=1 – 0.59=0.41

      W_Sat=0.69•10/26.7=0.26

S_r=0.262/0.26=1

γ_Sb=26.7-10/1+0.69=9.88 кН/м³

III.  Песок средней плотности

ρ=20.5/10=2.05 т/м³

ρ_d=2.05/1+0.225=1.67 т/м³

γ_d=1.67•10=16.7 кН/м³

      m=16.7/26.7=0.62

      n=1 – 0.62=0.38

      W_Sat=0.61•10/26.7=0.22

S_r=0.225/0.22=0.99

γ_Sb=26.7-10/1+0.61=10.3 кН/м³

3.2Классификация грунтов

I.  Супесь

Показатель текучести грунта вычисляется по формуле:

I_L=W-W_Р/W_L- W_Р ,              (16)

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

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

      W_L- влажность на границе текучести грунта, (доли ед.)

I_L=16.5 – 15.2/20.7 – 15.2=0.263 – супесь пластичная

      S_R=0.94 – грунт насыщенный водой

I_SS=e_L/1+e,                                  (17)

Где e_L – коэффициент пористости при влажности на границе текучести;

       .е - коэффициент пористости;

e_L=W•r_S/r_W ,                              (18)

e_L=0.165•2.72/10=0.045

I_SS=0.045/1+0.487=0.0302 – грунт не набухающий;

I_Р=W_L- W_Р ,                    (19)

Где I_Р – индекс пластичности;

      W_L- влажность на границе текучести грунта, (доли ед.)

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

I_Р=20.7 – 15.2=5.5 – супесь не просадочная;

II.  Песок мелкий

S_R=1 – грунт насыщенный водой

Е=0.69 – песок средней плотности

III.  Песок средней крупности

S_R=0.99 – грунт насыщенный водой

Е=0.61 – песок средней плотности

4. Фундаменты мелкого заложения

Принимаем отдельно стоящий фундамент под каждую колонну из монолитного железобетона, верхний обрез фундамента имеет относительную отметку фундамента   -0.150 м.

рис 4.1

4.1 Назначение глубины заложения фундамента (Фундамент Ф1)

Для назначения глубины заложения фундамента необходимо выполнение следующего условия:

d≥ d_f,                               (20)

где d – глубина заложения фундамента, м;

      d_f – расчетная глубина сезонного промерзания грунта, м;

d_f=d_fn•k_n,   м                     (21)

где d_fn – нормативная глубина сезонного промерзания грунта, м;

      k_n – коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, k_n=0.6 (табл 1[2])

d_fn= d₀•(М_t)^1/2,   м              (22)

где d₀ –величина принимаемая для супеси равной 0.28 ;

      М_t – сумма среднесуточных отрицательных температур по месяцам [3], для г. Красноярск              равная М_t=64.5

d_fn=0.28•(64.5)^1/2=2.248 м;

d_f=2.248•0.6=1.34 м;

d_f принимаем принимаем равной 1.5м (кратно 300мм)

d= d_f+100мм=1.5+0.1=1.6 м;

Т.к нормативная нагрузка на фундамент составляет 1890 кН, то из опыта проектирования принимаем глубину заложения фундамента 2.2 м.

4.2  Определение приведенных нагрузок

Определение приведенных нагрузок выполняется для самого нагруженного фундамента (Ф1).

рис 4.2

N₀=∑Р(z);                                          (23)

Где N₀ – вертикальная нагрузка на подошву фундамента, кН;

       ∑Р(z) – сумма сил на ось z;

М₀=Q_k•d+ М_k;                                  (24)

Где М₀ – изгибающий момент на подошву фундамена в точке О, кНм;

       Q_k – поперечная сила на обрез фундамента, кН;

       .d – глубина заложения фундамента, м;

       М_k – изгибающий момент на обрез фундамента, кНм;      

N₀= N_k=1890 кН

М₀=Q_k•2.2+94.5=119.48 кНм

4.3  Назначение подошвы фундамента по величине расчетного сопротивления основания

1.Расчетное сопротивление основания определяется по формуле:

R=γ_C1•γ_C2(M_Y•k_Z•b•γ_II+ M_g•d₁•γ^I_II+ M_C•C_II•γ^I_II)/k,  кН/м²             (25)

Где γ_C1,γ_C2 – коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 3 [3], γ_C1=1,γ_C2=1.25;

K – коэффициент принимаемый равным К=1, при непосредственном испытании грунта для определения прочностных характеристик (φ,с)

M_Y,M_g,M_C – коэффициенты принимаемые по табл. 4 [3]; M_Y=0.69 M_g=3.65 M_C=6.24;

k_Z – коэффициент принимаемый равным k_Z=1при b<10м, где b – ширина подошвы фундамента;

γ_II – осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды),γ_II=20.53 кН/м³;

γ^I_II - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, γ^I_II=21.3 кН/м³;

C_II – расчетное значение удельного сцепления, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, C_II=20 кПа;

d₁ – глубина заложения фундамента, d₁=2.2м;

R=1.25•1•(0.69•1•0.9•20.53+3.65•2.2•21.3+6.24•20)/1=385.67 кН/м²

 2. Требуемая площадь подошвы фундамента определяется по формуле:

А_ТР=N₀/(R-γ_CP•d), м²                            (26)

Где А_ТР – требуемая площадь подошвы фундамента, м²;

γ_CP – усредненный удельный вес фундамента и грунта