Проектирование фундаментов одноэтажного производственного здания прямоугольной формы в плане (высота здания - 21 м)

1.  Оценка сооружений и инженерно – геологических условий площадки   строительства.

1.1  Краткая характеристика сооружения.

        Одноэтажное производственное здание прямоугольной формы в плане. Имеет размеры в осях  24.000 x 36.000 мм. Здание с металлическим каркасом. Высота здания 21.000 мм. Наружные стены выполнены из лёгкобетонных стеновых панелей толщиной 350 мм. Кровля выполнена из ферм, опирающихся на железные (стальные) конструкции. Отметка пола 0.00 мм, что на 150 мм выше планировочной отметки. На расстоянии 12.000 мм находится вытяжное сооружение, соединённое с производственным зданием газоотводом 5.000 x 5.000 мм, заложенным на глубину 4.000 мм. В центре здания расположен котёл размером 10.000 x 8.000 мм и высотой 10.000 мм. Также в здании имеется 6 железобетонных колонн 400 х 400 мм с шагом 600 мм и пролётом 400 мм между ними. Относительная разность осадок 0.002. Крен 0.000. Средняя (максимальная) осадка 80 мм.

1.2  Характеристика строительной площадки.

1.2.1 Краткое описание площадки.

     Строительная площадка размерами 60.000 х 50.000 мм имеет прямоугольную форму. На площадке размещено здание. Под зданием расположены три скважины. Уклон площадки i=0.002 Планировочная отметка вычислена по формуле:

Нср = Σ ч.о./n ч.о.=562.62/4=140.655 м

Нср = Кср=140.655 м

Нулевая отметка:  Кср+0.15=140.805 м

Красные отметки находим методом плоскостей по формуле:

Нкр=Нср±iпр·L

Нкр1=140.655+0.002·12=140.679 м

Нкр2=140.655-.002·12=140.631 м

1.2.1 Краткое описание грунтов.

1 слой: растительный – срезается и складируется.

2 слой: суглинок пылеватый с линзами песка.

1.  удельный вес:

                            γd=γ׀׀ /1+ω=1.54/1.26=1.222 т/м³

2.  объём в единице объёма грунта:

                                n=1-(γd /γs)=1-(1.222/2.75)=0.55

3.  коэффициент пористости:

                                е=n/(1-n)=0.55/0.45=1.222

4.  число пластичности:

                                Jp= ωL-ωp=0.32-0.19=0.13 (13%)

       7%<13%<17%          суглинок

5.  показатель текучести:

                     JL= (ω-ωp)/(ωL-ωp)=(0.26-0.19)/(0.32-0.19)=0.538

       0.5<0.538<0.75          мягкопластичный

6.  степень влажности:

                     Sr=ω γs /e γw=0.26*2.71/1.222=0.58

       0.5<0.58<0.8          влажный

7.  коэффициент относительной сжимаемости:

                     mv=B/E=0.62/90=0.0069 см²/кгс

           малосжимаемый

8.  коэффициент пористости:

                     еL=ωL γs/γw=0.32*2.71=0.867

Вывод: т.к. Sr<0.8 и е≥1, то суглинок не имеет просадочности и по СниП

             2.02.01-83 п.2.40 стр.33 суглинок мягкопластичный, влажный,

             малосжимаемый может служить в качестве естественного основания.

3 слой: песок средней крупности насыщенный водой:

1.γd=γ׀׀ /1+ω=2.01/1.24=1.62 т/м³

      γd>1.6 т/м³           песок уплотнённый

2.n=1-(γd /γs)=1-(1.62/2.65)=0.39

3.е=n/(1-n)=0.39/0.61=0.64

       средней плотности

4.Sr=ω γs /e γw=0.24*2.65/0.64=0.99

       0.8<0.99          насыщенный водой

5.mv=B/E=0.8/250=0.0032 см²/кгс

           малосжимаемый

6.еL=ωL γs/γw=0.32*2.71=0.867

7.проверка по гранулометрическому составу:

    0.25<d<0.5         ≥50%            средней крупности

lg0.005	lg0.01	lg0.05	lg0.1	lg0.25	lg0.5	lg1	lg2	lg10
-5.298	-4.605	-2.996	-2.303	-1.386	-0.693	0	0.693	2.303

8. d60/10=c10/c60=2.2/1=2.2.

          песок однородный

Вывод: песок средней крупности, уплотнённый, насыщенный водой, средней

            плотности, малосжимаемый, однородный может служить в качестве

            естественного основания.

4 слой: глина темно-серая пылеватая.

1.γd=γ׀׀ /1+ω=1.92/1.03=1.477 т/м³

2.n=1-(γd /γs)=1-(1.477/2.74)=0.46

3.е=n/(1-n)=0.46/0.54=0.85

4.Jp= ωL-ωp=0.47-0.26=0.21 (21%)

      17%<21%          глина

5.JL= (ω-ωp)/(ωL-ωp)=(0.30-0.26)/(0.47-0.26)=0.19

       0.0<0.19<0.25          полутвёрдая

6.Sr=ω γs /e γw=0.3*2.74/0.85=0.967

       0.8<0.967          насыщенная водой

7.mv=B/E=0.4/210=0.0019 см²/кгс

           малосжимаемый

8.еL=ωL γs/γw=0.47*2.74=1.29

9. т.к. Sr>0.8 и е≤1.5, то глина имеет просадочность:

    Jss=(еL-е)/(1+е)=(1.29-0.85)/1.85=0.238

Вывод: по СниП 2.02.01-83 п.2.40 стр.33 глина полутвёрдая, насыщенная

             водой, малосжимаемая, просадочная не может служить в качестве

            естественного основания.

1.2.2. Проверка наличия слабого подстилающего слоя.

Mγ=0.39

Mq=2.57   γ=1.54 т/м³

Mc=5.15   c=0.15 кгс/см²

Mγ=1.68

Mq=7.71   γ=2.01 т/м³

Mc=9.58   c=0.01 кгс/см²

Mγ=0.29

Mq=2.17   γ=1.92 т/м³

Mc=4.69   c=0.36 кгс/см²

R1=Mγ2γ3+Mq2γ2h2+Mc2c2

R1=0.39*2.01+2.57*3.6*1.54+5.15*0.15*10=22.757

R2=Mγ3γ3+Mq3γ3h2+Mc3c3

R2=1.68*2.01+7.71*3.6*2.01+9.58*0.01*10=60.124

R3=Mγ3γ4+Mq3Σh(γ2h2+γ3h3)/Σh +Mc3c3

R3=1.68*1.92+7.71*(1.54*3.6+2.01*6.1)+9.58*0.01*10=141.46

R4=Mγ4γ4+Mq4Σh(γ2h2+γ3h3)/Σh +Mc4c4

R4=0.29*1.92+2.17*(1.54*3.6+2.01*6.1)+4.69*0.36*10=56.077

Вывод: 4 слой: глина полутвёрдая, насыщенная водой, малосжимаемая,

             просадочная, - является слабым подстилающим слоем по отношению

             к третьему слою: песок средней крупности, уплотнённый,

             насыщенный водой, средней плотности, малосжимаемый,

             однородный.

1.2.3. Общая оценка строительной площадки.

     Строительная площадка располагается в городе Перьм. На площадке расположено 5 скважин. Вскрытые слои:

          1. почвенно-растительный слой

          2. суглинок пылеватый с линзами песка

          3. песок средней крупности, насыщенный водой

          4. глина темно-серая пылеватая

Площадка прямоугольной формы в плане. Размеры 60 х 50 м. Уровень грунтовых вод на отметке 136.00 м. Подземные воды неагрессивные.

1.3. Климатические особенности района строительства.

Глубина промерзания нормативная:   dfn = do √Mt

   где: Mt – сумма всех строительных температур за холодный период года

                   do=0.23 – для суглинков

Значения температур:

           январь – 15.3ºС

           февраль – 13.4ºС

           март – 6.9ºС

           ноябрь – 6.3ºС

         декабрь – 12.7ºС

dfn =0.23√54.6=1.69 м

Глубина промерзания расчётная: df = kh dfn

          где:  kh – коэффициент, учитывающий влияние теплового режима

                          сооружения ( 0.6 для сооружения без подвала с полом по грунту при расчётной среднесуточной температуре воздуха в помещении 15ºС)

df =1.69*0.6=1.014 м

2.  Вариант фундамента мелкого заложения.

2.1 Расчётная схема.

     Выбираем фундамент отдельно стоящий, наиболее нагруженный. В данном проекте будет рассматриваться фундамент №2, который отвечает данным требованиям.

М׀׀=14.2 тсм

N׀׀=137 тсм

T׀׀=3.6 тсм

2.2 Выбор глубины заложения фундаментов.

а) глубина заложения фундамента не зависит от инженерно –

    геологических условий.

б) d≥dfn       т.к.      dfn =1.69 м,  то   d=1.80м

в) конструктивные особенности:

г) Учёт морозного пучения:

     В зависимости от грунта под подошвой фундамента и глубины

заложения грунтовых вод (dw) глубина заложения фундамента будет для

суглинков с показателем текучести: JL=0.538≥0 и глубины расположения

грунтовых вод:

dw=136.0 ≤ df+2=140.0-1.014+2=140.986 м

Глубина заложения фундамента должна быть d≥dfn  т.к. dfn =1.014 м,

     то d=1.8 м

е) Минимальная глубина заложения фундамента должна быть не менее 0.5

Вывод: учитывая все условия влияющие на глубину заложения выбираем

             самую максимальную из всех расчётных: d=1.8 м

2.3 Выбор размеров фундамента.

а) Рср=N׀׀/αВ²+γсрd

       γср=2 т/м³       α=lk/Вk=1000/500=2

       N׀׀=137 тсм

       d=1.8 м

Рср=137/2*В²+2*1.8

б) R= γс1 γс2(Mγ kz b γ2+Mq d1 γ1+Mc c11)/k

       γс1=1.25 т/м³        Mγ=0.39

       γс2=1.1 т/м³          Mq=2.57

       γ2=2.01 т/м³         Mc=5.15

       γ1=1.54 т/м³         c11=0.15 кгс/см²

       kz=1                      k =1                         d1=1.8 м

R=1.25*1.1(0.39*b*2.01+2.57*1.8*1.54+5.15*0.15)=1.375(0.7839*b+7.89654) R=10.86+1.08*b

По графику принимаем предварительное значение размера ширины подошвы фундамента: b=2.55 м.   Т.к. α=2, то l=5.1 м

Т. к. размеры подушки получились 2.55 х 5.1 м, то делаем перерасчет. Под

фундамент  размещаем песчаную подушку из песка средней плотности с

R0=40 т/м² и до уплотняем его до γd=1.65 т/м³

А=N׀׀/ R0- γср*d

А=137/40-2*1.8=3.76 м²

     А= b*l,   где l=2*b

b*2b=3.76 м²

b=1.4 м     l=2.8 м

2.4 Конструирование искусственного основания и фундамента.

2.4.1 Конструирование песчаной подушки.

2.4.2 Конструирование фундамента.

а) Объём фундамента: Vф= V1+V2+V3+V4

          V1(пес под)=1(3.96*2.56+√(3.96*2.56)(4.56*5.96)+ 4.56*5.96)/3=17.971 м³

          V2(под фуд)=2.8*1.4*1.05=4.116 м³

          V3=2.7*1.3*0.05=0.1755 м³

          V4=0.7(0.8*2.2+√(0.8*2.2)(2.8*1.4)+2.8*1.4)/3=1.939 м³

   Vф=4.116+0.176+1.939=6.231 м³

б) Общий объём: Vобщ=h(S1+√S1S2 +S2 )/3

Vобщ=2.8(2.56*3.96+√ (2.56*3.96)(8.16*9.56)+8.16*9.56)/3=108.5176 м³

в) Вес фундамента: Nф=Vф*γф=6.231*2.4=14.954

г) Рср=(N׀׀+ Nф)/b*l

                      Рср=(137+14.954)/1.4*2.8=38.764

По формуле (1)  прил.3  (СниП 2.02.01-83* стр.45)

    Rф=R0(1+k(b-b0)/b0)*(d-d0/4)

                      Rф=40(1+0.125(1.4-1)/1)*(1.8+2/4)=96.6

                                      Рср ≤ Rф

2.5 Учёт внецентренного нагружения.

Приближённый эксцентриситет:

                              е= М׀׀/N׀׀ =14.2/137=0.10365

т.к.   е>3/30, то фундамент нагружен внецентренно и k=1.3

Рср=N׀׀k/еВ²+γсрd=137*1.3/1.4*2.8+2*1.8=49.034

Фактический эксцентриситет:  е=(М׀׀+Т׀׀*d)/(N׀׀+Nф)

е=(14.2+3.6*1.8)/(137+14.954)=20.68/151.954=0.136

Давление под подошвой фундамента:

Рmax/min=(N׀׀+ Nф)/A(1±6*e/l)

Рmax=137+14.954/3.92(1+6*0.136/2.8)=50.06

Рmin=137+14.954/3.92(1-6*0.136/2.8)=27.467

Проверка:

1. Рср≤ Rф  ;             49.034≤ 96.9

2. Рmax≤1.2Rф          50.06≤1.2*96.9

3. Рmin>0                  27.467>0

2.6 Проверка по слабо подстилающему слою.

1) σzp+σzg ≤ Rz

σzp= α* Р0           α=f (2z/b ; l/b)

                        z=8       l=2.8       b=1.4

                            α=0.02985

             Р0= Рср-γсрd=49.034-1.54*2.2=45.646

σzp=1.3625331

2) σzg =∑ γi hi

         пес. подушка: h=1 ; γ=2.01

         сугл: h=1 ; γ=1.54

         песок: h=6 ; γ=2.01

σzg =1.54+2..01*7=15.61

3) bz=√Az-а²-а

    Az= N׀׀/σzp=137/1.3625331=100.548

    а=(l-b)/2=0.7

bz=9.96785

4) Rz=.125*1.1*(0.29*1*9.96785*1.92+2.17*1.8*2.01+4.69*0.36)=20.748

5) 15.61+1.3625≤20.748

Вывод: слабый подстилающий слой выдерживает нагрузку.

2.7 Расчёт осадки.

b=1.4 м,   h=0.4*1.4=0.56 м

Р0= Рср-γсрd=38.764-2.772=35.992

α	z	2z/b	l/b	Р0	σzp= α* Р0	hi	σzg= γh	0.2 σzg	Еi	Si
1	0	0	2	35.992	35.992	0	0	0	2500	0 0.0003214 0.00114 0.0038748 0.0081165 0.006006 0.0025798 0.003223 0.0038662 0.0045094 0.0051526 0.0057957
0.869	0.56	0.8	2		31.277	0.56	1.1256	0.225
0.647	1.0	1.429	2		23.287	0.44	2.01	0.402
0.427	1.56	2.223	2		15.369	0.56	2.8724	0.5745	900
0.311	2.0	2.857	2		11.194	0.44	3.556	0.71128
0.272	2.2	3.143	2		9.79	0.2	3.952	0.7904	2500
0.194	2.76	3.943	2		6.982	0.56	5.0776	1.016
0.143	3.32	4.743	2		5.147	0.56	6.2032	1.241
0.109	3.88	5.543	2		3.923	0.56	7.3288	1.4676
0.085	4.44	6.343	2		3.054	0.56	8.4544	1.691
0.0685	5.0	7.143	2		2.465	0.56	9.58	1.916
0.0567	5.56	7.943	2		2.04	0.56	10.7056	2.141

2.8 Морозное пучение.

3 Вариант свайного фундамента.

3.1 Расчётная схема.

     Рассматриваем фундамент №2, как и для первого варианта. Нагрузки при расчёте берём по первому предельному состоянию.

М׀=17 тсм

N׀=164 тс

T׀=4.4 тс

3.2 Определения глубины заложения ростверка.

    а) конструктивным соображениям низ подошвы ростверка  -1.9 м (при конструкции эти размеры уточняются).

б) морозное пучение грунта:

Для суглинков с показателем текучести: JL=0.538≥0 и глубины расположения грунтовых вод:

dw=136.0 ≤ df+2=140.0-1.014+2=140.986 м

глубина заложения фундамента должна быть d≥dfn  т.к. dfn =1.014 м, то d=1.3

Вывод: учитывая все условия влияющие на глубину заложения выбираем

             самую максимальную из всех расчётных: d=1.9 м

3.3 Выбор типа и размера сваи.

Рассмотрим 2 варианта сваи – трения.

3.4 Определение несущей способности сваи.

     Выполняем расчёт висячей сваи: Fd=RA+u∑fi*hi

где: R – расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи

       А – площадь поперечного сечения сваи

       u – периметр поперечного сечения сваи

       fi – расчётное сопротивление i-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи

       li – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхности сваи

1 вариант:

свая длиной 6 м и сечением 30 х 30

   R=321 тс/м²

   А=0.3*0.3=0.09 м²

   u=(0.3+0.3)*2=1.2 м

суглинок: f1=1.464 тс/м²   при h1=1.9 м

песок средней крупности: f2=5.33 тс/м²   при h2=4.1 м

Fd=321*0.09+1.2(1.464*1.9+5.33*4.1)=58.452 тс

РДОП=Fd/1.4=41.751 тс

2 вариант:

     рассмотрим вариант погружения сваи длиной 12 м и сечением 40 х 40 в глину

   R=395.85 тс/м²

   А=0.4*0.4=0.16 м²

   u=(0.4+0.4)*2=1.6 м

суглинок: f1=1.464 тс/м²   при h1=1.9 м

песок средней крупности: f2=5.76 тс/м²   при h2=5.8 м

глина JL=0.19: f3=5.39 тс/м²   при h3=4.3 м

Fd=395.85*0.16+1.6(1.464*1.9+5.76*5.8+5.39*4.3)=158.322 тс

РДОП=Fd/1.4=113.088 тс

3.5 Расчёт количества свай.

а) n=N׀/РДОП

               1 вариант:  n=164/41.751=4

               2 вариант:  n=164/113.088=1.5

Вывод: выбираем наименьшее количество свай, т. к. nmin=3, то марка сваи будет С12-40

б) точное количество свай:

n=1.4*N׀/(Fd-γср*а²*1.4*dр )

                d=0.4 м ;        а=3d=1.2 м

n=1.4*164/(158.322-2*1.2²*1.4*1.9)

Вывод: выбираем три сваи.

3.6 Конструктивные особенности.

а) Объём ростверка: Vр=V1+V2

d=0.4 м ;     а=3d=1.2 м

       V1=4d*5d*1.7=5.44 м³

       V2=(5d+d)*7d*1.7/2=5.712 м³

Vр=5.44+5.712=11.152 м³

б) Вес ростверка:

Nр=Vр*γ׀׀              где:  γ׀׀=2.4

Nр=2.4*11.152=26.7648 тс

3.7 Учёт внецентренного нагружения.

Nmax/min=(N׀+ Nр)/n ±M׀*y/Σyi²

Nmax=(164+26.7648)/3+17*0.6/(1.34*2+2.4)²=63.983 тс

Nmin=(164+26.7648)/3-17*0.6/(1.34*2+2.4)²=63.193 тс

Проверка:

1. Nmax≤.Рдоп        63.983≤113.088

2. Nmin>0              63.193>0

Вывод: все условия выполнены.

3.8 Расчёт осадки.

1) α=φср/4

     φср==∑φi hi/∑hi=(17*3.6+35*6+14*4.3)/13.9=23.84

α=5.96°

2) х=tg α*l ,  где    tg α=0.1044

                               l=11.9 м

x=1.24 м

тогда: by=3.68 м     ly=6.08 м

3) Объём условного фундамента:

Vу=V1+V2+V3

       V1=3.68*2.44*13.9=124.811 м³

       V2=(3.68+2.48)*3.64*13.9/2=155.836 м³

Vy=155.836+124.811=280.647 м³

4) Объём грунта: Vгр= Vу-Vр-3Vсв

    Vгр=280.647-34.324-5.712=240.611 м³

5) Вес грунта: Nгр=Vгр*γгр

    Nгр=240.611*1.54=370.541 тс

6) Общая нагрузка: Nобщ=N׀׀+ Nр+Nгр+3Nсв

    Nобщ=137+33.56+370.541+5.52*3=557.661 тс

7) Среднее давление под подошвой условного фундамента:

                    Р=Nобщ/Aу≤R

Aу=15.6768

Р=35.57 тс/м²

Данное условие выполняется

 8) Напряжение от собственного веса грунта в уровне подошвы условного фундамента: σzg=∑γihi

σzg=1.54*3.8+2.01*6+1.92*4.3=26.168

0.2σzg=5.2336

9) Дополнительное давление в уровне подошвы условного фундамента:

Р0=Р-σzg=35.57-26.168=9.402 тс/м²

σzp= α* Р0           α=f (2z/b ; l/b)

                        z=13.9 м          l=6.08 м       b==√A/π=2.536 м

                            α=0.02985

σzp=0.34

σzp≤0.2σzg

0.34≤5.2336

Вывод: осадки не существует.

3.9 Экономические показатели.

а) мелкого заложения:

                                                                           b=1.4 м     В=1.4+2*0.8=3.0 м

l=2.8 м      L=2.8+2*0.8=4.48 м

                                         Откосы: 1: 0.5

                                                                   с=1.8*0.5=0.9 м

                                                          В1=3.0+2*0.9=4.8 м

                                                             L1=4.48+2*0.9=6.28 м

1) S=b*l=3*4.48=13.44 м²

    S1=B*L=4.8*6.28=30.144 м²

    Vу.р.=h(S+√S*S1+ S1)/3

    Vу.р.=1.8*(13.44+√13.44*30.144+30.144)/3=38.227 м³

    Сту.р.=Vу.р.*3.6*1.07=147.25 руб

2) S2=2.56*3.96=10.1376 м²

    S3=4.56*6.96=27.1776 м²

    Vn.n.=(10.1376+√10.1376*27.1776+27.1776)/3=17.971 м³

    Стn.n.=Vn.n.*4.5=80.871 руб

3) Vф=6.231 м³

    Стф=Vф*31=193.161 руб

4) Стобщ=147.25+80.871+193.161=421.282 руб

б) свайный фундамент:

                                                                           b=2.0 м     В=2.0+2*0.8=3.6 м

l=4.4 м      L=4.4+2*0.8=6.0 м

                                         Откосы: 1: 0.5

                                                                   с=1.7*0.5=0.85 м

                                                          В1=3.6+2*0.85=5.3 м

                                                             L1=6.0+2*0.85=7.7 м

1) S=b*l=6*3.6=21.6 м²

    S1=B*L=5.3*7.7=40.81 м²

    Vу.р.=h(S+√S*S1+ S1)/3

    Vу.р.=1.7*(21.6+√21.6*40.81+40.81=52.189 м³

    Сту.р.=Vу.р.*3.6*1.07=201.032 руб

2) Vр=11.152 м³

    Стр=Vр*31=345.712 руб

3) Vб=1.937 м³

    Стсв=Vб*31=180.154 руб

4) Стобщ=201.032+345.712+180.154=726.898 руб

4 Буронабивные сваи.

4.1 Расчётная схема.

     Рассматриваем фундамент №2. Нагрузки при расчёте принимаем по первому предельному состоянию (по несущей способности).

М׀=17 тсм

N׀=164 тс

T׀=4.4 тс

4.2 Технология изготовления буронабивных свай.

     Состав глинистого раствора должен назначаться лабораторией в зависимости от связности проходимых грунтов. В процессе бурения сваи надлежит производить периодическую проверку основных показателей глинистого раствора: вязкости, удельного веса и содержание песка