Расчет и конструирование фундаментов

Анализ инженерно-геологических условий

1) Определение наименований и характеристик грунтов

Таблица 10 – Физико-механические свойства грунтов

№ слоя	Для расчета по несущей способности			Для расчета по деформациям				W	W_L	W_Р	Е₀ _МПА
№ слоя								W	W_L	W_Р	Е₀ _МПА
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	−	−	−	16,0	−	−	−	−	−	−	−
2	20,2	17,0	20,0	20,3	20,0	30,0	27,1	0,221	0,311	0,207	10,0
3	18,5	11,0	21,0	18,7	13,0	31,0	27,4	0,312	0,451	0,239	7,0

W – природная влажность;

W_L – влажность на границе текучести;

W_Р – влажность на границе раскатывания;

γ_s – удельный вес грунта;

Е₀– модуль деформации;

γ_I – удельный вес по несущей способности;

γ_II – удельный вес по деформации;φ_I

φ_I – угол внутреннего трения по несущей способности;

φ_II – угол внутреннего трения по деформациям;

c _I – удельное сцепление по несущей способности;

c _II – удельное сцепление по деформациям.

Таблица 11 – Вычисляемые характеристики грунтов

№ элемента	Наименование
1	Насыпной грунт	−	−	−
2	Суглинок	0,63	0,951	0,135
3	Глина	0,92	0,93	0,34
4А 4Б	Суглинок Суглинок	0,776 0,632	0,789 1,000	0,393 0,643
5	Супесь	0,550	1,000	0,537
6	Песок	0,657	0,907	−

− S_r=0,951; е=0,63;

− по е _sw=0,02, суглинок не набухающий;

− по I_L=0,135, суглинок полутвердый [10, т.10], слабо-пучинистый [10, т.13];

− R₀ =274,13 кПа [9, т.В3];

− ИГЭ-2 не относится к категории слабых грунтов.

Вывод:Суглинок может служить естественным основанием для фундаментов мелкого заложения.

Инженерно-геологический элемент №3 – глина красновато-коричневая, с прослоями и линзами песка пылеватого:

− мощность слоя: 1м;

− модуль деформации Е = 7МПа > 5МПа, глина не относится к сильно сжимаемым грунтам;

− S_r=0,93; е=0,92

− по е _sw=0,02 глина не набухающая;

− по I_L=0,34, глина тугопластичная [10, т.10], средне-пучинистая [10, т.13];

− R₀ =239,2 кПа [9, т.В3];

− ИГЭ-3 не относится к категории слабых грунтов.

Вывод:Глина может служить естественным основанием для фундаментов мелкого заложения.

Инженерно-геологический элемент №4А – суглинок серовато-желтый, с прослоями песка, линзами глины, с незначительной примесью органических веществ:

− мощность слоя: 2,1м;

− модуль деформации Е = 10,5МПа > 5МПа, суглинок не относится к сильно сжимаемым грунтам;

− S_r=0,789; е=0,776

− по е _sw=0,02 суглинок не набухающий;

− по I_L=0,393 суглинок тугопластичный [10, т.10], средне-пучинистый [10, т.13];

− R₀=206,8кПа [9, т.В3];

− ИГЭ-4А не относится к категории слабых грунтов.

Вывод:Суглинок может служить естественным основанием для фундаментов мелкого заложения.

Инженерно-геологический элемент №4Б – суглинок серовато-желтый, с прослоями песка, линзами глины, с незначительной примесью органических веществ:

− мощность слоя: 0,8м;

− модуль деформации Е = 10,5МПа > 5МПа, суглинок не относится к сильно сжимаемым грунтам;

− S_r=1,000; е=0,632

− е _sw=0,01;

− по I_L=0,643суглинок мягкопластичный [10, т.10], сильно-пучинистый [10, т.13];

− R₀=232,4кПа [9, т.В3];

− ИГЭ-4Б не относится к категории слабых грунтов.

Вывод:Суглинок может служить естественным основанием для фундаментов мелкого заложения.

Инженерно-геологический элемент №5 – супесь серая, с прослоями песка, суглинка:

− мощность слоя: 2,3м;

− модуль деформации Е = 15МПа > 5МПа, супесь не относится к сильно сжимаемым грунтам;

− S_r=1,000; е=0,55

− е _sw=0,01;

− по I_L=0,537супесь пластичная [10, т.10], сильно-пучинистая [10, т.13];

− R₀=233,8кПа [9, т.В3];

− ИГЭ-5 не относится к категории слабых грунтов.

Вывод:Супесь может служить естественным основанием для фундаментов мелкого заложения.

Инженерно-геологический элемент №6 – песок мелкий, средней плотности:

− мощность слоя: 4,7м;

− модуль деформации Е = 12МПа > 5МПа, песок не относится к сильно сжимаемым грунтам;

− S_r=0,907; е=0,657

− R₀=200,0 кПа [9, т.В3];

− ИГЭ-6 не относится к категории слабых грунтов.

Вывод:Песок мелкий может служить естественным основанием для фундаментов мелкого заложения.

Грунтовое основание представлено надежными со строительной точки зрения грунтами. Горизонтальность слоев выдержана.

Определение глубины промерзания и назначение глубины заложения фундаментов.

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

Нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле:

(2.42)

гдеM_t – безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе [2, т.3].

− для суглинков;

Расчетная глубина промерзания:

(2.43)

гдеk_h – коэффициент теплового влияния сооружения [9, т.5.2].

d_f=0,5·1,427=0,71

Глубина заложения фундамента [9, т.5.3] должна быть не менее 0,5d_f=0,5·1,427=0,355

Вывод: принимаю глубину заложения фундамента 2,2м от планировочной отметки земли, высота фундамента 1,8м.

Определение размеров и конструирование отдельностоящих фундаментов из расчета оснований по деформациям.

Целью расчета оснований по деформациям является ограничение абсолютных или относительных перемещений такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность (вследствие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, изменений проектных уровней и положений конструкций, расстройств их соединений и т.п.). При этом имеется в виду, что прочность и трещиностойкость фундаментов и надфундаментных конструкций проверены расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при взаимодействии сооружения с основанием.

Несущим слоем является слой 2 – суглинок: Е₀=10МПа; R₀=274,13кПа, .

1) Расчет столбчатого фундамента Ф-1 по оси Ж

Нагрузки по обрезу фундамента Ф1: N₀_II=1289,3кН; M₀_II=134,7кН∙м; Q₀_II=113,1кН.

Ориентировочные размеры подошвы фундамента:

(2.44)

где: N_II - расчетная нагрузка по второй группе предельных состояний, приложенная к обрезу фундамента,кН.

γ - осредненное расчетное значение удельного веса грунта и материала фундамента.

d - глубину заложения фундамента, м

l = b;

Нахожу ширину подошвы фундамента:

Принимаю: b = l= 2,4 м.

Для суглинка с I_L = 0,135 при L/H = 2,5: g_c₁ = 1,25; g_c₂ = 1,06 [9, т.5.4].

Осредненный удельный вес грунта под подошвой фундамента вычисляется в пределах: 0,5 b =0,5·2,4=1,2 м.

Расчетное сопротивление грунта основания:

(2.45)

где: g_с1 и g_с2 - коэффициенты условий работы;

k− коэффициент, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта (φ и c) определены непосредственными испытаниями;

M_g, M_q и M_с − коэффициенты, принимаемые по таблице 5.5 СП 22.13330.2011;

k_z − коэффициент, принимаемый при b < 10 м равным 1;

b− ширина подошвы фундамента, м;

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

γ^'_II− то же, выше подошвы фундамента;

c_II − расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа;

Вычисляю g_II:

Вычисляю g_II^’:

Корректирую ориентировочные размеры подошвы фундамента, заменив R ₀ на фактическое расчетное сопротивление грунта по формуле (2.44):

Нахожу ширину подошвы фундамента:

Принимаю: b = l= 2,1 м;

Осредненный удельный вес грунта под подошвой фундамента вычисляется в пределах: 0,5 b =0,5·2,1=1,05м.

Рисунок 31

Вычисляю g_II:

Вычисляю g_II^’:

R=412,93кПа < R₀=416,72кПа, расхождение в 0,9%.

Принимаю l=b=2,1м

Проверка краевых давлений:

(2.46)

расхождение18,54%;

(2.47)

Эксцентриситет равнодействующей нагрузки по подошве фундамента определяю по формуле [10, п.7.2]:

(2.48)

Вывод: требование по форме эпюры давлений по подошве фундамента для здания удовлетворено – отрыва подошвы фундамента от основания не происходит.

(2.49)

Корректирую размеры подошвы фундамента: принимаю l= 2,4 м; b= 2,1 м. Определяем эксцентриситет по формуле (2.48)

расхождение 5,6%.

Вычисление осадки фундамента Ф-1

Определение шага для разбивки основания:

Максимальное давление под подошвой фундамента:

Определяю вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента:

При ширине подошвы фундамента b £ 5 м и отсутствии в основании слоев грунта с Е < 5 МПа суммирование проводится до тех пор, пока s_z_р не станет меньше 0,2× s_zg. Смотреть рисунок 33.

Осадка фундамента определяется по формуле:

(2.50)

Таблица 12 – Вычисление осадки фундамента Ф-1

№ игэ	z, м	x	a	h, м	s_zp, кПа	s_z_g, кПа	g_II, кН/м³	s_zg, кПа	0,2s_zg, кПа	кПа	кПа	Е, кПа	м
2	0	0	1,000	0	467,61	39,49	20,30	39,49	7,898	428,12
2	0,60	0,57	0,900	0,60	420,849	35,54	20,30	51,67	10,334	385,309	406,71	10,0	0,0244
3	0,84	0,80	0,817	0,24	382,037	32,26	18,70	56,158	11,232	349,777	367,54	7,0	0,0126
3	1,60	1,52	0,509	0,76	238,013	20,10	18,70	70,37	14,074	217,913	283,845	7,0	0,0308
4А	1,68	1,60	0,478	0,08	223,518	18,88	18,70	71,866	14,373	204,638	211,275	10,5	0,0016
	2,52	2,40	0,281	0,84	131,398	11,09	18,70	87,574	17,515	120,301	162,47	10,5	0,0130
	3,36	3,20	0,178	0,84	83,235	7,029	18,70	103,28	20,656	76,206	98,254	10,5	0,0786
	3,70	3,52	0,152	0,34	71,078	6,002	18,70	109,64	21,928	65,076	70,641	10,5	0,0023
4Б	4,20	4,00	0,121	0,50	56,581	4,778	10,54	114,91	22,982	51,803	58,44	10,5	0,0028
4Б	4,50	4,29	0,107	0,30	50,034	4,225	10,54	118,07	23,614	45,809	48,806	10,5	0,0014
5	5,04	4,80	0,087	0,54	40,682	3,436	10,77	123,89	24,778	37,246	41,528	15,0	0,0015
	5,88	5,60	0,065	0,84	30,395	2,567	10,77	132,93	26,587	27,828	32,537	15,0	0,0018
	6,72	6,40	0,052	0,84	24,31	2,053	10,77	141,98	28,396	22,257	25,043	15,0	0,0014

Вывод: необходимо уменьшить нормальные вертикальные напряжения путем увеличения подошвы фундамента.

Принимаю: l=b= 2,7.

При ширине подошвы фундамента b £ 5 м и отсутствии в основании слоев грунта с Е < 5 МПа суммирование проводится до тех пор, пока s_z_р не станет меньше 0,2×s_zg.

Определение шага для разбивки основания:

Таблица 13 – Вычисление осадки фундамента Ф-1

№ игэ	z, м	x	a	h, м	s_zp, кПа	s_z_g, кПа	g_II, кН/м³	s_zg, кПа	0,2s_zg, кПа	кПа	кПа	Е, кПа	м
2	0	0	1,000	0	323,98	39,49	20,3	39,49	7,898	284,49
2	0,60	0,44	0,944	0,60	305,837	39,28	20,3	51,67	10,334	268,559	276,524	10,0	0,0166
3	1,08	0,80	0,800	0,48	259,184	31,59	18,7	60,646	12,129	227,592	248,075	7,0	0,0170
3	1,60	1,19	0,613	0,52	198,665	24,22	18,7	70,37	14,074	174,449	201,021	7,0	0,0149
4А	2,16	1,6	0,449	0,56	145,467	17,73	18,7	80,842	16,168	127,736	151,093	10,5	0,0081
	3,24	2,4	0,257	1,08	83,263	10,15	18,7	101,04	20,208	73,114	100,425	10,5	0,0103
	3,70	2,74	0,209	0,46	67,809	8,265	18,7	109,64	21,928	59,544	66,329	10,5	0,0029

Определение размеров и конструирование ленточного фундамента по оси Ж из расчета оснований по деформациям.

Таблица 14 − Сбор нагрузки от покрытия

Наименование нагрузки	Нормат-я нагрузка, , кН/м²		Коэф-т надежн. по нагрузке,			Коэф-т надежн. по назначению,		Расчетная нагрузка, , кН/м²
Постоянные нагрузки
− подвесной потолок − ж/б плита покрытия , , , − ц/п стяжка , − утеплитель ПСБ-С 35 , − керамзитовый гравий , − армированная ц/п стяжка , − 2 слоя линокрома ТПП − 1 слой линокрома ТКП	0,042 3,021 0,180 0,056 0,800 1,250 0,072 0,046			1,05 1,1 1,3 1,2 1,3 1,3 1,2 1,2		1 1 1 1 1 1 1 1		0,044 3,323 0,234 0,067 0,960 1,625 0,086 0,055
ИТОГО	5,467							6,394
Временные нагрузки
Кратковременные: − снеговая нагрузка		1,680			1,4		1		2,400

Таблицы 15 – Сбор нагрузки от стены

Сбор нагрузки от стены	Нормат-я нагрузка, , кН/м	Коэф-т надежн. по нагрузке,	Коэф-т надежн. по назначению,	Расчетная нагрузка, , кН/м
Постоянные нагрузки
− кирпичная кладка , − утеплитель плиты минераловатные полужесткие , − утеплитель «Пеноплекс 35» , − система навесного фасада , − уголок 50х75,	143,48 1,448 0,025 1,688 0,009	1,1 1,2 1,2 1,05 1,05	1 1 1 1 1	157,828 1,738 0,030 1,772 0,009
- штукатурка ,	3,36	1,3	1	4,368
ИТОГО	150,01			165,745

Определяю нагрузку, действующую на фундамент с учетом грузовой площади:

Постоянная нагрузка от перекрытия и стены:

Временная нагрузка – нагрузка от снега:

Нагрузка по обрезу фундамента Ф2: n₀_II =169,9 кН/м.

Предварительная ширина плиты фундамента:

Принимаю b=0,8м.

Для суглинка с I_L = 0,135 при L/H = 2,5: g_c₁ = 1,25; g_c₂ = 1,06 [9, т.5.4].

Осредненный удельный вес грунта под подошвой фундамента вычисляется в пределах: 0,5 b =0,5·0,8=0,4 м.

Вычисляю g_II:

Вычисляю g_II^’:

Расчетная ширина плиты фундамента:

Принимаю b=0,6м.

Осредненный удельный вес грунта под подошвой фундамента вычисляется в пределах: 0,5b=0,5·0,6=0,3м.

Краевое давление по подошве фундамента:

расхождение 17%.

Принимаю плиту ленточного фундамента ФЛ6.24-1: b =600 мм, L =2380 мм, h =300 мм.

Вычисление осадки ленточного фундамента.

Определение шага для разбивки основания:

Максимальное давление под подошвой фундамента:

Определяю вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента:

При ширине подошвы фундамента b £ 5 м и отсутствии в основании слоев грунта с Е < 5 МПа суммирование проводится до тех пор, пока s_z _р не станет меньше 0,2×s_zg. Смотреть рисунок 34.

Таблица 16 – Вычисление осадки ленточного фундамента

№ игэ	z, м	x	a	h, м	s_zp, кПа	s_z_g, кПа	g_II, кН/м³	s_zg, кПа	0,2s_zg, кПа	кПа	кПа	Е, кПа	м
2	0	0	1,00	0	327,2	39,49	20,3	39,49	7,898	287,71
	0,24	0,8	0,881	0,24	288,263	34,791	20,3	44,362	8,872	253,472	270,591	10,0	0,0065
	0,48	1,60	0,641	0,24	209,735	25,313	20,3	49,234	9,847	183,687	218,580	10,0	0,0052
	0,60	2,00	0,548	0,12	179,306	21,641	20,3	51,670	10,334	155,665	170,676	10,0	0,0020
3	0,72	2,40	0,473	0,12	154,766	18,679	18,7	53,914	10,783	136,087	146,876	7,0	0,0025
	0,96	3,20	0,367	0,24	120,082	14,493	18,7	58,402	11,68	105,589	120,838	7,0	0,0041
	1,20	4,00	0,296	0,24	96,851	11,689	18,7	62,89	12,578	85,162	95,376	7,0	0,0033
	1,44	4,80	0,245	0,24	80,164	9,675	18,7	67,378	13,476	70,489	77,826	7,0	0,0027
	1,60	5,33	0,219	0,16	71,657	8,648	18,7	70,37	14,074	63,009	66,749	7,0	0,0015
4А	1,68	5,66	0,205	0,08	67,076	8,095	18,7	71,866	14,373	58,981	60,995	10,5	0,0005
	1,92	6,40	0,179	0,24	58,569	7,069	18,7	76,354	15,271	51,500	55,241	10,5	0,0013
	2,16	7,20	0,156	0,24	51,043	6,160	18,7	80,842	16,168	44,883	48,192	10,5	0,0011
	2,40	8,00	0,138	0,24	45,154	5,450	18,7	85,33	17,066	39,704	42,294	10,5	0,0010
	2,64	8,80	0,123	0,24	40,246	4,857	18,7	89,818	17,964	35,389	37,547	10,5	0,0009
	2,88	9,60	0,111	0,24	36,319	4,383	18,7	94,306	18,861	31,936	33,663	10,5	0,0008
	3,12	10,40	0,100	0,24	32,72	3,949	18,7	98,794	19,759	28,771	30,354	10,5	0,0007
	3,36	11,20	0,092	0,24	30,102	3,633	18,7	103,28	20,656	26,469	27,620	10,5	0,0006
	3,60	12,00	0,084	0,24	27,48	3,317	18,7	107,77	21,554	24,163	25,316	10,5	0,0006
	3,70	12,33	0,081	0,10	26,503	3,199	18,7	109,64	21,928	23,304	23,734	10,5	0,0002
4Б	3,84	12,8	0,076	0,14	24,867	3,001	10,54	111,12	22,224	21,866	22,585	10,5	0,0003
4Б	4,08	13,6	0,068	0,24	22,250	2,685	10,54	113,65	22,73	19,565	20,716	10,5	0,0005
												S	0,0369

Вывод: необходимо увеличить площадь подошвы фундамента Ф-1.

Принимаю l =3,3 м; b =3 м.

Определение шага для разбивки основания:

Таблица 17– Вычисление осадки ленточного фундамента

№ игэ	z, м	x	a	h, м	s_zp, кПа	s_z_g, кПа	g_II, кН/м³	s_zg, кПа	0,2s_zg, кПа	кПа	кПа	Е, кПа	м
2	0,0	0,00	1,00	0,00	236,36	39,49	20,3	39,49	7,898	196,87
2	0,6	0,40	0,963	0,60	227,615	38,029	20,3	51,67	10,334	189,586	193,228	10,0	0,0116
3	1,2	0,80	0,812	0,60	191,924	32,066	18,7	62,89	12,578	159,858	174,722	7,0	0,0150
3	1,60	1,07	0,686	0,40	162,096	27,082	18,7	70,37	14,074	135,013	147,436	7,0	0,0084
4А	2,40	1,60	0,470	0,80	110,995	18,545	18,7	85,33	17,066	92,45	113,732	10,5	0,0087
	3,6	2,40	0,274	1,2	64,763	10,820	18,7	107,77	21,554	53,942	73,196	10,5	0,0084
	3,7	2,47	0,264	0,10	62,352	10,417	18,7	109,64	21,928	51,934	52,938	10,5	0,0005
4Б	4,50	3,00	0,194	0,80	45,901	7,669	10,54	118,07	23,614	38,232	45,083	10,5	0,0034
5	4,8	3,20	0,173	0,30	10,772	6,812	10,77	121,30	24,261	33,960	36,096	15,0	0,0007
	6,00	4,00	0,117	1,2	27,725	4,632	10,77	134,23	26,845	23,093	28,526	15,0	0,0023
	6,8	4,53	0,094	0,80	22,241	3,716	10,77	142,84	28,569	18,525	20,809	15,0	0,0011

S 0,0601

Вывод: необходимо увеличить площадь подошвы фундамента Ф-1.

Принимаю l=3,6м; b=3,6м. 23564

Определение шага для разбивки основания:

Таблица 18– Вычисление осадки ленточного фундамента

№ игэ	z, м	x	a	h, м	s_zp, кПа	s_z_g, кПа	g_II, кН/м³	s_zg, кПа	0,2s_zg, кПа	кПа	кПа	Е, кПа	м
2	0	0	1,0	0	186,98	39,490	20,3	39,49	7,898	147,49
2	0,6	0,33	0,967	0,6	180,810	38,187	20,3	51,67	10,334	142,623	145,056	10,0	0,0087
3	1,44	0,8	0,8	0,84	149,584	31,592	18,7	67,378	13,476	117,992	130,307	7,0	0,0156
3	1,6	0,89	0,756	0,16	141,357	29,854	18,7	70,37	14,074	111,502	114,747	7,0	0,0026
4А	2,88	1,60	0,449	1,28	83,954	17,731	18,7	94,306	18,861	66,223	88,863	10,5	0,0108
4А	3,7	2,06	0,324	0,82	60,582	12,795	18,7	109,64	21,928	47,787	52,064	10,5	0,0041
4Б	4,32	2,4	0,257	0,62	48,054	10,149	10,54	116,18	23,235	37,905	42,846	10,5	0,0025
4Б	4,5	2,5	0,243	0,18	45,436	9,596	10,54	118,07	23,614	35,840	36,873	10,5	0,0006
5	5,76	3,2	0,16	1,26	29,917	6,318	10,77	131,64	26,328	23,598	29,719	15,0	0,0025
5	6,8	3,78	0,121	1,04	22,625	4,778	10,77	142,84	28,569	17,846	20,722	15,0	0,0014