Основания и фундаменты 3 вариант. 1. Оценка инженерногеологических условий 2 Оценка величины нагрузок на фундамент опоры 5

• Название: 1. Оценка инженерногеологических условий 2 Оценка величины нагрузок на фундамент опоры 5
• Дата: 14.03.2023
• Размер: 86.69 Kb.
• Имя файла: Основания и фундаменты 3 вариант.docx
• Тип: Документы; #989698
• страница: 3 из 10

3. Проектирование фундамента на естественном основании

3.1 Определение глубины заложения подошвы фундамента

При выборе глубины заложения фундаментов решается вопрос о несущем слое грунта и типе основания. На выбор глубины заложения фундаментов влияют три фактора: инженерно-геологические условия площадки; климатические особенности местности и их воздействие на верхние слои грунта; конструктивные особенности сооружения /3, 4/.

Конструкция фундамента мелкого заложения определяется главным образом глубиной его заложения и размерами в уровне обреза и подошвы.

Глубину заложения назначают с учетом гидрогеологических условий. Наименьшая глубина заложения зависит от глубины промерзания грунтов и их размыва поверхностными водами. По промерзанию грунты подразделяются на пучинистые и непучинистые.

В пучинистых грунтах, к которым относятся все грунты, кроме скальных, крупнообломочных с песчаным заполнением, песков гравелистых, крупных и средней крупности, глубина заложения фундаментов искусственных сооружений должна быть больше расчетной глубины промерзания на 0,25 м.

Расчетная глубина промерзания грунтов определяется согласно /6/ по пп. 2.25-2.33 по формуле: d_f = k_h d_o M_t, (9)

где k_h - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима эксплуатации сооружения, для неотапливаемых сооружений k_h = 1,1; d_o - величина, принимаемая равной, м, для: суглинков и глин - 0,23; супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28; песков гравелистых, крупных и средней крупности - 0,30; крупнообломочных грунтов - 0,34; M_t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе строительства, принимаемых по СНиП по строительной климатологии и геофизике.

Фундаменты опор мостов недопустимо опирать на просадочные и заторфованные грунты, а также на глины и суглинки с показателем текучести I_L > 0,5. Такие грунты необходимо проходить, опирая подошву фундаментов на нижерасположенные более прочные грунты с залеганием в них подошвы фундамента.

В непучинистых грунтах, кроме скальных, глубина заложения фундаментов должна быть не менее 1 м, считая от дневной поверхности грунта или дна водотока. В скальные породы фундамент заглубляют в прочные слои, способные воспринимать давления от сооружения, не менее чем на 0,1 м. При возможности размыва фундаменты должны быть заглублены ниже дна реки после размыва у данной опоры не менее чем на 2,5 м. Обрез фундаментов на поймах рек располагают на уровне дневной поверхности грунта (после размыва), а в руслах рек - на 0,5 м ниже низкого уровня меженных вод и не выше нижней поверхности льда в реке плюс 0,25 м; в судоходных пролетах должны быть обеспечены глубины для прохода судов около опор.

В несущий слой грунта подошва фундамента должна быть заглублена не менее чем на 0,5 м. Для опор возводимых на суше, обрез фундамента назначают на 0,2 - 0,4 м ниже поверхности грунта.

3.2 Определение размеров фундамента мелкого заложения

Размеры фундамента в уровне его подошвы определяют в зависимости от величины передаваемых нагрузок и физико-механических свойств грунтов основания.

После назначения глубины заложения подошвы фундамента и отметки его обреза конструктивную площадь фундамента определяют по формуле: A_к = l_пb_п = (l_оп + 2h_фtg)(b_оп + 2h_фtg), (10)

где l_оп, b_оп - длина и ширина опоры по обрезу фундамента, м; l_п, b_п - длина и ширина подошвы фундамента, м; h_ф - высота фундамента, м;  - угол развития фундамента.

Для того, чтобы в теле фундамента возникали преимущественно сжимающие напряжения, угол  принимают в пределах 25-35^о.

Фундаменты под массивные опоры мостов обычно сооружают ступенчатыми. В ступенчатых фундаментах высоту ступени h_ст назначают равной в пределах 0,7 - 2,5 м, ширину ступени b_ст - 0,4 - 1 м.

Класс бетона для монолитных фундаментов не ниже В20, для сборных - В25, при этом используется гидротехнический бетон.

Задавшись высотами ступеней фундамента h_ст так, чтобы в высоте фундамента h_ф укладывалось целое число ступеней (высота ступени может быть одинаковой или различной), можно определить ширину каждой ступени по формуле: b_ст = h_стtg. (11)

Количество ступеней в фундаменте принимается равным 2 - 4. Окончательно из конструктивных соображений размеры площади подошвы фундамента мелкого заложения можно определить по формулам:

_{n n}

l_п = l_оп + 2 b_ст,i , b_п = b_оп + 2 b_ст,i, A_к = l_пb_п, (12)

^{i=1 i=1}

где n - число ступеней в фундаменте; b_ст,i - фактическая ширина ступени фундамента (с учетом ее округления кратно 100 мм).

Полученная из конструктивных соображений для данного сооружения площадь подошвы фундамента мостовой опоры должна быть проверена расчетом. Площадь подошвы фундамента, необходимую по расчету определяют по формуле центрального сжатия, исходя из условия обеспечения несущей способности основания под подошвой фундамента:

P  R/_n, (13)

где P - среднее давление подошвы фундамента на основание, кПа; R - расчетное сопротивление основания осевому сжатию, кПа; _n = 1,4 - коэффициент надежности по назначению сооружения.

Площадь подошвы фундамента, необходимую по расчету при назначенной глубине заложения, определенной из конструктивных соображений площади подошвы фундамента и найденному значению R определяют по формуле: A_Р = N_o,I/(P- _md_f + _wh_w), (14)

где N_o,I - наибольшее значение расчетной внешней нагрузки, действующей на фундамент, учитывающее вес пролетных строений, опоры и подферменника, кН; _m = 20 кН/м³ - усредненный вес фундамента и грунта на его уступах; d_f - глубина заложения подошвы фундамента, м; _w = 10 кН/м³ - удельный вес грунтовой воды; h_w - превышение уровня грунтовых вод над подошвой фундамента, м.

Величина _wh_w учитывает гидростатическое давление грунтовой воды на фундамент. Если горизонт грунтовых вод расположен ниже подошвы фундамента, то h_w = 0. Гидростатическое давление грунтовых вод не учитывается, если фундамент заглублен в водонепроницаемый грунт.

В большинстве случаев фундаменты мелкого заложения являются внецентренно нагруженными, т.е. наряду с вертикальными нагрузками на них действуют изгибающие моменты и горизонтальные усилия, поэтому расчетную площадь, вычисленную по формуле (14) для таких фундаментов в ряде случаев дополнительно увеличивают на 10 - 15%.

Расчетное сопротивление основания из нескального грунта осевому сжатию R, кПа (тс/м²), под подошвой фундамента мелкого заложения следует определять по формуле:

R = 1,7{R_o[1 + k₁(b - 2)] + k₂(d_f - 3)}, (15)

где R_o - условное сопротивление грунта, кПа (тс/м²), принимаемое по табл. 2 - 4; b - ширина (меньшая сторона или диаметр) подошвы фундамента, м; при ширине более 6 м принимается b = 6 м ; d_f - глубина заложения подошвы фундамента, м;  - усредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента, вычисленное без учета взвешивающего действия воды; допускается принимать  = 19,62 кН/м³ (2 тс/м³); k₁ , k₂ - коэффициенты, принимаемые по табл. 5.

Величину условного сопротивления R_o для твердых супесей, суглинков и глин определяют по формуле R_o = 1,5R_nc, (16)

и принимать, кПа (тс/м²): для супесей - не более 981 (100); для суглинков - 1962 (200); для глин - 2943 (300), согласно /5/, где R_nc - предел прочности на одноосное сжатие образцов глинистого грунта природной влажности.

Расчетное сопротивление осевому сжатию оснований из невыветрелых скальных грунтов R, кПа (тс/м²), определяют по формуле

R = R_c/_g, (17)

где _g - коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным 1,4; R_c - предел прочности на одноосное сжатие образцов скального грунта, кПа (тс/м²).

При отсутствии результатов статических испытаний грунтов штампами допускается значение R принимать для слабовыветрелых и выветрелых скальных грунтов - по формуле (17), принимая значение R_c с понижающим коэффициентом, равным соответственно 0,6 и 0,3; для сильновыветрелых скальных грунтов - по формуле (15) и табл. 4 как для крупно-обломочных грунтов.

При определении расчетного сопротивления оснований из нескальных грунтов по формуле (15) заглубление фундамента мелкого заложения следует принимать для промежуточных опор мостов - от поверхности грунта у опоры на уровне срезки в пределах контура фундамента, а в русле рек - от дна водотока у опоры после понижения его уровня на глубину общего и половину местного размыва грунта при расчетном расходе.

Таблица 2

Грунты	Коэф-фициент порис-тости e	Условное сопротивление Ro пылевато-глинистых (непросадочных) грунтов основания, кПа (тс/м2), в зависимости от показателя текучести IL
		0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
Супеси	0,5	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	----------
при Ip  5	0,7	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	------------	----------
Суглинки	0,5	392 (40)	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 15)	98 (10)
при	0,7	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	----------
10  Ip  15	1,0	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	------------	----------
Глины	0,5	588 (60)	441 (45)	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)
при	0,6	490 (50)	343 (35)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)
Ip  20	0,8	392 (40)	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	----------
	1,1	294 (30)	245 (25)	196 (20)	147 (15)	98 (10)	------------	----------

Примечания. 1. Для промежуточных значений I_L и e R_o определяется по интерполяции. 2. При значениях числа пластичности I_p в пределах 5-10 и 15-20 следует принимать средние значения R_o супесей, суглинков и глин.

Таблица 3

Песчаные грунты и их влажность	Условное сопротивление Ro пес-чаных грунтов средней плот-ности в основаниях, кПа (тс/м2)
Гравелистые и крупные независимо от их влажности	343 (35)
Средней крупности: маловлажные влажные и насыщенные водой	294 (30) 245 (25)
Мелкие: маловлажные влажные и насыщенные водой	196 (20) 147 (15)
Пылеватые: маловлажные влажные насыщенные водой	196 (20) 147 (15) 98 (10)

Примечание. Для плотных песков приведенные значения R_o следует увеличивать на 100%, если их плотность определена статическим зондированием, и на 60%, если их плотность определена по результатам лабораторных испытаний.

Таблица 4

Грунт	Условное сопротивление Ro крупнообломочных грунтов в основаниях, кПа (тс/м2)
Галечниковый (щебенистый) из обломков пород: кристаллических осадочных	1470 (150) 980 (100)
Гравийный (дресвяной) из обломков пород: кристаллических осадочных	785 (80) 490 (50)

Примечание. Приведенные в табл. 4 условные сопротивления R_o даны для крупнообломочных грунтов с песчаным заполнителем. Если в крупнообломочном грунте содержится свыше 40% глинистого заполнителя, то значения R_o для такого грунта должны приниматься по табл. 2 в зависимости от I_p, I_L и e заполнителя.

Таблица 5

Грунт	Коэффициенты
	k1, м-1	k2
Гравий, галька, песок гравелистый крупный и средней крупности	0,1	3,0
Песок мелкий	0,08	2,5
Песок пылеватый, супесь	0,06	2,0
Суглинок и глина твердые и полутвердые	0,04	2,0
Суглинок и глина тугопластичные и мягкопластичные	0,02	1,5

После определения A_Р по формуле (14), сравниваем ее с конструктивной площадью A_К, найденной по формуле (12). Должно выполняться условие: [(A_Р - A_К)/ A_Р]100%  10% (18)

Если условие (18) не выполняется, то необходимо увеличить глубину заложения подошвы фундамента, при новой высоте фундамента назначить размеры ступеней и определить площадь его подошвы по формуле (12). Затем следует пересчитать расчетное сопротивление грунта R и найти расчетную площадь подошвы фундамента. В большинстве случаев расчет приходится повторять два-три раза. Если же расчетная площадь, полученная по формуле (14), получилась меньше конструктивной, то расчет продолжать не следует и размеры фундамента принимаются окончательно найденными из расчета по формуле (12).

После того, как выполнено условие (18), корректируют размеры ступеней и определяют фактическую площадь фундамента.
3.3 Определение объема и веса фундамента
Определив все размеры фундамента, вычисляют его собственный вес по формуле: N_ф,II = V_ф_б, N_ф,I = _fN_ф,II , (19)

где V_ф - объем фундамента; _б = 24 - 25 кН/м³ - удельный вес бетона; _f = 1,2 - коэффициент надежности по нагрузке.

Если фундамент находится в зоне действия грунтовых вод, необходимо производить расчет веса фундамента с учетом взвешивающего действия воды.

Объем фундамента в зависимости от числа ступеней определяют по формулам:

- двухступенчатый фундамент с одинаковыми размерами ступеней

V_ф = [b_пl_п + (b_п - 2b_ст)(l_п - 2b_ст)]h_ст , (20)

- трехступенчатый фундамент с одинаковыми размерами ступеней

V_ф = [b_пl_п + (b_п - 2b_ст)(l_п - 2b_ст) + (b_п - 4b_ст)(l_п - 4b_ст)]h_ст , (21)

- четырехступенчатый фундамент с одинаковыми размерами ступеней

V_ф = [b_пl_п + (b_п - 2b_ст)(l_п - 2b_ст) + (b_п - 4b_ст)(l_п - 4b_ст) + (b_п - 6b_ст)(l_п - 6b_ст)]h_ст , (22)

- двухступенчатый фундамент с различными размерами ступеней

V_ф = b_пl_пh_ст,1 + (b_п - 2b_ст,1)(l_п - 2b_ст,1)h_ст,2 , (23)

- трехступенчатый фундамент с различными размерами ступеней

V_ф = b_пl_пh_ст,1 + (b_п - 2b_ст,1)(l_п - 2b_ст,1)h_ст,2 + (b_п - 2b_ст,1 - 2b_ст,2)(l_п - 2b_ст,1 - 2b_ст,2)h_ст,3 , (24)

- четырехступенчатый фундамент с различными размерами ступеней

V_ф = b_пl_пh_ст,1 + (b_п - 2b_ст,1)(l_п - 2b_ст,1)h_ст,2 + (b_п - 2b_ст,1 - 2b_ст,2)(l_п - 2b_ст,1 - 2b_ст,2)h_ст,3 + (b_п - 2b_ст,1 - 2b_ст,2 - 2b_ст,3)(l_п - 2b_ст,1 - 2b_ст,2 -2b_ст,3)h_ст,4, (25)

где b_п и l_п - ширина и длина подошвы фундамента, м; h_ст и b_ст - высота и ширина ступени фундамента при одинаковых размерах ступени, м; h_ст,1, h_ст,2, h_ст,3, h_ст,4 - высота ступеней фундамента (нумерация ступеней начинается от подошвы фундамента), м; b_ст,1, b_ст,2, b_ст,3 - ширина ступеней фундамента, м.
3.4 Определение объема и веса грунта, лежащего на уступках фундамента
Вес грунта определяют по формуле:

N_гр,II = V_гр_гр, N_гр,I = _fN_гр,II (26)

где V_гр - объем грунта, лежащего на ступенях фундамента, м³; _гр - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента, кН/м³; если фундамент заложен в нескольких грунтах, то принимается средний вес грунта; _f = 1,2 - коэффициент надежности по нагрузке.

Объем грунта: V_гр = b_п l_пd_f - V_ф - A_оп(d_f - h_ф), (27)

где b_п , l_п , d_f - соответственно ширина, длина подошвы фундамента и глубина заложения подошвы фундамента, м; V_ф - объем фундамента, м³; A_оп - площадь опоры, расположенной ниже поверхности земли, м²; h_ф - высота фундамента, м.

Если обрез фундамента расположен выше поверхности земли, то последнее слагаемое в формуле (27) не учитывают, а учитывают объем фундамента, расположенный ниже поверхности грунта.