ПРАКТИКУМ ПО МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЮ. Практикум по мерзлотоведению учебное пособие
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
Пример расчета основания свайного фундамента по несущей способности при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I.Необходимо определить несущую способность основания под вертикально нагруженной висячей сваей сечением 0,3х0,3 м. Ширина здания В =12м, длина L=150м. Глубина погружения сваи в мерзлый грунт – 7м. Расчетная нагрузка – 1800 кН. Грунт – мерзлый суглинок, T 0 = –1,2 о С, коэффициент теплопроводности талого и мерзлого грунта равны λ th =1,33 Вт/(м · ºС), λ f =1,51 Вт/(м · ºС); соответственно объемная теплоемкость С th =777 Вт·ч/(м 3 ºС), С f =592Вт·ч/ (м 3 ºС). Среднегодовая температура грунта на глубине нулевых годовых амплитуд T 0 = –1,2ºC,температура начала замерзания T bf = –0,2ºC. Принять γ n =1,1. В начале расчетов определяется параметр z =7√(592/1,51)=138,6 тогда по табл. 4.10 α z =1,1 и α e =0,73 Определяем параметр z/B= 7/12=0,58 и по табл. 4.11 получаем коэффициенты теплового влияния здания на эквивалентную температуру k 1 =0,31, k 2 =0,18, и на температуру под торцом сваи k 1 =0,56, k 2 =0,33. По формуле (4.14) вычисляется эквивалентная температура и температура грунта под концом сваи: T е =(–2,5+0,2)∙0,73+(–1,2+2,5)∙0,31–0,2= –2,15 о С; T z =(–2,5+0,2)∙1,10+(–1,2+2,5)∙0,53-0,2= –2,00 о С. По расчетным температурам находим расчетное давление на мерзлый грунт (табл. 4.7), расчетное сопротивление грунта по поверхности смерзания (табл. 4.9): R=11,6∙10 5 Па, R af =1,34∙10 5 Па. F u =1∙1∙(11,6∙10 5 ∙0,09+1,68∙10 5 ∙8.4)=15,25∙10 5 Н, 18∙10 5 Н > 15,25∙10 5 /1,1=13,81∙10 5 Н. Вывод: условие не выполнено и следует увеличить длину сваи до тех пор, пока условие (4.11) не будет соблюдено. 72 Лабораторная работа № 4.1. Расчет глубины промерзания (оттаивания) грунта Цель работы: Познакомиться с расчетами глубины промерзания (оттаивания) грунта и научиться задавать минимальную глубину заложения фундамента в мерзлых грунтах. Задание: Используя результаты лабораторной работы № 3.3, определите нормативную и расчетную глубину сезонного оттаивания грунта, соответственно d th,n и d th , а также минимальную глубину заложения свайного фундамента у наружных стен здания с холодным подпольем и отмостками с асфальтовым покрытием при использовании грунтов по I принципу. Рассчитайте нормативную и расчетную глубину сезонного промерзания грунта, соответственно d fn и d f , и минимальную глубину заложения столбчатого фундамента здания с подвалом при среднесуточной температуре воздуха в подвале 8 o C, если грунт используется по II принципу. В случае многослойного разреза оценку глубины заложения фундамента нужно провести путем условной замены многослойного разреза однослойным. Для определения d th могут быть использованы максимальные значения λ th , λ f , C f , w w и минимальные w tot , C th , ρ d,f , T bf. грунтов находящихся в зоне сезонного оттаивания. При расчете d f необходимо использовать максимальное значение T bf , тогда как остальные параметры берутся как в первом случае. Результаты расчетов привести в виде таблицы. Исходные данные: 1. Результаты лабораторной работы № 3.3. 2. Допускается принимать Т о =T on . 3. Температурные условия участка работ приведены в табл. 4.13. 4. Расчетная среднесуточная температура воздуха в помещении, примыкающем к наружным фундаментам 15 о С. Таблица 4.13 Температурные условия участка Параметр Номер грунта Примечание 1, 4–7 2 3, 11–13 8, 9, 14, 15 10 T th,c 15,0 14,6 12,4 14,8 13,0 °С T f,m –20 –25 –24 –22 –2З t th, с 3450 4250 4200 3600 З600 в часах t f,m 6010 4510 4560 5160 5260 T on –4,0 –2,0 –1,5 –2,0 –3,0 °С 73 Ход работы: 1. Определяем по формуле 3.13 теплоту таяния (замерзания) грунта L ν , Вт·ч/м 3 , где ρ d берется в кг/м 3 2. Рассчитываем количество удельной теплоты поглощаемой при плавлении льда содержащегося в грунте, q 1 , Вт·ч/м 3 по формуле 4.6. 3. Тепло расходуемое на летний обогрев многолетнемерзлых грунтов, Q, Вт·ч/м 3 , определяем по формуле 4.5, предварительно определив коэффициент k m по табл. 4.5 в зависимости от значения теплоемкости C f и средней температуры грунта T , ° С, определяемой по формуле 4.7. Обратите внимание на размерность C f в табл. 4.5. 4. Нормативную глубину сезонного оттаивания грунта, d th,n , м, определяем по формуле 4.4. 5. Определяем расчетную глубину сезонного оттаивания d th , м, по формуле 4.2, где k’ h и k h – коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по табл. 4.3. 6. По табл. 4.1 определяем минимальную глубину заложения фундамента d min 7. Определяем нормативную глубину сезонного промерзания грунта d f,n по формуле 4.9, предварительно определив q 2 по формуле 4.10. 8. По формуле 4.3 определяем d f , где k h принимается по табл. 4.3 и 4.4. Лабораторная работа № 4.2. Определение несущей способности сложенного многолетнемерзлыми грунтами основания свайного фундамента Цель работы: Научиться определять несущую способность основания, сложенного многолетнемерзлыми грунтами. Задание:Определить несущую способность основания свайного фундамента под серединой, краем и под углами здания с холодным подпольем. Дать ответ о возможности строительства в данных условиях здания с заданной расчетной нагрузкой (табл. 4.14). Исходные данные: 1. Длина буронабивной сваи квадратного сечения – 6 м, площадь сечения сваи 0,35x0,35 м. Длина и ширина здания, соответственно L и В, равны 20 м. 2. Принять γ t = 1,0, γ n = 1,1, 3. Разрез на участке строительства представлен переслаивающимися грунтами, характеристики и мощности которых даны в табл. 3.5. Таблица 4.14 74 Рис. 4.1. Схема расположения сваи в многослойном разрезе Расчетная нагрузка № варианта 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Расчетная нагрузка на опору в кН 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Примечание: 1 паскаль (Па) ≡ 1 Н/м 2 ≡ 1 Дж/м 3 ≡ 1 кг/(м·(с 2 )) Ход работы: 1. Нарисовать схему расположения сваи в многослойном разрезе для своего варианта по аналогии с рис. 4.1. 2. Расчетное давление R на мерзлый грунт определяется по табл. 4.7 при температуре Т z на глубине равной глубине погружения сваи в многолетнемерзлый грунт. Для расчета Т z определяем коэффициент α z по табл. 4.10 по значению параметра z c f f λ , где z – глубина от поверхности многолетнемерзлого грунта до конца сваи, м. 3. По формулам 4.14, 4.15 и 4.16 определяем Т z под серединой, краем и под углами здания, определив k 1 , k 2 и k 3 – коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по табл. 4.11 в зависимости от отношений z/В и L/В, L и В – соответственно длина и ширина сооружения, здесь z – глубина заложения фундамента, м. По табл. 4.9. определяем Т’ 0 – T bf . 4. Расчетное сопротивление мерзлого грунта по боковой поверхности смерзания, R af,i в пределах каждого i-го слоя грунта, определяется по таблице 4.8 при эквивалентной температуре Т е на глубине от поверхности многолетнемерзлого грунта до середины i-го слоя грунта. Для расчета Т е определяем коэффициент α е по табл. 4.10 по значению параметра z c f f λ , где z – глубина от поверхности многолетнемерзлого грунта до точки в которой определяется температура, м (т. е. – z e1 , z e1 , z e3 рис. 4.1). 5. По формулам 4.14, 4.15 и 4.16 определяем Т е под серединой, краем и под углами здания. 6. Определяем площадь опоры сваи на грунт, А, м 2 7. Определяемплощадь поверхности смерзания каждого i-го слоя многолетнемерзлого грунта с боковой поверхностью сваи, А af 8. Определяем несущую способность свайного основания Fu по 75 формуле 4.12. 9. Сравниваем результат с заданной расчетной нагрузкой (табл. 4.14) и по условию 4.11 делаем вывод о возможности строительства здания в данных условиях. 5. РАСЧЕТ ГЛУБИНЫ ЧАШИ ОТТАИВАНИЯ ГРУНТОВ ПОД СООРУЖЕНИЯМИ Расчет глубины оттаивания грунтов в основании не заглубленного сооружения Н с , м (рис. 5.1), за время его эксплуатации t, ч, производится по формулам [8]: под серединой сооружения Н с = k n ( ξ c – k c )В, (5.1) под краем сооружения Н е = k n ( ξ e – k e – 0,1 β ψ )В, (5.2) где k n – коэффициент, определяемый по табл. 5.1 в зависимости от отношения L/B (соответственно длина и ширина сооружения, м) и значений параметров β и ψ ; Таблица 5.1 Коэффициенты k n [8] П ар ам ет р ψ Значение коэффициента k n для сооружений круглых в плане при β , равном для прямоугольных в плане при L/B = 1 и β , равном L/B = 2 и β , равном 0 0,4 0,8 1,2 2,0 0 0,4 0,8 1,2 2,0 0 0,4 0,8 1,2 2,0 0,10 0,25 0,50 1,00 1,50 2,50 3,50 0,97 0,93 0,91 0,90 0,89 0,88 0,87 0,87 0,79 0,71 0,64 0,59 0,54 0,53 0,82 0,71 0,62 0,57 0,56 0,56 0,56 0,76 0,64 0,61 0,59 0,59 0,59 0,59 0,71 0,61 0,61 0,61 0,61 0,61 0,61 1,00 0,95 0,94 0,92 0,90 0,89 0,88 0,93 0,85 0,78 0,70 0,64 0,58 0,57 0,87 0,78 0,68 0,63 0,63 0,63 0,63 0,83 0,74 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,80 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 1,00 1,00 0,99 0,97 0,96 0,95 0,94 1,00 0,97 0,95 0,90 0,87 0,84 0,83 0,99 0,92 0,88 0,82 0,82 0,82 0,82 0,97 0,89 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,96 0,96 0,87 0,87 0,87 0,87 0,87 ξ с и k c – коэффициенты, определяемые по графикам рис. 5.2, а в зависимости от значений параметров α R , β и ψ ; ξ e и k е – коэффициенты, определяемые по графикам рис. 5.2, б в зависимости от значений параметров α R , β и ψ ; Рис. 5.1. Схема для расчета чаши оттаивания под зданием 76 α R = λ th R 0 /B; (5.3) ( ) ( ) β λ λ = − − − f bf th in bf T T T T 0 ; (5.4) ψ = λ th T in t /L ν B 2 , (5.5) здесь λ th и λ f – соответственно теплопроводность талого и мерзлого грунта, Вт/(м ⋅° С), ккал/(м ⋅ ч ⋅° С), принимаемые по табл. 3.2; R o – сопротивление теплопередаче пола первого этажа или подвала сооружения, м 2 ⋅° С/Вт, м 2 ⋅° С ⋅ ч/ккал определяемое в соответствии со СНиП II–3–79*; Т о – расчетная среднегодовая температура многолетнемерзлого грунта, ° С; T bf – температура начала замерзания грунта, ° С; T in – расчетная температура воздуха внутри сооружения, ° С; t– время эксплуатации, с; 77 L ν – теплота таяния мерзлого грунта, Вт ч/м 3 , (ккал/м 3 ), определяемая по формуле 3.13. Если вычисленные по формуле 5.2 значения Н е получаются меньше нормативной глубины сезонного оттаивания грунта d th,n , то следует принимать Н е = 1,5d th,n Максимально возможная глубина оттаивания грунта H max , м, (считая от поверхности грунта под сооружением), соответствующая установившемуся предельному положению границы зоны оттаивания, определяется по формулам [8]: под серединой сооружения Рис. 5.2. Графики для определения коэффициентов а) ξ c и k c , б) ξ e и k е [8] 78 H c,max = k s ξ c,max B; (5.6) под краем сооружения H e,max = k s ξ e,max B, (5.7) где k s – коэффициент, определяемый по табл. 5.2, ξ c,max и ξ e,max – коэффициенты, определяемые по рис. 5.3, а, б. Таблица 5.2 Коэффициенты k s [8] Пример расчета глубины оттаивания под серединой сооружения. Необходимо определить глубину оттаивания под серединой здания, расположенного на участке с многолетнемерзлыми грунтами сливающегося типа. К концу срока эксплуатации(t=15 лет), если длина здания L=20 м, ширина В=10 м, термическое сопротивление Форма сооружения L/B Значения коэффициента k s при β , равном 0,2 0,4 0,8 1,2 2,0 Круглая Прямоугольная – 1 2 3 4 5 ≥ 10 0,40 0,45 0,62 0,72 0,79 0,84 1,00 0,49 0,55 0,74 0,83 0,89 0,92 1,00 0,56 0,63 0,82 0,90 0,94 0,96 1,00 0,59 0,66 0,85 0,92 0,95 0,97 1,00 0,61 0,68 0,87 0,94 0,96 0,98 1,00 а) б) Рис. 5.3. Графики для определения коэффициентов а) ξ c,max , б) ξ e,max [8] 79 пола R 0 =1,2 м 2 ·ºС/Вт,температура воздуха в помещении T in =17,8·ºС. Грунт в основании – супесь с коэффициентом теплопроводности талого грунта λ th =1,57 и мерзлого – λ f =1,80 Вт/(м·ºС). Температура грунта вне контура здания T 0 = − 4,0ºС. Теплота таяния грунта L v =28993 Вт∙ч/м 3 По формулам (5.3–5.5) определяем безразмерные коэффициенты в зависимости от параметров: α R = λ th R 0 /B=1,57∙1,2/10=0,19; ( ) ( ) 17 , 0 ) 2 , 0 ( 25 57 , 1 ) 2 , 0 ( 0 , 4 8 , 1 = − − − − − − = β ; ψ = 1,57· 25∙131400 /(28993·12 2 )=0,79. Так как L/b=20/10=2,0, то k n =0,84 по табл. 5.1, ξ c =0,81 и k с =0,21. Н с =0,84(0,81–0,21)∙10=5,04м. Лабораторная работа 5.1. Определение глубины оттаивания грунтов под сооружением Цель работы: Научиться определять глубину оттаивания грунтов под сооружением. Задание:Определить для своего варианта глубину оттаивания грунтов под серединой и краем здания через 10 лет эксплуатации, а также максимально возможную глубину оттаивания грунта. Исходные данные: 1. Здание длиной 22 м и шириной 15м. 2. Расчетная температура воздуха в помещении первого этажа, T in , 25 o С. 3. Сопротивление теплопередаче пола первого этажа или подвала сооружения, R o =1,2 м 2 ⋅° С/Вт. 4. Многослойный геологический разрез условно принять однослойным, сложенным грунтом, обуславливающим наибольшую глубину заложения фундамента. Ход работы: 1. Определяются значения параметров α R , β и ψ по формулам 5.3, 5.4, 5.5. 2. Определяются коэффициенты ξ с и k c по графикам в зависимости от значений параметров α R , β и ψ (рис. 5.2, а). 3. Определяются коэффициенты ξ e и k е по графикам (рис. 5.2, б) в зависимости от значений параметров α R , β и ψ 4. Предварительно определив k n по табл. 5.1 в зависимости от отношения L/B (соответственно длина и ширина сооружения, м) и значений параметров β и ψ ; рассчитать глубины оттаивания грунтов в 80 основании не заглубленного сооружения под серединой сооружения Н с , м по формуле 5.1 и под краем сооружения Н е, м по формуле 5.2. 5. Предварительно определив k s по табл. 5.2 и коэффициенты ξ c,max и ξ e,max по графикам (рис. 5.3, а; 5.3, б) рассчитать максимальные глубины оттаивания грунта под серединой сооружения, H c,max, м, по формуле 5.6 и под краем сооружения H e,max , м, по формуле 5.7. |