Учебнометодическое пособие для решения задач Издание е дополненное и переработанное Хабаровск Издательство двгупс 2015
 Скачать 0.62 Mb.
|
|
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Дальневосточный государственный университет путей сообщения Кафедра Мосты, тоннели и подземные сооружения ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ СООРУЖЕНИЙ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ Учебно-методическое пособие для решения задач Издание е дополненное и переработанное Хабаровск Издательство ДВГУПС 2015 2 УДК 624.15:624.131(075.8) ББК Н581.252я73 О 751 Рецензент Доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры Мосты, тоннели и подземные сооружения Дальневосточного государственного университета путей сообщения СВ. Квашук е изд. Кудрявцев С.А., Вальцева ТЮ, Михайлин Р.Г., Петерс А.А. Основания и фундаменты сооружений на вечномерзлых грунтах (2011) Авторы С.А. Кудрявцев, ТЮ. Вальцева, А.В. Кажарский, Р.Г. Михайлин, А.А. Петерс О 751 Основания и фундаменты сооружений на вечномерзлых грунтах : учеб.-метод. пособие для решения задач / С.А. Куд- рявцев, ТЮ. Вальцева, А.В. Кажарский и др. – е изд. доп. и перераб. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2015. – 43 сил. Учебно-методическое пособие соответствует ФГОС ВО специальности Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей. Приведены примеры решения задач по расчету оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах. Предназначено студентам го курса очной формы обучения для самостоятельного решения задач по дисциплине Основания и фундаменты сооружений на вечномерзлых грунтах. УДК 624.15:624.131(075.8) ББК Н581.252я73 © ДВГУПС, 2011, 2015 3 ВВЕДЕНИЕ Проектирование фундаментов сооружения является сложной задачей. Если при конструировании надземных сооружений инженер сам выбирает их материал, формы и размеры, то при проектировании фундаментов он должен считаться с имеющимися грунтами на площадке строительства, учитывать их свойства и поведение под нагрузками в период всего срока эксплуатации сооружения. Задача проектирования сводится к выбору несущего слоя грунта, глубины заложения и конструкции фундамента, определению размеров фундамента. При этом для получения наиболее экономичного решения вопрос рассматривают комплексно – выбирают наиболее рациональный тип фундамента исходя из грунтовых условий – определяют возможные деформации основания сооружения – назначают способ производства работ по возведению фундаментов, обеспечивающий необходимое сохранение естественного состояния грунтов. Обычно намечается несколько вариантов фундаментов. Окончательное решение принимается путем сопоставления соответствующих тех- нико-экономических показателей по вариантам. В данном методическом пособии в краткой форме рассматриваются основные положения проектирования оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах с примерами расчетов, а также особенности производства работ по возведению фундаментов. Учебно-методическое пособие составлено на основе СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88 и других нормативных и научных материалов, учитывающих опыт проектирования и строительства зданий и сооружений в районах Восточной Сибири и Дальнего Востока, включая зону прохождения Байкало-Амурской железной дороги. В учебном плане дисциплина Основания и фундаменты сооружений на вечномерзлых грунтах является специальной. Изучаются состав, строение и состояние вечномерзлых грунтов физико-механические свойства вечномерзлых грунтов основания распределение напряжений в грунтовом массиве расчет оснований по деформациям, несущей способности и устойчивости. Целью преподавания дисциплины Основания и фундаменты сооружений на вечномерзлых грунтах является подготовка высококвалифицированных специалистов с необходимым диапазоном знаний в области оценки строительных свойств вечномерзлых грунтов, расчета и конструирования различных типов фундаментов зданий и сооружений 4 железнодорожного транспорта различного назначения, расчета грунтовых сооружений и их устойчивости, методов проектирования, строительства и надежной эксплуатации железнодорожных линий и фундаментов инженерных сооружений в условиях вечномерзлых грунтов на высоком технико-экономическом уровне с учетом особенностей свойств грунтов основания и с соблюдением современных требований к охране геологической среды. В процессе изучения дисциплины студенты самостоятельно решают 14 задач, используя дополнительную литературу [1–12]. Вариант задания назначает преподаватель. Решение задач выполняется в тетради. После проверки решения преподавателем студент защищает работу. Изучив дисциплину, студент должен знать и уметь использовать терминологию дисциплины, основные физико-механические свойства вечномерзлых грунтов математический аппарат механики мерзлых грунтов для определения напряженного состояния, оценки прочности и устойчивости основания сооружения, прогноза осадок сооружения и хода их во времени, а также владеть методами определения классификационных показателей различных видов вечномерзлых грунтов методами определения напряженного состояния, прочности и устойчивости основания сооружения на вечномерзлых грунтах. 5 1. РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ Для обеспечения несущей способности основания должно выполняться следующее условие n u γ F F ≤ , (1.1) где F – расчетная нагрузка на основание, включая вес фундамента u F – несущая способность (сила предельного сопротивления) основания, кН; n γ – коэффициент надежности по назначению сооружения, сопоставляем расчетную нагрузку на основание с несущей способностью основания при коэффициенте надежности n γ = 1,2; ∑ = ⋅ + ⋅ ⋅ = n i A R A R F i af i af c t u 1 ) ( , , γ γ , (1.2) где t γ – температурный коэффициент, учитывающий изменение температуры грунтов основания в период строительства и эксплуатации сооружения, изменяющийся в пределах 0,8–1,1; c γ – коэффициент условий работы основания, c γ = 1; R – расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи или под подошвой столбчатого фундамента, кПа, определяемое в зависимости от расчетной температуры грунта основания (прил. 1 табл. 2 или 3); A – площадь подошвы столбчатого фундамента или площадь опирания сваи на грунт, м, принимаемая для сплошных свай равной площади их поперечного сечения (или площади уширения af,i R – расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента в пределах го слоя грунта, кПа, определяемое по прил. 1 табл. 4; af,i A – площадь поверхности смерзания го слоя грунта с боковой поверхностью сваи, а для столбчатого фундамента – площадь поверхности смерзания грунта с нижней ступенью фундаментам число выделенных при расчете слоев вечномерзлого грунта. Значение температурного коэффициента и коэффициента условий работы принимаем равными t γ = 1,1; c γ = 1. Минимальная глубина заложения фундаментов зависит от типа фундамента и глубины сезонного оттаивания, принимается по табл. 1.1. 6 Таблица 1.1 Минимальная глубина заложения фундаментов Фундамент Минимальная глубина заложения фундаментов d min , м Фундаменты всех типов, кроме свайных d th + 1 Свайные фундаменты зданий и сооружений d th + 2 Сваи опор мостов d th + 4 Фундаменты зданий и сооружений, возводимых на подсыпках Не нормируется Задача № 1 Требуется определить несущую способность основания столбчатого одноступенчатого фундамента под наружную стену отапливаемого здания с вентилируемым подпольем на вечномерзлых грунтах. Исходные данные для решения задачи приведены в прил. 1 табл. 1. Поданным изысканий площадка сложена супесями, температура мерзлого грунта на уровне подошвы фундамента составляет T m = = – 0,5 Сна уровне верхнего обреза башмака T m = – С. При расчетной глубине сезонного оттаивания th d = 1,5 м глубина заложения фундамента принята согласно табл. 1.1 м 2 1 5 1 Размеры подошвы фундамента в плане приняты 120×120 см высота башмака b h = 30 см. Проектом предусматривается обратная засыпка пазух котлована с уплотнением и промораживанием засыпанного грунта. Расчетная нагрузка на основание, включая собственный вес фундамента и вес грунта на его уступах, N I = 700 кН. Вычисляем площадь подошвы фундамента и площадь боковых граней башмакам, м 1 4 2 1 Для определения расчетного давления на мерзлый грунт под подошвой столбчатого фундамента R и расчетного сопротивления мерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента af R необходимо определить расчетные значения температуры вечномерзлого грунта. 7 Значения расчетных сопротивлений мерзлого грунта сдвигу, согласно прил. 1 табл. 4, на уровне подошвы и верхнего обреза башмака соответственно кПа, af R = 50 кПа. Отсюда среднее значение расчетного сопротивления сдвигу мерзлого грунта по боковым граням башмака кПа 55 2 50 Расчетное давление на мерзлый грунт под подошвой фундамента согласно прил. 1 табл. 3, при T m = –0,5 С R = 500 кПа. Несущая способность основания кН 879 ) 44 1 55 44 1 500 ( 1 В соответствии с формулой (1.1): кН 732 1,2 879 Таким образом, несущая способность основания на вечномерзлых грунтах обеспечена. Задача № 2 Требуется определить несущую способность основания железобетонной сваи под наружную стену здания. Исходные данные для решения задачи приведены в прил. 2. Сечение сваи 30×30 см, длинам. Площадка сложена однородным вечномерзлым песчаным грунтом средней крупности. Расчетная глубина сезонного оттаивания грунта под наружной стеной th d = 2 м. При высоте наземной части сваи 1 м глубина погружения сваи в вечномерзлый грунт м 1 2 Расчетная температура вечномерзлого грунта под краем здания на глубине нижнего конца сваи T z = –1,5 С, эквивалентная температура вечномерзлого грунта Те –0,9 С, а площадь смерзания грунта с боковой поверхностью сваи м 4 4 4 3 Расчетное давление на мерзлый песок средней крупности под нижним концом сваи при температуре грунта T = –1,5 С согласно прил. 1 табл. 2 R = 2400 кПа. 8 Расчетное сопротивление мерзлого песка сдвигу по поверхности смерзания при температуре грунта Те –0,9 С, (прил. 1 табл. 4) af R = 120 кПа. Несущая способность основания сваи при температурном коэффициенте и коэффициенте условий работы c γ = 1 для однородного грунта кН 871 8 4 120 09 0 2400 1 1 Задача № 3 Требуется определить несущую способность основания железобетонной сваи-столба диаметром 0,8 м под опору моста. Исходные данные для решения задачи № 3 приведены в прил. 3. Грунты площадки представлены вечномерзлой супесью, подстилаемой с глубины 4 м крупнозернистым песчаным грунтом с льдистостью i i < 0,2. Глубина погружения сваи столбам при расчетной глубине сезонного оттаивания грунтам, глубина погружения сваи в вечномерзлый грунт 6 м, из которых 2 м составляет супесь им крупнозернистый песок. Так как в пределах глубины погружения сваи в вечномерзлый грунт находятся два слоя грунта, определяем расчетные температуры на глубине середины каждого слоя. Расчетная температура на глубине 3 мот поверхности грунта, те. на глубине середины первого слоя вечномерзлой супеси Т –0,5 Сна глубине 6 мот поверхности грунта, те. на глубине середины второго слоя вечномерзлого песчаного грунта Т = –1 Сана уровне подошвы сваи Т = –1,5 С. Расчетное давление на мерзлый грунт под подошвой сваи согласно прил. 1 табл. 2 R = 2400 кПа. Площадь подошвы сваи 2 м 0 4 8 0 14 Расчетное сопротивление сдвигу мерзлой супеси по боковой поверхности смерзания при температуре грунта T z = –0,5 С согласно прил. 1 табл. 4 af R = 60 кПа, а мерзлого грунта при температуре T z = –1 С af R = 130 кПа. Площадь боковой поверхности смерзания слоя супеси с поверхностью сваи м 5 2 8 0 14 Площадь поверхности смерзания песчаного грунта с боковой поверхностью сваи 9 м 10 4 8 0 14 Несущая способность сваи-столба при температурном коэффициенте и коэффициенте условий работы c γ = 1 кН 3087 04 10 130 02 5 60 5 0 2400 1 1 1 = ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ = )) ) ( , , , , F 2. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ СИЛ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ Расчет устойчивости фундамента при действии сил морозного пучения грунтов основания производится в пучиноопасных грунтах в двух случаях для начальной стадии строительства, когда заложенные фундаменты не нагружены или нагрузка невелика (1–2 этажа для малоэтажных этажа) зданий, когда деформация пучения может происходить и вовремя эксплуатации объекта (рис. 2.1). Рис. 2.1. Расчетные схемы для расчёта устойчивости фундаментов на воздействие касательных сил морозного пучения а – сваи б – отдельного столбчатого фундамента В обоих случаях расчет производится на действие касательных сил пучения по формуле r n c fh fh F / F A ) γ γ ( τ ≤ − ⋅ , (2.1) а б 10 где fh τ – расчетная удельная касательная сила пучения согласно табл. 2.1, кПа; fh A – площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах промерзания грунтам расчетная нагрузка на фундамент, принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые, крановые и т. п, кН; r F – расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, принимаемое по указаниям [2], кН; c γ – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0; n γ – коэффициент надежности, зависящий от назначения сооружения, принимаемый равным 1.1. Таблица 2.1 Расчетная удельная касательная сила пучения Вид грунта Значения fh τ , кПа при сливающейся вечной мерзлоте и глубине сезонного оттаивания, м в условиях сезонного промерзания и несливающейся вечной мерзлоты 1,0 2,0 3,0 Супеси, пески мелкие и пылеватые 150 130 110 150 Суглинки 130 120 100 140 Глины, крупнообломочные грунты с заполнителем глинистым, мелкопесчаным, пылеватым более 10 % 110 100 80 110 В формуле (2.1) расчетная нагрузка на фундамент определяется из выражения r n ГР n Ф n o N N N F ) ( , + + = 9 0 , (2.2) где n ГР n Ф n o N ; N ; N – нормативные значения нагрузок. Расчетное значение силы F r , кН, удерживающей фундамент от выпучивания, следует определять для вечномерзлых и сезоннопромерзаю- щих–оттаивающих грунтов по формуле 1 1 h f u F r ∑ = , (2.3) где u – периметр сечения поверхности сдвигам, принимаемый равным для столбчатых и свайных фундаментов без анкерной плиты – периметру сечения фундамента для столбчатых фундаментов с анкерной плитой периметру анкерной плиты 1 h – толщина го слоя талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя сезонного промерзания 1 f – расчетное сопротивление го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа, принимаемое в соответствии с требованиями [2]. Значение расчетной удельной касательной силы пучения принимается по табл. 2.1. Если условие (2.1) не выполняется, тов проекте должны быть предусмотрены мероприятия по защите фундаментов от выпучивания. Задача № 4 Требуется проверить устойчивость железобетонной сваи сечением 30×30 см на действие касательных сил пучения при использовании вечномерзлых грунтов по принципу Исходные данные для решения задачи № 4 приведены в прил. 4. Площадка сложена пылевато-глинистыми грунтами с показателем текучести. Расчетная глубина сезонного оттаивания грунтам. Свая заглублена в грунт нам. На сваю действует постоянная нагрузка 200 кН. Здание с холодным подпольем, свайный фундамент находится под серединой здания. Определяем площадь боковой поверхности смерзания грунта с поверхностью сваи в пределах расчетной глубины сезонного промерзания/оттаивания грунтам Значение расчетной удельной касательной силы пучения при глубине сезонного промерзания/оттаивания 3 м по табл. 2.1 fh τ = 100 кПа. Расчетная эквивалентная температура грунта на глубине Z d = 7 – 3 = = 4 м составляет Те –1,5 С. Расчетное сопротивление мерзлого глинистого грунта сдвигу по поверхности смерзания определяется по прил. 1 табл. 4 при Те –1,5 Си равно R af = 130 кПа. Расчетное значение силы, удерживающей сваю от выпучивания, 520 4 130 3 0 4 = ⋅ ⋅ ⋅ = , r R кПа. Проверяем устойчивость сваи при коэффициентах n γ =1,1 и c γ = 1 520 1 1 1 200 6 3 100 ⋅ < − ⋅ , , , 160 кН < 472 кН. Устойчивость сваи на действие сил пучения обеспечивается. 12 Задача № 5 Требуется проверить устойчивость сваи-столба обсыпного устоя моста на действие касательных сил пучения. Варианты исходных данных к задаче № 5 см. в прил. 5. Диаметр сваи столба 80 см, длинам. Слой сезонного оттаивания представлен мелким песчаным водонасыщенным грунтом, ниже залегают вечномерзлые сильнольдистые пески. Вечная мерзлота сливающегося типа. Постоянная нагрузка на столб с учетом его собственного веса n F = 200 кН. Расчетная глубина оттаивания грунтам, глубина заделки столба в вечномерзлый грунт Z = 3,3 м. По табл. 2.1 значение расчетной удельной касательной силы пучения fh τ = 110 кПа. Площадь смерзания грунта с боковой поверхностью столба 3 9 7 3 8 0 14 3 , , , , A fh = ⋅ ⋅ = м 2 Расчетная нагрузка на фундамент 180 9 0 200 = ⋅ = , F кН. Расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, 1000 3 3 120 8 0 14 3 = ⋅ ⋅ ⋅ = , , , F r кН. Расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу 120 = af R кПа. Проверяем устойчивость столба на выпучивание при n γ = 1,1 и c γ = 1: 1000 1 1 1 180 3 9 110 1 1 ⋅ < − ⋅ ⋅ , , , , 840 кН < 910 кН. Устойчивость сваи-столба обеспечена. |