Технико-экономическое обоснование выбора фундамента мелкого заложения

Условие σzрi =0,2∙σzgi выполняется при z = 8.2 м, т.е.

Таблица 3 – Расчет осадка основания фундамента

∑ 2.142

Осадка фундамента S = 2.142см.

Максимально допустимый угол перелома при осадке опор не более 2‰, величина пролета 48 м =4800 см.

2.142/4800 = 0,00045 = 0.45‰ < 2‰

Величина осадки фундамента не превышает нормативную осадку по СНиП

2.5 Крен фундамента

Крен фундамента i при действии внецентренной нагрузки определяется по приложению 2 [3]

i = (1-ν²)∙ke∙MII /[Ekm(a/2)³]

где Е - модуль деформации, кПа, v - коэффициент Пуассона грунта основания; ке- безразмерный коэффициент, принимаемый по таблице 5 приложения 2 [2]; MII - момент, действующий вдоль соответствующей стороны прямоугольной подошвы фундамента, кН∙м; а - сторона подошвы прямоугольного фундамента, в направлении которой действует момент MII; кт - безразмерный коэффициент. b<10м - кт =1; (см. таблица 3, приложения 2 [3]).

Коэффициент Пуассона v принимается равным для грунтов: песков и супесей - 0,30. Должно выполнятся условие: i<iu, где iu = 0,5 √lp, предельно допустимый крен подошвы фундамента; lp - длина меньшего, примыкающего к опоре, пролёта моста, м.

MII = 15570 кН∙м

a = 3,7 м

E = 20 МПа

i=(1 – 0,3²)∙0,2∙15,570/[3,7/2]³·42] = 0,0025м

iu = 0,5√48 = 3,4м

Условие i<iu выполняется.

Крен фундамента не превышает предельно допустимое значение.

2.6 Проверка положения равнодействующей активных сил

Для нескальных оснований фундамента мелкого заложения положение равнодействующей вертикальных нагрузок (по отношению к центру тяжести площади подошвы фундамента), характеризуемое относительным эксцентриситетом ео/r, должно быть ограничено для постоянных и временных нагрузок значением – 1,0, согласно п.7.7 и табл. 107 [2].

Эксцентриситет определяется по выражению

eo = M/N,

а радиус ядра подошвы фундамента –

r = W/A,

где М = 15570 кН∙м - момент сил в площади подошвы фундамента, действующий относительно главной центральной оси подошвы фундамента; N =15592,95 кН - равнодействующая вертикальных сил; W =88,8 м3 — момент сопротивления площади фундамента; А =44,4 м² - площадь подошвы фундамента.

eo = 15570/15592,95= 0,999 м

r = 99.5/ 44,4= 2.2м

eo/r = 0,4995< 1,0

2.7 Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания

Расчёт фундамента на устойчивость должен исключать возможность его опрокидывания во взаимно перпендикулярных направлениях площади подошвы фундамента [2, п. 1.40*]. Расчётная схема устойчивости основания фундамента представлена на рис. 3.2.

Устойчивость фундамента против опрокидывания определяется по формуле

Mu ≤ m∙Mz /γn

где Ми и Mz - соответственно моменты опрокидывающих и удерживающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания) фундамента, проходящей по крайним точкам О опирания, кН∙м; т= 0,8 - коэффициент условий работы; γn = 1,1 - коэффициент надежности по назначению.

Момент удерживающих сил Мz рассчитываем по выражению

Mz = ∑ N1∙ b/2

Mz = 15592,95∙3,7/2 =28846,96 кН∙м

Mu = 1,2∙Т∙(hф + H) = 15570 кН∙м

15570 кН∙м< 0,8∙28849,96/1,1 = 20979,6 кН∙м

Рисунок 3 – Расчетная схема фундамента на устойчивость

2.8 Расчёт фундамента на устойчивость против поверхностного сдвига

Устойчивость фундамента против поверхностного сдвига (скольжения) подошвы относительно основания определяется по формуле [2, п. 1.41*]:

Qr ≤ m∙Qz /γn

где Qr и Qz — соответственно горизонтальные сдвигающие и удерживающие силы в плоскости подошвы фундамента, кН; т = 0,9 - коэффициент условий работы; γn = 1,1 - коэффициент надежности по назначению.

Определяем горизонтальные опрокидывающую и удерживающую силы:

Qr = Т = 750 кН;

Qz = f ∑N1

где f - коэффициент трения подошвы фундамента по грунту, принимаемый: для глин во влажном состоянии— 0,25 [2, п. 7. 14].

Qz = 0,4∙15592,95 = 6237,18 кН

750 кН < 0,9∙6237,18/1,1 = 5103,15 кН

2.9 Проверка несущей способности подстилающего слоя грунта

Слои слабого грунта, залегающего ниже подошвы фундамента, отсутствуют.

Поэтому проверка несущей способности подстилающего слоя грунта не требуется.

2.10 Конструирование фундамента мелкого заложения

Переход от стаканной части фундамента к подошве обеспечивается путём устройства уступов (ступеней). Высота уступа фундамента принимается обычно не более 0,5 hy, при этом отношение ширины уступа к его высоте не превышает tg30° = 0,577 [5, п. 7. 26]. Принимаем Высоту уступа 1 м, а ширину 0,5 hy =0,5м.

3. Проектирование свайного фундамента

3.1 Глубина заложения и размеры ростверка. Длина и поперечное сечение свай

На суходоле следует проектировать свайные фундаменты с низким ростверком. Обрез низкого ростверка располагается так же, как обрез фундамента мелкого заложения на естественном основании.

Подошва низкого ростверка располагается на глубине 1,3 м.

Сваи заделаны в ростверк на длину 0,7 м.

3.1.1 Назначение длины и поперечного сечения свай

В курсовой работе принят вариант свайного фундамента на забивных призматических сваях, для таких свай рекомендуется применять забивные железобетонные сваи сплошного квадратного сечения (сеч. 30x30, 35x35, 40x40 см), выбираем сваи сечением 40x40 см (см. приложение Б, таблица Б.1).

Длина сваи определяется положением подошвы ростверка и кровли прочного грунта, в который целесообразно заделывать сваю. Длину принимаем равной 7 м.

3.1.2 Определение несущей способности сваи

Так как действуют не небольшие горизонтальные нагрузки, и принят низкий ростверк, сваи размещаем вертикально.

Расчет свай по первому предельному состоянию заключается в определении несущей способности свай (допускаемая нагрузка на сваю) по грунту, так как свая висячая (Е=20 МПа<50 МПа).

Несущая способность висячей забивной и вдавливаемой сваи всех видов определяется по формуле

Fd=γc(γcRA + u∑γcfi fi∙hi),

где γc; γcR γcfi = 1 — соответственно коэффициенты условий работы сваи в грунте, работы грунта под острием сваи и по боковой поверхности для забивных призматических свай [5, таблица 3]; R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по таблице [5, таблица 1]; A -площадь опирания сваи на грунт, м2; и - наружный периметр поперечного сечения сваи, м; fi - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице [5, таблица 2]; hi -толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

В формуле суммировать сопротивления грунта следует по всем слоям грунта, пройденным сваей, при этом пласты грунтов под подошвой ростверка следует делить на однородные слои с hi < 2 м.

u=1,4 м

R = 7356 кПа

Fd=1∙[1∙7356∙0,16+1,4∙1∙(7∙1+7 ∙1+7,13∙1,2+7,42∙1,2+7,54 ∙1,2+61∙2 + +0∙0,7)] = 1228,6 кН

3.1.3 Определение расчетной нагрузки на сваю

Количество свай в фундаменте определяется по формуле

n = ηN1/Fd расч

где N1- расчётная нагрузка, передаваемая на свайный фундамент, определяемая в общем случае по формуле

N1 = 1,2 (Р0+Рп+Рр+Рг) +1,13Ртр,

где Рр — вес ростверка, МН; Fd расч — расчётное сопротивление одиночной сваи, МН; η - коэффициент, учитывающий перегрузку отдельных свай от действующего момента, равный 1,2.

N1 = 1,2∙(373,5 + 1350) + 1,13∙6075= 8932,95 кН

Расчётное сопротивление одиночной сваи, определяемое как наименьшее из двух

Fd расч = min(Fdm, Fd)/γn

где γn =1,4 — коэффициент надежности.

Fd расч = 1228,6/1,4 = 877,6 кН

n = 1,2∙8932,95/877,6 = 12,2

Так как в определении N1 не был учтен вес ростверка и грунта на его уступах, принимаем n = 21

3.1.4 Определение размеров ростверка

В курсовой работе принимаем вертикальные сваи, размещая их равномерно в рядовом порядке. Расстояние от края подошвы ростверка до наружного края сваи r = 0,3 м (г > 0,25 м), а между осями свай а = 1,2м (3d <а<(5...6) d - для висячих свай), где d = 0,35 м- размер поперечного сечения сваи. После размещения свай в плане окончательно определяют длину и ширину ростверка.

3.2 Расчет деформации основания свайного фундамента

3.2.1 Проверочный расчет свайного фундамента по несущей способности

Обычно проверяют крайнюю, наиболее удаленную сваю, на расчётную нагрузку N со стороны наибольшего сжимающего напряжения. При этом распределение вертикальных нагрузок между сваями фундаментов мостов определяется расчётом их как рамной конструкции. В курсовой работе допускается проверить усилие в свае с учётом действия одной горизонтальной силы Т (в плоскости вдоль моста) по следующей формуле:

N/n + M1∙Ymax/∑Yi² ≤ Fd

где Mi - расчётный момент в плоскости подошвы ростверка от сил торможения, в которой вместо hф принимается высота hp ростверка; Ymax -расстояние от главной центральной оси подошвы фундамента до оси крайнего ряда свай в направлении действия момента М1 (в плоскости вдоль моста); Yi - расстояние от той же оси до оси каждой сваи; Fd - расчётное сопротивление одиночной сваи; п - число свай; N- полная расчётная вертикальная нагрузка с учётом веса свай, определяемая по формуле

N=l,2(Po+Pn+Pp + PCB+Pr)+1,13Pтp,

Если условие не удовлетворяется, т.е. N>Fd, то необходимо пересчитать несущую способность сваи, увеличив её длину или поперечное сечение.

N = 1,2(373,5+1350+745,4+877,6+240,8)+1,13·6075=11169,5 кН

n = 21

M1 = 1,2∙Т∙(H + hp) = 1,2∙750∙(11,4+4,4) = 14220 кН∙м

Ymax = 1,75 м

∑Yi² = 42,88 м²

11169,5/21 +14220∙1,75/42,88 = 1112,4 кН < Fd =1228,6 кН

3.2.2 Определение границ условного массивного фундамента

Для перехода от свайного фундамента к условному массивному фундаменту определяются границы условного массивного фундамента в соответствии с [2,приложение 25]. Для этого находят средневзвешенное значение угла внутреннего трения грунтов, пройденных сваями

φm = ∑φi ∙hi /lp

где φi - расчётное значение углов внутреннего трения отдельных пройденных сваями слоев грунта; hi - толщина слоев грунта, пройденных сваями; lp = ∑ hi = 6,3 м - расчётная глубина погружения свай от подошвы ростверка.

φm =(19·2+39∙3,6+20∙0,5)/6,3 =30º

Построение свайно-грунтового массива УСГМ: Нижняя граница условного массивного фундамента проходит на отметке торцов свай. Из точки пересечения крайней сваи и подошвы ростверка откладываем угол φm /4 до пересечения с нижней границей условного массивного фундамента и поднимаем вертикали до верхнего уровня грунта.

Ширина условного массивного фундамента

bУГСМ = d + a∙(t-l) + 2tg(φm /4),

где d= 0,4 м - поперечный размер сваи, м; а = 1,75 м - расстояние между сваями, м; t - количество рядов свай, шт.

Аналогично ширине bусгм определяется и длина lусгм подошвы условного массивного фундамента.

t1 = 3; t2 = 7

bусгм =4,16 м ; lусгм =11,16

3.2.3 Проверка напряжений по подошве условного фундамента

Проверка напряжений по подошве условного фундамента производится по формулам

p =Nc/ lусгм ∙bусгм ≤ γс ∙R / γn

p =Nc/ lусгм ∙bусгм + 6 lусгм (3Mc + 2Т∙hp)/ bусгм(к∙ hp4/cb + 31³усгм ) ≤ γс ∙R / γn

где Nc -расчётная нормальная нагрузка в основании условного массивного фундамента, кН; определяется как сумма нагрузки на обрезе фундамента N и массы свайно-грунтоеого массива Gусгм; Mc - расчётный момент по подошве ростверка, кН∙м; (за плечо принять высоту ростверка hр);1усгм и bусгм - соответственно длина и ширина условного массивного фундамента, м; R - расчётное сопротивление грунта в уровне подошвы условного массивного фундамента, МПа, при b = bусгм и d = dусгм; hp — глубина заложения условного фундамента, определяемое от подошвы ростверка до нижних торцов свай, м; к — коэффициент пропорциональности, определяющий нарастание с глубиной коэффициента постели грунта, расположенного выше подошвы фундамента; cb — коэффициент постели грунта в уровне подошвы условного фундамента, kH/м3[определяемый по формулам при hp<10 м, Сь = 10 к; T— горизонтальная составляющая внешней нагрузки (тормозная сила), кН .

Nc =1,2∙(Po + Pп + Gугсм) + 1,13∙Ртр

Gугсм = (4,5∙9,6 + 3,6∙10,25 + 0,5∙11,01)∙4,16∙11,16 = 3974,03 кН

Nc =1,2∙(373,5 + 750 + 3974,03) + 1,13∙6075 = 12981,8 кН

R = 1.7{R0[1 + k1(bугсм-2)] + k2γ(dугсм -3)},

R = 1.7{318,5[1 + 0,1(4,16-2)] + 3∙11,01∙(8,8 -3)}=984,1 кПа

p=12981,8/11,16∙4,16 = 279,6 кПа < 843,5 кПа

p= 279,6+ 6∙11,16∙(3∙14220 + 2∙750∙6,3)/[2,9∙(0,09∙6,34 + 3∙11,16³)] = 558,7 кПа<1034,7 кПа

3.2.4 Расчёт деформации основания свайного фундамента

Расчёт деформации основания свайного фундамента сводится к определению её для условного массивного фундамента площадью подошвы на естественном основании с использованием расчётной схемы. При этом равнодействующая всех вертикальных сил складывается из вертикальных сил (по заданию), действующих на обрезе фундамента и массы свайно-грунтового массива.

Выполняется построение эпюр бытовых и дополнительных давлений, определяется нижняя граница сжимаемой толщи В.С.

Рассчитывается осадка условного свайного фундамента. Проверяется условие S<Sn, где S - расчётная осадка, см; Sn — нормативное допускаемое значение осадки [2,п.1.47].

Различные по величине осадки соседних опор не должны вызывать появления в продольном профиле дополнительных углов перелома, превышающих для автодорожных и городских мостов 2 ‰

σzgо= γodo = 1,6∙10 + 4,5∙20 + 3,6∙19,9 + 0,5∙20,6 = 187,9 кПа

σzро = р - σzgо=558,7 – 187,9= 370,8 кПа

σzрi = αi ∙ σzро

σzg= σzgо + ∑ γi hi

η = lусгм /bусгм = 11,16/4,16 ≈ 2,6

ξ = 2z / b b = 4,16 м

Условие σzрi =0,2∙σzgi выполняется при z = 10,8 м

Осадка фундамента S = 7,9 см.

Максимально допустимый угол перелома при осадке опор не более 2‰, величина пролета 48 м =4800 см.

7,9/4800 = 0,0016 =1,6‰ < 2‰

Величина осадки фундамента не превышает нормативную осадку по СНиП.

Таблица 4 – Расчет осадка основания фундамента

∑ 7,9

4. Технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов

Технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов выполняется на основании показателей стоимости прямых затрат на устройство фундаментов (приложение В, таблица В.1) с заполнением таблицы 5.

Для заполнения таблицы 5 необходимо определить состав и объёмы работ при устройстве каждого варианта фундаментов:

1. Земляные работы (объём разработки и обратной засыпки котлована;

2. Монолитное бетонирование (объём песчаной (бетонной) подготовки, площадь опалубки и объем монолитного бетона при устройстве фундаментов мелкого заложения или ростверка);

3. Свайные работы (объём свай фундамента) и др.

4.1 Определение объема котлована

Размеры котлована определяются исходя из полученных размеров подошвы и глубины заложения фундамента (ростверка). Размеры дна котлована фундамента промежуточной опоры моста в плане определяются размерами подошвы фундамента и минимальной шириной зазора между фундаментом и стенкой котлована, позволяющей выполнять работы в котловане (принимаем 1 м). Размеры котлована поверху складываются из размеров дна котлована и ширины откосов или конструкций крепления его стенок. Глубина котлована определяется отметкой заложения фундамента и дополнительного устройства (песчаной подушки, пластового дренажа и т.п.).

Формула определения объема котлована

VK =Hk[ab + (a + c)(b + d)+cd] / 6

где Нк — глубина разработки котлована, м; а и b — длина и ширина котлована понизу, м; c u d - длина и ширина котлована по верху, м.

Для ФМЗ:

a = 12.7 м; b = 3,7 м

VK =3,7·12,7·5,7=267,8 м³

Для свайного фундамента

a = 11,4 м; b = 4,4 м

VK =11,4·4,4·2,5=125,4 м³

4.2 Определение объемов фундаментов

Объемы фундамента мелкого заложения, ростверка и свай определяются как объёмы геометрических тел по геометрическим размерам конструкций.

ФМЗ V= 161,2 м³

Свайный фундамент

Объем ростверка V= 100,32 м³

Объем свай V= 26,88 м³

Таблица 5 – Технико-экономическое сравнение вариантов

Вывод

Проведя технико-экономическое сравнение выбираем фундамент мелкого заложения, так как он является наиболее экономически выгодным.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. Межгосударственный стандарт -М, 1996.

2. СНиП 2.05.0-84*. Мосты и трубы/Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2003.-214 с.

3. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и-сооружений/Госстрой СССР. - М.:Стройиздат, 2002.- 48 с.

4. СНиП 2.03.01-84 . Бетонные и железобетонные конструкции/Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.- 79 с.

5.   СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты/Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.-79 с.

6.   СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов/Госстрой России. - М.: ФГУП ЦПП, 2003.- 81 с.

7.   Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений. - М.;Стройиздат, 1978.- 375 с: ил.

Страницы: 1, 2