Технико-экономическое обоснование выбора фундамента мелкого заложения

1. Исходные данные

1.1 Оценка инженерно-геологических условий площадки строительства

Таблица 1. Сводная ведомость физико-механических свойств грунтов

Примечание - Удельный вес воды - γω =10 кН/м³; ускорение свободного падения g=10 м/с².

1.2 Заключение по данным геологического разреза площадки строительства и выбор возможных вариантов фундаментов

I слой: суглинок тАУ толщина слоя 4.7м; по степени влажности суглинок относится к насыщенные водой (0.5

II слой: песок средней крупности тАУ толщина слоя 3.6м; по степени влажности относится к насыщенной водой; по коэффициенту пористости относится к средней плотности; E=42 МПа; условное расчетное сопротивление R0=343 кПа.

III слой :глина - по числу пластичности Ip=0.19 тАУ глина; по показателю текучести находится в полутвердом состоянии (0

Заключение по данным геологического разреза: природный рельеф площадки спокойный с горизонтальным залеганием пластов грунта. II и III слои грунтов могут служить основанием для фундамента.

Выбор возможных вариантов фундаментов: в качестве возможных вариантов фундамента принимаем:

- фундамент мелкого заложения;

- свайный фундамент на забивных призматических сваях.

1.3 Сбор нагрузок, действующих на фундамент

В соответствии с [2, п. 2.1*] установлено 18 видов постоянных и временных нагрузок, которые могут действовать на конструкции мостов и, следовательно, передаваться на опору. На рисунке 1. показаны следующие основные нагрузки:

вертикальные нагрузки -

масса пролетных строений Рп, являющаяся суммарной равнодействующей сил Р_п/2, соответствующих давлению от примыкающих к данной опоре двух пролетных строений;

сила воздействия на опору Р_тр от временной подвижной вертикальной нагрузки, являющаяся равнодействующей сил Ртр/2, полученных от загрузки примыкающих к опоре пролетов; масса опоры Р_о - собственная масса надфундаментной части опоры.

горизонтальная нагрузка -

горизонтальная составляющая Т силы воздействия на опору Ртр от временной подвижной вертикальной нагрузки.

Рисунок 1. тАУ Опора моста с действующими нагрузками

Таблица 2. Нагрузки, действующие на фундамент

2. Проектирование фундамента мелкого заложения на естественном основании

2.1 Определение глубины заложения подошвы фундамента. выбор отметки обреза фундамента

2.1.1 Определение глубины заложения подошвы фундамента

Нормативная глубина сезонного промерзания определяется по формуле:

dfn=do√Mt,

где М, тАФ коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном климатическом районе; do - глубина промерзания (см), зависящая от вида грунта, принимается равной: песков средней крупности-23см.ВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВа

dfn=do√Mt=23*√42=149.06см=1.5м

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта определяется по формуле:

d_f=k_hdfn ,ВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВа

где k_h, - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения и принимаемый для отапливаемых зданий в зависимости от конструкций полов и температуры внутри помещений, а для наружных и внутренних фундаментов, неотапливаемых зданий ,k_h = 1.1.

d_f=k_hdfn=1.1*149.06=164.56см=1.6м

2.1.2 Выбор отметки обреза фундамента

Обрез фундамента принимаем на 0.5м ниже горизонта самых низких вод

2.2 Определение площади подошвы фундамента и расчетного сопротивления основания

Размеры обреза фундамента в плане принимаю больше размеров надфундаментной части опоры на величину с=0.2м в каждую сторону для компенсации возможных отклонений положения и размеров фундамента при разбивке и производстве работ (рис.1).

Минимальная площадь подошвы фундамента рассчитывается по формуле

A_min=(A + 2c)-(B + 2c),

где А и В - ширина и длина надфундаментной части опоры в плоскости обреза фундамента, принимается по заданию.

A_min=(10.4 + 2∙0.15)(1.5 + 2∙0.15) = 19.26м²

Далее по формуле (1) приложения 24 [2] определяется расчётное сопротивление грунта основания (МПа) при ширине подошвы фундамента b= (В+2с)

R = 1.7{R₀[1 + k₁(b-2)] + k₂γ(d -3)},

где R₀ = 343 кПатАФ условное сопротивление грунта, МПа; b = 2м тАФ ширина подошвы фундамента, м; d = 5.7м тАФ глубина заложения фундамента, принимается от поверхности грунта до подошвы фундамента; γ - осредненное по слоям расчётное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента, вычисленное без учёта взвешивающего действия воды, МН/м³, по формуле:

γ = ∑ γi hi / ∑hi ,

где γi - удельный вес отдельных слоев грунта, лежащих выше подошвы фундамента, кН/м³; hi тАФ толщина отдельных слоев грунта выше подошвы фундамента, м; k₁ и k₂ -коэффициенты, принимаемые по таблице 4, прил. 24 [2].

k₁= 0.1 мֿ¹

k₂ = 3

R = 1.7{343[1 + 0.1(2-2)] + 3∙19.9(5.7 -3)}=274.02 кПа

2.3 Проверка принятых размеров фундамента

Расчёт преследует цель определить средние, максимальные и минимальные давления под подошвой фундамента и сравнить их с расчётным сопротивлением грунта:

p=N1/A ≤ γcR/γn ,

pmax=N1/A + M1 /W ≤ γcR/γn ,

pmin=N1/A - M1 /W ≥0 ,

где p, pmax и p_min тАФ соответственно среднее, максимальное и минимальное давления подошвы фундамента на основание, кПа; N1 - расчётная вертикальная нагрузка на основание с учётом гидростатического давления воды, если оно имеет место, кН; М1 - расчётный момент относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента, кН∙м; A тАФ площадь подошвы, м²; W- момент сопротивления по подошве фундамента, м³;

W= bl²/6

где l- длина подошвы фундамента, м; b - ширина подошвы фундамента, м; R -расчётное сопротивление грунта под подошвой фундамента, кПа; γ_с=1,2 - коэффициент надёжности по назначению сооружения; γ_п=1,4 - коэффициент условий работы.

Определяем нормальную N1 и моментную нагрузки М1 , действующие на основание

N1 = 1,2(Р₀+Р_п+Рф+ Р_г) + 1,13∙Ртр,

М1 = 1,2Т(Н+h_Ф),

где Рф и Р_г тАФ соответственно нагрузки от веса фундамента и грунта на его уступах (с учётом взвешивающего действия воды, при УПВ выше подошвы фундамента), кН; Н тАФ высота опоры моста, м; h_ф тАФ высота конструкции фундамента, м. Расчётные величины Р_о, Р_п, Р_тр, Т даны в таблице 2.

Путем последовательных подборов размеров фундамента и глубины заложения подошвы, принимаем:

d = 5.7 м тАУ глубина заложения фундамента

hф =6.2 м тАУ высота фундамента

a=11 м тАУ длина подошвы фундамента

b= 2 м тАУ ширина фундамента

A = a∙b = 11∙2= 22 м² - площадь подошвы фундамента

Р_ф+ Р_г +Рв=5.7·20·22+1.1·10·22 = 2750 кН

N1 = 1.2(373.5кН + 1350кН + 2750кН) + 1.13 ∙ 6075кН = 12232.95 кН

М1 = 1.2 ∙ 750кН(10.5м + 6.8м) =15570 кН∙м

W = 4 ∙ 13²/6 = 112.6 м³

Определяем давления под подошвой фундамента:

p=12232.95кН /22м² = 556.04 кПа≤ γcR/γn=1.2∙274.02/1.4 =234.9 кПа pmax=12232.95кН/22м² + 15570кН∙м/20.5м³= 1315.5кПа≤ γcR/γn=234.9 кПа

Выбранные глубина заложения подошвы и размеры фундамента не удовлетворяют условию по первой группе предельных состояний.

Увеличиваем размеры подошвы фундамента:

d = 5.7 м тАУ глубина заложения фундамента

hф =6.2 м тАУ высота фундамента

a=13 м тАУ длина подошвы фундамента

b= 4 м тАУ ширина фундамента

A = a∙b = 13∙4= 52 м² - площадь подошвы фундамента

R = 1.7{343[1 + 0.1(4-2)] + 3∙19.9(5.7 -3)}=973.74 кПа

Р_ф+ Р_г +Рв=5.7·20·52+1.1·10·52 = 6500 кН

N1 = 1.2(373.5кН + 6500кН + 2750кН) + 1.13 ∙ 6075кН = 16732.95 кН

М1 = 1.2 ∙ 750кН(10.5м + 6.8м) =15570 кН∙м

W = 4 ∙ 13²/6 = 112.6 м³

Определяем давления под подошвой фундамента:

p=16732.95кН /52м² = 321.8 кПа≤ γcR/γn=1.2∙973.74/1.4 =834.6 кПа pmax=16732.95кН/52м² + 15570кН∙м/112.7м³= 1315.5кПа≤ γcR/γn=834.6 кПа

Слишком большой запас прочности уменьшим размеры подошвы фундамента принимаем:

d = 5.7 м тАУ глубина заложения фундамента

hф =6.2 м тАУ высота фундамента

a=12.7 м тАУ длина подошвы фундамента

b= 3.7 м тАУ ширина фундамента

A = a∙b = 12∙3.7= 44.4 м² - площадь подошвы фундамента

Р_ф+ Р_г +Рв=5.7·20·44.4+1.1·10·44.4 = 5550 кН

N1 = 1.2(373.5кН + 1350кН + 5550кН) + 1.13 ∙ 6075кН =15592.95 кН

М1 = 1.2 ∙ 750кН(10.5м + 6.8м) =15570 кН∙м

W = 3.7 ∙ 12.7²/6 = 99.5 м³

Определяем давления под подошвой фундамента:

R = 1.7{343[1 + 0.1(3.7-2)] + 3∙19.9(5.7 -3)}=956.25 кПа

p=15592.95кН /44.4м² =351.2кПа ≤ γcR/γn=1.2∙956.25/1.4=819.6кПа pmax=15592.95кН/44.4м² + 15570кН∙м/99.5м³= 507.7кПа≤ γcR/γn=819.6 кПа pmin=15592.95кН/44.4м ² - 15570кН∙м/99.5м³= 194.7кПа >0

Выбранные глубина заложения подошвы и размеры фундамента удовлетворяют условию по первой группе предельных состояний.

Принимаем размеры поперечного сечения подошвы фундамента:

d = 5.7 м тАУ глубина заложения фундамента

hф =6.2 м тАУ высота фундамента

a=12.7 м тАУ длина подошвы фундамента

b= 3.7 м тАУ ширина фундамента

2.4 Расчет основания фундамента по деформациям

Различные по величине осадки соседних опор не должны вызывать появления в продольном профиле дополнительных углов перелома, превышающих для автодорожных мостов 2 тА° [2, п. 1.47].

Для расчёта осадок основания фундаментов по приложению 2 [3] рекомендует метод послойного суммирования: величина осадки фундамента определяется по формуле

S = β∑σzpi ∙hi/Ei

где β=0,8 - безразмерный коэффициент; σzpi - среднее вертикальное (дополнительное) напряжение в i-м слое грунта; hi и Ei - соответственно мощность и модуль деформации i-го слоя грунта; п - число слоев, на которое разбита сжимаемая толщина основания Н_с.

Сжимаемая толщина основания Н_с определяется как расстояние от подошвы фундамента до нижней границы сжимаемой толщи; нижняя граница обозначена символами B.C. При этом B.C. находится на той глубине под подошвой фундамента, где выполняется условие

σ_zpi = 0,2σ_zgi.

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента, определяется по формуле:

σ_zgо= γohi

где, γo -осредненный удельный вес грунта и воды, залегающих выше подошвы фундамента; hi -глубина заложения подошвы фундамента, м.

σ_zgо=1.6∙10+4.7·20+1·19.9=129.9 кПа

Дополнительное вертикальное напряжение в грунте в уровне подошвы фундамента определяют по формуле:

σ_zро = р0 - σ_zgо

Среднее давление на грунт от нормативных постоянных нагрузок:

р0 = Nп /A=351.2кН

σ_zро = 351.2-129.9=221.3 кПа

Дополнительные вертикальные напряжения в грунте вычисляются по формуле:

σ_zрi= αi∙ σ_zр0

где α - коэффициент, принимаемый по таблице 1 приложения 2 [3] в зависимости от соотношения сторон прямоугольного фундамента η = l/ b = 2,85 и относительной глубины, равной ξ = 2z/b, где z - расстояние до границы элементарного слоя от подошвы фундамента.

Условие σ_zрi=0,2∙σ_zgiвыполняется при z = 8.2 м, т.е.

Таблица 3 тАУ Расчет осадка основания фундамента