Проектування фундаменту у витрамбованому котловані

Для каркасних промислових будівель у фундаментах у витрамбованому котловані використовуються окремі фундаменти пірамідальної або конічної форми з уширеною основою. Форма фундаментів у витрамбованому котловані

 

повторює форму трамбовки. Уширення основи робиться з допомогою жорсткого матеріалу (бетон, щебінь, піщано-гравійна суміш та ін.), який втрамбовується в дно котловану. Об'єм жорсткого матеріалу підраховується з умови передачі навантаження на основу шляхом улаштування під кожну колону окремо розташованих фундаментів. Навколо котловану та жорсткої основи утворюється зона пружності. Розмір трамбівки і об'єм жорсткого матеріалу для уширення приймається з урахуванням накопиченого досвіду влаштування фундаментів у витрамбованих котлованах, інженерно-геологічних умов майданчика та навантажень, які передаються фундаментом на основу.

Приклад 5.1. Визначити несучу здатність фундаментів у витрамбованому котловані. Грунтові умови: Шар 1: Рослиний шар товщиною 0,8 м; Шар 2: Суглинок товщиною 3,2 м; ρ_d=1,45 г/см³; Шар 3: Лес товщиною 6,0 м; ρ_d=1,40 г/см³; w_L= 0,22; w_p= 16;
Навантаження на фундамент: ; .

Приймаємо розміри фундаменту у витрамбованому котловані за рис. 5.1, для якого r_ℓ=0,35м; А_ℓ=1,5 r_ℓ²=2.6∙0.35²=0.32 м².

Витрамбовування виконується при природній вологості ω=0,16; S_r=0,51<0,7; ρ_d=1,45<1,6. При цьому уширення буде мати форму еліпсоїда з співвідношенням осей h_уш/b_уш=1,4. Визначаємо радіус r_уш і площу А_уш уширення в основі при об'ємі втрамбованого щебню V_м=1,5м³:

r_уш =0.55

h_уш=1,4 r_уш =1,4∙0,63=0,88 м

А_уш=3,14∙0,63²=1,25 м².

 

Рис. 5.1. Фундамент у витрамбованому котловані з уширеною основою
а) план по I-I і II-II; б) розріз; 1 - фундамент; 2 – уширена основа, 3 - ущільнена зона.

 

Визначаємо середнє значення щільності сухого ґрунту в межах ущільненої зони ρ_d,у , радіус r_у , товщину і площу ущільненої зони:

ρ_d,у=0,5( ρ_{d , сер +} ρ_d,max) (5.1)

де: ρ_{d, сер} – середнє значення природної щільності сухого ґрунту в межах зони ущільнення, г/см³;
ρ_d,max = 1,8 г/см³ - максимальне значення щільності сухого ґрунту після ущільнення.
Приймаємо попередньо h_у = h_уш і враховуваємо, що до глибини 2,5 м в межах зони ущільнення розміщується грунт 2-го шару (ρ_d2=1.45 г/см³ ), а нижче грунт 3-го шару (ρ_d3=1,4 г/см³) :

ρ_d,сер= = г/см³;

ρ_dу=0,5(1,43+1,8)=1,615 /см³;

r_у=0,95∙r_уш = 0,95∙0,63

h_у= r_у – r_уш =1,26 - 0,63=0,63 м

А_у = 3,14∙1,23² = 4,75 м²

Несуча здатність фундаменту у витрамбованому котловані з уширенням основи на вертикальне навантаження визначається при повному замоченні грунту основи як найменше зі значень несучої здатності:
– фундаменту по жорсткому матеріалу, втрамбованому в дно котловану;
– грунту в межах ущільненої зони;
– ґрунту природного складання, підстилаючого ущільнену зону.
Несуча здатність фундаменту F_ƒ1, виходячи з несучої здатності жорсткого матеріалу, визначається за формулою:

F_ƒ1 =γ_сF_MA_ℓ (5.2)

де: γ_с =1, коефіцієнт умов роботи фундаменту;

F_M = 5000 кПа для крупного піску; F_M =10000 кПа для жорсткого бетону, щебня, гравію;

A_ℓ - площа нижнього перерізу фундаменту, м²

F_ƒ1=1∙10000∙0,32=3200 кН

Розрахункове вертикальне навантаження на фундамент у витрамбованому котловані визначаємо за формулою:

;

Несуча здатність фундаменту F_ƒ2, за ущільненим шаром визначається за формулою:

F_ƒ2 =γ_сR_sA_уш (5.3)

де: R_s - розрахунковий опір ущільненого грунту під уширенням, визначається за таблицею 5.1.

Показник текучості ущільненого грунту визначається за формулою,

I_L=(w-w_P)/I_P, у якій значення природної вологості w приймається таким, що дорівнює 1,1 w _р при w < w _р; w, але не менше 1,1 w _р при w > w _р; 1,2 w _р при зволоженні грунтів у процесі витрамбування.

Таблиця 5.1.

Глибина від поверхні до низу уши-реної основи, м	Розрахунковий опір ущільнених грунтів при втрамбуванні у дно котловану жорсткого матеріалу Rs, кПа, при показнику текучости 𝐼L
	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6

 

Показник текучості ущільненого грунту визначається за формулою,

I_L=(w-w_P)/I_P, у якій значення природної вологості w приймається таким, що дорівнює 1,1 w _р при w < w _р; w, але не менше 1,1 w _р при w > w _р; 1,2 w _р при зволоженні грунтів у процесі витрамбування.

У даному прикладі передбачене ущільнення грунту при природній вологості w < w _р; підраховуємо величину I_L грунту 3-го шару при вологості

1,1 w_p=1,1·0,16=0,176

I_L =

Глибина від поверхні до низу уширеної основи дорівнює 4,88м.

Шляхом інтерполяції визначаємо R_s=2763 кПа.

F_f2=1·2763·1.25=3453 кН

Розрахункове вертикальне навантаження на фундамент у витрамбованому котловані визначаємо за формулою:

 

 

Несуча здатність фундаменту за підстилаючим шаром визначається за формулою:

F_f3= γ_с· γ_g'·R·A_у (5.4)

де: γ_g' – коефіцієнт умов роботы; γ_g'=1 – при глибині трамбування d_гр=1,0м; γ_g'=1,6 – при d_тр=3,5м; для проміжних значень d_тр – визначається інтерполяцією;

R - розрахунковий опір грунту, визначений за формулою з використанням розрахункових значень міцностних характеристик (φ_II і с_II) для грунту основи у водонасиченому стані, або у випадку неможливості замочення, – при усталеній вологості:

R = [М_γк_zbγ_II+M_g d₁γ_II^'+ (M_g -1) d_в γ_II^' + M_cc_II] (5.5)

де: γ_с1, γ_с2 - коефіцієнти умов роботи відповідно грунтової основи та будівлі, або споруди у взаємодії з основою; к - коефіцієнт (к=1, якщо розрахункові характеристики φ_II і с_II отримані в результаті безпосереднього випробування зразків грунту будівельного майданчика; к=1,1, якщо вони отримані за непрямими даними); М_γ, M_g, M_c - безрозмірні коефіцієнти, що залежать від кута внутрішнього тертя; к_z - коефіцієнт, що приймається рівним: при b < 10м к_z=1; при b ≥10м; к_z= z₀/b +0.2 (тут z₀=8м); b – ширина підошви фундаменту, м; γ _II'; γ_II – осереднені значення питомої ваги грунтів, вище і нижче підошви фундаментів, кН/м³; d₁ - глибина закладання фундаментів безпідвальних або приведена глибина закладання зовнішніх та внутрішних фундаментів від полу підвалу. Для підвальних приміщень d₁= h_s+h_sf /γ _II'; де: h_s–товщина шару ґрунту вище підошви фундаменту зі сторони підвалу, h_sf–товщина конструкції підлоги підвалу, γ _sf – питома вага конструкції підлоги (20 кН/м³); d_в - глибина підвалу - відстань від рівня планування до підлоги підвалу; для споруд з підвалом завширшки b ≤ 20м і глибиною більше 2м приймається d_в =2м; при відсутності підвалу та ширині підвалу В ˃ 20м приймається d_в=0; с_І1 – розрахункове питоме зчеплення ґрунту, який залягає безпосередньо під підошвою фундаменту, кПа. Величину R визначаємо з урахуванням прогнозуємого рівня ґрунтових вод при підйомі в процесі експлуатації до глибини 2,5м від поверхні планування. Питому вагу грунту з урахуванням зваженої дії води визначаємо за формулою:

γ_sb= (5.6)

де: γ_ω=10 ³ – питома вага води;

Для грунту 2-го шару нижче РПВ і для грунту 3-го шару

γ_ІІsb2= ³; γ_ІІsb3= ³

Глибина закладання фундаменту вираховується до низу уширення d₁=4,88м ширина круглого фундаменту b= _у=4,75=2,19м.

Міцностні характеристики грунту 3-го шару, що залягає в основі умовного фундаменту, приймаємо для водонасиченого стану грунту φ_II =24º; с_II=30кПа; γ_с1=1,1 (при I_L ˃ 0,5); γ_с=1,0 (для споруд з гнучкою конструктивною схемою); к_z=1; М_f, M_g і M_c визначаємо за таблицею 4.3, γ_ІІ=24º; М_f=0,72; M_g=3,87; M_c=6,45.

Таблиця 5.3 (Таблиця Е.[4]).

Коефіцієнти М_n; М_q; М_c

jII, град	Коефіцієнти	jII, град	Коефіцієнти
Mg	Mq	Mc	Mg	Mq	Mc
	0,04 0,10 0,16 0,23 0,32 0,43 0,51 0,61 0,72	1,0 1,18 1,39 1,64 1,94 2,30 2,73 3,06 3,44 3,87	3,14 3,41 3,71 4,05 4,42 4,84 5,31 5,66 6,04 6,45		0,84 0,98 1,15 1,34 1,55 1,81 2,11 2,46 2,88 3,38	4,37 4,93 5,59 6,34 7,22 8,24 9,44 10,85 12,51 14,50	6,90 7,40 7,95 8,55 9,22 9,97 10,80 11,73 12,79 13,98

 

Осереднена питома вага грунту, що залягає вище підошви фундаменту

(до глибини 4,88 м)

кН/м³

R = (0,72 ) = 487,6 кПа

.

Розрахункове вертикальне навантаження на фундамент у витрамбованому котловані визначаємо за несучою здатністю природного грунту шляхом ділення на коефіцієнт надійності по грунту

 

Визначаємо розрахункові навантаження для розрахунку за несучою здатністю, що діють на фундамент під колону з урахуванням коефіцієнта перевантаження 1,2.

Верхня частина фундаменту – підколонник розміром 1,2×1,2м.

= 1,5 м. Вага фундаменту G = 1,2 × 1,2 × 1,5 24 = 51,84 кН.

Розрахункові навантаження на фундаменти:

=

При визначенні F_f3 не враховані сили опору грунту по бічній поверхні нахиленої частини фундаменту. Площу бічної поверхні А_БП підраховуємо з урахуванням величини радіусу описаного кола середнього перерізу

м²

Розрахункові опори грунту по бічній поверхні фундаменту визначаємо за таблицею 5.4 залежно від I_L.

Таблиця 5.4

Розрахункові опори ґрунту по бічній поверхні фундаменту

Середня гли-бина розташу-вання шару грунту, м	Розрахункові опори ґрунту по бічній поверхні фундаменту ƒω кПа, при показнику текучості IL , що дорівнює
0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0

 

Показник текучості грунту 2 – го шару нижче прогнозуємого горизонту ґрунтових вод I_LН = 0,655 (h_н = 0,7м), а у верхній зоні фундаменту він змі-нюється від величини I_LН до ω_р = 0,18 через капілярне підняття води, тобто I_Lb = 0,418 (h_b = 1,8м). Середня величина показника текучості:

Середня глибина розташування шару грунту 2,75 м; ƒ_ω = 20 кПа.

Несуча здатність фундаменту за рахунок сил опору по бічній поверхні:

, (5.7)

де: = 0,8 – коефіцієнт умов роботи по бічній поверхні фундаменту;

= 0,8 20 6,18 = 98,9 кН

Визначаємо розрахункове навантаження на фундамент с урахуванням сил опору по бічній поверхні:

 

 

На фундамент крім вертикального навантаження діє момент; розрахункова величина моменту фундамента:

.

Несуча здатність фундаменту у витрамбованому котловані з уширеною основою на горизонтальне навантаження і момент перевіряємо за формулою:

(5.8)

де: - коефіцієнт умов роботи; = 0,8;

- горизонтальна складова реактивного відпору грунту, яка визначається за формулою (5.9);

- горизонтальна складова рівнодіючих сил, що діють на фундамент;

- сума моментів, які діють на фундамент відносно центру тяжіння перерізу верху фундаменту;

– частина фундаменту, яка знаходиться у грунті.

Складова реактивного отпору грунту по ущільненим бічним стінкам витрамбованих котлованів для монолітних фундаментів, що бетонуються врозпір, приймаємо рівною:

, (5.9)

де: – коефіцієнти, які відповідно дорівнюють: = 60 кПа; = 0,4;

– середнє вертикальне навантаження у перерізі фундаменту на глибині

0,5 , кПа.

Площа середнього перерізу