ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

 

 

 

Министерство образования Российской Федерации

 

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-

строительный университет

 

Кафедра геотехники

 

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Методические указания по изучению дисциплины и выполнению курсового проекта для студентов специальности 290300 - промышленное

Основания и фундаменты

  Редактор А. В. Афанасьева Компьютерная верстка А. М. Николаевой

Общие положения

В соответствии со стандартом специальности, учебными планами и типовыми программами дисциплина «Основания и фундаменты» изучается на VIII и IX… Во время изучения дисциплины «Основания и фундаменты» студент должен освоить… Основной теоретический материал для студентов очной формы обучения излагается на лекциях, а около 20 % прорабатывается…

Содержание дисциплины

Введение

Основные понятия и определения. Требования к основаниям и фундаментам. Роль отечественной и зарубежной науки и техники в развитии дисциплины. Современное состояние фундаментостроения и перспективы развития. Основные задачи изучения курса.

 

1. Принципы проектирования оснований

И фундаментов

Предельные состояния оснований сооружений. Принципы проектирования. Основные типы сооружений по жесткости. Формы деформаций и смещений сооружений (осадки уплотнения, разуплотнения, выпирания, расструктуривания до и в период эксплуатации сооружений). Понижение чувствительности зданий к неравномерным осадкам. Взаимосвязь проектирования и возведения фундаментов.

 

Фундаменты на естественном основании

Назначение фундаментов. Типы фундаментов. Материал для фундаментов. Конструкции сборных и монолитных фундаментов. Гидроизоляция. Гидроизоляция подвальных помещений. Дренаж. Защита фундаментов… Проектирование оснований и фундаментов. Расчеты оснований по деформациям и несущей способности. Порядок расчета…

Свайные фундаменты

Определение несущей способности свай-стоек и свай трения (висячих) расчетом по СНиП 2.02.03-85. Практические методы определения несущей способности…    

Искусственно улучшенные основания

Проектирование и устройство грунтовых и песчаных подушек. Поверхностное уплотнение грунтов. Глубинное уплотнение песков динамическими воздействиями, песчаными сваями и др. Уплотнение грунтов статической нагрузкой, водопонижением. Область применения методов. Закрепление грунтов (цементация, силикатизация, электрохимическое закрепление, смолизация, термический метод, армирование грунта, метод гидроразрыва, метод струйной технологии).

 

Крепление стен и осушение котлованов

При устройстве фундаментов

Назначение и способы креплений. Распорные крепления. Шпун-товые стенки. Искусственное замораживание грунтов. «Стена в грунте». Область применения способов.

Водоотлив. Открытый водоотлив в различных грунтовых условиях. Искусственное понижение уровня грунтовых вод и область его применения (иглофильтры, глубинные насосы, противофильтрационные завесы).

 

Фундаменты глубокого заложения

Устройство фундаментов с помощью кессонов. Оболочки и глубокие опоры. Анкерные крепления. Типы креплений и области их применения.

Методические указания по изучению

Теоретического курса

Приступая к изучению теоретического материала, следует прежде всего ознакомиться с программой дисциплины. Теоретический материал представлен в основной литературе, и в зависимости от… В результате изучения дисциплины «Основания и фундаменты» студент должен знать:

Задание на курсовое проектирование

 

Выбор задания производится в соответствии с двумя последними цифрами студента.

Схема сооружения. Вариант схемы сооружения (рис. 1–10) при-нимается по предпоследней цифре шифра: нечетные вариант размеров и нагрузок – для студентов, у которых последняя цифра шифра нечетная, четный – если последняя цифра шифра четная или ноль. Усилия по верхнему обрезу каждого рассчитываемого фундамента, обозначенного номером на плане сооружения, приведены в табл. 1 приложения.

Геологические условия. Номер геологических условий прини-мается по последней цифре шифра по рис. 11–15. При этом номер пласта без скобок принимается для шифра, оканчивающегося цифрами от 0 до 4, в скобках – для шифров, оканчивающихся цифрами от 5 до 9. Расчетные показатели физико-механических свойств грунтов указаны в табл. 2 приложения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример. Шифр студента ПГС – 02–138. Номер схемы сооружения – 3 (ремонтный цех). Размеры и нагрузки – по четному варианту. Вариант геологических условий – 8. Из геологических разрезов принимаем номера грунтов в скобках, т. е. по табл. 2: песок пылеватый –16, глина - 3 и суглинок – 5.

 

Состав и объем проекта

1) оценку инженерно-геологических условий и свойств грунтов, включая определение расчетного сопротивления грунта основания; 2) разработку вариантов (не менее 3) для наиболее нагруженного и характерного… а) выбрать и обосновать глубину заложения фундамента, тип фундамента, тип основания;

Последовательность выполнения

Курсового проекта

1. Оценка инженерно-геологических условий

Строительной площадки

1. Географическое положение площадки. 2. Геологическая характеристика площадки. 3. Гидрогеологические условия.

Разработка вариантов фундаментов

Разработку вариантов (не менее 3) следует производить для наиболее нагруженного и характерного фундамента заданного здания или

 

 

сооружения. Так, например, для силосного корпуса (см. рис. 9) – это фундамент 1. Размеры фундаментов в стадии выбора вариантов определяют по максимальным вертикальным нагрузкам.

В числе трех вариантов обязательно должны быть рассмотрены вариант устройства фундамента на естественном основании и свайный. Если в качестве третьего варианта рассматривается фундамент на искусственном основании (песчаной подушке, закрепленном грунте и т. п.), то такое основание нужно рассчитывать, чтобы получить все необходимые размеры для экономического сравнения с другими вариантами.

Экономическое сравнение вариантов выполняется по укрупненным единичным расценкам (прил. 3).

Разработка вариантов – важнейший этап курсового проекта, к которому необходимо относиться с особым вниманием. Прежде чем приступить к расчету и конструированию фундаментов, необходимо четко представить себе возможное архитектурное решение (особенно в местах перехода надземной части здания в подземную), т. е. установить абсолютные и относительные отметки планировки, пола первого этажа, обреза фундамента, а также применяемых конструкций. При этом необходимо стремиться при минимальном расходе материалов для устройства оснований и фундаментов получить наиболее рациональное и экономичное решение.

За относительную отметку ± 0,0 обычно принимают пол первого этажа. Обрез фундаментов большинства зданий устраивают на относительной отметке – 0,15 м, а для металлических колонн промышленных зданий - на отметке, находящейся в пределах – 0,6–1,2 м (в зависимости от поперечного размера колонны и высоты траверсы).

Вариант 1. Фундамент на естественном основании

Порядок расчетов может быть следующим:

1. Устанавливают глубину заложения подошвы фундамента d исходя из конструктивных особенностей подземной части сооружения, положения уровня подземных вод, глубины промерзания, характера напластования и состояния грунтов (гл.3 [3]).

2. Определяют площадь подошвы фундамента (гл.5 [3]).

3. Устанавливают размеры подошвы фундамента (ширину b и длину l), размеры ступеней и высоту фундамента h_f исходя из принятых правил конструирования, конструируют фундамент с учетом размера и типа надфундаментных конструкций (гл.5,8 [3]).

 

22
Рекомендуется проектировать отдельные фундаменты под колонны монолитными, а под стены – ленточными (сборными или монолитными). Размеры подошвы (bхl) в плане, ступеней (b₁ и l ₁) и подколонника (b_n и l_n) принимают кратными 300 мм, высоту ступеней (h₁ ,h₂, h₃) – 300, 450 и 600 мм, а общую высоту фундамента (h_¦) - кратной 300. Форма фундамента в плане при центральной нагрузке квадратная, а при внецентренной – прямоугольная. При этом соотношение b/l назначают в пределах 0,5–0,85. Виды и марки бетона фундамента назначают в результате расчета на прочность и трещиностойкость. Минимальные марки бетона определяются видом и состоянием грунта, а также классом сооружения.

4. Вычисляют собственный вес фундамента N_fII и вес грунта на его обрезах N_{g II} по их объемам V_f. и V_g.

Для внецентреннно загруженного фундамента определяют среднее давление по подошве фундамента и краевые давления р, р_min, р_тaх и сопоставляют с расчетным сопротивлением грунта основания R в соответствии с формулой (5.6) [3]. Допускается недогрузка фундамента 5–10 %. В противном случае необходимо изменить размеры фундамента.

Усилия М_а и F_a по подошве фундамента от горизонтального давле-ния грунта на стену подвала суммируются с заданными усилиями на фундамент. М_а и F_a определяются в предположении, что на поверхности грунта действует сплошная нагрузка интенсивностью q = 10 кН/м², а сам грунт находится в состоянии предельного равновесия и оказывает активное давление на стену подвала (разд. 5.6 [3]).

5. Выполняют расчет прочности фундамента, который включает:

а) расчет на продавливание;

б) расчет ступеней на поперечную силу Q_max, который необходим для сильно вытянутых фундаментов при соотношении размеров подошвы b/l < 0,5.

6. Проверяют прочность слабого подстилающего слоя, если это требуется по результатам оценки инженерно-геологических условий (разд. 5.4) [3].

7. Рассчитывают величину конечной осадки s фундамента и срав-нивают ее с предельно допустимой величиной абсолютной осадки s_{max U} (разд. 6 и прил. 1 [3]).

 

23
Для этого выбирают расчетную схему основания исходя из ха-рактера напластования грунтов, конструктивных особенностей сооружения и размеров фундамента:

в виде линейно деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи H_с (пп. 1-6 прил. 2 [4]);

линейно деформируемого слоя конечной толщины, в следующих случаях:

а) если в пределах сжимаемой толщины H_с, определенной как для линейно деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации Е₁ ≥ 100 МПа и толщиной h₁ ≥ Н_с (1-), где Е₂ - модуль деформации подстилающего слоя грунта с модулем Е₁ (пп. 7, 8 [4]);

б) ширина (диаметр) фундамента b ≥ 10 м и модуль деформации грунтов основания Е₁ ≥ 10 МПа.

По схеме линейно деформируемого пространства осадка фундамента может быть определена и методом эквивалентного слоя по Н. А. Цытовичу (п. 6.9 [3]).

Вариант 2. Свайный фундамент

1. Как и в варианте 1, следует эскизно проработать конструкции подземной части сооружения на схеме геологического разреза, указав их отметки и увязав их с планировочными отметками площадки строительства, положением слоев грунта ниже подошвы ростверка проектируемого фундамента. Это позволит правильно назначить длину свай с учетом заделки их голов в ростверк, прорезки слабых слоев грунта и необходимого заглубления острия в более плотный грунт (несущий слой).

Обычно сваи заглубляют в несущий слой не менее чем на 1-2м. Если несущим слоем являются твердые глинистые грунты, гравелистые, крупные и средней крупности пески, то достаточно заглубление от 0,5 м. Минимальная длина свай должна не менее чем в 2-3 раза превышать ширину ростверка, размеры подошвы которого предварительно могут быть оценены исходя из заданной на фундамент нагрузки, оптимального количества свай в фундаменте и приближенно (без расчета) назначенной несущей способности свай по ее размерам и характеристикам слоев грунта в пределах длины сваи и ниже ее острия.

 

 

Такая приближенная оценка необходима для уточнения типа и длины свай, установления несущего слоя грунта до определения несущей способности одиночной сваи расчетом по формулам СНиП 2.02.03-85.

Типовые конструкции забивных свай приводятся в табл. 9.1 [3]. Типоразмеры буронабивных свай принимаются исходя из технических характеристик установок для устройства буровых свай (табл. 9.2 [3]).

2. Определяют несущую способность одиночной сваи из условий: а) сопротивления грунта, окружающего сваю («по грунту»); б) сопротивления материала свай («по материалу»). Для дальнейших расчетов принимают минимальное из двух значений сопротивления.

Несущую способность сваи по грунту определяют расчетом по формулам (5) и (8) СНиП 2.02.03-85 [5], предварительно выбрав способ погружения ее в грунт.

3. Целесообразно определить расчетную нагрузку F_R, допустимую на одну сваю, установив значение коэффициента надежности γ_к по СНиП в зависимости от способа определения несущей способности сваи F_d (п. 3.10 [5]). Для забивных свай γ_к= 1,4.

4. Рассчитывают необходимое количество свай с учетом нагрузки от веса ростверка и грунта на его обрезах, предварительно вычислив ориентировочную площадь ростверка (п. 9.4.2 [3]).

5. Размещают сваи в кусте исходя из минимального расстояния между висячими сваями 3d, сваями-стойками – l,5d. Рекомендации по размещению свай в плане приведены в п. 9.4.3 [3].

6. Ростверк конструируют минимального объема исходя из подобранных размеров площади подошвы ростверка и глубины его заложения.

7. Определяют нагрузку от собственного веса ростверка N_fI и грунта на его обрезах N_gI и приводят всю нагрузку на фундамент к подошве ростверка N_I = N_0I+ N_gI + N_fI:

8. Устанавливают максимальную фактическую нагрузку на одну сваю и проверяют условие ее допустимости (п. 9.4.4 [3]).

9. Рассчитывают железобетонный ростверк на прочность (п.9.4.5 [3]).

10. Рассчитывают осадку свайного фундамента, как осадку условного фундамента на естественном основании, в соответствии с п. 9.4.6 [3]. Порядок расчета осадки свайного фундамента такой же, как при расчете осадки фундамента на естественном основании.

 

Вариант 3. Фундамент на искусственном основании

Расчет искусственного основания сводится к определению размеров закрепленной (искусственной) зоны основания и осадки возводимого на ней фундамента. Для примера приведем последовательность проектирования фундамента на искусственном основании в виде песчаной подушки:

1. Задаются видом песка (крупный, средней крупности или гравелистый) для устройства подушки и назначают плотность сложения его в теле подушки (как правило, среднюю плотность сложения).

2. Устанавливают глубину заложения подошвы фундамента, как для фундамента на естественном основании.

3. В соответствии с выбранным видом песка средней плотности по таблицам прил. 3 [4] устанавливают расчетное сопротивление грунта искусственного основания (песчаной подушки) R₀.

4. Определяют предварительную площадь подошвы фундамента А и его размеры в плане (b и l) исходя из принятого значения R₀.

5. Далее проектирование осуществляется в последовательности, изложенной для расчета фундаментов на естественном основании. При этом значение расчетного сопротивления R₀ для окончательного назначения размеров фундамента должно быть уточнено по формулам (1) и (2) прил. 3 [4].

6. Определив давление по подошве фундамента р и сравнив его с реальным значением R₀ для выбранных размеров фундамента, проверяют прочность материала фундамента (разд. 8.2 [3]) и рассчитывают размеры песчаной подушки.

7. Для этого задаются толщиной подушки h_n и проверяют условие п. 2.48 [4] (прочность подстилающего слоя). Этот расчет ведется аналогично проверке подстилающего слоя слабого грунта (разд. 5.4 [3], формула (5.8)).

Расчетное сопротивление грунта R_z, подстилающего песчаную подушку на глубине z, вычисляют по формуле (7) [3] для условного фундамента, ширина которого b_z определяется по формуле (10) [4].

Если условие формулы (5.8) [3] не соблюдается, то необходимо изменить толщину подушки и произвести расчет заново.

8. Ширину песчаной подушки b_п на отметке ее подошвы можно

 

 

 

определить конструктивно по формуле (11.1) [3]. Угол распределения давления в теле подушки α составляет 30-40°. Чем больше различие в деформационных и прочностных свойствах материала подушки и подстилающего ее грунта, тем больше должен быть угол α (разд. 11.2 [3]).

9. Абсолютную осадку фундамента на песчаной подушке определяют по одному из методов механики грунтов в зависимости от принятой расчетной схемы основания (разд. 6.5–6.10 [3]). Модуль деформации песка подушки принимают по табл. 1 прил. 1 [4].

Определение стоимости и выбор основного варианта

Фундамента

Эффективность варианта фундамента оценивают на основе показателя полных приведенных затрат в соответствии с нормативными документами. В курсовом…  

Расчет и проектирование выбранного

Варианта фундамента

Определение деформаций основания. Использование в расчетах ЭВМ

  Если расчет фундамента на продавливание выполнен на стадии выбора варианта, то… Абсолютную осадку следует определять только для одного фундамента, менее нагруженного и расположенного рядом с…

Расчет основания по несущей способности

В курсовом проекте по несущей способности (устойчивости) рассчитывают наиболее нагруженный фундамент на естественном основании. Методика определения… Расчет по несущей способности производят исходя из условия (11) [4]. При этом… Другие случаи расчета оснований по несущей способности изложены в гл. 7 [3] и гл. 4 [2].

И сооружений при промерзании и пучении грунтов

При отрывке котлованов в зимних условиях в проектах предусматривают меры по предохранению грунтов основания от промораживания. Фундаменты зданий и сооружений в пучинистых грунтах при промерзании последних… В курсовом проектировании необходимо определить меры, исключающие выпучивание заглубленных в грунт конструкций, под…

Защита подвальных помещений

От подземных вод и сырости

Выбор мероприятий осуществляют в зависимости от гидрогео-логических условий строительной площадки, сезонного колебания и возможного изменения уровня… Защита помещений и стен от сырости вследствие капиллярного увлажнения… Для защиты подвалов или подземных помещений можно применять пристенный или пластовый дренажи. Последний используется в…

Рекомендации по производству работ при подготовке основания и устройству

Фундаментов в котлованах

В проекте указывают способ отрывки котлована, зачистки его дна, методы водоотлива или водопонижения, конструкции крепления стенок котлована и в… При устройстве свайных фундаментов решается вопрос о способе погружения сваи и… Указанные вопросы изложены в соответствующих разделах [2-3; 9-12] и другой литературы.

Приложения

Приложение 1

Усилия на обрезе фундамента от расчетных нагрузок в наиболее невыгодных сочетаниях

 

 

 

№ схемы. Сооружение	Вариант	Номер фунда- мента	1-е сочетание	2-е сочетание
N0II, кН	M0II, кН.м	T0II, кН	N0II, кН	M0II, кН.м	T0II, кН
	2
Схема 1. Химический корпус	Четный. l = 6м			-24	-		-29	-
			-		-52	-
		-45	-			-
		-122	-		-146	-
5*		-184			-220	-
Нечетный. l = 9м. Подвал в осях А-Б	I		-21	-		-26	-
			-		-69	-
		-58	-			-
4*		-84	-		-120	-
		-260	-		-314	-
Схема 2. Фабричной корпус	Четный. l = 9м			-140	-20		-178
		±90			±144
			-			-
Нечетный. l =12м. Подвал в осях А-Б			-170	-40		-200	-60
		±150	±32		±204	-30
			-			-
Схема 3. Ремонтный цех	Четный				-		-52	-
		-	-		-	-
		±84			±100	-
		-220	-10			-14
5*		-200	-12		-240	-17
Нечетный. Подвал в осях А-Б			-52	-		-64	-
2*		-	-		-	-
		±120	-		±140	-
		-300	-20		-340	-26
			-18		-260	-14
Схема 4. Котельная	Четный. l1 = 4 м; l2 = 6 м			-290	-12		-	-
2*					-	-
		-	-		-	-
4*		-	-		-	-
		-180	-		-220	-10

 

32
Продолжение прил. 1

 

Схема 4. Котельная	Нечетный. l1 = 3 м; l2 = 5 м			-260	-12		-300	-36
			-
3*		-	-		-	-
		-	-		-	-
5*		-140	-		-158	-29
Схема 5. Эксперимен- тальный цех	Четный. l = 12 м	1* 3*		- -50 - -	- -10 - -		- -62 - -	- -12 - -
Нечетный. l =18м. Подвал в осях 4-6			-	-		-	-
		-	-		-	-
			-10			-12
5*		_	-		-	-
6*		-	-		-	-
Схема 6. Жилой дом	Четный. 7 этажей			-	-		-	-
		-	-		-	-
		-	-		-	-
4*		-	-		-	-
		-	-		-	-
6*		-	-		-	-
Нечетный. 10 этажей			-	-		-	-
		-	-		-	-
		-	-		-	-
		-	-		-	-
5*		-	-		-	-
6*		-	-		-	-
Схема 7. Механический цех	Четный. l1 = 24 м; l2 = 12 м			-320	-21
					-260	-19
		±100	±12		±130	±12
			-			-
Нечетный. l1 = 18 м; l2 = 9 м Канал у оси А			-260	-10
					-200	-8
		-	-		-	-
		-180	-			-

 

Окончание прил. 1

Схема 8. Сварочный цех	Четный. l = 21 м			-240	-30
						-26
		-	-		-	-
		-30	-			-
5*					-52	-6
Нечетный. l =18 м	1*		-190	-20
			-		-100	-20
		-	-		-	-
			-			-
		-60	-6
Схема 9. Силосный корпус	Четный. l1 = 12 м l2 = 6 м			- - - -	- - - -		±320 - - -	±150 - - -
Нечетный. l1 = 10 м l2 = 5 м			- - - -	- - - -		±270 - - -	±130 - - -
Схема 10. Монтажный цех	Четный. l = 15 м			-520	-30 - - -			- -38 - - -62
2*		-		-
				-150
		-		-
	160 910		180 810	-400
Нечетный. l =12м			-400	-20
		-	-		-	-
					-420	-30
4*		-	-		-	-
		-	-		-	-
6*			-		-300	-50

Примечания: 1. В таблице заданы расчетные усилия для расчета по деформациям. Расчетные усилия для расчета по несущей способности и прочности определяются путем умножения заданных усилий на осредненный коэффициент перегрузки п = 1,2. Усилия на ленточные фундаменты даны на 1 м их длины.

2. Знаки усилий: положительное направление поперечной силы - слева направо, момента - по часовой стрелке, при этом положение фундамента - по разрезу на схеме здания.

3. Для фундаментов, у которых номера со звездочками, достаточно определить только размеры в плане, найдя площадь подошвы по формуле

F = N / (R – γ_срh).

4. Величина R принимается уже вычисленной для наименее загруженного фунда­мента с номером без звездочки.

 

34

Приложение 3

Укрупненные единичные расценки на земляные работы, устройство фундаментов и искусственных оснований

  36 Продолжение прил. 3

Общие положения........................................................................................................ 1

Содержание дисциплины....................... ................................................................. 1

Введение .......................................................................................................................... 1

1. Принципы проектирования оснований и фундаментов…………………….2

2. Фундаменты на естественном основании........................................................... 2

3. Свайные фундаменты................................................................................................ 2

4. Искусственно улучшенные основания................................................................. 3

5. Крепление стен и осушение котлованов при устройстве фундаментов… .3

6. Фундаменты глубокого заложения....................................................................... 3

7. Фундаменты в особых условиях............................................................................ 4

8. Фундаменты при динамических воздействиях……………………………..4

9. Усиление оснований и фундаментов при реконструкции и ремонте зданий и сооружений…………………………………………………………………….4

10.Выбор оптимальных решений при проектировании оснований

и фундаментов................................................................................................................. 5

Рекомендуемая литература...................................................................................... 5

Методические указания по изучению теоретического курса..................... 6

Задание на курсовое проектирование................................................................. 7

Состав и объем проекта……………………………………………………...18

Последовательность выполнения курсового проекта............................... .20

1. Оценка инженерно-геологических условий строительной площадки…...20

2. Разработка вариантов фундаментов………………………………………..21

3. Определение стоимости и выбор основного варианта фундамента……...27

4. Расчет и проектирование выбранного варианта Фундамента…………….27

Определение деформаций основания. Использование в расчетах ЭВМ……………………………………………………………………….27

Расчет основания по несущей способности…………………………….28

Меры по предотвращению деформаций зданий и сооружений

при промерзании и пучении грунтов …………………………………...29

Защита подвальных помещений от подземных вод и сырости……….30

 

39

5. Рекомендации по производству работ при подготовке

основания и устройству фундаментов в котлованах………………………31

Приложение.......................................................................................................32

Приложение 1. Усиления на обрезе фундамента от расчетных

нагрузок в наиболее невыгодных сочетаниях…………...………………..32

Приложение 2. Расчетные характеристики физико-механических

свойств грунтов…………...………………..……………………………….35

Приложение 3. Укрупненные единичные расценки на земельные работы,

устройство фундаментов и искусственных оснований…….…………….36