5. Фундамент мелкого заложения на естественном основании.

5.1. Определение глубины заложения фундамента.

Глубина заложения фундаментов определяется в соответствии с указаниями пунктов 2.25-2.33 СНиП 2.02.01-83 [8] с учетом глубины сезонного промерзания грунта, положения УГВ, теплового режима, конструктивных особенностей сооружения.

Максимальная из полученных выше величин откладывается в масштабе по расчетной оси, и проверяются свойства грунта, на который будет опираться подошва фундамента. Если данный грунт имеет небольшое расчетное сопротивление (ил, торф, насыпной грунт, растительный слой), а близко залегает более прочный слой, в ряде случаев целесообразно заглубить фундамент в этот слой, что позволит уменьшить размеры его подошвы. Принятая глубина заложения фундамента не должна находиться на границе двух слоев грунта. В таком случае необходимо заглубить фундамент в нижележащий слой не менее чем на 0,2 м.

Для данного курсового проекта нормативная глубина сезонного промерзания грунтов d_f = 2,2 м. Расчетная глубина сезонного промерзания грунтов определяется как

d_f = К_h · d_fa,

где K_h – коэффициент влияния теплового режима сооружения, принимаемый:

для наружных фундаментов отапливаемого здания по табл. 1 [8];

для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых зданий K_h =1,1.

С учетом этого d_f = 2,2 · 1,1 = 2,5 м.

Из конструктивных требований при отсутствии подвала или технического подполья, минимальная глубина заложения столбчатого фундамента под железобетонную колонну d_к определяется из условия

d_к =h_f + 0,2 + 0,05 м,

где h_f, – глубина заделки колонны в фундамент, в данном случае h_f, =1 м; 0,2 – минимальная толщина дна стакана, м.

Тогда d_к = 1 + 0,2 + 0,05 = 1,25 м.

Максимальной является величина d_f, =2,2 м, которую и откладываем на геологическом разрезе от отметки планировки. Подошва фундамента в этом случае имеет абсолютную отметку 126,50 м и опирается на слой крупного песка средней плотности.

В соответствии с пп. 2.29-2.31 СНиП [8] проверяется условие недопущения морозного пучения грунтов основания. Для этого вычисляется глубина расположения уровня подземных вод d_ = 126,5 – 123,3 = 3,2 м, и величина d_f + 2,0 = 2,5 + 2,0 = 4,5 м.

В данном случае d_ = 3,2 м < d_f + 2,0м = 4,5 м. По табл. 2 [8] в таких условиях для песка средней крупности, глубина заложения фундамента не зависит от расчетной глубины промерзания d_f = 2,5 м, и принимается на основании конструктивных требований d ≥ d_к = 1,25 м и необходимости заглубления подошвы фундамента в песок не менее чем на 0,2 м.

Окончательно с учетом всех требований глубина заложения и высота фундамента принимается равной 1,5 м (кратно 300 мм).

Подошва фундамента в этом случае имеет абсолютную отметку 126,50 м и опирается на слой песка средней крупности, средней плотности с R₀ = 500 кПа (рис. 3).

5.2. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженного фундамента мелкого заложения под колонну промышленного здания.

Определение оптимальных размеров подошвы отдельных внецентренно нагруженных фундаментов под колонны производится методом последовательных приближений или с использование программы расчета на ЭВМ в следующем порядке:

а) Определяется требуемая площадь подошвы фундамента как центрально нагруженного.

,

где N ^P – расчетное значение вертикального усилия на обрез фундамента, которое определяется при коэффициенте надежности по нагрузке _f , принимаемым в расчете оснований по деформациям равным γ_f =1 · N^P = 3488 ∙ 1 = 3488 кН;

R₀ – ориентировочное значение расчетного сопротивления грунта основания в уровне подошвы фундамента, определяемое по эпюре R₀ геологического разреза, R₀ = 500 кПа;

d₁ – глубина заложения подошвы фундамента, d₁ = 1,3 м;

–осредненное значение удельного веса фундамента и грунта на его ступенях, = 20 кН/м³;

;

б) Определяются размеры подошвы фундамента в плане, как имеющего квадратную форму , размеры подошвы плитной части фундаментов обычно принимаются кратными 0,1 м (0,3 м, если предполагается использование унифицированной щитовой опалубки);

в) Уточняется величина расчетного сопротивления грунта основания для квадратного фундамента с шириной подошвы b = 2,7 м по формуле 7 [8]

,

где γ_c1, _с2 – коэффициенты условий работы принимаемые по табл. 3 [8], γ_c1 =1,4, _с2 =1,0 (для зданий с гибкой конструктивной схемой);

k – коэффициент надежности, k =1,0;

М_, М_q, М_c – коэффициенты, принимаемые по табл. 4 [8] в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта основания фундамента, для песка при φ_II = 30⁰: М_ = 1,15; М_q = 5,59; М_c = 7,95;

К_z – коэффициент, принимаемый равным при b < 10м – К_z = 1;

γ_II – осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, γ_II = 18,8 кН/м³;

γ´_II – осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента

;

с_II – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего ниже подошвы фундамента, с_II = 0;

d_b – глубина подвала, в курсовом проекте для бесподвального здания d_b=0

b – ширина подошвы фундамента, b =3,0 м.

.

Т.к. подсчитанное значение R существенно отличается от R₀ = 500 кПа (более 10%), производим перерасчет размеров подошвы квадратного фундамента.

Во втором приближении получим:

;

; принимаем b = 4,3 м (кратно 300 мм).

.

Т.к. подсчитанное значение R существенно отличается от R₀ = 500 кПа (более 10%), производим перерасчет размеров подошвы квадратного фундамента.

В третьем приближении получим:

;

; принимаем b = 3,8 м (кратно 300 мм).

.

г) Вычисляется эксцентриситет равнодействующей вертикальной нагрузки относительно центра подошвы фундамента как

,

где М_х – расчетное значение суммарного изгибающего момента, передаваемое фундаментом на основание в уровне подошвы, кН·м;

,

где М^P, ^P – соответственно расчетные значения изгибающего момента и поперечного усилия в основном сочетании при γ_f=1,

М^P = 95 кН·м;

Q^Р = 14кН;

d₁ = 1,3м.

Тогда М_х = 95 + 14  1,3 = 113,2 кН · м.

N – расчетное значение вертикальной нагрузки на основание, включая вес конструкций фундамента, грунта на его ступенях и т.п., кН

N = N^P + G,

где N^P = 3488 кН;

G – расчетное значение вертикального усилия от веса конструкций фундамента и грунта на его ступенях, ориентировочно, при γ_f = 1 ,

.

Окончательно N = 13488 + 375,44= 3863,44 кН.

Тогда эксцентриситет вертикальной нагрузки .

Поскольку e_x = 0,03 м < 0,033  b = 0,033  3,8 = 0,1254 м, то оставляем квадратную в плане подошву фундамента, а краевые давления можно не проверять.

д) Проверяются напряжения под подошвой фундамента

- условие

выполняется.

где А – площадь подошвы фундамента, А = 3,8 ² = 14,44 м².

Следовательно, фундамент запроектирован экономично, а недонапряжение по среднему краевому давлению составляет , что меньше 10%.

Окончательно принимается фундамент с габаритами подошвы l = b = 3,8 м, высотой h₁=1 м.

е) Так как под несущим слоем – песком с условным расчетным сопротивлением R₀ =500 кПа, залегает менее прочный грунт – суглинок с R₀ =243,5 кПа, необходимо выполнить проверку подстилающего слоя исходя из условия по формуле 9 [8]

где σ_zp – дополнительное вертикальное давление на кровлю подстилающего слоя, передаваемое фундаментом, кПа;

σ_zg – давление от собственного веса грунта на кровлю подстилающего слоя, считая от отметки природного рельефа, кПа;

R_z – расчетное давление на кровлю грунта пониженной прочности вычисляемое по формуле 7 [8] для условного фундамента, шириной b_z , кПа.

В свою очередь , A_z=N/σ_zp , a=(l – b)/2,

где N – расчетное значение вертикальной нагрузки на основание, включая вес конструкции фундамента и грунта на его ступенях, кH ,

l, b – соответственно длинна и ширина проектируемого фундамента, м.

Если условие не выполняется, необходимо принять большие размеры подошвы фундамента.

В рассматриваемом варианте получим.

Природное давление грунта на уровне подошвы фундамента (точка 0)

_zg0 = ¹_II · d₁ = 16,9 · 1,3 = 21,97 кПа.

Природное давление грунта на кровлю подстилающего слоя, т.е. на глубине z = 1,3 м ниже подошвы фундамента

_zg1 = _zg0 + _{II, песка} · z = 21,97 + 18,8 · 1,3 = 46,41 кПа.

Дополнительное (осадочное) давление под подошвой фундамента определяется как

_zp0 = p₀ – _zg0 = 267,55 – 21,97 = 245,58 кПа.

По таблице 1 приложения 2 [8] при и значение коэффициента рассеивания  определяется интерполяцией и составляет  =0,848.

Тогда осадочное давление на кровлю подстилающего слоя (суглинка) равняется _zp1= ∙ _zp0 = 0,848 ∙ 245,58 = 208,25 кПа.

Полное давление на кровлю подстилающего слоя от природного и осадочного давления составляет _z1 =_zp1 + _zg1 = 208,25 + 46,41 = 254,66 кПа.

Для вычисления R_z определяем ширину условного фундамента:

a=(l – b)/2 = (3,8 – 3,8)/2 = 0;

A_z=N/σ_zp = 3863,44/208,25 = 18,55 м²

м².

Расчетное сопротивление грунта суглинка, подстилающего несущий слой песка, определяется по формуле:

,

где _c1 = 1,4; _с2 = 1,0; k = 1,0; K_z= 1;

при _II = 30^0:: M_ = 1,15; М_q = 5,59; М_с = 7,95;

_II = 18,8 кН/м³; с_II = 0 кПа;

Проверяется выполнение условия

_zp + _zg = 254,66 кПа < R_z = 474,03 кПа.

Условие выполняется.