Проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений в криолитозоне

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В КРИОЛИТОЗОНЕ

 Методические указания к

Курсовому проекту

Для обучающихся по направлению

Строительство

МОСКВА – 2020 г.

С о с т а в и т е л ь

Р е ц е н з е н т

Р е д а к ц и я и р и с у н к и

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

Рост объемов капитального строительства, наблюдающийся в послед­ние годы, требует быстрого развития и технического совершенствования строительной индустрии, сокращения сроков, снижения стоимости и по­вышения качества монтажно-строительных работ.

Инженеры-строители, которых готовит высшая школа, должны в пол­ной мере удовлетворять этим требованиям, обладать широким техническим и практическим кругозором, владеть научными методами проектирования и строительства оснований и фундаментов. Учитывая, что стоимость фундаментных работ иногда составляет до 30% от общей стоимости инже­нерных объектов, их удешевление может дать существенный экономический эффект. Уменьшение затрат на возведение фундаментов может быть достигнуто путем интенсификации строительного производства при высоком качестве фундаментных работ.

Надежность оснований и фундаментов и удешевление работ по их устройству в значительной мере зависят от правильной оценки инженерно­геологических условий строительной площадки, совместной работы грунтов оснований с возводимыми на них фундаментами и научного применения теоретических основ механики грунтов.

Пренебрежительные отношения к устройству оснований и фундамен­тов (зачастую минимизация размеров фундаментов), недостаточная изу­ченность грунтов оснований часто являются причиной недопустимых де­формаций оснований, фундаментов и строительных конструкций. С другой стороны увеличение размеров фундаментов в целях перестраховки приводит к значительному удорожанию строительства.

Надежное устройство оснований и фундаментов инженерных объектов обеспечивает их долговечность и нормальную эксплуатацию.

Методические указания разработаны в соответствии с требованиями: СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений»,

СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»,

СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»;

СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты»;

СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия»;

ГОСТ 25100-95. «Грунты. Классификация».

Общие сведения

Состав и объем курсового проекта

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки объемом 70-80 машинописных листов и графической части, выполняемой на 1 листе формата А1 (штамп графического листа приведен на рис. 1а).

Порядок выполнения расчетно-пояснительной записки курсового проекта производится в следующем порядке:

Введение.

1.1. Приводятся сведения о вечномерзлых грунтах и принципах их использования в качестве основания фундаментов зданий и сооружений.

1.2. Составляется краткая характеристика района строительства, приводятся климатологические данные.

1.3. Кратко описываются конструктивные решения и используемые материалы для строительства здания.

Инженерно – геологические условия площадки строительства.

2.1. Выполнение дополнительных физических характеристик грунтов.

2.2. Назначение теплофизических характеристик.

2.3. Составление паспорта скважины по полученным данным.

3. Составление плана фундаментов. Сбор нагрузок.

3.1. Составление плана фундаментов.

3.2. Выбор грузовых площадок под средний, крайний и угловой фундаменты.

3.3. Сбор нагрузок.

Заключение.

Все расчеты в расчетно-пояснительной записке сопровождаются рабочими чертежами, схемами. В начале записки помещают оглавление с перечислением разделов курсового проекта с их нумерацией. В конце расчетно-пояснительной записки описывают технологию возведения фундаментов и приводят библиографический список. Листы текста должны иметь сквозную нумерацию (рис. 1б).

Чертеж должен содержать:

-план строительной площадки с указанием расположения на нем сооружения, колонок скважин и линии построенных литологических разрезов (М 1:500, М 1:1000);

-колонку скважины с указанием геологического строения грунтов;

-расчетные схемы по несущей способности вечномерзлых грунтов основания свайных фундаментов с эпюрами распределения расчетных температур по глубине заделки свай в многолетнемерзлый грунт и расчетных сопротивлений мерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания;

-расчетные схемы по устойчивости фундаментов на действие сил морозного пучения;

-эпюру распределения напряжений от собственного веса грунта по глубине оттаявшей толщи;

-план фундаментов при использовании многолетнемерзлых грунтов по Ι принципу (свайное поле);

-план фундаментов при использовании многолетнемерзлых грунтов по ΙΙ принципу (столбчатые фундаменты);

-разрезы по плану свайных и столбчатых фундаментов с отметками от чистого пола первого этажа до острия сваи и подошвы фундамента;

-узлы сопряжения надземных конструкций с фундаментами (не менее 2-х);

-динамику развития чаши оттаивания под зданием по годам за весь срок эксплуатации;

-устройство температурной трубки;

-примечания.

При выполнении чертежей следует руководствоваться государственными стандартами (ГОСТ): «Система проектной документации для строительства» (СПДС), «Единая система конструкторской документации» (ЕСКД), соответствующими строительными нормами и инструкциями (СП) и др.

Введение

2.1.1. Привести краткие сведения о многолетнее мерзлых грунтах: районы их расположения, типы по мощности залегания, площадям, по температурным факторам, по сжимаемости и принципах их использования в качестве основания фундаментов зданий и сооружений.

2.1.2. По данным СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» для заданного района строительства подбираются все климатологические характеристики:

-среднегодовая температура воздуха, °С (т.5.1.);

-средняя температура воздуха за период с положительными температурами, °С (т.5.1- ∑ t_thm / n_мес  = ∑(сумма средних температур месяцев с положительными температурами /число месяцев с положительными температурами).

- температура воздуха за период с отрицательными температурами, °С (т.3.1);

- продолжительность периода с положительными температурами, суток (365-t_fm);

- продолжительность периода с отрицательными температурами, суток (т.3.1);

-средняя скорость ветра, м/сек.

2.1.3. В соответствии с выданным заданием по краткой характеристике здания приводится сведения о размерах здания; этажности; конструктивной схеме; материалах конструкций, полов, утеплителя; толщине наружных и внутренних стен, перегородок.

Состав перекрытий и стен принимаются условно, но с учетом района строительства.

Таблица 2.1.

Разновидность грунтов по льдистости

3) Плотность грунта в сухом состоянии, г/см³ (по формуле А.2 ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация»)

ρ_d=ρ/(1+ W_tot)

где ρ - плотность грунта.

4) Число пластичности, д.е. (определяется по ГОСТ 5180)

I_p=W_L-W_p

где W_L и W_p - влажности соответственно на границах текучести и раскатывания.

Примечание: По полученным значениям числа пластичности необходимо глинистые грунты подразделить согласно табл. Б.12 ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» (см. табл.2.2). Подвид глинистых грунтов принять условно в зависимости от содержания песчаных частиц.

Таблица 2.2.

Для песчаных грунтов необходимо самостоятельно задать разновидность песков - песок пылеватый, мелкий, средней крупности либо крупный.

5) Коэффициент пористости, д.е. (по формуле А.5 ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация»)

е=(ρ _s - ρ _d)/ ρ _d

где ρ _s и ρ _d - плотность частиц грунта и плотность грунта в сухом состоянии, г/см³.

Примечание: По полученным значениям коэффициента пористости необходимо определить плотность сложения песчаных грунтов согласно табл. Б.18 ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» (см. табл.2.3).

Таблица 2.3.

Плотность сложения песчаных грунтов

6) Показатель текучести, д.е. (определяется по ГОСТ 5180)

I_L =(W_tot - W_p)/ I_р

где W_p - влажность грунта на границе раскатывания, д.е.

Примечание: По полученным значениям числа текучести необходимо глинистые грунты подразделить согласно табл. Б.14 ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» (см. табл.2.4).

Таблица 2.4.

7) Концентрация порового раствора С_ps характеризующий степень минерализации грунтовой влаги, д.е. (по формуле Б.2 СП 25.13330.2012)

C_ps = D_sal /(D_sal + 100 W)

где W - влажность засоленного грунта, д.е., принимаемая для грунтов с льдистостью i_tot ≤0,4 равной суммарной влажности W_tot, а с i_tot > 0,4 равной влажности за счет порового льда W_ic,

D_sal - степень засоленности грунта, %.

8) По степени засоленности D_sal  устанавливается разновидность грунтов по засоленности согласно табл.Б.31 ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» (см. табл.2.5).

Таблица 2.5.

9) Температура начала замерзания грунта Т_bf, характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Температуру начала замерзания незаселенных и засоленных грунтов допускается принимать в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора C_ps (по формуле Б.3 СП 25.13330.2012)

T_bf =A-B(53 C_ps +40 C_ps²)

где А - коэффициент, характеризующий температуру начала замерзания незасоленного грунта (таблица2.6);

В - коэффициент, зависящий от типа засоления грунта; B = 0 для незасоленных грунтов при D_sal =0%; В = 1 для грунтов морского типа засоления; В = 0,85 для грунтов с континентальным типом засоления.

Таблица 2.6.

Температура начала замерзания незасоленного грунта А

10) По относительному содержанию органического вещества I _om глинистые грунты и пески подразделяют согласно табл. Б.22 ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» (см. табл.2.7).

Таблица 2.7.

11) Коэффициент водонасыщения S_r, характеризующий степень заполнения объема пор водой, д.е. (по формуле А.4 ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация»)

S_r= W_tot · ρ_s /(e · ρ_w)

где ρ_w =1,0 г/см³ - плотность воды, г/см³;

Примечание: По полученным значениям степени влажности крупнообломочные грунты и пески необходимо подразделить согласно табл. Б.17 ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» (см. табл.2.8).

Таблица 2.8.

12) теплофизические характеристики грунтов для талого и мерзлого состояний назначаются интерполяцией по таблице 3 приложения 1 СНиП 2.02.04-88 (см. табл. 2.9) в зависимости от плотности в сухом состоянии (ρ_d), суммарной влажности (W_tot) и вида грунта:

-коэффициент теплопроводности грунта в талом состоянии (λ _th);

- коэффициент теплопроводности грунта в мерзлом состоянии (λ _f);

-объемная теплоемкость грунта в талом состоянии (C_th);

- объемная теплоемкость грунта в талом состоянии (C_f).

Таблица 2.9

Расчетные значения теплофизических характеристик грунтов в талом и мерзлом состоянии

Пример: Определить Расчетные значения теплофизических характеристик грунта суглинка в талом и мерзлом состоянии λ _th, λ _f, C_th, C_f при следующих данных: r _d =1,456 г/см³, w_tot=0,28 д.е.

Выписываем из таблицы данные для интерполяции. Для этого смотрим сначала по r_d и определяем, что оно находится между выданными в таблице значениями 1,4 и 1,6 г/см³. При значении r_d=1,4 г/см³ выданы несколько значений суммарной влажности, из данных значений необходимо выписать те значения которые охватывают исходную суммарную влажность (на примере w_tot=0,28 д.е., соответственно переписываем значения теплофизических характеристик для w_tot=0,25 д.е. и w_tot=0,30 д.е.). То же самое сделать при r_d=1,6 г/см³. Сначала интерполировать по w_tot (найти значения в ячейках A,B,C,D и I,F,K,M) и потом уже по r _d и найти искомые значения теплоемкости и теплопроводности (см.табл.2.10).

Таблица 2.10

2.2.2. Паспорт скважины составляется на основании выше приведенных расчетов и представляется в виде таблицы, где дается литологическое описание пород, мощность каждого слоя, относительные и абсолютные отметки слоев, график распределения суммарной влажности по глубине (рекомендуемый образец приведен на рис. 2.1). В разрезе скважины условное изображение грунтов указывается согласно существующим стандартным обозначениям. Условные обозначения грунтов приведены на рис.2.2.

Рисунок 2.1

Рисунок 2.2

Условные обозначения грунтов

2.3. Составление плана фундаментов. Сбор нагрузок

2.3.1. Согласно выданным схематическим чертежам здания (см. задание) устанавливаются основные несущие и самонесущие конструкции, как происходит передача нагрузки от перекрытий. Составляется план фундаментов, и выбираются наиболее загруженные фундаменты под серединой, под краем и углом здания, определяются их грузовые площади.

2.3.2. Для выбранных фундаментов производится сбор нагрузок. Нагрузки, передаваемые на фундамент, подразделяют на постоянные и временные.

К постоянным нагрузкам относятся:

-вес кровли;

-вес чердачного перекрытия;

-вес междуэтажных перекрытий;

-вес перегородок;

-вес стен, колонн;

-вес фундамента.

При расчете фундаментов под лестничные клетки учитывается вес плит, площадок и лестничных маршей.

К временным нагрузкам относят:

-снеговые нагрузки;

-ветровые нагрузки (для гражданских зданий не учитываются);

-полезные нагрузки на междуэтажные перекрытия;

-для промзданий – вес специального оборудования (включая крановое).

Рекомендуемая форма записи сбора нагрузок представлена в Приложении 3.

Величины расчетных нагрузок назначаются в соответствии с требованиями СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия».

2.4. Расчет нормативных глубин сезонного оттаивания (d_th,n) и промерзания (d_f,n)

Расчет нормативных глубин сезонного оттаивания и промерзания производится по приложению Г СП 25.133330.2012, используя климатологические данные района строительства и теплофизические характеристики грунта.

2.4.1. Нормативная глубина сезонного оттаивания грунта d_{th , n} , м, определяется по формуле:

где

0123S10-06357

T_bf - температура начала замерзания грунта, °С;

T_{th , c} - расчетная температура поверхности грунта в летний период, °С, определяемая по формуле:   T_{th , c} = 1,4 T_{th , m} + 2,4 ° C;

t_{th , c} - расчетный период положительных температур, ч, определяемый по формуле:    t_{th , c} = 1,15 t_{th , m} + 0,1 t ₁;

t ₁ - время, принимаемое равным 3600 ч;

t ₂ - время, принимаемое равным 7500 ч;

T_th,m и t_th,m - соответственно средняя по многолетним данным температура воздуха за период положительных температур, °С, и продолжительность этого периода, ч, принимаемые по СП 131.13330 «Строительная климатология»;

Т ₀ - среднегодовая температура многолетнемерзлого грунта, °С (см. табл.1.1);

λ _th и λ _f - теплопроводность соответственно талого и мерзлого грунта, ккал/(м^.ч^.°С);

C_th и С_f - объемная теплоемкость соответственно талого и мерзлого грунта, ккал/(м^3.°С);

k_m - коэффициент, принимаемый для песчаных грунтов равным 1,0, а для глинистых - по таблице Г.1 СП 25.13330.2012 (см. табл. 2.10) в зависимости от значения теплоемкости С_f и средней температуры грунта, °С, определяемой по формуле:06357

Таблица 2.11

Коэффициент k_m

L_v - теплота таяния (замерзания) грунта, ккал/м³, определяемая по приложению Б СП 25.13330.2012, и принимается равной количеству теплоты, необходимой для замерзания воды (таяния льда) в единице объема грунта и определяется по формуле

L_v = L ₀[ W_tot - W_w ] r _{d , th, f} ,

где L ₀ = 80 (ккал/кг) - значение удельной теплоты фазовых превращений вода-лед.

2.4.2. Нормативная глубина сезонного промерзания грунта d_{f , n} , м, определяется по формуле:

где                                     q ₂ = L_v - 0,5 C_f (T_{f , m} - T_bf),

здесь L_v - теплота замерзания грунта, ккал/м³, определяемая по приложению Б СП 25.13330.2012.

T_{f , m} и t_{f , m} - соответственно средняя по многолетним данным температура воздуха за период отрицательных температур, °С, и продолжительность этого периода, ч, принимаемые по СП 131.13330;

2.4.3. Расчетная глубина сезонного оттаивания d_th и расчетная глубина сезонного промерзания грунта d_f определяются согласно СП 25.13330.2012 по формулам:

d_th = k ` _h *d_{th , n} ;

d_f = k_h*d_{f , n} ,

где d_{th , n} и d_{f , n} - нормативные глубины соответственно сезонного оттаивания и сезонного промерзания грунта;

k ` _h и k_h - коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по таблице Г.2 СП 25.13330.2012 (см. табл.2.12). Предварительно назначается тип отмостки (асфальтовая, бетонная, грунтовая).

Таблица 2.12

Коэффициенты и k_h

Примечания

1 Данные таблицы не распространяются на случаи применения теплоизоляции и других специальных теплозащитных мероприятий (вентилируемые и теплоизолирующие подсыпки, охлаждающие устройства и т.д.).

2 Для устоев мостов, обсыпанных песчаным грунтом, значения k ` _h и k_h следует принимать по данным теплотехнического расчета, но не менее 1,2.