Оценка инженерно-геологических и гидрологических условий

Площадки строительства.

 

Вычисляем необходимые показатели свойств и состояния грунтов по приведенным в

таблце 3 исходными данными. Результаты приведены в таблице 7.

 

Рис 1. Схема планово-высотной привязки здания.

 

Рис.2 Инженерно-геологический разрез

 

Показатели свойств и состояния грунтов (вычисляемые).

Таблица 7.

Тип грунта	rd,т/м^3	n,%	e	Sr	Ip,%	IL	gI, кН/м^3	gII, кН/м^3	gs, кН/м^3	gsb, кН/м^3	Rусл кПА
Супесь	1,57		0,72	0,92		0,55	18,6	18,8	26,6	9,65	199,1
Суглинок	1,42		0,92	0,73	2,9	0,90	16,9	17,1	26,7	8,70	243,4
Песок мелкий	1,75		0,54	0,89		0,25	19,7	20,0	26,4	10,7	2208,8

 

Степень влажности S_r = W×r_s/(e×r_w), где r_w = 1 т/м³ – плотность воды;

Число пластичности I_p = W_L – W_р;

Плотность сухого грунта r_d = r_n /(1 + 0,01×W);

Пористость n = (1 – r_d /r_s)×100%;

Коэффициент пористости e = n/(100 – n);

Показатель текучести I_L = (W – W_р)/(W_L – W_р);

Расчетные значения удельного веса и удельного веса частиц:

g_I = r_I×g g_II = r_II×g g_s = r_s×g;

Удельный вес суглинка, расположенного ниже УПВ, с учетом взвешивающего действия воды:

g_sb = (g_s- g_w)/(1+e), где g_w = 10 кН/м³ – удельный вес воды.

 

Слой 2 - Супесь

Число пластичности: I_Р=W_L-W_Р = 29,0-22,7=6,3 %

Плотность сухого грунта: r_d=r_n/(1+0,01W)=1,94/(1+0,01x25,2)=1,55 т/м³

Пористость и коэффициент пористости:

n=(1-r_d /r_s)x100=(1- 1,55/2,72)x100=43,0 %

e=n/(100 – n)=43,0/(100 – 43,0)=0,75

Степень влажности: S_г =Wr_s /(100er_w) =25,2 x 2,72/(0,75 x 100 x 1)=91,39%

где r_w =1 т/м³ плотность воды.

Показатель текучести: I_L =(W- W_Р )/(W_L - W_Р )=(25,2-22,7)/6,3=0,40

Расчетные значения удельного веса и удельного веса частиц:

g_I=r_Ig=1,89x9,81=18,54 kH/ м³

g_II=r_IIg=1,91x9,81=18,74 kH/ м³

g_S=r_Sg=2,72x9,81=26,68 kH/ м³

Удельный вес суглинка, расположенного ниже УПВ, с учётом взвешивающего действия воды:

g_Sb =(g_S - g_W)/(1+e)=(26,68 – 10)/(1+0,75)=9,53 кН/ м³

где g_W =10 кН/ м³ - удельный вес воды.

Для определения условного расчетного сопротивления грунта примем условные размеры фундамента d₁ = d_усл =2м и b_усл = 1м и установим в зависимости от заданных геологических условий и конструктивных особенностей здания коэффициенты g_с1, g_с2, k, М_g М_q, и М_с. Коэффициенты g_с1 и g_с2 принимаем по табл.5.4 СП 22.13330.2011: для супеси пластичной (0,25<I_L<0,5) g_с1=1,2; для здания с гибкой конструктивной схемой g_с2=1. Коэффициент k=1 принимаем по указаниям п. 5.6.7 СП 22.13330.2011. Для j _II = 21° по табл.5.5 СП 22.13330.2011 имеем М_γ = 0,56; М_q = 3,24; М_с =5,84.

Удельный вес грунта выше подошвы условного фундамента до глубины d_w принимаем без учета взвешивающего действия воды g_II =18,74 кН/м³, а ниже УПВ, т.е. в пределах глубины d = d_усл – d_w и ниже подошвы фундамента, принимаем g_Sb =9,53 кН/м³.

Вычисляем условно расчетное сопротивление:

 

R²_усл =(g_с1¹ g_с2 )/ k{ М_γ¹ k_z b_усл g_Sb¹ + М_q¹ [d_wg_II¹+(2- d_w) g_Sb¹ ] +М_c¹ c_II¹ }=

=(1,2x1)/1{0,56x1x1x9,53+3,24[0,8x18,74+(2-0,8)x9,53]+5,84x4}=

=137,19 кПа.

Слой 3 — Суглинок.

Число пластичности: I_Р=W_L-W_Р = 28,3-16,3=12 %

Плотность сухого грунта: r_d=r_n/(1+0,01W)= 1,99/(1+0,01x22,9)=1,62т/м³

Пористость и коэффициент пористости:

n=(1-r_d /r_s)x100=(1- 1,62/2,72)x100=40,0 %

e=n/(100 – n)=40,0/(100 – 40,0)=0,67

Степень влажности: S_г =Wr_s /(100er_w) =22,9 x 2,72/(100 x 0,67 x 1)=93%

Показатель текучести: I_L =(W- W_Р )/(W_L - W_Р )=(22,9-16,3)/12=0,55

Расчетные значения удельного веса и удельного веса частиц:

g_I=r_Ig=1,94 x9,81=19,03 kH/ м³

g_II=r_IIg=1,96x9,81=19,23 kH/ м³

g_S=r_Sg=2,72x9,81=26,68 kH/ м³

Удельный вес глины, расположенной ниже УПВ, с учётом взвешивающего действия воды:

g_Sb =(g_S - g_W)/(1+e)=(26,68 – 10)/(1+0,67)=9,99кН/ м³

где g_W =10 кН/ м³ --удельный вес воды.

Коэффициенты g_с1 и g_с2 принимаем по табл.5.4 СП 22.13330.2011: для суглинка мягкопластичного (0,50<I_L<0,75) g_с1=1,1; для здания с гибкой конструктивной схемой g_с2=1. Коэффициент k=1 принимаем по указаниям п. 5.6.7 СП 22.13330.2011. Для j _II = 18° по табл.5.5 СП 22.13330.2011 имеем М_γ = 0,43; М_q = 2,73; М_с =5,31.

Удельный вес грунта выше подошвы условного фундамента до глубины d_w принимаем без учета взвешивающего действия воды g_II =19,23 кН/м³, а ниже УПВ, т.е. в пределах глубины d = h_I – d_w и ниже подошвы фундамента, принимаем g_Sb = 9,99 кН/м³, h_I =4,62 м

Вычисляем условно расчетное сопротивление:

R³_усл =(g_с1² g_с2 )/ k{ М_γ² k_z b_усл g_Sb² + М_q [d_wg_II¹+(h_I - d_w) g_Sb¹ ] +М_c² c_II² }=

=(1,1x1)/1{0,43x1x1x9,99+2,73[0,8x19,23 +(4,62-0,8)x9,99]+5,31x20}=

= 282,34 кПа.

 

Слой 4 — Песок мелкий

Плотность сухого грунта: r_d=r_n/(1+0,01W)= 1,94/(1+0,01x23,8)=2,40т/м³

Пористость и коэффициент пористости:

n=(1-r_d /r_s)x100=(1- 2,40/2,66)x100=9,8 %

e=n/(100 – n)=45/(100 – 45)=0,11

Степень влажности: S_г =Wr_s /(100 x er_w) =23,8 x 2,66/(100 x 0,11 x 1)=5,75%

Расчетные значения удельного веса и удельного веса частиц:

g_I=r_Ig=1,89 x9,81=18,54 kH/ м³

g_II=r_IIg=1,91 x9,81=18,74 kH/ м³

g_S=r_Sg=2,66 x9,81=26,09 kH/ м³

Удельный вес суглинка, расположенного ниже УПВ, с учётом взвешивающего действия воды:

g_Sb =(g_S - g_W)/(1+e)=(26,09 – 10)/(1+0,11)=14,49 кН/ м³

где g_W =10 кН/ м³ --удельный вес воды.

Коэффициенты g_с1 и g_с2 принимаем по табл.5.4 СП 22.13330.2011: для песка мелкого, плотного, малой степени водонасыщения g_с1=1,3; для здания с гибкой конструктивной схемой g_с2=1,2. Коэффициент k=1 принимаем по указаниям п. 5.6.7 СП 22.13330.2011. Для j _II = 28° по табл.5.5 СП 22.13330.2011 имеем М_γ = 0,98; М_q = 4,93; М_с =7,40.

Удельный вес грунта выше подошвы условного фундамента до глубины d_w принимаем без учета взвешивающего действия воды g_II =18,74 кН/м³, а ниже УПВ, т.е. в пределах глубины d = h₂ – d_w и ниже подошвы фундамента, принимаем g_Sb =14,49 кН/м³, h₂=1,29 м

 

Вычисляем условно расчетное сопротивление:

R⁴_усл =(g_с1³ g_с2 )/ k{ М_γ³ k_z b_усл g_Sb³ + М_q³ [d_wg_II¹+(h₁ - d_w) g_Sb¹ + h₂g_Sb²] +М_c³ c_II³ }=

=(1,3x1,2)/1{0,98x1x1x14,49+4,93[0,8x18,74+(1,29-0,8)х14,49+1,29х14,49]+7,40x0}=

= 335,81 кПа.

Заключение.

 

В целом площадка пригодна для возведения здания. Рельеф площадки спокойный с уклоном в сторону скважин 3 и 4. Грунты имеют слоистое напластование, с выдержанным залеганием пластов. Все грунты имеют достаточную прочность, невысокую сжимаемость и могут быть использованы в качестве оснований в природном состоянии. Грунтовые воды расположены на небольшой глубине, что значительно ухудшает условия устройства фундаментов: при заглублении фундаментов более 0,8 м необходимо водопонижение; возможность открытого водоотлива из котлованов, разработанных в супеси, должна быть обоснована проверкой устойчивости дна котлована (прорыв грунтовых вод со стороны слоя супеси); супесь, залегающая в зоне промерзания, в соответствии с табл. 5.3 СП 22.13330.2011 является пучинистым грунтом, поэтому глубина заложения фундаментов наружных колонн здания должна быть принята не менее расчетной глубины промерзания супеси. При производстве работ в зимнее время необходимо предохранение основания от промерзания.

Целесообразно рассмотреть следующие возможные варианты фундаментов и оснований:

1) фундамент мелкого заложения на естественном основании - супеси;

2) фундамент на распределительной песчаной подушке (может быть достигнуто уменьшение размеров подошвы фундаментов и расчетных осадок основания);

3) свайный фундамент из забивных висячих свай.

Следует предусмотреть срезку и использование почвенно-растительного слоя при благоустройстве и озеленении застраиваемого участка (п.4.19 СП 22.13330.2011).

 

4. Расчет и проектирование варианта фундамента на

Естественном основании.

 

Проектируется монолитный фундамент мелкого заложения на естественном основании по серии 1.412-2/77 под колонну, расположенную по осям А-4, для исходных данных, приведенных выше.

 

4.1. Определение глубины заложения фундамента.

 

Первый фактор - учет глубины сезонного промерзания грунта. Грунты основания пучинистые, поэтому глубина заложения фундамента d от отметки планировки DL должна быть не менее расчетной глубины промерзания. Для t^вн = 5° и грунта основания, представленного супесью, по 5.5.3, 5.5.4 СП 22.13330.2011:

d ³ d_f = K_h×d_fn = K_h×d₀ = 0,8×0,28 = 1,16 м.

Коэффициент K_h = 0,8 принят как уточненный при последующем расчете в соответствии с указаниями примечания к табл.5.2 СП 22.13330.2011

Второй фактор - учет конструктивных особенностей здания. Для заданных размеров сечения стальной колонны 1000х500 мм и необходимой глубины ее заделки (700 мм), минимальный размер высоты фундамента H_ф = l_ап+0,1=1,2+0,1=1,3 м, где l_ап – длина анкерующих стержней. Принимаем H_ф=1,5м. Таким образом, по второму фактору требуется d = 1,5 + 0,7-0,15 = 2,05 м. Габариты подколонника 1500х1200мм.

Третий фактор - инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки. С поверхности на большую глубину залегает слой 2, представленный недостаточно прочной пластичной супесью (R_усл = 137,19 кПа). Подстилающие слои 3 и 4 по сжимаемости и прочности не хуже среднего слоя. В этих условиях, учитывая высокий УПВ, глубину заложения подошвы фундамента целесообразно принять больше минимальной, достаточную из условий промерзания и конструктивных требований.

 

С учетом всех трех факторов, принимаем глубину заложения от поверхности планировки

(DL) с отметкой 90,5 м d = 2,5 м, Н_ф = 1,5 м. Абсолютная отметка подошвы фундамента (FL) составляет 88,0 м, что обеспечивает выполнение требования о минимальном заглублении в несущий слой. В самой низкой точке рельефа заглубление в несущий слой 2 от отметки природного рельефа (NL) равной 89.300 м составляет: 89,3 –88,0 = 1,3 м > 0,5 м.

 

 

рис. 3 Проектные отметки грунта и фундамента

 

 

4.2. Определение площади подошвы фундамента.

 

Площадь А_тр подошвы фундамента определяем по формуле:

А_тр = N_{col II} / (R²_усл - g_mt×d) = 1371,06 / (137,19 - 20×2,5) = 15,72 м², где g_mt = 20 кН / м³ - средний удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах.

 

 

4.3. Выбор фундамента и определение нагрузки на грунт.

 

Принимаем фундамент ФВ15-1 с размерами подошвы l = 4,8 м, b = 4,2 м, тогда А = l × b = 20,16 м², Н_ф = 1,5 м, объём бетона V_fun = 0,3*(4,8*4,2+3,6*3,0+2,4*1,8)+1,2*1,5*0,6=11,66 м³.

Вычисляю расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах:

 

G_funII = V_fun∙γ_b∙γ_f = 11,66 м³∙25 кН/м³∙1 = 291,5 кН

 

V_g = l ∙b∙d –V_fun = 4,8 м ∙ 4,2 м ∙ 2,5 м – 11,66 м³ = 38,74 м³

 

G_gII = V_g∙k_рз∙γ_II∙γ_f = 38,74 м³ ∙ 0,95 ∙ 18,74 кН/м³ ∙1 = 689,67 кН

 

Все нагрузки, действующие на фундамент, привожу к центру тяжести подошвы:

 

N_totII = N_colII + G_funII + G_gII = 1371,06 кН + 291,5 кН + 689,67 кН = 2352,23 кН

 

M_totII = M_colII +Q_colII∙Н_ф = 603,7 + 69,1∙1,5 = 707,35 кНм

 

Q_totII = Q_colII = 69,1 кН

4.4. Расчетное сопротивление грунта.

 

Уточняем расчетное сопротивление R для принятых размеров фундамента

(b = 4,2 м, l = 4,8 м, d = 2,5 м):

 

 

4.5. Давление на грунт под подошвой фундамента.

 

Определяем среднее P_{II mt}, максимальное P_{II max} и минимальное P_{II min} давления на грунт под подошвой фундамента:

=160,53 кПа;

= 72,82 кПа;

P_{II mt} = 116,68 кПа

P_{II min} = 72,82 кПа > 0

P_{II max} = 160,53 кПа < 1,2×R = 1,2 × 145,92 = 175,10 кПа;

Т.к. грузоподъемность мостового крана Q = 15 т < 75 т, то отношение проверять не требуется.

P_{II mt} = 116,68 кПа < R = 145,92 кПа.

Все условия ограничения давлений выполнены.

Эпюра контактных давлений по подошве фундамента приведена на рисунке 4.

 

рис. 4 Эпюра контактных давлений по подошве фундамента

4.6. Расчет осадки методом послойного суммирования.

 

Для расчета осадки фундамента методом послойного суммирования составляем расчетную схему, совмещенную с геологической колонкой по оси фундамента А-4.

Напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента при планировке срезкой в соответствии с п.5.6.40 СП 22.13330.2011:

 

σ_zγ,0= γ_II∙d_w+ γ_sbII(d-d_w) = 18,74∙0,8 + 9,53∙(2,5-0,8) = 31,19 кПа

 

Дополнительное вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы фундамента:

s_{zp 0} = P_{II mt} = 116,68 кПа.

Соотношение сторон подошвы фундамента: .

Значения коэффициента a устанавливаем по табл.5.8 СП 22.13330.2011.

Для удобства пользования указанной таблицей из условия: . Принимаем элементарную толщину слоя грунта z_i=0,2b=0,2*4,2=0,84 м.

На глубине z от подошвы фундамента

s_zg=as_zg,0

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на отметке подошвы фундамента (a=1)

s_zg,0 = s_zg,0 = 31,19 кПа

 

Дальнейшие вычисления сводим в таблицу 8.

 

Определение осадки.

 

zi, м		zi + d, м	a	szp = a×Pmt, кПа	szg = szg,0 + + gsb,i × ziт, кПа	s zg = a×szg,0, кПа	0,5×szg, кПа	Е, кПа
0,00	0,00	2,50	1,000	145,92	31,19	31,19	15,59
0,84	0,40	3,34	0,964	140,67	39,19	30,07	19,59
1,68	0,80	4,18	0,814	118,78	47,20	25,38	23,60
2,52	1,20	5,02	0,635	92,66	55,20	19,80	27,60
3,36	1,60	5,86	0,479	69,89	63,21	14,94	31,61
4,2	2,00	6,70	0,373	54,43	71,22	11,63	35,61
5,04	2,40	7,54	0,281	41,00	79,22	8,76	39,61
5,88	2,80	8,38	0,222	32,39	87,23	6,92	43,61
6,72	3,20	9,22	0,178	25,97	95,23	5,55	47,61
7,56	3,60	10,06	0,146	21,30	103,24	4,55	51,62

 

Граница второго и третьего слоя (суглинка и супеси) условно смещена до глубины

z = 5,88 м от подошвы (фактическое положение на глубине z = 5,56 м), граница третьего и четвертого слоя (супеси и песка) условно смещена до глубины

z = 6,72 м от подошвы (фактическое положение на глубине z = 6,75 м).

 

 

На глубине H_c=5,04 м от подошвы фундамента выполняется условие СП 22.13330.2011 п.5.6.41 ограничения глубины сжимаемой толщи основания (ГСТ):

s_zp= 79,22 кПа» 0,5×s_zg = 41,00 кПа,

поэтому послойное суммирование деформаций основания производим в пределах от подошвы фундамента до ГСТ.

Осадку основания определяем по формуле:

Условие S = 3,01 см < S_u = 15,0 см выполняется (значение S_u = 15,0 см принято по таблице прил. Д СП 22.13330.2011).

Рис.5 Расчетная схема распределения напряжений в основании фундамента на естественном основании по оси А-4

5. Расчет и проектирование варианта фундамента на искусственном