Проектирование свайного фундамента

 

3.2.1 Выбор типа сваи и глубины заложения ростверка

По рекомендации [5], принимаем призматические железобетонные сваи квадратного сечения как наиболее часто используемые в массовом строительстве. По поперечному сечению принимаем сваю 0,3 × 0,3 м.

Длина сваи определяется исходя из инженерно-геологических условий с учетом длины заделки головы сваи в ростверк:

L = l_з + l_h + h = 0,4+ 0,5 + 0,41 = 1,31 м;

где l_з = 0,4 м – глубина заделки сваи в ростверк при жестком опирании ростверка на сваи;

l_h = 0,5 м – глубина погружения нижнего конца сваи в несущий грунт, принимаемая по [5];

h = 1,31 м – расстояние от подошвы ростверка до кровли несущего слоя грунта, определяемое по инженерно-геологическому разрезу.

Принимаем длину сваи L = 3,0 м.

Глубину заложения ростверка определяем в зависимости от глубины сезонного промерзания и от конструктивных особенностей проектируемого сооружения.

Высоту ростверка принимаем 0,60 м.

Минимальная высота фундаментов принимается равной 2,1 м для колонн прямоугольного сечения [5]. Учитывая все особенности, принимаем глубину заложения монолитного ростверка 2,25 м от уровня пола подвала.

 

3.2.2 Определение несущей способности сваи

Несущая способность сваи по материалу Fd в курсовом проекте принимается в зависимости от поперечного сечения. Для принятого поперечного сечения сваи 0,3 × 0,3м принимаем Fd =1000 кН.

Несущую способность сваи по грунту определяем, используя табличные данные согласно п. 6.2 [6] и рисунку 8.

Рисунок 8 – Расчетная схема определения несущей способности сваи по грунту

 

где – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый 1,0;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по таблице 6.1 [6], а для моренных и биогенных грунтов, согласно требованиям главы 6 [6];

 

A = 0,09 м² – площадь опирания на грунт сваи, принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто или по площади сечения камуфлетного уширения по его наибольшему диаметру, или по площади сваи оболочки нетто;

 

 =1,2 м – наружный периметр поперечного сечения сваи;

 

R_fi – расчетное сопротивление i-ого слоя грунта основания на боковой

 

поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице 6.2. [6], а для моренных и биогенных грунтов, согласно требованиям главы 6 [6];

 

h_i – толщина i-ого слоя грунта, соприкасающегося с боковой  поверхностью сваи, м;

γ _CR = 1,0, γ _cf = 1,0 – коэффициенты условий работы грунта

 

соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения на расчетные сопротивления грунта.

При z₁

= 2,300 м,

     R _f = 61,5 кПа;

при z₂

= 3,300 м,

     R _f = 66,5 кПа;

при z₃

= 4,300 м,

R _f = 71,5 кПа;

при z_R

= 4,700 м,

 R = 6940 кПа;

 

 

Несущая способность сваи по грунту будет равна:

F_d =1,0 ⋅ (1,0 ⋅ 6940 ⋅ 0,09 + 1,2 ⋅ [1 ⋅ 61,5 ⋅ 1,0 +1 ⋅ 66,1 ⋅ 1,0+1·71,5·0,]) = 829,2 кН.

Таким образом, несущая способность сваи принимается равной F_d = 829,2 кН.

3.2.3 Определение количества свай в ростверке для отдельно стоящих фундаментов. Конструирование ростверка

Количество свай в ростверке отдельно стоящего фундамента под колонны определяется по формуле:

 

 

где N_IF – расчетная нагрузка на уровне подошвы ростверка, допускается принять без учета веса фундамента, ростверка и грунта на их уступах, т.е. N _IF = N ₀₁ = 1600 кН ;

γ_k =1,4 – коэффициент надежности.

 

Принимаем 4 сваи. Конструирование ростверка с 4 сваями (рисунок 9) производим в соответствии с требованиями [5].

 

Размеры стакана под колонну примем 1,8х1,2м высотой 1,5 м.

Рисунок 9 – Схема конструирования ростверка

Минимальный расход бетона на изготовление ростверка будет при минимальном расстоянии между осями свай:

a = 3⋅ d = 3⋅ 300 = 900мм.

 

Минимальные свесы ростверка за наружными гранями свай примем 0,3·d + 50 = 0,3·300+50 = 140 мм. Общие размеры ростверка:

 

b= 900 + 2 · 150 + 2 ·140 = 1480 мм

 

       Принимаем размер ростверка кратно 300 мм: b = 1500мм.

 

Полученные размеры больше размеров подколонника. Следовательно, при минимальном расстоянии между сваями полученные размеры ростверка удовлетворяют всем конструктивным требованиям. Высоту ростверка с учетом жесткой заделки сваи принимаем равной 0,6 м.

 

3.2.4 Проверка несущей способности наиболее загруженной сваи

Для внецентренно загруженного фундамента должно выполняться условие:

Значение расчетной нагрузки действующей на уровне подошвы ростверка:

 

N_IF = N₀₁ + G_IF ,

 

где G_IF – вес ростверка, фундамента и грунта на его уступах, определяемый с коэффициентом надежности по нагрузке γ _f >1,0,

N_0I = 1600 кН – расчетная нагрузка на уровне обреза фундамента.

N_IF = 1600 + 1,35 ⋅ 25 ⋅ (2,1⋅ 1,5⋅ 0,6 + 1,8 ⋅ 1,2 ⋅1,5)+ 1,15 ⋅13,57 ⋅ (2,1⋅ 1,5⋅ 0,6 - 1,8 ⋅ 1,2 ⋅1,5) = 1825,81 кН.

Таким образом, максимальная нагрузка на сваю не превышает ее несущей способности. Следовательно, ростверк сконструирован правильно.

 

3.2.5 Определение размеров условного фундамента

Расчет свайного фундамента по деформациям основания производим аналогичным образом, как и фундамента на естественном основании с использованием метода послойного суммирования.

При этом рассматривается условный фундамент глубиной заложения равной глубине погружения нижнего конца сваи и размерами в плане ограничиваемыми наклонными, выходящими от наружных граней свайного куста под углом к вертикали φ_{II ,mt} . Угол φ_{II ,mt} представляет собой осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта, определяемое по формуле:

φ_{II ,mt}= ,

где φ_{II , t} – расчетное значение угла внутреннего трения i-того слоя, прорезаемого сваей;

 – толщина i-того слоя, прорезаемого сваей.

φ_{II ,mt}=  = 38,68º.

 

                 Рисунок 9 – Размеры условного фундамента

l_y=l_p+2*h*tg = 1,8 + 2*2,6*tg  = 2,68 м

b_y=b_p+2*h*tg = 1,2 + 2*2,6*tg = 2,08 м

где l_y ,b_y – длина и ширина подошвы условного фундамента;

h – расчетная длинна сваи.

 

3.2.6 Проверка давления под подошвой условного фундамента

Давление под подошвой условного фундамента при определении осадки методом послойного суммирования не должно превышать расчетного сопротивления основания R.

 

При этом необходимо учитывать, что b = b_y . Полная нагрузка на основание условного фундамента будет равна:

 

^NII,y ^{= N}II ^{+ G}II, p ^{+ G}II,св ^{+ G}II ,гр ^,

где N _II = 1600 кН

– расчетная нагрузка по II группе предельных

 

состояний на уровне образе фундамента;

 

G_II,p – вес конструкции фундамента и ростверка:

G_II,p = 25*(2,1⋅ 1,5⋅ 0,6 + 1,8 ⋅ 1,2 ⋅1,5)= 128,25 кН

 

G_II,св – вес сваи:

G_II,св = 4*25*0,3²*2,6 = 23,4 кН

G_II,гp – вес грунта в объеме условного фундамента :

G_II,гp = 11,17*[ *2,6*(1,2*1,2+ +1,8*1,8)-4*0,3*0,3*2,6]=88,15 кН

Величину расчетного сопротивления грунта R,кПа для зданий без подвала определяем по формуле:

,где

γ_c1, γ_c2 — коэффициенты условий работы, принимаемые по табл.5,2 [4] равные соответственно 1.4 и 1.2; 

 — коэффициент, принимаемый равным 1.1, т.к. прочностные характеристики грунта j и с определены по СНБ [3].

М_g, М_q, М_с — коэффициенты, принимаемые по табл.5.3 [4],

Угол внутреннего

трения φ⁰

Коэффициенты

M_g

M_q

M_c

38,68

2,23

9,89

11,12

b — ширина подошвы фундамента = 2,08м;

k_z — коэффициент, принимаемый равным : при b<10 м k_z=1

g’₁₁ — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента (с учетом фактического уплотнения обратной засыпки), кН/м3;

g₁₁ — то же для грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, кН/м3

d_I = 4,7 м – глубина заложения условного фундамента от уровня планировки, м;

c_II = 0,7 – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа.

 

Выполняем проверку давления под подошвой условного фундамента:

 

N

 

/ A

 

< R

 

=

1600+128,25+23,4+88,15

= 330,07кПа < 876,35 кПа,

 

II , y

y

y

 

 

 

 

 

5,574

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где A_y =2,08*2,68=5,574м² – площадь подошвы условного фундамента.

 

3.2.7 Определение осадки свайного фундамента

Вычисляем ординаты эпюр природного давления и вспомогательной эпюры ^0,2·σ_zg , необходимой для определения глубины расположения нижней границы сжимаемой толщи грунта (рисунок 3.3):

– на поверхности земли (отметка природного рельефа NL):

σ _zp = 0;

0,2 · σ_zg = 0;

– на уровне подошвы условного фундамента:

σ_zg,F = = 59,66 кПа,

0,2 · σ_zg,F = 0,2 · 59,66 = 11,93 кПа;

– на 5,0 м глубже подошвы условного фундамента:

σ_zg,(3) = 59,66 + 10,09 * 1,69+ 20,1 * 331 = 143,24 кПа,

0,2 · σ_zg,F(3) = 0,2 · 143,24 = 28,65 кПа;

Определяем дополнительное давление под подошвой фундамента:

P₀ = 330,07 – 59,66 = 270,41 кПа

Разбиваем основание под подошвой фундамента на элементарные слои следующим образом:

 – толщину элементарного слоя принимаем в пределах 0,2 – 0,4 ширины фундамента, но не более 1 м;

– физико-механические свойства грунта в пределах элементарного слоя не должны изменяться, т.е. границы элементарных слоёв должны совпадать с границами инженерно-геологических элементов и уровнем подземных вод.

 

Результаты расчета приведены в таблице 3.1. 

 

Таблица 3.1 – Расчет ординат эпюры дополнительного давления

№ ИГЭ

z, м

β = 2·z/b

a

σ_zp

σ_zpt

0,00

1,00

270,41

265,95

0,4

0,38

0,967

261,48

244,58

0,8

0,77

0,842

227,68

206,18

1,2

1,15

0,683

184,69

164,67

1,6

1,54

0,535

144,66

128,71

2,0

1,92

0,417

112,76

100,45

2,4

2,3

0,326

88,15

79,09

2,8

2,69

0,259

70,04

63,27

3,2

2,91

0,209

56,51

51,37

3,6

3,07

0,171

46,24

42,45

4,0

3,84

0,143

38,67

35,56

4,4

4,23

0,120

32,45

30,15

4,6

4,42

0,103

27,85

-

Полученные значения ординат эпюры наносим на расчётную схему (рисунок 3.5).

Рисунок 10 - Расчётная схема определения осадки основания

< s_u = 0,08м,

где s_u = 0,08 м – средняя осадка [4] – условие выполняется.

 

 

3.2.8 Подбор сваебойного оборудования и определение отказа сваи

Вес сваи:

G = 2,5 ⋅ 0,3⋅ 0,3⋅ 3 = 0,675кН.

Расчетная нагрузка на сваю:

Определим требуемую минимальную энергию удара молота для забивки

 

свай:

E_h = 0,045 ⋅ N = 0,045 ⋅ 207,3 = 9,33кДж.

 

По приложению 5 [5] выбираем трубчатый дизель-молот С-859. Его наибольшая энергия удара E_h = 27кДж, масса молота 3,5 т, молот работает с частотой 50 ударов в минуту. Наибольшая высота подъема ударной части 2,8 м.

 

Проверяем, удовлетворяет ли выбранный тип молота условию:

 

где m₁ – масса молота;

m₂

– масса сваи;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m₃

– масса подбабка (m₃

= 0);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

– коэффициент

применимости

 

 

молота. Для трубчатых дизель-

 

молотов при забивке железобетонных свай K = 0,6 т/ кДж.

 

 

 

 

 

Условие выполняется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим контрольный отказ железобетонной сваи:

 

 

 

 

 

где η – коэффициент, зависящий от материала сваи (для железобетонных свай η =1500кН / м² );

A = 0,3² = 0,09 м²

– площадь сваи;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e – коэффициент восстановления удара, принимаемый при забивке свай

 

e = 0,2;

829,2 кН – несущая способность сваи.

 

 

 

 

 

 

Ориентировочно определим, на какое расстояние погружается свая за одну минуту работы дизель-молота:

 

∆_a = S_a ⋅ 50 = 0,789 ⋅ 50 = 39,49м/ мин.

 

С некоторым приближением можем определить время забивки сваи:

4. Технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов

 

Для упрощения расчета рассмотрим затраты необходимые для устройства фундамента под центральной колонной. Расчет ведем в ценах 01.12.2020 г.

 

Таблица 4.1 – Затраты на устройство фундамента стаканного типа

Наименование работ

Ед. изм.

Объем

Стоимость

Единицы

Общая

Разработка грунта в отвал экскаваторами "ДРАГЛАЙН" или "ОБРАТНАЯ ЛОПАТА" с ковшом вместимостью 0,25 м3, грунт 1 группы (Е1-13-4)

1000 м³

0,0152

1122,7

17,07

Армирование монолитных железобетонных фундаментов стаканного типа объемом более 40 м3 под колонны для производственных зданий, устраиваемых в опалубке импортного производства или типа "МОДОСТР" (Е6-156-1)

т

0,1279

110,57

14,14

Монтаж опалубки импортного производства или типа "МОДОСТР" для устройства монолитных железобетонных фундаментов стаканного типа под колонны для производственных зданий (Е6-158-1)

100 м²

0,0954

857,88

81,84

Устройство фундаментов железобетонных из бетона класса С12/15, общего назначения под колонны, объемом до 5 м3 (Е6-1-6)

100 м³

0,0291

15562,04

452,86

Демонтаж опалубки импортного производства или типа "МОДОСТР" для устройства монолитных железобетонных фундаментов стаканного типа под колонны для производственных зданий (Е6-159-1)

100 м²

0,0954

254,3

24,26

Устройство гидроизоляции обмазочной в один слой толщиной 2 мм (Е11-4-5)

100 м²

0,0900

540,69

48,66

Засыпка траншей и котлованов бульдозерами мощностью 59 (80) кВт (л.с.) при перемещении грунта до 5 м, грунт 1 группы (Е1-27-1)

1000 м³

0,0118

223,15

2,63

Уплотнение грунта самоходными вибрационными катками 2,2 т на первый проход по одному следу при толщине слоя 25 см (Е1-132-1)

1000 м³

0,0118

450,87

5,32

Итого:

646,78

 

 

Таблица 4.2 – Затраты на устройство свайного фундамента

Наименование работ

Ед. изм.

Объем

Стоимость

Единицы

Общая

Разработка грунта в отвал экскаваторами "ДРАГЛАЙН" или "ОБРАТНАЯ ЛОПАТА" с ковшом вместимостью 0,25 м3, грунт 1 группы (Е1-13-4)

1000 м³

0,0133

1122,7

14,93

Погружение дизель-молотом копровой установки на базе трактора железобетонных свай длиной до 6 м, в грунты 1 группы (Е5-1-1)

м³

1,8

191,67

345,01

Срубка голов железобетонных свай и свай-оболочек, площадью поперечного сечения до 0,16 м2 (Е5-113-2)

свая

160,88

643,52

Армирование монолитных железобетонных фундаментов стаканного типа объемом более 40 м3 под колонны для производственных зданий, устраиваемых в опалубке импортного производства или типа "МОДОСТР" (Е6-156-1)

т

0,1066

110,57

11,79

Монтаж опалубки импортного производства или типа "МОДОСТР" для устройства монолитных железобетонных фундаментов стаканного типа под колонны для производственных зданий (Е6-158-1)

100 м²

0,1098

857,88

94,20

Устройство фундаментов железобетонных из бетона класса С12/15, общего назначения под колонны, объемом до 10 м3 (Е6-1-7)

100 м³

0,0323

13883,76

448,45

Демонтаж опалубки импортного производства или типа "МОДОСТР" для устройства монолитных железобетонных фундаментов стаканного типа под колонны для производственных зданий (Е6-159-1)

100 м²

0,1098

254,3

27,92

Устройство гидроизоляции обмазочной в один слой толщиной 2 мм (Е11-4-5)

100 м²

0,1044

540,69

56,45

Засыпка траншей и котлованов бульдозерами мощностью 59 (80) кВт (л.с.) при перемещении грунта до 5 м, грунт 1 группы (Е1-27-1)

1000 м³

0,0095

223,15

2,12

Уплотнение грунта самоходными вибрационными катками 2,2 т на первый проход по одному следу при толщине слоя 25 см (Е1-132-1)

1000 м³

0,0095

450,87

4,28

Итого:

1648,66

 

Вывод: так как затраты на производство работ по крайним фундаментам меньше для фундамента стаканного типа, то для возведения здания применяем данный фундамент.

 

5. Технология производства работ по устройству фундаментов

 

После контроля нивелиром отметок дна котлованов под фундаменты проверяем разметку осей на обноске, натягиваем проволоку по осям и переносим точки их пересечения на дно котлована. Затем наносим риски на фундаменты. На фундаменте отмечаем рисками середину боковых граней нижней ступени, что облегчает выверку фундаментов при их установке на основание. Для фундаментов стаканного типа рисками отмечаем середину верхней грани стакана, что помогает при окончательной выверке фундамента. Затем фундамент заводим краном на проектные оси и после необходимой центровки на высоте 10 см опускаем в проектное положение. При этом риски на фундаменте должны совпадать с рисками на колышках.

 

Положение фундаментов в плане проверяем с помощью теодолита, а соответствие высотных отметок фундаментов и дна стаканов — нивелиром относительно временных реперов.

 

Окрасочная и обмазочная гидроизоляции — это сплошной водо-непроницаемый слой, выполненный из горячих битумов, горячих или холодных мастик, приготовленных из черного вяжущего и наполнителя, или из черного вяжущего, а также из материалов на основе синтетических смол и пластмасс. Окрасочную изоляцию наносим тонким слоем (0,2... 0,8 мм), а обмазочную — более толстым (2...4 мм).

 

Окрасочную и обмазочную изоляции наносим на изолируемую поверхность окраской, обмазыванием или газопламенным напылением. Окрасочные и обмазочные слои наносим в 2...3 приема, чтобы перекрыть все пропущенные места нижних слоев. Общая толщина покрытия зависит от применяемых материалов и составляет при нанесении горячих битумов, песка и мастик 2...4 мм, а разжиженных— 0,8...1,5 мм, битумных паст— 1,5...3 мм, битумных эмульсий, лаков и красок — 0,5...1,5 мм.

При газопламенном напылении используем порошкообразные, составы, включающие битумный порошок, смешанный в молотковой дробилке с наполнителями. В таком виде порошкообразную мастику наносим на подготовленную поверхность с помощью газопламенной установки. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется раздельно приготовлять и перевозить битумную мастику. Кроме того, установка снабжена двумя форсунками, одна из которых разогревает изолируемую поверхность, а другая наносит материал на поверхность, поэтому изоляционные работы можно вести зимой. Поверх окрасочной (обмазочной) изоляции, нанесенной на подземные части зданий и сооружений, устраиваем защиту в виде глиняных замков или штукатурного слоя из гидрофобизированых грунтов.

 

Для устройства глиняных замков используем измельченную глину, смешиваемую с 2...3% жидкого битума марки БН-111, мазута и др. Этот состав перемешиваем в растворомешалке с водой в количестве 20...30%. Готовую глиняную массу послойно с трамбованием укладываем в опалубку, извлекаемую, по мере засыпки грунтом пазух котлованов. Гидрофобизированные грунты представляют собой смесь песка или суглинка с нефтебитумом, растворенным в зеленом масле. Наносим такие составы на изолированные поверхности слоем штукатурки.

6. Список использованных источников

 

1. СТБ 943-2007 Грунты. Классификация. – Введ. 1994. – Минск: Постановлением Госстроя Республики Беларусь от 24 декабря 1993 г. № 32. – 18 с.

2. ТКП 45-5.01-17-2006 (02250) Прочностные и деформационные характеристики грунтов по данным динамического зондирования. Правила определения. – Введ. 3.03.2006. – Минск: Приказом Министерства архитектуры

и строительства Республики Беларусь от 3 марта 2006 г. № 60. – 24 с.

3. ТКП 45-5.01-17-2006 (02250) Прочностные и деформационные характеристики грунтов по данным динамического зондирования. – Минск, 2006

4. ТКП 45-5.01-67-2007 (02250). Фундаменты плитные. Правила проектирования. – Введ. 2.04.2007. – Минск: Приказом Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь от 2 апреля 2007 г. № 88. – 140 с.

5. Методические рекомендации к выполнению курсового проекта по дисциплине: «Механика грунтов, основания и фундаменты» для выполнения курсового проекта по курсу «Проектирование фундаментов» для студентов специальности 1-70 02 01 «Промышленное и гражданское строительство».

6. ТКП 45-5.01-256-2012 (02250). Основания и фундаменты зданий и сооружений. Сваи забивные. Правила проектирования и устройства. – Введ. 5.01.2012. – Минск: Приказом Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь от 5 января 2012 г. № 4. – 141 с.

7. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений: Учеб. пособие/ Под ред. Б.И. Далматова; 2-е изд. – М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 2001 – 440с.; ил. ISBN 5-93093-008-2.

8. Сборник нормативов расхода ресурсов в натуральном выражении на земляные работы: НРР 8.03.101-2017. – Введ. 01.01.17 - Минск: Министерство архитектуры и строительства Респ. Беларусь, 2017

9. Сборник нормативов расхода ресурсов в натуральном выражении на свайные работы, опускные колодцы, закрепление грунтов: НРР 8.03.105-2017. – Введ. 01.01.17 - Минск: Министерство архитектуры и строительства Респ. Беларусь, 2017

10. Сборник нормативов расхода ресурсов в натуральном выражении на бетонные и железобетонные конструкции монолитные: НРР 8.03.106-2017. – Введ. 01.01.17 - Минск: Министерство архитектуры и строительства Респ. Беларусь, 2017

11. Сборник нормативов расхода ресурсов в натуральном выражении на полы: НРР 8.03.111-2017. – Введ. 01.01.17 - Минск: Министерство архитектуры и строительства Респ. Беларусь, 2017