Скибин Г.М., Галашев Ю.В., Архипов Д.Н.

Г.М. Скибин, Ю.В. Галашев, Д.Н. Архипов

Основания и фундаменты

Пособие к выполнению курсового и дипломного
проектирования

Новочеркасск

ЮРГТУ(НПИ)

УДК 624.1(075.8)

ББК 38.58

С 42

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор ЮРГТУ(НПИ) В.П. Дыба,
кандидат технических наук, профессор НГМА Е.Н. Белоконев

Скибин Г.М., Галашев Ю.В., Архипов Д.Н.

С 42 Основания и фундаменты. Пособие к выполнению курсового и дипломного проектирования / Г.М. Скибин, Ю.В. Галашев, Д.Н. Архипов; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. – 91 с.

ISBN 978-5-88998-902-8

В пособии приводятся примеры проектирования оснований по предельным состояниям при расчете и конструировании основных типов фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов в соответствии с требованиями действующих строительных норм.

Пособие предназначено для подготовки инженеров строителей по специальностям промышленное и гражданское строительство, гидротехнические сооружения, городское строительство и хозяйство, а также бакалавров по направлению строительство.

УДК 624.1(075.8)

ББК 38.58

ISBN 978-5-88998-902-8 © Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), 2009

1. Оценка инженерно-геологических условий
строительства и привязка здания к местности

Правильная оценка инженерно – геологических условий строительства и привязка здания к местности во многом определяют конструкцию и стоимость подземной части здания. Инженерные изыскания для строительства должны проводиться в соответствии с требованиями СНиП 1.02. 07- 87 «Инженерные изыскания для строительства», государственных стандартов и других нормативных документов по инженерным изысканиям и исследованиям грунтов для строительства.

1.1. Характеристика площадки строительства

В описании площадки строительства указываются: место строительства, размеры площадки, ориентация, районы снеговых и ветровых нагрузок; рельеф площадки, уклон в тысячных и направление уклона; краткая характеристика грунтов площадки (характер напластований, наличие растительного слоя, наименование грунтов и мощность пластов); наличие подземных вод, глубина их залегания и агрессивность.

1.2. Характеристика грунтов площадки

Вид грунта устанавливается для каждого пласта по физико-механическим характеристикам, содержащимся в задании на проектирование, в соответствии с ГОСТ 20522 – 75.

Для глинистых грунтов вычисляется число пластичности и определяется вид грунта, затем вычисляются консистенции и устанавливается наименование грунта по консистенции.

Если глинистые грунты являются лессовидными просадочными, то дополнительно определяют величину относительной просадочности, используя для этого результаты компрессионных испытаний. Для песчаных и крупнообломочных грунтов вид грунта определяется по данным гранулометрического анализа. Затем песчаные грунты в зависимости от коэффициента пористости разделяют по плотности сложения. После этого устанавливается степень влажности грунта и выполняется классификация грунта по степени влажности.

При установлении характеристик грунтов следует оценить возможность их использования в качестве естественных оснований. В случае наличия слабых грунтов, перечисленных в разделе 4 СНиП 2.02.01-83, необходимо ориентироваться на применение специальных конструкций фундаментов или на устройство искусственного основания.

Результаты инженерных изысканий должны содержать данные, необходимые для выбора типа оснований и фундаментов, определения глубины заложения и размеров фундаментов с учетом прогноза возможных изменений инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства (в процессе строительства и эксплуатации), а также вида и объема инженерных мероприятий по ее освоению.

Проектирование оснований без соответствующего инженерно-геологического обоснования или при его недостаточности не допускается.

Результаты инженерно-геологических и гидрогеологических исследований, излагаемые в отчете об изысканиях, должны содержать следующие сведения:

- о местоположении территории предполагаемого строительства, о ее климатических и сейсмических условиях и о ранее выполненных исследованиях грунтов и подземных вод;

- об инженерно-геологическом строении и литологическом составе толщи грунтов и о наблюдаемых неблагоприятных физико-геологических и других явлениях (карст, оползни, просадки и набухание грунтов, горные выработки и т. п.);

- о гидрогеологических условиях с указанием высотных отметок появившихся и установившихся уровней подземных вод, амплитуды их колебаний и величин расходов воды; о наличии гидравлических связей горизонтов вод между собой и ближайшими открытыми водоемами, а также сведения об агрессивности вод в отношении материалов конструкций фундаментов;

- о грунтах строительной площадки, в том числе описание в стратиграфической последовательности напластований грунтов основания, форма залегания грунтовых образований, их размеры в плане и по глубине, возраст, происхождение и классификационные наименования, состав и состояние грунтов (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Пример разрезов по шурфам и скважинам

Для выделенных слоев грунта должны быть приведены физико-механические характеристики, к числу которых относятся:

- плотность rи влажность грунтов W;

- коэффициент пористости грунтов e;

- гранулометрический состав для крупнообломочных и песчаных грунтов;

- число пластичности I_P и показатель текучести грунтов I_L;

- угол внутреннего трения j, уд. сцепление С и модуль деформации грунтов E;

- коэффициент фильтрации к_ф;

- коэффициент консолидации для водонасыщенных пылевато-глинис-тых грунтов при показателе текучести I_L > 0,5, биогенных грунтов и илов;

- временное сопротивление на одноосное сжатие, коэффициент размягчаемости, степень засоленности и растворимости для скальных грунтов;

- относительная просадочность, а также величина начального давления и начальной критической влажности для просадочных грунтов;

- относительное набухание, давление набухания и линейная усадка для набухающих грунтов;

- количественный и качественный состав засоления для засоленных грунтов;

- содержание органического вещества для биогенных грунтов и степень разложения для торфов.

В проекте обязательно указываются применяемые методы лабораторных и полевых определений характеристик грунтов.

К проекту прилагаются таблицы и ведомости показателей физико-механических характеристик грунтов, схемы установок, примененных при полевых испытаниях, а также колонки грунтовых выработок и инженерно-геологические разрезы. На колонках грунтовых выработок должны быть отмечены все места отбора проб грунтов и пункты полевых испытаний грунтов.

Пример таблицы физико-механических характеристик грунтов приводится в табл. 1.1.

return false">ссылка скрыта

Табл.1.1

Физико-механические свойства грунтов строительной площадки ….

№ п/п

Наименование грунтов (вид грунта) 3 образца с разной глубины

Глубина отбора образца Н, м

Природ. влаж-ность W, д.е.

Плотность,кН/м³

Порис-тость n, %

Коэф. порист. е, д.е.

Пределы пластичности

Число пластич. I_p

Конси-стенция I_l

Коэф. сжим.

Модуль деформ. Е, МПа

Угол внутр. трен. φ¹¹,град

Сцеп-ление С¹¹, КПа

Степень влажн. S_r (для песков)

ρ_S

ρ_d

W_l

W_p

; – Региональные таблицы – коэффициент, зависящий от коэффициента Пуассона

х 100%; Песок………...26,5-26,7 Песок и супесь………………0,74

e = ; Супесь……….26,8-27,2 Суглинок…………………….0,62

S_r= ; Суглинок…….26,9-27,3 Глина………………………...0,40

I _p= W_l– W_p; Глина………..27,1-27,6

I_l= ; = tg α; E = ;

Характеристики грунтов должны быть представлены их нормативными значениями, а удельное сцепление, угол внутреннего трения, плотность и предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов также еще и расчетными значениями.

В работе должен быть дан прогноз изменениям инженерных условий территории (площадки) строительства при возведении и эксплуатации зданий и сооружений.

Данные о климатических условиях района строительства должны приниматься по указаниям СНиП по строительной климатологии и геофизике [СНиП 23-01- 99.Строительная климатология].

Для учета опыта строительства при проектировании оснований необходимо иметь данные об инженерно-геологических условиях этого района, о конструкциях возводимых зданий и сооружений, нагрузках, типах и размерах фундаментов, давлениях на грунты основания и о наблюдавшихся деформациях сооружений.

Наличие таких данных позволит лучше оценить инженерно-геологические условия площадки, а также возможность проявления неблагоприятных физико-геологических процессов и явлений (развитие карста, оползней и т. д.), позволит правильно установить характеристики грунтов, выбрать наиболее рациональные типы и размеры фундаментов, глубину их заложения и т. д.

Проектом оснований и фундаментов должна быть предусмотрена срезка плодородного слоя почвы для последующего использования в целях восстановления (рекультивации) нарушенных или малопродуктивных сельскохозяйственных земель, озеленения района застройки и т. п.

Модуль деформации грунтов вычисляется по результатам компрессионных испытаний грунтов, приведенным в заключении по инженерно-геологическим изысканиям на площадке строительства. Компрессионные кривые необходимо построить на миллиметровке или с помощью компьютера и вычислить коэффициент сжимаемости. При этом масштаб желательно принять: для e– 1 см соответствует 0,05; для P – 1 см соответствует
0,05 МПа.

По компрессионной кривой вычисляется коэффициент сжимаемости

где P₁ – бытовое давление на глубине взятия образца, МПа;

P₂ – давление на грунт от веса сооружения, т.к. эта величина еще неизвестна, можно ее принять условно за 0,2 МПа;

e₁ – коэффициент пористости грунта, соответствующий бытовому давлению P₁;

e₂ – коэффициент пористости грунта, соответствует давлению на грунт от сооружения P₂.

Модуль деформации вычисляется для всех горизонтов отбора проб. Бытовое давление грунта определяется с учетом взвешивающего действия подземных вод (см. табл.1.1).

1.3. Привязка здания к площадке строительства

Необходимо выполнить горизонтальную привязку здания к строительной сетке координат и вертикальную привязку к системе абсолютных отметок площадки строительства.

До привязки здания необходимо выполнить сопряжение цеха и бытовых помещений с учетом примыкания подземной части здания.

Для горизонтальной привязки здания необходимо вычертить план площадки в масштабе М1:1000, затем построить строительную сетку координат в виде квадратов со стороной 100 м. Начало координат выносится за пределы генплана или совмещается с левой нижней вершиной прямоугольника, образующего границы площадки, чтобы все координаты имели положительное значение. Ось координат строительной сетки выбирается параллельно границе участка. Местоположение здания следует выбрать с учетом рельефа и уровня подземных вод, при этом здание надо ориентировать параллельно одной из сторон площадки подвалом в сторону падения рельефа. Положение здания на генплане фиксируется путем привязки к строительной сетке координат. Для этого достаточно определить координаты двух точек (лежащих на диагонали, соединяющей противоположные углы здания), являющихся точками пересечения разбивочных осей наружных стен здания. Координаты первой точки берутся по масштабу, а для второй – вычисляются в соответствии с расстояниями между разбивочными осями.

Вертикальная привязка здания к площадке выполняется совместно с вертикальной планировкой территории. Вертикальная планировка должна обеспечить оптимальный уклон для отвода поверхностных вод при минимальных затратах на устройство фундаментов и подвалов. При этом надо стремиться сохранить естественный рельеф местности. Уклон поверхности площадки должен быть не менее 0,003 и не более 0,03.

Глубина выемки должна обеспечить нормальные условия для устройства фундаментов при наличии слабых слоев грунта и высокого уровня подземных вод. Высота подсыпки должна ограничиваться нормальной глубиной заложения фундаментов здания. Подвал необходимо располагать со стороны насыпи при высоком уровне подземных вод.

В данном курсовом проекте рекомендуется выполнить местную вертикальную планировку на участке строительства здания с сохранением естественного рельефа на остальной территории. При малом естественном уклоне ( ) и небольших размерах здания выполняется бестеррасная планировка; при более крутых уклонах и больших размерах здания – террасная, с перепадами в виде земляных откосов.

Рекомендуется следующий прием вертикальной посадки здания. Вокруг здания провести контур горизонтальной площадки, который отстоит от стен здания на 3÷6 м. Определить черные отметки природного рельефа для углов этой горизонтальной площадки. Затем надо определить наименьшую и наибольшую черные отметки точек, лежащих на диагонали контура горизонтальной площадки. Вычислить среднюю отметку по этим значениям и, прибавив 0,15 м на толщину пола, получить абсолютную отметку чистого пола здания, принимаемую за относительную отметку 0,00.

Значение абсолютной отметки удобно принимать кратным 0,05 или 0,10 м.

Далее вычисляются планировочные отметки горизонтальной площадки. Отметка пола промышленного здания должна быть не менее чем на 0,15 м выше планировочной отметки прилегающей территории. Отметка контура горизонтальной площадки должна обеспечить поперечный уклон от здания с целью отвода поверхностных вод.

Таким образом, здание будет расположено на горизонтальной площадке с планировочной отметкой по ее контуру (при бестеррасной системе планирования). Для того, чтобы вписать здание в рельеф местности, строятся откосы по контуру горизонтальной площадки. Со стороны выемки при этом необходимо предусмотреть открытые лотки для отвода поверхностных вод.

Сток поверхностных вод от здания должен устранять возможность заболачивания участков территории и повышения уровня подземных вод.

Сток воды от здания направляется на окружающую здание отмостку. Горизонтальная площадка, образованная при планировке по контуру здания, имеет поперечный уклон для отвода воды с отмосток в открытую систему водоотвода. Система водоотвода выполняется в виде открытых лотков по контуру здания со стороны выемки. Вода от здания, а также с откосов со стороны выемки, собирается в водоотводные канавы и сбрасывается в пониженную часть рельефа.

Для выявления характера напластования грунтов площадки, а также для выбора отметок подошвы фундаментов, необходимо построить геологические профили.

Полный геологический профиль охватывает всю толщину грунта, пройденную при бурении скважин, и совмещается с поперечным разрезом по цеху. Для построения этого профиля следует выбрать участок цеха со стороны насыпи, как более сложный с точки зрения выбора глубины заложения фундаментов и их расчета.

Этот профиль вычерчивается на листе миллиметровки и включается в пояснительную записку.

На полном геологическом профиле, совмещенном с поперечным разрезом цеха, впоследствии вычерчиваются фундаменты, эпюры бытовых и дополнительных давлений, наносится граница сжимаемой толщи.

При построении профиля вначале проводится линия, соответствующая уровню 0,00. Затем вычерчивается шкала вертикальных абсолютных отметок таким образом, чтобы пересечение шкалы с линией 0,00 соответствовало абсолютной отметке уровня пола цеха, принятого за 0,00. На профиль наносятся оси колон цеха и на соответствующих расстояниях (по плану площадки) – оси шурфов и скважин. Поперечный разрез цеха, выше отметки 0,00, вычерчивается в одинаковом горизонтальном и вертикальном масштабах.

На оси скважин наносятся отметки кровли и подошвы каждого слоя в соответствии с разрезами по выработкам, имеющимся в задании, и строится геологический профиль площадки. Вертикальный масштаб профиля рекомендуется взять в два раза крупнее горизонтального.

Помимо полного геологического профиля строится также продольный профиль, совмещенный с продольной разверткой фундаментов цеха по одной из осей бытовых помещений по подвальной части. Этот профиль охватывает только несущий слой основания, вычерчивается на листе проекта под планом фундаментов и служит для увязки отметок фундаментов с их заглублением в несущий слой грунта, а также отметок фундаментов цеха и бытовых помещений.

2. Условия выбора типа оснований и фундаментов

При большом различии инженерно-геологических условий площадок строительства, а также разнообразии конструкции знаний и сооружений, используются в основном столбчатые, ленточные, свайные и плитные фундаменты.

Различают столбчатые фундаменты под стены здания и под колонны. Столбчатые фундаменты под стены рекомендуется устраивать при незначительных нагрузках от стен знания и при высоких прочностных и деформационных характеристиках основания. Отдельные фундаменты под колонны являются разновидностью столбчатых фундаментов. Различают монолитные и сборные фундаменты. В связных грунтах целесообразно применение буробетонных или щелевых пространственных фундаментов. Буробетонный фундамент устраивается в разбуриваемых полостях, заполняемых литым бетоном. Армируется только стаканная часть. Целевой пространственный фундамент устраивается путем прорезки узких (шириной 10-70 см) взаимно перпендикулярных щелей, в которых при необходимости устанавливается арматура с последующим заполнением бетоном. Подколонник опирается на входные плоскости бетонных пластин и на грунт, находящийся между ними.

При передаче на фундамент больших моментов и небольшой вертикальной нагрузки целесообразно применять фундаменты с жесткими анкерами, воспринимавшими выдергивающие усилия, что позволяет уменьшить крен и отрыв подошвы фундамента.

Массивные фундаменты устраиваются с пустотообразователями диаметром от 100 до 300 мм.

Ленточные фундаменты под стены или под колонны устраиваются в виде одинарных или перекрестных лент.

Плитные фундаменты устраиваются под всем сооружением. Основной тип конструкции – сплошная безбалочная плита с опиранием колонн на сборные или монолитные стаканы. Свайные фундаменты применяются при наличии в основании слабых грунтов. Выбор конструктивных решений фундаментов выполняется на основании сравнений технико-экономических показателей, краткое описание которых приведено в справочнике проектировщика ([8], основная литература).

3. Расчет оснований

В курсовом проекте необходимо выявить и замаркировать все типы фундаментов цеха, которые отличаются по нагрузкам, конструктивному решению или глубине заложения. Необходимо рассчитать и сконструировать два фундамента цеха: для одной крайней и одной средней колонны с последующим расчетом осадки фундамента. Для административно-бытового корпуса (АБК) рассчитывают три разных фундамента (крайние с подвалом и без подвала, и крайний с подвалом ).

3.1. Определение нагрузок на фундаменты

При подсчете нагрузок на фундаменты следует придерживаться положений, изложенных в СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования». Нагрузки на фундаменты под колонны принимаются по таблицам схем цехов в задании на проектирование. При перечерчивании таблицы нагрузок следует добавить колонки для сочетаний нагрузок и графы для расчетных нагрузок. Пример оформления таблицы нагрузок показан в табл. 3.1, 3.2.

Таблица 3.1