Проектування фундаменту мостової опори

Вступ

При зведенні будівель та споруд вибирається будівельний майданчик з міцними та стійкими ґрунтами.

Фундаменти повинні спиратися на природний масив грунта або на ґрунтову підготовку (гравійну, щебеневу або піщану). Така основа називається природною.

В залежності від типу ґрунтів та навантаження на них осадки будівель та споруд не повинні перевищувати певних допустимих значень, що приведені в будівельних нормах, тому будівлі та споруди можуть нормально експлуатуватися тільки при необхідній несучій здатності ґрунтів, та при їх обмежених деформаціях.

Основа повинна бути захищена від впливу ґрунтових вод (розмиву, виносу часток тощо). Захист виконується за допомогою дренажних пристроїв, планування місцевості, відводу поверхневих вод.

На територіях, що підробляються, застосовують спеціальні конструкції несучих елементів будівель та споруд, їх фундаментів, що виключають ушкодження при деформаціях.

1. Завдання на курсову роботу

У курсовій роботі необхідно розрахувати і запроектувати фундамент під мостову опору. При цьому розробляються два варіанти: фундамент неглибокого закладення і пальовий фундамент.

Вихідні дані представлені:

1. схемою мостової опори (рис. 1.1) і прикладених до неї навантажень (з метою зменшення трудомісткості робіт задані тільки чотири види навантажень, що дозволяє засвоїти методику розрахунків на різні сполучення навантажень).

2. вихідними даними про величини навантажень і деяких параметрів і коефіцієнтах, необхідних для розрахунків (табл. 1.1).

3. даними про геологічний розріз і ґрунти (табл. 1.2).

Дані по табл. 1 вибираються по останній і передостанній, а по табл. 2 — по останній цифрі шифру залікової книжки (шифр 36).

Рисунок 1.1 — Схема мостової опори Таблиця 1.1 — Вихідні дані

Таблиця 1.2 — Дані про грунти

2. Оцінка інженерно-геологічних умов будівельного майданчика

На підставі даних табл.1.2 будуємо геологічний розріз (при цьому приймається, що шари і рівень ґрунтових вод горизонтальні, а потужність останнього шару необмежена) і визначаємо похідні фізико-механічні характеристики ґрунтів. Результати розрахунків представляємо в табличній формі (табл. 2.1).

Найменування і стан глинистих ґрунтів визначаємо по числу пластичності і показнику плинності (додаток табл. А.3, А.4, МВ № 1691).

Найменування і стан піщаного ґрунту визначаємо по гранулометричному складу, коефіцієнту пористості е і ступеню вологості (додаток, табл. А.1, А.2, МВ № 1691).

На підставі аналізу отриманих результатів робимо висновок про можливості використання кожного із шарів у якості несучого. При цьому варто мати на увазі, що слабкі ґрунти (пухкі піски і глинисті ґрунти з показником плинності >0,6) не можна використовувати як основу.

Таблиця 2.1 — Зведена таблиця фізико-механічних властивостей ґрунтів

3. Проектування фундаменту неглибокого закладення

3.1 Визначення глибини закладення підошви фундаменту

Глибина закладення фундаменту повинна визначатися з урахуванням:

призначення і конструктивних параметрів і особливостей проектованої споруди;

величини і характеру навантажень, які діють на основу;

інженерно-геологічних умов майданчика будівництва (фізико-механічних властивостей ґрунтів, характеру нашарувань);

гідрогеологічних умов майданчика і можливих їх змін у процесі будівництва й експлуатації споруд;

глибини сезонного промерзання ґрунтів.

Нормативна глибина промерзання ґрунту, якщо вона менша 2,5 м визначається по формулі

де — коефіцієнт, який чисельно дорівнює сумі абсолютних значень середньомісячних негативних температур за зиму в даному районі (приймається по табл. 1.1);

— глибина промерзання в см, що залежить від виду ґрунту; приймається рівною: для супісів, пісків дрібних і пилуватих — 28 см;

При будівництві на суходолі мінімальна глибина закладення підошви фундаменту 0,25 м.

3.2 Визначення геометричних параметрів фундаменту

Розміри підошви фундаменту визначаються виходячи з конструктивних міркувань і ґрунтових умов.

Конструктивні вимоги: мінімальні розміри фундаменту в плані повинні бути такими, щоб на ньому можна було розташувати фундамент; максимальні розміри фундаменту в плані повинні бути такими, щоб конструкція була жорсткою (лінія уступів чи нахил бічної грані фундаменту не повинні відхилятися від вертикалі на кут більш 30°).

Тоді мінімальні розміри підошви фундаменту будуть:

; (3.1)

(3.2)

де ?=0,150,3 м — конструктивне збільшення розмірів підошви фундаменту для компенсації можливих відхилень положення і розмірів фундаменту при розбивці осей і провадженні робіт (див. рис.1);

і - ширина і довжина надфундаментної частини опори.

2,6+2*0,2 = 3,0 (м)

9,8+2*0,2 = 10,2 (м) Максимальні розміри підошви фундаменту визначаються по формулі:

°; (3.3)

°, (3.4)

де — висота фундаменту, прийнята = м.

Висота фундаменту — це відстань від верхнього обріза фундаменту до підошви. Верхній обріз фундаменту розташовується на 0,1- 0,25 м нижче поверхні ґрунту на суходолі, а на водотоці - на 0,5 м нижче поверхні води. Так як за умовою суходол, то верхній обріз фундаменту заглиблюємо на 0,2 м нижче поверхні ґрунту.

2,6+2*5*0,577 = 8,35 (м)

9,8+2*5*0,577 = 15,57 (м).

Розміри підошви фундаменту по ґрунту визначаються виходячи з трьох умов:

де Р, Р і Р — відповідно середній, максимальний і мінімальний тиски під підошвою фундаменту, кПа;

— розрахункове вертикальне навантаження на основу з урахуванням гідростатичного тиску, якщо він є, кН;

— розрахунковий момент щодо осі, яка проходить через центр ваги підошви фундаменту, кН· м;

A=b· l — площа підошви, м;

W= - момент опору площі підошви фундаменту, м;

R — розрахунковий опір ґрунту під підошвою фундаменту, кПа;

— коефіцієнт умов роботи, прийнятий рівним 1,2;

— коефіцієнт надійності по призначенню спорудження, прийнятий рівним 1,4.

У загальному випадку розрахункове вертикальне навантаження на основу і момент будуть рівні

(3.8)

(3.9)

де — розрахункові величини наведені в табл.1.1;

— відповідно навантаження від ваги фундаменту і ґрунту на його уступах (з урахуванням зважуючої дії води, якщо вона має місце);

— навантаження від ваги води, що діє на уступи фундаменту (враховується, якщо фундамент врізаний у водоупор).

Величини залежать від площі підошви фундаменту, розмірів і конфігурації його по висоті, а ще і від висоти стовпа води над відповідними ступінями.

Виходячи з вищевикладеного, для визначення в першому наближенні площі підошви фундаменту рівняння (3.5), (3.6), і (3.7) приймуть вид:

де кН/м — середня питома вага вкладки фундаменту і ґрунту на його уступах.

Розрахунковий опір нескельного ґрунту під підошвою фундаменту визначається по формулі:

(3.13)

де — умовний опір ґрунту, кПа;

b — ширина підошви фундаменту, м;

d — глибина закладення фундаменту, м;

г — середньозважене значення питомої ваги ґрунту, розташованого вище підошви фундаменту, обчислене без обліку дії води, що зважує;

— коефіцієнти.

Точка перетину графіків і відповідає значенню b, при якому виконується умова. Аналогічно знаходиться графічне рішення і другої умови. Отже, розрахункове значення ширини підошви фундаменту приймаємо більше. Тобто розрахункове значення ширини приймаємо 5,8 м.

Результати розрахунків приведені у таблиці 3.1

Таблиця 3.1 — Визначення ширини підошви фундаменту

при 19,18 кН/м Перевірка:

Висновок: при перевірці отримали 446,3>438,7. Допускається перевищення 10%, відповідно ширину фундаменту прийняли вірно (b=5,8м).

Після встановлення остаточних розмірів підошви фундаменту виконуємо його конструювання, як твердої конструкції. Розширення фундаменту від верхнього обріза до підошви здійснюється шляхом влаштування уступів. Влаштовуємо 3 уступи. Висота уступу приймається рівною 1,65 м.

Верхній обріз фундаменту розташовуємо на глибині 20 см від верхньої відмітки. Висота фундаменту hф=5 м, глибина закладення dф=5,2 м.

Конструкція фундаменту наведена на рисунку

3.3 Розрахунок осадки фундаменту

Розрахунок осадки фундаменту шириною до 10 м виконується методом пошарового підсумування по формулі:

(3.14)

де в — безрозмірний коефіцієнт, рівний 0,8;

— середня додаткова напруга в і-му шарі ґрунту;

і - відповідно товщина і модуль деформації і-го шару ґрунту;

n — число шарів, на які розбита піддана тиску товща ґрунту.

Техніка розрахунку зводиться до наступного:

Виконується прив’язка фундаменту до геологічного розрізу (рис. 4)

Ліворуч від вертикалі будується епюра побутових (природних) тисків, які визначаються на границях кожного ґрунтового шару, на рівні підошви фундаменту, на рівні ґрунтових вод (WL) по формулі

(3.15)

де — питома вага ґрунту і-то шару;

— товщина і-го шару ґрунту.

Праворуч від вертикалі будується епюра додаткових вертикальних тисків у ґрунті. Для цього стиснуту товщу розбиваємо на елементарні шари товщиною 0,4b. Значення ординат епюри додаткових вертикальних тисків у ґрунті обчислюються по формулі:

(3.16)

де — коефіцієнт, прийнятий у залежності від форми підошви фундаменту () і відносної глибини ;

(3.17)

(3.18)

— природний тиск на рівні підошви фундаменту.

Передчасно знаходимо:

Звідси Таблиця 3.2 — Розрахунок осадки фундаменту

Визначаємо нижню границю стиснутої товщі (В.С.).

(3.19)

Границя В.С. знаходиться графічним способом (див. рис. 3.3).

Розраховуємо повну осадку фундаменту:

см.

Розрахункова схема осадки фундаменту наведена на рисунку Повна осадка основи визначається підсумовуванням осадки кожного шару. Вона не повинна перевищувати гранично припустимого осідання споруди

(3.20)

де — гранично припустиме осідання, см;

— довжина меншого прольоту, який примикає до опори, м (табл. 1.1).

см.

Висновок: осадка фундаменту неглибокого залягання менше гранично-допустимої осадки, так як умова? виконується, тобто 2,8? 9,94 см.

4. Проектування пальового фундаменту

4.1 Вибір типу пальового фундаменту, глибини закладення ростверку і попереднє призначення його розмірів

На суходолі і водотоці при глибині менш 3 м пальові фундаменти проектуються з низьким ростверком. Верхній обріз низького ростверку розташовується так само, як і обріз фундаменту неглибокого закладення.

Підошва низького ростверку розташовується:

у непучинистих ґрунтах — на будь-якому рівні;

у пучинистих — на глибині не менш +0,25 м;

у руслі ріки — нижче місцевого розмиву.

При цьому треба мати на увазі, що мінімальна товщина (висота) ростверку м.

Розміри ростверку по верху визначаються розмірами основи моста (величини розширення ростверку по верхньому обрізу такі ж, як для фундаменту неглибокого закладення); по низу — площею, необхідною для розміщення паль. Варто мати на увазі, що сенс роботи пальового фундаменту — передача тиску на глибину, на відміну від фундаменту неглибокого закладення, який працює за рахунок передачі тиску по площі підошви. Тому пальовий фундамент може економічно конкурувати з фундаментом неглибокого закладення, якщо площа підошви ростверку буде менше площі підошви останнього. Через це рекомендується приймати таку кількість паль, щоб їх можна було розмістити в ростверку з мінімальними розмірами в плані, тобто з розмірами по верхньому обрізу. У випадку, якщо це не виходить, подовження підошви ростверку виконується уступами висотою м і шириною не більш .

Мінімальна відстань між осями паль у ростверку 3d (де d — розмір сторони поперечного перерізу палі), максимальна — 6d. Звис ростверку (відстань від краю ростверку до краю найближчої палі) повинний бути не менш 0,25 м.

фундамент осідання несучий спроможність

4.2 Попередній вибір типорозміру палі і визначення її несучої здатності

У курсовій роботі застосовуються забивні залізобетонні палі суцільного квадратного перетину.

Паля прив’язується до геологічного розрізу (рис.) і визначається її розрахунковий опір по ґрунту (припустиме навантаження на палю):

(4.1)

де — коефіцієнт умов роботи палі, прийнятий =1;

— коефіцієнт надійності по ґрунті, прийнятий =1,4;

R — розрахунковий опір ґрунту під нижнім кінцем палі, кПа;

А — площа поперечного перерізу палі, м;

U — периметр поперечного перерізу палі, м;

— розрахунковий опір і-го шару ґрунту по бічній поверхні палі, кПа;

— товщина і-го шару ґрунту, що стискається з бічною поверхнею палі, м (якщо потужність геологічного шару перевищує 2 м, то він розбивається на шари так, щоб 2 м);

— коефіцієнти умов роботи ґрунту під кінцем і по бічній поверхні палі (для паль, що занурюються забиванням,).

Для розрахунків несучої здатності одиночної палі приймаємо залізобетонну палю квадратного перетину 0,4Ч0,4 м довжиною 8 м.

4.3 Визначення кількості паль, їх розміщення в ростверку, уточнення типорозмірів паль та їх кількості

Кількість паль у ростверку визначається по формулі

(4.2)

де — розрахункове навантаження, передане на палі, обумовлене по формулі

(4.3)

де — вага ростверку;

— коефіцієнт, що враховує перевантаження окремих паль від моменту (приймається в межах 1,1ч1,2).

Отже, приймаємо остаточно 30 паль у ростверку, які розміщаються по 10 паль у 3 ряди у ростверку. Палі перетину 0,4×0,4 м.

4.4 Перевірка пальового фундаменту на моментне навантаження

Звичайно перевіряють розрахункове навантаження на крайню палю з урахуванням дії моменту, переданого на фундамент. При цьому розподіл вертикальних навантажень між палями фундаментів мостів визначається розрахунком їх, як рамною конструкції. У курсовій роботі дозволяється перевірити зусилля N у крайній палі з урахуванням дії за завданням однієї горизонтальної сили Т (у площині уздовж моста) по наступній спрощеній методиці

(4.4)

де — розрахунковий момент у площині підошви ростверку від сил гальмування, обумовлений по формулі (5.7), при цьому замість приймається висота ростверку;

— відстань від центральної довгої осі ростверку до осі крайнього ряду паль у напряму дії моменту ;

— відстань від тієї ж осі до осі кожної палі, що не лежить на центральній осі;

— прийнята остаточна кількість паль.

Вертикальне навантаження визначається по формулі

(4.5)

де — вага ростверку, кН.

Висновок: при перевірці пальового фундаменту на моментне навантаження отримали N>Fd, тобто 735,1>600,5. Але допустиме перевищення навантаження на крайні ряди паль складає 20%, відповідно кількість паль у ростверку прийнято вірно.

4.5 Перевірка напружень під підошвою умовного фундаменту

Розрахунок пальового фундаменту і його основи по деформаціях виконується як для умовного фундаменту на природній основі.

Розміри умовного фундаменту (рис. 4.3) визначаються в такий спосіб: нижньою границею фундаменту є площина, що проходить через нижні кінці паль, верхньої - поверхня планування ґрунту, бічні грані відстають від зовнішніх граней крайніх рядів вертикальних паль на відстані

(4.6)

де — глибина занурення паль у грунт, якщо зарахувати від підошви ростверку;

— середньозважене значення кутів внутрішнього тертя шарів ґрунту, що залягають у межах .

У власну вагу умовного фундаменту включається вага паль, ростверку і ґрунту в об'ємі умовного фундаменту.

Середньозважене значення кута внутрішнього тертя ґрунтів, пройдених палями, визначається по формулі

(4.7)

де — розрахункові значення кутів внутрішнього тертя ґрунтів, пройдених палями;

— потужності шарів цих ґрунтів, м.

Ширина і довжина підошви умовного фундаменту розраховується по формулах

(4.8)

(4.9)

де b і a — відстані між зовнішніми гранями крайніх паль відповідно по ширині і довжині ростверку, м.

Перевірка середнього і максимального напружень по підошві умовного фундаменту виконується по формулах

(4.10)

(4.11)

де — вага усіх паль;

— вага ґрунту в межах умовного фундаменту, визначена як добуток об'єму умовного фундаменту на середньозважену питому вагу ґрунтів, пройдених палями.

— розрахунковий момент по підошві ростверку;

Т — задана гальмова сила;

R — розрахунковий опір ґрунту в основі умовного фундаменту, обумовлений по формулі (3.13) підстановкою в неї розмірів цього фундаменту;

К — коефіцієнт пропорційності, що вивчає наростання коефіцієнта постелі ґрунту з глибиною (табл. 7.3 МВ № 1691).

— коефіцієнт постелі ґрунту на рівні підошви умовного фундаменту, кН/м: при м, =10К;

Тобто приймаємо К=5500 (так як суглинок тугопластичний LL = 0,375), С=10К=55 000 кН/м3.

Умови Р? та Рmax? виконуються.

4.6 Розрахунок осадки пальового фундаменту

Розрахунок осадки пальового фундаменту виконується методом пошарового сумування як для звичайного фундаменту з розмірами умовного фундаментухх. Схема розрахунку представлена на рисунку Передчасно знаходимо м;

340,8 — 192,98 = 147,8 кПа Таблиця 5 — Розрахунок осадки пальового фундаменту

Повна осадка основи визначається підсумовуванням осадки кожного шару.

Вона не повинна перевищувати гранично припустимого осідання споруди.

(4.12)

де — гранично припустиме осідання, см;

— довжина меншого прольоту, який примикає до опори, м (табл. 1.1).

см.

Висновок: осадка пальового фундаменту менше граничнодопустимої осадки, так як умова? виконується, тобто 2,3 < 9,94 см.

5. Техніко-економічне порівняння варіантів фундаменту

Техніко-економічне порівняння варіантів фундаменту опори і вибір кращого рішення є серйозним дослідженням, що вимагає комплексного аналізу різних показників, які характеризують складені варіанти і виконання спеціальних економічних розрахунків. Проведемо техніко-економічне порівняння фундаменту неглибокого закладення та пальового фундаменту. Дані для підрахунку об'ємів робіт приймаємо по кресленням варіантів фундаменту опори. Одиничні вартості робіт приймаємо по таблиці 8.1 (МВ № 1691). Підрахунок об'ємів основних робіт і вартості фундаментів ведемо в табличній формі (таблиця).

Таблиця 6 — Відомість об'ємів основних робіт і вартості варіантів фундаментів.

Висновок: за результатами порівняння встановлено, що на даній ділянці вигідно використання пальового фундаменту, так як його вартість менша, ніж вартість фундаменту неглибокого закладення.

Список використаної літератури

1. Основания и фундаменты транспортных сооружений / Под ред. Г. П. Соловьева. — М.: Транспорт, 1995.

2. Гольдштейн М. Н., Царьков А. А., Черкасов И. И. Механика грунтов, основания и фундаменты.- М.:Транспорт, 1981.

3. СНиП 2.02.01−83. Основания зданий и сооружений.-М.:Стройиздат, 1985.

4. СНиП 2.02.03−85.Свайные фундаменты.-М.:стройиздат, 1985.

5. СНиП 2.05.03−84.Мосты и трубы.-М.:стройиздат, 1985

6. Глотов Н. М., Силин К. С. Строительство фундаментов глубокого заложения.-М.:Транспорт, 1985.

7. Кириллов В. С. Основания и фундаменты.-М.:Транспорт, 1980.

8. Костерин Э. В. Основания и фундаменты.-М.:Высшая школа, 1978.

9. НИИОСП Госстроя СССР. Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений.-М.:Стройиздат, 1978.

10. Руководство по проектированию свайных фундаментов.-М.:Стройиздат, 1980.

11. Руководство по проектированию заглубленных инженерных сооружений.-М.:Стройиздат, 1986.

12. СНиП 3.02.01−83.Основания и фундаменты. Правила производства и приемки работ.-М.:Стройиздат, 1983.

13. Справочник проектировщика. Основания, фундаменты и подземные сооружения.-М.:Стройиздат, 1985.

14. СНиП III-4−80. Техника безопасности в строительстве. -М.:Стройиздат, 1980.