Лекция 1. Строительные свойства грунтов.

Стр 1 из 12Следующая ⇒

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

« МЕХАНИКА ГРУНТОВ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ »

для специальности

«Теплогазоснабжение и вентиляция»

«Водоснабжение и водоотведение»

Макеевка ДонНАСА – 2016 г.

Содержание

Лекция 1. Строительные свойства грунтов. 3

1.1. Ведение. Содержание, цели и задачи курса основания и фундаменты. 3

1.2. Грунт как объект исследования и его свойства. 3

1.3. Основные характеристики грунта, определяющие его свойства. 4

1.4. Фазы напряженно-деформированного состояния грунта. Принцип линейной деформируемости. 6

1.5. Закон прочности Кулона – Мора. 8

Лекция 2. Основные понятия и определения. Общая классификация оснований и фундаментов. Принципы проектирования оснований и фундаментов по предельным состояниям. Исходные данные для проектирования оснований и фундаментов. Нагрузки и воздействия. 13

2.1. Основные понятия и определения. 13

2.2. Общая классификация оснований и фундаментов. 14

2.3. Вариантное проектирование фундаментов. 17

2.4. Принципы проектирования оснований и фундаментов. 17

2.5. Исходные данные для проектирования. Нагрузки и воздействия. 18

Лекция 3. Фундаменты мелкого заложения. Общие требования по проектированию. Конструирование столбчатых фундаментов. 19

3.1. Глубина заложения фундаментов. 19

3.2. Расчет столбчатых фундаментов. 21

Лекция 4. Распределение напряжений в грунтовом массиве. Методы расчета осадок. 26

4.1. Напряжения от собственного веса грунта. 26

4.2. Напряжения в грунтовом массиве от действия внешней нагрузки. 27

4.3. Расчет осадок фундаментов. 27

4.3.1. Метод послойного суммирования. 28

4.3.2.Метод линейно деформируемого слоя. 29

4.4. Определение крена фундамента. 31

Лекция 5. Конструкции фундаментов мелкого заложения. 33

5.1. Конструкции столбчатых фундаментов. 33

5.2. Конструкции ленточных фундаментов. 35

5.3. Расчет ленточных фундаментов. 38

5.3.1. Определение ширины подошвы ленточного фундамента. 38

5.3.2. Определение осадки ленточного фундамента. 38

5.3.3.Конструкции плитных фундаментов. 39

5.4. Расчет плитных фундаментов. 39

5.5. Определение размеров плиты в плане. 40

5.6. Расчет средней осадки и кренов плиты. 40

Лекция 6. Фундаменты глубокого заложения. Свайные фундаменты. Опускные колодцы. Стена в грунте. 41

6.1. Классификация свайных фундаментов. 41

6.2. Конструкции свайных фундаментов. 42

6.3. Расчет свайных фундаментов. 43

6.4. Опускные колодцы. 46

6.5. Фундаменты типа стена в грунте. 48

Лекция 7. Защита фундаментов от грунтовых вод. Искусственное улучшение свойств оснований. Реконструкция и усиление фундаментов и оснований. 50

7.1. Защита фундаментов от грунтовых вод. 50

7.2. Искусственное улучшение свойств оснований. 52

7.3. Реконструкция и усиление фундаментов и оснований. 53

Лекция 1. Строительные свойства грунтов.

Ведение. Содержание, цели и задачи курса основания и фундаменты.

Основание и фундаменты изучает принципы проектирования оснований и фундаментов. Настоящий курс являются естественным продолжение курсов «Инженерная геология», «Инженерные изыскания в строительстве» и «Механика грунтов». Основной целью курса является изложение основ расчета оснований зданий и сооружений по предельным состояниям I и II группы в интеграции с нормами строительного проектирования. Основными задачами, решаемыми в процессе изучения курса, являются: установление основных закономерностей механики грунтов; изучение основных понятий и определений; усвоить методы расчета фундаментов мелкого и глубокого заложения; изучить конструирование столбчатого и свайного фундамента, в том числе изучить фундаменты зданий и сооружений в сложных геологических условиях.

Вариантное проектирование фундаментов.

Вариантное проектирование в общем случае формулируется как многофакторная задача математического программирования. В общем виде поставленная задача не имеет примеров практического разрешения из-за ее непомерной сложности уже на уровне постановки. В проектных организациях разработаны и эксплуатируются отдельные программные комплексы, позволяющие оптимизировать конструктивные параметры отдельных видов фундаментов: столбчатых, ленточных, плитных, свайных. Оптимизация осуществляется при заданных нагрузках и инженерно-геологических условиях строительной площадки. На практике под вариантным проектированием чаще всего понимают разработку нескольких конкурирующих технических решений фундаментов и выбор из них наиболее оптимального по показателю приведенной стоимости возведения в данных инженерно-геологических условиях. При этом конкурирующими могут быть как фундаменты различных конструктивных систем, так и варианты технических решений фундаментов одного и того же вида, например, варианты столбчатых фундаментов или варианты свайных фундаментов. В вариантные проработки часто включают технические решения по улучшению строительных свойств грунтов, например, за счет применения грунтовых подушек и т.п.

Исходные данные для проектирования. Нагрузки и воздействия.

Проектирование оснований включает обоснованный расчетом выбор: типа основания (естественное или искусственное); типа, конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения; ленточные, столбчатые, плитные и др.; железобетонные, бетонные, бутобетонные и др.); мероприятий, применяемых при необходимости для уменьшения влияния деформаций основания на эксплуатационную пригодность сооружения. Исходные данные для проектирования включают: сведения о проектируемом объекте, его объемно-планировочных и конструктивных решениях, величинах постоянных и временных нагрузок; данные об инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях на площадке строительства; данные горно-геологического обоснования строительства (при строительстве на подрабатываемых территориях); сведения о наличии в районе строительства индустриальной строительной базы; сведения о технологической оснащенности подрядных строительных организаций и др.

Все расчеты оснований должны выполняться с использованием расчетных значений характеристик грунтов, приводимых в отчете об инженерно-геологических изысканиях на площадке строительства. Расчетные значения характеристик грунтов С, j и g для расчетов по несущей способности обозначаются С _I, j _I, g _I, а для расчетов по деформациям C_II, j _II, g _II.

Лекция 3. Фундаменты мелкого заложения. Общие требования по проектированию. Конструирование столбчатых фундаментов.

Расчет осадок фундаментов

выполняется методом послойного суммирования или методом линейно-деформируемого слоя по расчетным нагрузкам и характеристикам грунтов для II группы предельных состояний.

Расчет плитных фундаментов.

Плитный фундамент рассчитывается по двум схемам: как абсолютно жесткий фундамент и как фундамент конечной жесткости. Из расчетов по первой схеме определяют размеры фундамента в плане, среднюю осадку и общие крены плиты в продольном и поперечном направлении. Из расчетов по второй схеме определяют внутренние усилия в плитном фундаменте и его осадки в плане.

5.5. Определение размеров плиты в плане.

Действующие на плитный фундамент нагрузки приводятся к продольной силе N, действующей в центре плиты, и к изгибающим моментам M_x и M_y, действующим относительно продольной x и поперечной y осей фундамента (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема к расчёту плиты при абсолютно жёстком фундаменте (расчёт по первой схеме).

Размеры плиты в плане устанавливаются из условий ограничения средних давлений под плитой и максимальных давлений на средине стороны и в угловой точке подошвы фундамента. Расчеты выполняются по формулам для столбчатого фундамента.

Расчет свайных фундаментов.

Свайные фундаменты всегда рассчитывают по несущей способности (в отличие от фундаментов мелкого заложения). Висячие сваи, а также кусты, ленты и поля из висячих свай рассчитывают по деформациям.

Расчет сваи по несущей способности выполняется по формуле:

(6.1)

где N – действующая на сваю расчетная нагрузка; F_d – несущая способность сваи; g_k – коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным при определении несущей способности сваи: по расчету – 1, 4; по данным динамических испытаний – 1, 25; по данным статических испытаний – 1, 2.

Определение несущей способности сваи – стойки. Несущая способность сваи – стойки рассчитывается по сечению сваи и по сопротивлению основания под нижним концом сваи. При определении несущей способности сечения сваи используются формулы для расчета внецентренно сжатых железобетонных сечений. Несущая способность сваи по основанию определяется по формуле:

(6.2)

где g_c – коэффициент условия работы; R – расчетное сопротивления грунта под нижним концом сваи; А – площадь поперечного сечения нижнего конца сваи (проекции на горизонтальную плоскость).

Определение несущей способности висячих свай. Несущая способность таких свай рассчитывается как сумма сопротивлений грунта под нижним концом и по боковым поверхностям сваи. Сопротивление грунта под нижним концом определяется величиной его расчетного сопротивления R, зависящего от вида и состояния грунта и глубины погружения сваи в грунт. Сопротивление грунта по боковым поверхностям сваи определяется силами трения и сцепления. Указанные силы суммарно учитываются расчетным сопротивлением грунта f по боковой поверхности. Расчет несущей способности сваи выполняют по формуле:

(6.3)

где g_c, g_CR, g_cf – коэффициенты условий работы соответственно сваи, под нижним концом и по боковой поверхности (например, при погружении забивной сваи в лидерную скважину g_cf равен 0, 5); А – площадь поперечного сечения сваи; u – периметр боковой поверхности сваи; f_i – расчетное сопротивление i^–го слоя грунта по боковой поверхности; h_i – толщина i^–го слоя грунта; R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи.

Для забивных и погружаемых без выемки грунта свай расчетное сопротивление грунта R определяется по таблицам СНиП на проектирование свайных фундаментов и изменяется в пределах от 600 до 15000 кПа. Для набивных и буровых свай величина расчетного сопротивления грунта под нижним концом сваи рассчитывается по формуле:

(6.4)

где d – диаметр сваи; h – глубина заложения сваи; k – коэффициент условий работы; a₁ - a₄ – коэффициенты прочности, принимаемые по таблицам СНиП на проектирование свайных фундаментов в зависимости от угла внутреннего трения грунта; g_I ¢ – расчетное значение удельного веса грунта в основании сваи; g_I – то же, осредненное по длине сваи.

Расчет осадки свайного фундамента. Осадка свайного фундамента определяется методом послойного суммирования для условного фундамента (рис. 6.5), имеющего высоту, равную высоте свайного фундамента.

Ширина условного фундамента определяется следующим образом. На уровне подошвы ростверка от наружных граней крайних свай в кусте проводят линии, наклоненные к вертикали под углами j_{II, mt}/4 до пересечения с горизонтальной плоскостью на уроне нижних концов свай. Расстояние между указанными точками пересечения наклонных линий с горизонтальной плоскостью принимается за ширину условного фундамента (отрезок АВ на рис. 6.5). Расчетные формулы для указанных построений имеют вид:

(6.5)

где В – ширина условного фундамента; b – ширина свайного фундамента по границе наружных граней крайних свай в кусте; h – глубина заложения свайного фундамента от подошвы ростверка; j_{II, i} – угол внутреннего трения i^-го слоя грунта.

Для условного фундамента производят проверки по ограничению средних и краевых давлений по аналогии с проверками для столбчатого фундамента. При этом величину расчетного сопротивления грунта определяют для условного фундамента шириной В и глубиной заложения h. Если проверки по ограничению средних и краевых давлений по подошве условного фундамента не выполняются, увеличивают глубину заложения свайного фундамента или развивают его в плане. Если в основании свайного фундамента залегают пылевато-глинистые грунты с показателем текучести более 0, 6, ширину условного фундамента ограничивают величиной b +4× d, где d – диаметр сваи.

Опускные колодцы.

Опускной колодец представляет собой открытую сверху и снизу железобетонную (реже стальную или бетонную) конструкцию в форме цилиндрической или призматической оболочки, стены которой имеют, как правило, в нижней части выступающие наружу консоли, называемые ножом (рис. 6.6).

Консоли имеют заостренную к низу коническую форму и обычно усилены металлом. Опускные колодцы погружаются в грунт под действием собственного веса по мере разработки и удаления грунта, расположенного внутри колодца и ниже его ножа. Стены колодца либо сооружаются на нулевой отметке на полную высоту, либо наращиваются по мере погружения колодца в грунт. Погружение опускного колодца на отметки ниже уровня грунтовых вод осуществляется, как правило, с организацией местного водопонижения. Неглубокие колодцы могут опускаться ниже уровня грунтовых вод без водопонижения с разработкой грунта в колодце под водой. Наличие выступающих за наружную поверхность стен опускного колодца консолей в его нижней части уменьшает сопротивление грунта погружению колодца в грунт. При этом по высоте колодца между его стенами и окружающим грунтом образуется свободное пространство в форме щели или узкой траншеи. Стены такой траншеи могут терять устойчивость в результате чего увеличиваются силы трения, препятствующие опусканию конструкции в грунт. Для уменьшения сил трения по боковым поверхностям стен пространство между ними и окружающим грунтом, образующееся по мере погружения опускного колодца, заполняется тиксотропным раствором. Для изготовления таких растворов (водных суспензий) используются тонкодисперсные бентонитовые глины.

После достижения опускным колодцем проектной отметки заложения фундамента его внутренняя полость целиком или частично заполняется бетоном. При высоком уровне грунтовых вод возможны варианты бетонирования с временным водопонижением или подводного бетонирования. Бетонированию подлежит также пространство между стенами опускного колодца и окружающим грунтом. При заполнении этого пространства тиксотропным раствором бетонирование производится под тиксотропным раствором с его вытеснением. В верхней части опускного колодца сооружается распределительная железобетонная плита, на которой размещается верхнее строение.

По технологии опускного колодца могут возводиться подземные сооружения, такие как насосные станции, технологические подвалы, подземные гаражи и т. п. В этом случае в основании опускного колодца после его погружения устраивается железобетонная плита, рассчитанная на избыточное давление в грунтовой воде. Конструкция опускного колодца проверяется на всплытие. Опускные колодцы – сооружения имеют размеры в плане от 6 м до 100 – 150 м и погружаются на глубину от 5 м до 50 м.

Опускной колодец – сооружение рассчитывается как подземное сооружение. При этом одной из основных проверок является проверка на всплытие сооружения под действием избыточного давления в грунтовой воде, а также расчет на эти давления плиты днища сооружения.