Метод. указания для курсового и дипломного проектирования

МИНИСТЕРСТВ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Основания и фундаменты
в условиях реконструкции
(основы теории и примеры расчета)
Методические указания
для курсового и дипломного проектирования
студентов специальности 270105
«Строительство и городское хозяйство»
Иркутск
2006
Рецензент: П.А. Шустов, канд. техн. наук, доцент кафедры строительного
производства ИрГТУ.
Основания и фундаменты в условиях реконструкции (основы теории и
примеры расчета). Метод. указания для курсового и дипломного
проектирования. Составила Квасова З.М. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. – 14
с.
Предназначены для студентов специальности 270105 – «Строительство и
городское хозяйство».
Библиогр. 6 наим., 2 табл., 3 рис.
Иркутский государственный технический университет
664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83
СОДЕРЖАНИЕ
1. Проектирование оснований и фундаментов при реконструкции …...
4
Пример 1…………………………………………………………………
6
2. Нагрузки, учитываемые при расчете оснований и фундаментов …...
11
Пример 2…………………………………………………………………
12
3. Оценка инженерно-геологических условий ………………………….
13
Литература ……………………………………………………………...
14
3
1. Проектирование оснований и фундаментов при реконструкции
Несмотря на все увеличивающийся объем реконструкции зданий и
сооружений самого различного назначения, до сегодняшнего дня нет
нормативных документов, определяющих порядок расчета оснований и
фундаментов в различных вариантах реконструкции. К наиболее
распространенным случаям реконструкции можно отнести:
 увеличение нагрузки на существующие фундаменты (надстройки,
использование более тяжелых конструкций);
 устройство новых фундаментов на пятне застройки старого, разбираемого
при реконструкции;
 пристройку новых зданий и сооружений к старым, существующим;
 усиление либо переустройство оснований и фундаментов.
Несущая способность должна быть достаточной, чтобы не происходила потеря
устойчивости основания, а неравномерности осадки оснований не должны
превышать предельно допустимых величин для нормальной эксплуатации здания
после реконструкции. Проектирование производится
по двум предельным
состояниям.
Целью расчета по первому предельному состоянию является обеспечение
несущей способности и ограничение развития чрезмерных пластических
деформаций в период дальнейшей эксплуатации здания после реконструкции.
Этот расчет производится исходя из общего условия
F   F / ,
пр
с u
n
где Fпр – расчетная нагрузка на основание после реконструкции;
Fи – сила предельного сопротивления основания с учетом изменения свойств
грунтов в процессе эксплуатации реконструируемого здания;
и – коэффициент условий работы;
n – коэффициент надежности по назначению сооружения (I, II и III классов).
Дефицит
несущей
способности
оснований
и
фундаментов
реконструируемого здания устанавливается после анализа результатов
обследования. В общем случае
F F
F ,
d
mpd
od
где Fmpd – требуемая несущая способность основания или свай из условия
сопротивления грунта, принятая с учетом возможного увеличения постоянных
и временных нагрузок при реконструкции;
Fоd – несущая способность грунтов основания (свай) с учетом возможного
улучшения свойств грунтов в процессе эксплуатации.
 F , то необходимость усиления фундаментов при
Если F
mpd
od
реконструкции отсутствует. Окончательно решается вопрос об отмене усиления
после расчета оснований и фундаментов по второму предельному состоянию.
4
Для расчета по второму предельному состоянию необходимо соблюсти
условие
np
R ,
II
упл
P
np
–
II
где
P
фактическое
давление
по
подошве
фундамента
после
реконструкции;
R
– расчетное сопротивление грунта с учетом его уплотнения в процессе
упл
эксплуатации.
Расчетное сопротивление грунта основания с учетом его уплотнения R
упл
может быть определено по формуле (7) (СНиП 2.02.01–83). Величины
коэффициентов M , M и M зависят от угла внутреннего трения (  ),

g
упл
c
соответствующего уплотненному грунту. Ввиду сложности отбора образцов
грунта из- под фундамента, для испытания их в лабораторных условиях
значение R
может быть установлено по методике, изложенной ниже.
упл
В общем случае вопросы о возможности увеличения нагрузки на
существующие фундаменты решаются в такой последовательности:
 собирают нагрузку на уровне подошвы существующего фундамента до
надстройки NII и после надстройки N н ;
II

устанавливают значение средней интенсивности давления на грунт
основания до надстройки Ро и после надстройки PIIн ;
 устанавливают значение расчетного сопротивления грунта основания с
учетом уплотнения в процессе эксплуатации здания (сооружения) Rу;
 сопоставляют среднее давление под подошвой фундамента после
увеличения нагрузки со значением Rу.
Значение расчетного сопротивления уплотненного грунта основания может
быть также получено из выражения
R m m R,
у
p
s
где R – расчетное сопротивление грунта основания, определенное для грунта
в естественном его залегании (без уплотнения);
mp – коэффициент, зависящий от отношения величины давления по подошве
фундамента до увеличения нагрузки при реконструкции Ро к расчетному
сопротивлению R; при Ро/R  0,8 mp = 1,3; при 0,8  Ро  0,5 mp = 1,15; при Ро/R
 0,5 = 1,0;
ms – коэффициент, принимаемый по табл. 1.1. в зависимости от отношения
величины осадки Sp при давлении по подошве, равном значению Ро к
предельно допустимой осадке, для данного вида зданий или сооружений Su по
прил. 4 СНиП 2.02.01-83.
5
Таблица 1.1
Значение коэффициента
Грунты оснований
(независимо от влажности и плотности)
Пески крупные и средней крупности
Пески мелкие
Пески пылеватые
Связные грунты с Ju  10
То же с Ju  0,5 при сроке эксплуатации здания более 15
лет
Значение ms при Sp/Su
0,4
0,8
1,4
1,0
1,2
1,0
1,1
1,0
1,2
1,0
1,1
1,0
Примечание. Для промежуточных значений коэффициента ms принимается по интерполяции.
Пример 1. Определение расчетного сопротивления грунта основания при
надстройке здания. Необходимо установить возможность надстройки
трехэтажного жилого дома в Петербурге на два этажа с заменой существующих
деревянных перекрытий на железобетонные. Для этого определяем расчетное
сопротивление грунта с учетом его предшествующего уплотнения.
Существующее кирпичное здание построено во второй половине XIX века.
Фундаменты бутобетонные, ленточные. Ширина подошвы фундамента в = 1,2 м.
Здание с подвалом глубиной db = 3 м. Глубина заложения фундамента d = 3,6 м.
Состояние кладки стен и фундамента хорошее.
Нагрузка на 1 м длины стены на уровне подошвы существующих
фундаментов составляет NII = 264,7 кН/м. Соответствующая нагрузка после
надстройки двух этажей и замены деревянных перекрытий железобетонными
составит N н = 405 кН/м.
II
Напластование грунтов (начиная с планировочной отметки):
1-й слой – насыпной грунт; высота слоя h = 1 м,   15 кН/м3;
II
2-й слой – глина мощностью hГ = 5 м; этот грунт является основанием
существующего фундамента, находится в твердом состоянии, коэффициент
относительной сжимаемости mV1 = 0,00005 кПа-1,  II  20,5 кН/м3,   18  , СII =
II
25кПа.
3-й слой – песок пылеватый; более глубины 14 м, mV2 = 0,000062 кПа-1.
Определяем значение расчетного сопротивления грунта основания с учетом его
уплотнения за период эксплуатации здания. Значение Rупл определяем из выражения
R m m R,
у
p
s
где R – величину расчетного сопротивления устанавливаем по формуле (7)
СНиП 2.02.01-83 для значений   18  СII = 25 кПа в условиях природного
II
залегания грунта
6

R  C1

C 2 [M  K

Z
b 
 M  d   I  ( M  1)  d   I  M  C ] , (7)
II
g 1 II
g
b II
c
II
K
где  C 1 = 1,2 и  C 2 = 1 – коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 3;
К – коэффициент, принимаемый равным К = 1, если прочные характеристики
грунта (  II и СII) определены непосредственными испытаниями и К =1,1 если
они приняты по табл. 1–3 рекомендуемого приложения 1;
0,00
Насыпной грунт

 15 кН/м3
нас
-1,0
глина
 II  20,5 кН/м3
 II  18 
-3,00
C  25 кПа
II
-36
b=1,2
-6,0
песок пылеватый
Рис. 1.1. Расчетная схема
M = 0,43;

M = 2,72; M c = 5,31 – коэффициенты, принимаемые по табл. 4;
g
K Z = 1 – коэффициент (при b  10 м);
b = 1,2 м – ширина подошвы фундамента;
 II = 20,5 кН/м3 – удельный вес грунта ниже подошвы фундамента;
 III - усредненное значение удельного веса грунтов, залегающих выше
подошвы.

h

h
IIгI
глин  15  1,0  20,5  2,6  18,7 кН/м3;
 III  нас нас
h
h
1,0  2,6
нас
глин
СII = 25 кПа – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего
непосредственно под подошвой фундамента;
d1 = 0,6 – приведенная глубина заложения фундамента от пола подвала;
7
db = 3,0 м – глубина подвала.
1,2  1,0
R
[0,43  1,0  1,2  20,5  2,72  0,6  18,7  (2,72  1)3  18,7  5,31  25]  260 кПа
1,0
Устанавливаем значение коэффициента mp. Давление до надстройки по подошве
Ро = NII /b = 264,7/1,2 = 220 кПа. Значение отношения Ро /R = 220/260=0,85.
Определяем значение коэффициента mp = 1,3 (см. выше).
Находим значение коэффициента ms. Для этого определяем значение осадки
при условии, что давление на уровне подошвы фундамента равно расчетному
сопротивлению R.
Для определения осадки используем метод эквивалентного слоя Цытовича.
Расчетная схема приведена на рис. 1.2.
Высоту
эквивалентного
слоя
hэ
определяем
из
выражения
h  A    b  2,4  1,2  2,9 м (значение A находим по табл. 1.2).
э
m
m
8
Таблица 1.2
Значение коэффициента эквивалентного слоя А
отношение
l

b
Гравий и галька
Пески
Глины и суглинки твердые и полутвердые
0=0,10
Суглинки пластичные
Супеси твердые и пластичные
0=0,20
0=0,25
Глины пластичные
Глины и суглинки
мягкопластичные
0=0,35
0=0,40
0=0,30
9
1,0
1,13 0,96
0,89
1,20 1,01
0,94
1,26 1,07
0,99
1,37 1,17
1,08
1,58 1,34
1,24
2,02 1,71
1,58
1,5
1,37 1,16
1,09
1,45 1,23
1,15
1,53 1,30
1,21
1,66 1,40
1,32
1,91 1,62
1,52
2,44 2,07
1,94
2,0
1,55 1,31
1,23
1,63 1,39
1,30
1,72 1,47
1,37
1,88 1,60
1,49
2,16 1,83
1,72
2,76 2,34
2,20
30,0
1,81 1,55
1,46
1,90 1,63
1,54
2,01 1,73
1,62
2,18 1,89
1,76
2,51 2,15
2,01
3,21 2,75
2,59
4,0
1,99 1,72
1,63
2,09 1,81
1,72
2,21 1,92
1,81
2,41 2,09
1,97
2,77 2,39
2,26
3,53 3,06
2,90
5,0
2,13 1,85
1,74
2,24 1,95
1,84
2,37 2,07
1,94
2,58 2,25
2,11
2,96 2,57
2,42
3,79 3,29
3,10
6,0
2,25 1,98
—
2,37 2,09
—
2,50 2,21
—
2,72 2,41
—
3,14 2,76
—
4,00 3,53
—
7,0
2,35 2,06
—
2,47 2,18
—
2,61 2,31
—
2,84 2,51
—
3,26 2,87
—
4,18 2,67
—
8,0
2,43 2,14
—
2,56 2,26
—
2,70 2,40
—
2,94 2,61
—
3,38 2,98
—
4,32 3,82
—
9,0
2,51 2,21
—
2,64 2,34
—
2,79 2,47
—
3,03 2,69
—
3,49 3,08
—
4,46 3,92
—
10 и
более
2,58 2,27
2,15
2,71 2,40
2,26
2,86 2,54
2,38
3,12 2,77
2,60
3,58 3,17
2,98
4,58 4,05
3,82
Коэффициент
А0
Аn
Аconst
А0
Аn
Аconst
А0
Аn
Аconst
А0
Аn
Аconst
А0
Аn
Аconst
А0
Аn
Аconst
Обычно значением коэффициента относительной поперечной деформации
 задаются, принимая его согласно опытным данным равным  0  01  0,15
0
db = 3
,1,0
для глин и суглинков твердых и полутвердых; тугопластичных –
 0  0,20  0,25 ; пластичных и текучепластичных –  0  0,30  0,40 и текучих –
0  0,45  0,50 ; для супеси (в зависимости от консистенции)  0  0,15  0,30 ;
для песков  0  0,20  0,25 .
h1 = 2,4
d1 = 0,6
глина
5,0
R=260 кПа
mv1 = 0,00005 кПа-1
H = 5,8
z2 = 1,7
z1 = 4,6
h2 = 3,4
песок
7,1
mv2 = 0,000062 кПа-1
Рис. 1.2. Расчетная схема для определения
осадки при давлении равном R
Высота
эквивалентной
эпюры
уплотняющих
давлений
H  2hэ  2  2,9  5,8 м.
Определяем величину среднего коэффициента относительной сжимаемости в
пределах сжимаемой толщи:
n
 himviZi
2,4  0,00005  4,6  3,4  0,000062  1,7
 0,000054 кПа-1
2
2  2,92
2hЭ
Вычисляем значение осадки Sp:
S p  hэ  mvm  R  2,9  0,000054  260  0,0407 v=4,07 см.
Значение Su для подобных зданий 10 см (прил. 4, СНиП 2.02.01-83).
Отношение Sp/Su = 4,07/10 = 0,407.
Согласно табл. 1.1 ms = 1,05. Таким образом
Rу  m p  ms  R  1,3  1,05  260  355 кПа
Значение фактического давления после надстройки здания на 2 этаже на
уровне подошвы фундамента составит
mvm 
i 1

10
N IIH 405
P 

 338 кПа
b
1,2
Давление на грунт после реконструкции и замены деревянных перекрытий на
железобетонные не превысит расчетного сопротивления грунта с учетом его
уплотнения в процессе эксплуатации PIIH  R у ; 338 кПа < 355 кПа.
Предполагаемая реконструкция возможна без учета увеличения размеров
фундамента и усиления грунтов основания.
H
II
2. Нагрузки, учитываемые при расчете оснований и фундаментов
Нагрузки от сооружения фундаментов передаются на основание. Однако они
не в одинаковой степени воздействуют на различные грунты, поэтому важно
возможное основное сочетание нагрузок, под действием которых развивается
рассматриваемый вид перемещений основания, приводящий к деформации
элементов конструкции.
При определении нагрузок на фундаменты и основания руководствуются
СНиП 2.01.07–85 по нагрузкам и воздействиям (их рекомендации кратко
излагаются ниже).
Постоянные нагрузки и воздействия прикладываются во время
строительства и проявляются в течение всего периода эксплуатации
(собственный вес конструкций, давление грунта и т.п.).
Временные нагрузки и воздействия прикладываются или возникают в
отдельные периоды строительства или эксплуатации, они могут уменьшаться
или полностью исчезать. Различают длительные, кратковременные и особые
нагрузки и воздействия.
Длительными называют нагрузки, действующие продолжительное время
(вес оборудования, нагрузка от складируемых материалов).
К кратковременным относятся нагрузки, действующие непродолжительное
время (от транспорта, включая краны, веса людей, снега, ветра и т.п.).
Особые нагрузки возникают в исключительных случаях (сейсмические,
аварийные, от просадки основания при его замачивании и т.п.).
Различают следующие сочетания нагрузок:
Основные, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок
или воздействий; из кратковременных учитывают те, которые способны вызвать
рассматриваемый вид деформации (при учете двух и более кратковременных
нагрузок их принимают с коэффициентом надежности по нагрузке    0,9 ).
Особые,
состоящие
из
постоянных,
длительных,
возможных
кратковременных и одной из особых нагрузок и воздействий.
Различают нагрузки нормативные (максимальные типичные) и расчетные,
получаемые путем умножения значения нормативной нагрузки на коэффициент
надежности по нагрузке   , учитывающий возможное отклонение нагрузки от
типичного значения.
11
Расчеты основания по деформациям ведут на основные сочетания
расчетных нагрузок    1 . Расчетную нагрузку от веса фундамента и грунта
над его уступами вычисляют по их размерам. Сумму временных нагрузок,
передаваемых
перекрытиями
многоэтажных,
жилых
и
некоторых
общественных зданий, принимают по СНиП 2.01.97- 85 с понижающим
коэффициентом
1  0,3  0,6 / m ,
где m – количество этажей.
Рис. 2.1. Расчетная схема к определению нагрузок
на фундаменты: а) – план; б) – разрез здания
Пример 2. Определить нагрузку (при расчете по деформации) на фундамент
четырехэтажного административного здания (рис. 2.1), если перекрытия
разрезной конструкции; известны постоянные нагрузки g1 = 4кН/м2, g2 = 5 кН/м2;
стены из бетонных блоков толщиной 0,4 м,   16 кН/м3, проемность – 25%
(коэффициент проемности К = 0,75); колонна железобетонная 0,4  0,4 м;
временная нагрузка на междуэтажные перекрытия g1вр 2,5 кН/м3 и на покрытие g2вр
= 1 кН/м2.
Постоянные нормативные нагрузки, кН/м2:
покрытия …………………………….. 5,0
перекрытия ………………………… 4,0
Временные нормативные нагрузки, кН/м2:
покрытия …………………………….. 1,0
перекрытия ………………………….. 2,5
Решение:
Сечение 1-1
12
6,0 м
 3м 2 ).
2
Нагрузка на 1 м длины стены будет: постоянные нагрузки от конструкций:
 от веса стены при учете проемности на 1м её длины
1 0,4 115 16  0,75  72 кН/м
 от веса покрытия 1 5  3  15 кН/м
 от веса перекрытий 1 4  3  3  36 кН/м
Итого ......................................................................123
Временные нагрузки:
 на покрытие (снег) 11,0  3  3 кН/м
 на три перекрытия с коэффициентом
1  0,3  0,6 / m  0,3  0,6 / 4  0,6
3 1 2,5  3  0,6  13,5 кН/м
Итого ....................................................................13,5
Расчетная нагрузка на 1 м стены:
N OII  123  13,5  136,5 кН
Сечение 2-2
Fгр22  6  6  36 м 2
Нагрузка на фундамент колонны:
 от веса колонны 1 0,4  0,4 15  25  60 кН
 от веса покрытия 1 5  36  180 кН
 от веса перекрытий 1 4  3  36  432 кН
 от временной нагрузки (1  2,5  3  36  1  1  36)  0,6  183,6 кН
Итого: N OII  855,6 кН
Определяем нагрузки для обреза фундамента ( Fгр11  1м 
3. Оценка инженерно-геологических условий
На основании имеющихся исходных данных в пояснительной записке
следует осветить климатические особенности района строительства,
определить нормативную и расчетную глубины промерзания грунтов [4,
п.п.2.26-2.28]; гидрогеологические условия; представить геологическую
характеристику площадки (вид грунтов, мощность пластов, особенности их
залегания); дать оценку расчетного сопротивления грунтов; общую оценку
основания; классификацию грунтов по сжимаемости и консистенции; указать
возможность использования грунтов каждого слоя в качестве основания.
Оценку несущей способности грунтов можно производить по расчетному
сопротивлению R0 , принятому согласно [4, прил. 3].
По данным лабораторных определений плотности частиц грунта   (г/см3),
плотности грунта  (г/см3) и влажности  (доли единицы) определяется
коэффициент пористости грунта
13
e
s
1     1, или

e
s  d
,
d

- плотность сухого грунта, г/см3.
1 
По e , согласно 6, табл.Б.18, устанавливается плотность сложения песка.
 s
Коэффициент водонасыщения (степень влажности) S z 
,
e 
где   – плотность воды, принимается равной 1,0 г/см3.
По S z крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно [6, табл.Б .17]
(разновидность грунтов).
В соответствии со значением числа пластичности J   l    по 6, табл.Б.11
устанавливается наименование вида глинистого грунта (супесь, суглинок, глина),
где  L и   – влажности грунта на границе текучести и раскатывания.
Коэффициент пористости глинистого грунта определяется так же, как
песчаного.
  
Показатель текучести (консистенции) J L 
.
l   
По JL, согласно [6,табл.Б .14], устанавливается разновидность глинистых
грунтов.
где
d 
ЛИТЕРАТУРА
1. Арефьев М.Ф. Механика грунтов, основания и фундаменты.
Методические указания по выполнению курсового проекта. – Иркутск,
ИрГТУ, 2003 – 33 с.
2. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. – М.: ИПК, Издательство
стандартов, 1996.
3. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. –
М.: Стройиздат, 1989. – 136 с.
4. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений: Учеб.
пособие /Под ред. Б.И. Далматова; 2-е изд. – М.; Изд-во АСВ; СПб;
СПбГАСУ, 2001 440 с.
5. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. /Госстрой СССР. М.:
ЦИТП Госстроя СССР, – 1985.
6. Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс). – М.: Высшая школа,
1983 – 287 с.
14