Фундаменты мелкого заложения опор мостов

Курсовая работа: Проектирование фундаментов мелкого и глубокого заложения под промежуточные опоры мостов

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Строительные конструкции и материалы»

Курсовой проект по дисциплине

«ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ»

на тему: «Проектирование фундаментов мелкого и глубокого заложения под промежуточные опоры мостов»

Выполнила: студентка гр.264

Принял: Травин А.В.

1. Исходные данные

2. Проектирование фундамента мелкого заложения

2.1 Определение минимально возможной глубины заложения фундамента и его высоты

2.1.1 Определение глубины заложения фундамента, возводимого на водотоке

2.1.2 Определение высоты фундамента

2.2. Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний

2.2.1 Расчёт по несущей способности основания

2.2.1.1 Определение размеров подошвы фундамента h_f , b и l

2.2.1.2 Определение расчётного сопротивления грунта основания осевому сжатию

2.2.1.3 Определение расчётных нагрузок на фундамент

2.2.2 Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания

2.3 Расчёт основания и фундамента по второй группе предельных состояний

2.3.1 Определение осадки основания фундамента

2.3.2 Определение крена фундамента

3. Проектирование фундамента глубокого заложения

3.1 Определение глубины заложения ростверка и его размеров

3.2 Выбор длины и размеров поперечного сечения свай

3.3 Определение несущей способности сваи

3.4 Размещение свай под подошвой ростверка

3.5 Определение расчётной нагрузки на сваю

4. Технико-экономическое сравнение вариантов фундамента

Целью данного курсового проекта является проектирование фундаментов мелкого и глубокого (свайного) заложения под промежуточные опоры мостов.

Рис. 1.1. Конструктивная схема моста с жёстким фундаментом мелкого заложения под промежуточную опору: УМВ – уровень меженных вод; NL – отметка поверхности природного рельефа; FL – отметка подошвы фундамента; WL – отметка уровня подземных вод; l – расчётный пролёт

Рис. 1.2. Конструктивная схема моста с фундаментом глубокого заложения (свайным) с низким жёстким ростверком под промежуточную опору. УМВ – уровень меженных вод; l – расчётный пролёт

Исходными данными для выполнения курсовой работы являются:

— инженерно-геологические условия района строительства , которые принимаются по результатам ранее выполненной курсовой работой по механике грунтов;

— физико-механические характеристики грунтов основания , численные значения которых принимаются по результатам ранее выполненной курсовой работы по механике грунтов;

— конструкция промежуточной опоры и фундамента под неё принимаются по рисункам 2.1 и 2.2;

— схема приложения нагрузок на промежуточную опору и фундамент принимается по рисунку 2.3;

— нормативные нагрузки на промежуточную опору и фундамент принимаются по таблице 2.1;

— расчётный пролёт (l ), высота опоры (h_оп ), коэффициент для определения и глубина размыва грунта (h_р ) принимаются по таблице 1.

2 . Проектирование фундамента мелкого заложения

Конструкция фундамента мелкого заложения и основные параметры, её определяющие, приведены на рис.2.1 . Такие фундаменты проектируются монолитными из бетона класса не ниже В15.

2.1 Определение минимально возможной глубины заложения фундамента и его высоты

Глубина заложения фундаментов определяется:

— инженерно-геологическими условиями площадки строительства;

— возможным размывом грунта у фундамента при возведении его в русле реки (на водотоке.);

— глубиной сезонного промерзания грунтов;

— нагрузками, передаваемыми фундаментом на грунты основания.

Вместе с тем, глубина заложения фундамента должна быть такой, чтобы надёжная и безопасная эксплуатация сооружения обеспечивалась при минимальных затратах на возведение фундаментов.

Таблица 1 Исходные данные

Номер варианта 0

Нормативная нагрузка от собственного веса конструкций пролётных строений G n _пр.с. , кН

Нормативная нагрузка от подвижного состава P n , кН

Нормативная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги Т n , кН

Номер варианта 2

Расчётный пролёт l, м

Высота опоры h_оп. , м

Глубина размыва грунта h_р , м

Выполнение этого условия, при заданной конструкции фундамента, достигается за счёт рационального выбора наименьшей (из возможных) глубины его заложения. При этом следует учитывать, cуглинок с показателем текучести I_L =0.96 нельзя брать в качестве несущего слоя. Такой грунт должн прорезаться фундаментом до слоя надёжного грунта-песка, который и принимается за несущий. В выбранный несущий слой грунта фундамент должен быть заглублен не менее чем на 0,5 м.

2.1.1 Определение глубины заложения фундамента, возводимого на водотоке

По инженерно-геологическим условиям площадки строительства

Исходя из инженерно-геологических условий минимальная глубина заложения фундамента d (рис.1.1а) будет:

где h_{нес. сл.} – глубина подошвы слоя, предшествующего несущему, м.

При возможности размыва грунта фундамент мостовой опоры должен быть заглублен не менее чем 2,5 м от дна водотока после его размыва расчётным паводком.

Исходя из возможности размыва грунта, глубина заложения фундамента d (рис.1.1а) будет:

где h_w — глубина водотока (рис.1.1а), м;

h_p — глубина размыва грунта, принимаемая по табл.1, м.

2.1.2 Определение высоты фундамента

Высота фундамента h_f определяется как разность отметок его подошвы и обреза и находится из выражения:

где d – глубина заложения фундамента, м; d_обр. – расстояние от условной нулевой отметки до обреза фундамента, принимаемое равным: h_{f =} 4,6-0,5=4,1 для фундаментов, возводимых на водотоке d_обр = 0,5 м;

2.2 Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний

В соответствии с п.7.5[2], расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний – это расчёты по несущей способности основания и устойчивости фундамента против опрокидывания. Прочность и устойчивость конструкций жёстких фундаментов мелкого заложения по материалу обеспечивается, как правило, выполнением конструктивных требований при назначении их размеров.

2.2.1 Расчёт по несущей способности основания

2.2.1.1 Определение размеров подошвы фундамента h_f , b и l

Размеры подошвы фундамента связаны с его высотой h_f , исходя из геометрических соображений и Рис.2.1, следующими простыми соотношениями:

где b_o и l _o – ширина и длина фундамента в уровне обреза, принимаемые по рис.2.1, м.

Из соотношений (2.5) следует, что при заданной высоте фундамента размеры подошвы могут быть минимальными при a = 0 и максимальными при a = 30 о . В первом случае размеры подошвы будут совпадать с размерами фундамента по обрезу, а боковые грани будут без уступов.

Однако основное исходное условие для выбора размеров подошвы фундамента – обеспечение надёжной и безопасной работы сооружения (в данном случае моста). Для этого необходимо, чтобы при соблюдении соотношений (2.5) среднее давление р под подошвой фундамента от внешних нагрузок не превышало бы расчётного сопротивления грунта основания R, при этом максимальное давление p_max не должно превышать 1,2R, а минимальное p_min не должно быть растягивающим, чтобы не было отрыва подошвы от основания.

Исходя из приведенных выше соображений и в соответствии с требованиями п.п. 7.7, 7.8 [2] будем иметь:

где p, p_max , p_min – среднее, максимальное и минимальное давление под подошвой фундамента (рис.2.3), определяемые по формулам, кПа:

p = N / A = N / (b*l ); (2.7)

R – расчётное сопротивление грунта основания осевому сжатию, определяемое по формуле (2.10), кПа;

g_n – коэффициент надёжности по назначению сооружения, принимаемый равным1,4;

N — суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы, определяемая по формуле(2.18), кН;

Т — расчётная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги, определяемая по формуле (2.13), кН;

W – момент сопротивления площади подошвы фундамента относительно оси, проходящей через её центр тяжести и параллельной длинной стороне фундамента;

b, l – размеры подошвы фундамента, м;

h_оп. , h_f – высота опоры и фундамента, м.

Таким образом, в общем случае для определения размеров подошвы фундамента требуется совместное решение уравнений (2.5) – (2.9). Реализация такого подхода весьма трудоёмка, поскольку приводит к необходимости решения громоздких уравнений третьей степени. В связи с этим в практике проектирования задача определения размеров подошвы фундаментов решается более простым способом – методом последовательных приближений.

Порядок решения следующий.

1. Определяем высоту фундамента h_f по формуле (2.4) при минимально возможной глубине заложения d.

2. Определяем размеры подошвы фундамента по формулам (2.5) при a = 0, т.е. наименьшие. Размеры подошвы фундамента связаны с его высотой h_f , исходя из геометрических соображений и Рис.2.1, следующими простыми соотношениями:

где b_o и l _o – ширина и длина фундамента в уровне обреза, принимаемые по рис.2.1, м.

2. По полученным значениям h_f , b и l по формуле (2.10) определяем расчётное сопротивление грунта основания осевому сжатию R.

В соответствии с обязательным приложением 24 [2] расчетное сопротивление основания из нескального грунта осевому сжатию R, кПа, под подошвой фундамента мелкого заложения следует определять по формуле:

где R_о — условное сопротивление грунта, кПа, равное 147 кПа;

b — ширина подошвы фундамента, м;

d — глубина заложения фундамента, м;

g — осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента; допускается принимать g = 19,62 кН/м 3 ;

k₁ , k₂ — коэффициенты, принимаемые 0.08 и 2.5 соответственно.

3. По этим же значениям h_f , b и l по формуле (2.18) определяем суммарную вертикальную расчётную нагрузку на фундамент N.

В общем случае на фундамент промежуточной опоры моста действуют, в различных сочетаниях, 18 нагрузок и воздействий. Нормативные величины постоянных и временных нагрузок от пролётных строений, приведенные к опорным реакциям G n _пр.с. , P n и Т n , даны в табл.1. Их расчётные значения определяются следующим образом:

P = g_f (1 + m)P n ; (2.12)

Т = g_f (1 + m)Т n , (2.13)

где g_f – коэффициенты надёжности по нагрузке, принимаемые, в соответствии с п.2.10 [2], для постоянных нагрузок от собственного веса пролётных строений g_f – 1,1; для временных вертикальных нагрузок от подвижного состава g_f – 1,18; для временных горизонтальных нагрузок g_f — 1,12;

(1 + m) – динамический коэффициент к нагрузкам от подвижного состава, принимаемый, в соответствии с п.2.22 [2], равным:

(1 + m) = 1 + 18 / (30 + l), (2.14)

где l — длина загружения, принимаемая равной 2 l , м;

l – расчётный пролёт моста, принимаемый по табл.1, м.

Расчётная нагрузка от собственного веса опоры определяется по формуле:

Где g_f – коэффициент надёжности по нагрузке, принимаемый g_f = 1,1;

А_оп = p*1,3 2 + 2,6*7,2 – площадь поперечного сечения опоры (рис.2.1.), м 2 ;

h_оп. – высота опоры, принимаемая по табл.1, м.

Если фундамент заложен в песках, при определении G_ф.гр , необходимо учитывать взвешивающее действие воды на грунты и части фундамента, расположенные ниже уровня поверхностных (межевых) вод. В этом случае формула примет вид:

Где g_f – коэффициенты надёжности по нагрузке, принимаемый g_f =1,2;

b, l , d – размеры подошвы фундамента и глубина его заложения, м;

g_ср – средний удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах, принимаемый

где g_w – удельный вес воды, равный 10 кН/м 3 ;

h_w – расстояние от уровня межевых или подземных вод до подошвы фундамента или верхней границы несущего слоя грунта, если он сложен суглинками и глинами.

Таким образом, суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы будет равна:

5. Используя полученные значения N, h_f , b и l по формулам (2.7) — (2.9) определяем p, p_max , p_min и проверяем условия (2.6).

Исходя из приведенных выше соображений и в соответствии с требованиями п.п. 7.7, 7.8 [2] будем иметь:

где p, p_max , p_min – среднее, максимальное и минимальное давление под подошвой фундамента (рис.2.3), определяемые по формулам, кПа:

p = N / A = N / (b*l ) (2.7)

p =21750,18/8,33*15,53=168,14 кПа;

p_max =168,14+215,13*(6,4+4,11)/(15,53*8,33 2 )/6=180,73 кПа;

R – расчётное сопротивление грунта основания осевому сжатию, определяемое по формуле (2.10), кПа;

g_n – коэффициент надёжности по назначению сооружения, принимаемый равным1,4;

N — суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы, определяемая по формуле(2.18), кН;

Т — расчётная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги, определяемая по формуле (2.13), кН;

W – момент сопротивления площади подошвы фундамента относительно оси, проходящей через её центр тяжести и параллельной длинной стороне фундамента;

b, l – размеры подошвы фундамента, м;

h_оп. , h_f – высота опоры и фундамента, м.

2.2.2 Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания

Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания, согласно п.1.40 [2] заключается в проверке условия

где M_u – момент опрокидывающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания) проходящей через точку О (рис.2.3.) и параллельной большей стороне фундамента, кН*м;

M_z – момент удерживающих сил относительно той же оси, кН*м;

m – коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,8;

g_n – коэффициент надёжности по назначению, принимаемый равным 1,1.

Опрокидывающий момент M_u , определяется (рис.2.3.) по формуле:

Где Т — расчётная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги, определяемая по формуле (2.13), кН;

h_оп. , h_f – высота опоры и фундамента соответственно, м.

Удерживающий момент M_z определяется (рис.2.3.) по формуле:

где N- суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы,

кН, определяемая по формулам (2.11) ¸ (2.18) при коэффициенте надёжности

b – ширина подошвы фундамента, м.

Если условие (2.19) выполняется, следовательно, устойчивость фундамента против опрокидывания обеспечена, а его размеры достаточны. Они и принимаются как окончательные.

В противном случае следует увеличить ширину подошвы фундамента b в 1,1 M_u / M_z раза. По полученной величине b из соотношений (2.5) находят соотвествующую высоту h_f .

Определённые таким образом размеры фундамента принимаются как окончательные, а расчёт по первой группе предельных состояний на этом завершается, поскольку обеспечено соблюдение условий (2.6) и (2.19), гарантирующих безопасную и надёжную работу и основания, и фундамента.

2261,02 / d — вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента, кПа;

Рис. 3.1. Схема распределения вертикальных напряжений в линейно деформируемом полупространстве: NL — отметка поверхности природного рельефа; FL — отметка подошвы фундамента; WL — уровень подземных вод; В,С — нижняя граница сжимаемой толщи; d — глубина заложения фундамента от уровня поверхности природного рельефа; b — ширина фундамента; Н_с – глубина сжимаемой толщи; р — среднее давление под подошвой фундамента; р₀ — дополнительное давление на основание; s_zg и s_{zg ,0} – вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; s_zp и s_{z ð,0} – вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы.

g / — удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента (при заложении подошвы фундамента в песках необходимо учитывать взвешивающее действие воды на грунты, расположенные ниже уровня поверхностных (межевых) вод); в работе разрешается принимать по наибольшему значению для грунтов, расположенных выше подошвы, кН/м 3 ;

d – глубина заложения фундамента, принимаемая по результатам расчёта по первой групппе предельных состояний, м.

5. Определяются вертикальные напряжения от собственного веса грунта s_zg на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента по формуле:

где g_i и h_i — соответственно удельный вес и толщина i-го слоя грунта.

Вычисление осадки фундамента s рекомендуется выполнить в табличной форме (табл.2).

Номер элементарного слоя, i

К построению эпюры s_zp

К построению эпюр s_zg и 0,2s_zg

Источник