Методические указания по проектированию фундаментов мостовых опор и береговых устоев

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Методические указания по проектированию

фундаментов мостовых опор и береговых устоев

Издательство

Иркутского Государственного Технического Университета

2006

Основания и фундаменты
. Метод. указания. Составил Арефьев М.Ф. – Иркутск: ИрГТУ, 2006. - 29с.

Изложены основные положения проектирования фундаментов мелкого заложения и свайных под мостовые опоры и береговые устои, а также методы расчета деформаций оснований.

Могут быть использованы студентами заочной и очной форм обучения специальности 291000 «Автомобильные дороги и аэродромы» при курсовом и дипломном проектировании.

Библиогр. 8 назв. Ил. 6. Табл. 1.

Рецензент:
доцент кафедры строительного производства ИрГТУ, канд. техн. наук. П.А. Шустов.

Оглавление

1.	Объем и содержание курсовой работы	4
2.	Определение действующих нагрузок	4
3.	Оценка инженерно-геологических условий	5
4.	Разработка вариантов фундаментов	6
	4.1. Расчет фундамента мелкого заложения на естественном основании	6
	4.1.1. Выбор глубины заложения фундамента	6
	4.1.2. Выбор отметки обреза фундамента	7
	4.1.3. Определение размеров фундамента	8
	4.1.4. Расчет осадки фундамента	11
	4.1.5. Определение размеров подошвы фундамента при наличии подстилающего слоя слабого грунта	13
	4.2. Расчет свайного фундамента	14
	4.2.1. Выбор способа производства по сооружению ростверка, назначение его размеров	15
	4.2.2. Выбор типа, длины и сечения сваи	15
	4.2.3. Определение несущей способности свай	16
	4.2.4. Определение требуемого количества свай и размещение их в ростверке	18
	4.2.5. Проверка усилий в сваях ростверка	19
	4.2.6. Расчет осадки свайного фундамента	20
	Приложение 1. Укрупненные единичные расценки на земляные работы, устройство фундаментов и искусственных оснований (значения относительные)	23
	Список литературы	24

1. Объем и содержание курсовой работы

Курсовое проектирование должно способствовать закреплению, углублению и обобщению знаний, полученных студентами за время обучения, и применению этих знаний к комплексному решению конкретной инженерной задачи. Во время курсового проектирования студент должен научиться пользоваться справочной литературой, ГОСТ, СНиП, едиными нормами и расценками, таблицами, типовыми проектами и др.

Задание на курсовую работу выдается студенту на кафедре и содержит: геодезический профиль русла реки по оси мостового перехода, геологический разрез в месте возведения опоры; таблицу определения физико-механических свойств грунтов; чертеж опоры моста со схемой действующих на нее нагрузок с указанием расчетных проектов и габаритов моста.

Курсовая работа разрабатывается в виде проекта фундамента опоры или берегового устоя мостового перехода и должна состоять из расчетно-пояснительной записки на 15-20 страницах и вкложенных в записку чертежей.

В пояснительной записке даются обоснование принятых решений и расчеты в соответствии с заданием. При выполнении курсовой работы необходимо:

1. Охарактеризовать сооружение (мостовой переход) в целом и опору, береговой устой, фундаменты, под которые проектируются. При этом определяются расчетные нагрузки для расчета по I-му и II-му предельным состояниям;

2. Оценить инженерно-геологические условия и свойства грунтов, рассчитать сопротивление грунтов основания;

3. Рассчитать варианты массивного фундамента на естественном основании, устраиваемого за шпунтовым ограждением и вариант фундамента на сваях с низким ростверком;

4. Произвести ориентировочное технико-экономическое сравнение вариантов и принять экономичный для проектирования;

5. Наметить схему производства работ для принятого варианта, сделать выводы с обоснованием его преимуществ и указанием его особенностей.

Графическая часть может выполняться на миллиметровой бумаге и должна содержать: опору моста (береговой устой) с принятым вариантом фундамента с указанием основных размеров конструкций (масштаб 1:100, 1:200); конструктивные чертежи в двух-трех проекциях выбранного варианта фундамента (масштаб 1:50, 1:100); схему организации работ по возведению фундамента опоры.

Чертеж выполняется в соответствии с общими требованиями к техническому черчению.

2. Определение действующих нагрузок

Подсчет нагрузок до обреза фундамента осуществляется в основном по общим правилам.

Нагрузки на основание можно определять без учета их перераспределения надфундаментной конструкцией и принимать в соответствии со статической схемой сооружения.

Нагрузки, воздействия, их сочетания и коэффициенты надежности по нагрузке должны приниматься в соответствии с [6].

Вес фундаментов, свай определяется по размерам. Удельные веса материалов принимаются по справочникам.

Нагрузки собираются до обреза фундамента, ниже обреза (вес фундамента, грунта и др.) определяются при расчете фундамента.

Все расчеты оснований должны производиться на расчетные значения нагрузок, которые определяются как произведение их нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке .

Расчет оснований по деформациям производится на основное сочетание нагрузок; по несущей способности – на основное сочетание, а при наличии особых нагрузок и воздействий – на основное и особое сочетание.

Фундаменты промежуточных опор мостов рассчитывают на нагрузки, действующие как вдоль, так и поперек оси моста в наиболее невыгодных сочетаниях.

Фундаменты мостовых устоев рассчитывают, как правило, на нагрузки, действующие вдоль оси моста.

3. Оценка инженерно-геологических условий

На основании полученных исходных данных в пояснительной записке следует осветить климатические особенности района строительства, определить нормативную и расчетную глубины промерзания [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 , принятому согласно [4, прилож.3].

По данным лабораторных определений плотности частиц грунта (г/см3
), плотности грунта (г/см3
) и влажности (доли единицы) определяется коэффициент пористости грунта

или ,

где – плотность сухого грунта, г/см3
.

По , согласно [3, табл.2], устанавливается плотность сложения песчаного грунта.

Степень влажности определяется по формуле

,

где – плотность воды, принимается равной 1,0 г/см3
.

В соответствии со значением числа пластичности по [3, табл. 2] устанавливается наименование вида глинистого грунта (супесь, суглинок, глина), где и – влажности на границе текучести и раскатывания.

Коэффициент пористости глинистого грунта определяется так же, как песчаного.

Показатель текучести (консистенции) .

4. Разработка вариантов фундаментов

При проектировании оснований и фундаментов можно предложить ряд вариантов конструктивных решений. Так, например, можно рассматривать варианты с различными типами фундаментов или варианты с различными отметками подошвы фундамента, учитывая при этом несущую способность грунтов основания, принимать различные типы оснований (естественное, искусственное). Намечать и рассматривать нужно только целесообразные варианты. Дорогие, трудные в производстве работ и т.п. рассматривать не следует.

Проектные решения должны быть рассчитаны на одинаковые нагрузки для одних и тех же грунтовых условий и в равной мере отвечать условиям эксплуатации. Технико-экономическое сравнение вариантов должно производиться по приведенным затратам применительно к району строительства. При одинаковой долговечности конструкций фундаментов допустимо основное сравнение вариантов произвести по стоимости. Экономическое сравнение вариантов можно производить по укрупненным показателям, приведенным в приложении № 1, или по литературным данным.

Если при различных вариантах проектных решений фундаментов изменяются объемы работ по смежным конструктивным элементам или их частям, то необходимо учитывать разницу в затратах по этим смежным элементам. Окончательный вариант принимается с учетом его технологичности при производстве работ. По принятому варианту выполняется графическая часть курсовой работы.

4.1. Расчет фундамента мелкого заложения на естественном основании

4.1.1. Выбор глубины заложения фундамента

Глубина заложения фундамента является одним из основных факторов, обеспечивающих необходимую несущую способность основания.

При выборе глубины заложения подошвы фундамента по [4, п.2.25] обычно стремятся принимать минимальную, так как этим можно добиться наименьшей, как правило, стоимости устройства фундаментов, однако, необходимо выбрать достаточно прочный слой грунта, способный воспринять нагрузки от фундамента.

Если прочный слой залегает глубоко под прослойками слабого грунта (торф, ил, глинистый грунт с показателем текучести JL
>0.6 и т.п.), нужно рассматривать возможность их упрочения искусственными приемами (песчаная подушка, гидровиброуплотнение, химические методы закрепления).

Глубина заложения фундамента должна быть достаточной для надежной работы основания из условия его расчета по предельным состояниям и исключения возможности промерзания пучинистого грунта под подошвой фундамента, что обеспечивается заглублением фундамента ниже расчетной глубины промерзания на 0,25 м, защитными мероприятиями согласно [4, п.п.2.26-2.33].

При проектировании фундаментов опор моста должен учитываться возможный наинизший уровень дна у опор с учетом общего и местного размывов.

Глубина заложения фундаментов на естественном основании от отметки дна с учетом наибольшего размыва при расчетном паводке должна быть не менее 2,5 м.

При назначении глубины заложения фундаментов всех опор моста необходимо учитывать тип реки и характер природных русловых деформаций. Для различных меандрирующих рек, у которых русла могут перемещаться от одного устоя моста к другому, глубина заложения всех промежуточных опор должна быть взята одинаковой по максимальной глубине после общего и местного размывов. Если река не меняет русла, заглублять фундаменты опор моста на максимальное значение надо на том участке русла, где эта глубина может образоваться. Глубину заложения пойменных опор устанавливают по максимальной глубине после размывов, определенных для пойменного участка.

При выборе глубины заложения фундаментов вновь проектируемых сооружений по соседству с существующими приходится считаться с глубиной заложения фундаментов последних. Глубина заложения вновь строящихся фундаментов должна быть обоснована расчетами на устойчивость основания под существующими фундаментами. В ряде случаев минимальную глубину заложения определяют с учетом необходимой конструктивной высоты фундамента. В нескальных, непучинистых грунтах при отсутствии размыва глубина заложения фундаментов искусственных сооружений должна быть не меньше 1,0 м.

В скальных грунтах подошва фундамента заглубляется не менее чем на 0,25 м в прочные невыветриваемые слои.

4.1.2. Выбор отметки обреза фундамента

Для фундамента опоры моста отметку плоскости обреза назначают обычно на 0,5 м ниже горизонта самых низких вод. На реках со значительным ледоходом в ряде случаев отметку обреза выбирают ниже горизонта низкого ледохода с учетом толщины льда с тем, чтобы давление льда не передавалось непосредственно на фундамент, а целиком воспринималось опорой, которая имеет меньшую ширину по сравнению с фундаментом и заостренную форму, лучше сопротивляющуюся давлению льда.

Обрез фундамента сооружения, возводимого на местности, не покрытой водой, назначают на 0,1-0,15 м ниже отметки поверхности грунта.

4.1.3. Определение размеров фундамента

Конструкция фундамента по соображениям производства работ должна быть наиболее простой. Подошве фундамента при предварительных расчетах придается прямоугольная или круглая форма.

Высота фундамента назначается по конструктивным соображениям исходя из принятой глубины заложения и отметки плоскости обрезов.

Минимальные размеры фундамента в плане bmin
и lmin
, зависящие от размеров сечения опоры b
оп
и l
оп
на уровне обреза фундамента должны быть не менее:

;

,

где с
– ширина обреза для фундаментов опор мостов мелкого заложения принимается в пределах 0,2-0,5 м. Ее назначение – компенсировать возможности неточности разбивки и возведения фундамента.

При расчете оснований по деформациям среднее давление по подошве фундамента от нагрузок, подсчитанных в соответствии с требованиями [4, п.п.2.5-2.9], не должно превышать расчетного сопротивления (кН/м2
или кПа) грунта основания (рис.1), определенного по [4, формула (7)]

Поскольку величина расчетного сопротивления зависит от ширины подошвы фундамента, то для предварительного определения размеров площади подошвы фундамента, согласно [4, п.2.42], можно пользоваться формулой

,

где – суммарная расчетная нагрузка по обрезу фундамента при расчете по деформациям, кН;

– расчетное сопротивление грунта основания, принятое в соответствии с требованиями, изложенными в [4, прил.3], кПа;

– средний удельный вес материала фундамента и грунта на обрезах в пределах объема ABCD обычно принимается с учетом взвешивающего действия воды равным 11-13 кН/м3
. Если фундамент устраивается в плотных глинистых грунтах, которые относятся к водоупорам, принимается 20-24 кН/м3
;

– высота фундамента, м.

Предварительную ширину (м) прямоугольной подошвы фундамента находят из выражения

,

где – коэффициент отношения размеров большей стороны прямоугольной подошвы фундамента к меньшей (ширине).

Округлив размеры подошвы с учетом модульности и унификации, определяют расчетное сопротивление грунта основания по [4, формула (7)].

После определения R
определяется окончательная площадь фундамента

и назначаются размеры подошвы b
и l
, м.

Если по расчетному сопротивлению R
размеры фундамента резко отличаются от предварительно определенных размеров, то проводятся повторные расчеты последовательного приближения b
пр
к величине b
.

По принятым размерам определяют объем фундамента (Vf
), вес (Gf
) и вес грунта на обрезах фундамента

,

где b
,
l
и hf
– принятые размеры подошвы и высоты фундамента, м;

– средний удельный вес грунта обратной засыпки, кН/м3
.

Проверяется условие

Расчет внецентренно нагруженного фундамента ведется методом последовательного приближения. При этом размеры подошвы фундамента, расчетное сопротивление рекомендуется сначала определять как для фундамента центрально нагруженного по методике, изложенной выше, но полученное ориентировочное значение площади подошвы обычно увеличивают на 10-20% и более в зависимости от эксцентриситета внешних сил.

Давление на грунт у края подошвы фундамента, вычисленное в предположении линейного распределения давления под подошвой при нагрузках, принимаемых для расчета оснований по деформациям, не должно превышать:

· для максимального краевого давления при эксцентриситете относительно главной оси инерции подошвы фундамента ;

· для максимального давления под углом фундамента .

Не допускается отрыв подошвы фундамента от грунта при основном сочетании нагрузок, что достигается соблюдением условия

.

Рекомендуется для фундаментов с большими нагрузками выполнять условие

Последние два условия могут удовлетворяться при плотных грунтах, когда исключено существенное развитие крена фундамента, а также разжижение грунтов, испытывающих попеременно нагрузку и полную разгрузку под частью подошвы фундамента.

В общем случае, если момент действует относительно обеих главных осей инерции фундамента, краевые напряжения определяются по формуле

,

где ,

Когда момент действует относительно одной оси (), формула имеет вид

,

где е
– эксцентриситет равнодействующей относительно центра тяжести подошвы фундамента, м;

b
– размер подошвы фундамента в плоскости действия момента, м.

Необходимо стремиться, чтобы от постоянных и длительно действующих временных нагрузок давление было по возможности равномерно распределено по подошве.

4.1.4. Расчет осадки фундамента

Расчет оснований по деформациям производится исходя из условия

,

где S
– величина деформации основания, определяемая расчетом согласно [4, прил.2];

S
u
– предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемое в соответствии с указаниями [4, п.п.2.51-2.55].

Рекомендуется следующий порядок выполнения расчета осадки методом послойного элементарного суммирования:

· на геологический разрез строительной площадки в месте возведения сооружения наносятся контуры фундамента;

· определяется среднее давление PII
под подошвой фундамента (кПа);

· вычисляется вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента (кПа);

· определяется дополнительное (к напряжению от собственного веса грунта) давление (кПа) в плоскости подошвы фундамента из выражения:

;

· строится эпюра дополнительного давления по глубине толщи основания (ниже подошвы фундамента) с использованием указаний [4, прил.2], для чего основание ниже подошвы фундамента разбивается на элементарные слои hi
из условия

,

где b
– ширина подошвы фундамента;

· строится эпюра напряжений от собственного веса грунта по глубине толщи основания, где удельный вес грунта следует определять с учетом взвешивающего действия воды, а напряжения в водонепроницаемых слоях определяются с учетом давления вышележащего слоя воды;

Рис. 3. Схема для расчета осадок методом суммирования.

Г.М.В. – отметка горизонта меженных вод; Г.М.Р. – отметка глубины

максимального размыва; FL – отметка подошвы фундамента;

В.С. – нижняя граница сжимаемой толщи; PII
– среднее давление

под подошвой фундамента; P0
– дополнительное давление на основание;

и – дополнительное вертикальное напряжение от внешней

нагрузки на глубине Z
от подошвы фундамента и на уровне подошвы;

Hc
– глубина сжимаемой толщи

· устанавливаются глубина Hc
и нижняя глубина В.С. сжимаемой толщи по одному из условий

или

Осадка основания фундамента определяется методом послойного суммирования по формуле

,

где – безразмерный коэффициент, равный 0,8;

n
– число слоев, на которое разбита снимаемая толща основания;

– среднее значение напряжения в i
-том слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней и нижней границах слоя;

и – соответственно толщина и модуль деформации i
-го слоя грунта.

Вычисления рекомендуется производить в табличной форме.

4.1.5. Определение размеров подошвы фундамента

при наличии подстилающего слоя слабого грунта

Если в пределах сжимаемой толщи имеется слой слабого грунта (по прочностным характеристикам и ), залегающий ниже рабочего, на который опирается фундамент, то необходимо выяснить возможность развития зон пластических деформаций в пределах слабого слоя грунта. Для этого находится на глубине Z
от подошвы фундамента расчетное сопротивление слоя слабого грунта R
z
для условного фундамента, который как бы опирается на кровлю этого слоя (рис. 4).

Напряжение на рассматриваемой глубине Z
равно сумме напряжений, передаваемых на кровлю слабого грунта от нагрузки фундамента и напряжения от собственного веса грунта , то есть:

.

При этом ; ,

где – коэффициент изменения дополнительного давления по глубине основания, учитывающий форму подошвы фундамента, определяется по [4, табл.1, прил.2].

Размеры фундамента должны назначаться такими, чтобы обеспечить условие ,

где R
z
– расчетное сопротивление слабого грунта условного фундамента шириною b
y
по [4, формула (7)] согласно обозначениям рис. 4.

Здесь – коэффициент условий работы, равен , значения , и, следовательно, , , принимаются для слабого грунта согласно [4, п.2.41].

.

Здесь – половина разности длины и ширины прямоугольного фундамента, A
z
– площадь подошвы условного фундамента

.

Если расчет покажет, что условие не удовлетворяется, то, увеличивая размеры подошвы фундамента, задачу решают методом последовательного приближения.

4.2. Расчет свайного фундамента