Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Водопропускные трубы являются наиболее распространенным видом искусственных сооружений на дорогах. В среднем на каждые 1,35 км дороги приходится водопропускная труба.

Целью курсовой работы является приобретение студентами практических навыков по дисциплине «Основания и фундаменты» на примере проектирования основания и фундамента круглой сборной железобетонной водопропускной трубы под насыпью автомобильной дороги в районах сезонного промерзания грунтов.

Сущность курсовой работы состоит в привязке типового проектного решения сборного железобетонного фундамента трубы к заданным грунтово-гидрологическим условиям, заведомо требующим повышения прочности и устойчивости природного основания. При этом из известных способов создания искусственных оснований предлагается рассмотреть вариант замены слабого грунта природного основания на грунтовую подушку.

1. Исходные данные для проектирования

Варианты исходных данных приведены в табл. 1 и 2 и пояснены на рис. 1. в табл. 1 указаны варианты отметок слоёв геолого-литологического разреза по оси трубы. За нулевую отметку принята отметка лотка трубы по оси насыпи.

В каждом варианте задания основание трехслойное. Мощность третьего слоя следует считать неограниченной.

Физические и механические характеристики грунтов основания приведены в табл. 2.

Район строительства, категория дороги, высота насыпи, уклон лотка трубы и диаметр трубы приведены в бланке, прилагаемом к заданию.

Грунты основания условно следует считать двухфазными со степенью влажности Sr = 1. Отметка уровня воды (УВ) в трубе условно принимается по верху её внутреннего диаметра.

Таблица 1. Отметки слоёв грунтового основания

№ варианта	Дневная поверхность грунта, м	Подошва первого слоя грунта, м	Подошва второго слоя грунта, м
10	0,04	-2,4	-6,4

Район строительства: г. Томск; Уклон лотка трубы: i = 0.002

Категория дороги: II; Отверстие круглой трубы, м: 2.0

Высота насыпи, м: 4,2

Таблица 2. Варианты физических и механических характеристик грунтов основания

№ варианта	№ слоя основания	Вид грунта	Плотность частиц грунта s, т/м3	Природная влажность W	Влажность на границе раскатывания WP	Влажность на границе текучести WL	Модуль деформации E, МПа	Угол внутреннего трения I, град	Удельное сцепление сI, кПа
2	1 2 3	Суглинок Суглинок Глина	2,71 2,71 2,75	0,28 0,24 0,30	0,22 0,20 0,26	0,37 0,36 0,44	5 7,5 18	21 28 16	10 15 36

2. Проектирование основания и фундамента

2.1 Оценка грунтов основания

По исходным физическим характеристикам грунтов основания (табл. 2) рассчитываются их производные характеристики.

Для глинистого грунта вычисляют:

· коэффициент пористости

, (1)

где - плотность воды, принимаемая равной 1 т/м³;

· плотность грунта, т/м³,

; (2)

· удельный вес грунта, кН/м³,

, (3)

где g= 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

· удельный вес частиц грунта, кН/м³,

; (4)

· плотность грунта во взвешенном состоянии, т/м³,

; (5)

· удельный вес грунта во взвешенном состоянии, кН/м³,

(6)

· число пластичности

; (7)

· показатель текучести

. (8)

На основании ГОСТ 25100 [2] по найденному значению J_p уточняют разновидность глинистого грунта (супесь, суглинок, глина) (табл. П. 1.1), а по значению J_L - его консистенцию (табл. П. 1.2).

Для песчаного грунта вычисляют: коэффициент пористости е по выражению (1); плотность грунта по выражению (2); удельный вес грунта по выражению (3); удельный вес частиц грунта _s по выражению (4); удельный вес грунта во взвешенном состоянии _в по выражению (6).

Разновидность песков по степени плотности устанавливается в зависимости от его коэффициента пористости е по ГОСТ 25100 [2].

Результаты расчетов сводим в таблицу 3.

Таблица 3. Физические характеристики грунтов основания

№ слоя основания	Коэффициент пористости е	Плотность грунта , т/м3	Удельный вес грунта , кН/м3	Удельный вес частиц грунта s, кН/м3	Плотность грунта во взвешенном состоянии в, т/м3	Удельный вес грунта во взвешенном состоянии в, кН/м3	Число пластичности Jp	Показатель текучести JL	Разновидность грунта
1	0,76	1,97	19,35	26,59	0,97	9,54	0,15	0,40	Сугл.туг.
2	0,65	2,04	19,97	26,59	1,04	10,16	0,16	0,25	Сугл.туг.
3	0,83	1,95	19,27	26,98	0,96	9,41	0,18	0,22	Глина полутвердая.

Для глин и суглинков твердой и полутвердой консистенции удельный вес грунта во взвешенном состоянии _в не определяют, т. к. эти грунты считаются водонепроницаемыми.

2.2 Конструирование трубы

Для выбора конструктивных элементов трубы в соответствии с табл. П. 8.1 назначают номера блоков. По табл. П. 8.2_П. 8.4 назначают геометрические размеры звеньев, лекальных блоков фундамента, портальных стенок, откосных крыльев. Объём и масса выбранных элементов трубы приведены в табл. П. 8.5.

Параметры выбранных типовых конструкций элементов трубы необходимо свести в табл. 4.

Таблица 4. Параметры элементов трубы

Номер элемента трубы	Лекальный блок фундамента	Номер элемента трубы	Цилиндрическое звено
	l, см	bлб, см	Объём 1 м блока, м3		l, см	do, см	, см	Объём 1 м звена, м3
64	201	195	1,48	72	100	200	16	1,09

Исходя из заданных категории дороги, высоты насыпи и диаметра трубы, определяют её длину L_тр.

Минимальная длина трубы l_тр рассчитывается по формуле

l_тр = B+2 (H_н - d_о - ) m, (9)

где B - ширина земляного полотна, м, принимаемая по СНиП 2.05.02-85 [5] в зависимости от категории дороги (прил. 5) В = 15 м.; H_н - высота насыпи, равная 4,2 м; d₀ - отверстие трубы, равный 2,0 м; - толщина стенки, равная 0,16 м (табл. 4); m - коэффициент заложения откоса, назначаемый по СНиП 2.05.02-85 [5] (прил. 6), m = 1,5.

Тогда: l_тр = 15 + 2 (4,2 - 2 - 0,16) 1,5 = 21,12 м.

При этом необходимо, чтобы L_трl_тр.

Укрепление подводящего и отводящего русел - важнейший конструктивный элемент водопропускной трубы. Для территории II-V дорожно-климатических зон рекомендуется пять типов конструкции укрепления русел [8]. Тип укрепления русла назначают с учетом скорости протекания воды и допускаемых скоростей потока. При выполнении курсовой работы условно принимается вариант конструкции, приведенной на рис. 2.

Отметка обреза фундамента водопропускных труб назначается ниже отметки дневной поверхности грунта на 0,20 м (см. рис. 1).

Отметка подошвы фундамента назначается с учетом глубины промерзания в районе строительства.

Отметка подошвы оголовочного звена и открылков назначается на 0,25 м ниже расчетной глубины промерзания d_f.

Для районов, где глубина промерзания 2,5 м, её расчетное значение рассчитывается по формуле СНиП 2.02.01 [3]

, (10)

где d₀ - величина, принимаемая равной, м, для суглинков и глин - 0,23; супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28; M_t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме | T_M | абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур ^оС за зиму, принимаемых по СНиП 23.01-99 [6] (прил. 9); k_h - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима принимается равным 1,1.

2.3 Оценка несущей способности и сжимаемости грунтов основания

Несущая способность грунтов основания оценивается послойно сверху вниз (см. рис. 1).

Для первого слоя грунта значение R определяют на глубине d₁ = 3 м, если d₁ <3 м; при d₁ >3 м d₁ принимается равным расстоянию от середины насыпи (H_н/2) до середины первого слоя грунта основания, а для второго и третьего слоев грунта соответственно на уровне их кровли (d₂, d₃).

Для каждого i_го слоя грунта основания (нескального) определяют расчетное сопротивление осевому сжатию R согласно СНиП 2.05.03 [4]:

R_i =1.7 {R_oi [1+k₁ (b_лб - 2)]+k₂(d_i-3) (11)

где R₀ - условное сопротивление грунта, кПа, принимаемое по прил. 2 и 3 в зависимости от вида грунта и его физических характеристик (табл. 3); k₁ и k₂ - коэффициенты, принимаемые по прил. 4; d_i - глубина, м, на которой определяется R_i, принимаемая от середины высоты насыпи (см. рис. 1); - средний удельный вес слоев грунта, без учета взвешивающего действия воды принимается равным 19,62 кН/м³; b_лб - ширина подошвы лекального блока, м (табл. 4).

Грунты, у которых R₀ не нормируется, относятся к слабым. Они, как правило, не могут служить естественными основаниями фундаментов. В этом случае необходимо для улучшения основания проводить такие мероприятия, как замена грунта, улучшение его физико-механических свойств, применение свайных фундаментов. В курсовой работе рассматривается замена грунта.

d₁=3.3 м; R₀₁ =147 кПа; k₁₁= 0,02 м^-1; k₂₁= 1,5 м^-1;

d₂=4.5 м; R₀₂ =196 кПа; k₁₂= 0,04 м^-1; k₂₂= 2,0 м^-1;

d₃=8.5 м; R₀₃ =245 кПа; k₁₃= 0,04 м^-1; k₂₃= 2,0 м^-1;

Таким образом:

R₁ = 269,41 кПа; R₂ = 391,39 кПа; R₃ = 631,48 кПа;

Вывод: самый слабый слой грунта - 1 слой.

2.4 Определение нагрузок, действующих на основание фундамента трубы

Cогласно СНиП 2.05.03 [4], параметры фундамента мелкого заложения устанавливаются расчетами по первой группе предельных состояний на основе сочетания расчетных (постоянных и временных) нагрузок.

К постоянным нагрузкам относятся: давление от веса насыпи, собственный вес конструкции трубы и гидростатическое давление.

К временной нагрузке - давление от подвижной нагрузки.

Определение расчетного вертикального давления на звенья трубы от постоянных нагрузок веса насыпи [4]

Рис. 3. Схема к определению расчетного вертикального давления на звенья трубы от постоянных нагрузок

1. Расчетное вертикальное давление грунта на звенья трубы [4], кПа,

, (12)

где _f = 1,1 - коэффициент надежности по нагрузке; p - нормативное вертикальное давление, кПа.

Нормативное вертикальное давление грунта от веса насыпи на звенья

трубы определяют по формуле 4, кПа,

p_v=c_vнh_н, (13)

где h_н - высота засыпки от верха дорожного покрытия до верха звена, м; _н - удельный вес грунта насыпи, кН/м³, принимаемый 17,7кН/м³;

p_v=17,7*1,69*1,14=34,06 кПа

 (14)

Здесь:

. (15)

Если В_о >h_н /d, то следует принимать В_о=h_н /d; _n - нормативный угол внутреннего трения грунта засыпки трубы, равный 30 град; d - внешний диаметр звена водопропускной трубы, м; а - расстояние от основания насыпи до верха звена трубы, м; S - коэффициент, принимаемый равным 1,0; _п - коэффициент нормативного бокового давления грунта для звеньев трубы, определяемый по формуле

. (16)

1. Нагрузка от веса 1 п.м звена трубы, кН,

=V_звbf, (17)

где V_зв - объём 1 п.м звена, м³ (см. табл. 4); _b - удельный вес железобетона (24 кН/м³); _f - коэффициент надежности по нагрузке (_f =1).

2. Нагрузка от веса 1 п.м лекального блока фундамента, кН,

=V_лбbf, (18)

где V_лб - объём лекального блока, м³ (см. табл. 4).

4. Погонная нагрузка от гидростатического давления, кН (см. рис. 3),

_f, (19)

где d_о - внутренний диаметр трубы, м; _w - удельный вес воды (9,81 кН/м³).

Определение вертикального давления на звенья трубы от подвижной нагрузки

Расчетное вертикальное давление грунта от подвижного состава на звенья трубы вычисляют по формуле [4]

, (20)

где _f =1,0 - коэффициент надежности по нагрузке [4];

(1+) - динамический коэффициент, который при нагрузке НК_80 определяется по формуле [4]

(1+)=1,35-0,05d. (21)

(1+)=1,35-0,05*2,32= 1,23

Нормативное вертикальное давление, кПа, на звенья трубы от подвижной нагрузки вычисляют по формуле

 (22)

где - линейная нагрузка, определенная по СНиП 2.05.03 [4], для нагрузки НК_80 при высоте засыпки 1 м и более равна 186 кН/м; а₀ - длина участка распределения, определенная по СНиП 2.05.03 для нагрузки НК_80, при высоте засыпки 1 м и более равна 3 м; h_н - расстояние от верха дорожного покрытия до верха звена, h_н = 2,0 м.

2.5 Проверка ширины подошвы фундамента по прочности основания

Достаточность ширины подошвы фундамента b_лб определяют, исходя из обеспечения условия:

, (23)

где р - давление под подошвой фундамента, кПа; R - расчетное сопротивление грунта основания сжатию под подошвой фундамента, определенное по формуле (11); _n - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый для фундаментов труб равным 1,4.

Выполнение условия (23) достигается заменой слабой толщи грунта на грунтовую подушку, расчет параметров которой рассматривается в п. 2.7.

Расчетная вертикальная нагрузка P, действующая на уровне обреза фундамента, кН, составляет

(24)

где - нагрузка от веса 1 п.м звена трубы, определяется по формуле (17)_; - нагрузка от веса 1 п.м лекального блока фундамента определяется по формуле (18); - погонная нагрузка от гидростатического давления определяется по формуле (19); - определяется по формуле (12); - определяется по формуле (20); d= d_o+ 2 - внешний диаметр трубы, равный 2,32 м;

2.6 Проверка несущей способности подстилающего слоя

Проверку несущей способности подстилающего слоя грунта следует производить исходя из условия, регламентируемого СНиП 2.05.03 [4] (рис. 5):

(25)

где p - давление на грунт, действующее под подошвой фундамента, кПа, см. формулу (23); - среднее (по слоям) значение расчетного удельного веса грунта, расположенного над кровлей проверяемого подстилающего слоя грунта (допускается принимать =19,62 кН/м³); h - заглубление подошвы фундамента от дневной поверхности грунта, равная 0,47 м; z_i - расстояние от подошвы фундамента до поверхности проверяемого подстилающего слоя грунта, равное 1,53 м; - коэффициент затухания напряжений, принимаемый по прил. 7, равный 0,699; R - расчетное сопротивление подстилающего грунта, кПа, определенное на глубине расположения кровли проверяемого слоя грунта по формуле (11); _n - коэффициент надёжности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,4.

Рис. 4. Схема к проверке несущей способности подстилающего слоя:

H_H - высота насыпи, равная 4,1 м;

h - глубина заложения фундамента, равная 0,47 м;

_zc- интенсивность давления от сооружения на уровне кровли подстилающего слоя; _пс - природное давление на уровне кровли подстилающего слоя; 1_эпюра дополнительного давления от сооружения _zc; 2 - эпюра природного давления грунта _пc; 3 - кровля слабого слоя грунта; 4 - подошва слоя грунта

При проверке несущей способности подстилающего слоя грунта от давления фундамента водопропускной трубы формула (25) имеет вид:

(26)

где _пс - природное давление грунта (см. рис. 5), определяемое по формуле:

_пс =(z_i+ h)₁, (27)

_пс =(1,96 + 0,44)*19,35=38,66кПа,

где: ₁ - удельный вес грунта первого слоя, равный 19,33 кН/м³;

_zc - давление от сооружения, рассчитываемое по формуле:

, (28)

где: Р определено по формуле (24).

2.7 Расчет параметров грунтовой подушки

Грунтовая подушка воспринимает давление от фундамента, передает его нижележащему грунту, распределяя на большую площадь.

При устройстве грунтовых подушек используют крупнозернистые и среднезернистые пески, щебень, гравий, техногенные грунты.

В курсовой работе рассматривается грунтовая подушка из песка, для которого модуль деформации Е составляет: крупнозернистый песок - Е = 30 МПа; среднезернистый - Е = 20 МПа.

Коэффициент уплотнения грунтовой подушки должен составлять не менее 0,95, а плотность - _П =2,0 т/м³.

При заложении оголовков труб на дренирующую грунтовую подушку необходимо предусматривать противофильтрационный экран. В курсовой работе экран из рассмотрения исключен.

При расчете грунтовой подушки определяют ее высоту h_n и ширину в плане. Высоту подушки находят из условия обеспечения её прочности (рис. 6):

, (29)

где - удельный вес грунта слабого слоя, равный 19,33 кН/м³; - коэффициент, принимаемый по прил. 7, равный 0,699; _гп - удельный вес грунта подушки, равный 19,62 кН/м³; h - заглубление подошвы фундамента, равная 0,47 м; R - несущая способность грунта, расположенного ниже подушки, определенная по формуле (11).

h_п принимаем равной 1,0 м.

Тогда, подставляя все найденные значения в формулу (29), условие обеспечения будет иметь вид:

Ширину песчаной подушки b_п, для удовлетворения приведенных выше требований определяют по формуле:

 (30)

где угол (рис. 5) для среднезернистого песка равен 30⁰, крупнозернистого песка - 45⁰.

Рис. 6. Схема к определению высоты h_п и b_п грунтовой подушки

Длину песчаной подушки определяют по формуле:

(31)

Крутизна откоса котлована под подушку m зависит от вида грунта и глубины котлована (табл. 5).

Таблица 5. Наибольшая крутизна откоса котлована (извлечение из СНиП 3.02.01-87 [7]) (1:m)

Вид грунта	Глубина котлована, м
	до 1,5	1,5…3	3…5
Песок Супесь Суглинок Глина	1:0,50 1:0,25 1:0 1:0	1:1 1:0,67 1:0,50 1:0,25	1:0,25 1:0,85 1:0,75 1:0,50

Принимаем m = 0,50, т. к. глубина котлована равна 2.0 м, вид грунта-суглинок

3. Расчет осадки фундамента. Назначение величины строительного подъёма лотка трубы

Расчет осадки фундамента производится методом послойного суммирования согласно СНиП 2.02.01, который позволяет учесть неоднород-ность основания, выражающуюся в изменении модуля деформации грунта по глубине основания. Для горизонтальных площадок, лежащих на вертикальной оси, проходящей через центр подошвы фундамента, вычисляют природное давление от веса грунта _пр и давление от веса сооружения _z (рис. 6).

На осадку фундамента влияет толща грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, определённой мощности h_сж, которая подлежит определению.

Нижняя граница сжимаемой толщи (НГСТ) находится на глубине, где дополнительные напряжения от сооружения _z составляют 20 % от природного давления в основании _пр. Эту границу можно найти графически путем наложения на эпюру давления от сооружения эпюры природного давления, уменьшенного в 5 раз.

Сжимаемую толщу делят на элементы, толщина которых h_i не должна превышать 0,4b_лб. Границы элементов необходимо совмещать с границами естественных слоев грунта и подушки, т. к. модули деформации грунтов (материалов) различны.

Осадку фундамента определяют путем суммирования осадок по элементам слоёв (табл. 6):

(32)

где - безразмерный коэффициент, равный 0,8; _i - дополнительное вертикальное напряжение в i_ом слое грунта от веса сооружения и действующих нагрузок, кПа; h_i и E_i - соответственно толщина и модуль деформации i_го слоя грунта; n - число слоев, на которое разбита сжимаемая толща основания.

Напряжение от давления, создаваемого сооружением, под центром подошвы фундамента на глубине z от его подошвы вычисляется по формуле

, (33)

где - коэффициент, учитывающий затухание напряжений по глубине основания, принимается по прил. 7.

Напряжение по подошве фундамента, влияющее на осадку, определяют по формуле

p_oc= p-'h, (34)

где p - давление по подошве фундамента при высоте насыпи H_н 2,0 м, определенное по формуле (23); если H_н 2,0 м, то р=р-р; ' - удельный вес грунта первого слоя, равный 19,33 кН/м³; h - глубина заложения фундамента, равная 0,47 м.

p_oc=110,57-19,35*0,44=102,75 кПа.

р =150,23-39,66=102,06 кПа.



Рис.6. Схема к расчету осадки центра подошвы фундамента методом послойного суммирования: 1- грунтовая подушка; 2 - графическая оценка низа границы сжимаемой

Осадку вычисляют от давления, уменьшенного на величину природного давления грунта 'h на уровне подошвы фундамента.

Природное напряжение на глубине от дневной поверхности вычисляют по формуле

, (35)

где _i и h_i - соответственно удельный вес и толщина каждого слоя грунта.

Природные давления от водопроницаемых грунтов, расположенных ниже горизонта вод, определяют с учётом взвешивающего действия воды.

Таблица 6. Расчет осадки фундамента

mz=z/b м	z=mzbлб, м		, кПа	, м	, кПа	кПа
0	0	1,000	102,056	0	0	0
0,4	0,70	0,881	89.91	0,7	6.68	6.68
0,72	1,40	0,698	71.29	0,7	6.68	13.36
1.01	1.96	0,550	56,13	0.56	5.34	18.70
1,41	2,74	0,420	42.86	0,78	7.92	26.62
1,8	3,52	0,337	34.39	0,78	7.92	34.54
2.21	4,30	0,280	28.58	0,78	7.92	42.46
2,60	5.08	0,239	24.39	0,78	7.92	50.38
3.00	5,86	0,208	21.23	0,78	7.92	58.30
3,10	5.96	0,199	20,31	0,1	1.02	59.31/

Строительным подъёмом называют искривление продольного профиля лотка трубы выпуклостью вверх, т. е. в направлении, противоположном ожидаемой осадке, задаваемой при строительстве.

Строительный подъём должен быть таким, чтобы компенсировать ожидаемую конечную осадку фундамента и обеспечить после завершения процесса осадок (стабилизации основания) пропуск воды через трубу без застоев, т. е. чтобы не возникали обратные уклоны (рис. 7).

Рис. 7. К определению величины строительного подъёма лотка трубы с уклоном i

Величину строительного подъёма назначают согласно формуле [8]:

0,5 (S+iL_тр), (36)

где S - осадка, рассчитанная по формуле (31); i - заданный уклон трубы.

0,5 (0,1+0,002*21.12)

0,089 0,700

Вывод: условие (36) выполняется, то принимаем

Библиографический список

Костерин Э.В. Основания и фундаменты. - М.: Высшая школа, 1990. -431 с.

ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

СНиП 2.02.01-83^*. Основания зданий и сооружений.

СНиП 2.05.03-84^*. Мосты и трубы.

СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги.

СНиП 21.23.01-99. Строительная климатология.

СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения, основания и фундаменты.

Водопропускные трубы под насыпями/ Под ред. О.А. Янковского. - М.: Транспорт, 1982. -232 с.

Шестаков В.Н. Технология строительства сборных железобетонных водопропускных труб: Учебное пособие: - Омск: СибАДИ, 1994.-78 с.

Размещено на Allbest.ru