Проектирование фундамента под промежуточную опору моста

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Самарский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Строительные конструкции и материалы»

Курсовая работа

По дисциплине: «Основания и фундаменты»

Проектирование фундамента под промежуточную опору моста

Выполнил:

студентка гр. 271

Зотова Е.В.

Проверил:

Травин А.В.

Самара 2010

Содержание

фундамент свая грунт

1. Таблица исходных данных

2. Проектирование фундамента мелкого заложения

2.1 Определение минимально возможной глубины заложения фундамента и его высоты

2.2 Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний

2.2.1 Расчёт по несущей способности основания

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 Определение расчётной нагрузки на сваю

4. Технико-экономическое сравнение вариантов фундамента

Библиографический список

1. Таблица исходных данных

Шифр 0702024

Данные по грунтам основания
Номер слоя	Отметка подошвы слоя относительно условного нуля*, м	Мощность слоя, м	Уровень подземных вод, м	Наименование грунта	Удельный вес 11, кН / м3	Коэффициент пористости е	Число пластичности Ip	Показатель текучести IL	Модуль деформаций Е, МПа	Угол внутреннего трения 11 , град	Удельное сцепление с11, кПа
Разрез № 4 Отметка природного рельефа (уровня меженных вод УМВ) - 122,4 м
1 2 3 4	-1,8*	1,8	-	Вода	10,0	-	-	-	-	-	-
	-3,4	1,6		Суглинок	20,1	0,75	15	0,8	15	28	20
	-4,8 -	1,4 -		Глина Песок мелкий	20,8 19,1	0,71 0,57	21 -	0,48 -	20 28	20 18	55 5
Район строительства	Mt	Глубина местного размыва hр, м	Отметка нижней поверхности льда на водотоке, м
г. Оренбург	51,5	0,5	-0,55
Геометрические параметры моста и промежуточной опоры
Расчётный пролёт моста L, м	Размеры опоры
21	B, м	D, м	hоп, м
	2,65	7,25	6,4
Нормативные нагрузки на промежуточную опору
Нормативная нагрузка от веса пролётных строений qnd, кН / м.пог.	Нормативная нагрузка от подвижного состава qnt, кН / м.пог.	Нормативная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги Tn, кН
114	265	301

2. Проектирование фундамента мелкого заложения

2.1 Определение минимально возможной глубины заложения фундамента и его высоты

Определение глубины заложения фундамента, возводимого на водотоке

Исходя из инженерно-геологических условий минимальная глубина заложения фундамента d будет:

d = h_нес.сл. + 0,5; (2.1)

d = 1,8 + 1,6 + 1,4 + 0,5 = 5,3 (м),

где h_нес.сл. = 1,6 м - глубина подошвы слоя, предшествующего несущему, м.

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

Исходя из возможности размыва грунта, глубина заложения фундамента d будет:

d = h_w + h_p + 2,5; (2.2)

d = 1,8 + 0,5 + 2,5 = 4,8 (м),

где h_w = 1,8 м глубина водотока;

h_p = 0,8 м глубина местного размыва.

За окончательную минимально возможную глубину заложения фундамента d принимаем d = 5,3 м.

Определение высоты фундамента

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

h_f = d - d_обр = 5,3 - 0,8 = 4,5 (м), (2.3)

где d - глубина заложения фундамента, м;

d_обр. - расстояние от условной нулевой отметки до обреза фундамента, принимаемое равным 0,75 м.

2.2 Расчёт основания и фундамента по первой группе предельных состояний

2.2.1 Расчёт по несущей способности основания

Определение размеров подошвы фундамента h_f, b и l

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

b = B + 2h_f tg; (2.4)

l = (B+D) + 2h_f tg, (2.5)

где B = 2,65 м и B+D = 2,65+7,25=9,9 м - ширина и длина фундамента в уровне обреза при с = 0,5 м. Из соотношений следует, что при заданной высоте фундамента размеры подошвы могут быть минимальными.

Исходное условие для выбора размеров подошвы фундамента:

p R / _n;

p_max 1,2R / _n; (2.6)

p_min 0,

где p, p_max, p_min - среднее, максимальное и минимальное давление под подошвой фундамента определяемые по формулам, кПа:

p = N / A = N / (b · l); (2.7)

p_max = N / A + M / W = N / (b·l) + T(h_оп.+ h_f) / (l·b² / 6); (2.8)

p_min = N / A - M / W = N / (b·l) + T(h_оп.+ h_f) / (l·b² / 6), (2.9)

где R - расчётное сопротивление грунта основания осевому сжатию, определяемое по формуле, кПа;

_n - коэффициент надёжности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,4;

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

Т расчётная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги, определяемая по формуле, 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.

При = 23⁰ ,

b = B + 2h_f tg = 2,65 + 2·4,5· tg23⁰ = 6,5 (м);

l = (B+D) + 2h_f tg = (2,65+7,25) + 2·4,5· tg23⁰ = 13,75 (м).

Определение расчётного сопротивления грунта основания осевому сжатию

R = 1,7 {R_о [1 + k₁ (b - 2)] + k₂ (d - 3)}, кПа (2.10)

где R_о - условное сопротивление грунта, R = 147 кПа;

b ширина подошвы фундамента, м;

d глубина заложения фундамента, м;

осреднённое по слоям расчётное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента; допускается принимать

= 19,62 кН/м³;

k₁ = 0,08, k₂ = 2,5 коэффициенты, принимаемые по табл.

R = 1,7{147[1 + 0,08(6 - 2)] + 2,5·19,62(5,3 - 3)} = 521,65 (кПа).

Определение расчётных нагрузок на фундамент

N = F_d + F_t + G_оп + G_ф, (2.11)

F_d = _f • Fⁿ_d (кН),

_f = 1,1 - коэффициент надёжности по нагрузке,

F_d = 1,1·114•21 = 2633,4 (кН);

F_t = _f (1 + )Fⁿ_t,

_f = 1,18; (1 + ) = 1 + 18 / (30 + ),

где (1+) - динамический коэффициент к нагрузкам от подвижного состава,

длина загружения, принимаемая равной 2L, м;

L - расчётный пролёт моста, м,

(1 + ) = 1 + 18 / (30 + 2·21) =1,25

F_t = 1,18·1,25·265•21 = 8208,37 (кН);

Расчётная нагрузка от собственного веса опоры

G_оп = _f • ·А_оп·h_оп (кН),

где _f - коэффициент надёжности по нагрузке, принимаемый равным 1,1;

- удельный вес материала опоры, принимаемый равным 22 кН/м³;

А_оп = 3,14·(2,65/2) ² + 2,65·7,25 = 24,73 - площадь поперечного сечения опоры, м²;

h_оп - высота опоры, м;

G_оп = 1,1·22•24,73·6,4 =3830,18 (кН);

Расчётная нагрузка от собственного веса фундамента и грунта на его уступах

G_ф = _f ·b·l·d·_ср -г_W ·h_W ,

где _f - коэффициент надёжности по нагрузке, принимаемый равным 1,2;

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

_ср - средний удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах, принимаемый _ср= 22,8 кН/м³;

G_ф = 1,2·6,5·13,75·5,3·22,8 - 10·1,8 = 12960,09 (кН);

N = 2633,4 + 8208,37 + 3830,18 + 12960,09-18 = 27614,04 (кН);

p = N / A = N / (b·l) (кН/м²);

p = 27614,04 /(6,5·13,75) = 308,97(кН/м²);

p_max = N / A + M / W = N / (b·l) + T(h_оп.+ h_f) / (l·b²/6);

T = _f(1 + )T ⁿ,

_f = 1,12,

T = 1,12·1,25·301 = 421,4 (кН),

p_max = 308,97 + 421,4 (6,4 + 4,5)/[(13,75·6,5²)/6] = 356,41(кН/м²);

p_min = N / A - M / W = 308,97 - 47,44 = 261,53 (кН/м²);

Проверяем условия:

p R / _n; 308,97 521,65/1,4 = 372,6;

p_max 1,2 R / _n; 356,41 1,2·521,65/1,4 = 447,12;

p_min ? 0; 261,53 ? 0;

По экономическим соображениям разница между левой и правой частью условия не должна превышать 20% от R / _n , т.е. чтобы выполнялось условие

[(R - _n p) / R] 0,2.

В противном случае принятые значения b, l и R следует скорректировать.

[(521,65- 1,4•308,97)/ 521,65] 0,2;

0,17 = 0,2 - условие выполняется.

Все условия выполняются, следовательно, размеры фундамента принимаем:

h_f = 4,5 м;

b = 6,5 м;

l = 13,75 м.

2.2.2 Расчёт фундамента на устойчивость против опрокидывания

M_u mM_z / _n, (2.12)

где M_u - момент опрокидывающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания) проходящей через точку О 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;

_n - коэффициент надёжности по назначению, принимаемый равным 1,1.

Опрокидывающий момент M_u определяется по формуле

M_u = Т(h_оп + h_f) (кН·м),

где Т = 421,40 кН расчётная горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги;

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

M_u = 421,40 (6,4 + 4,5) = 4593,26 (кН·м),

Удерживающий момент M_z определяется по формуле

M_z = N·b/2,

где N - суммарная вертикальная расчётная нагрузка на фундамент в уровне его подошвы, кН, при коэффициенте надёжности _f = 0,9 для всех постоянных нагрузок;

b - ширина подошвы фундамента, м.

F_d = 0,9·114•21 = 2154,6 (кН);

F_t = 1,18·1,25·265•21 = 8208,37 (кН);

G_оп = 0,9·22•24,73·6,4 = 3133,78 (кН);

G_ф = 0,9·5,3·13,73·6,5·22,8 - 10·1,8 = 9702,06 (кН);

N = F_d + F_t + G_оп + G_ф = 2154,6 + 8208,37 + 3133,78 + 9702,06 = 23198,82 (кН);

M_z = 23198,82 ·6,5/2 = 7138,09 (кН·м);

4593,26 < 0,8·7138,09 /1,1 = 5191,34

Устойчивость фундамента против опрокидывания обеспечена, а его размеры принимаются как окончательные.

2.3 Расчёт основания и фундамента по второй группе предельных состояний

Расчёт основания и фундамента по второй группе предельных состояний - это расчёт по деформациям.

Расчёт основания и фундамента по деформациям производится исходя из условий:

а) s s_u (2.14)

б) i i_u

где s - совместная деформация основания и фундамента (осадка) от внешних нагрузок, см;

s_u - предельное значение совместной деформации основания и сооружения (осадки), принимаемое равным 15 см;

i - крен фундамента в продольном направлении;

i_u - предельное значение крена фундамента, принимаемое равным:

i_u = (0,005 L )/(h_f + h_оп), (2.15)

где L = 21 м - длина меньшего из примыкающих к опоре пролётов, м;

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

i_u = (0,005· 21 )/(6,4+4,5) = 0,0021.

2.3.1 Определение осадки основания фундамента

Осадка основания s c использованием расчётной схемы в виде линейно деформируемого полупространства определяется методом послойного суммирования по формуле n

s = (_zp,ih_i / E_i), (2.16)

i = 1

где безразмерный коэффициент, равный 0,8;

_zp,i среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней z_i-1 и нижней z_i границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, кПа; h_i и Е_i соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта, м, кПа;

n число слоёв, на которые разбита сжимаемая толща основания.

Суммарная вертикальная расчётная нагрузка N на фундамент в уровне его подошвы при _f = 1,0 и (1 + ) = 1,0.

F_d = 1·114•21 = 2394 (кН);

F_t = 1·1,25•265•21 = 6956,25 (кН);

G_оп = 1•22•24,73•6,4 = 3481,98 (кН);

G_ф = 1·6,5·13,75·5,3·22,8 - 10·1,8 = 3481,98 (кН);

N = F_d + F_t + G_оп + G_ф = 2394 + 6956,25 + 3481,98 + 3481,98 = 23614,3 (кН).

Среднее давление р под подошвой фундамента

p = N/(bl), (2.17)

где b, l - размеры подошвы фундамента, принимаемые по результатам расчёта по первой группе предельных состояний, м.

p = 23614,3 /(6,5·13,75) = 264,22 (кН/м² ).

Сжимаемую толщу основания на глубину примерно 3b = 3·6,5 = 19.5 м разбиваем на элементарные слои толщиной h_i = 2,6 м, где b - ширина подошвы фундамента.

Дополнительные вертикальные напряжения в середине (по толщине) каждого элементарного слоя определяем по формуле

_zp,i = _ip₀, (2.18)

где _i коэффициент, принимаемый в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины

_i, = 2z_i / b;

p₀ = p - _zg,0 дополнительное вертикальное давление на основание, кПа;

_zg,0 = ' d вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента, кПа;

' удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента, кН/м³;

d - глубина заложения фундамента, принимаемая по результатам расчёта по первой группе предельных состояний, м.

Вертикальные напряжения от собственного веса грунта _zg на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента определяем по формуле

_zg = _zg,0 + _i h_i , (2.19)

i = 1

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

Вычисление осадки фундамента s выполним в табличной форме (табл. 1).

_zg0 = 'd = 1,8·10 + 3•20,8+0,5·9,1 = 84,95 (кПа);

p₀ = p - _zg,0 = 264,21 - 84,95 = 179,26 (кПа);

0,2_zg0 = 16,99 (кПа ).

Таблица 1

Номер элементарного слоя, i	К построению эпюры zp	К построению эпюр zg и 0,2zg
	zi, м	i = 2zi / b	i	zp,i, кПа	Ei , кПа	hi, м	si, см	i, кН/м	zg,i, кПа	0,2zg,i, кПа
1	2	3	4	5	6	7	8	10	11	12
1	1,3	0,4	0,976	174,96	28000	2,6	1,29	49,66	84,95	134,61
2	3,9	0,6	0,923	165,45	28000	2,6	1,23	49,66		184,27
3	6,5	1	0,799	143,23	28000	2,6	1,06	49,66		233,93
4	9,1	1,4	0,661	118,49	28000	2,6	0,88	49,66		283,59
5	11,7	1,8	0,539	96,62	28000	2,6	0,71	49,66		333,25
6	14,3	2,2	0,44	78,87	28000	2,6	0,58	49,66		382,91
7	16,9	2,6	0,362	64,89	28000	2,6	0,48	49,66		423,57
8	18,85	2,9	0,313	56,1	28000	1,3	0,2	24,83		457,48
s =	6,43	<15см
s =si - полная осадка основания; i=1 zi - расстояние от подошвы фундамента до середины i-го элементарного слоя; n - количество элементарных слоёв, лежащих выше нижней границы сжимаемого слоя. Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине zi = Hc , где выполняется условие zр,i = 0,2 zg,i, т.е. на пересечении эпюр zр,i и 0,2 zg,i .

s = 6,43 < 15 см - условие выполнено.

По полученным результатам в таблице 1, строятся эпюры _zg,i,

0,2_zg,i, _zp,i. Графически находим точку А пересечения эпюр 0,2_zg,i и _zp,i, определяющая положение нижней границы сжимаемой толщи.

2.3.2 Определение крена фундамента

Крен фундамента i при действии внецентренной нагрузки определяется по формуле

i = [(1 - ²) / E] k_e [M / (a / 2)³], (2.20)

где Е и соответственно модуль деформации (кПа) и коэффициент Пуассона грунта основания, принимаемый равным для грунтов: крупнообломочных = 0,27; песков и супесей = 0,30; суглинков = 0,35; глин = 0,42; в случае неоднородного основания значения Е и принимаются средними в пределах сжимаемой толщи;

k_e - коэффициент, принимаемый по табл.; k_e=0,8585

М = _f (1 + ) Tⁿ (h_оп + h_f) - расчётный момент при _f = 1,0 и (1 + ) = 1,0 кН;

h_f и h_оп - соответственно высота фундамента и опоры, м;

а - сторона прямоугольного фундамента, параллельная плоскости действия момента, м.

М = 1•1•301•(9,6 + 4,55) = 4259,15 (кН•м),

i = [(1 - 0,3²) / 28000] 0,8585 [3280,9 / (5,3 / 2)³] = 0,0049;

i i_u ; 0,0049 < 0,0021 неверно.

Условие не выполняется, следовательно, необходимо выполнить уширение стороны фундамента, параллельное плоскости действия момента.

3. Проектирование фундамента глубокого заложения

Свайные фундаменты и сваи по несущей способности грунтов основания рассчитываются по формуле

N_св F_d / _g, (3.1)

где N_св - расчётная нагрузка, передаваемая на сваю, кН;

F_d - несущая способность сваи (расчётная несущая способность грунта основания одиночной сваи), кН;

_g - коэффициент надёжности по грунту, принимаемый равным 1,4;

3.1 Определение глубины заложения ростверка и его размеров

d_р = 1,8+0,5+0,1=2,4 м;

h_р = 2,4-0,8=1,6 м;

При = 30, tg30⁰=1,6

b = B + 2h_р•tg = 2,65 + 2·0,577·tg30⁰ = 4,5 (м),

l = (B+D) + 2h_р•tg = (2,65+7,25) + 2·0,577· tg30⁰ =11,75 (м).

n = 44 (свай).

3.2 Выбор длины и размеров поперечного сечения свай

Поперечное сечение = 3535 см.

Длина сваи = 9,4 м.

3.3 Определение несущей способности сваи

Несущая способность F_d висячей забивной сваи сплошного квадратного сечения, работающей на вертикальную нагрузку

F_d = R·F + u·f_il_i, (3.2)

где R = 2708 кПа расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи;

F = 0,35²⁼ 0,123 м² площадь опирания на грунт сваи, принимаемая по площади её поперечного сечения;

u = 0,35·4=1,4 м наружный периметр поперечного сечения сваи;

f_i расчётное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи (из таблицы), кПа;

l_i толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью, м;

f_il_i=6,8·0,7+23,2·1,4+41,6·2+43,8·2+45,8·2+47,3·1= 348,98 (кПа);

F_d = 2708·0,123+ 1,4·348,98 = 821,65 (кПа);

F_d / _g = 821,65 /1,4 = 586,89 (кПа).

3.4 Определение расчётной нагрузки на сваю

Максимальная расчётная нагрузка на сваю (максимально нагруженными являются сваи крайних рядов)

k

N_св = N / n + М•y₁ / [(у_i ²)m], (3.3)

i=1

где N, М - расчётные усилия от расчётных нагрузок, определяемых по формулам, кН:

N = 1,1q_dⁿL + 1,18(1 + ) q_tⁿL + 1,1•22А_оп.h_оп. + 1,2•22,8bld; (3.4)

М = 1,12(1 + )Т ⁿ (h_оп + h_р); (3.5)

где b и l - размеры подошвы ростверка, м;

d и h_р - глубина заложения подошвы ростверка и его высота, м;

n - число свай в фундаменте;

i = 1, 2 ,3,..., k;

k - количество рядов свай, параллельных большей стороне ростверка;

у_i - расстояния от главной оси х до оси i-го ряда свай, м;

у₁ - расстояние от главной оси х до оси крайнего ряда свай, м.

N = 1,1•114•21 + 1,18•1,25•265•21 + 1,1•22•24,73•6,4 + 1,2•22,8•2,4•11,75•4,5 = =18143,93(кН);

М = 1,12•1,25•301 • (6,4 + 1,6) = 3371,2 (кН•м);

N_св = 18143,93/44 + 3371,2 •1,825 / (3,92 •11) = 412,36+142,32=554,68 (кН);

N_св F_d / _g,

554,68 < 821,65/1,4

554,68 <586,89 верно

разность между его левой и правой частями не превышает 20%

(5,8% < 20%) - условия выполнены.

4. Технико-экономическое сравнение вариантов фундамента

Фундамент мелкого заложения:

механизированная разработка грунта с водоотливом:

5,3·6,5·13,75·250 =118421,825 (руб.);

бетонирование монолитного фундамента:

4,5·6,5·13,75·4000 =1608750 (руб.).

Итого: 1727171.825 руб.

Фундамента глубокого заложения:

механизированная разработка грунта с водоотливом:

2,4·4,5·11,75·250 = 31725 (руб.);

бетонирование монолитного фундамента:

1,6·4,5·11,75·4000 =338400 (руб.);

сваи железобетонные при забивке с плавсредств:

0,35·0,35·9,4·44·11000 =557326 (руб.).

Итого: 927451 руб.

После сравнения стоимостей строительства пришли к выводу, что предпочтительнее фундамент глубокого заложения.

Библиографический список

1. Прокопович А.А., Травин А.В. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «основания и фундаменты» для студентов специальностей 270204 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство», 270201 «Мосты и транспортные тоннели» дневной и заочной форм обучения.- Самара: СамГУПС, 2009.

2. СНиП 2.05.03-84·. Мосты и трубы. - М.: Стройиздат, 1985.

3. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1985.

4. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. - М.: Стройиздат, 1985.

5. Ухов С.Б. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. - М., 1994.

6. Б.И. Долматов Механика грунтов, основания и фундаменты. - Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1988.

Размещено на Allbest.ru