Инженерно-геологические условия площадки строительства №13

Пояснительная записка к курсовому проекту

По дисциплине

«Основания и фундаменты»

«Проектирование оснований и фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов»

 

 

Выполнил: ст.гр. ПГС-12-1

Михалёва В.Д.

Проверил: Набережный А.Д.

Принял: Кононова Е.А.

 

 

Якутск 2015 г.

Содержание

 

Раздел 1.Введение………………………………………………………........
1.1 Краткие сведения о вечномерзлых грунтах ………………………….........
1.2 Климатологические данные района строительства ………………............
1.3 Конструктивные решения здания …………………………………….........
Раздел 2. Инженерно-геологические условия площадки строительства.
2.1 Расчет……………………………………………………………………. 2.2 Паспорт скважина №3…………………………………………………..   Раздел 3. Составление плана фундаментов. Сбор нагрузок……………… 3.1 План фундаментов…………………………………………………………... 3.2 Сбор нагрузок……………………………………………………………….. Раздел 4. Расчет нормативных глубин сезонного оттаивания (dthn) и промерзания (dfn)……………………………………………………………….
3.1. Нормативная глубина сезонного оттаивания грунта dthn …………….
3.2 Нормативная глубина сезонного промерзания грунта dfn....................
Раздел 5. Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов в качестве основания по I принципу…………...
5.1 Расчет средней сваи………………………………………………….
5.2 Расчет крайней сваи………………………………………………….
5.3 Расчет угловой сваи…………………………………………………. 5.4 Проверка устойчивости свайного фундамента на действие сил морозного пучения………………………………………………………   Раздел 6. Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов в качестве основания по II принципу…………... 6.1 Расчет глубины оттаивания. Чаша оттаивания…………………… 6.2 Подбор фундамента……………………………………………… 6.3 Расчет осадок……………………………………………………
Заключение……………………………………………………………………… Использованная литература…………………………………………………..

Раздел 1. Введение.

1.1 Краткие сведения о вечномерзлых грунтах.

 

Почти на всей территории России температура воздуха зимой опускается ниже 0 С⁰. В результате чего происходит промерзание грунта с поверхности на некоторую глубину. В обширных районах севера и северо-востока на территории России, среднегодовая температура оказывается ниже 0 С. В тёплое время года грунты здесь оттаивают на небольшую глубину порядка 1 -3 м, а ниже (до 30-500м. и более) находятся постоянно в мёрзлом состоянии.

Вечномёрзлые грунты – это грунты находящиеся в мёрзлом состоянии в течение 3-х и более лет.

Зона где распространении ВМГ называют криолитозоной. К ней относится почти 65% территории России (северная и северо – восточная часть) 11 млн км². И столько же территории вСеверной Америки (часть Аляски, северная часть Канады). Помимо этого ВМГ встречается высокогорных областях юго-сибири, в Китае, Средней Азии.

Мерзлые грунты – это грунты, имеющие отрицательную температуру и льдоцементные связи между частицами. Из-за наличия в них льдоцементных связей они являются очень прочными и малодеформируемыми. Но при частичном оттаивании порового льда структурные льдоцементные связи лавинно разрушаются и деформируются. Многие виды вечномёрзлых грунтов, особенно сильнольдистые пылевато-глинистые грунты, при этом могут переходить в разжиженное состояние.

Изменение температурного состояния мёрзлых грунтов приводит к значительным изменениям их физических и механический свойств. Важнейшей особенностью мёрзлых грунтов является их просадочность при оттаивании - резкое уменьшение объема грунта при таянии льда и отжатиюводы, что может приводить к чрезмерным деформациям построенных на этих грунтах сооружении.

 

 

Основания и фундаменты зданий и сооружений, возводимых на территории распространения вечномерзлых грунтов, следует проектировать на основе результатов специальных инженерно-геокриологических (инженерно-геологических, мерзлотных и гидрогеологических) изысканий с учетом конструктивных и технологических особенностей проектируемых сооружений, их теплового и механического взаимодействия с вечномерзлыми грунтами оснований и возможных изменений геокриологических условий в результате строительства и эксплуатации сооружений и освоения территории, устанавливаемых по данным инженерных изысканий и теплотехнических расчетов оснований.

В состав определяемых для расчета вечномерзлых оснований физических и механических характеристик грунтов должны дополнительно входить:

а) физические и теплофизические характеристики мерзлых грунтов;

б) деформационные и прочностные характеристики грунтов для расчета мерзлых оснований по деформациям и несущей способности: коэффициент сжимаемости мерзлого грунта d_f, расчетное давление R и сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по поверхности смерзания R_af и R_sh;

в) деформационные характеристики грунтов для расчета оттаивающего основания по деформациям: коэффициент оттаиванияА_th и сжимаемости d оттаивающего грунта и его относительная осадка x_th (п. 4.30);

г) характеристика грунтов слоя сезонного промерзания-оттаивания для расчета оснований и фундаментов на воздействие сил морозного пучения грунтов, а также характеристики мерзлых грунтов для расчета оснований на горизонтальные статические и сейсмические воздействия.

При строительстве на вечномерзлых грунтах в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий и возможности целенаправленного изменения свойств грунтов основания применяется один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений:

Принцип I - вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения;

Принцип II - вечномерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).

Принцип I следует применять, если грунты основания можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах на мероприятия, обеспечивающие сохранение такого состояния. На участках с твердомерзлыми грунтами, а также при повышенной сейсмичности района.

Принцип II следует применять при наличии в основании скальных или других малосжимаемых грунтов, деформация которых при оттаивании не превышают предельно допустимых значений для проектируемого сооружения, при несплошном распространении вечномерзлых грунтов, а также в тех случаях, когда по техническим и конструктивным особенностям сооружения и инженерно-геокриологическим условиям участка при сохранении мерзлого состояния грунтов основания не обеспечивается требуемый уровень надежности строительства.

Выбор принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений, а также способов и средств, необходимых для обеспечения принятого в проекте температурного режима грунтов, следует производить на основании сравнительных технико-экономических расчетов.

 

 

1.2 Климатологические данные района строительства

 

Место строительства –Оймякон

Температура внутреннего воздуха t_в=20 ° С

Среднегодовая температура воздуха:

T_out = -3,5°С

Средняя температура воздуха за период с положительными температурами:

T_thm= +8,34°С

Продолжительность периода с положительными температурами:

t_thm= 134сут.

Средняя температура воздуха за период с отрицательными температурами:

T_fm= -31,3°С

Продолжительность периода с отрицательными температурами:

t_fm=231сут.

 

 

1.3 Конструктивные решения здания

Назначение: Жилой дом

Размер: 27х15м;

Этажность: 3

Несущие конструкции:

Наружные продольные поперечные стены из крупных легкобетонных блоков толщиной:

наружные – 400мм., внутренние – 300мм.

Высота этажа – 2,8 м;

Перекрытия и покрытия – сборные многопустотные плиты толщиной 220 мм;

Кровля – из 3-х слоёв рубероида с защитный слоем;

Полы в помещениях – линолеум, в санитарных узлах – из керамической плитки.

 

Инженерно-геологические условия площадки строительства №13

1. Суммарная влажность (определяется по ГОСТ 5180)

W_tot=W_w+W_ic+W_i

где W_w,W_icиW_i – влажности мерзлого грунта соответственно за счет незамёрзшей воды, за счет порового льда и за счет ледяных включений.

W_tot1=0.1+0.26+0.11=0.47 д.е.

W_tot2=0.04+0.23+0=0.27 д.е.

W_tot3=0.01+0.24+0=0.25 д.е.

2. Суммарная льдистость мерзлого грунта (по формуле А.10 ГОСТ25100-95 «Грунты.Классификация»)

I_tot=I_ic+I_i

где I_ic и I_i– льдистость мерзлого грунта соответственно за счет порового льда и за счет ледяных включений.

I_i1=0.15 слабольдистый грунт

I_i2=0.00 слабольдистый грунт

I_i3=0.00 слабольдистый грунт

I_tot1=0.31+0.15=0.46 д.е.

I_tot2=0.19+0 =0.19 д.е.

I_tot3=0.22+0=0.22 д.е.

3. Плотность грунта в сухом состоянии, г/см³ (по формуле А.2 ГОСТ 25100-95)

ρ_d=ρ/(1+ W_tot)

где ρ – плотность грунта.

ρ_d1=1,63/(1+0.47)=1.1 г/см³

ρ_d2=1,75/(1+0.27)=1.38г/см³

ρ_d3=1.78/(1+0.25)=1.42г/см³

4. Число пластичности (определяется по ГОСТ 5180)

I_p=W_L-W_p

где W_L и W_p – влажности соответственно на границах текучести и раскатывания.

I_p1=0.39-0.3=0.09 д.е. суглинок легкий песчанистый

I_p2=0.37-0.32=0.05 д.е. супесь песчанистая

I_p3=0.00-0.00=0.00 д.е. песчаный грунт мелкий

5. Коэффициент пористости (по формуле А.5 ГОСТ 25100-95)

е=(ρ_s-ρ_d)/ρ_d

где ρ_s и ρ_d – плотность частиц грунта и плотность грунта в сухом состоянии, г/см³.

е₁=(2.71-1.11)/ 1.11=1,43 д.е.

е₂=(2.7-1,38)/ 1,38=0.96 д.е.

е₃=(2.66-1,42)/ 1.42=0.87 д.е. песок мелкий рыхлый

6. Показатель текучести (опр. по ГОСТ 5180)

I_L=(W_tot - W_p)/I_p

гдеW_p– влажность грунта на границе раскатывания.

I_L1=(0.47-0.3)/0.09=1,89 д.е. суглинок текучий

I_L2=(0,27-0,32)/0,05=-1 д.е. супесь твердый

I_L3=∞

7. Концентрация порового раствора C_psхарактеризующий степень минерализации грунтовой влаги (по формуле Б.2 СП 25.13330.2012)

C_ps=D_sal/(D_sal+100W)

где W – влажность засоленного грунта, принимаемая для грунтов с льдистостью I_tot>0.4 равной влажности за счет порового льда W_ic

D_sal – степень засоленности грунта, %

C_ps1=0.37/(0.37+100*0.26)=0.01 д.е.

C_ps2=0.578/(0.578+100*0.27)=0.02 д.е.

C_ps3=0.068/(0.068+100*0.25)=0.003 д.е.

8. По степени засоленности D_sal устанавливается разновидность грунтов по засоленности согласно таблице Б.31 ГОСТ 25100-95

D_sal1=0.37 % суглинок слабозасоленный

D_sal2=0.578 % супесь среднезасоленный

D_sal3=0.068 % песок слабозасоленный

9. Температура начала замерзания грунта T_bf, характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Температуру начала замерзания незасоленных и засоленных грунтов допускается принимать в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора C_ps(по формуле Б.3 СП 25.13330.2012)

T_bf=A-B(53C_ps+40C_ps²)

где А – коэффициент, характеризующий температуру начала замерзания незасоленного грунта

В – коэффициент, зависящий от типа засоления грунта; В=0 для незасоленных грунтов; В=1 для грунтов морского типа засоления; В=0.85 для грунтов с континентальным типом засоления.

T_bf1=-0.20-0.85(53*0.01+40*0.01²)=-0.65 ᵒС

T_bf2=-0.15-0.85(53*0.02+40*0.02²)=-1.06 ᵒС

T_bf3=-0.10-0.85(53*0.003+40*0.003²)=-0.24 ᵒС

10. По относительному содержанию органического вещества I_omглинистые грунты и пески подразделяют согласно табл.Б.22 25100-95

I_om1=0.00 д.е. суглинок незаторфованный

I_om2=0.023 д.е. супесь незаторфованный

I_om3=0.014 д.е. песок незаторфованный

11. Коэффициент водонасыщения S_r, характеризующий степень заполнения объема пор водой (по формуле А.4 ГОСТ 25100-95)

S_r= W_tot* ρ_s/(e*ρ_w)

где ρ_w=1.0 г/см³ – плотность воды, г/см³

S_r1=0,47*2.7/(1,47*1)=0.89 д.е. насыщенный водой

S_r2=0.27*2.7/(0.96*1)=0.76 д.е. средней степени водонасыщения

S_r3=0.25*2.66/(0.87*1)=0,76 д.е.средней степени водонасыщения

12. Теплофизические характеристики грунтов для талого и мерзлого состояний назначаются интерполяцие1 по табл.3 СНиП 2.02.04-88 в зависимости от плотности в сухом состоянии (ρ_d), суммарной влажности (W_tot) и вида грунта:

-коэффициент теплопроводности грунта в талом состоянии (λ_th);

-коэффициент теплопроводности грунта в мерзлом состоянии(λ_f);

-объемная теплоемкость грунта в талом состоянии (C_th);

-объемная теплоемкость грунта в талом состоянии (C_f).

 

 

ρ_d=1.11 г/см³; W_tot=0.47 д.е.

 

 

ρd	Wtot	λth	λf	Cth	Cf
1.0	0.60	-	1,65
1.11	0,47	1,35	1.595		511.75
1.2	0.40	1,35	1,55

_{λf =1.65+(1.11-1)*(1.55-1.65)/(1.2-1.11)=1.595}

C_{th=820+(1.11-1)*(740-820)/(1.2-1.11)=776}

C_{f=520+(1.11-1)*(505-520)/(1.2-1.11)=511.75}

ρ_d=1.38г/см³; W_tot=0.27д.е.

 

ρd	Wtot	λth	λf	Cth	Cf
1.2	0.27	-	1.65
0.40	-	1.65
1.38	0.27	1.41	1.506	689.6	502.3
1.4	0.25	1.35	1.45
0.27	1.41	1.49
0.30	1.50	1.55

_{λf =1.65+(1.38-1.2)*(1.49-1.65)/(1.4-1.2)=1.506}

_{Cth =740+(1.38-1.2)*(684-740)/(1.4-1.2)=689.6}

_{Cf =505+(1.38-1.2)*(502-505)/(1.4-1.2)=502.3}

 

ρ_d=1.42г/см³; W_tot=0.25д.е.

 

ρd	Wtot	λth	λf	Cth	Cf
1.4	0.25	1.65	1.85
1.42	0.25	1.735	1.938	594.315	441.235
1.6	0.25	2,50	2.73	3.15	2.35

_{λth=1.65+(1.42-1.4)*(2.50-2.65)/(1.6-1.42)=1.735}

_{λf =1.85+(1.42-1.4)*(2.73-1.85)/(1.6-1.42)= 1.938}

_{Cth =660+(1.42-1.4)*(3.15-660)/(1.6-1.42)= 594.315}

_{Cf =490+(1.42-1.4)*(2.35-490)/(1.6-1.42)= 441.235}

 

Расчет нормативных глубин сезонного оттаивания (d_th,n) и промерзания (d_f,n)

Нормативная глубина сезонного оттаивания грунта d_{th , n} , м,:

где

0123S10-06357

T_bf =-0.65 °С - температура начала замерзания грунта;

T_th,m = = 8,34 °Ссредняя по многолетним данным температура воздуха за период положительных температур;

t_th,m =365-231=134 дней = 3216 ч. продолжительность этого периода;

T_{th , c} - расчетная температура поверхности грунта в летний период, °С, T_{th , c} = 1,4 T_{th , m} + 2,4=1.4*8,4+2.4= 14,08 ° C;

t_{th , c} - расчетный период положительных температур, ч,

t_{th , c} = 1,15 t_{th , m} + 0,1 t ₁=1.15*3216+0.1*3600= 4058,4 ч.;

t ₁ =3600 ч

Т ₀=-3,5 °С среднегодовая температура многолетнемерзлого грунта;

λ_th =1.35 и λ_f =1.595 - теплопроводность соответственно талого и мерзлого грунта, ккал/(м^.ч^.°С);

C_th =776 и С_f =511,75 - объемная теплоемкость соответственно талого и мерзлого грунта, ккал/(м^3.°С);

k_m =3,06 коэффициент, принимаемый в зависимости от значения теплоемкости С_f и средней температуры грунта,

 

 

		511,75
-2		3,96	3,7
-3,5	3,1	3,06	2,8
-4	2,8	2,76	2,5

₸=(T_o-T_bf)*(t_th,c/t₁-0.22)

₸ =(-3,5-(-0.65))*(4058,4/(3600-0.22))= -2,58 °С

L_v - теплота таяния (замерзания) грунта,

L_v =L_o*(W_tot-W_w)*ρ_d,thf; где L_o=80ккал

L_v =80*(0.47-0.10)*1.1*10³= 32560 ккал

q₁ =32560+(4058,4/7500-0.1)*(776*(14,08+0.65)-511,75*(-3,5+0.65))= 38231,15

Q =(0.25-4058,4/3600)*(-3,5+0.65)*3,06* = 13968

d_th,n = - = 1,9 м.

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта d_{f , n} , м,

где q ₂ = L_v - 0,5 C_f (T_{f , m} - T_bf),

T_{f , m} =-31,3 °С средняя по многолетним данным температура воздуха за период отрицательных температур;

t_{f , m} =231 дней = 5544 ч. Продолжительность этого периода;

q ₂ = 32560-0.5*511,75*(-31,1+0.65)= 40402,57

d _f,n = = 3,7 м.

Расчетная глубина сезонного оттаивания d_th = k ` _h*d_{th , n};

k ` _h - коэффициент теплового влияния сооружения;

d_th = 1,9 м. у наружных стен

d_th = 3,7 м. у внутренних опор

Вывод: т.к. d_th,n< d _f,n; 1,9<3,7 мерзлота сливающаяся, т.е. за зимний период, оттаявший слой полностью промерзает.

Iпринцип: Свайные фундаменты с устройством проветриваемых подполий.

Расчетные схемы:

Средняя сваяУгловая свая

d_th=0,8*1,9=1,5м d_th=1*1,9=1,9м

Крайняя свая

d_th=1*1,9=1,9м

 

 

Проверка ОиФ по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения.

τ_fh*A_fh-F≤ *F_r

где τ_fh – расчетная уд.касат. сила пучения кПа(кгс/см²)

Путем интерполяции находим τ_fh.

τ_fh у наружных стен 0,75

τ_fh у внутренних опор 0,71

Вес сваи:

10м. – Р_св10=0,4*0,4*10*2500=4000кг.

8м. – Р_св8=0,4*0,4*8*2500=3200кг.

Под серединой: 0,75*(40*4*150)-0,9*Р_св10≤(1/1,1)*63382

14000<57620

Под краем: 0,71*(40*4*190)-0,9*Р_св8≤(1/1,1)*26576

18384<24160

Под углом: 0,71*(40*4*190)-0,9*Р_св10≤(1/1,1)*45335,04

17584<41213,67

Вывод: Устойчивость и прочность на воздействие сил морозного пучения обеспечена. Подбираем куст.сваи длиной 10м. под серединой здания; по краям ставим 8-метровые сваи; под углом устанавливаем сваи длиной 10м.