Курсовая работа на тему «Основания и фундаменты»

Введение

Пизанская башня пошла в наклон, когда строители успели поднять лишь три этажа, где-то в конце 1170-х годов. Её поставили на мягкие илы и глины, а фундамент глубиной около трёх метров неравномерной осадки не выдержал. Простояв восемь веков, в 1990 году башня всё же была закрыта для туристов, и понадобилось больше десяти лет осторожной выемки грунта из-под приподнятого края, чтобы вернуть её назад примерно на 40 сантиметров. Студенту-строителю эту историю рассказывают на первой же лекции по механике грунтов, и не зря: просчёт в основании исправлять дороже, чем любой другой.

На фундамент приходится вес всего здания, и он должен передать его грунту. С бетоном и сталью проектировщику проще, их свойства известны заранее, а грунт под одной площадкой может меняться через каждые десять метров, размокает после дождей, вспучивается на морозе и продолжает оседать годами после сдачи дома. Поэтому любой проект начинается с инженерно-геологических изысканий и ведётся по нормативным методикам. Главные из них сегодня — СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» и СП 24.13330.2021 «Свайные фундаменты», а названия грунтов берут из ГОСТ 25100-2020.

Курсовой проект по основаниям и фундаментам традиционно включает оценку инженерно-геологических условий площадки, выбор типа фундамента и его расчёт по двум группам предельных состояний. В данной работе теоретическая часть посвящена грунтам, видам фундаментов и принципам их выбора, а в практической части на примере условного жилого здания сравниваются варианты фундамента мелкого заложения и свайного фундамента.

Объект исследования — основания и фундаменты гражданских зданий. Предмет исследования — методы выбора и расчёта фундаментов с учётом инженерно-геологических условий площадки.

Цель работы — обосновать выбор типа фундамента для условного здания и выполнить его расчёт. Задачи: охарактеризовать грунты как основание и их физико-механические свойства; рассмотреть виды фундаментов и область их применения; описать порядок определения глубины заложения; оценить инженерно-геологические условия условной площадки; рассчитать и сравнить два варианта фундамента.

Методы: анализ нормативных документов и учебной литературы, расчёт по предельным состояниям, технико-экономическое сравнение вариантов.

Курсовая состоит из двух глав: теоретической, где речь идёт о грунтах, типах фундаментов и глубине заложения, и расчётной. Завершают её заключение и список источников.

Глава 1. Теоретические основы проектирования оснований и фундаментов

1.1 Грунты как основание зданий

Наука о грунтах как основании сравнительно молода. Её отцом считают Карла Терцаги, который в 1925 году выпустил в Вене книгу «Механика грунтов на основе их физических свойств», а в нашей стране её развивали Н. М. Герсеванов и Н. А. Цытович. До них фундаменты закладывали по опыту, и опыт не всегда спасал. В 1913 году в канадском городке Транскона только что построенный зерновой элеватор при первой загрузке за сутки накренился почти на 27 градусов: глина под плитой не выдержала давления и выдавилась в сторону. Позже элеватор выровняли на новых опорах, а сам случай вошёл во все учебники как пример потери устойчивости основания.

Основанием называют ту толщу грунта, на которую передаётся нагрузка от сооружения. ГОСТ 25100-2020 различает скальные, дисперсные и мёрзлые грунты, а дисперсные, в свою очередь, делит на крупнообломочные, пески, супеси, суглинки и глины. От того, какой грунт лежит под подошвой, зависят допустимое давление, ожидаемая осадка и глубина заложения. Плотный песок средней крупности выдерживает в несколько раз большее давление, чем текучепластичный суглинок, а торф и ил без предварительного укрепления основанием служить не могут.

Свойства грунтов выясняют при изысканиях. Буровая бригада проходит скважины и отбирает образцы, лаборатория определяет их характеристики, а на крупных объектах грунт дополнительно испытывают прямо на площадке, вдавливая в него штамп или зонд.

Для расчёта нужны плотность, влажность и коэффициент пористости, у глинистых грунтов ещё и показатель текучести, но решают дело механические характеристики: модуль деформации, угол внутреннего трения и удельное сцепление. Из них выводят расчётное сопротивление грунта, и проектировщик подбирает подошву так, чтобы среднее давление под ней это сопротивление не превысило.

Хуже всего приходится строителям на грунтах с особыми свойствами. Лёссы на юге России при замачивании проседают, будто под ними пустота, глины Поволжья, набрав воду, разбухают и поднимают лёгкие постройки, а пучинистые суглинки зимой выталкивают неглубокие фундаменты. Таким грунтам в СП 22.13330.2016 отведены отдельные разделы, и в курсовом проекте их наличие на площадке проверяют до того, как выбирать тип фундамента.

1.2 Виды фундаментов и область их применения

Фундаменты делят на фундаменты мелкого заложения, которые передают нагрузку на грунт подошвой, и свайные, передающие её через сваи на более глубокие и прочные слои. К первым относятся ленточные, столбчатые и плитные фундаменты. Выбор между ними определяется конструктивной схемой здания, нагрузками и свойствами грунта, а окончательное решение принимают после технико-экономического сравнения нескольких вариантов, как того требуют и нормы, и методические указания к курсовому проекту.

Таблица 1 — Основные виды фундаментов и область их применения

Для малоэтажного дома с несущими стенами, особенно с подвалом, чаще всего выбирают ленточный фундамент. На слабых и неоднородных грунтах выгоднее плита, потому что она выравнивает осадку, хотя бетона и арматуры на неё уходит больше. Сваи нужны там, где прочный слой лежит глубоко, и в высотном строительстве. В Москве здания выше 25 этажей, как правило, ставят на сваи или на свайно-плитный фундамент.

На выбор влияет и соседняя застройка. Забивка свай молотом сопровождается сильной вибрацией, от которой в старых домах рядом с площадкой могут пойти трещины, поэтому в плотной городской застройке применяют буронабивные или вдавливаемые сваи. При устройстве котлована для плитного фундамента приходится учитывать, как откопка повлияет на фундаменты соседних зданий, и нередко ограждать её шпунтом или стеной в грунте.

1.3 Глубина заложения фундамента

При выборе глубины заложения подошвы учитывают сразу несколько обстоятельств: назначение здания и его конструкцию, есть ли подвал, какие нагрузки, какие грунты лежат на площадке и насколько глубоко они промерзают зимой. Промерзание особенно опасно для пучинистых грунтов. Вода в порах суглинка, замерзая, расширяется и выталкивает фундамент вверх, а весной грунт оттаивает неравномерно, и по стенам идут трещины.

Нормативную глубину сезонного промерзания СП 22.13330.2016 предлагает считать по формуле d_fn = d₀ · √M_t. Здесь M_t — сумма модулей среднемесячных отрицательных температур за зиму, которую берут из климатических таблиц, а коэффициент d₀ зависит от грунта: 0,23 м у суглинков и глин, 0,28 м у супесей, мелких и пылеватых песков, 0,30 м у гравелистых, крупных и средних песков и 0,34 м у крупнообломочных грунтов. При одинаковой зиме крупнообломочный грунт промерзает почти в полтора раза глубже глины (рисунок 1).

Расчётная глубина промерзания получается умножением нормативной на коэффициент, учитывающий тепловой режим здания: под отапливаемым домом грунт промерзает меньше, чем под неотапливаемым сараем. Для непучинистых грунтов, например крупных песков, глубину заложения можно не связывать с промерзанием. Порядок выбора глубины заложения, расчёт размеров подошвы и осадки, а также сравнение фундамента мелкого заложения со свайным для условного здания приводятся во второй главе.