Проектирование фундаментов мелкого заложения и свайного типа: Руководство к курсовой работе

Введение в проектирование оснований и фундаментов

Фундамент — это ключевой конструктивный элемент, от которого напрямую зависит надежность, долговечность и безопасность всего здания. Его главная задача — воспринимать нагрузки от вышележащих конструкций и передавать их на грунтовое основание. Ошибки, допущенные на этапе проектирования фундамента, могут привести к катастрофическим последствиям, поэтому курсовая работа по данной дисциплине имеет огромное практическое значение для будущего инженера-строителя.

Целью настоящей курсовой работы является закрепление теоретических знаний и приобретение практических навыков по проектированию оснований и фундаментов для конкретного здания в заданных инженерно-геологических условиях. Для достижения этой цели необходимо решить следующие ключевые задачи:

1. Проанализировать исходные данные: конструктивную схему здания, нагрузки и детальные инженерно-геологические условия площадки строительства.
2. Выполнить сбор и расчет постоянных и временных нагрузок, действующих на фундаменты.
3. Разработать, рассчитать и сконструировать первый вариант — фундамент мелкого заложения (ФМЗ).
4. Разработать, рассчитать и сконструировать второй, альтернативный вариант — свайный фундамент.
5. Провести технико-экономическое сравнение разработанных вариантов и выбрать наиболее эффективное решение.

Важно подчеркнуть, что все расчеты и конструктивные решения выполняются в строгом соответствии с требованиями действующих нормативных документов, таких как СП (Свод Правил) и СНиП (Строительные Нормы и Правила), что обеспечивает нормативную надежность и корректность проекта.

Раздел 1. Оценка инженерно-геологических условий и исходных данных

Основой для любого грамотного проекта служит тщательный анализ исходных данных. В рамках курсовой работы этот этап включает в себя изучение двух основных блоков информации: параметров самого здания и характеристик грунтов на строительной площадке.

Сначала необходимо детально описать объект: его назначение (жилое, промышленное), конструктивную схему (каркасная, бескаркасная), этажность и основные габаритные размеры. Эта информация определяет характер и величину будущих нагрузок.

Далее следует наиболее важная часть — анализ инженерно-геологических изысканий. Данные о строении грунтового основания обычно представляются в виде геологического разреза и сводной таблицы физико-механических характеристик для каждого инженерно-геологического элемента (слоя грунта). Типичный разрез может включать:

• Растительный слой: снимается перед началом строительства, в расчетах не участвует.
• Суглинок/глина: характеризуется показателями пластичности и текучести, влажностью, плотностью, удельным сцеплением и модулем деформации.
• Песчаный слой: описывается плотностью, влажностью, коэффициентом пористости и, что особенно важно, углом внутреннего трения.

Для каждого слоя грунта необходимо привести как нормативные, так и расчетные значения его характеристик. Особое внимание следует уделить гидрогеологическим условиям: зафиксировать уровень грунтовых вод (УГВ) и, что критически важно, определить степень их агрессивности по отношению к бетону и стали. Эта информация напрямую повлияет на выбор марки бетона по водонепроницаемости и необходимость в дополнительной гидроизоляции.

Раздел 2. Сбор нагрузок как основа для корректного расчета

После анализа условий площадки необходимо определить, какие именно нагрузки здание будет передавать на основание. Этот этап является обязательным и одним из самых ответственных, так как от точности определения нагрузок зависит корректность всех последующих расчетов.

Сбор нагрузок выполняется последовательно, от кровли к фундаменту. Расчету подлежат:

• Постоянные нагрузки: вес всех несущих и ограждающих конструкций (покрытия/кровли, междуэтажных перекрытий, наружных и внутренних стен, перегородок).
• Временные нагрузки: полезная (эксплуатационная) нагрузка на перекрытия, снеговая нагрузка для покрытия. Величина этих нагрузок определяется нормативными документами в зависимости от назначения здания.

Для удобства и наглядности расчет по сбору нагрузок рекомендуется оформлять в виде таблицы, где для каждого элемента конструкции указывается его нормативная и расчетная нагрузка.

Результатом этого раздела должно стать определение суммарной нормативной и расчетной нагрузки, приходящейся на 1 погонный метр ленточного фундамента или на обрез фундамента под отдельную колонну. Эти итоговые значения станут отправной точкой для проектирования обоих вариантов фундаментов.

Раздел 3. Разработка конструктивного решения для фундамента мелкого заложения

Имея на руках данные о грунтах и нагрузках, можно приступать к проектированию первого варианта — фундамента мелкого заложения (ФМЗ). Выбор конкретного типа ФМЗ (например, ленточный под стены или столбчатый под колонны) обосновывается исходя из конструктивной схемы здания и величины нагрузок.

Процесс проектирования включает несколько ключевых шагов:

1. Определение глубины заложения (d): Этот параметр назначается предварительно с учетом нескольких факторов. Главный из них — нормативная глубина сезонного промерзания грунта для данного региона. Подошва фундамента должна располагаться ниже этой отметки, чтобы избежать сил морозного пучения. Также учитываются геологические особенности — необходимость опереть фундамент на прочный слой грунта.
2. Определение размеров подошвы фундамента (b): Ширина ленты или площадь подошвы столбчатого фундамента рассчитывается из основного условия прочности основания. Давление под подошвой фундамента (p) не должно превышать расчетное сопротивление грунта основания (R). Это фундаментальное условие, обеспечивающее несущую способность.
3. Проверка несущей способности основания: После определения основных размеров выполняется проверка по первой группе предельных состояний. Для этого могут использоваться классические теории прочности грунтов (например, Терцаги или Мейерхофа) или методики, изложенные в актуальных СП.

Успешное выполнение этих шагов подтверждает, что выбранные размеры фундамента достаточны для восприятия нагрузок без риска разрушения грунта основания.

Раздел 4. Проверочные расчеты и конструирование фундамента мелкого заложения

После того как несущая способность основания подтверждена, необходимо убедиться, что его деформации не превысят допустимых значений для данного типа здания. Этот этап называется расчетом по второй группе предельных состояний.

Основной задачей здесь является расчет осадки фундамента (s). Полученное значение сравнивается с предельно допустимой осадкой (su), которая регламентируется нормативными документами для разных типов зданий (например, для кирпичных бескаркасных зданий она жестче, чем для каркасных). Если условие s ≤ su выполняется, проект считается удовлетворительным.

Завершающий шаг — конструирование фундамента. На этом этапе детально прорабатывается его конструкция:

• Армирование: Для монолитных железобетонных фундаментов выполняется расчет и подбор рабочей арматуры, которая будет воспринимать изгибающие моменты.
• Гидроизоляция: Выбирается тип гидроизоляции (обмазочная, оклеечная) для защиты бетона от капиллярной влаги и агрессивного воздействия грунтовых вод.
• Чертежи: Выполняются рабочие чертежи, на которых указываются все геометрические размеры, классы материалов (бетон, арматура), спецификации и детали конструктивных узлов.

Раздел 5. Разработка конструктивного решения для свайного фундамента

В случаях, когда слабые грунты залегают на большой глубине или нагрузки от здания очень велики, применение фундаментов мелкого заложения может быть нерациональным или невозможным. В таких условиях проектируют альтернативный вариант — свайный фундамент.

Обосновав целесообразность применения свай, необходимо последовательно решить следующие задачи:

1. Выбор типа и материала сваи: Существует множество видов свай, но в курсовых работах чаще всего рассматриваются забивные железобетонные сваи, набивные (устраиваемые непосредственно в грунте) или винтовые. Выбор зависит от геологии, нагрузок и технико-экономических соображений.
2. Определение несущей способности одиночной сваи (Fd): Это ключевой расчет, который определяет, какую нагрузку способна выдержать одна свая. Несущая способность складывается из двух компонентов:
   • Сопротивление грунта под нижним концом сваи.
   • Сопротивление грунта по боковой поверхности сваи за счет сил трения.

Расчет выполняется на основе физико-механических характеристик слоев грунта, которые прорезает свая, и грунта, на который она опирается. При необходимости также выполняется расчет на выдергивающую нагрузку, где учитываются только силы трения по боковой поверхности.

Раздел 6. Проверочные расчеты и конструирование свайного фундамента

Зная, какую нагрузку несет одна свая, можно определить требуемое количество свай для восприятия нагрузки от всего здания или отдельного элемента. Количество свай (n) определяется путем деления полной нагрузки на несущую способность одной сваи.

Дальнейшее проектирование включает:

• Разработка схемы расположения свай: Сваи размещаются в плане под несущими конструкциями (стенами, колоннами) с соблюдением минимально допустимых расстояний между ними.
• Проектирование ростверка: Ростверк — это конструкция (обычно лента или плита), которая объединяет головы свай в единую систему и равномерно распределяет на них нагрузку от здания. Выполняется его расчет и конструирование, включая подбор арматуры.
• Расчет осадки свайного фундамента: Осадка группы свай рассчитывается по модели условного массивного фундамента. Его подошва условно располагается на уровне нижних концов свай, а размеры в плане определяются контуром свайного поля. Полученная осадка также сравнивается с предельно допустимой.
• Подбор оборудования: Для забивных свай необходимо подобрать сваебойное оборудование (копер, молот), обеспечивающее погружение сваи на проектную отметку.

Итогом этого раздела являются полностью разработанные чертежи свайного поля и ростверка со всеми необходимыми спецификациями.

Раздел 7. Технико-экономическое сравнение спроектированных вариантов

После того как оба варианта — фундамент мелкого заложения и свайный — полностью спроектированы и их надежность подтверждена расчетами, наступает финальный этап: определение наиболее эффективного решения. Выбор делается на основе технико-экономического сравнения.

Для объективной оценки составляется калькуляция стоимости для каждого варианта. Она включает в себя расчет объемов основных работ и материалов. Сравнение проводится по трем ключевым показателям:

Основные показатели для технико-экономического сравнения

Показатель	Описание
Сметная стоимость	Прямые затраты на материалы (бетон, арматура, сваи), эксплуатацию машин и механизмов, а также заработную плату рабочих.
Трудоемкость	Общие затраты труда, измеряемые в человеко-часах. Этот показатель отражает количество рабочих, необходимых для выполнения работ.
Продолжительность работ	Время, необходимое для устройства фундамента, измеряемое в машино-сменах или календарных днях.

На основе этих данных делается аргументированный вывод. Не всегда самый дешевый вариант является лучшим. Например, свайный фундамент может быть дороже, но при этом значительно сокращает сроки строительства, что в конечном счете может оказаться более выгодным для инвестора. Выбор должен быть обоснованным и учитывать все три фактора.

Заключение и список использованных источников

В заключении курсовой работы необходимо лаконично подвести итоги проделанной работы. Следует кратко перечислить основные результаты, достигнутые в ходе проектирования. Например:

В результате выполнения курсовой работы были проанализированы инженерно-геологические условия и нагрузки от здания. На основе этих данных спроектированы два альтернативных варианта фундамента: ленточный на естественном основании и свайный с монолитным ростверком. Были выполнены все необходимые расчеты по первой и второй группам предельных состояний, подтверждающие их надежность. По результатам технико-экономического сравнения в качестве оптимального для данных условий был выбран [название выбранного варианта] фундамент, как наиболее сбалансированный по стоимости, трудоемкости и срокам возведения.

Завершает работу список использованных источников. В него в обязательном порядке включаются все нормативные документы (СП, СНиП, ГОСТы), на которые были ссылки в расчетах, а также учебники, учебные пособия и другая справочная литература, использовавшаяся при написании пояснительной записки.

Список использованной литературы

1. «Проектирование основание и фундаментов», В.А. Веселов;
2. «Механика грунтов, основания и фундаменты», С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский, З.Г. Тер-Мартиросян, С.Н. Чернышева;
3. «Механика грунтов, основания и фундаменты», Б.И. Далматов;
4. Методические указания «Проектирование оснований и фундаментов мелкого заложения гражданских зданий», МГСУ, доц. А.М. Корнилов;
5. Методические указания «Проектирование оснований и фундаментов гражданских зданий (свайные фундаменты)», МГСУ, доц. А.М. Корнилов;
6. СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений»;
7. СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты»;
8. СНиП 23-01-85 «Строительная климатология».