Проектирование оснований и фундаментов: Полное методическое руководство по выполнению курсовой работы

Введение в проектирование оснований и фундаментов

Фундамент — это ключевая, опорная часть любого здания или сооружения, отвечающая за передачу нагрузок от всей конструкции на грунт. Его правильное проектирование является залогом долговечности, надежности и безопасности всего объекта. Ошибки, допущенные на этом этапе, практически невозможно исправить, и они могут привести к катастрофическим последствиям.

Цель настоящей курсовой работы — на сквозном примере научиться самостоятельно выполнять весь комплекс работ по проектированию фундаментов для конкретного объекта, которым в данном случае является здание портового склада в г. Курган. Это включает в себя анализ исходных данных, оценку грунтов, сбор нагрузок, разработку и сравнение нескольких вариантов конструкций, а также принятие итогового, обоснованного решения.

Для успешного выполнения работы необходимо четко понимать базовую терминологию:

• Основание — это массив грунта, непосредственно воспринимающий нагрузку от фундамента. Основания бывают естественными (грунт в его природном залегании) и искусственными (уплотненный или укрепленный грунт).
• Фундамент — подземная конструкция, передающая нагрузку от здания на основание.
• Осадка — вертикальное смещение фундамента под действием нагрузки, возникающее в результате уплотнения грунта основания.
• Несущая способность — максимальная нагрузка, которую может выдержать основание без разрушения и недопустимых деформаций.
• Предельное состояние — состояние, при котором конструкция или основание перестают удовлетворять эксплуатационным требованиям (вторая группа) или разрушаются (первая группа).

Все расчеты и проектные решения в данной работе будут выполняться в строгом соответствии с требованиями основного нормативного документа в этой области — СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений». Этот свод правил регламентирует все аспекты проектирования, от характеристик грунтов до требований к конструированию.

Анализ исходных данных и конструктивной схемы здания

Первый шаг в любом проекте — это тщательный анализ исходных данных. По условиям курсовой работы, нам предстоит спроектировать фундаменты для здания портового склада, расположенного в г. Курган. Объекту присвоены схема сооружения №6 и характеристика сооружения №3.

Анализ плана и разреза здания, представленных в графической части, позволяет определить его конструктивные особенности. Мы видим, что здание имеет каркасную конструктивную схему. Это означает, что основные несущие функции выполняют колонны, объединенные ригелями, на которые опираются плиты перекрытия и покрытия. Наружные и внутренние стены в такой схеме чаще всего являются самонесущими или навесными и не передают нагрузку на фундаменты колонн. Ключевыми параметрами для дальнейших расчетов являются шаг колонн в продольном и поперечном направлениях, а также высоты этажей.

Понимание этих параметров критически важно, так как они напрямую влияют на определение грузовых площадей — области, с которой каждая колонна собирает нагрузку от перекрытий, кровли и собственного веса. Именно на основе этих данных будет выполняться сбор нагрузок на обрезы фундаментов.

Климатические особенности района строительства (г. Курган) также играют важнейшую роль. Главный фактор — это нормативная глубина сезонного промерзания грунта. Подошва фундамента мелкого заложения должна располагаться ниже этой отметки, чтобы избежать сил морозного пучения, способных деформировать и даже разрушить конструкцию.

Оценка инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки

После изучения самого здания необходимо детально проанализировать то, на чем оно будет стоять — грунты основания. Эта информация представлена в виде инженерно-геологического разреза, который является «паспортом» строительной площадки.

Анализ разреза показывает последовательность залегания различных слоев грунта. В нашем случае могут быть представлены различные типы грунтов: например, песчаные, глинистые или суглинки. Для каждого инженерно-геологического элемента (слоя грунта) в отчете приводятся его физико-механические характеристики, которые являются основой всех расчетов:

• Плотность грунта (ρ)
• Угол внутреннего трения (φ)
• Удельное сцепление (c)
• Модуль деформации (E)

Расчетные значения этих характеристик выбираются согласно СП 22.13330.2016. Важно отметить, что слабые или сильносжимаемые грунты в верхних слоях могут сделать невозможным или нерациональным применение фундаментов мелкого заложения.

Кроме того, на разрезе указывается уровень грунтовых вод (УГВ). Этот параметр определяет необходимость и тип гидроизоляции для защиты бетона и арматуры от коррозии. Также проводится химический анализ воды для определения степени ее агрессивности к бетону марки W4 и к стальной арматуре. При высоком УГВ может потребоваться организация постоянного или временного дренажа на период строительства.

Сбор и расчет нагрузок на обрезы фундаментов

Этот этап является одним из самых ответственных в курсовой работе, так как от точности определения нагрузок зависит корректность всех последующих расчетов. Задача — определить суммарную нагрузку, которую наиболее нагруженная колонна передает на свой фундамент.

Методика сбора нагрузок начинается с определения грузовой площади для рассматриваемой колонны (как правило, выбирают наиболее нагруженную — рядовую колонну в среднем пролете). Затем последовательно рассчитываются и суммируются все виды нагрузок.

1. Постоянные нагрузки: Это нагрузки от веса конструкций, которые действуют в течение всего срока службы здания. К ним относятся вес колонн, балок, плит перекрытий и покрытия, кровли, а также самонесущих стен, опирающихся на фундаментные балки.
2. Временные (полезные) нагрузки: Они зависят от назначения здания. Для портового склада это, в первую очередь, вес складируемых грузов, который определяется нормативными документами в зависимости от высоты складирования.
3. Снеговая нагрузка: Эта нагрузка зависит от географического района строительства. Для г. Курган по соответствующим картам СП «Нагрузки и воздействия» определяется снеговой район и вычисляется нормативная, а затем и расчетная снеговая нагрузка на 1 м² покрытия.

Все нагрузки вычисляются в двух значениях: нормативном (для расчетов по деформациям) и расчетном (для расчетов по несущей способности). После сбора всех нагрузок мы получаем итоговые значения вертикальной силы (N) и, при необходимости, изгибающих моментов (M), действующих на обрез наиболее нагруженного фундамента.

Предварительный выбор и обоснование вариантов типа фундамента

Имея на руках два ключевых набора данных — характеристики грунтов основания и величину нагрузок от здания — мы можем приступить к принятию принципиального проектного решения: выбору типа фундамента. На данном этапе мы не делаем окончательный выбор, а выдвигаем две наиболее рациональные гипотезы для дальнейшего сравнения.

Существуют различные распространенные типы фундаментов: ленточные (под стены), столбчатые (под отдельные колонны), плитные (сплошная плита под всем зданием) и свайные. Выбор зависит от нагрузок, геологии и конструктивной схемы здания.

На основе анализа нагрузок и геологических условий для нашего портового склада целесообразно рассмотреть два альтернативных варианта:

1. Фундамент мелкого заложения на естественном основании. Это классический столбчатый железобетонный фундамент. Этот вариант рационален, если верхние слои грунта обладают достаточной несущей способностью, чтобы воспринять нагрузку от здания без чрезмерных осадок.
2. Свайный фундамент. Этот вариант рассматривается, когда верхние слои грунта слабые, а прочные грунты залегают на значительной глубине. Сваи прорезают слабые слои и передают нагрузку на нижележащие, более прочные пласты.

Предварительная глубина заложения для фундамента мелкого заложения назначается с учетом нормативной глубины сезонного промерзания грунта для г. Кургана. Преимущество первого варианта — простота и меньшая стоимость, недостаток — большая осадка и зависимость от свойств поверхностных грунтов. Преимущество второго — малая осадка и возможность строительства на слабых грунтах, недостаток — высокая сложность и стоимость работ.

Вариант 1. Проектирование и расчет фундамента мелкого заложения

В рамках этого варианта мы разрабатываем отдельно стоящий (столбчатый) фундамент под наиболее нагруженную колонну. Расчет выполняется в строгом соответствии с СП 22.13330.2016 и включает несколько последовательных этапов.

1. Определение размеров подошвы фундамента. Основная задача на этом шаге — подобрать такую площадь подошвы (A = L x B), чтобы среднее давление под ней от нормативной нагрузки (p) не превышало расчетного сопротивления грунта основания (R). Величина R вычисляется по формулам СП и зависит от характеристик грунта непосредственно под подошвой фундамента.

2. Расчет основания по первой группе предельных состояний (по несущей способности). Это силовой расчет, который гарантирует, что основание под действием расчетных нагрузок не потеряет свою устойчивость. Проверка выполняется по специальным формулам, учитывающим все силовые факторы.

3. Расчет основания по второй группе предельных состояний (по деформациям). Это ключевой расчет, который определяет будущую осадку фундамента (s). Осадка вычисляется методом послойного суммирования, который учитывает уплотнение всех слоев грунта в сжимаемой толще под фундаментом. Полученная величина осадки s затем сравнивается с предельно допустимой осадкой su для данного типа здания (каркасные промышленные здания).

Если s ≤ su, условие выполняется, и размеры фундамента считаются приемлемыми.

4. Расчет на продавливание. Это конструктивный расчет самой железобетонной плиты фундамента. Проверяется, выдержит ли плита концентрацию нагрузки от колонны без разрушения. От этого расчета зависит требуемая рабочая высота фундамента (h0).

5. Подбор арматуры. На последнем шаге, исходя из изгибающих моментов, действующих в плите фундамента, рассчитывается требуемая площадь рабочей арматуры и конструируются арматурные сетки.

Вариант 2. Проектирование и расчет свайного фундамента

Если фундамент мелкого заложения оказывается неэффективным (например, требует слишком больших размеров или дает чрезмерную осадку), рассматривается альтернатива — свайный фундамент. Он состоит из группы свай, объединенных сверху железобетонной плитой — ростверком.

Проектирование свайного фундамента также выполняется пошагово:

1. Выбор типа и материала свай. В зависимости от геологии и оборудования, это могут быть, например, забивные железобетонные сваи квадратного сечения 30×30 см. Длина сваи назначается таким образом, чтобы ее нижний конец (острие) опирался на прочный слой грунта.
2. Определение несущей способности одиночной сваи (Fd). Это важнейший расчет, который показывает, какую нагрузку может выдержать одна свая. Несущая способность складывается из двух составляющих: сопротивления грунта под острием сваи и сил трения по ее боковой поверхности. Расчет выполняется по формулам СП на основе геологических данных.
3. Определение количества и расположения свай. Зная полную нагрузку на фундамент и несущую способность одной сваи, можно определить требуемое количество свай в кусте (n = N / Fd). Сваи располагают в плане с соблюдением минимальных расстояний между ними (обычно 3 диаметра сваи).
4. Проектирование ростверка. Размеры ростверка в плане определяются расположением свай. Его высота назначается из условия жесткости и расчета на продавливание сваями и колонной.
5. Расчет несущей способности основания. Проверяется несущая способность всего свайного фундамента как единого условного массива грунта (так называемый «условный фундамент»).
6. Расчет осадки свайного фундамента. Осадка свайного фундамента, как правило, значительно меньше осадки фундамента на естественном основании. Она также рассчитывается и сравнивается с предельно допустимой.
7. Армирование ростверка. По результатам статического расчета ростверка подбирается рабочая арматура (верхняя и нижняя сетки).

Сравнительный анализ вариантов и окончательный выбор

После того как оба варианта — фундамент мелкого заложения и свайный фундамент — полностью рассчитаны и сконструированы, необходимо провести их технико-экономическое сравнение, чтобы сделать аргументированный и окончательный выбор. Для наглядности сравнение удобно представить в виде таблицы.

Технико-экономическое сравнение вариантов фундамента

Критерий	Вариант 1: Фундамент мелкого заложения	Вариант 2: Свайный фундамент
Сложность устройства	Низкая (земляные работы, бетонирование)	Высокая (требуется специальная техника для забивки свай)
Расход бетона, м³	Значительный	Умеренный (с учетом ростверка и свай)
Расход стали, т	Умеренный	Значительный (с учетом армирования свай)
Расчетная осадка, мм	Существенная, но в пределах нормы	Незначительная
Трудоемкость и сроки	Меньшие	Большие

На основе этого анализа делается вывод. Например: «Несмотря на то, что свайный фундамент обеспечивает меньшую осадку, его применение в данных инженерно-геологических условиях не является оправданным из-за высокой сложности и стоимости. Фундамент мелкого заложения обеспечивает достаточную несущую способность при допустимой осадке и является значительно менее трудоемким и более экономичным. Поэтому к дальнейшей разработке принимается Вариант 1″.

Конструирование фундаментов под все несущие элементы здания

После окончательного выбора типа фундамента (например, столбчатого на естественном основании) необходимо распространить это решение на все здание. Нерационально проектировать каждый фундамент индивидуально, поэтому применяется метод типизации.

Нагрузки на разные колонны в здании отличаются. Например, угловые колонны несут меньшую нагрузку, чем рядовые, а колонны у торцевых стен — свою. Поэтому разрабатывается несколько типоразмеров принятого фундамента. Например:

• ФМ-1 — под наиболее нагруженные рядовые колонны (рассчитан ранее).
• ФМ-2 — под крайние колонны (с меньшей грузовой площадью).
• ФМ-3 — под угловые колонны.

Для каждого нового типоразмера (ФМ-2, ФМ-3) проводится краткий проверочный расчет по аналогии с основным: определяется их площадь и проверяется осадка. После этого разрабатывается один из главных чертежей проекта — схема расположения фундаментов (разбивочный план). На этом чертеже показывается все поле фундаментов с их привязкой к координационным осям здания и маркировкой каждого фундамента в соответствии с его типоразмером.

Разработка мероприятий по защите и детализация узлов

Качественный проект фундамента не заканчивается на силовых расчетах. Необходимо продумать меры, обеспечивающие его долговечность, и детально проработать ключевые конструктивные узлы.

В первую очередь, на основе данных об уровне грунтовых вод и их агрессивности разрабатывается схема гидроизоляции. Как правило, применяется оклеечная или обмазочная гидроизоляция по боковым поверхностям фундамента и под его подошвой для защиты бетона от влаги и коррозии. Если УГВ высокий, может быть дополнительно спроектирована система пристенного или кольцевого дренажа для отвода воды от здания.

Далее выполняется детальная проработка узлов. Ключевым является узел сопряжения колонны с фундаментом. На чертеже этого узла показывают:

• Глубину стакана в фундаменте (если сопряжение стаканного типа).
• Детали армирования стакана и плиты фундамента.
• Способ анкеровки арматурных выпусков колонны.
• Толщину и материал подготовительного бетонного слоя.

Наконец, разрабатываются рабочие чертежи армирования для каждого типоразмера фундамента. На них изображаются схемы раскладки арматурных сеток и каркасов, указываются диаметры, шаги и классы стали, что необходимо для изготовления этих элементов на стройплощадке или заводе ЖБИ.

Краткое технико-экономическое обоснование проекта

Любое проектное решение должно быть не только технически верным, но и экономически целесообразным. Для оценки экономической эффективности принятого варианта фундамента составляется ведомость основных объемов работ и расхода материалов на весь объект.

В первую очередь рассчитываются объемы работ:

• Выемка грунта под все фундаменты (м³).
• Устройство песчаной или щебеночной подготовки (м³).
• Укладка монолитного бетона (м³).
• Устройство гидроизоляции (м²).

Затем составляется ведомость расхода материалов. Суммируется потребность в бетоне требуемого кла��са и арматурной стали всех диаметров на весь комплекс фундаментов. Эти показатели (общий объем бетона и общая масса стали) являются ключевыми для оценки стоимости. Сравнивая их с аналогичными показателями для отвергнутого варианта (например, свайного), можно сделать количественный вывод об экономической эффективности принятого решения.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы был пройден полный цикл проектирования фундаментов для здания портового склада в г. Курган. Начиная с анализа исходных данных и инженерно-геологических условий, был выполнен сбор нагрузок, на основе которого были разработаны и детально рассчитаны два альтернативных варианта: фундамент мелкого заложения на естественном основании и свайный фундамент.

По результатам технико-экономического сравнения был сделан обоснованный выбор в пользу фундамента мелкого заложения как более рационального в данных условиях. Для выбранного типа были разработаны типоразмеры, спроектирована схема их расположения в плане здания, проработаны узлы и мероприятия по защите конструкций.

Основные параметры принятого фундамента для рядовой колонны:

• Тип: столбчатый, монолитный, железобетонный.
• Глубина заложения: [указывается конкретное значение из расчета].
• Размеры в плане: [указываются размеры из расчета].
• Расчетная осадка: [указывается значение из расчета], что не превышает предельно допустимую величину.

Таким образом, все цели и задачи, поставленные во введении, были успешно выполнены. Проектные решения удовлетворяют требованиям прочности, эксплуатационной надежности и долговечности, а все расчеты выполнены в соответствии с действующими нормами и правилами, в первую очередь — СП 22.13330.2016. В состав итогового проекта входит пояснительная записка и комплект чертежей, включающий геологический разрез, план расположения фундаментов, разрезы и узлы.

Список использованной литературы

1. СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений»
2. СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика»
3. СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты»
4. Костерин Э.В. Основания и фундаменты. М.: Высш. шк., 1990.
5. Далматов Б.И., Морарескул Н.Н., Науменко В.Г. Проектирование фундаментов зданий и промышленных сооружений. М.: Высш. шк., 1986.