Расчет фундамента

Приступая к выбору фундамента, следует определиться с терминами и параме­трами, характеризующими сам фундамент и грунт-основание под ним (рис. 1, а).

Фундамент - это подземная часть здания, которая предназначена для передачи нагрузки от здания на грунт, залегающий на определенной глубине и являющийся основанием фундамента.

Глубина заложения фундамента (Hf) - расстояние от подошвы фундамента до поверхности земли.

Подстилающий слой грунта (основание) - слой грунта, на который опирается подошва фундамента.

Расчетная глубина промерзания (hi) - положение границы промерзания отно­сительно уровня грунта, принятое в качестве расчетной величины, узаконенной нор­мативными документами (нормами СНиП).

Рис. 1

Глубина промерзания в большей степени определяется климатическими усло­виями данного региона и соответствует наибольшей величине промерзания влажно­го глинистого грунта без снегового покрова в период наиболее низких возможных температур. В пределах Европейской и Сибирской части России граница промерза­ния меняется в широком диапазоне (рис. 2).

Рис. 2

Глубина промерзания по городам России и ближнего зарубежья:

70 см - Краснодар, Калининград, Львов.

90 см - Ростов-на-Дону, Астрахань, Киев, Минск, Рига.

100 см - Таллинн, Харьков, Вильнюс.

120 см - Великие Луки, Волгоград, Курск, Псков, Смоленск.

140 см - Воронеж, Тверь, Санкт-Петербург, Москва, Новгород.

150 см - Вологда, Нижний Новгород, Кострома, Пенза, Саратов.

170 см - Ижевск, Казань, Котлас, Самара, Вятка, Ульяновск, Ярославль, Иваново.

180 см - Уфа, Караганда, Актюбинск.

190 см - Екатеринбург, Челябинск, Сыктывкар, Пермь.

210 см - Тобольск, Кустанай, Барнаул.

220 см - Омск, Новосибирск.

Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Но на то она и расчетная, чтобы избежать возможных разрушений дома при самых неудачных стечениях обстоятельств, предложенных погодой.

Уровень грунтовых вод (hw) - положение зеркала грунтовых вод относительно уровня грунта в условно отрытом котловане (скважине).

Сжимаемая толща грунта - деформируемая часть грунта, воспринимающая на­грузку от фундамента.

Очевидно, что чем меньше глубина заложения фундамента, тем меньше стои­мость строительства. Желание снизить затраты на возведение фундамента ведет к стремлению поднять подошву фундамента к поверхности грунта. Вместе с тем верхние слои грунта не всегда могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к основанию сооружения: они имеют недостаточную и неравномерную прочность, подвержены пучинистым явлениям, чем способны вызвать разрушение фундамента и самого строения.

Проектирование фундамента связано не только с выбором его конструкции и глубины заложения, но и с определением его геометрических параметров, главным из которых является площадь подошвы фундамента. Именно этот параметр окажет решающее влияние на "поведение" строения в процессе его эксплуатации. Недоста­точная площадь опоры приведет к недопустимой просадке сооружения, а неравно­мерность просадки под ним - к разрушению возведенного строения. Излишне боль­шая площадь подошвы напрямую ведет к увеличению расхода материалов и затрат, расходуемых на возведение фундамента.

Определиться с требуемой площадью подошвы фундамента можно через прове­дение проектировочных расчетов. В строительной практике предусмотрено выпол­нение расчетов фундамента по двум группам предельных состояний: по несущей способности основания и по допустимым деформациям сооружений. Если первый расчет позволяет определить площадь подошвы фундамента, то второй даст возмож­ность избежать разрушения самого дома от неравномерности в осадке фундамента.

Расчет фундамента по несущей способности основания (информация для любознательных застройщиков)

Целью расчета оснований по несущей способности является оценка прочности и устойчивости грунта-основания под подошвой фундамента от воздействия эксплуатационных нагрузок.

Восприятие нагрузки фундаментом сопровождается его осадкой, которая обусловлена уплотнением грунта и потерей его устойчивости, характеризуемой деформационными сдвигами слоев. Величина осадки (δ) зависит не только от прочностных характеристик грунта, но и от значения прилагаемого усилия (F) (рис. 3), как у пружины, величина сжатия которой зависит от её жесткости и от приложенной силы.

Рис. 3

На графике можно выделить типичные участки, характеризующие деформаци­онно-напряженные процессы, проходящие в основании и сопровождающиеся пере­мещением и уплотнением грунта (рис. 4):

ОА - фаза упругих деформаций (рис. 4, а);

АБ - фаза уплотнения и местных сдвигов (рис. 4, б);

БВ - фаза сдвигов и начало бокового уплотнения (рис. 4, в);

ВГ - фаза выпора (рис. 4, г);

ГД - фаза преобладающего бокового уплотнения (рис. 4, д).

Рис. 4

Наиболее востребованные фазы работы основания, которые используются в ус­ловиях строительства - ОА, АБ и начальная часть фазы БВ, где преобладающими являются упругие деформации основания. Каждому типу фундамента соответству­ет своя фаза деформаций:

ОА - для фундамента в виде плит, где давление на грунт невелико;

АБ - ленточный мелкозаглубленный фундамент;

АБ (конец) и БВ - столбчатый фундамент.

Остальные фазы работы основания (ГД) реализуются в основном при созда­нии свайных фундаментов, применяемых в индустриальном строительстве (за­бивные сваи).

При возведении столбчато-ленточного фундамента по технологии ТИСЭ уровень напряжений в основании достаточно высок: задействуются вторая поло­вина фазы АБ, фаза БВ и даже ВГ. Работа основания в широком диапазоне упру­гих деформаций обеспечивает "мягкое" восприятие нагрузки от веса возведенно­го строения.

Расчет оснований по несущей способности (для фаз ОА, АБ, начало БВ) выпол­няют через определение требуемой площади подошвы фундамента по следующей формуле:

S > γ_n F/γ_c Ro , где

S - площадь подошвы фундамента (см²);

F - расчетная нагрузка на основание (общий вес дома, в том числе фундамент, полезная нагрузка, снеговой покров...) (кг);

γ_n = 1,2 - коэффициент надежности;

γ_c - коэффициент условий работы имеет следующие величины:

1,0 - глина пластичная, сооружение жесткой конструкции (каменные стены);

1,1 - глина пластичная, сооружения нежесткой конструкции (деревянные или каркасные стены) и жесткой конструкции длинные, с соотношением длины к высо­те больше 4;

1,2 - глина слабопластичная, пески пылеватые маловлажные, строения нежест­кие и жесткие короткие с соотношением длины к высоте меньше 1,5;

1,2 - крупный песок, строения жесткие длинные;

1,3 - пески мелкие, сооружения любой жесткости;

1,4 - крупный песок, сооружения нежесткие и жесткие длинные;

R₀ - условное расчетное сопротивление грунта основания для фундаментов с глубиной заложения 1,5...2 м (определяется потаблицам 1...5).

Таблица 1. Расчетные сопротивления R₀ крупнообломочных грунтов

Таблица 2. Расчетные сопротивления R₀ песчаных грунтов

Таблица 3. Расчетные сопротивления R₀ непросадочных глинистых грунтов

Расчетное сопротивление глинистых грунтов и его влажность существенно за­висят от пористости грунта ε (отношение объема пор к объему твердых частиц). Для новичка в строительстве этот показатель оценить в реальных условиях доста­точно сложно, т.к. извлеченный грунт в свободном состоянии уже не обладает теми показателями, какие он имел на глубине, находясь под давлением.

Автором предложено связать пористость, а следовательно, и несущую способ­ность грунта с глубиной его заложения в зависимости от того, по какую сторону гра­ницы промерзания находится подошва фундамента.

Любой грунт при увлажнении проседает и уплотняется. В процессе своего суще­ствования пучинистый грунт, расположенный ниже глубины промерзания, уплотня­ется до состояния "дальше некуда". Ничто не меняет это состояние в течение многих и многих десятков и сотен лет. В то же время грунт, находящийся выше глубины промерзания, постоянно насыщается влагой и при сезонном промораживании уве­личивается в объеме. Влага, находящаяся в порах, увеличивает объем этих пор на 10%. Таким образом, грунт, находящийся выше границы промерзания, ежегодно "встряхивается", становясь пористым. Глинистый грунт, находящийся ниже глуби­ны промерзания, обладает минимальной (ε = 0,3) пористостью и максимальной прочностью.

Просадочные глинистые грунты в сухом состоянии имеют повышенную порис­тость и вместе с тем обладают высокой механической прочностью, обусловленной сильными структурными связями (табл. 4).

Таблица 4. Расчетные сопротивления R₀ просадочных глинистых грунтов природного сложения

Таблица 5. Расчетные сопротивления R₀ насыпных грунтов

После механического уплотнения просадочных грунтов природного сложения (трамбование) происходит разрушение жесткого каркаса и потеря прочности:

Большему значению расчетного сопротивления насыпных грунтов соответству­ют крупные, средние и мелкие пески, шлаки...

Меньшему значению - пески пылеватые, супеси, суглинки, глины и золы.

Пример расчета фундамента по несущей способности грунта

Жилой каменный дом 7x8 м в два этажа имеет одну внутреннюю несущую сте­ну. Вес дома с учетом снегового покрова и полезной нагрузки - около 180 т. Фунда­мент - заглубленный. Грунт - суглинок увлажненный (несущая способность 3,5 кг/см²)

Площадь подошвы фундамента определяется по формуле:

S > γ_n F/γ_c Ro, где

γ_n=1,2

F= 180000 кг

у_с=1,0

R₀ = 3,5 кг/см²

S>1,2-180000/1,0 3,5 = 61800 см² = 6,18 м²

При общей длине фундамента - около 35 м ширина подошвы фундамента должна быть не менее 6,18 / 35 = 0,18 м.

Влияние сейсмичности на несущую способность грунта

Задаваясь той или иной величиной расчетного сопротивления грунта, следует учитывать, что при одновременном воздействии статической нагрузки и вибраций прочность грунта снижается. Грунт, как говорят специалисты, приобретает свойства псевдожидкого состояния.

Индивидуальные застройщики, решившие возводить сейсмостойкий фунда­мент своими силами, должны учитывать уменьшение несущей способности грунта при сейсмических вибрациях. Ориентировочно табличную величину расчетного co противления грунта необходимо уменьшить в 1,5 раза, т.е увеличить площадь по­дошвы фундамента тоже в 1,5 раза.

Расчетное сопротивление грунта на разной глубине

Величины расчетного сопротивления грунтов (R₀), приведенные в таблицах 4..8 даны для глубины заложения фундамента 1,5...2 м.

Если глубина заложения фундамента меньше чем 1,5 м. то расчетное сопротив­ление грунта (Rh) определяется по формуле:

Rh = 0,005R₀(100 +h/3), где

h - глубина заложения фундамента в см.

Пример 1.

Глинистый грунт на глубине 0,5 м при R₀=4 кг/см² будет иметь расчетное со­противление грунта Rh = 2,33 кг/см².

Если глубина заложения фундамента больше чем 2 м. то расчетное сопротивление грунта (Rh) определяется по формуле:

Rh = R₀ + kg(h - 200), где

h - глубина заложения фундамента в см,

g - вес столба грунта, расположенного выше глубины заложения фундамента (кг/см²);

к - коэффициент грунта (для песка - 0,25; для супеси и суглинка - 0,20; для глины - 0,15).

Пример 2.

Глинистый грунт на глубине 3 м при R₀=4 кг/см² будет иметь расчетное сопро­тивление Rh = 10,3 кг/см². Удельный вес глины - 1,4 кг/см², а вес столба глины высо­той 300 см - 0,42 кг/см².

Максимальные величины расчетного сопротивления фунтов

Для того чтобы глубже понять работу оснований, полезно было бы узнать мак­симальные величины расчетного сопротивления грунтов, которые встречаются в ре­альной жизни. Такие экстремальные параметры грунта могут возникнуть только при максимальном его уплотнении, например, под нижним концом забивных свай.

Значения расчетного сопротивления сильно уплотненных грунтов R₀ (пески гравелистые, крупные, средние, мелкие и пылеватые, пылевато-глинистые грунты) зависят от глубины погружения нижнего конца свай [3]:

Такое внушительное увеличение несущей способности грунта связано с уплот­нение грунта не только непосредственно под сваей, но и вокруг неё (рис. 4, д).

Эти данные приведены не для того, чтобы их напрямую использовать при рас­чете фундамента, т.к. такое значительное увеличение расчетного сопротивления грунтов связано с их сильным уплотнением и значительными деформациями осно­вания. Но вместе с тем, это дает застройщику определенную уверенность в том, что созданный им фундамент выдержит вес задуманного сооружения: грунт не подведет. Главное в этом - сделать грамотно все остальное: фундамент и стены.

Расчет фундамента по допустимым деформациям сооружения

Целью расчета фундамента по этой методике является оценка соответствия дей­ствующего и допустимого уровней деформаций сооружения от воздействия эксплу­атационных нагрузок.

В гибких и жестких конструкциях неравномерность осадки вызывает деформа­ции строений или ведет к изменению их положения(рис. 5), что может вызвать ухудшение условий эксплуатации здания или его оборудования. Кроме этого, при больших деформациях конструкция сооружения может испытывать закритические напряжения, ведущие к его разрушению.

Правильно спроектированный фундамент предполагает осадки и деформации строения, но величина их не должна превышать строительные нормы, гарантирую­щие полноценную эксплуатацию здания.

Виды деформаций сооружений.

Прогиб и выгиб (рис. 5, а, б) зданий возникает из-за неравномерной осадки ос­нования. Наиболее опасная растянутая зона строений при прогибе находится у фун­дамента, при выгибе - у кровли.

Сдвиг (рис. 5, в) зданий возникает при увеличенной просадке основания с од­ной из сторон. Наиболее опасная зона строения - стена в средней зоне, где возника­ет большой сдвиг.

Крен (рис. 5, г) здания возникает при относительно большой его высоте (мно­гоэтажный дом, башня, дымовая труба...), при высокой изгибной жесткости строе­ния. Опасен дальнейший рост крена и последующее разрушение здания.

Перекос (рис. 5, д) возникает при неравномерных осадках, приходящихся на небольшой участок длинного сооружения.

Горизонтальное смещение (рис. 5, е) возникает в фундаментах, в стенах подва­лов или в подпорных стенках, загруженных горизонтальными усилиями.

Рис. 5

Допускаемая величина осадки и крена сооружений

Допускаемая величина осадки, неравномерности в осадке и крена зависят от ти­па здания, его силовой схемы и используемых материалов.

Величина допустимых деформаций приведена в таблице 6.

Таблица 6. Предельные деформации оснований

Относительная неравномерность осадки (σ /L) - максимальное отношение раз­ности в осадке двух участков фундамента к расстоянию между этими участками. По-другому: относительный прогиб (выгиб) характеризуется отношением стрелы про­гиба к длине изгибаемого участка.

Из таблицы видно, что допустимые неравномерности в осадке дома тем больше, чем менее жесткий дом. Каркасные или деревянные дома допускают относительно большую неравномерность в осадке фундамента. Каменные, более жесткие дома, - нет.

Причины неравномерных осадок:

Рис. 6

Основная ошибка строителей заключалась в том, что песчаная подсыпка, игра­ющая роль нижней части опалубки, из-под ленты своевременно не была удалена. По сути стены возводили на ленточном незаглубленном фундаменте, которым являлся ростверк.

Перед тем, как возникла трещина, в этом месте стены был брошен шланг, из ко­торого постоянно текла вода, используемая при возведении стен. От переизбытка влаги несущая способность верхних слоев грунта в этом месте снизилась. Тонкая лента проармированного ростверка просела, не треснув. Бетонный массив в нижней части стены, испытывающий растяжение, лопнул, отчего и появилась эта трещина.

Правильная последовательность удаления песчаной подсыпки из-под роствер­ка всего дома и горизонтальное армирование стен позволили решить эту проблему. После нанесения шпаклевки эта трещина больше не проявлялась.

Причиной возникновения подобных трещин в стене часто становится разру­шенная система ливнеотвода. Толстый слой снега на крыше и массивные сосульки становятся причиной поломки желобов и стояков системы. Если у хозяина руки не доходят до их восстановления, то после сильных дождей земля вокруг дома нерав­номерно увлажняется, как в предыдущем примере, что вызывает неравномерную осадку незаглубленного или мелкозаглубленного фундамента. В стенах возникают трещины, здание приходит в аварийное состояние, выйти из которого достаточно сложно.

Восстановление вертикальности здания свелось к сознательному ухудшению несущей способности грунта под той частью плиты, которая не просела. Процесс возвращения дома в вертикальное положение занял почти три месяца. Когда дом на­чал приближаться к вертикальному положению, началось закрепление грунтов ос­нования под всей плитой инъекцией твердеющих растворов под высоким давлени­ем. После восстановительных работ дом оказался ниже исходной проектной отмет­ки на 30 см.

Мероприятия по устранению неравномерных осадок

Устранение неравномерности осадки фундамента сводится к определенным конструктивным проработкам и к проведению некоторых профилактических меро­приятий: