Материал: Расчет фундаментов

Расчет фундамента

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

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).

Вопрос

Если вокруг дома сделана подсыпка, то из чего следует исходить при назначении глубины заложения фундамента?

Разумеется, грунт будет промерзать с учетом подсыпанного грунта. Поэтому и глубину заложения фундамента в этом случае следует определять от поверхности подсыпки (рис. 1, б).

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. 1

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.

Это следует учитывать

• · при постоянном проживании грунт под домом зимой прогревается и расчетную глубину промерзания можно уменьшить на 15-20%;
• · для мелких и пылеватых песков и супесей значение глубины промерзания следует увеличить в 1,2 раза.

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.

Всемирное потепление и глубина промерзания

Застройщики, решившие учесть общее потепление климата и на этом основании смягчить требования к заглублению фундамента и к утеплению стен, не совсем правы.

Крещенские морозы, накрывшие всю территорию России в январе 2006г., держали температуру на 15..20° С ниже среднестатистической отметки, напрягая энергетиков и владельцев частных домов.

Технология ТИСЭ возведения столбчато-ленточного фундамента и трехслойных стен без "мостков холода" дает возможность сохранить высокие эксплуатационные характеристики индивидуального жилья в подобных климатических условиях.

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

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 (д) 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 > гn F/гc Ro , где
• S - площадь подошвы фундамента (см2);

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

гn = 1,2 - коэффициент надежности;

гc - 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 е (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 (е = 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