Основные положения и порядок расчета фундаментов мелкого заложения

Любые измерения при проведении строительных работ являются залогом успешного возведения зданий.

Расчет фундамента мелкого заложения (МЗФ) нужен для выбора типа основания проекта. Кроме того, он помогает определиться с геометрической формой и глубиной фундамента.

В процессе измерений вычисляется возможная будущая нагрузка строения, степень воздействия сопутствующих факторов – пучения, температуры, качества грунта. Но самое главное – определяется возможная степень деформации фундамента в процессе его усадки.

Основные положения

При любых расчетах очень важно соблюдение определенной последовательности:

• Сбор нагрузок на почву и основание.
• Подбор наиболее подходящей расчетной схемы.
• Определение нагрузки строения N.
• Проведение вычислений по прочности и устойчивости (первому предельному состоянию).
• Измерения второго предельного состояния (деформации).

Проведение измерений, связанных с фундаментом мелкого заложения, прежде всего сводится к определению трех основных факторов:

1. Определение прочности рамы основания по периметру.
2. Сила давления почвы при морозном пучении.
3. Величины давления строения на грунт.

Большое внимание в данном случае отводится будущей несущей нагрузке здания, которая состоит из всех типов передаваемых нагрузок:

M/м2, где:

• M – масса всей постройки;
• м2 – нижняя плоскость фундамента (площадь по квадратам).

В данном случае расчеты фундамента мелкого заложения во многом зависят от силы деформации пучения, которую можно узнать из справочников, касающихся конкретного типа грунта.

Чтобы рама по периметру фундамента была прочной, при выполнении строительных работ, в соответствии с измерениями, уделяют большое внимание геометрической форме основания и качеству используемой арматуры (диаметр, длина, состав материала).

Для расчета фундамента мелкого заложения нагрузка строений (N) описана в проектной документации инженером. Из других факторов на подсчеты влияют показатели пучения грунта в том регионе, где проходит строительство.

Морозное пучение – способность накапливать воду при оттаивании/схватывании, с расширением почвы, оказывает влияние на грунт при обустройстве фундамента.

Степень пучения прямо связана с возможностью деформации строений, и указывает на выбор наиболее подходящего фундамента. Пучинистые почвы характерны для местности с суровыми зимами, высоким уровнем влажности, особенным ландшафтом и близким расположением грунтовых вод.

Существует 5 основных групп пучинистых почв, посмотреть которые можно в инженерных таблицах. Для формирования мелкозаглубленного фундамента сначала рассчитывают площадь нижней его части Af. В таблицах с заданным типом почвы находят такие показатели, как ширина и высота фундамента. В дополнительной строке всегда указывается толщина подсыпки.

Группы предельных состояний

Предельными состояниями грунтов и фундаментов называют их реальные показатели несущей способности и деформации. Большое значение при этом уделяется именно деформации. Ее анализ имеет значение при различных технологиях работ нулевого цикла, при изучении массива почвы.

Первая группа предельных состояний для основания – это:

• Потеря устойчивости почвы, ее сползание и перемещение.
• Деформация при прогрессирующем сползании грунтов.
• Разрушение почвы.
• Наличие резонансных колебаний.
• Возможность полного разрушения фундамента, в том числе ЖБ.

Расчет данной группы нужен при сейсмических процессах и сильных горизонтальных нагрузках: расположение постройки на откосе или около него, грунты слишком глинистые или скальные.

Вторая группа предельных состояний по деформациям касается подсчетов перемещений, нормальной долговечности, длительной эксплуатации, предотвращения воздействия осадков, появлений кренов, смещений конструкций и их крепежных соединений. Здесь подсчеты оснований на деформации проверяют сначала методом прогнозирования, а затем подключают и дополнительные расчеты.

Проектирование начинают с назначения глубины заложения основания, соответствия ей габаритов будущей подошвы, воздействия механических нагрузок и осадков на отдельные элементы. Большое внимание уделяется также усадке фундамента, а затем и строения в будущем. Во внимание берут предельные показатели, указанные в нормативах.

Большое внимание уделяется кренам строений, которые возникают из-за:

1. неправильных внецентренных нагрузок;
2. залегания нескладных между собой почвенных пластов;
3. влияния дополнительных нагрузок от расположенных рядом строений с их фундаментами.

Определяются крены по формулам, в которых коэффициенты поперечных деформаций, форма фундамента и направление момента и техническая характеристика слоев грунтов.

Подсчет по первой группе – по несущей способности

Проведение нужных измерений проводится в соответствии с требованиями СНиПа 2.02.01-8 (п/п. 2.57-2.66), а примеры расчетов указаны в приложении. Здесь большое внимание уделяется несущему слою. Во внимание берутся такие факторы, как:

• метод выполнения работ по рытью котлованов и по построению фундамента;
• инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки строительства;
• климатические особенности региона (имеет значение промерзание, таяние, просыхание и увлажнение).

Фундамент рассчитывают с подбора несущего слоя грунтов основания. Для основания мелкого заложения – с глубины заложения подошвы фундамента. Если она меньше, то цена работ, связанных с обустройством основания, будет намного ниже. Исключение касается только скальных пород. При работе сними всегда снимается верхний слой.

Расчет оснований по несущей способности удовлетворяет условию N1≤, и соответствует формуле:

F≤γCFU/γn, где:

• F – нагрузка на основание от всех типов нагрузок;
• γC – коэффициэнт работы с некоторыми грунтами;
• FU – сила предельного сопротивления фундамента;
• γn – коэффициент, подбираемый к сооружениям, согласно их типизации (I, II, III).

N1 всегда показывает нагрузку на фундамент. Важной целью расчета I группы предельных состояний считают совершенствование несущей способности подошвы фундамента Nu.

При измерениях используют критерии Кулона – Мора: τ=σtgφ+ с, с учетом угла внутреннего трения и удельного сцепления, которые указывают на стабильное и нестабильное состояние почв, способных уменьшать или увеличивать прочность МЗФ, а также расчетное сопротивление основания – R0, Rу, R.

Подсчет по второй группе – деформациям

При проверке мелкозаглубленных фундаментов на возможную деформацию, придерживаются условия:

S≤SU, где:

• S – изменения оснований, при всех факторах, воздействующих со стороны строения и оснований;
• SU – возможная степень деформационных процессов.

В инженерных расчетах уделяется внимание почвам, в которых формируется МЗФ: p≤R, коэффициенты удельного веса грунта γ, II и сцепление с ним – сII, глубина заложения подошвы – d1, а также инженерно-геологические коэффициенты – γc1, γc, и принимаемые от углов с внутренним трением – Мq, Мс, Мγ.

Основная формула измерений по второй группе – деформациям мелкозаглубленных фундаментов выглядит так:

Разнообразие грунтов позволяет использовать различные методы измерений МЗФ, которые учитывают соблюдение принципов механики деформируемых сред около оснований и характеризует их особенности при воздействии различных факторов. Поэтому здесь имеет значение определение физико-механических параметров, действующих в определенный период, которые есть в инженерных таблицах СНиПа 2.02.01-83.

При проведении расчетов по второй группе – деформациям МЗФ ударное или вибрационное воздействие в нагрузках во внимание не берется.

Порядок рассчитывания

Под глубиной заложения подразумевают проектную величину, определяющей степень заложения подошвы фундамента. Она рассчитывается, в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических и климатических условий местности, а также характеристики строящегося здания.

Представленная в виде коэффициента, степень заглубления указывает на возможности построения надежного основания. Она должна выдерживать строение. Поэтому высокий показатель, полученный в результате расчетов, укажет на степень возможной долговечности и устойчивости построек.

По итогам проведенного расчета вместе со значением глубины заложения фундамента, получают сведения о нормативных показателях уровня залегания подземных вод, воздействующей средней температуры воздуха.

Что касается принципа расчета, во многих случаях для строений высчитывают ленточный фундамент. Для определения глубины заложения МЗФ, нужно просчитать все типы нагрузок от проектируемого строения.

До того, как начать рассчитывать, потребуется:

• изобразить план дома и примыкающих к нему построек;
• решить вопрос о наличии подвала и его геометрической форме;
• предварительно произвести измерение уровня цоколя, и подобрать необходимый материал для его изготовления;
• решить вопрос с необходимостью обустройства теплоизоляции.

После выполнения всех вышеперечисленные действий, можно приступать к расчету. Для этого составляется таблица, в которой указывается удельный вес применяемых материалов. При этом проектная работа делится на стадии, состоящие из следующих этапов:

• определение необходимой высоты для вкапывания ленты;
• просчет нагрузки, оказываемой на ленточное основание;
• высчитывание геометрических параметров;
• корректировка данных с учетом почвенной структуры.

Главными составными элементами фундамента являются:

• обрез;
• подошва;
• ступени (боковые поверхности).

Обрез представляет собой плоскость основания, расположенную сверху. Подошва фундамента – это нижняя плоскость. Через нее проходит передача нагрузки на основание.

Поверхность, являющаяся боковой, образована вертикальными плоскостями. Вертикальная часть фундамента представляет собой фундаментную стену.

Расстояние от верха планировки и до самой подошвы принято именовать глубиной заложения. Высота, которую уже имеет фундамент, была просчитана длиной от подошвы фундамента до обреза.

У фундаментов, находящихся под колонной, может иметься в наличии одна либо пара ступеней. Часть фундамента, расположенного сверху, имеет подколонник. В него производится установка колонны. Это место принято называть стаканом.

Условия, соблюдением которых определяется глубина заложения, обеспечивают несущую способность МЗФ. При этом деформации фундамента е должны превышать предельные показатели, предусмотренные для эксплуатации.

Правильность определения заглубления зависит от таких факторов:

1. Конструктивные характеристики сооружения и здания, а также показатели нагрузок либо воздействий, оказываемых на их фундаменты.
2. Наличие той длины основания, которую имеют примыкающие сооружения, а также соблюдения глубинных условий для инженерных коммуникаций.
3. Инженерно-геологические условия строительства данной площадки, с учетом свойств грунтов: физико-механических, а также с характером напластований.
4. Наличие имеющихся гидрогеологических условий участка и возможность их смены в результате строительства, а также использования построек.
5. Длина, на которую каждый сезон промерзает грунт.

При подборе степени заглубления следует учитывать ряд рекомендаций:

• заглублять фундамент в тот слой грунта, который является несущим, на 10-15 см;
• если свойства слоя грунта, связанные с деформацией или прочностью являются худшими, чем свойства подстилающего его слоя, то следует избегать их нахождение под подошвой фундамента;
• стараться осуществлять закладку фундаментов выше, чем располагается уровень грунтовых вод – это требуется для предотвращения необходимости использования водопонижения в процессе выполнения работ.

Для правильного расчета МФЗ, независим от этажности зданий, нужно соблюдать следующие общие рекомендации:

• Показатель углубления фундамента не может составлять менее 50 см, но исключение касается только скалистого грунта.
• Если несколько здания находятся рядом друг с другом, то глубина заложения обязана быть одинаковой – это требуется для того, чтобы строениям была обеспечена необходимая устойчивость.
• Заглубление фундамента в несущий слой следует выполнять на 10-20 см – это нужно для того, чтобы вся нагрузка от конструкции равномерно передавалась твердой почве.
• При наличии благоприятных условий, закладывать фундамент над водоносным слоем. Это поможет избежать использование дренажной системы.
• Часть фундамента, находящуюся внизу, оптимальнее всего опускать, ориентировочно, на пятую часть ниже слоя промерзания, чтобы избежать разрушительного воздействия от пучения грунтов.

Правильный расчет ширины подошвы, помимо веса строения, в первую очередь отводит значение характеристикам грунтов. Если знать вес постройки, то это позволит определить ширину основания монолита. В данном случае имеет значение также воздействие на почву осадков, будущие нагрузки (платформа, мебель, кровля и т.д.).

Масса строения

Чтобы узнать вес здания, требуется подсчитать площадь всех стен и перегородок и умножить ее на коэффициент по типу дома:

• I – тяжелый – монолитные, кирпичные с шириной в 1,2-2 кирпича, панельные из ЖБ, газопеноблочные с плотной лицевой отделкой. Здесь площадь всех стен перемножается на коэффициент 2,4 т.
• II – средней тяжести – Кирпичные дома, шириной в 1 кирпич, а также газопеноблочные, без наружной отделки, но со штукатуркой внутри. Площадь всех стен перемножают на 2 т.
• III – легкий – строения из бруса и каркасные, перемножаются по площади стен на коэффициент 1,7 т.

Итогом проведенного расчета должна получиться величина – т/м2. При этом вес кровли не учитывался. Если полученное значение перевести в кг/см2 и умножить значение на 1000, можно получить показатель силы давления постройки на грунтовое основание.

Для упрощения инженерных расчетов при строительстве домов с МЗФ можно воспользоваться онлайн-калькулятором.

Площадь опоры

Опорная площадь для основания – это низ траншеи, его дно. В него будет происходить заливка МЗФ. Чтобы рассчитать площадь опоры используют всего два показателя – общий вес постройки и силу сопротивления грунта.

Пример

Постройка имеет II тип. Площадь стен составляет 200м2. При умножении 200м2 на коэффициент 2 т, получаем вес 400т/м2. Умножаем полученное значение на 1 000, после перевода значения в кг/см2. В итоге получается 400 000 кг/см2.

При исследовании дна траншеи (глубина – 1,5 м) выяснилось, что в грунте есть песок средних фракций. После изучения таблицы показателей несущих способностей грунтов, выяснилось, что песок имеет показатель 2,5 кг/см2.

Теперь, нужно разделить 400 000 кг/см2 (вес строения) на 2,5 кг/см2. В итоге получается значение 160 000 см2.

Ответ: В данном случае опорная площадь фундамента составляет 160 000 см2.

При расчете площади опоры необходимо помнить о том, что она должна на практике превышать рассчитанную на 20-40%. Именно таким показателем пользуются строители – не перерасхода материала, и постройка получится выносливой.

Несущая способность грунта

В процессе проектирования определение данного показателя имеет важное значение. Расчет несущей способности грунта необходим для определения типа, плотности и массивности почвы, уровня залегающих вод, определения глубины промерзания земли и нижележащих пластов.

Неглубоко залегающие породы по структуре неплотные, но они зависят от общей характеристики – пески, глины, торфяники, и качеств, связанных с текучестью (уровнем стояния влаги) и снижением сопротивления к нагрузкам.

Проводятся данные измерения по формуле:

p = B / V, где:

• B – масса почвы, без промерзания, г;
• V – общий объем грунта, см3.

Используют также формулы:

R = R0 х (1 + K х (B -100) / 100) х (N + 200) / 2 х 200 (для заглублений до 2 м) и R = R0 х (1 + K х (B -100) / 100) + K2 х Q х (N – 200) (для МЗФ более 2 м), где:

• R0 — противодействие нагрузке по вертикали, указано в таблицах, зависит от почвенного типа
• K2 — коэффициент для расчетов стабильных слоев
• K — поправочный коэффициент разновидностей пород (таблицы СП 22.133.30-2016).
• B — поперечные габариты дна основания
• N — глубина погружения опоры
• Q — коэффициент для нахождения расчетного среднего показателя удельного веса грунта от верхушки почвы до фундаментной подошвы.

Расчеты требуют точности, так как неправильный выбор отметки заглубления может вытолкнуть фундамент вспучивающимися почвами. При этом сама постройка получится в дальнейшем с возможностью сильной просадки. В большинстве случаев вычисляют также глубину промерзания, которая для разных почв имеет неодинаковое значение.

Сведения о грунтах можно посмотреть в классификации ГОСТа 25.100-2011. Нормы сопротивления давлению указаны в СП 22.133.30-2016.

Роль пучинистых свойств грунта

При проектировании МЗФ имеют значение также пучинистые свойства грунта. Мелкозаглубленный фундамент может подвергаться разным нагрузкам, поэтому при его закладке имеет значение будущее механическое воздействие на основание, а также параметры грунта.

Большое значение при закладке МЗФ является продуманная защита от сезонных деформаций. Поэтому конструкции делают жесткими – армированными, без экономии на строительных материалах. Марки цементного раствора на пучинистых почвах должны быть самыми высокими. Смесь рассчитывают в правильных пропорциях.

Заранее делают пробы грунта и обязательно определяются с типом будущего МЗФ – выбором столбчатого, ленточного или плитного основания. Для этого используют табличные сведения о грунтах (вид, характеристики, рекомендуемый МЗФ при залегании почвенных вод больше или меньше 2 м). Также обязательно обращают внимание на толщину подошвы, которая должна составлять 150-300 мм, показатели сопротивления грунта и общую нагрузку на фундамент, с учетом всех факторов.

Расчет МЗФ по деформациям пучения грунта имеет значение, если в конкретном регионе есть сезонное промерзание. В расчетах обязательно указывается математическая часть, с учетом того, что расчетное значение подъема фундамента при его деформации не должно превышать установленных табличных значений.

Минимизация пучинистых явлений

Для того чтобы деформация не имела влияния на фундамент, или для ее эффективного снижения, применяют гидроизоляционную защиту. Для этого используют специальные строительные материалы.

Если не допускать проникновения влаги в область, расположенную под фундаментом, то пучинистые явления вообще могут быть сведены к нулю. Также строители уплотняют грунт под подошвой, используют песок и гравий, формируя своеобразную защитную подушку.

Оптимальные конструкции МЗФ

Среди всех мелкозаглубленных фундаментов самым приемлемым вариантом среди мелкозаглубленных считаются ленточные основания. Столбчатые монолитные, кирпичные и буронабивные МЗФ используют лишь в некоторых случаях, одновременно выполняя дополнительные измерения фундаментов по выдерживаемым нагрузкам и возможным деформациям, с учетом веса самих строений и установленных хозяйственных построек с небольшим весом.

При этом в процессе обустройства МЗФ не стоит забывать и про плитные фундаменты, которые встречаются гораздо чаще остальных, так как равномерно распределяют нагрузки в пучинистых почвах.

Заключение

Чтобы не ошибиться с проведением расчетов при формировании построек с мелкозаглубленным фундаментом, желательно заранее, очень внимательно изучить материалы из инженерно-геологических и геодезических источников, в том числе, архивные.

При проведении подсчетов нужно использовать показатели инженерных таблиц, в которых отражена чувствительность грунта к неравномерным осадкам, описаны его характеристики, по которым вычисляется нагрузка на фундамент по несущим слоям.

При измерениях имеют значение будущие несущие нагрузки строения, указанные в проектных документах. Рассматривать одновременно рекомендуется несколько вариантов фундаментов. Для них имеют значение показатели прочности и деформации. После сравнения экономически выгодного варианта выбирают самый бюджетный.