Правила и способы расчета фундамента

Неважно, какие в доме стены, мебель и дизайнерское оформление. Все это может в одно мгновение обесцениться, если при строительстве фундамента были допущены ошибки. А промахи касаются не только качественных его черт, но и основных количественных параметров.

При расчете фундамента СНиП может оказаться бесценным помощником. Но важно правильно понимать суть изложенных там рекомендаций. Основополагающим требованием будет полное исключение намокания и промерзания подложки под домом.

Особенно актуальны эти требования, если грунт имеет повышенную склонность к пучению. Разведав точные сведения о почве на участке, можно уже смело обращаться к строительным нормам и правилам – там приведены скрупулезные рекомендации для строительства в любой климатической зоне и на любых существующих на Земле минеральных материалах.

Следует понимать, что достаточно правильное и глубокое представление могут составить только профессионалы. Когда проектирование фундамента ведется дилетантами, старающимися сэкономить на услугах архитекторов, как раз и получается масса проблем – перекашивающиеся дома, вечно сырые и потрескавшиеся стены, затхлые запахи снизу, ослабление несущей способности и так далее.

Стабильность основания под домом прямо зависит от типа его. Существуют четкие минимальные требования к характеристикам фундаментов различных видов. Так, под домом размерами 6х9 м можно закладывать ленты шириной 40 см, это позволит иметь двукратный запас прочности по сравнению с рекомендуемой величиной. Если же монтировать буронабивные сваи, расширяющиеся внизу до 50 см, площадь единичной опоры достигнет 0,2 кв. м, и понадобится 36 свай. Более подробные данные можно получить только при непосредственном знакомстве с конкретной ситуацией.

Проектирование фундаментов даже в рамках одного типа может быть довольно разным. Основная граница проходит между основаниями мелкого и глубокого заложения.

Минимальный уровень закладки определяется:

• свойствами грунтов;
• уровнем находящихся в них вод;
• обустройством подвалов и цокольных этажей;
• расстоянием до подвалов соседних зданий;
• прочими факторами, которые должны уже учитывать профессионалы.

При использовании плит нельзя поднимать их верхний край больше, чем на 0,5 м до поверхностной части здания. Если строится одноэтажный индустриальный объект, который не будет подвержен динамическим нагрузкам, либо жилое (общественное) здание в 1-2 этажа, существует определенная тонкость – такие постройки на грунтах, промерзающих на глубину от 0,7 м, возводятся с заменой нижней доли фундамента на подушку.

Для формирования этой подушки применяют:

• гравий;
• щебенку;
• песок крупной либо средней фракции.

Тогда каменный блок должен иметь высоту минимум 500 мм; для случая с песком средних размеров готовят основание таким образом, чтобы оно поднималось над подземными водами. Фундамент под внутренние колонны и стены в обогреваемых сооружениях может не приспосабливаться к уровню воды и величине промерзания. Но для него минимальным значением будет 0,5 м. Заводить ленточную конструкцию под линию промерзания нужно на 0,2 м. При этом запрещается понижать ее больше чем на 0,5-0,7 м от нижней планировочной точки строения.

Общие рекомендации по размерам и заглублению могут оказаться полезными, но гораздо правильнее будет ориентироваться на результаты расчетов профессионального уровня. Большое значение при их выполнении имеет методика послойного суммирования. Она позволяет уверенно оценивать осадку основания, покоящегося на природной подложке из песка или грунта. Важно: существуют отдельные ограничения для применимости такого метода, но разобраться в этом глубоко смогут только специалисты.

Необходимая формула включает:

• безразмерный коэффициент;
• среднестатистическое напряжение элементарного грунтового слоя под действием внешних нагрузок;
• модуль повреждения почвенной массы при первичной загрузке;
• он же при вторичной загрузке;
• средневзвешенное напряжение элементарного грунтового слоя под собственной массой, извлеченной при подготовке котлована почвы.

Нижнюю линию сжимаемого массива определяют теперь по полному напряжению, а не по дополнительному воздействию, как это рекомендуют строительные нормы и правила. В ходе лабораторных испытаний свойств почвы рассматривается сейчас обязательно нагружение с паузой (временным освобождением). Сначала основание под фундаментом условно разбивается на слои идентичной толщины. Затем измеряют напряжение на стыках этих слоев (строго под серединой подошвы).

После этого можно установить напряжение, создаваемоесобственной массой почвы на внешних границах слоев. Следующим шагом становится определение низовой линии толщи, подвергающейся сжатию. И только после всего этого можно, наконец, рассчитать как следует осадку фундамента в целом.

Компенсировать изменение вектора приложения силы можно за счет армирования, но оно должно проводиться в строгом соответствии с проектными условиями. Иногда армируют подошву или ставят колонну. Начало расчета подразумевает установление сил, которые действуют по периметру фундамента. Упростить вычисления помогает сведение всех сил к ограниченному набору результирующих показателей, по которым можно судить о характере и интенсивности прилагаемых нагрузок. Очень важно правильно вычислить точки, в которых будут прилагаться результирующие силы к плоскости подошвы.

Далее занимаются собственно вычислением характеристик фундамента. Начинают с определения той площади, которую он должен иметь. Алгоритм примерно одинаков с тем, который используется и для нагруженного по центру блока. Разумеется, получить точные и окончательные цифры можно только при сдвиге на необходимые величины. Профессионалы оперируют таким показателем, как эпюра грунтового давления.

Рекомендуется делать ее величину равной целому числу от 1 до 9. Такое требование связано с обеспечением надежности и устойчивости конструкции. Обязательно высчитывается пропорция наименьшей и наибольшей нагрузок по проекту. Во внимание следует принимать как особенности самой постройки, так и применение тяжелой техники в ходе строительства. Когда предусмотрено воздействие крана на нагруженную за пределами центра фундаментную конструкцию, не допускается, чтобы минимальное напряжение было меньше 25% от максимального значения. В тех случаях, когда строительство будет вестись без использования тяжеловесных машин, приемлемым уровнем является любое положительное число.

Наивысшее допускаемое сопротивление грунтовой массы должно на 20% превосходить самый значительный уровень воздействия, возникающего снизу от подошвы. Рекомендуется просчитывать армирование не только наиболее нагружаемых участков, но и прилегающих к ним конструкций. Дело в том, что прилагаемая сила может смещаться по вектору вследствие износа, реконструкции, капитального ремонта или иных неблагоприятных факторов. Очень важно учесть все те явления и процессы, которые способны оказать вредное действие на фундамент и ухудшить его характеристики. Консультация со стороны профессиональных строителей поэтому отнюдь не будет лишней.

Даже самые тщательно рассчитанные нагрузки не исчерпывают численной подготовки проекта. Необходимо еще вычислить кубатуру и ширину будущего фундамента, чтобы знать, какую выемку грунта для котлована делать и сколько материалов заготовить для работы. Может показаться, что расчет очень прост; к примеру, для плиты длиной 10, шириной 8 и толщиной 0,5 м суммарный объем составит 40 куб. м. Но если залить именно такое количество бетона, могут возникнуть существенные проблемы.

Дело в том, что школьная формула не учитывает расхода пространства на армирующую сетку. И пусть ее объем ограничен 1 куб. м., редко оказывается больше этой цифры — все равно нужно подготовить именно столько материала, сколько потребуется. Тогда не придется ни переплачивать за ненужное, ни искать лихорадочно, где купить недостающую арматуру. Несколько иначе ведут расчеты при использовании ленточного фундамента, который внутри пустой и потому требует меньше раствора.

Необходимыми переменными выступают:

• ширина служащего для закладки котлована (с поправкой на толщину монтируемых стен и опалубки);
• длина несущих стеновых блоков и расположенных между ними перегородок;
• глубина, на которую внедряется основание;
• подвид самого основания – с монолитным бетоном, из готовых блоков, из бутовых камней.

Наиболее простой случай обсчитывается по формуле объема параллелепипеда за вычетом величины внутренних пустот. Еще легче определить необходимые параметры у фундамента столбового исполнения. Потребуется только рассчитывать величины двух параллелепипедов, один из которых будет нижней точкой столба, а другой – подошвой самого сооружения. Результат требуется умножать на число столбов, которые ставятся под ростверком с промежутком 200 см.

При использовании изготовленных на заводе буронабивных или ввинчиваемых свай рассчитывать придется исключительно ленточный сегменты. Величины столбов игнорируются, за исключением прогноза по величине земляных работ. Кроме объема фундамента, очень важен оказывается и подсчет его осадки.

Графическое представление метода послойного суммирования показывает, что необходимо обратить внимание на:

• отметку поверхности натурального рельефа;
• заход подошвы фундамента вглубь;
• глубину расположения подземных вод;
• самую нижнюю линию сдавливаемой породы;
• величину вертикального напряжения, создаваемого самой массой почвы (измеряемой в кПа);
• дополняющие напряжения, обусловленные внешними воздействиями (тоже измеряют в кПа).

Удельная масса почв между уровнем подземных вод и линией нижележащего водоупора просчитывается с поправкой на присутствие жидкости. Напряжение, которое возникает в самом водоупоре под собственной тяжестью грунта определяют, игнорируя взвешивающее действие воды. Большую опасность при эксплуатации фундаментов создают нагрузки, способные вызвать опрокидывание. Посчитать их величину не получится без определения общей несущей способности основания.

При сборе данных могут использоваться:

• протоколы динамических испытаний;
• протоколы статических испытаний;
• табличные данные, теоретически рассчитанные для определенной местности.

Рекомендуется ознакомиться сразу со всей этой информацией. В случае обнаружения какой-то несогласованности, расхождений лучше сразу отыскать и понять ее причину, нежели заниматься рискованным строительством. Для самодеятельных строителей и заказчиков подсчет параметров, влияющих на опрокидывание, проще всего вести согласно положениям СП 22.13330.2011. Предыдущая редакция правил вышла в далеком 1983 году, и, естественно, их составители просто не могли отразить все современные технологические новинки и подходы.

Существует наработанный поколениями строителей и архитекторов набор ситуаций утраты устойчивости, которые должны быть смоделированы. В первую очередь рассчитывают, как могут сдвинуться грунты основания, увлекая за собой фундамент.

Дополнительно ведут расчеты:

• плоского сдвига при соприкосновении подошвы с поверхностью;
• смещения самого фундамента по горизонтали;
• смещения самого фундамента по вертикали.

Вот уже 63 года применяется единообразный подход – так называемая методика предельных состояний. Строительные правила требуют рассчитывать два таких состояния: по несущей способности и по возникновению трещин. К первой группе относится не только полное разрушение, но и, к примеру, просадка вниз.

Ко второй – всевозможные изгибы и частичные трещины, ограниченная осадка и прочие нарушения, которые усложняют эксплуатацию, но не исключают ее совсем. По первой категории ведется расчет подпорных стен и работ, направленных на углубление существующего подвала.

Также она применяется в случае, если рядом есть другой котлован, крутой откос на поверхности или подземные сооружения (включая рудники, шахты). Различают стабильные либо временно действующие нагрузки.

Продолжительно или постоянно воздействующими факторами считаются:

• веса всех составных частей построек и дополнительно засыпаемых грунтов, подложек;
• гидростатическое давление от глубоких и поверхностных вод;
• предварительное напряжение в железобетоне.

Все прочие воздействия, которые только могут коснуться фундамента, учитываются в составе временной группы. Очень важный момент – правильно просчитать возможный крен; десятки и сотни домов преждевременно разрушились только из-за невнимания к нему. Рекомендовано рассчитывать как крен под моментальным действием, так и под нагрузкой, приложенной в центр основания.

Когда оказывается, что по умолчанию уровень крена превосходит нормативные рамки, эта проблема решается одним из четырех способов:

• полной сменой грунта (чаще всего используют насыпные подушки из песка и грунтовой массы);
• уплотнением имеющегося массива;
• повышением прочностных характеристик путем закрепления (помогает справиться с рыхлыми и водянистыми подложками);
• формированием свай из песка.

Выбирая конкретный вариант для мелкой закладки, сначала просчитывают технологические и экономические параметры железобетонного основания. Потом проводят аналогичный расчет для свайной опоры. Сопоставив полученные результаты и еще раз перепроверив их, можно делать окончательный вывод об оптимальном виде фундамента.

При определении количества кубов материалов на плиту основания, внимательно оценивают расход досок для опалубки, а также длину и ширину арматурных ячеек, их диаметр. В отдельных случаях может различаться число рядов укладываемой арматуры. Далее анализируют оптимальные пропорции бетона в сухом виде и в растворе. Окончательная стоимость любых сыпучих веществ, в том числе и вспомогательных наполнителей для бетона, определяется по их массе, а не исходя из объема.

Среднее давление под подошвой фундаментной конструкции определяется с учетом эксцентриситета равнодействующей различных сил по отношению к центру тяжести конструкции. Кроме выяснения расчетного сопротивления грунта, следует проверять слабый подстилающий слой на всей его площади и толщине на продавливание. Почти всегда максимальная толщина элементарных слоев при расчетах принимается не больше 1 м. Когда сооружается ленточный фундамент, используют арматуру не толще 1-1,2 см. Для столбового основания ориентируются на вяжущий материал толщиной 0,6 см.

Очень важно не только выполнять все расчеты качественно, но и четко понимать, каким должен быть готовый фундамент. В случае строительства очень маленького подсобного сооружения стоит вести вычисления по строительству из асбестоцементной трубы. Ленточные и свайные опоры выбирают главным образом для домов, создающих очень серьезную нагрузку.

Соответственно ей определяется:

• сечение основания в поперечнике;
• диаметр усиливающей арматуры;
• шаг укладки упрочняющей решетки.

На песках, слой которых снизу от постройки составляет свыше 100 см, лучше всего формировать легкие фундаменты с заглублением на 40-100 см. Той же величины стоит придерживаться, если внизу расположена галька либо смесь песка с камнем.

На суглинках дома чаще всего строят по массивному ленточному монолиту, пронизываемому арматурными контурами снизу и сверху. Боковины стоит обкладывать уплотняемым вручную песком, слой которого составляет от 0,3 м по всей высоте ленточки. Тогда минимизируется или вовсе подавляется выдавливающее действие напряжений. Когда строительство идет на грунте, представленном супесью, требуется проанализировать соотношение песка и глины, после чего принимать окончательное решение. При расчете строительства на торфяном пространстве обычно вынимают органическую массу до крепкой подложки под ней.

Когда это очень сложно и работы по сооружению ленты или столбов оказываются непропорционально тяжелыми и дорогими, нужно рассчитывать сваи. Их также обязательно доводят до плотной точки, где создается устойчивая опора. Абсолютно любой по типу фундамент полагается заводить ниже промерзающей линии. Если не сделать этого, мощь морозного вытеснения и разрушения сокрушит сколь угодно крепкие и основательные сооружения. В проекты желательно закладывать и такой вид земляных работ, как рытье по периметру траншей шириной 0,3 м.

Правильную информацию о свойствах грунта для расчетов нельзя получить, просто перекапывая огород или ориентируясь на слова соседей, даже если это добросовестные люди. Специалисты советуют бурить разведочные скважины глубиной 200 см. В ряде случаев они могут быть и глубже, если это необходимо по техническим причинам.

В следующем видео вас ждет расчет фундамента дома по несущей способности.