Расчет малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах

Практически каждый человек мечтает о загородной недвижимости. Однако покупать готовую постройку слишком дорого, поэтому некоторые решают заняться возведением дома самостоятельно. Фундамент является основой для любой постройки. От того, насколько правильно рассчитано основание зависит долговечность жилья. Рассмотрим основные моменты расчета фундамента.

Разновидности фундаментов

Существует несколько типов фундамента:

Столбчатый. Получил широкое распространение благодаря невысокой цене. Существует вариант такого фундамента, выполненный из автомобильных покрышек.

Монолитный ленточный. Как правило, это фундаменты малозаглубленного типа. Часто совместно с монолитной лентой возводится кирпичный цоколь.
Свайный. Фундамент представляет собой металлические столбы. Такие конструкции довольно быстро возводятся и стоят относительно недорого.
Плитный. Такое основание отличается самой большой несущей способностью, однако его возведение обходится дороже других типов фундаментов.

Если исходить из использования полезной площади участка, то оптимальным вариантом является цокольный этаж, так как благодаря таким постройкам значительно увеличивается жилая площадь. Однако такой вариант фундамента обойдется еще дороже, чем плитный вариант.

Но, недостаточно просто определиться, какой фундамент больше подходит по финансам. Нужно понять, справится ли он с оказываемыми нагрузками. Это в свою очередь зависит от грунта.

Морозное пучение грунта

Каждая постройка отличается своим весом, который оказывает нагрузки на основание постройки. Грунт начинает этим нагрузкам сопротивляться. Если сила такого сопротивления выше нагрузки от дома, то в этом случае постройка будет стабильной и простоит много лет. Если же сопротивление грунта ниже нагрузок от веса дома, то постепенно сооружение начнет «тонуть» в грунте и неизбежно разрушится. Это объясняется тем, что часть дома начинает проседать, в то время, когда другая сторона остается на своем месте. Это провоцирует трещины и деформации.

В зимнее время на фундамент также оказывается больше нагрузок. Когда влага в грунте замерзает, она начинает расширяться и с огромной силой давит на основание. Такое явление называется морозным пучением грунта.

При таком давлении может подняться даже самая грузная постройка. Поэтому бороться с морозным пучением совершенно бесполезно. Придется приспособиться.

Как не допустить разрушения постройки от морозного пучения

Есть несколько вариантов решения проблемы:

Заглубить фундамент ниже точки промерзания грунта. В этом случае оптимальным вариантом будет монолитная лента. Это самый надежный вариант, который позволит исключить появления трещин по всему дому уже после нескольких суровых зимовок. Конечно, на такой фундамент будут оказывать влияние касательные силы, возникающие на фоне морозного пучения. Но они не способны нанести критического вреда.

Предотвратить промерзание грунта непосредственно под самим основанием. Для этого можно построить малозаглубленный фундамент с отапливаемым цоколем и дополнительно утеплить отмостку. В качестве утеплителя подойдет ЭПС. Как правило, через цокольное перекрытие теряется некоторая часть тепла, что успешно предотвращает процесс промерзания грунта. Соответственно многое зависит от теплопотерь помещения и того, насколько интенсивно замерзает грунт. Однако, этот способ не очень выгоден тем, что фактически придется обогревать улицу.

Возвести малозаглубленный фундамент увеличенной прочности, которого будет достаточно для того, чтобы противостоять неравномерным нагрузкам. Оптимальным вариантом будем монолитная армированная плита с дополнительными ребрами жесткости. Если правильно рассчитать такое основание, то оно будет равномерно двигаться вместе с давящим на него грунтом, что позволит избежать деформаций и растрескиваний. Но, важно учесть, что основания этого типа являются неремонтопригодными, поэтому если допустить ошибку в расчетах, то это обойдется очень дорого.

Для возведения правильного фундамента нужно уточнить характеристики будущей постройки.

Рассчитываем вес дома

Расчет этого типа называется сбором нагрузок. Практически каждый крупный элемент дома имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Например, стена имеет высоту (h), толщину (b) и длину (L). Если умножить все эти показатели, то получится объем (V). Если мы знаем плотность материала (p) и объем стены, то не составит труда вычислить массу (M). Для этого нужно лишь умножить объем на плотность.

Например, подготовим план фундамента и срез будущего дома и попробуем рассчитать, какая нагрузка будет исходить от постройки. Допустим, основание решено было сделать ленточным монолитным. Фундамент будет выполнен с тремя перегородками по 9 м и двумя по 6 м. Умножаем 9 на 3 и 6 на 2 и складываем два полученных значения. Получаем общую длину ленты в 39 м.

Предположим, толщина ленты будет 0,3 м (b). При этом общая высота ленты и цоколя составляет 2,1 м (h). Плотность монолитного железобетона нам известна, она составляет 2500 кг/м³ (h). Остается только перемножить все величины (39 х 0,3 х 2,1 х 2500). Получаем 61 425 кг или 61,4 Т. Это и будет нагрузкой, которая исходит от фундамента дома.

Однако еще нужно учесть так называемый коэффициент надежности. Так как речь идет об обычной строительной площадке, то он составит 1,3. Поэтому дополнительно умножаем нагрузку на этот коэффициент и получаем более точную расчетную нагрузку, которая теперь составляет 79,85 Т.

По аналогичному принципу производится расчет прочих элементов постройки. То есть, зная высоту, ширину, дину и плотность стены нам не составит труда определить, какое давление она будет оказывать. Получив данные обо всех конструкциях, рекомендуется внести их в таблицу, которая и представляет собой сбор нагрузок, то есть данные о постоянных нагрузках (не меняются в процессе эксплуатации постройки) и временных (вес жильцов, мебели, оборудования, включая массу снега).

Получив суммы постоянных и временных нагрузок и учитывая коэффициент надежности, высчитываем конечную нагрузку, которая составит 161,28 Т. Это вес будущей постройки. Теперь нужно рассчитать, какое сопротивление будет оказывать грунт. А это напрямую зависит от его разновидности.

Как определить тип грунта

Проще всего определить состав почвы в месте, где планируется возвести фундамент – это заказать геологическое исследование. Но, такая услуга стоит довольно дорого, поэтому попробуем выяснить тип почвы самостоятельно. Для этого произведем визуальную и тактильную оценку грунта при помощи садового бура небольшого диаметра и удлинительной штанги.

Для оценки грунта:

При помощи бура создаем отверстие в месте, где планируется построить фундамент. Глубина такой скважины должна быть не меньше 3,5-4 м, если в доме не предполагается цокольный этаж, сама постройка будет выполнена из тяжелых материалов, а ее высота составит 2-3 этажа. Если цокольный этаж будет возводиться, то глубина отверстия должна быть не менее 4-5 м.
Каждые 25 см по мере движения ко дну отверстия берем пробу земли. Верхний слой грунта нас при этом не интересует, так как это плодородный слой, который не оказывает воздействия на постройку. Каждый полученный образец нужно поместить в стеклянную емкость и подписать, на какой глубине он был взят и из какой скважины (их лучше делать несколько по периметру будущего дома).
Изучаем образцы.

Есть несколько методов, которые позволят определить состояние грунта:

растирание в ладони;
внимательное рассмотрение при помощи лупы;
определение состояния грунта (является ли он сухим или влажным);
определение способности к скатыванию в шнур.

Подробное описание свойств проб, указано в таблице ниже.

После исследования всеми способами, не составит труда определить точный тип грунта.

Определяем глубину промерзания грунта и его сопротивление

В этом случае все зависит от конкретного региона. Поэтому достаточно найти в интернете таблицу глубины промерзания грунта по СНиП. В ней будет указан конкретный город или регион, типы преобладающего грунта и глубина их промерзания. Если в предыдущем тесте мы определили, что на участке под застройку преимущественно суглинки и глина, а дом нужно построить в Вологде, то глубина промерзания составит 1, 43 м.

Теперь нужно уточнить показатели расчетного сопротивления грунта (R). Она представляет собой показатели прочности грунта, расположенного под фундаментом, при превышении которых грунт начинает деформироваться, оказывая влияние на основание дома. То есть нужно понять, после какой нагрузки грунт определенного типа будет проседать.

Уровень проседания грунта

Для этого нужно высчитать Ro. Это эталонная величина сопротивления грунта для фундамента глубиной 2 м и шириной 1 м. Однако, подогнать данную величину под другие параметры затруднительно. Значения Ro для разного типа грунта приведены в следующей таблице.

Исходя из этих данных, получаем, что суглинок относится к типу пылевато-глинистой почвы. Но, в таблице представлено три варианта такого грунта. Они отличаются в зависимости от коэффициента пористости. Его можно определить самостоятельно, но при условии некоторого допущения, то есть не со 100-процентной точностью. Для этого нужно взять небольшое количество грунта и посмотреть, насколько он рыхлый и равномерный. Если он легко рассыпается и отличается неравномерной структурой, то коэффициент пористости выше.

Также можно определить этот параметр по уже имеющимся данным. Если глубина заложения фундамента ниже глубины промерзания грунта, то нужно отдавать предпочтение минимальному значению коэффициента пористости. В нашем случае, мы укладываем фундамент на 1,5 м в Вологде, где уровень промерзания располагается на 1,43 м. Соответственно в таблице мы выберем суглинок с коэффициентом пористости 0,5.

Далее определяется с тем, сухой грунт или влажный. Если он относится ко второй категории, то Ro = 2,5 кг/см².

Рассчитываем сопротивление грунта по своим параметрам

Возвращаемся к величине R. Ее мы уже можем определить в зависимости от своих данных. В этом случае применима одна из формул:

Если глубина заложения фундамента меньше 2 м, то используем формулу R=Ro * (1+k1*(b-100)/100) * ((d+200)/(2 * 200));
Для фундамента глубиной более 2 м необходимо производить вычисления по формуле R=Ro * (1+k1*(b-100)/100) + (k2 * y’ll * (d-200).

Так как наш фундамент будет установлен на глубину 150 см, то применяем первую формулу, а остальные значения мы уже имеем. Получаем R = 2,5 x (1+0,05 x (30-100)/100) x ((150+200)/(2 x 200)) = 2,11 кг/см². Так мы получаем показатели сопротивления грунта. Теперь имеем абсолютно все необходимые данные, чтобы рассчитать фундамент.

Рассчитываем площадь основания. Для этого достаточно умножить длину всех фундаментных лент на ширину. Получаем 39 м х 0,3 м = 11,7 м² или 117000 см². Чтобы определить, какое давление будет оказывать масса дома на грунт под ним, делим расчетную нагрузку (мы получили ее в процессе сбора нагрузок) на площадь фундамента. Получается 161280 кг / 117000 см² = 1,38 кг/см². Осталось только сравнить сопротивление грунта (2,11 кг/см²) с полученной величиной. Получилось, что показатели грунта выше, значит, он выдержит оказываемые нагрузки.