Несущая способность грунтов в основании фундаментов частного дома

Несущаяспособность грунтов – нагрузка, действующая на единицу объема почвы и не приводящая к нестандартной усадке и деформации основания. Несущая способность напрямую зависит от типа и состава грунта, характеристик слоев, уровня расположения грунтовых вод, глубины промерзания земли.

От того, насколько будет устойчивым грунт под зданием, зависит надежность, функциональность, безопасность и долговечность строения. Поэтому до начала проектирования и строительства сооружения необходимо проверить прочность основания, то, как грунт будет выдерживать нагрузку от всего строения.

Что такое несущая способность грунта и на что она влияет

От несущей способности грунта зависит выбор типа фундамента

Понятие рассматривают как давление, воспринимаемое единицей площади основания, при котором оно не деформируется и не приводит к разрушению строения. Геологи исследуют грунт, чтобы определить его свойства и рассчитать несущие характеристики.

Восприимчивость почвы к давлению зависит от условий:

• тип грунта;
• массивность слоя;
• отметка залегания;
• показатели нижележащего пласта;
• уровень почвенных вод;
• глубина промерзания земли;
• плотность породы.

Показатели несущей способности влажного и сухого грунта отличаются, т.к. при насыщении влагой повышается текучесть и снижается сопротивление нагрузкам. Если слой контактирует с жидкостью, он относится к категории насыщенных. Исключение составляют песчаные крупно и среднезернистые почвы, которых не касается деформация так как они пропускают влагу, а не скапливают ее.

Изыскания проводят для определения, подходит слой для установки фундамента или нужно усилить его для повышения несущей способности. Не проектируют опорные элементы на глубине, где граничат разные пласты. Подошву фундамента закладывают ниже отметки стояния почвенной влаги, т. к. насыщенные породы вспучиваются при замерзании.

Чувствительность грунта к нагрузкам снижают путем искусственного уплотнения или введения химических модификаторов. В первом случае вбивают сваи, чтобы уменьшить объем пустот в почве. Химические реагенты способствуют адгезии (сцеплению) отдельных частиц почвы.

Влияние влажности грунтов на их несущие свойства

Очень большую роль играет содержание воды в грунте. Способность грунтов удерживать влагу зависит от типа и разновидности грунта, его плотности или пористости. Влажность грунта меняется по сезонам в течение года.

Некоторые типы грунтов в условиях повышенной влажности становятся очень сложным вариантом в качестве основания. Например, пылеватые пески и супеси, могут содержать в большом количестве очень мелкие глинистые частицы. Вследствие наличия этих мелких частиц такие грунты активно вбирают и слабо отдают воду. Насыщенные водой, эти мелкие частицы начинают играть роль смазывающего вещества между крупными частицами грунта. Уже при небольшом движении жидкости в пласте они переходят в плывунное состояние и легко перемещаются с водой. Фундамент может начать «тонуть» в таком грунте или «уплывать» — смещаться в сторону.

Любой грунт при увлажнении проседает и уплотняется.

В процессе своего существования 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, скелет грунта, находящегося выше границы промерзания, ежегодно «встряхивается», становясь более пористым.

Например, глинистый грунт, находящийся ниже глубины промерзания, обладает минимальной пористостью и максимальной прочностью, а вот тот же грунт, находящийся выше точки промерзания, который и служит основанием для мелкозаглубленных фундаментов, обладает крайне высокой пористостью.

С высокой долей вероятности, супеси и глинистые грунты для мелкозаглублённого фундамента можно считать рыхлыми.

Надо ли проводить испытания грунта в основании фундамента?

Часто спрашивают: «Зачем проводить испытания грунта? Достаточно запроектировать фундамент для грунта с наихудшей несущей способностью».

Действительно, многие проектные организации предлагают готовые проекты домов с плитным фундаментом, рассчитанным на наихудшие грунтовые условия строительства. Но, из опыта проектирования и строительства известно, что чем большая информация имеется по грунтовым условиям застраиваемой площадки, тем меньшие затраты требуются на устройство фундаментов.

Выгоднее произвести незначительные затраты на испытания грунтов, отобранных застройщиком из шурфов, и подобрать фундамент по конкретным данным, чем без всяких обоснований использовать мощный, но дорогой, фундамент.

Особенно ощутима эта выгода при строительстве двух- и трёхэтажных зданий со стенами из кирпича и бетона с железобетонными перекрытиями.

Для более легких зданий можно выбрать фундамент, основываясь на ориентировочных данных о грунте, собранных самим застройщиком.

Улучшение грунта в основании фундамента

При проектировании фундамента обязательно следует рассмотреть возможность улучшения пригодности грунта для опирания на него фундамента. Часто бывает выгодно укрепить грунт, что позволит сделать простой и надежный фундамент.

При слабых и пучинистых грунтах имеет смысл сосредоточиться прежде всего на улучшении характеристик грунта основания, а уже потом на расчёте толщины-ширины ленты фундамента и её армировании.

Вот краткий перечень мероприятий, которыми можно добиться улучшения характеристик грунта основания.

На слабых грунтах:

• Устройство подушек из крупных песков и щебня. Иногда имеет смысл полностью заменить в пределах основания слабый слой насыпным непучинистым грунтом с лучшими характеристиками.
• Уплотнение грунта (трамбовка) при необходимости.

Устраиваемые под фундаментами песчаные подушки выполняют три функции:

1. Повышают несущую способность основания, что позволяет уменьшить ширину фундамента и, как следствие расход бетона на его устройство;

2. Заменяют часть пучинистого грунта на непучинистый, что приводит к уменьшению деформаций пучения основания;

3. Уменьшают переувлажнение грунта при его оттаивании в весенний период, которое оказывает большое влияние на осадки фундаментов;

Толщина подушки должна обеспечивать необходимую несущую способность подстилающего ее слабого грунта, а также ограничить абсолютные и относительные деформации пучения до допустимых пределов, регламентированных нормами.

О влиянии морозного пучения грунтов на фундамент читайте в статье:

Следующая статья:

Правильный фундамент для деревянного, каркасного дома или бани

Предыдущая статья:

Определение плотности почвы и уровня грунтовых вод

Плотность определяют в зависимости от пористости основания. В почве есть твердые части, между ними находятся полости, наполненные водой или воздухом в зависимости от условий. Если превысить максимально допустимую нагрузку, сдвиги приведут к разрушению дома. Плотные грунты с малым числом или одиночными кавернами относят к наиболее прочным основаниям.

Плотность находят отношением веса почвенного образца при стандартной влажности к объему, который он занимает. Расчет делают по формуле p = B / V, где:

• B — вес грунта в естественном состоянии, г;
• V — объем, см3.

Породы, которые залегают неглубоко от поверхности, считаются неплотными, с понижением отметки грунты становятся толще, надежнее и прочнее, т. к. на их давят вышележащие пласты. В России наблюдают пески и глины, есть торфяники, болотистые местности и регионы со скальными породами.

Грунтовые жидкости находят в слабых и рыхлых породах или трещинах плотных пластов. Почвенная влага обычно поднимается постепенно и не имеет напора.

Уровень стояния зависит от факторов:

• осадки, испарения;
• температура воздуха, атмосферное давление;
• изменение состояния водоемов;
• хозяйственные процессы деятельности людей.

Влага внутри слоев может быть агрессивной, содержать кислоты, щелочи, сульфаты, углекислоту — такие добавки разрушают бетон и металл фундаментов. Определяют уровень жидкости путем бурения в полевых условиях шурфов, которые отрывают на несколько метров, чтобы они были ниже предполагаемой отметки опоры. Скважину накрывают и оставляют на 5 – 7 суток. Если в ней не обнаружена вода, почва не содержит влаги. В другом случае для выполнения строительных работ по правилам нужен дренаж (система отвода воды).

Структура грунта и физические характеристики

Грунт состоит из трех компонентов: твердых частиц, воды и газа. Твердые частицы в основном определяют свойства грунта, а водяные и газовые составляющие могут их существенно изменять. Твердые частицы в почве образуют губчатую структуру. Чем плотнее они сами и чем плотнее они прилегают друг к другу, чем выше сила их сцепления, тем плотнее грунт в целом. Плотность своеобразной «губки» увеличивается с глубиной залегания – верхние слои оказывают давление на нижние. Однако этот фактор не столь существенен на тех глубинах, на которые закладывается фундамент.

Вода в состав грунта попадает из атмосферы (дождь, таяние снега) или поднимается из глубинных источников, благодаря капиллярному строению почвы. Чем выше залегание грунтовых вод, тем насыщеннее водой верхний слой грунта.

Воздух заполняет пористую структуру грунта – чем рыхлее почва, тем больше в ней воздуха.

Для исследования грунтов берут в расчет их физические и механические характеристики. Физические:

• Плотность самих частиц
• Плотность «губки»
• Влажность
• Пористость
• Пластичность

Механические:

• Удельная деформация
• Удельное сцепление частиц
• Угол внутреннего трения

Как определить несущую способность грунта под фундамент самостоятельно

Несущая способность является основой при проведении подсчета в процессе проектирования. Классифицируют грунты в рамках сведений документа ГОСТ 25.100-2011 «Грунты. Классификация». Нормы сопротивления давлению находятся в таблицах нагрузки на грунт материалов СП 22.133.30-2016 «Основание зданий и сооружений». Здесь же приводятся стандартные модули расчёта, формулы, коэффициенты.

Несущую способность находят математическим выражением R = R0 · (1 + K · (B -100) / 100) · (N + 200) / 2 · 200 — для заглубления до двух метров, и формулой R = R0 · (1 + K · (B -100) / 100) + K2 · Q · (N – 200) — если конструкция погружается более двух метров, где:

• R0 — противодействие нагрузке по вертикальной оси, содержится в таблицах и определяется видом грунта;
• K2 — используется при расчётах в стабильных слоях;
• K — поправочный коэффициент из таблиц СП на разновидность породы;
• B — поперечный размер низа фундамента;
• N — глубина погружения опоры;
• Q — коэффициент, чтобы найти расчетный средний показатель удельного веса почвы от верха земли до подошвы фундамента.

Тип грунта можно определить своими руками. Берут грунт из скважины на глубине погружения опоры, смачивают водой и скатывают жгут, затем его соединяют в кольцо. Элемент без трещин, легко соединяется — почва связная, чаще это глины. При сгибании появляются трещины, значит, в руках смесь глины и песка, последнего содержится 10 – 30%. Жгут трудно скатать, а соединить кольцом невозможно — песчаная почва.

Далее используют таблицы СНиП несущей способности грунта, где по типу почвы можно найти требуемое значение.

Типы грунтов

Структура почв существенно зависит от геологической истории данной местности. По общепринятой теории, затвердевание Земли привело к образованию монолитного слоя литосферы, который впоследствии разрушался под действием атмосферы (ветра, дождя, солнца, колебаний температуры) – вплоть до образования из горного монолита мельчайших частиц.

Этапы такого разрушения целостных пород и отразились в разных свойствах конкретного участка земной поверхности.

Грунты подразделяют на:

1. Скальные – массив горных пород с высокой плотностью. Монолитен и несжимаем.
2. Крупнообломочные – смесь крупных камней и частиц, с включением мелких. Обладает высокой пористостью и малой сжимаемостью.
3. Песчаные – состоят из мелких твердых частиц, практически не связанных между собой. Отличаются высокой сыпучестью и плотностью в объеме.
4. Глинистые – состоят из самых мелких (мелкодисперсных) частиц (менее 0,1 мм в сечении), сильно связанных между собой за счет сил поверхностного натяжения присутствующей в их толще воды. Характеризуются высокой сжимаемостью и пластичностью.

Вычисление несущей способности свайно-винтового фундамента

Несмотря на то что свайно-винтовые фундаменты достаточно надежны, а их конструкционные особенности можно рассчитать используя специальный калькулятор, определение удерживающих характеристик фундамента непременно выполняется. Опорные свойства винтовой сваи напрямую зависят от типа грунта.

Таблица: Определение несущих характеристик винтовой сваи

Расчет любого фундаментного основания проводится по единой методике, здесь может применяться специальный калькулятор.

Свайно-винтовой фундамент

Последовательность расчета:

• определение коэффициента сопротивления почвы;
• вычисление массы постройки;
• определение давления, оказываемого весом здания на опору;
• сравнение удерживающих характеристик основания и давления, оказываемого постройкой;
• корректировка конструкции фундаментного основания или параметров сваи.

Верный подбор и расчет винтовой сваи позволит домохозяину сэкономить на ремонтных работах базового уровня дома. Конструктивно сваи отличаются по виду почвы, где устанавливается опора:

• для вечной мерзлоты;
• для пучинистых и обводненных почв.

Снеговые нагрузки

Снежный покров, который собирается на кровле в холодный период года, необходимо учитывать при расчете нагрузки на грунт. Количество снега в регионах отличается. Для проектирования используют нормативные значения веса снегового покрова, взятые из строительных правил. В СНиП территория разделена на снеговые районы и указана нормативная нагрузка в них:

• I – 80 кг/м2;
• II – 120 кг/м2;
• III – 180 кг/м2;
• IV – 240 кг/м2;
• V – 320 кг/м2;
• VI – 400 кг/м2;
• VII – 480 кг/м2;
• VIII – 560 кг/м2.

Расположение районов лучше смотреть на карте в нормативных документах. В общем, для европейской части южные регионы относят к I–II району (громе горной части, которая принадлежит VIII району), центральные области (в том числе Москва и Санкт-Петербург) к III, Тверь, Нижний Новгород, Казань к IV, север к V снеговому району.

Кроме этого учитывают и конструкцию крыши, ее уклон. Для этого применяют коэффициент перехода μ (мю). Он составляет:

• при уклоне до 30° μ=1;
• 30–60° μ=0,7:
• круче 60° – μ=0.

Имея все значения – площадь крыши, нормативные значения веса снежного покрова, уклон – высчитывают максимальную нагрузку на фундамент от снега: S=Sнорм · μ. При площади крыши 30 м2 с уклоном 30° в Москве общее значение будет: S=180×1×30 = 5400 кг.

Характеристики оснований строительных сооружений

Кроме определения опорных характеристик базового уровня, необходимо принять во внимание риски могущие привести к деформации здания. Для этого проверяют грунт по следующим параметрам:

• плотность – определяется трудностью взятия образца;
• текучесть, чем легче прилипает почва к инструменту и дольше держится, тем более высока текучесть;
• пористость, определяют сравнением объемов измельченной породы и не измельченной;
• способности к набуханию, изменение объема и формы при намачивании, показывает склонность к просадкам;
• пучинистость, под влиянием низкой температуры в структуре образуются кристаллы льда, ведущие к изменению объема и формы почвы;
• способности к проседанию, возможность вертикального сдвига под действием массы при изменении физических свойств почвы.

Неспециалисту сложно точно определить строительные характеристики основания, поэтому в нормативных документах указываются минимальные значения параметров. Что позволяет избежать риска в процессе возведения зданий и повысить запас прочности строения.

Расчет фундамента зданий производят на основании:

• типа грунта (природный или искусственный);
• размеров, конструкции и материала фундамента;

Расчет должен учитывать два предельных состояния основания, это:

• несущая способность фундамента;
• деформационные процессы.

Используя калькулятор по расчету несущей способности земляного слоя, можно определить уровень сопротивления почвы вертикальным нагрузкам. Чем крупнее частицы, составляющие основание, тем выше несущие способности базового уровня.

Таблица: Размеры и процентное отношение частиц грунта

Виды грунтов

Какие бывают грунты?

• скалистые грунты
  идеальный вариант. Огромная несущая способность и отсутствие пучинистости
• хрящеватые грунты
  (гравий, обломки камня) обладают большой несущей способностью, непучинисты. Можно использовать ленточный фундамент на глубину не менее 50 см.
• песчаные грунты
  легко вымываются, хорошо пропускают воду, значительно уплотняются под нагрузкой, незначительно промерзают. Песчаные грунты являются хорошими основаниями для фундамента. В зависимости от размеров частиц песчинок подразделяются на подтипы: гравелистые пески (0,25-5,0 мм);
• крупные пески (0,25-2 мм);
• пески средней крупности (0,1-1 мм);
• пылеватые и мелкие пески (менее 0,1 мм), близки к глинистым грунтам

Виды глинистых грунтов