Ф.1.1. Что называется основанием зданий и сооружений?

Расчетная схема примера определения осадки фундамента методом послойного суммирования На данный момент существует большое количество различных расчетов нагрузок на фундаменты, на основании которых затем подбирается тип строительных материалов, размеры подошвы основания и прочие данные.
Метод послойного суммирования используется в тех случаях, когда нужно рассчитать осадку отдельно стоячего фундамента с учетом влияния внешних факторов и дополнительных грунтовых влияний.

Применение метода

Методом послойного суммирования рекомендуется пользоваться, если нужно определить не только основные факторы осадок, но и вторичные или дополнительные, возникающие только в конкретных ситуациях.

Расчет позволяет:

1. Определить осадку отдельно стоячего фундамента или комплекта оснований, расположенных недалеко друг от друга или с ними состыкованных.
2. Используется при расчетах оснований, сделанных из неоднородных материалов. Такие параметры отображаются в изменениях модуля деформации с возрастанием глубины залегания.
3. Как правило, метод дает возможность рассчитать осадку сразу по нескольким вертикалям, причем тут можно опускать параметры угловых переменных, а использовать центральные или периферийные параметры. Но это возможно сделать только при условии, если фундамент имеет слои по всему своему периметру, их толщина и структура одинаковые.

Такие осадки часто возникают от соседних фундаментов, ведь с ростом нагрузки на площадку неизбежно возникают просадки почвы, особенно при использовании мощных тяжелых конструкций. Но тут часто проектировщики сталкиваются с проблемой именно создания этюдов осадок, ведь нужно четко определить по оси вертикали именно те силы, которые возникли от воздействия соседних оснований.

Порой сделать это очень сложно и приходится использовать эмпирические формулы. Тогда точки напряжения часто находят по методу угловых точек, и полученные результаты в некоторых случаях принимаются как оптимальные для данного слоистого фундамента.

Устройство основания для фундамента

Если попытаться установить бетонное основание непосредственно на щебень, без отсыпки песка, часть ленты или плиты фундамента окажется перегруженной, а часть останется без нагрузки. В подобной ситуации бетонная отливка фундамента достаточно быстро перейдет в неустойчивое состояние, будут образовываться трещины и деформации.

Функции песчаной отсыпки

Песок играет роль клея и эластичной подушки, позволяющей компенсировать и распределить все усилия, в том числе при вспучивании грунта или осадке основания фундамента.

Песчаный материал, используемый при подготовке и отсыпке основания, должен отвечать определенным требованиям и критериям:

• Наилучшим считается гравистый песок, очень крупный и чистый, отсыпки из такого материала обладают наименьшим удельным весом, но при этом легко пропускают воду;
• Минимальное количество включений глины, земли, известковых и солевых загрязнений;
• Песок не должен содержать любых форм органики, ила, торфа, остатков растений – всего, чем богаты природные водоемы. При использовании в подготовке основания такого материала через определенный период времени песчаная подушка превращается в плотный водонепроницаемый слой грязи, насыщенный продуктами разложения органики.

Совет! Качество песка легко проверить с помощью подручных средств. Например, если в вырытую в грунте ямку, засыпанную песком, вылить 5-6 литров воды, то при хорошем качестве вода уйдет за несколько минут, в грязном песке на поверхности останется лужица.

Классическое устройство основания под фундаменты из щебеночного материала

В классическом варианте технология подготовки подушки под бетонную плиту или ленту использует щебень, как материал, обеспечивающий дренаж и жесткую основу. Поэтому основание отсыпают, как минимум, одним слоем щебенки. Использование щебеночного материала требует немалых затрат, связанных с покупкой стройматериала, доставкой и проведением планировочных работ. Несмотря на всю дороговизну и дефицитность высококачественной щебенки, отказаться от ее использования в подготовке основы под фундамент невозможно.

В случаях, когда в процессе планировки поверхности бульдозерами или экскаваторами извлекаются и перемещаются большие объемы грунта, для выравнивания уклона основания применяются щебеночные насыпи. Идеально выровнять гравийную подушку удается не всегда, поэтому строители зачастую применяют промежуточное бетонирование или бетонную подготовку. По сути, это тонкий слой бетона, уложенный на песчано-щебеночное основание подушки и идеально выровненный по горизонту.После такой подготовки достаточно просто уложить гидроизоляцию и слой утеплителя.

Если грунт обладает высокими несущими характеристиками, технологию подготовки можно значительно упростить. В этом случае устройство основания под фундаменты песчаного выполняется в упрощенном порядке. На выровненный и утрамбованный слой песка укладывается полиэтиленовая пленка, отсыпается слой мелкого гравия или отсева, после утрамбовки выполняется укладка слоя гидроизоляции и утеплителя. На следующем этапе выполняется укладка арматуры и заливка раствора бетона.

Почему так важно рассчитывать осадку фундамента?

Наглядный пример осадки дома методом послойного суммирования под влиянием давления в фундаменте
Некоторые фундаменты отличаются слабой прочностью на изгиб и деформацию за счет больших линейных размеров и небольшой продольной толщины. Как правило, метод послойного суммирования часто используют для расчетов ленточных фундаментов, ведь они не могут обеспечить максимально высокую нагрузку на единицу площади грунта, поэтому и осадка может возникать практически в любом месте вполне спонтанно.

Все расчеты, формулы и рекомендации подробно указаны в СНиП 2.02.01-83. Чтобы более подробно разобраться в методе, нужно попробовать рассчитать осадку ленточного фундамента на реальном примере.

Виды фундаментов мелкого заложения

К фундаментам мелкого заложения относят фундаменты с глубиной заложения до 4 м. Деление фундаментов по глубине заложения связано собственно с размером глубины заложения фундамента и с условиями работы грунтового основания под нагрузкой и способами производства работ при их устройстве. У фундаментов мелкого заложения потеря несущей способности грунтового основания связано с образованием около фундамента с одной или с двух сторон холмиков выпирания грунта. Такого явления у фундаментов глубокого заложения не наблюдается. Потеря несущей способности грунтового основания для этих фундаментов вызывает изменение структуры грунта внутри грунтового массива. Кроме того, фундаменты мелкого заложения, как правило, возводят в котлованах, предварительно отрытых на всю глубину заложения фундамента.

Наиболее распространенными в современном строительстве являются железобетонные, бетонные и бутобетонные фундаменты.

Применительно к фундаментам следует применять тяжелый конструкционный бетон со средней плотностью от 2200 до 2500 кг/м3. Допускается применять бетон мелкозернистый средней плотности свыше 1800 кг/м3. Класс бетона по прочности на сжатие рекомендуется применяется не ниже В15. При соответствующем обосновании допускается применение бетона класса В20. Марка бетона по водонепроницаемости назначается в соответствие с СП 52-101 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры» [7]. Так, например, при возможном эпизодическом воздействии температуры ниже 0 °С, для фундаментов (конструкция, находящаяся в грунте) марка бетона по водонепроницаемости W не нормируется. При проектировании бетонных и железобетонных фундаментов, предназначенных для эксплуатации в агрессивной среде, марка бетона по водонепроницаемости назначается в соответствие со СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии» [6] и должна быть не менее W4.

По способу изготовления различают монолитные бетонные и железобетонные фундаменты и сборные фундаменты. Монолитные фундаменты изготавливаются на строительной площадке, сборные – на строительной площадке монтируются (собираются) из конструкционных элементов, сделанных на предприятиях строительной индустрии. Существуют и смешанные сборно-монолитные фундаменты, когда одна, как правило, нижняя часть фундамента изготавливается непосредственно по месту ее расположения, а другая, верхняя – монтируется.

Под подошвой фундаментов делается специальная подготовка. Рекомендуется под монолитными фундаментами независимо от подстилающих грунтов (кроме скальных) предусматривать устройство бетонной подготовки толщиной 100 мм и выступающей за грани подошвы фундамента на 100 мм. Бетон подготовки под подошвой монолитного фундамента принимается класса В10 [12]. Толщину защитного слоя бетона для рабочей арматуры подошвы фундаментов при наличии бетонной подготовки принимают не менее 40 мм и не менее диаметра стержня рабочей арматуры.

Допускается применение щебеночной или песчаной подготовки с цементной стяжкой.

При обосновании допускается бетонирование фундаментов без подготовки. В этом случае толщину защитного слоя бетона для рабочей арматуры подошвы назначают не менее 70 мм.

При сборных фундаментах устраивают подготовку из песка или цементного раствора.

Для защиты подошв фундаментов, расположенных в уровне агрессивных грунтовых вод (с учетом возможности их повышения), необходимо предусматривать:

· в кислых слабо- и среднеагрессивных средах — устройство щебеночной подготовки толщиной 100—150 мм из плотных изверженных пород с последующей укладкой слоя кислотостойкого асфальта, а в сильноагрессивных кислых средах — дополнительно по кислотостойкому асфальту наклеивать два слоя рулонной изоляции с последующей укладкой слоя кислотостойкого асфальта;

· в сульфатных слабо- и среднеагрессивных средах — устройство щебеночной подготовки толщиной 100—150 мм с проливкой горячим битумом до полного насыщения с последующей подготовкой из бетона или цементно-песчаного раствора или слоя горячей асфальтовой мастики, а для сильноагрессивных сульфатных сред — подготовки из бетона или цементно-песчаного раствора на сульфатостойком портландцементе.

Характеристики агрессивных сред определяются по СНиП 2.03.11.

По характеру работы железобетонные фундаменты могут быть жесткими или гибкими. В жестких фундаментах линия уступов с вертикалью образует угол, который не превышает угол образования пирамиды продавливания от вертикальных нагрузок (рисунок 24). При этом в теле фундамента не возникает значительных растягивающих напряжений.

По форме фундаментов в плане и виду конструкций, опирающихся на фундаменты, фундаменты подразделяют на отдельно стоящие, ленточные под стены здания, ленточные под колонны, сплошные (плитные) под стены здания и сплошные под колонны.

Отдельные фундаменты
(рисунок 25) устраивают под колонны и стены. В последнем случае для возведения стен под ними устанавливают фундаментные балки (рисунок 26) или цокольные панели, опирающиеся на фундаменты (рисунок 27).

Ленточные фундаменты под колонны
(рисунок 28) воспринимают нагрузку от ряда колонн. Иногда под сетку колонн делают ленточные фундаменты в двух направле­ниях (перекрестные ленты). Ленточные фундаменты устраива­ют для уменьшения давлений на грунты основания и уменьшения неравномерностей осадок отдельных колонн.

Ленточные фундаменты под стены

(рисунок 29) сохраняют геометрию стен здания в плане. В зданиях с подвальными помещениями и техническими подпольями ленточные фундаменты выполняют функцию стен заглубленных помещений.

Сплошные фундаменты

(рисунок 30) устраивают под всем соору­жением или под его частью в виде железобетонных плит под сетку колонн и стен. Такие плиты работают на изгиб в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Сплошные фундаменты существенно уменьшают давления на грунты основания по сравнению с отдельными фундаментами и, при значительной толщине фундаментной плиты, способствуют уменьшению неравно­мерности осадки.

Расчет осадки ленточного фундамента

Расчетная схема методом послойного суммирования осадки ленточного фундамента
Для примера можно взять ленточный фундамент, который имеет ширину 120 см (b ) и глубину залегания 180 см (d). Он устроен на трех слоях грунта. Общее давление под подошвой на почву составляет 285 кПа.

Каждый слой грунта имеет следующие показатели:

1. Маловлажный грунт средней плотности и пористости, основной компонент – мелкозернистый песок, пористость е1= 0,65, плотность γ1 = 18,7 кН/м³, степень деформации Е1 = 14,4 МПа.
2. Второй слой более тонкий, состоит из крупнозернистого, насыщенного влагой песка. Его показатели, соответственно, составляют: е2 = 0,60, γ2 = 19,2 кН/м³ и Е2 = 18,6 МПа.
3. Следующий слой – суглинок, параметры JL = 0,18, γ3 = 18,5 кН/м³ и Е3 = 15,3 МПа.

По данным геодезической службы и топографической разведки, грунтовые воды в расчетном регионе расположены на глубине 3,8 метра, поэтому их влияние на основание можно считать практически нулевым.

Преимущества метода послойного суммирования

Необходимость расчета осадки фундамента методом послойного суммирования

1. Благодаря методу, можно посчитать усадку практически любого типа основания, независимо от структуры и размеров.
2. Можно использовать параметры множества слоев грунта, а также учесть уровень расположения грунтовых вод.
3. Подходит для расчета линейных и монолитных оснований.
4. Также можно использовать несущие параметры напряжения скальных пород, на которых установлена подошва основания.
5. Можно использовать не только метод угловых точек. Расчет допустим при использовании любых вертикальных разрезов.

Среди недостатков стоит отметить сложность в расчетах, сделать их может только профессиональный строитель. Также этот метод сложен по времени, поэтому его используют при расчетах оснований для больших массивных зданий с глубоким залеганием подошвы. Для небольших частных домов метод не практикуется.

Выбор конструкции

При выборе конструкции фундамента мелкого заложения необходимо учитывать ряд факторов. Большое значение имеют геологические условия: рельеф, тип грунта, уровень грунтовых вод. Фундамент должен обладать достаточной прочностью, а также иметь хорошую устойчивость на опрокидывание и скольжение. Поэтому должны учитываться вес здания и его конструктивные особенности.

Грунты, лежащие в основании фундамента, рассчитываются по несущей способности и по деформациям. При этом необходимо учитывать воздействие таких факторов, как силы морозного пучения, а также присутствие грунтовых и поверхностных вод, от чего зависят физико-механические характеристики грунтов. Следует учесть местные условия строительства и опыт эксплуатации строений в инженерно-геологических условиях аналогичного типа.

Глубина заложения должна обеспечивать заглубление фундамента в несущий грунт как минимум на 10-15 см. Следует избегать такой ситуации, когда непосредственно под фундаментом расположен грунт, прочностные и деформационные качества которого значительно хуже, чем у подстилающего слоя. Рекомендуется, чтобы глубина заложения была меньше уровня грунтовых вод.

Различные типы фундаментов мелкого заложения существенно различаются по стоимости материалов и трудозатратам. Следует учитывать и эти факторы. Тогда выбранный вариант обеспечит необходимые эксплуатационные характеристики фундамента при оптимальных затратах на его возведение.