Несущая способность грунта под фундаментом: понятие, исследование, определение, расчет

Если вы надумали строиться самостоятельно, то несущая способность грунта это… нет, угадали – второе или даже третье, что необходимо выяснить. Первое и второе – нормативная глубина промерзания НГП и уровень грунтовых вод УГВ, поскольку от них зависит не только глубина заложения фундамента, но и выбор несущего слоя грунта под ним, см. далее. Однако способность грунта долгое время нести весовую нагрузку здания/сооружения также важнейший фактор надежности будущей постройки. Трещины в несущих конструкциях, вызванные слабым грунтом по ними, остановить невозможно. Если строящийся дом даст аварийную трещины в процессе постройки, то большая часть или все затраты на нее ухнули коту под хвост. А если дом к тому времени уже заселен – еще хуже, нужно строить новый. Наконец, надежность грунта на месте будущей постройки очень сильно влияет на выбор типа фундамента, а добрая доля сметной стоимости и трудоемкости строительства приходится за нулевой цикл и заложение основания. А от типа фундамента, в свою очередь, зависит техперерыв на его осадку, прежде чем можно будет начинать строить коробку. Цель этой статьи – подсказать, читателю-застройщику, как не прогадать с грунтом. Расчет фундамента определенного типа на конкретном грунте это отдельная обширная тема, но и по ней мы постараемся дать достаточно пригодного для практического применения материала.

А что это такое?

Да эта самая несущая способность. Общее определение – способность чего-то (элемента конструкции, естественного основания и т.п.) заданное время нести эксплуатационную нагрузку, не испытывая чрезмерных или необратимых деформаций. Но в строительном аспекте дело сложнее, поскольку фундамент механически накрепко связан с грунтом под ним и сам сопротивляется деформациям. А конструкция здания на фундаменте также может быть достаточно прочной и жесткой. Поэтому в строительстве принято определение несущей способности грунта под постройкой через расчетную силу его сопротивления весовой нагрузке R. Грунт под основанием постройки считается надежным, если в течение ее расчетного срока службы здание/сооружение не испытывает опасных смещений (вверх-вглубь, вбок, крена) и деформаций. Выполнение этих условий возможно, если осадка фундамента происходит по линейному закону, а нарушение исходной структуры грунта под весом постройки распространяется в стороны от ее фундамента не более чем на 1,25 его ширины.

Обводненность и переслой

Расчетный срок эксплуатации жилых построек не может быть менее 40 лет. С другой стороны, домом по земле не лупят и на угол его не ставят. Хрестоматийный в сопромате пример: тягач с нагруженным 40-футовым контейнером на прицепе создает удельное давление на опорную поверхность прим. в 3 раза большее, чем танк. Грациозная девушка на каблуках-шпильках – прим. в 10 раз большее. Девушка на шпильках пройдет по утоптанной земле, и никому в голову не взбредет облагать милых дам налогом на пешее хождение, разве что законченному параноику. Впрочем, адепты трансгендерного спорта, возможно, и сюда доберутся, денежки же. Но это к слову. С фур берут дорожный налог за усиленный износ покрытия, а танкам на трассу в мирное время нельзя и кончик пушки высовывать, потому как известно, во что они превратят дорогу.

К чему это? К тому, что в строительстве важна устойчивость грунта, т.е. стабильность его R в долгосрочной перспективе. Абсолютно устойчивы только скальные монолиты в сейсмически безопасных регионах. А устойчивость обычных под постройками грунтов определяется, во-первых, их гранулометрическим составом (см. далее) и степенью обводненности. R насыщенного влагой грунта падает в разы. Поэтому самостоятельные геологические изыскания на месте (также см. далее) нужно производить где-то в середине весны, или, в бесснежных местах, спустя 1-2 недели после годового пика осадков.

В то же время исследуется и стратиграфия грунта, т.е. характер его расслоения. Совершенно однородных грунтов не бывает. Ставить фундамент на первый от поверхности несущий слой не всегда возможно, т.к. он может располагаться выше НГП, а следующий в глубину слой надежного грунта может оказаться слишком тонким. Под фундаментом всегда образуется «земляная пятка», что-то вроде невидимого валика необратимо уплотненного грунта, неразрывно связанного с пятой фундамента. Если мощности (толщины) несущего слоя не хватит на «земляную пятку», основание постройки в этом месте просядет, и пойдет(пойдут) те самые аварийные трещины. Если же УГВ достигнет несущего слоя, то со временем фундамент будет подмыт.

Необходимая мощность несущего слоя определяется шириной фундаментной ленты. Но она, в свою очередь, рассчитывается по несущей способности грунта, весовой нагрузке от здания и параметрам прочности его конструкции. Поэтому точный расчет общей несущей способности данного слоя грунта требует основательных специальных познаний, сложен и трудоемок. Если у вас нет возможности «заказать геологию» для стройки, то по результатам самостоятельных изысканий нужно выбирать несущий слой, для которого соблюдаются условия (см. рис.) D>(3-5)B для временных/сезонных построек и D>(5-7)B для капитальных; T > 1,25B. УГВ при этом не должен подходить к нижнему горизонту (краю) несущего слоя ближе 0,6 м.

Примечание: о выборе несущего слоя грунта и по нему типа основания здания см. также видео:

Видео: выбор фундамента и несущего слоя основания по геологии

Изыскания, опыты и предварительные расчеты

Устройство оснований зданий и сооружений регламентировано СНиП 2.02.01-83* и актуализировано СП 22.13330.2011. Но разобраться в них строителю-новичку не просто. Поэтому далее мы, никоим образом не отступая от сути СНиП/СП, приводим методику испытаний грунта и опытных измерений его характеристик, осуществимых без специального оборудования на месте будущей стройки и дома на рабочем столе. Самостоятельное определение несущей способности грунта производится в целом таким порядком:

• Определяем поправку на уровень ответственности здания.
• В самое влажное время года, при условии, что зимняя мерзлота полностью оттаяла, производится контрольное бурение (под частный жилой дом можно ручным садовым буром), определяется стратиграфия грунта и берутся пробы каждого слоя.
• Тут же, на месте, производится испытание грунта на текучесть и связность; определяются угол внутреннего трения ? и показатель текучести J_L.
• Дома проводится гранулометрический анализ проб и производится измерение степени его пористости, см. далее. Определяется показатель пористости e.
• По данным гранулометрии определяются типы грунта проб согласно СНиП.
• Предварительно выбирается тип фундамента (лента, сваи) с учетом уровня ответственности здания, см. далее.
• Вычисляются величины расчетной несущей способности грунта R (см. выше) 2-мя способами: табличным по СНиП и по его физико-гранулометрическим характеристикам.

Далее, в процессе проектирования здания, для расчета фундамента берется меньшее из полученных значений R. Результаты предварительного расчета сверяются с данными стратиграфии, НГП и УГВ. При необходимости производится расчет фундамента иного типа; в работу идет более надежный и менее затратный.

Ответственность здания

Федеральным законом РФ №384-ФЗ, ст. 4, пп. 7-10 уровни ответственности зданий определяются как:

1. повышенный: особо опасные, особого значения (статуса), технически сложные и уникальные объекты;
2. нормальный: коллективные жилые (многоквартирные), обычные промышленные, общественные и др. здания и сооружения;
3. пониженный: капитальное (долговременного пользования) индивидуальное жилье этажностью не более 2 и высотой до 10 м, временные и сезонные жилые строения, хозяйственные и вспомогательные (на период строительства) здания и сооружения.

Поправочный коэффициент на уровень ответственности y_n используется при расчете свайных фундаментов (см. далее). Застройщику-любителю можно применить его, поделив перед расчетом любого фундамента расчетное значение R₀ на y_n, что никакими правилами не возбраняется и никак не наказуемо. Сметная стоимость и трудоемкость строительства от этого возрастают приемлемо (не обязательно возрастают, см. далее), но надежность постройки увеличится гораздо сильнее. Значения y_n желательно брать такие:

• Капитальный жилой дом на пожизненное и более длительное пользование, хранилища ядохимикатов и средств агрохимии – 1,1-1,2.
• Капитальные хозпостройки (отапливаемые гаражи, надворные пищехранилища, помещения для круглогодичного содержания домашнего скота и птицы) – 1,1.
• Временное жилье на период капитального строительства, каркасные и быстровозводимые жилые постройки (дом из СИП и т.п.) – 1,05.
• Прочие постройки – 1,0, т.е. запас несущей способности грунта под зданием не задается.

Пробное бурение

Пробное бурение грунта под будущей постройкой производится в период его наибольшего увлажнения (см. выше). Скважины бурятся винтовым буром, как наименее нарушающим структуру грунта. Стандартное их количество для дома до 10х10 м в плане – 5 конвертом, 4 по углам и одна в центре. Если дом большего размера, скважины на длинных сторонах бурят с шагом 5-10 м. Под дом сложной в плане конфигурации скважины бурят на каждом углу и в центре каждого отсека. Глубина бурения – не менее чем на 0,6 м ниже НГП. Бурят поэтапно, отбирая пробы грунта из каждого его слоя. Забуренные скважины накрывают пленкой от дождя и оставляют на 3-4 дня (лучше на неделю). Если за это время на дне ни одной из скважин не показалась вода – УГВ не достигнут, строиться можно без дополнительных мер по дренированию и укреплению грунта.

Откос и текучесть

Для определения связности грунта забивают шурф с вертикальными стенками на полную глубину заложения фундамента (минимум – НГП+60 см). Это можно сделать, пока скважины отстаиваются на воду. Если стенки шурфа осыпаются, постепенно срезают их лопатой под наклоном, пока осыпание не прекратится. Тогда измеряют их наклон от вертикали, он и будет углом ?, но не более 45 градусов. Грунт с углом внутреннего трения более 45 градусов считается плывущим, и строиться на нем возможно только после применения мер по его укреплению, очень затратных и трудоемких.

Также на месте определяется показатель текучести грунта. Это особенно важно для глинистых грунтов, т.к. все они потенциально просадочные, т.е. могут внезапно потерять несущую способность под действием внешних факторов (прежде всего – увлажнения). Тип глинистого грунта определяется не месте (предварительно) по взятым из шурфа образцам, и по ним же – показатель текучести:

Результат испытания	Консистенция образца	Тип грунта	Показатель текучести JL
Образец от удара разбивается на куски. На ощупь совершенно сухой; сжатый в ладони колет кожу. При сильном сжатии в руке рассыпается в куски и немного пылит. Растирается в крошку с некоторым количеством пыли. Пласт 10х5х3 см ломается без заметного изгиба с трудом. Излом почти ровный, шероховатый, пальцем растирается с трудом. Ногтем с нажимом средней силы можно провести черту.	Твердая	Твердая глина	1,0*
Пласт на пробу легко вырезается ножом. Ломается с изгибом. Излом с изгибом, извилистый, шероховатый, под пальцем крошится. Рукой образец разминается (ощущается влажность). Размятый формуется; отформованный сохраняет форму. Отдельные мелкие частицы образца могут прилипать к коже рук.	Пластичная	Пластичная глина
Пласт на пробу ножом отделяется с трудом (прилипает к клинку). На ощупь образец слегка или умеренно влажный, форму не держит, но кожу сильно не пачкает. При сжатии в ладони жидкости почти не выделяет Скатанный в шар диаметром 5-6 см и уложенный на ровную твердую поверхность, растекается в лепешку более чем за 3-4 мин. Уложенный на газету или фильтровальную бумагу, пускает влажное пятно не сразу.	Текучая	Текучая глина
Ножом образец не отделяется, надрез заплывает. На ощупь очень влажный, пачкает кожу. При сжатии в ладони обильно выделяет жидкость. Уложенный на наклонную плоскость, в течение 1-3 начинает стекать языком. Уложенный на газету или фильтровальную бумагу, немедленно пускает мокрое пятно.	Текучая	Текучий суглинок	1,0
Образец вырезается ножом с некоторым затруднением. На ощупь очень влажный, пачкает кожу. При сжатии в ладони выделяет немного жидкости. Формуется без предварительного разминания легким нажатием пальцев, форму держит несколько мин только без нагрузки. Языком не течет, может медленно растекаться в лепешку, полежав 5 и более мин. Уложенный на газету или фильтровальную бумагу, пускает мокрое пятно не сразу.	Текучепластичная	Текучепластичный суглинок	0,75-1,0
Пласт на пробу вырезается ножом с некоторым затруднением. На ощупь влажный, липнет к коже. На весу ломается сразу с изгибом. При сжатии в ладони жидкости почти не выделяет. Палец вдавливается глубоко; возможно, на всю длину. Формуется легко, форму держит без нагрузки до получаса и более. Языком не течет, может медленно растекаться в лепешку, полежав более 5-10 мин. Уложенный на газету или фильтровальную бумагу, пускает мокрое пятно не сразу.	Мягкопластичная	Мягкопластичный суглинок	0,50-0,75
Пласт на пробу вырезается ножом без труда. На ощупь слегка влажный, к коже почти не липнет. На весу сам по себе не ломается. Принудительный надлом (двумя руками) с заметным изгибом. Палец вдавливается только кончиком. Формуется после разминания, форму держит неограниченно долгое время. На газете или фильтровальной бумаге влажное пятно оставляет только под собой.	Тугопластичная	Тугопластичный суглинок	0,25-0,50
Пласт на пробу вырезается только тонким острым ножом, иначе крошится. Влага на ощупь не чувствуется, мокрого пятна не оставляет. Не разминается, не формуется. Ломается без изгиба; излом шероховатый, крошащийся, растирается в крошку с пылью. Ударом образец разбивается в куски почти без пыли. При сильном сжатии в руке рассыпается в куски и сильно пылит. Палец не вдавливается, но нажим ногтем оставляет черту.	Полутвердая	Полутвердый суглинок	<0,25
Образец от удара разбивается на куски. На ощупь совершенно сухой; сжатый в ладони колет кожу. Растирается в пыль. Пласт 10х5х3 см ломается без заметного изгиба с трудом. Излом почти ровный, шероховатый, пальцем почти не растирается. Провести ногтем черту трудно. Раздробить образец сжатием в руке возможно только физически сильному человеку с мозолистыми ладонями.	Твердая	Твердый суглинок	0
*) – глинистые грунты с содержанием песка и/или алеврита (иловатых частиц) менее 50% считаются текучими и просадочными, т.к. становятся сильно пластичными от увлажнения.

Примечание: простой, но надежный способ избежать просадки грунта под домом – обвести его отмосткой шириной от 1 м со сточной канавкой по наружному краю.

Домашние опыты

Идея самостоятельного определения физических характеристик грунта – при полном расчете его несущей способности взять некий поправочный коэффициент (см. далее) поменьше. Тем самым почти или полностью парируется повышение сметной стоимости строительства из-за добавочного запаса надежности по уровню ответственности здания. Дома по взятым из того же шурфа образцам определяются:

• Плотность сырого (натурального) грунта M.
• Степень его обводненности в %.
• Показатель пористости грунта E.
• Сжимаемость грунта на разных глубинах (см. далее, в расчете по таблицам).
• Тип грунта (окончательно) по данным гранулометрического анализа.

Из лабораторного оборудования вам понадобятся:

1. весы на точность до 0,5 г (лучше – бытовые электронные);
2. плошка или тарелка из термостойкого стекла или нержавеющей стали, либо стальная сковородка без тефлонового покрытия, но с крышкой;
3. мерный стакан или, лучше, узкая высокая химическая мензурка емкостью не менее 100 мл (лучше – 0,5-1 л), см. рис. справа;
4. ступка с пестиком или стальная картофелемялка (толкушка);
5. бытовой миксер со спиральной насадкой. Петли и крыльчатки не годятся. Если будете работать с мензуркой, к миксеру придется сделать мешалку в виде длинной, на всю глубину посуды, тонкой жесткой спирали из 3-4 оборотов. Но результаты опытов будут гораздо точнее.

Плотность и влажность

Для определения объемной плотности грунта ?_d из плотных его слоев вырезают кубики по 1 куб. дм (10х10х10 см), или насыпают в мерный стакан 1 л сыпучего. На пружинные или рычажные весы кладут плошку и уравновешивают. В электронных весах достаточно нажать кнопку Т (компенсация веса тары). Взвешивают пробу. Если весы электронные, ее просто кладут на тарелку весов, или ставят на нее стакан. На «не умных» весах пробу кладут или высыпают в плошку. Плотность грунта вычисляется как

?_d = p/v, где

p – вес пробы;

v – объем образца.

Напр., 1 л грунта «потянул» на 1730 г или 1,73 кг. Его плотность будет 1,73 г/куб. см или 17,3 т/куб. м. Если требуется значение ?_d в ньютонах/куб. м (Н/куб. м), последнее значение умножают на 10,2.

Для определения влажности образец высушивают на газу в сковороде или в микроволновке (на малой мощности!) в стеклянной тарелке. Сушить нужно до полной сухости, не менее 10-15 мин после прекращения выделения паров. Сухую пробу немедленно, пока еще горячая и не потянула в себя атмосферную влагу, взвешивают, получая сухой вес p₀. Влажность грунта находится как:

S_r = (1 – p₀/p)100%.

Напр., та же сухая проба весит 1220 г. ? = (1 – 1220/1730)100% = (1 – 0,71 (прибл.))100% = 29%.

Пористость

Показатель пористости грунта определяется след. образом:

• Берем кубик в 1 куб. дм плотного грунта или 1000 мл сыпучего.
• Растираем пробу, не высушивая, в порошок пестиком в ступке или толкушкой в прочной посуде.
• Высыпаем толченый грунт в мерный стакан, уплотняем пестиком или толкушкой (осторожно!).
• Засекаем объем уплотненного грунта v₀.
• Вычисляем пористость пробы как E₁ = 1 – (v₀).
• Определяем аналогичным способом E₂, E₃…E_n по другим пробам того же грунта. Обычно достаточно 3-х проб.
• Вычисляем усредненный показатель пористости данного грунта как E = (E₁ + E₂ + E₃)/n, где n – количество проб в серии.

Допустим, 3 пробы грунта по 1 л уплотнились соотв. до 830, 797 и 842 мл. Показатели пористости будут E₁ = 1 – 0,830 = 0,170; E₂ = 1 – 0,797 = 0,203; E₃ = 1 – 0,842 = 0,158. Усредненный показатель пористости этого грунта E = (0,170+0,203+0,158)/3 = 0,177.

Примечание: если разброс усредненного E относительно частных для отдельных проб более 20-25%, нужно повторить всю процедуру его определения по 5 и более пробам.

Сжимаемость

Знать точные значения сопротивления образцов грунта сжатию застройщику-индивидуалу не обязательно. Нужно убедиться, что сжимаемость грунта не увеличивается с глубиной, иначе дом со временем накренится и поползет в сторону. Для проверки грунта на сжимаемость берут его пробы с разных глубин, или из каждого слоя при мелкой стратификации грунта. До достижения контрольной глубины (см. далее) нужно исследовать не менее 4-5 проб.

Свежие пробы скатывают в шары одного и того же диаметра (ок. 5 см) или, если грунт сыпучий, насыпают его в отрезок трубы той же длины и диаметра по внутри. Очередную пробу нагружают гирей от 1 кг (можно использовать кирпич) через деревянную проставку или дощечку. Степень сжатия проб определяют по сплющиванию под нагрузкой катышков или по величине погружения проставки в обойму с сыпучим грунтом.

Гранулометрия

Способность грунта стабильно долгое время нести весовую нагрузку определяется соотношением в его составе частиц относительно крупных (песчаных), средней крупности (иловатых, или алеврита) и глинистых. Цель домашнего гранулометрического анализа проб грунта – точнее определить данные величины, а по ним уточнить тип грунта, который и определяет его долговременную несущую способность. Ранее этот вид анализа считался прерогативой лабораторных исследований, но ныне доступен любому, у кого есть синтетическое моющее для посуды. Его действующее вещество – лаурилсульфат натрия – давно уже применяется в горно-обогатительной промышленности для флотации руд; разумеется, без ароматических добавок и т.п. Лаурилсульфат не дает микро- и наночастицам водной взвеси слипаться друг с другом, что в данном случае обеспечивает достаточно четкое гравитационное фракционирование компонент грунта. Производится его гранулометрический анализ след. порядком:

• Готовят 1-1,5 л чистой мягкой воды (желательно дистиллированной) с добавкой 2-3 ч. л. любого моющего для посуды; ДВ у них всех одно и то же.
• В мерный стакан или мензурку на 1/4 объема насыпают высушенный, раскрошенный и тонко толченый грунт.
• Добавляют воды до полного мерного объема посуды (до верхней мерной отметки.
• Ставят сосуд на ровную устойчивую поверхность в месте, удобном для наблюдения за ним в течение нескольких суток. Трогать, толкать, шевелить и переставлять сосуд нельзя все время опыта.
• Миксером на малых или средних оборотах размешивают взвесь до полной однородности.
• Осаждение песчинок начинается немедленно по прекращении размешивания и продолжается не более 2-3 мин. Поэтому наблюдение за взвесью начинают, как только будет выключен миксер.
• Как только начнет оседать ил (что будет заметно на фоне песка), делают отметку h_S на посуде, она укажет уровень песчаной фракции. Откладывать на потом нельзя, песок заплывет илом, но можно заново перемешать взвесь.
• Спустя 2-4 часа прекратится оседание ила. Это будет заметно по границе его осадка с остатком взвеси – она станет достаточно четкой. Делают отметку высоты алеврита h_A.
• Сосуд накрывают от пыли и испарения влаги, и оставляют, пока остаток взвеси не станет полностью прозрачным, т.е. пока не осядет вся глина. В зависимости от его свойств в конкретной пробе, на это уйдет 2-8 суток. Делают отметку высоты глины h_C; она же будет полной высотой осадка H.
• Определяют объемные доли составляющих грунта: песка s = h_S/H; алеврита a = (h_A – h_S)/H; глины c = (H – h_A)/H.

Примечание: отсюда ясно, что опыт лучше ставить в высокой узкой посуде – в ней один и тот же объем твердой взвеси даст большую высоту столба его осадка и соотв. лучшую точность ее измерения.

Допустим, полная высота осадка получилась 168 мм. Отметка песка на высоте 34 мм; ила на 86 мм. Доля песка в грунте 34/168 = 0,202… или 20% (точности до процента достаточно). Доля ила (86-34)/168 = 0,3095… или 31%, а доля глины (168 – 86)/168 = 0,488… или 49%.

Какой у нас грунт?

Согласно современной механике грунтов, их качественные свойства, т.е. по характеру их проявления (текучесть, сыпучесть и др.) сводятся к таковым смеси глины, алеврита и песка определенного состава, а по их (свойств) количественным значениям рассчитывается сопротивление грунта весовой нагрузке. Тип грунта качественно находится по результатам гранулометрического анализа и диаграмме, или треугольнику Ферре (см. рис.).

Имея некоторый опыт в строительстве, по диаграмме Ферре можно также прикинуть, какого предела табличных значений несущей способности грунтов следует придерживаться в предварительном расчете ширины фундаментной ленты (см. след). Чем ближе данный грунт к чистой глине, тем больше его несущая способность в пределах табличного разброса, а чем ближе он к илу, тем она меньше в тех же пределах; доля песка до 40-45% существенно не влияет. Так, для суглинка, «попавшего» в поля А и Д на рис., несущую способность надо брать средней; суглинок в поле Б можно считать способным нести почти максимальную для данного типа грунтов нагрузку, а для суглинков в полях В и Г табличная нагрузка берется минимальной.

Примечание: как самостоятельно исследовать однородный грунт на несущую способность, см. видео:

Видео: самостоятельное определение грунта и расчет фундамента

Предварительный расчет ширины ленты

В нормативные формулы расчета несущей способности грунта входит ширина подошвы фундамента, для простого ленточного (не противопучинного с уширением вниз) равная ширине его ленты. Поэтому ее предварительный расчет необходим. Для него, кроме сведений о свойствах грунта, понадобится проект постройки (можно эскизный) с полным весовым расчетом, включая вес фундамента, и нормативные значения пределов несущей способности грунтов R₀, которые дает соотв. таблица СНиП (см. напр. рис).

Самый расчет ширины фундамента производится методом итерации, т.к. изменение ширины ленты меняет и ее вес, а он составляет весомую долю (невольный каламбур) полного веса постройки:

1. по чертежам в проектной документации находим полную длину фундамента L, включая перемычки и отводки;
2. задаемся начальной шириной фундаментной ленты b₀=1 м;
3. делим полный вес здания P (с людьми, оборудованием и пр.) на L, получаем начальную удельную весовую нагрузку q₀ на грунт под основанием. Напр., L=60 м, P= 210 тс. q₀ = 210 000 кгс/60 м = 3500 кгс/кв. м или 3,5 кг/кв. см;
4. если q₀>0,95R_0max в таблице, принимаем b₁ = 1,1 b₀; если q₀<1,05R_0min, берем b₁ = 0,9 b₀;
5. пересчитываем вес здания с учетом изменения ширины фундаментной ленты;
6. рассчитываем опорную площадь «нового» фундамента: s₁ = b₁L;
7. находим уточненное удельное давление на грунт q₁ = P/s₁;
8. повторяем пп. 4-7, пока q_n не войдет в разброс табличных значений R. Весьма желательно – поближе к среднему. Слишком тяжелый для данного грунта дом может оказаться ненадежным, а слишком легкий – накренен или сдвинут силами морозного пучения либо изменениями тока подземных вод.

Полный расчет несущей способности грунта

Имея все полученные выше данные, можно, наконец, произвести расчет его способности нести весовую нагрузку R по известной «чистой» несущей способности R₀. Почему одно не равно другому? Потому, что грунт поддерживает фундамент и с боков за счет трения. А это, простите, не кружечка пивка с устатку. Длина фундаментной ленты под достаточно комфортным 3-комнатным домом с подсобными помещениями ок. 100 м. Заглубление основания в 1 м допустимо только на непучинистых непромерзающих вполне устойчивых грунтах; на прочих будет больше. Но и в таком редчайшем случае 10 см ширины ленты это ни много, ни мало 10 кубов бетона. Который нужно купить, завезти, замесить и своими рученьками залить. Плюс рытье траншеи, опалубка, арматура, обезводушивание, увлажнение на время застывания, анкеры, гидроизоляция, и др. «мелочи». Поэтому считаем точно и, если надо будет, вернемся к результатам исследований грунта, и пройдем опять досюда. А ниже, поскольку мы не строим всю жизнь, не поленимся просчитать грунт 2-мя способами: табличным и по физическим характеристикам. В работу, если строиться будем капитально, возьмем меньшее из полученных значений, т.е. дадим дому некоторый запас надежности, на чем в данном случае экономить не следует. Если же постройка предполагается временная, легкая, хорошо «отыгрывающая» деформации (напр. загородный домик-каркасник), то большее – экономия затрат на строительство получится очень и очень существенной.

Расчет по таблицам

Расчет несущей способности грунта под жилыми зданиями 3 уровня ответственности (см. выше) по таблицам производится для бесподвальных домов в благоприятных для строительства условиях. Способность грунта нести нагрузку под зданиями и сооружениями 1-2 уровней ответственности по таблицам не рассчитывается. Благоприятным для строительства считается совпадение след. факторов:

1. уклон слоев грунта под основанием здания/сооружения не превышает 0,1 (10 см на 1 м длины, горизонтальная стратификация);
2. сжимаемость грунта не увеличивается до глубины, равной двойной ширине самого большого блока (модуля) отдельного фундамента (сваи, столба) или четырехкратной ширине ленты ленточного фундамента;
3. контрольная глубина при определении сжимаемости (до которой берутся пробы, см. выше) отсчитывается вниз от уровня подошвы фундамента.

Нормативные формулы СНиП для табличного расчета несущей способности грунта таковы:

R = R₀ [1 +k₁(b – b₀)/b₀] (d + d₀)/2d₀ при d<2 м;

R = R₀ [1 +k₁(b – b₀)/b₀] + k₂?'(d – d₀) при d>2м,

где:

b – ширина фундамента, м;

d – глубина заложения подошвы, м;

?’ – расчетное значение удельного веса грунта, залегающего выше подошвы фундамента, кН/кв. м;

k₁ – поправочный коэффициент на пористость грунта;

k₂ – поправочный коэффициент на текучесть грунта.

Значения k₁ для грунтов крупнообломочных (щебнистых, гравелистых, дресвяных) и песчаных k₁=0,125; для пылеватых грунтов (с объемной долей алеврита более 50%) k₁=0,05.

k₂ = 0,25 для крупнообломочных грунтов и песков; для супесей и суглинков k₂ = 0,20; для глин k₂ = 0,15.

Расчетные значения R₀ для грунтов различных типов даны в таблицах ниже:

Расчет по характеристикам

Несущую способность грунта по его характеристикам рассчитывают для зданий 2-го уровня ответственности; основания зданий 1-го уровня ответственности рассчитываются по результатам тщательных геологических изысканий по индивидуальным методикам. По характеристикам весьма желательно рассчитывать и грунт под фундаменты капитальных жилых зданий 3-го уровня ответственности. Нередко это дает, кроме повышенной надежности строения, и существенную экономию труда и денег, т.к. расчет несущей способности грунта по его физическим параметрам точнее, чем по таблицам. Нормативная формула для расчета способности грунта нести нагрузку такова:

R = (m₁m₂/k)[M₁k_zb? + M₂d₁?’ + (M₂ – 1) d_b?’ + M₃с], где:

k – «коэффициент осведомленности», k = 1, если характеристики свойств грунтов определены опытным путем, k = 1,1, если характеристики приняты по справочным таблицам (вот для чего нужно было таскать домой землю);

M₁, M₂, M₃ – коэффициенты, учитывающие связность грунта;

b – ширина подошвы фундамента, м;

k_z – коэффициент, при b<10 м k_z =1; при b>10 м k_z = z/b + 0,2 (для зданий 2-го уровня ответственности z = 8 м);

? – усредненное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м3;

?’ – то же для грунтов, залегающих выше подошвы;

с – расчетная величина удельного сцепления грунта, залегающего ннепосредственно под подошвой фундамента, кПа;

d_b – глубина подвала, т.е. расстояние от уровня планировки до пола подвала, м;

d₁ – глубина заложения фундамента бесподвальных сооружений от уровня планировки (м) или приведенная глубина заложения фундамента от уровня пола подвала.

d_b принимается таким:

• Для подвалов шириной до 20 м и глубиной более 2 м d_b = 2 м.
• Для подвалов шириной более 20 м d_b = 0.

Приведенная глубина заложения фундамента рассчитывается по формуле d₁ = h_s + h_cf?_cf/?’, где:

h_s – толщина слоя грунта выше уровня подошвы фундамента под подвалом;

h_cf – толщина пола подвала;

?_cf – расчетное значение удельного веса материала пола подвала, кН/куб. м.

Примечание: если дом бесподвальный, d_b считается равным 0.

Коэффициенты m₁ и m₂ определяются по табл:

А коэффициенты M₁, M₂, M₃ по табл:

Грунт под сваями

Здание ставят на сваях в таких случаях:

1. несущий слой грунта залегает так глубоко под слабым(и) слоями, что заложение ленточного фундамента становится технически невыполнимым – он оказывается слишком тяжелым;
2. стратификация грунта мелкая и косая (скошенная) так, что выбрать какой-то один его слой несущим невозможно;
3. здание строится на уклоне, здесь сочетаются оба эти фактора.

Точный расчет свайного фундамента «вручную» (бумага, ручка, калькулятор) умеют делать не все стрители-специалисты. Причина его сложности и трудоемкости («мозгоемкости») – поведение грунта под сваей существенно отличается от такового под лентой, плитой или мелко заглубленными столбами.

Поведение грунта под сваей

Особенности расчета поведения грунта под сваями осложняются след. обстоятельствами:

1. если задача цельного фундамента любого типа – рассредоточить весовую нагрузку от здания по его опорной площади, то нагрузка на грунт от фундаментных свай по необходимости практически сосредоточенная;
2. «земляная пятка» под сваей уже не валик, а нечто вроде груши или яблока. Слияние «земляных пяток» в одно допустимо только в пучках свай, иначе вся методика расчета фундамента даст неверные результаты. Поэтому СНиП рекомендуют ставить сваи с шагом не менее 3-5 их ширин (диаметров для круглых свай);
3. в несущей способности сваи велика доля боковой составляющей (на трении). Доля несущей способности пяты сваи может быть невелика, а в отдельных случаях (на мелко стратифицированном плотном грунте) пренебрежимо мала;
4. прочность сваи на изгиб и сжатие влияет на общую несущую способность основания на порядки сильнее, чем таковые цельного фундамента.

В целом, сваи гораздо сильнее взаимодействуют с грунтом, чем фундаментная лента и тем более плита. Поэтому для свайных фундаментов несущие способности свай рассчитываются отдельно по материалу сваи и грунту; нас в этой статье интересует последняя.

Расчет несущей способности сваи по грунту ведется чаще всего для одного из 3-х типовых случаев (см. рис.).

Если свая проходит сквозь слабый (напр. топкий) грунт до надежного несущего слоя (поз. 1), то держит ее почти исключительно «земляная пятка». В мелко стратифицированном хорошо несущем грунте несущая способность сваи с глубиной непрерывно нарастает, поз. 2. Если же надежные слои грунта чередуются со слабыми (поз. 3), то часть силы их бокового давления на сваю тратится на деформацию слабых слоев, и полная несущая способность сваи оказывается гораздо ниже.

Какие сваи лучше?

Точный ответ на этот вопрос дается в каждом отдельном случае по совокупности местных условий. Безусловно только, во-первых, то, что винтовые сваи наименее надежны. Первое, их несущая способность по материалу невелика. Второе, от сезонных деформаций грунта винтовые сваи могут самопроизвольно завинчиваться или вывинчиваться. Их производители заявляют сроки службы фундаментов на винтовых сваях до 120 лет, но это экстраполяция результатов натурных испытаний – реально ни одно здание еще не простояло столько «на винтах», т.к. раньше их просто не было. Поэтому винтовые сваи пригодны для фундаментов легких временных и/или сезонных сооружений. Тут они короли: винтовой фундамент дешев, не требует земляных работ нулевого цикла и парой работников без спецтехники вкручен до готовности под ростверк за день-два.

По надежности первое место держат буронабивные сваи, в т.ч. для зданий 1-го класса ответственности. Процедура их установки (слева на рис.) сложна, длительна, дорога и трудоемка, но грунт «хватает» буронабивные сваи крепче всего, т.к. их установка почти не нарушает его структуру. Буронабивные – единственный тип свай, которые можно устанавливать пучками (если не хватает несущей способности одной по материалу или грунту) и кустами (наклонно в разные стороны), под основание высоких узких тяжелых строений. Расчет буронабивной сваи чаще всего сводится к выбору подходящего табличного значения, справа на рис.:

Бурозабивные сваи по совокупности технико-экономических параметров занимают промежуточное положение. После расчета такой сваи обязательно проводится испытание: пробную сваю-зонд загоняют в грунт, нагружают и отслеживают осадку. Зонд берут или полноразмерный (лучше), или, на однородных грунтах, в определенном масштабе. Заменять зонд куском арматурины недопустимо: боковое сцепление падает по квадрату линейных размеров, и вместо реальной несущей способности получим «цену на дрова в бухте Тикси».

Принцип натурных испытаний бурозабивных свай показан на поз. А и Б рис.:

Нагрузку Q берут равной эксплуатационной или отмасштабированной по результатам исследований грунта. В достаточно надежных грунтах зонд нагружают от станка с домкратом и прогибомером, позволяющим учесть прогиб силовой балки станка. Время выдержки сваи под нагрузкой принимают 2-20 и более суток, опять-таки по результатам исследований грунта. Остаточная осадка S не должна превышать 4 см на устойчивых грунтах (кривая 4 на поз. В) и 2 см на просадочных (кривая 5 там же). Для испытаний на несущих стратифицированных или однородных грунтах применяют зонд-штырь (слева на поз. Д), а чтобы «прощупать» несущий слой под слабым – зонд-копье (справа там же).

Расчет сваи в грунте

Если спросит выпускника строительного вуза прежних времен: «Как рассчитать сваю в грунте?», лицо его приобретает выражение такое, же как если задать тот же вопрос о построении эпюров нагрузок. В наши дни несущая способность сваи по грунту без труда рассчитывается любым пользователем ПК при помощи специальных программ. Наилучшим образом зарекомендовала себя «софтина» GeoPile: пользоваться ею несложно, а результаты дает вполне достоверные. Если геология на месте стройки не чрезмерно сложна, то более чем в 80% случаев без натурных испытаний можно обойтись, т.к. результаты GeoPile ими точно подтверждаются. Пример результата расчета GeoPile сваи в мелко стратифицированном грунте со слабыми прослойками показан на рис. справа.

Примечание: бродит еще по рунету для свободного скачивания программка расчета свайных фундаментов в стандартном Excel, напр., вот здесь – dwg.ru/dnl/11626. Но отзывов специалистов о ее качестве не обнаруживается.

В заключение

Что способен снести на себе грунт, информация в строительстве нужнейшая. Но цель данного этапа проектирования сооружения все-таки надежный фундамент. Поэтому в заключение даем подборку видео примеров расчета фундаментов разных типов на различных грунтах:

Видео: примеры расчетов различных фундаментов на различных грунтах

На глинистых:

Ленточного:

Столбчатого:

Свайного:

На сваях ТИСЭ: