На основание действует вес здания, мебели, агрегатов, опора строения воспринимает давление ветра, снега. В этих условиях правильный расчет нагрузки на фундамент имеет значение для обеспечения прочности. Вычисляется площадь основания, которая передает усилия на грунт с учетом свойств почвы и ее несущей способности. Расчетом определяется глубина заложения, конфигурация арматурного каркаса в бетоне и диаметр стержней.
Необходимые параметры для расчета нагрузки на фундамент
Цель расчета состоит в выборе габаритов основания и его пространственного положения в грунте для ограничения сдвигов, перемещений фундамента и наземных конструкций. Выбор площади подошвы и глубины закладки влияет на условия эксплуатации строения без просадок, кренов, изменения проектных отметок конструктивных элементов.
Перед тем как рассчитать нагрузку на фундамент, нужно учесть параметры:
- конструкцию постройки и ее назначение;
- высоту в грунте фундаментов прилегающих зданий, глубину закладки труб проходящих коммуникаций;
- рельеф области строительства;
- геологические условия площадки с учетом возможной динамики: свойства почвы, присутствие каверн от выветривания и карстовых полостей, расположение и толщину слоев;
- возможное влияние строительства и эксплуатации здания на изменение характеристик грунта;
- вероятность размыва земли рядом со сваями строений, возводимых в водной среде;
- глубину промерзания почвы и отметку стояния грунтовой влаги.
Прочность фундамента и его сопротивление образованию трещин проверяют расчетом, который выполняют на основании сбора нагрузок от надземной части. Высота основания и степень погружения в землю выбирается сравнением технико-экономических показателей с другими вариантами.
Расчет нагрузки на фундамент
В нагрузку от кровли входит масса покрытия, например, мауэрлат, деревянные и железобетонные фермы, плиты перекрытия, а также стропила, обрешетка и элементы кровельной конструкции. Дополнительно рассчитывают снеговое и ветровое давление, величина которых зависит от уклона кровли и выражается с помощью табличных коэффициентов. Добавляют вес людей для обслуживания крыши, который приравнивают к 100 кг/м2.
Раздел перекрытия содержит суммированную массу панелей, балок, отделочных материалов. Добавляется нагрузка от домашней мебели, людей, оборудования, временных и постоянных перегородок. Вес дома включает массу сантехнических устройств, а также труб коммуникации.
Вес пола первого уровня строения учитывают при сборе усилий, применяют коэффициенты перехода, для чего берут во внимание принцип его устройства:
- по грунту;
- с опиранием на стены или фундаменты.
В разделе вертикальных элементов учитывают массу несущих стен, колонн, эркеров, балконов и других каркасных структур здания. Чтобы посчитать вес стен, нужно определить их объем и умножить на объемный вес материала изготовления.
Общие усилия переносятся на основание и зависят от грузовой площади. Для стен показатель высчитывается по площади одного погонного метра стены, затем умножается на нагрузку в кг/м² — получается масса, которая передается на фундамент.
Ленточный фундамент
Определяется общая нагрузка окончательным суммированием усилий, при этом наибольшее давление испытывают стороны, на которые опирается кровля. По таблицам СНиП 202.01-1983 берут условное допустимое сопротивление почвы (кг/м²) и сравнивают с полученным фактическим значением массы на единицу площади (кг/м²), при этом первый показатель должен быть больше второго.
Площадь подошвы находят по формуле S > a · F / (b · R), где:
- S — расчетный показатель площади подошвы ленточного фундамента, см²;
- a — коэффициент запаса, равен 1,2;
- F — нагрузка на основание от здания;
- b — коэффициент условий обслуживания, зависит одновременно от типа земли и вида строения (в таблицах);
- R — расчетное сопротивление почвы, кг/см².
Последний показатель применяют без изменений, если фундамент заглубляют на 1,5 – 2,0 метра. Для более мелкого погружения табличное значение преобразовывают по формуле Rm = 0.005 R · (100 = h / 3), где h — это глубина заложения, а R берется из таблицы.
Если нагрузка не соответствует типу грунта, проводят корректировку проекта методом замены тяжелых материалов легкими. В другом случае увеличивают ширину подошвы основания. Изменение материала покрытия или стен влечет за собой преобразование ряда параметров и коэффициентов. Чаще прибегают ко второму способу, учитывая трудозатраты на производство нулевого цикла.
Столбчатый фундамент
Нагрузку от такого основания считают по одной опоре и умножают на число столбов. Объем опоры находят как итог произведения площади подошвы на длину вертикального элемента. Результат умножают на объемный вес материала (чаще, бетона). Добавляют массу металлического каркаса в составе основания.
Общую нагрузку (расчет массы дома) сравнивают с табличным значением сопротивления грунта. Если фундамент не отвечает требованиям, делают больше столбов или увеличивают площадь поперечного сечения опоры.
Используется формула S = 1.3 · P / R для расчета суммарной площади подошвы столбов, где:
- 1,3 — коэффициент запаса прочности;
- P — вес строения вместе с основанием, кг;
- R — расчетное сопротивление почвы, полученное из таблиц СНиП, кг/см².
У поверхности земли несущая способность грунта снижается, а табличное значение показывает величину на глубине 1,5 – 2,0 м, поэтому проводят корректировку. Число столбов и их сечение определяют после окончательного расчета общей площади для всех столбов. Тяжелые здания оказывают непосильную нагрузку на слабые и нестабильные грунты, поэтому сечение подошвы опоры существенно увеличивается.
Для пристройки количество столбов считается отдельно, поэтому площадь подошвы и число элементов отличается от основного сооружения.
Свайный фундамент
Объем сваи находят перемножением площади основания на длину элемента. Сечение прямоугольного стержня рассчитывают умножением ширины и длины, а для круглой сваи находят по формуле S = r · 3.14 (r — диаметр круга). Кубатуру одной опоры умножают на число элементов и получают общий объем свайного фундамента. Вес находят произведением кубатуры на объемный вес материала свай.
Стержни могут соединяться ростверком или держать на себе монолитную плиту. Вес указанных элементов высчитывают аналогично и прибавляют к массе свай. Нагрузка на 1 см² почвы определяют делением массы здания (с фундаментами) на опорную площадь сечения основания. Полученное значение сравнивается с нормативным табличным индексом.
Используется формула D = S · R, где:
- S — общая площадь подошвы свай;
- R — проектное сопротивление земли на уровне заложения вертикального стержня.
Определяют способность стержня сопротивляться усилиям и в какой степени его можно нагрузить. Параметр зависит от вида сваи и категории грунта. Типоразмер элементов выдерживается строго, а оценить характеристики почвы значительно сложнее, иногда для этого приглашают технического специалиста.
Расчет нагрузки винтовой сваи для фундамента выражается формулой W = D / k, где:
- W — величина эксплуатационного усилия, которое выдерживает вертикальный элемент;
- D — расчетный показатель способности элемента, берется из таблицы;
- k — коэффициент прочности.
Сечение и протяженность сваи выбирается с учетом стабильности грунта. В некоторых регионах твердое основание лежит глубже трех метров, и основание стержня может до него не дойти. В этом случае используются висячие сваи после геологической разведки земли.
Анализ грунта
Лучше заказать исследование специалистам, которые бурят скважины на разной глубине и берут образцы для лабораторного исследования физических и механических свойств. На поверхности находится слой плодородной почвы, затем располагается несущий грунт, на который опирается фундамент.
Основные виды грунтов:
- скальные;
- мерзлые с вкраплениями льда;
- дисперсные;
- техногенные с насыпными и намывными участками.
Самостоятельно можно определить категорию грунта, прокопав скважины под углами будущего дома. Нужно помнить, что перерасход материалов вызывает лишние траты, но слабое основание становится причиной разрушения строения.
Горсть грунта смачивают водой и скатывают в жгут, диаметр которого около 1 см. Полученный образец скатывают в кольцо.
Результаты:
- жгут распадается — песок;
- скатывается, но достаточно хрупкий — супесь;
- шнур получается, но в кольцо не складывается — легкий суглинок;
- сгибается в круг, но на поверхности есть трещины — тяжелый суглинок, приближенный к глине;
- липкий жгут при сгибании не образует трещин — глина.
Уровень грунтовой жидкости определяют по отметкам воды на стенках подвала у соседей. Глубина промерзания берется из справочника для области строительства.
Определение несущей способности грунта
Характеристика влияет на высоту заложения фундамента и площадь его подошвы и определяется свойствами почвы. Влажные земли более неустойчивые и отличаются низкой прочностью. Пески средней и большой фракции не изменяют качеств после увлажнения.
Тип грунта можно определить самому, но его несущая способность регламентирована в справочных таблицах нормативных документов. Земля под домом может состоять из нескольких слоев, поэтому принимают ту категорию, которая превалирует перед остальными пластами.
Влажность определяют на глаз. Если в прорытой скважине или яме не прибывает вода и не скапливается там, грунт относится к категории сухих. Появление влаги на дне говорит о приближении отметки грунтовой жидкости, и земля считается влагонасыщенной.
Плотность почвы меняется в зависимости от глубины, т.к. на нижележащие слои давит грунт и уплотняет их. Земля на глубине 1 м считается плотной при исследовании несущей способности. Если нет данных геологической разведки и табличных показателей, принимают способность выдерживать нагрузки на уровне 2 кг/см².