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

Если вы планируете самостоятельное строительство, то оценка несущей способности грунта — это один из ключевых этапов подготовки. Да, сначала нужно определить нормативную глубину промерзания (НГП) и уровень грунтовых вод (УГВ), так как эти параметры влияют на глубину заложения фундамента и выбор опорного слоя. Однако способность грунта длительно выдерживать вес здания — критически важный фактор надежности всей конструкции. Трещины в несущих стенах, вызванные слабым основанием, практически невозможно устранить. Если дом начнет разрушаться еще на этапе строительства, это приведет к значительным финансовым потерям. А если здание уже заселено — ситуация становится катастрофической, вплоть до необходимости возведения нового дома. Кроме того, характеристики грунта напрямую влияют на выбор типа фундамента, а на нулевой цикл и устройство основания приходится существенная часть сметы и трудозатрат. От типа фундамента также зависит технологический перерыв на осадку перед началом возведения стен. Цель этой статьи — помочь застройщику правильно оценить грунтовые условия и избежать фатальных ошибок. Расчет фундамента — отдельная объемная тема, но мы постараемся дать практические рекомендации и по этому вопросу.

Что такое несущая способность грунта?

В общем смысле, несущая способность — это способность элемента конструкции или естественного основания в течение заданного времени выдерживать эксплуатационную нагрузку без чрезмерных или необратимых деформаций. Однако в строительстве все сложнее: фундамент механически связан с грунтом, а сама конструкция здания обладает определенной жесткостью. Поэтому в строительной практике несущую способность грунта под сооружением принято оценивать через расчетное сопротивление нагрузке — величину R. Грунт считается надежным, если в течение расчетного срока службы здание не испытывает опасных смещений (вертикальных, горизонтальных, кренов) и деформаций. Эти условия выполняются, если осадка фундамента происходит линейно, а разрушение структуры грунта под его весом распространяется в стороны не более чем на 1,25 его ширины.

Аварийные трещины в зданиях, вызванные слабым грунтом под фундаментом

Влияние влажности и слоистости грунта

Расчетный срок службы жилых зданий составляет не менее 40 лет. В строительстве важна не просто прочность, а долговременная стабильность грунта. Абсолютно устойчивы только скальные монолиты в сейсмически спокойных регионах. Устойчивость обычных грунтов определяется их гранулометрическим составом и степенью обводненности. Насыщенный водой грунт может потерять несущую способность в разы. Поэтому самостоятельные геологические изыскания лучше проводить в период максимального увлажнения — в середине весны или через 1–2 недели после сезона дождей в бесснежных регионах.

Параллельно изучается стратиграфия — характер расслоения грунта. Совершенно однородных оснований не бывает. Установка фундамента на первый от поверхности несущий слой не всегда возможна, если он залегает выше глубины промерзания, а следующий надежный слой может оказаться слишком тонким. Под фундаментом всегда формируется так называемая «земляная пятка» — зона необратимо уплотненного грунта. Если толщины несущего слоя недостаточно для ее образования, основание просядет, что приведет к появлению трещин. Если же уровень грунтовых вод поднимется до несущего слоя, фундамент со временем будет подмыт.

Необходимая толщина несущего слоя зависит от ширины фундаментной ленты, которая, в свою очередь, рассчитывается по несущей способности грунта, нагрузке от здания и прочности конструкции. Точный расчет требует специальных знаний. Если нет возможности заказать профессиональные изыскания, при самостоятельной оценке следует выбирать слой, для которого выполняются условия: D > (3–5)B для временных построек и D > (5–7)B для капитальных; T > 1,25B. При этом уровень грунтовых вод не должен приближаться к нижней границе несущего слоя ближе чем на 0,6 м.

Устойчивость фундамента здания в зависимости от стратиграфии грунта

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

Самостоятельные изыскания, опыты и предварительные расчеты

Устройство оснований регламентируется СНиП 2.02.01-83* и актуализированным СП 22.13330.2011. Чтобы помочь начинающим строителям, ниже представлена методика испытаний грунта, выполнимая без специального оборудования. Самостоятельное определение несущей способности включает следующие этапы:

• Определение поправки на уровень ответственности здания.
• Контрольное бурение в самый влажный период (после оттаивания) для определения стратиграфии и отбора проб.
• Полевые испытания на текучесть и связность; определение угла внутреннего трения φ и показателя текучести JL.
• Лабораторный гранулометрический анализ проб и измерение пористости (показатель e).
• Определение типа грунта по СНиП на основе гранулометрии.
• Предварительный выбор типа фундамента (лента, сваи) с учетом уровня ответственности.
• Вычисление расчетной несущей способности R двумя способами: табличным (по СНиП) и по физико-гранулометрическим характеристикам.

При дальнейшем проектировании для расчета фундамента принимается меньшее из полученных значений R. Результаты сверяются с данными стратиграфии, НГП и УГВ. При необходимости рассматривается альтернативный тип фундамента — более надежный и экономичный.

Согласно Федеральному закону РФ №384-ФЗ, уровни ответственности зданий определяются как:

1. Повышенный: особо опасные, уникальные, технически сложные объекты.
2. Нормальный: многоквартирные дома, обычные промышленные и общественные здания.
3. Пониженный: индивидуальные жилые дома до 2 этажей высотой до 10 м, временные и сезонные постройки.

Поправочный коэффициент на уровень ответственности yn используется при расчете свайных фундаментов. Для индивидуального строительства допустимо применить его, разделив расчетное значение R0 на yn. Это повысит надежность постройки. Рекомендуемые значения yn:

• Капитальный жилой дом для постоянного проживания, хранилища ядохимикатов — 1,1–1,2.
• Капитальные хозяйственные постройки (отапливаемые гаражи, помещения для скота) — 1,1.
• Временное жилье, каркасные быстровозводимые дома — 1,05.
• Прочие постройки — 1,0 (запас не задается).

Пробное бурение проводят в период максимального увлажнения грунта. Используют винтовой бур, минимально нарушающий структуру. Для дома до 10×10 м достаточно 5 скважин (4 по углам и одна в центре). Для больших зданий шаг бурения на длинных сторонах — 5–10 м. Глубина — не менее чем на 0,6 м ниже НГП. Пробы отбирают из каждого слоя. Скважины накрывают пленкой и наблюдают 3–7 дней. Если вода не появилась — УГВ не достигнут, и можно строить без дополнительного дренажа.

Для оценки связности грунта выкапывают шурф с вертикальными стенками на глубину заложения фундамента. Если стенки осыпаются, их срезают под наклоном до стабилизации. Измеренный угол наклона от вертикали будет углом φ (но не более 45°). Грунт с φ > 45° считается плывущим, и строительство на нем требует дорогостоящего укрепления.

На месте также определяют показатель текучести, особенно для глинистых грунтов, склонных к просадке. Тип глинистого грунта и JL определяют по образцам из шурфа:

Примечание: простой способ снизить риск просадки — устройство отмостки шириной от 1 м с водоотводной канавкой по внешнему краю.

Лабораторные исследования образцов позволяют точнее определить физические характеристики и, возможно, снизить поправочный коэффициент, компенсируя тем самым увеличение сметы из-за запаса надежности. Дома определяют:

• Плотность сырого грунта M.
• Степень обводненности в %.
• Показатель пористости E.
• Сжимаемость на разных глубинах.
• Тип грунта по гранулометрическому анализу.

Необходимое оборудование:

1. Весы с точностью до 0,5 г (лучше электронные).
2. Термостойкая посуда или стальная сковорода без покрытия с крышкой.
3. Мерный стакан или химическая мензурка от 100 мл.
4. Ступка с пестиком или стальная толкушка.
5. Бытовой миксер со спиральной насадкой.

Определение плотности и влажности

Для нахождения объемной плотности ρd из плотных слоев вырезают кубик 10×10×10 см или насыпают 1 л сыпучего грунта в мерную посуду. Взвешивают пробу. Плотность вычисляют по формуле: ρd = p / v, где p — вес пробы, v — объем. Например, 1 л грунта весит 1730 г (1,73 кг). Плотность составит 1,73 г/см³ или 17,3 т/м³. Для перевода в Н/м³ умножают на 10,2.

Влажность определяют, высушивая образец до постоянного веса. Сухую пробу взвешивают (p0). Влажность: Sr = (1 – p0 / p) × 100%. Например, сухой вес 1220 г: Sr = (1 – 1220/1730) × 100% ≈ 29%.

Определение пористости

Показатель пористости E находят так:

• Берут образец объемом 1 дм³ (плотный) или 1000 мл (сыпучий).
• Растирают в порошок.
• Засыпают в мерный стакан и уплотняют.
• Замеряют объем уплотненного грунта v0.
• Вычисляют пористость пробы: E1 = 1 – v0.
• Повторяют для 2–3 проб.
• Усредняют: E = (E1 + E2 + E3) / n.

Если разброс E превышает 20–25%, процедуру повторяют на большем количестве проб.

Для проверки сжимаемости берут пробы с разных глубин (минимум 4–5). Скатывают шарики диаметром ~5 см или насыпают грунт в отрезок трубы. Нагружают гирей (например, кирпичом) через проставку. Степень сжатия оценивают по сплющиванию шариков или погружению проставки. Важно убедиться, что сжимаемость не растет с глубиной, иначе дом может накрениться.

Гранулометрический анализ

Долговременная несущая способность зависит от соотношения частиц: песчаных (крупных), иловатых (алеврит) и глинистых. Гранулометрический анализ в домашних условиях проводят с использованием моющего средства для посуды (лаурилсульфат натрия), которое предотвращает слипание частиц:

• Готовят 1–1,5 л воды с добавлением 2–3 ч. л. моющего.
• В мерную посуду на 1/4 объема насыпают тонко толченый высушенный грунт.
• Доливают воду до полного объема.
• Ставят на устойчивую поверхность, не перемещают.
• Тщательно перемешивают миксером до однородности.
• После остановки миксера сразу отмечают уровень осевшего песка hS.
• Через 2–4 часа отмечают уровень ила hA.
• Оставляют до полного осветления (осаждения глины) — 2–8 суток. Отмечают общую высоту осадка H (равна hC).
• Вычисляют доли: песка s = hS / H; ила a = (hA – hS) / H; глины c = (H – hA) / H.

Для большей точности используют высокую узкую посуду.

Определение типа грунта

Качественные свойства грунта определяются по составу смеси глины, алеврита и песка. Тип грунта находят по результатам гранулометрического анализа и диаграмме (треугольнику) Ферре.

Диаграмма Ферре для определения качественных показателей грунта

Опытный строитель по диаграмме Ферре может приблизительно оценить, к какому пределу табличных значений несущей способности склоняется грунт. Чем ближе состав к чистой глине, тем выше несущая способность в рамках табличного разброса; чем ближе к илу — тем ниже. Содержание песка до 40–45% существенно не влияет.

Примечание: о самостоятельном исследовании грунта и расчете фундамента см. видео:

Видео: самостоятельное определение грунта и расчет фундамента

Предварительный расчет ширины фундамента

Для предварительного расчета ширины ленточного фундамента необходимы: данные о свойствах грунта, проект здания с весовым расчетом (включая вес фундамента) и нормативные значения R0 из таблиц СНиП.

Пределы несущей способности грунтов различных типов

Расчет ведут методом итераций, так как изменение ширины ленты меняет ее вес:

1. Находят полную длину фундамента L по чертежам.
2. Задают начальную ширину b0 = 1 м.
3. Вычисляют начальную удельную нагрузку: q0 = P / L, где P — полный вес здания.
4. Если q0 > 0,95R0max, принимают b1 = 1,1b0; если q0 < 1,05R0min, то b1 = 0,9b0.
5. Пересчитывают вес здания с новой шириной.
6. Находят опорную площадь: s1 = b1 × L.
7. Вычисляют уточненное давление: q1 = P / s1.
8. Повторяют шаги 4–7, пока qn не окажется в диапазоне табличных R, желательно ближе к среднему значению.

Полный расчет несущей способности грунта

Имея все данные, можно рассчитать расчетное сопротивление грунта R на основе его «чистого» сопротивления R0. Разница возникает из-за того, что грунт поддерживает фундамент также и с боков за счет трения. Для капитального строительства лучше рассчитывать грунт двумя способами (табличным и по характеристикам) и принимать меньшее значение R, создавая запас надежности. Для временных легких построек можно взять большее значение для экономии.

Табличный расчет применим для бесподвальных домов 3-го уровня ответственности в благоприятных условиях. Благоприятными считаются:

1. Уклон слоев не более 0,1 (10 см на 1 м).
2. Сжимаемость не увеличивается до глубины, равной двойной ширине самого большого фундаментного блока или четырехкратной ширине ленты.
3. Контрольная глубина отсчитывается от подошвы фундамента.

Формулы СНиП для табличного расчета:

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

R = R0 [1 + k1(b – b0)/b0] + k2γ'(d – d0) при d > 2 м,

где:
b — ширина фундамента (м),
d — глубина заложения (м),
γ’ — удельный вес грунта выше подошвы (кН/м²),
k1 — коэффициент пористости (0,125 для крупнообломочных и песчаных; 0,05 для пылеватых),
k2 — коэффициент текучести (0,25 для крупнообломочных и песков; 0,20 для супесей и суглинков; 0,15 для глин).

Расчетные значения R0 для разных типов грунтов приведены в таблицах:

Расчет по характеристикам более точен и рекомендуется для капитальных домов 3-го уровня ответственности. Формула:

R = (m1 m2 / k) [M1 kz b γ + M2 d1 γ’ + (M2 – 1) db γ’ + M3 c], где:

k — коэффициент осведомленности (1 — если характеристики определены опытом; 1,1 — если взяты из таблиц),
M1, M2, M3 — коэффициенты связности грунта,
b — ширина подошвы (м),
kz — коэффициент (при b < 10 м kz = 1; при b > 10 м kz = z/b + 0,2, где z = 8 м для зданий 2-го уровня),
γ — усредненный удельный вес грунта ниже подошвы (с учетом взвешивания водой),
γ’ — то же выше подошвы,
c — удельное сцепление грунта под подошвой (кПа),
db — глубина подвала (м),
d1 — приведенная глубина заложения.

Коэффициенты m1 и m2, а также M1, M2, M3 определяются по таблицам СНиП.

Особенности грунта под сваями

Свайные фундаменты применяют в случаях:

1. Несущий слой залегает глубоко под слабыми грунтами.
2. Грунт имеет мелкую и косую слоистость, что делает выбор одного несущего слоя невозможным.
3. Строительство ведется на склоне.

Расчет свайного фундамента сложен из-за специфики взаимодействия сваи с грунтом:

1. Нагрузка от сваи — сосредоточенная, в отличие от распределенной от ленты или плиты.
2. «Земляная пятка» под сваей имеет форму груши. Слияние пяток допустимо только в пучках свай.
3. Большую роль играет боковое трение. Несущая способность пяты может быть мала.
4. Прочность самой сваи на изгиб и сжатие сильно влияет на общую несущую способность.

Расчет несущей способности сваи по грунту часто рассматривают для трех типовых случаев:

Поведение свай в грунте

1. Свая проходит слабый грунт до надежного несущего слоя — работает преимущественно пята.
2. В мелкостратифицированном несущем грунте несущая способность нарастает с глубиной.
3. При чередовании надежных и слабых слоев часть бокового давления тратится на деформацию слабых прослоек, что снижает общую несущую способность.

Винтовые сваи наименее надежны: их несущая способность по материалу невелика, возможны сезонные подвижки. Подходят для легких временных или сезонных построек благодаря низкой стоимости и скорости монтажа.

Буронабивные сваи — наиболее надежны, в том числе для зданий 1-го уровня. Их установка минимально нарушает структуру грунта. Допустима установка пучками и кустами. Расчет часто сводится к выбору табличного значения.

Порядок установки и несущая способность буронабивных свай

Бурозабивные сваи занимают промежуточное положение. После расчета обязательны натурные испытания пробной сваи-зонда. Зонд должен быть полноразмерным или масштабированным правильно.

Схемы натурных испытаний бурозабивных свай

Нагрузку Q принимают равной эксплуатационной. Время выдержки — 2–20 и более суток. Остаточная осадка S не должна превышать 4 см на устойчивых грунтах и 2 см на просадочных.

В современной практике несущую способность сваи по грунту удобно рассчитывать с помощью специализированных программ, например GeoPile. Она дает достоверные результаты, и в большинстве случаев натурные испытания можно не проводить.

Пример расчета несущей способности сваи по грунту в программе GeoPile

Заключение

Оценка несущей способности грунта — важнейший этап, цель которого — проектирование надежного фундамента. В заключение предлагаем подборку видео с примерами расчетов фундаментов разных типов на различных грунтах:

На глинистых грунтах:

Ленточного фундамента:

Столбчатого фундамента:

Свайного фундамента:

На сваях ТИСЭ: