Осадка фундамента: причины и правила расчета

Проседание любого массивного строительного объекта, подвергающегося постоянным нагрузкам – проблема неизбежная.

Она вызвана непостоянством физико-механических показателей почвы, изменяющимся климатом, появлением дополнительных обстоятельств, которые не принимались во внимание ранее…

Однако тут не всё плохо. Как можно более полно прогнозируя параметры, которые повлияют на осадку фундамента дома, можно во многом минимизировать издержки по ремонту основания и обеспечить дому должную долговечность. Но делать это всё необходимо ещё на стадии проектирования.

Просадка оснований зданий

Оседание дома происходит тогда, когда земля, на которой построено здание, начинает деформироваться или, в более тяжёлых случаях, разрушаться. Этот сдвиг может нарушить прочность и привести к тому, что ось верхней части здания сместится от своего вертикального положения, а в конструкциях дома появятся критические напряжения.

Поскольку все строительные материалы, за исключением стали, очень плохо работают на сдвиг и растяжение, возникают необратимые структурные повреждения.

Если признаки проседания обнаруживаются на самой ранней стадии, осадку ещё можно исправить.

Причины проседания можно разделить на две группы: естественные и техногенные.

Естественные факторы

Естественные причины очевидны, если задуматься о явлениях, которые обуславливают осадку. Наибольшую роль тут играет влажность. Проблемы, связанные с влажностью, проявляются по-разному.

Например, если фундамент возведён на связных грунтах, таких как глина, осадка может произойти из-за характера самой почвы. Глина, как и суглинок, будет набухать, и сжиматься при повышении/ понижении влажности, вызывая естественные сдвиги, которые могут повлиять на материал дома, где вы собираетесь жить.

Несвязные грунты (например, гравий или супесь), с другой стороны, вряд ли будут сжиматься и набухать при изменении содержания воды, но они подвержены риску смыва в случае длительного воздействия воды: при длительных дождях или повреждённой канализационной системе.

Некоторые виды смешанной почвы также со временем разрушаются, но медленно, поэтому уровень земли также будет изменяться незаметно для глаза. Но не для фундамента. Дело в том, что однородность грунта под всем фундаментом практически невозможна.

Поэтому грунт, сдвигаясь с неравномерной скоростью, будет провоцировать появление и развитие критических напряжений, которые отрицательно повлияют на целостность сооружения. Чем больше разница в плотностях почвы, тем раньше начнётся осадка.

Схема осадки дома, который построен на различных типах грунта:

На влажность почвы оказывают влияние зелёные насаждения: деревья и кустарники. Причём чем более сухим является климат, тем это влияние сильнее. Растения, особенно возрастные с уже укоренившейся системой, будут втягивать воду, необходимую им для жизни, оставляя почву более сухой и восприимчивой к усадке.

Естественно, это не означает, что вы должны уничтожить всю растительность, попавшую в поле зрения, но знать об этом необходимо. Неграмотно высаженные деревья и кустарники часто бывают основной причиной оседания. Среди «лидеров» — ивы, берёзы, жимолость и ряд других. Высаживать вышеперечисленные породы ближе, чем на 10 м к строению не рекомендуется.

Влаголюбивые деревья и их влияние на осадку:

Техногенные факторы

К проседанию приводят и антропогенные причины. Часто, но не всегда, их можно было бы легко избежать, если бы строительство дома велось более предусмотрительно.

Распространенными виновниками техногенных проблем оседания являются расчёт фундамента, выполненный некомпетентными людьми и/или неправильная подготовка грунта при строительстве дома.

На структурную целостность заметное влияние оказывают интенсивность движения по близкорасположенной автомагистрали или железной дороге, а также интенсивность строительных работ, проводимых на соседнем участке. В обоих случаях виновником проседания выступают вибрации грунта.

Исходные данные

Особенно актуальным является такой расчёт для каменных и бетонных фундаментов мелкого заложения, на работоспособность которых влияют интенсивность морозного пучения грунта и его влажность, наличие и размещение систем дренирования и т.д.

Поскольку конечным следствием проседания является трещинообразование на поверхностях объекта, то в качестве исходной информации принимают:

1. Минимально допустимую глубину заложения.
2. Размеры фундамента в плане.
3. Конфигурацию основания (план первого этажа дома).
4. Физико-механические характеристики грунта.

Фундамент оказывает давление на грунт под ним. Из-за давления, передаваемого на почву, даже небольшое перемещение основания вниз приводит к образованию полностью пластичных зон. В результате грунт выпячивается по обеим сторонам, что заканчивается разрушением основания вследствие сдвига.

Схема напряжений r, действующих на мелкозаглубленный фундамент частного дома при глубине заложения D и ширине В представлена на рисунке ниже:

Чтобы противостоять поднятию или смещению грунта, требуется определенная нагрузка на верхний слой, прилегающий к фундаменту. Для этого предстоит определить минимальную глубину заложения, используя, например, формулу Ренкина.

Расчёт производят с учётом следующих причин:

• Несущей способности грунта, находящегося под подошвой.
• Предельных напряжений в материалах, из которых выполняется фундамент.
• Возможных пустот (для ленточного фундамента).
• Частичным выходом основания на поверхность (например, для обустройства дренажа или канализационной системы).
• Максимального уровня внешних вибраций

В числе прочих ослабляющих факторов принимают посадку деревьев вокруг дома.

Как можно рассчитывать — методы

Наиболее точным считается метод трёхмерного моделирования напряжённо-деформированного состояния фундамента в момент начала осадки. Процесс реализуется на мощных компьютерах, где возможна установка лицензионного пакета программ ЛИРА. В результате получается точная визуальная схема процесса начала проседания, имеющая вид, который представлен на рисунке.

Итоговый интерфейс расчёта просадки свайного фундамента:

Однако такая методика применяется лишь при особо сложных расчётах оснований многоэтажных зданий. Для бытового применения нашли другие способы.

Способ послойного суммирования

Позволяет установить значение предельной осадки, вызванной эксплуатационными нагрузками от дома. Учитываются только вертикальные составляющие напряжений. Моделирование действия напряжений производится только от линейных деформаций грунта, что ограничивает точность способа.

Расчёт ведут в следующей последовательности:

1. Устанавливают значение основных (эксплуатационных) и дополнительных (внешних) нагрузок.
2. Определяют границы деформированной зоны грунта и сравнивают её со значением глубины проектного залегания фундамента.
3. Строится график деформаций по зонам.
4. Определяется критический участок, где рекомендуемая глубина залегания меньше, чем первоначально спроектированная.

По результатам расчётов производится корректировка глубины залегания. Точность метода зависит от числа слоёв разбиения по глубине основания и от количества элементарные геометрических фигур, образованных результатами разбиения.

При использовании метода необходимо принимать упрощающее допущение, заключающееся в том, что дополнительные напряжения не должны превышать 20% от уровня основных.

Результирующая осадка складывается из суммы деформаций каждого слоя z_i. Итоговые графические построения представлены на рисунке ниже.

Способ применяется тогда, когда несжимаемые пласты в составе грунта отсутствуют.

Способ эквивалентного слоя

Более лёгок для реализации и позволяет оценить влияние свойств грунта на осадку с учётом небольшого бокового расширения основания. Эквивалентным слоем называют такой, осадка которого осуществляется только под влиянием равномерно распределённых внешних сил. Характеристики такого слоя определяются коэффициентом Пуассона материала фундамента и его расчётной толщиной.

Вначале устанавливают энергетические возможности эквивалентного слоя, затем – его деформацию, а полученный результат корректируют с учётом формы основания. Неравномерность свойств грунта учитывают при помощи экспериментальных коэффициентов.

Метод, расчётная схема которого приведена на рисунке, позволяет определять осадку фундамента площадью не более 50 м² с учётом неравномерности физико-механических показателей грунта.

Метод Егорова

Описанные выше методы помогают определить осадку ленточных фундаментов. Но во многих случаях застройщики принимают решение о строительстве сплошного фундамента. Для таких вариантов пригодится способ определения просадки плит по методу Егорова. Метод хорошо работает также для больших площадей (до 100 м²) и разнородных грунтов с известными показателями модуля упругости (значения, однако, не должны превышать 10 МПа).

Последовательность применения метода Егорова такова:

1. Устанавливаются размеры сжимаемой площади.
2. Предполагая, что осадка плиты будет носить линейный характер, определяют теоретическое значение просаживания конструкции. Расчёты делают в углах и в центре плиты.
3. Поскольку предыдущие вычисления проводились из расчёта равномерного распределения напряжений, в промежуточные данные вводят экспериментальные поправочные коэффициенты.
4. Результат сравнивается с предельно допустимыми нормами осадки, приведенными в ГОСТ 24846-81.

Графической интерпретации метод Егорова не имеет. Метод позволяет быстро и точно оценить значения максимальной осадки, однако, ввиду субъективности применяемых поправочных коэффициентов, большой точностью не отличается.

Пример рассчитывания при слоистом напластовании грунтов

В таком случае криволинейная эпюра напряжений может быть с достаточной точностью заменена эпюрой в виде треугольника. Воспользуемся методом эквивалентного слоя и примем следующие исходные данные:

• Начальная ширина, мм — 250 мм;
• Начальная глубина, мм – 600.
• Проектная высота этажа, мм – 3000.
• Предполагаемая площадь ленточного фундамента (6x8) – 48 м².
• Коэффициент Пуассона грунта u = 0,3.
• Средняя плотность бетонных компонентов – 24 МПа.
• Минимальная плотность грунта, кг/м³ – 1800.
• Условный пролёт дома (расстояние от одной несущей стены до другой) – 3000 мм.

Перед расчётом должны быть известны размеры основания, а также тип всех стройматериалов – штукатурка, облицовка и пр. – которые предусматриваются в проекте дома.

В результате сбора постоянных нагрузок установлено, что значения сил на погонный метр длины от полов и кровли составляет 16,74 МПа в центре и 11,16 МПа – по углам. Учитывая всевозможные допущения, для дальнейших вычислений принимается большее значение.

Компоненты удельных усилий от конструкций дома:

• Каждой из железобетонных плит перекрытия, МПа – 24.
• Наполнителя и отделки, МПа – 5,8 МПа.
• Каменной облицовки террасы, МПа – 2.
• Потолочной штукатурки, МПа – 1,4 МПа.

Давление на единицу длины от внешних нагрузок составляет (с запасом) ? 6000 кг/пог.м. Из этой суммы вклад отдельных составляющих:

• Каждой стены, кг/пог.м. – 1440;
• Кровли, пола и штукатурки потолка (суммарная), кг/пог.м. – 468;
• Живая нагрузка от внешних факторов – ветер, осадки, вибрации, кг/пог.м. – 300.

Учитывая размеры фундамента и дополнительные нагрузки, требуемая ширина в проблемном месте составит 8202/8 ? 1030 (мм). Таким образом, расчётная ширина основания в его нижней части должна быть не менее 1100 мм, а ширина – не менее 400 мм.

Проверяем глубину залегания фундамента, для чего воспользуемся формулой Ренкина, принимая угол откоса грунта равным 30⁰. Тогда минимальная необходимая глубина составляет 538 мм. Поскольку полученное значение меньше предусмотренного проектом, то дополнительный учёт факторов сжимаемости грунта не нужен.

Если при начале бетонирования просадка грунта оказывается заметной, то работы следует прекратить, удалить уложенную часть бетона, а на его место уложить кирпичную кладку на цементном растворе 1:4; после полного схватывания бетонные работы можно продолжить.

Особенности для свай

Свайные фундаменты предусматриваются для возведения строительных объектов на слабых грунтах. Наличие подкрепляющего фактора – стальных свай – позволяет усилить исходные характеристики грунта, при этом значение имеет количество и шаг свай, а также глубина их залегания.

Прогнозирование осадки забивных свай может быть получено как сумма осадки основания и упругой деформации самой сваи. Чрезмерная осадка может вызвать деформацию и растрескивание конструкций, особенно при наличии динамических сил.

Анализ возможной деформации свайного фундамента целесообразно выполнять методом конечных элементов. При проектировании необходимую длину сваи необходимо вычислять с учётом:

• Внешних суммарных сил от всех составляющих дома;
• Допустимого напряжения в материале сваи;
• Свойств грунта на месте обустройства сооружения.

Поскольку глубина забивки сваи может достигать не только подповерхностных, но и глубинных слоёв почвы, для оценки несущей способности грунта необходимо привлекать расчётные методы, применимые к слоистым грунтам. Общая величина осадки складывается на 90…95% из деформации грунта и на 5% — из упругой деформации сваи. Это соответствует рекомендациям для мелкозаглубленных фундаментов.

Сама просадка рассчитывается для одиночной сваи, расположенной на наиболее проблемном с точки зрения прочности участке грунта. В результате выбранная длина сваи должна быть минимально допустимой. Обычно контролируется фактическое поведение нескольких свайных сеток под фундаментной плитой: это даёт возможность максимально равномерно учесть эксплуатационные силы на свайный фундамент.

Наибольшие напряжения принимают:

• Для ленточного фундамента – по пределу прочности бетона на сжатие с изгибом (для бетонов марок М 300 — от 4,8 до 5,2 МПа).
• Для свайного фундамента — по пределу прочности на изгиб (для стали марки 09Г2С — 200…250 МПа).

Заключение

Рассмотрены основные варианты осадки фундаментов разных типов и исполнений, описаны технологии её учёта, целесообразные до начала строительных работ.