Несущая способность фундамента

В качестве основания для любого строительного сооружения традиционно выступает фундамент. От его качества и набора технических характеристик зависит не только прочность и долговечность строения, но и возможность появления дефектов в виде вертикальных и горизонтальных трещин, различных разрушений и деформаций. Чтобы избежать подобного рода неприятностей, необходимо еще на этапе проектирования правильно рассчитать несущую способность возводимого основания.

Расчет несущей способности фундамента необходимо производить как для новых зданий и сооружений на этапе их проектирования для обеспечения прочности и надежности строений, так и для тех, которые нуждаются в укреплении или ремонте.

Исследование грунта – определение исходных параметров

Перед тем, как начинать возводить тот или иной объект, необходимо сформировать проектную документацию, определив свойства и качества грунта, расположенного на стройплощадке. С этой целью проводится комплекс работ с геодезическими исследованиями почвы, в ходе которых могут производиться испытание грунтов, зондами и сваями, исследования среза покрова и опытно-фильтрационные мероприятия. Изыскания преследуют следующие цели:

• определение деформационных и прочностных показателей слоев грунта;
• оценка гидрологического состояния и режима территории застройки;
• изучение рельефа местности;
• выявление типа грунта и его характеристик;
• определение наличия грунтовых вод и глубины их залегания;
• выявление глубины промерзания почвенного покрова;
• определение степени пучинистости грунта, его подвижности.

Проведение геодезических изысканий в одинаковой мере актуально для определения несущей способности фундаментов на стадии проектирования, а также тех оснований, которые уже построены и по какой-либо причине требуют усиления или же тогда, когда осуществляется строительство нового объекта на имеющееся основание. В ходе работ определяется уровень допустимой нагрузки, которую способен выдержать грунт, представляя собой площадь для возведения основания. Для исследования  выбираются несколько точек, которые расположены в месте строительства фундамента.

Несущая способность грунтов значительно различается и варьируется от 1,0 до 6,0 кг/см2. При этом наиболее благоприятными для строительства считаются песчаные грунты с м различной степенью зернистости, в то время, как просадочные и насыпные грунты и вовсе не подходят для застройки, не имея возможности обеспечить необходимую прочность.

После строительства здания или сооружения любой фундамент дает осадку, которая вызвана утрамбовкой грунта и его сжатием под весом сооружения. При этом основной задачей при определении свойств грунта является выявление его несущих характеристик с целью исключения просадок, которые могут повлечь разрушения, растрескивания и прочие виды деформации основания и здания в целом. Осадка здания, как правило, контролируется специалистами и не должна выходить за пределы допускаемых величин.

В зависимости от определенных в ходе геодезических испытаний характеристик грунта, выбирается наиболее оптимальный вариант конструкции основания. Для устойчивых типов грунта это могут быть ленточные основания, для неустойчивых, влагонасыщенных и глубокопромерзающих – плитные, свайные, свайно-винтовые типы фундаментов.

Для проведения комплекса геодезических работ по определению свойств и нагрузочных возможностей грунта привлекаются специальные организации, имеющие в своем штате специалистов в области геодезии, а также поверенные средства измерения. Проектирование фундаментов производится на основании расчетов несущей способности грунта, произведенных в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83.

Несущая способность основания

По определению, несущей способностью фундамента считается величина максимально допустимой нагрузки, которую сможет выдержать основание без признаков деструкции на конкретном грунте. При этом в расчет принимается масса строительной конструкции, которая зависит от вида используемых строительных материалов, типа кровли, архитектурных особенностей здания и прочих факторов.

В определенной степени на сущую способность основания влияет целый ряд факторов, среди которых:

• разновидности и характер оказываемых нагрузок в горизонтальной и наклонной плоскости с учетом массы самой подошвы;
• габариты основания, его характеристики и материал, использованный при строительстве;
• равномерность распределения нагрузки и центра тяжести здания;
• форма основания;
• структура грунта и его свойства;
• степень однородности грунта;
• величина заглубления фундамента, его массивность;
• правильно расположение фактически построенного основания в горизонтальной плоскости;
• присутствие заглубленных мягких, осадочных пород.

Глубина заложения основания определяется исходя из данных о грунте, а именно информации о степени промерзания почвы, а также от особенностей здания. При наличии подвального или цокольного этажа фундамент будет иметь наибольшую массивность и глубину заложения. В зависимости от региона и погодных условий в зимний период ленточное основание может закладываться на глубину до 3-х метров, чтобы обеспечить максимальную устойчивость и необходимую несущую способность.

При расчете необходимой массивности фундамента необходимо учитывать вид применяемых для строительства стен материалов, вес самого основания, кровли, а также наличие снеговых нагрузок. При этом нагрузки делятся на статические, которые оказывают постоянное воздействие и динамические, меняющиеся в амплитуде. К последним относят людей, которые находятся или проживают в здании. Для устойчивости сооружения фундамент рассчитывается с запасом. 

Наиболее тяжелыми являются строения, стены, которых выполнены из кирпича и железобетона. Помимо массы стен необходимо учесть вес перекрытий и кровли, который принимается в соответствии с табличными значениями из учета среднего значения на квадратный метр. Наибольшую нагрузку оказывают также железобетонные перекрытия, шиферная кровля. В регионах с сильными ветрами, а также для зданий и строений, размещенных на открытой местности, необходимо учитывать при проектировании ветровые динамические виды повторно-кратковременных нагрузок.

Чтобы несущая способность основания с течением времени не снижалась, необходимо предусмотреть гидроизоляцию конструкции. Для этого чаще всего задействуют специальные водоотталкивающие материалы и мастики, которые наносятся на поверхность фундаментных элементов.

Если несущая способность уже готового фундамента не соответствует требуемым значениям, основание подлежит укреплению. Для этого, как правило, используются винтовые, а также свайно-винтовые конструкции, для которых расчет производится по каждой свае в отдельности. При этом имеющееся основание на момент работ подлежит частичному вскрытию. Несущая способность винтовых свай зависит от их размера и вида грунта.

Расчет несущей способности

Фундамент представляет собой разновидность строительной конструкции, которая по своему назначению предназначена для распределения нагрузки от здания на подготовленные слои грунта. В связи с этим при расчете несущей способности основания одним из ключевых параметров является несущая способность имеющегося на участке застройки грунта. Таким образом, определение несущей способности фундамента сводится к расчету минимально возможной величины площади опирания основания на грунт, при которых набор его пространственных параметров останется неизменным и не выйдет за пределы допустимых величин в ходе эксплуатации сооружения. В упрощенном варианте расчет производится по формуле:

В = М/L*G, где:

L – длина ленточного основания (при выборе в пользу данного вида фундамента),

G – несущая способность грунта, определенная в ходе геодезических исследования;

М – масса здания или сооружения с учетом всех видов статических и динамических нагрузок, примененных материалов, проживающих или находящихся людей с учетом коэффициента запаса прочности;

Параметры фундамента и несущая способность

Как выяснилось, габариты основания тесно связаны с таким параметром, как несущая способность фундамента. В связи с этим в ряде проектов могут находить применение комбинированные решения, предусматривающие несколько различных видов оснований. При этом производить расчет несущей способности для каждой отдельной подошвы необходимо индивидуально. По правилам проектирования с россом значения ширины основания возрастет и объем почвы, способной вызвать разрушение конструкции. Поэтому при наличии равномерного грунта основания с меньшим значением ширины являются более устойчивыми. Помимо этого параметр несущей способности зависит от формы основания и примененных в ходе его строительства материалов. Главной задачей проектанта при выборе основания и расчете здания является необходимость равномерного распределения массы сооружения.

Одним из критериев прочности и устойчивости, который оказывает непосредственное влияние на несущую способность любого основания, является глубина заложения фундамента. Глубже размещенные конструкции имеют меньшую склонность к деструкции, чем мелкозаглубленные основания. Это обусловлено свойствами грунтов на различных глубинах, которые обусловлены глубиной их промерзания и степень пучинистости. При строительстве на песчаных грунтах и почвах, в которых присутствует песок в тех или иных объемах, увеличение глубины заложения основания приводит к снижению возможной осадки в процессе эксплуатации и повышению несущей способности. 

В случае если глубина основания выбрана не верно, происходит деформация грунта. Как правило, это выражается в первоначальном укрупнении грунта, расположенного под подошвой с последующим его выходом  виде клиньев по разные стороны основания. В данном случае даже незначительные смещения почвенного покрова могут привести к образованию трещин в основании и разрушению здания. Помимо этого в грунте могут наблюдаться сдвиги и провалы. Разрушить подобным образом фундамент глубокого заложения попросту невозможно. Любые перемещения грунта на глубине могут приводить лишь к локальным его уплотнениям, которые не способны привести к деформационным процессам.

Таким образом, расчет несущей способности фундамента должен учитывать все возможные факторы формы, размера, массы, свойств грунта, чтобы обеспечить надежность основания в течение всего периода эксплуатации здания. Отталкиваясь от полученных данных о свойствах грунта, производится выбор материалов для строительства стен, перекрытий, а также кровли из учета возможностей несущих свойств основания и равномерного распределения массы.