Учесть действие момента на фундамент мелкого заложения означает анализировать влияние механических моментов, возникающих под воздействием нагрузок, на устойчивость и поведение основания фундамента. Такие моменты могут привести к наклону или деформации фундамента, что важно учитывать при проектировании для обеспечения долговечности и безопасности сооружения.
В практике это подразумевает расчет и проектирование фундамента с учетом возможных изгибающих моментов, которые могут возникнуть из-за неравномерного распределения нагрузок или внешних воздействий, таких как ветер или сейсмические нагрузки. Правильное учет этих факторов позволяет избежать проблем, связанных с несоответствием проектных характеристик реальным условиям эксплуатации.
Фундаменты мелкого заложения
Самые строгие требования при строительстве зданий предъявляются к фундаментам. Это связано не с личными предпочтениями, а с тем, что прочный фундамент необходим для того, чтобы вся конструкция прослужила долгие годы. Многие люди не используют мелкозаглубленные фундаменты, считая, что они имеют низкую несущую способность.
В действительности ситуация совершенно иная, и в некоторых местах мелкозаглубленные фундаменты необходимы. Каковы варианты этого типа структуры и как их можно сделать самостоятельно? В данной статье мы обсудим эти вопросы.
Преимущества и недостатки
Взвешенное решение основано на тщательном анализе преимуществ и недостатков конкретной разработки. Этот подход следует применять и к фундаментам мелкого заложения. Среди преимуществ такого фундамента легко отметить.
- Относительно низкая цена.
- Относительно простая установка.
- Используется на большинстве типов почв.
- Долговечность.
- Снижение расхода материалов.
- Устойчивость к изменениям почвы.
Цена мелкозаглубленного ленточного фундамента во много раз ниже, чем цена аналогичного плитного фундамента. По сравнению с глубокими фундаментами стоимость такого строительства может быть снижена в несколько раз. При наличии необходимого терпения его можно установить самостоятельно, что позволяет завершить работу в свободное время.
Фундаменты мелкого заложения подходят практически для всех типов грунта, в отличие от фундаментов глубокого заложения. Это связано с особым способом распределения нагрузки при строительстве фундамента. При соблюдении всех деталей монтажа срок службы таких конструкций может достигать десятилетий. По сравнению с другими вариантами конструкции мелкозаглубленные фундаменты имеют более низкое отношение расхода материала к стоимости. Мелкозаглубленные фундаменты в определенной степени компенсируют сезонные колебания, происходящие в почве.
Конструкция этого типа фундамента также имеет свои недостатки. Они включают в себя возможность обрушения в случае сильного морозного поднятия грунта. Это происходит в случае неглубокого залегания грунтовых вод. Этот нюанс следует учитывать при проведении монтажных работ. Неглубокий качественный фундамент требует дополнительного усиления для укрепления всей конструкции.
Детали конструкции
Конечная часть фундамента, на которую устанавливается конструкция и которая находится на определенной высоте над уровнем земли, называется плитой. Нижняя часть перекладины служит для равномерного распределения нагрузки по земле. Он известен как основание фундамента. Высота конструкции измеряется от ее выреза до опорной плиты.
Ширина конструкции равна размерам фундамента, но если она будет устанавливаться непосредственно в саму траншею, то добавляется дополнительное место для опалубки. Часть фундамента, расположенная над поверхностью земли, называется фундаментом.
Нет необходимости в глубокой траншее, поэтому меньше времени тратится на земляные работы. Верхний слой почвы легче удалить, чем когда приходится копать глубже. Верхний слой вынимается, так как он довольно рыхлый из-за растительности и насекомых и поэтому не гарантирует хорошей несущей способности. Верхний слой почвы более восприимчив к процессу морозного пучения, но вы можете быть уверены, что общая структура компенсирует эти изменения, двигаясь вместе со зданием. Для достижения такого результата необходимо правильно рассчитать ширину подложки.
Совет! При расчете фундаментов мелкого заложения необходимо учитывать все возможные направления сил при расширении грунта.
Если все сделано правильно, то они компенсируют друг друга, и конструкция не разрушится. Как правило, восходящие силы, действующие на фундамент снизу, могут быть компенсированы весом здания. Правильно рассчитав высоту и ширину основания, можно уменьшить боковые силы.
Заявление в МЗФ
Стоит знать, что существуют определенные рекомендации и ограничения по использованию фундаментов мелкого заложения. Одним из ограничений на конструкцию является этажность здания. Фундаменты мелкого заложения не используются при строительстве многоэтажных зданий в несколько этажей.
Здания более одного этажа разрешены только при использовании каркасной или модульной технологии, что означает использование легких материалов, а не камня. Существует ограничение по весу по сравнению с кирпичными зданиями. Все будет зависеть от толщины кирпичной стены, которая напрямую влияет на вес.
Когда речь идет об укладке на вечной мерзлоте, идеальным решением являются мелкозаглубленные фундаменты. В этом случае грунт достаточно твердый, так как оттаивает только верхний слой земли. Но проникнуть ниже точки замерзания просто физически невозможно. Мелкозаглубленный фундамент хорошо подходит для участков, где почва песчаная. Это позволяет правильно распределить нагрузку от здания по всей предполагаемой площади дома.
Типы МЗФ
Существует определенная классификация мелкозаглубленных фундаментов. Он основан на методе строительства сооружения. Полосатая структура является наиболее привычной. Изделие представляет собой прямоугольную или квадратную монолитную конструкцию. В некоторых случаях строятся фундаменты сложных форм, таких как пятиугольники или полукруги.
Эта форма имеет пространство в центре, которое обычно заполняется песком или почвой. Поверх него укладывается слой раствора, и пол готов. Хотя это наиболее часто используемое основание, существуют и другие решения.
- Неглубокие, заглубленные столбчатые фундаменты.
- Плиты.
- Свайные фундаменты.
Каждый из них лучше всего подходит для конкретных условий и имеет нюансы, которые необходимо учитывать при строительстве.
Ленты
При выполнении ленточного строительства важно правильно разметить зону строительства. Процесс начинается с установки крайних гвоздей, которые отмечают углы здания. Между ними натянут кусок веревки. Необходимо проверить, чтобы угол был прямым. Трудно использовать угловые детали, поэтому часто измеряйте диагонали, и если они равны, то все будет хорошо.
Копание осуществляется вдоль отмеченного участка. Обычно достаточно пройти полметра или чуть больше. Как только траншея готова, ее дно утрамбовывается. Это можно сделать с помощью самодельного ручного трамбовщика или, если он подходит, механического трамбовщика.
Затем положите два слоя подстилки. Толщина каждого из них составляет десять сантиметров. Первый слой представляет собой более крупнозернистый песок. Важно утрамбовать его, так как без этого он не выполнит своего предназначения. Следующий слой представлен среднезернистым гравием.
Важно, чтобы он был равномерно распределен по дну подготовленной траншеи. Следующий шаг — укрепление конструкции фундамента. Для этого используется металлическая арматура. Элементы должны иметь диаметр 10 мм или более. Решетки укладываются в два ряда, расстояние между каждым рядом должно быть таким, чтобы металл сверху и снизу был покрыт 8 см бетонного раствора.
Эти решетки укладываются друг на друга и соединяются вертикальными стойками из одинаковых кусков арматуры. Прутки крепятся с помощью вязальной проволоки, а не сварки, что может привести к быстрой коррозии и напряжениям внутри конструкции. Размер ячеек для этого типа фундамента составляет 15 см. Арматурная сетка не укладывается непосредственно на засыпанный гравий.
Для этого используются специальные опоры или кирпичи. Завершающим этапом является установка опалубки. Если грунт очень рыхлый, полезно установить его в траншею и предварительно гидроизолировать, чтобы влага не могла выйти слишком быстро.
Стандартным материалом для опалубки являются деревянные доски, но лучших результатов можно добиться, используя специальные щиты или более толстую, влагостойкую фанеру. Между элементами не должно быть слишком больших зазоров, чтобы раствор не мог пройти через них. Когда конструкция готова, можно приступать к заливке.
Лучше всего делать это за один раз, чтобы не было горизонтальных слоев, которые со временем могут разрушиться. После заливки конструкции в толще могут остаться воздушные карманы. Их можно удалить с помощью глубинного вибратора.
После выравнивания и частичного отверждения сверху укладывается гидроизоляционный материал, чтобы предотвратить слишком быстрое испарение влаги и появление трещин. Рекомендуется регулярно поливать фундамент в период отверждения. Это не относится к ситуациям, когда наружная температура может опуститься ниже нуля, так как эта процедура только усугубит ситуацию.
Совет! До начала процесса заливки необходимо продумать, где и как будут проложены коммуникации. После того как бетон будет залит, его будет трудно установить.
Плиты
Еще одной разновидностью мелкозаглубленных фундаментов является плитный фундамент. Этот тип фундамента очень прочный и может быть построен на большинстве типов почвы. Дизайн и внешний вид фонда идентичен его названию. Можно выделить два типа плитных фундаментов.
- Регулярные.
- Изолированные.
Второй тип фундамента предполагает использование изоляции в виде листов полистирола высокой плотности. Они прекрасно выдерживают высокое давление и поэтому не деформируются при заливке бетона. В отличие от предыдущего типа строительства, фундамент выкапывается не в траншее, а цельным куском. Опорные слои для конструкции подготавливаются так же, как и для ленточных фундаментов.
Если грунт находится близко к грунтовым водам или имеет много влаги, первое, что необходимо сделать, это гидроизолировать конструкцию. На дно котлована фундамента укладывается геотекстиль или сплошная пластиковая пленка. Отдельные элементы следует укладывать с перекрытием стыков. Последние запечатываются влагонепроницаемой лентой.
Только после этого следует уложить слой среднего гравия. В этом случае необходимо нанести слой не менее 20 см. Затем следует дополнительный гидроизоляционный слой, который укладывается так же, как и первый слой. Только в этом случае используется материал, который не будет поврежден давлением острых краев гравия.
Перед укладкой гидроизоляционного слоя необходимо тщательно уплотнить гравий, чтобы создать ровное и прочное основание для конструкции. После второй влажной пропитки используйте песок средней тяжести. Если грунт очень неустойчив, слой насыпи должен составлять не менее 30 см, чтобы правильно распределить нагрузку на фундамент. Важно также уплотнить его.
Если для этого будет использоваться вода, не проявляйте особого энтузиазма, так как гидроизоляционный слой может задержать воду и превратить участок в болото. Когда основание фундамента готово, сделайте сетку для его укрепления. Конструкция возводится так же, как описано для ленточных фундаментов. Затем бетонная смесь заливается.
Если грунт на участке не насыщен водой, то слои песка и гравия можно чередовать. Первый слой следует уплотнять поэтапно, так как сложно уплотнить за один раз слой более 15 см, если не использовать промышленный каток. Однако его трудно получить при самостоятельной заливке фундамента. Поверх гравия укладывается изоляция, а сверху — решетка. В этом случае слой заполнения увеличивается за счет уменьшения толщины изоляции в местах прохождения несущих стен и межкомнатных перегородок.
Совет! Вместе с изолированным плитным фундаментом можно использовать подогрев пола, уложенного на армированную стальную решетку и залитого бетоном.
Свайные фундаменты
Фундаменты на мелких сваях несколько отличаются от классического варианта этого типа фундамента. Этот тип фундамента можно также назвать симбиозом свайного и ленточного фундаментов. Подготовительные работы для строительства этого типа фундамента такие же, как и для обычного мелкозаглубленного фундамента со столбиками.
Разница заключается в том, что в траншеях, подготовленных для этого типа фундамента, бурятся отверстия для свайного фундамента. При таком типе фундамента последний должен быть заглублен до уровня более прочных слоев почвы. Это обеспечит дополнительную поддержку всей конструкции.
После подготовки отверстий под сваи их можно заполнить и укрепить. В некоторых случаях целесообразно использовать асбестоцементные трубы. Они выполняют функцию опалубки и предотвращают растекание бетона. Трубы помещаются в подготовленное отверстие, после чего на дно укладывается небольшой слой гравия.
В трубу заливается небольшое количество бетона, а затем она поднимается на небольшую высоту. Эта процедура предназначена для формирования бетонной площадки под самой трубой. Внутри трубы необходимо уложить арматуру для усиления конструкции свай для фундамента.
Обратите внимание! Длина прутьев должна быть такой, чтобы они выходили достаточно далеко наружу и переплетались с основной арматурой.
Следующим шагом в строительстве этой конструкции является усиление главной хорды, возведение опалубки и заливка участка бетоном. Вибромашина также необходима для того, чтобы пространство было заполнено максимально возможным количеством бетона. После строительства за ним ухаживают до полного затвердевания, аналогично традиционному столбчатому фундаменту.
Фундаменты колонн
Для зданий более низкого качества используется столбчатый фундамент меньшей глубины. Он строится так же, как и столбчатый фундамент, но вместо того, чтобы заливаться целиком, он строится в виде отдельных элементов или колонн. При этом для каждого из них устанавливается отдельная опалубка и арматура. В некоторых случаях колонны соединяются цоколем, который объединяет их в единую конструкцию. Дополнительные советы по строительству мелкозаглубленных фундаментов можно найти в видеоролике ниже.
Резюме
Как видите, строительство мелкозаглубленного фундамента имеет свои преимущества и недостатки. Каждый из перечисленных видов конструкции можно изготовить самостоятельно, но некоторые требуют дополнительного оборудования для заливки, так как для достижения целостности необходимо сделать это за короткое время. Это относится к варианту плитного фундамента.
- ← Что такое свайно-ростверковый фундамент?
- Фундамент на песчаном грунте →
ФУНДАМЕНТЫ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
В случае наличия слабых подстилающих слоев в основании ниже несущего слоя грунта необходимо выполнить проверку их несущей способности.
Расчет несущей способности слабого подстилающего слоя
Схема расположения слабого подстилающего слоя грунта основания с основными расчетными параметрами отдельно стоящего фундамента представлена на следующем рис. 2.1, б.
Рис. 2.1. а — схема для определения приведенной глубины заложения подошвы фундамента здания с подвалом; б — расчетная схема для проверки несущего слоя слабого подстилающего слоя для отдельно стоящего фундамента
Проверку несущей способности слабого подстилающего слоя грунта в основании следует выполнять в следующей последовательности:
- Строим эпюры природного давления и дополнительного уплотняющего давления по глубине основания а-9 и о-р. Определяем ординаты этих давлений на кровле слабого грунта и сравниваем их значения с условным расчетным сопротивлением R- слабого грунта (2.1):
- (2.1)
Необходимо определение величины /?- — расчетного сопротивления слабого подстилающего слоя грунта основания для условного фундамента шириной подошвы Ьус, находящегося на глубине Z от подошвы проектируемого фундамента.
Будем рассматривать работу основания исходя из равенства усилий под подошвой фундамента и на глубине Z — на кровле слабого грунта. Тогда можно записать:
где А — площадь подошвы фундамента; оЛо — дополнительное уплотняющие давление под подошвой фундамента; vzp — дополнительное уплотняющие давление, приходящее на кровлю слабого грунта.
Тогда из данного выражения можно найти:
Аус = (А х вро / — условная площадь подошвы фундамента.
- Зная Аус, находим bz х lz = Аус — подбираем, исходя из одинакового распространения давления во всех направлениях.
- Такой прием дает возможность найти Rz — величину условного расчетного сопротивления слабого подстилающего слоя грунта основания, используя известную формулу СП 22.133330.2016, но для условного фундамента с шириной подошвы Ьус, находящегося на глубине dlz:
R-Z = /cl * /с2 [ М Л Х *Z Х Ь ус х 7п + M q: х d lz х 7ц + l M qz " d b Х /П + М с: Х С пг1 ,
где Myz, Mqz, Mcz — эмпирические коэффициенты (табличные значения), зависящие от фп (расчетное значение угла внутреннего трения грунта слабого подстилающего слоя, определенного по II предельному состоянию); уф — осред-ненное (по слоям) расчетное значение удельного веса грунта, залегающего выше отметки подошвы условного фундамента; уп — то же, но для залегающего ниже подошвы условного фундамента; Сц — расчетное значение удельного сцепления слабого подстилающего слоя грунта, определенного по II предельному состоянию.
Далее осуществляется проверка неравенства (2.1) и в случае его невыполнения необходимо перепроектировать фундамент (изменение глубины заложения или ширины подошвы).
Учет нагрузок на фундамент
Сбор нагрузок при расчете оснований и фундаментов допускается выполнять упрощенно — по грузовым площадям.
Обычно определяются нормативные нагрузки, но при расчете по деформациям — необходимо рассматривать расчетные нагрузки, которые вычисляются от нормативных нагрузок с коэффициентом перегрузки, равным 1.
Нагрузки, собираемые для расчета оснований и фундаментов, можно представить в виде табличной формы (табл. 2.1).
Нагрузки для расчета оснований и фундаментов
Длительно действующие (оборудование,складские материалы, снег)
Кратковременные (ветер, кран)
В расчетах используются три сочетания нагрузок:
- Основное сочетание — согласно СНиП расчет оснований и фундаментов ведется в основном только по этому сочетанию (постоянные + временные, длительно действующие).
- Дополнительное (постоянные + временные, длительно действующие + кратковременные).
- Особое.
Следует помнить, что завышение и занижение нагрузок может привести к неравномерным осадкам фундаментов во времени (см. раньше).
Расчет центрально нагруженного фундамента
При центральном нагружении линия действия равнодействующих всех нагрузок проходит через центр тяжести подошвы фундамента. Рассмотрим в качестве примера расчет центрально нагруженного отдельно стоящего фундамента (см. схему с основными принятыми обозначениями на рис. 2.2, а).
Составляем условие равновесия на вертикальную ось:
Отсюда: А = (N() + Д/ф + Nrp) / Р — площадь подошвы фундамента.
Принимаем: Ртах = R.
Для упрощения расчета принимаем, что Nrp + = А х J х уср,
уср ~ 20 кН/м 3 , тогда, подставляя в исходную формулу, получим:
где Yep х d — средняя интенсивность давления от веса фундамента и грунта на его обрезах; R — уср х d — дополнительная величина давления, которую мы можем передать на грунт основания.
Рис. 2.2. а — расчетная схема для центрально нагруженного фундамента;
6 — принципиальная блок-схема (алгоритм) расчета центрально нагруженного фундамента
Из найденной площади подошвы фундамента определяются его линейные размеры A = b х I.
Следует подчеркнуть, что данный расчет выполняется при известной величине R, которая сама зависит от A, R = f(A). Следовательно, данную задачу можно решить методом последовательных приближений с проверкой условия Р b — определение площади подошвы фундамента А и
его ширины b (меньшая сторона площади).
- Nrp + Мф = А х d х уср — определение веса фундамента и грунта на его ступенях по найденной площади.
- Проверка выполнения условия: Р = (No + N$ + Nrp) IA min (на сдвиг считаем, что фундамент устойчив).
Рис. 2.3. Расчетная схема для внецентренно нагруженного фундамента
Из сопротивления материалов для конструкций, испытывающих сжатие с
ИЗГИбоМ, ИЗВеСТНО, ЧТО: ^щах min
Для фундамента прямоугольной формы подошвы можно записать:
Тогда, подставляя в формулу сопромата принятые обозначения, получим:
Z bxf. h~x? bxf.
где f — больший размер фундамента (сторона фундамента, в плоскости которой действует момент).
ГТ n N (у.ЬхеЛ
Ио итоговому выражению: гпвх = — х 1±— — не трудно построить
min А V Ь )
эпюры контактных напряжений под подошвой фундамента, которые в общем виде представлены на схеме.
Согласно СП в значения краевых напряжений введены ограничения:
- 1 • Pmin / Ртах- 0,25 — при наличии крановой нагрузки.
- /’min / Ртах > О — Для всех фундаментов, то есть отрыв подошвы недопустим.
В графическом виде данные ограничения напряжений под подошвой вне-центренно нагруженного фундамента (1, 2) не позволяют использовать последние две эпюры контактных напряжений, изображенные на схеме. В таких случаях требуется перерасчет фундамента с изменением его размеров.
Необходимо отметить, что R определяется исходя из условия развития зон пластичных деформаций с двух сторон фундамента, при наличии же эксцентриситета (е) пластические деформации будут формироваться с одной стороны. Поэтому вводится третье ограничение:
3. Ртах [1] . В этом случае для фундаментов сооружений ПГС с развитой шириной по-
где rmax = — ± — — краевые контактные давления под подошвой внецен-min ™ w
тренно нагруженного фундамента; f — ширина подошвы фундамента; N, М — соответственно вертикальная нагрузка и изгибающий момент относительно центра тяжести подошвы фундамента; W — момент сопротивления подошвы фундамента.
Таким образом, если от действия изгибающего момента минимальное давление под подошвой внецентренно нагруженного фундамента РП11П
где Yep— средневзвешенное значение удельного веса для пригрузки (Ny), может предварительно задаваться постоянным значением (20 кН/м 3 ) или определяться более точно при условии использования заданных конструктивных размеров ступеней фундамента.
Тогда возникновение возможности частичного (шириной подошвы Ы) опирания фундамента на основание (развитие допустимого крена) произойдет только в том случае, если будет соблюдаться условие равновесия между эпюрами 1 и 2 (рис. 2.4):
После алгебраических преобразований, получим:
I-Pminl 2 • d • уср.
Полученное уравнение равновесия (2.3) соответствует такому условию, при котором фактически допустим минимально изгибающий момент и, соответственно, предельный крен фундамента.
Таким образом, для внецентренно нагруженного фундамента учет действия изгибающего момента может быть осуществлен посредством ограничения крена фундамента, что является дополнительной проверкой расчета основания по II предельному состоянию.
Если условие 2.3 не соблюдается, то в этом случае рекомендуется уменьшить эксцентриситет приложения нагрузки методом проектирования несимметричного фундамента (смещение подошвы фундамента).
Расчет несимметричного фундамента
Рассмотрим в качестве примера расчет внецентренно нагруженного отдельно стоящего фундамента со значительным эксцентриситетом, то есть при Лпт силы Л г # х f
С двигаю щ. сила
где г|уст. = 1,05-1,3 (должен быть в данных пределах в зависимости от характера нагрузок и ответственности сооружения).
Если г|уст. — недостаточен, что делать?
Поступают так: задаются г|уст и определяют — требуемый вес фундамен
В ряде случаев для увеличения веса фундамента при больших сдвигающих силах прибегают в мостостроении к дополнительному нагружению опор (создания условий устойчивости) в виде устройства декоративных скульптур.
Классическим примером таких решений могут послужить фото мостов (рис. 2.7) в г. Санкт-Петербурге.
Рис. 2.7. Примеры архитектурной — скульптурной дополнительной нагрузки на мостовые опоры для мостов: Ломоносова и Банковский в г. Санкт-Петербурге
Но иногда в расчетах учитывают и трение на боковой поверхности E
б — расчетная схема фундамента для определения наиболее вероятной поверхности скольжения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости
Полученный коэффициент устойчивости т|те7„. должен быть больше 1.
Следует подчеркнуть, что поскольку точку О мы выбрали произвольно, то необходимо найти наиболее опасный центр вращения (или наиболее вероятную поверхность скольжения).
Такие вычисления следует выполнять в следующей последовательности (см. схему на рис. 2.8, б):
- Проводится горизонтальный отрезок, на нем определяются точки возможного вращения круглоцилиндрических поверхностей скольжения О, О2, Оз-
- Для каждого из центров вращения, после выполнения вычислений (см. выше), определяются коэффициенты устойчивости г|ь т|2, т|3, которые графически откладываются от горизонтального отрезка, и их величины соединяются плавной кривой.
- На полученной кривой определяется место с минимальным коэффициентом устойчивости, через которое проводится вертикальный луч, и на нем дополнительно выбираются точки возможного вращения круглоцилиндрических поверхностей скольжения О4, О5.
- Для полученных центров вращения определяются коэффициенты устойчивости т|4, т|5, которые графически откладываются от вертикального отрезка и их величины соединяются плавной кривой.
- На полученной кривой определяется место с минимальным коэффициентом устойчивости T|min, которое и будет определять наиболее вероятную поверхность скольжения.
Таким образом, расчет производят методом последовательных приближений минимум пять раз, с выявлением наиболее вероятной поверхности скольжения с i]min.
Если rimin окажется больше нуля, то фундамент следует рассматривать как устойчивый, в противном случае необходимо принимать дополнительные меры по увеличению устойчивости запроектированного фундамента.
- [1] Алексеев С. И. К вопросу определения предельного крена внецентренно нагруженного фундамента // Научные тенденции. Вопросы точных и технических наук : сборник научных трудов по материалам XXVII международной научно-практической конференции 12 мая 2020 г. ЦНК МОАН, 2020. С. 43^16.
