Методы расчета усадки фундамента: полезные советы

Для расчета усадки фундамента необходимо учитывать несколько факторов, включая тип грунта, характеристики используемого материала и глубину заложения фундамента. Первым шагом является изучение геологических условий на участке, так как разные виды грунта имеют различную способность к усадке.

После этого следует провести анализ проектных данных, в том числе толщину и размеры фундамента, а также нагрузку на него. Используя полученные данные и специальные формулы, можно рассчитать возможную величину усадки, что поможет обеспечить устойчивость и долговечность строения.

F.3 Пример метода расчета усадки фундаментов мелкого заложения

(1) Здесь приводится пример эмпирического прямого метода расчета осадок в несвязном грунте фундаментов мелкого заложения.

(2) Осадка вследствие напряжений, величина которых ниже давления переуплотнения, принята как равная 1/3 давления переуплотнения, соответствующего нормально уплотненному песку. Первичная осадка si, мм, квадратного основания шириной B, м, в случае переуплотненного песка определяется по формуле:

где — максимальное предшествующее эффективное давление обжатия, кПа;

q¢ — среднее эффективное давление на подошве фундамента;

здесьaf — сжимаемость грунтового основания фундамента: af = ∆si /∆q¢, мм/кПа;

а для нормально уплотненных песков:

(3) Через регрессионный анализ имеющихся данных об осадке можно получить значение Icc по следующей формуле:

где — среднее количество ударов при проведении стандартного метода испытаний грунтов на пенетрацию по всей значимой глубине.

Стандартная погрешность af варьируется примерно от 1,5 — для более 25, до 1,8 — для менее примерно 10.

(4) В данном конкретном эмпирическом методе для значения N не требуется делать поправки на пластовое избыточное давление. Также здесь не упоминается коэффициент энергии Er, соответствующий значениям N. Считается, что влияние уровня грунтовых вод уже нашел отражение в измеренном количестве ударов при проведении стандартного метода испытаний грунтов на пенетрацию, но для значения N > 15 для водонасыщенных мелкозернистых и илистых грунтов должна применяться поправка

N¢ = 15 + 0,5 × (N -15).

В гравийных и гравийно-песчаных грунтах количество ударов при проведении стандартного метода испытаний грунтов на пенетрацию следует увеличить на коэффициент примерно 1,25.

(5) Значение приводится как среднеарифметическое для измеренных значений N по всей значимой глубине zI = B 0,75 , в пределах которой 75 % осадки происходит из-за случаев, когда N увеличивается или остается постоянным по глубине. Когда N стойко уменьшается по глубине, значимая глубина берется равной 2В или по низу мягкого слоя, в зависимости от того, что меньше.

(6) Для отношения длины к ширине (L/B) фундамента следует применить поправочный коэффициент fs:

Значение fs стремится к 1,56, в то время как L/B стремится к бесконечности. Для D/B < 3 не требуется применять поправочный коэффициент для глубины D.

(7) Фундаменты на песчаных и гравийных грунтах дают осадку, зависящую от времени. Для начальной осадки следует применять поправочный коэффициент ft, определяемый по формуле

где ft — поправочный коэффициент на время (t ≥ 3 г.);

R3 — зависящий от времени коэффициент, применяемый для осадки, происходящей в течение первых трех лет после строительства;

Rt — зависящий от времени коэффициент, применяемый для осадки, происходящей в течение каждого зарегистрированного цикла времени по истечении трех лет.

(8) Для статических нагрузок взятые с запасом значения R3 и Rt равны соответственно 0,3 и 0,2. Таким образом, при t = 30 лет ft = 1,5. Для переменных нагрузок (высокие дымовые трубы, мосты, силосные башни, турбины и т. д.) значения R3 и Rt равны соответственно 0,7 и 0,8, в результате чего при t = 30 лет ft = 2,5.

Примечание — Данный пример опубликован Бурландом/Burland/ и Бербриджем/Burbridge/ в 1985 г. Дополнительную информацию и примеры см. Х.3.3.

Приложение G

Что нужно знать об усадке фундамента

Монтаж фундамента

Во время строительства фундамента (основания, опоры) под дом необходимо учитывать множество факторов – плотность грунта, уровень заглубления, тип бетона, время усадки и других. Все эти факторы связаны между собой, но главный из них – время усадки (просадки).

Не учитывая этого фактора невозможно качественно построить фундамент для дома.

Итак, разберемся, сколько времени должен стоять (сохнуть) фундамент после монтажа.

Почему важно учитывать усадку

От основания зависит прочность стен и срок службы дома. Основание распределяет массу строения по большой площади, в результате чего снижается давление на грунт. Если почва твёрдая и прочная (скала) то просадка после монтажа будет минимальной.

Если же дом построен на глинистых или песчаных землях, то для правильной усадки после монтажа потребуется не меньше 12 месяцев. За это время грунт под основанием уплотнится настолько, что перестанет проседать под его массой.

Если не дать время для правильной усадки, то после монтажа строения нагрузка на неуплотнённые участки грунта возрастёт, что приведёт к проседанию одной из стен дома.

В результате трещины, разрушение целостности здания и необходимость дорогостоящего капитального ремонта, а нередко и полной перестройки. Поэтому правильно построенный фундамент должен стоять перед строительством достаточно времени.

Как определяют время, необходимое для правильной усадки

Чтобы определить, сколько времени фундамент должен стоять перед возведением стен, необходимо внимательно проанализировать следующие факторы:

• результаты геодезических и инженерных исследований;
• среднегодовой уровень осадков;
• температуру промерзания грунта;
• заглубление фундамента;
• тип фундамента;
• материалы, из которых изготовлен фундамент;
• массу готового строения.

В результате геодезических исследований и инженерных изысканий определяют структуру почвы и её характеристики. Эти данные позволяют определить, как поведёт себя грунт под воздействием основания и всего строения и сколько времени потребуется для его уплотнения.

Состояние почвы в различные сезоны меняется и, она по-разному реагирует на давление, возникающее из-за веса основания и стен.

Неправильно определение характеристик земли приведёт к тому, что зимой или после сильных дождей она просядет и стену дома покроют трещины. Все эти параметры определяют, сколько времени необходимо для правильной усадки фундамента, без чего не имеет смысла приступать к дальнейшему строительству.

Что происходит во время усадки

После того как залит бетон, происходит несколько параллельных процессов. Прочность бетона возрастает и через 12-18 месяцев выходит на близкие к максимальным значения. Масса плиты уплотняет грунт, сдавливая частицы глины, песка и других веществ. Вместе с сезонами меняются и такие характеристики почвы, как влажность и подвижность.

Плита продавливает землю до тех пор, пока не достигнет того места, в котором влияние прочих факторов становится слишком незначительным. Сколько времени занимают эти процессы, определить невозможно. Поэтому время, которое должен простоять фундамент, определяют на основании геодезических исследований.

Только на таком фундаменте возможны монтажные работы и строительство прочного и надёжного дома.

В регионах, где температура зимой опускается ниже минус 10 градусов по Цельсию, глубина котлована должна быть ниже глубины промерзания. Поэтому готовое основание должно выстаиваться дольше, ведь температура на такой глубине никогда не опускается ниже 0,3 и не поднимается выше 5 градусов по Цельсию.

На таком расстоянии от поверхности слишком мало влияние дождевых стоков, поэтому процесс усадки происходит под влиянием грунтовых вод. Определяя, сколько времени должен проседать фундамент, обязательно учитывают глубину промерзания. В противном случае велика вероятность повреждения основания и расположенных на нём стен дома.

Почему усадка происходит неправильно

Во время подготовительных работ (рытье котлована, создание песчаной и щебёночной подушки) или монтажа были должны быть учтены все факторы. В противном случае велика вероятность того, что усадка фундамента, которая по расчётам, должна происходить правильно, будет протекать неравномерно.

Также подобное происходит, если под основанием расположены участки грунта с разной плотностью или влажностью. В этом случае бетон просядет только там, где почва более сухая и твёрдая.

В результате фундамент, который должен равномерно распределять вес здания по всей площади грунта, не справится со своими обязанностями. Дом не сможет надёжно стоять на таком основании.

Если дно котлована находится выше глубины промерзания, то правильная усадка невозможно вне зависимости от того, столько времени он простоял после монтажа. Зимой, в результате морозного пучения, уровень почвы поднимается.

Это происходит неравномерно, в одних местах сильно, а в других слабо.

В результате часть бетона поднимается над уровнем грунта, из-за чего возникает усилие на излом. Пока на основании не построены стены, пучение без проблем поднимает его целиком. После возведения здания масса основания многократно увеличивается и, морозное пучение приводит к его перелому.

А следом за этим появляются и трещины в стенах. Такое явление особенно опасно, если под домом построен не плитный, а ленточный фундамент.

Как определить, что усадка закончилась

Все процессы, связанные с уплотнением грунта, происходят настолько медленно, что визуально определить их завершение невозможно. Поэтому окончание усадки определяют на основании расчётов, в которых учитываю все факторы.

Если в одном из значений, которые используют для таких вычислений, появилась ошибка, то велика вероятность, что весь процесс будет проходить неправильно.

Известны случаи, когда бригада строителей возводила дом, но неправильно определила характеристики и свойства грунта.

Через полгода, под влиянием продолжающейся просадки фундамента, появились глубокие трещины. Позволив фундаменту выстояться ещё 5-10 месяцев, они избежали бы проблем. Поэтому опытные строители, рассчитав, сколько должен стоять фундамент, добавляют к этому времени ещё 5-10 месяцев.

Это увеличивает длительность монтажа дома, но сильно снижает вероятность неправильной усадки основания и проседания стен.

Как определить время усадки без геодезических исследований

Чтобы определить, сколько времени должен стоять фундамент перед монтажом стен, учитывайте следующее:

1. На скальных грунтах 3-5 месяцев;
2. На сухих глинистых и песчаных почвах 8-12 месяцев;
3. На влажных почвах 15-20 месяцев;
4. На болотистых почвах 20-30 месяцев.

Это справедливо только после выполнения следующих требований:

• для основания должны применяться только качественные материалы;
• фундамент должен стоять ниже глубины промерзания;
• для ленточных фундаментов соотношение ширины стены, основания и подушек должно быть не меньше, чем 1:2 и 1:2. То есть ширина основания должна быть как минимум в 2 раза больше ширины стены. А ширина подушки как минимум в 2 раза больше ширины основания;
• фундамент должен стоять на расклинцованной подушке (фракция нижнего слоя 70-90 мм, среднего 30-60 мм, верхнего 10-20 мм);
• должен быть выполнен дренаж подземных грунтовых вод;
• должен быть выполнен отвод дождевых стоков.

Расчет усадки фундамента: разновидности и методы

Расчеты фундаментов методом послойного суммирования реализуются при вычислении осадки фундамента с ограниченной геометрией. Особенности метода: Если габариты основания объекта намного больше мощности грунта, сжимающегося под давлением фундамента, то сжатие грунта считается протекающим без боковых сил расширения на фундамент. Кроме послойного суммирования, осадка фундамента может рассчитываться несколькими способами, но, если необходимо сделать расчет осадки основания отдельно смонтированного и учесть воздействие влияние грунта и других внешних сил, то расчет осадки фундамента методом послойного суммирования представляется самым точным.

Правильное применение

Точность расчетов заключается в том, что определяются не только основополагающие параметры осадок грунта, но и вторичные факторы, могущие возникать в конкретных сооружениях согласно расчетному напряжению.

Точный расчет осадки фундамента проводится для того, чтобы:

1. Вычислить осадку отдельной основы или группы находящихся рядом фундаментов, а также присоединенных к ним оснований;
2. Произвести точные расчеты осадки фундамента, построенного их разнородных стройматериалов. Значения осадочных свойств и физических параметров фундамента изменяются с изменением модуля деформации по мере увеличения заглубления основания;
3. Методика расчета осадок фундаментов помогает точно вычислить осадочные параметры основания по группе вертикальных осей, при этом значения угловых переменных можно не учитывать, а пользоваться периферийными или центральными значениями. Но реализовать это условие возможно, если по периметру фундамента проходят равномерные и структурно одинаковые слои грунта.

Осадочные явления в фундаменте могут возникать от воздействия рядом стоящих оснований, так как при возрастании нагрузки на основу сооружения будет происходить просадка грунта, и, чем мощнее и тяжелее фундамент, тем сильнее будут осадочные явления. При проектировании и составлении схем расчетов основания фундамента создание этюдов осадок представляет определенные трудности, так как требуется точно рассчитать по вертикальной оси вертикали усилия, возникающие от прилагаемых усилий на грунт и на боковые стенки основания от рядом стоящих фундаментов.

Для таких сложных расчетов используются экспериментальные формулы, и точки напряжений в фундаменте зачастую вычисляют проведением расчетов угловых точек, а результаты вычислений иногда определяются как оптимально возможные для конкретного фундамента на слоистом грунте.

Важность расчетов

На практике случается так, что фундамент имеет низкую прочность на изгибание и может деформироваться из-за увеличенных линейных габаритов основы и недостаточной толщины фундамента. Основная область применения расчета осадки по методике послойного суммирования – расчет прочности фундамента ленточного типа, так как именно для таких оснований невозможно гарантировать максимальную предельную нагрузку на почву в расчете на квадратный метр площади, из-за чего осадочные явления могут проявлять себя хаотически, и в любых локальных участках основания.

Параметры расчета ленточного фундамента, необходимые выкладки и вспомогательные характеристики регламентированы СНиП 2.02.01-83, а практический пример расчета поможет детальнее разобраться в методике.

Принятые обозначения при расчетах осадки фундамента ленточного типа

1. S – значение осадки;
2. δzϐn – усредненное напряжение по вертикальной оси в n-м слое почвы;
3. hn, En – толщина деформации и модуль деформации n-го слоя почвы;
4. γn – удельная масса почвы в n -ом слое;
5. hn – толщина n-го слоя почвы;
6. ϐ = 0,8 –коэффициент для любых типов грунтов.

В качестве примера возьмем ленточную основу фундамента с шириной 1200 мм (b) и заложением на глубину 1800 мм (d).

В примере фундамент обустраивается на грунте, состоящем из 3-х разнородных слоев почвы. Суммарное давление на грунт под основанием ≈ 285000 кг•м −1 •с −2 . Для слоев определены следующие значения:

1. Первый слой – сухой грунт со средними значениями пористости и плотности, главная составляющая грунта –песок с мелкой зернистостью, пористостью ҽ1 = 0,65; плотностью γ1 = 18,70 кН/м³, уровнем деформации Е1 = 14400000 кг•м −1 •с −2 ;
2. Второй слой – влажный песок крупных фракций с плотностью, пористостью и степенью деформацией: ҽ2 = 0,60, γ2 = 19,20 кН/м³; Е2 = 18600000 кг•м −1 •с −2 ;
3. Третий слой грунта – суглинистая почва с показателями: ҽ3 = 0,180; γ3 = 18,50 кН/м³; Е3 = 15300000 кг•м −1 •с −2 ;

В примере мы используем данные об исследованиях грунта от геодезической и геологической региональных служб, согласно которым грунтовые воды на участке застройки залегают на глубине 3800 мм. Такая глубина залегания некритична даже для глубокозаглубленных основ, и влияние грунтовых вод на прочность можно считать минимальным, а на практике – нулевым.

Так как стандартные расчеты послойного суммирования основан на том, что создаются несколько этюдов напряжений в почве по вертикальным осям, то для их создания и расчета предельных нагрузок на грунт будем использовать следующие факторы:

• Верхний уровень поверхности δzϐ ≈ 0, на уровне подошвы фундамента 1800 мм δzϐ0 = γ1d = 18,7Κ • 1,8 = 33660 кг•м −1 •с −2 ;

Затем рассчитываются ординаты эпюр вертикальных напряжений на пересечениях слоев почвы:

• δzϐ1 = δzϐ 0 + (h1-d) = 33,66 + (2,8 • 1,8) • 18,7 = 52360000 кг•м −1 •с −2 ; и δzϐ2 = δzg1 + γsbh2 = 52,36 + 10,38 • 4,2 = 95940000 кг•м −1 •с −2 .

Принимаем во внимание, что средний (второй) слой грунта – влагонасыщенный, поэтому необходимо рассчитать максимальное давление водяного столба:

• γsb1 = (γs2 – γw) / (1 + ҽ2) = (26,6 – 10,0) / (1 + 0,60) = 10380000 кг•м −1 •с −2 ;
• γsb2 = (γs2 – Yw) / (1 + ҽ2) = (26,6 – 10,0) / (1 + 0,601) = 10,380000 кг•м −1 •с −2 .

Из расчетов и их описания понятно, что на третий грунтовый слой давят не только верхние слои почвы – на него давит и столб воды, поэтому методы расчета осадок эпюр напряжений по нижнему уровню основания должны учитывать следующие моменты:

• δzϐ3 = δzϐ1 + + γ3 • h3 = 95,94 + 18,5 • 6,0 = 251340000 кг•м −1 •с −2 .

А также давление под нижним уровнем фундамента:

• P0 = P – δZϐ0 = 285,0 – 33,66 = 251340000 кг•м −1 •с −2 .

Значения этюдов напряжений берутся из таблиц СНиП 2.02.01-83, и согласно подставленным значениям осадка первого слоя грунта S1 будет равна:

• S1 = 0,8 • 50 / 14400 • ((251,43 + 215,0) / 2 + (215,0 + 158,0) / 2)) = 11,6 мм.

Формула расчета для осадки второго слоя грунта с крупнозернистым песком:

• S2 = 0,8 • 50 / 18600 • ((158,0 + 120,0) / 2) + (120,0 + 90,0) / 2 + (90,0 + 75,0) / 2 + (75,0 + 62,0) / 2 + (62,0 + 54,0) / 2 + (54,0 + 49,0) / 2 + (49,0 + 46,0) / 2) + (46,0 + 43,0) / 2 • (0,8 • 20 / 18600) = 1,34 + 0,04 = 138 мм.

Формула расчета для осадки третьего слоя грунта из суглинка:

• S3 = 0,8 / 15300 • (50 • 37,5 + 30 • 33,0) = 1,5 мм.

Суммарная осадка основания объекта составляет:

Если сравнить результаты с параметрами, регламентированными СНиП для объектов, стоящих на ленточном основании на указанных типах почвы, значение осадки расположено нормативных пределах.

Чем примечательна методика послойного суммирования осадок

1. Применяя метод послойного суммирования осадок грунта, легко просчитывается осадка любых типов фундаментов, невзирая на их геометрию, структуру и габариты;
2. Методика позволяет манипулировать множеством параметров грунтовых слоев с учетом уровня залегания грунтовых вод;
3. Этим способом можно точно рассчитывать монолитные и линейные фундаменты с использованием значений напряжений в скальных породах грунта под фундаментом;
4. Реализация этой методики позволяет пользоваться не только методом расчета угловых переменных, но и для расчета всевозможных разрезов по вертикали.

У этой методики существуют недостатки: Это довольно сложные ручные расчеты (если не пользоваться специальными онлайн или компьютерными программами), поэтому любителю оперирование формулами недоступно. Методика расчетов занимает много времени, поэтому чаще всего применяется для расчетов фундаментов крупных, тяжелых и массивных строительных объектов с основанием глубокого заложения. В индивидуальном строительстве метод непрактичен, поэтому не применяется.