Как рассчитать нагрузку на фундамент

Как рассчитать нагрузку на фундамент

Главный вопрос, на который требуется безошибочно ответить, затевая строительство, касается выбора типа фундамента, определения его конструкционных данных, позволяющих воспринимать все предполагаемые нагрузки. Точный ответ на этот вопрос может дать только расчет фундамента по нагрузке, выполненный профессиональным проектировщиком. Для беспроектного строительства, которое активно ведётся в частном секторе, многие сервисы предлагают калькулятор, который сам выполнит математические действия. Чтобы им воспользоваться, нужно иметь перед глазами чертёж дома с размерами, а так же иметь полное представление обо всех конструкциях здания. Главная из них – это, конечно же, фундамент.

Виды фундаментов для дома

Выбор типа фундамента целиком основывается на прочностных характеристиках грунта, рельефе участка и особенностях местного климата, наличия в почве подземных вод. В большинстве случаев, для одного и того же объекта можно применить не какой-то один, а разные типы основания. Обычно проектировщики просчитывают по сметной стоимости несколько вариантов, и осуществляют выбор по экономической целесообразности.

Ленточный фундамент

Весь процесс проектирования фундаментов строится на математических расчётах, и только после изучения свойств почвы на отведённом под строительство участке. В наибольшей степени это касается ленточных фундаментов, так как пространственно они самые неустойчивые, и могут не только прогибаться, но и сдвигаться в подошве и даже опрокидываться.

Неблагодарное это дело, голословно советовать, где такой фундамент можно поставить, а где нельзя. Такой выбор, без точной оценки обстановки и расчёта, всё равно что лотерея – а в ней, как известно, везёт немногим.

• Тем не менее, в частном домостроении чаще применяют именно ленточный фундамент, так как порой для его заливки даже не нужно ставить опалубку. При правильном определении ширины, глубины и конфигурации сечения ленты, она обладает отменной несущей способностью, что очень важно для зданий, строящихся из тяжёлых каменных материалов. Ячеистый бетон хоть и не очень тяжёлый, но во избежание трещинообразования, для него важно наличие прочного и статичного основания.
• Фундаментные ленты могут возводиться из сборного бетона и железобетона (блоки ФБС и УДБ) и кладочных материалов (постелистый бутовый камень и полнотелый глиняный кирпич). Но самым надёжным материалом является бетонный монолит – с наполнением из бутового камня или арматурным пространственным каркасом. Наиболее популярен последний вариант, так как бутовый камень далеко не в каждом регионе доступен по цене.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов
строитель, начинающий автор

Монолитные фундаментные ленты в возведении более трудоёмки, чем сборные, но под газоблочные дома они подходят лучше, так как обладают наибольшей жёсткостью. Особенно это касается домов с подвалом или цокольным этажом: монолит герметичен и позволяет создать наиболее надёжный гидроизоляционный барьер. Благодаря отсутствию стыков, которые нужно было бы заделывать, такие ленты получаются даже более экономичными.

При закладке фундамента в зоне промерзания, насыпные слои увеличивают по толщине – чтобы заменить слабый слой грунта и нейтрализовать силы морозного пучения. Идеальное средство для борьбы с вертикальными и боковыми силами пучения – это закладка утеплителя под подошвой ленты и под отмосткой. Чтобы понимать, что именно нужно сделать, необходимо обладать информацией, которую и даёт предварительное исследование грунта.

Монолитная плита

Вариант, который даже в беспроектном строительстве не создаёт проблем – это монолитная плита — хотя естественно, тоже требуется рассчитать нагрузку на фундамент. Сплошной монолит подходит практически для любых грунтов, в том числе слабопрочных, неравномерно сжимаемых и переувлажнённых. Вероятность просадок грунта здесь минимальна, так как плита имеет большую площадь опоры и давит равномерно.

Ещё одним преимуществом является возможность строительства незаглублённого варианта, с закладкой в грунт только слоёв подфундаментного пирога (песчаных подушек, подбетонки, тепло- и гидроизоляции). Объём земляных работ и затраты на опалубку при этом минимальны, а вкупе с отсутствием необходимости формирования пола, повышенный расход бетона и металла на формирование монолита неплохо компенсируется.

Вот и весь объем земляных работ

Уменьшить толщину — а значит, сэкономить бетон, при формировании фундамента позволяет совмещение плиты с лентой, выполняющей роль рёбер жёсткости. Лента может являться опорой для плиты (когда направлена в грунт и находится снизу), а так же, располагаясь поверх плиты, выполнять функции цоколя. Заложенные в грунт рёбра не только уберегают плиту от возможного сдвига, но и принимают львиную долю нагрузок на себя.

Это позволяет уменьшить горизонтальную часть монолита до 200-250 мм, тогда как строительные нормы предусматривают минимальную толщину плиты 500 мм. Но тут, конечно, тоже всё зависит от конкретных нагрузок. Плита с таким конструктивом идеально работает на изгиб, а при правильно выполненном дренаже (ведь тут воздействуют не только грунтовые воды, но и поверхностные), избавляет дома от многих проблем в регионах с холодным климатом.

Самые популярные проекты серии FH:

Общая площадь:

Общая площадь:

Общая площадь:

Недостатком плит в бесподвальных домах является отсутствие пространства для размещения коммуникаций, так как трубы приходится закладывать в жилом пространстве, под полом. Доступ к участкам трубопроводов, проходящих под самой плитой, для ремонта ограничен, приходится предусматривать запасные линии.

На вечномёрзлых грунтах такие фундаменты не строят, так как:

• Плиту в условиях непостоянного отопления трудно защитить от воздействия сил пучения.
• В мёрзлом состоянии любой грунт прочен, но при оттаивании структурная прочность теряется. Требуются дополнительные опоры в виде свай, а это увеличивает себестоимость фундамента.
• Под плиту придётся закладывать толстый слой утеплителя (не менее 200 мм), а это тоже немаленькая статья расходов.

Проблему с закладкой коммуникаций, а так же с обеспечением жёсткости, которая так нужна газобетонным стенам, помогает решить вариант плиты, рёбра которого «смотрят» вверх. Их высота в среднем составляет 30-40 см, и этого пространства, заполняемого утрамбованным песком, вполне достаточно для прокладки любого трубопровода. Сверху с опорой на цоколь заливается монолитное плитное перекрытие или устанавливаются балки с черновой обшивкой и утеплением – и полы дома надёжно отделены от коммуникаций.

Кладка опирается на рёбра жёсткости монолитной плиты

Столбчатый фундамент

Столбы являются вариантом точечного фундамента. Кроме них к этой категории относят ещё сваи – они похожи по форме, поэтому эти два вида опор часто путают. Разница между ними заключается в размере сечения, которое у столбов больше, и длине, которая у столбов меньше. А ещё, столбы могут возводиться из кладочного материала, тогда как сваи всегда либо штучные забивные, либо монолитные.

Высота столбчатых опор определяется границей промерзания грунта. Их максимальная высота составляет 2,5 м (такие опоры могут исполняться и с малым заглублением 50 см — правда, не для газобетонного дома). Чтобы создать надёжное основание под каменные стены, на поверхности грунта с опорой на столбы устраивается ростверк. Именно эта конструкция воспринимает нагрузки от веса здания и равномерно передаёт её на точечные опоры.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов
строитель, начинающий автор

Для формирования ростверка могут использоваться готовые заводские балки: обычные оконные перемычки с прямоугольным сечением, или рандбалки с сечением в форме трапеции. Но чаще всего в малоэтажном строительстве они попросту заливаются по опалубке.

Фактически, ростверк является вариантом наземной фундаментной ленты, и при его устройстве используются те же технологии. Разница только в том, что здесь кольцевая железобетонная балка опирается не на грунт, а на столбы. Поэтому называют такой фундамент столбчато-ростверковым. Он является одним из самых экономичных вариантов, но подходит не для всяких условий строительства.

Например, столбчатые опоры не проектируют на сильно просадочных и подвижных грунтах, на неровном рельефе, когда перепады отметок превышают 2 м. Не подходит данный вид фундамента и для формирования цокольного этажа, а так же для тяжёлых стен из кирпича или бетона с кирпичной облицовкой.

Как и в случае с ленточным фундаментом, уменьшить высоту столбов можно, если в подошвах предусмотреть уширение. Чтобы залить монолитный столб, под него приходится выкапывать шурф такого размера, чтобы в нём поместился и человек, устанавливающий опалубку. А чтобы можно было перемещаться из одной выемки в другую, шурфы соединяют между собой небольшими по ширине траншеями.

Как вариант, сразу копают широкий котлован. В обоих случаях объём земляных работ будет больше, чем при устройстве мелкозаложенной плиты. Да и опалубка имеет довольно сложную конфигурацию, особенно когда в подошве нужно предусмотреть уширения.

По этим причинам столбчатые фундаменты, как таковые, в частном домостроении практически не применяются. Чаще устанавливают опоры, сформированные по буронабивной технологии. В народе именно их называют столбчатым фундаментом, но по факту это не столбы, а сваи.

Свайный фундамент

Главным отличием от столбов является существенная длина свай, позволяющая прорезать негодные для строительства слои грунта, каковой бы ни была их толщина. Соответственно, даже на обводнённой территории или на торфяниках можно глубоко забить сваи, обвязать их ростверком и построить дом или любой другой объект.

Это единственный вид фундамента, который подходит для любых проблемных грунтов: просадочных, набухающих, размокающих, вечномёрзлых. Свайный фундамент не целесообразен только для скальных грунтов — в них сложно вбуриваться, да и нет никакой необходимости, так как грунт обладает отменной прочностью.

Оптимальность такого выбора тоже должна быть подтверждена анализом почвы. Кроме того, нужно учитывать и эти данные:

1. сейсмоактивность региона;
2. конструкцию здания;
3. рельеф местности;
4. наличие близрасположенных зданий и коммуникаций;
5. суммарные нагрузки, воздействующие на фундамент.

Сваи часто комбинируют с фундаментными лентами или плитами, в этом случае они являются армирующими элементами грунта. Это самые дорогие варианты фундаментов, но и условия для строительства бывают совсем не благоприятными.

Основным признаком классификации свай являются способы их установки:

• К забивным сваям относят все варианты сборного железобетона, которые устанавливаются в заранее пробуренную скважину при помощи механизмов – и не только ударных, но и вдавливающих, вибрационных. Такие сваи могут иметь различные формы сечения (не только круг или четырёхугольник, но и трапецию или призму), быть полыми или полнотелыми. По материалу такие сваи могут быть не только железобетонные, но и стальные и даже деревянные.
• К винтовым относят только те сваи, которые имеют как минимум одну лопасть и устанавливаются путём завинчивания в грунт. Изготавливают из железобетона и металла. Второй вариант под газобетонный дом не очень подходит – разве что когда сваи обвязываются железобетонным ростверком. При этом полости свай должны заполняться бетонной или пескоцементной смесью и хорошо герметизироваться привариванием заглушек. Бетонные винтовые сваи в частном домостроении и вовсе редкость.
• Набивными сваями называют опоры, установленные в скважины. Причём, они не бурятся, а образуются в результате принудительного выдавливания грунта. Тут есть несколько технологий, в которых используются механизмы с разным принципом действия (вытесняющего, виброштампующего и т.д.). Главное отличие в том, что бетон укладывается прямо в грунтовую скважину, без обсадки.
• Буровые сваи отличаются от набивных только тем, что укладка бетона производится по предварительно пробуренным скважинам. Способ очень удобно использовать при прохождении водоносных пластов, когда стенки скважины нужно сразу же укреплять (например, в размокающей глине). Для этого может быть использована обсадная труба чуть меньшего диаметра — между её стенками и грунтом заливается раствор бентонитовой глины. Потом труба удаляется, а полость скважины бетонируется. Есть и ещё минимум 5 технологий устройства буровых свай, разница между ними зависит от типа применяемого оборудования.

Не будем расписывать особенности технологий — скажем лишь о тех, что применяются в частном строительстве. В основном, это комбинация набивных и буровых свай, которую называют буронабивным фундаментом. Для его устройства пробуривают скважины и заполняют их бетоном прямо в грунт. Как вариант, если прочностные характеристики почвы слабые или она переувлажнена, может использоваться неудаляемая обсадка из асбоцементных труб.

Скважины под буронабивные опоры с обсадкой из асбоцементных труб

Наибольшей устойчивостью такие сваи будут обладать при наличии камуфлетной пяты (уширения в подошве), что позволяет и несколько уменьшить глубину заложения. Сделать такое уширение можно с помощью специального приспособления – бура ТИСЭ. У него есть откидной чашеобразный плуг, который надевается на штангу после того, как скважина уже пробурена. Такая технология даёт возможность выполнять уширение основания без разработки котлована или шурфа большого размера, что сводит объём земляных работ до минимума. Высота такой сваи обычно соответствует глубине промерзания, но не может быть меньше 1,5 м.

Принцип формирования сваи по технологии ТИСЭ

Сваи должны на 20 см возвышаться над уровнем грунта с тем, чтобы оголовки можно было замонолитить в ростверк. Для этого вокруг скважины устанавливают опалубку из 4-х дощечек, с помощью которой и формируется продолжение сваи. Чтобы упростить себе задачу и обходиться без опалубки, многие просто оставляют выпуски арматуры нужной длины. Избавить от опалубки может и обсадная труба. Это дополнительные затраты и каждый застройщик решает сам, взять их на себя или нет.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов
строитель, начинающий автор

Если в регионе зимой выпадает много снега, и первый этаж дома нужно поднять повыше, делать это выгоднее не за счёт увеличения высоты ростверка, а за счёт большого вылета надземной части свай. В этом случае, гораздо проще формировать их по обсадной трубе, либо попросту отдать предпочтение заводским ЖБ изделиям.

Как выбрать тип фундамента для дома

В первую очередь выбор типа фундамента попадает в зависимость от конструктива нулевого цикла – а именно, наличия или отсутствия у него подвала. Вариант с подвалом обычно предпочитают жители сельской местности и хозяева дачных участков, ведь помещения под домом избавляют от необходимости строить дополнительно погреба или другие помещения для хранения продуктов питания. Горожане нередко предпочитают цокольный этаж, в котором можно расположить и все технические помещения, а так же оборудовать прачечную, сауну, мини-спортзал — не говоря уже про гараж, под который на маленьких участках, выделяемых под ИЖС, вечно не хватает места.

Отказ от подвала обычно продиктован или его ненадобностью, или наличием противопоказаний, связанных с геологической обстановкой: повышенный УГВ или чрезвычайно плотный грунт, разработка которого слишком дорого обходится. Если таких противопоказаний нет, для формирования в нулевом цикле помещений можно применить только ленточный или плитный фундамент.

В этом случае, лента кроме функций фундамента будет исполнять ещё и роль стен подвального помещения. Что же касается плитного фундамента, то опираемые на него стены являются просто ограждающими конструкциями. Если они монолитные, то совмещаются с рёбрами жёсткости плиты.

Если в бесподвальном доме между плитой фундамента и цокольным перекрытием получается лишь небольшое пространство, используемое для закладки коммуникаций, то когда плита заглублена, образуются полноценные помещения. Однако и в этом случае, как и во всех остальных, нужно учитывать геологическую обстановку.

Учет состояния грунта

Грунт исследуется перед началом проектирования. Основной целью это действа является выявление проходящих в почве процессов, которые могут быть опасными для заложенных в неё сооружений (оползни, плывуны, суффозия, размокание). Кроме этого требуется изучить структуру слоёв земли, их механические характеристики, степень влажности и коррозионной активности. Полученные данные помогут выбрать наилучший вариант, устойчивый к имеющимся неблагоприятным факторам, а так же просчитать его экономическую целесообразность.

Отсутствие всестороннего анализа может привести к печальным последствиям – начиная от разрыва трубопроводов на вводе в здание, и заканчивая перекосом или опрокидыванием дома. Для исследования в грунте бурятся скважины и берутся пробы непосредственно в пятне застройки минимум в пяти точках: по углам здания и по центру.

Пробы обычно подвергаются анализу в лаборатории, но могут исследоваться и в полевых условиях. Последний вариант чаще всего используется при необходимости устройства свайного поля, и даёт возможность определить лучший способ погружения опор.

В лабораториях с помощью проб выявляют:

• подгруппу грунта в соответствии с классификацией;
• состав пласта, его физические свойства и механическое состояние;
• однородность по площади застройки и глубине пласта;
• нормируемые характеристики;
• оценивается вероятность изменений характеристик грунта при строительстве и эксплуатации.

Каждый тест проводится трижды, и за итог берётся среднее арифметическое. Исследуются не только рыхлые пробы, но и в виде монолита с ненарушенной плотностью. В лаборатории оценивается их зерновой состав, плотность и прочность, процент влажности. Основной тест выявляет степень деформации грунта при сжатии, и проводиться он может разными способами — с помощью штампа, прессиометра, зонда, стабилометра. Это зависит от типа грунта, ведь нередко приходится изучать не только характер деформации, но и определять консистенцию каждого слоя.

Одним из главных показателей грунта является величина осадки – это разница между исходным положением, и положением после смещения под нагрузкой. Именно от результатов этого теста зависит расчет подошвы фундамента, когда речь идёт о лентах или столбах. Задача проектировщика состоит в том, чтобы назначить такие габариты фундамента, которые позволят ему осаживаться равномерно, так как именно неравномерная осадка является причиной проблем с трещинообразованием.

Даже когда верхний слой грунта при испытаниях показывает одинаковую величину осадки, он будет неодинаково воспринимать разные нагрузки. Поэтому немалое значение при подборе фундамента или комбинации двух конструкций имеет конструктив здания, в котором может быть переменная высота, пристройки и надстройки. Это отличающийся вес – а значит, и неодинаковые нагрузки, которым грунт должен сопротивляться.

СП 22.13330 предлагает таблицы расчётных сопротивлений по разным типам грунта, на основе которых можно выполнить предварительные расчёты. Но точные данные можно получить только с использованием фактических показателей, полученных в процессе изучения грунта. Особо анализируется верхний слой грунта, в котором может накапливаться стекающая с поверхности вода. Чем больше в почве пор, тем больше она может собрать воды – особенно, если под рыхлым слоем идёт водоупор из глины.

Лёд, образующийся при отрицательных температурах, занимает больше места, чем вода. Увеличивая объём, он выталкивает твёрдые прочные частицы земли на поверхность, провоцируя вспучивание грунта — и это происходит по всей толще промёрзшего слоя. Чтобы понимать, где проходят границы слоя, нужно не просто выяснить среднестатистический уровень промерзания почв в данном регионе.

Необходимо определить УПГ в зависимости от вида грунта, ведь не все они одинаково промерзают. В одном и том же городе глина может промерзать на 130 см, а крупнообломочный грунт – на все 190 см. И это ещё один повод сделать анализ грунта перед тем, как приступить к проектированию.

Расчет фундамента

Разобравшись с характеристиками грунта, можно приступать к расчету веса дома. Каждый вид фундамента требует своего подхода, поэтому говорить обо всём и сразу не получится. Рассмотрим, как рассчитать нагрузку на фундамент на примере плитного монолита.

Расчет нагрузки на фундамент вручную

Чтобы определить толщину плиты, нужно рассчитать нагрузку на фундамент. Для этого нужно иметь представление об архитектуре дома – учитываются не только размеры всех конструкций, но и применяемые для их устройства материалы. Возьмём для примера такие условия задачи:

1. дом одноэтажный с мансардой, размер в плане 10*8 м;
2. стены из газобетона толщиной 375 мм (общая площадь составляет 162 м²);
3. внутренние перегородки из гипсокартона, площадь 120 м²;
4. цокольное и мансардное перекрытия деревянные по балкам, площадь 160 м²;
5. кровля из металлочерепицы, с учётом 30-градусного наклона площадь составляет 90 м²;
6. зимняя нагрузка от снега – 170 кг/м².

В строительных нормах есть уже готовые расчётные нагрузки в кг/м² для любой конструкции, в зависимости от материала её изготовления. Чтобы вычислить фактические нагрузки, нужно расчётную цифру умножить на площадь и на коэффициент надёжности (это тоже нормируемое значение).

Вот как будет выглядеть наша таблица расчета с нагрузкой на фундамент:

Определение нормативной нагрузки	Коэффициент надёжности	Определение расчётной нагрузки
Стены: 162 м²*600 кг/м² = 97200 кг	1,1	106920 кг
Перегородки: 120 м²*30 кг/м² = 3600 кг	1,2	4320 кг
Перекрытия: 160 м²*150 кг/м² = 24000 кг	1,1	26400 кг
Крыша: 90 м²*60 кг/м² = 5400 кг	1,1	5940 кг
Полезная нагрузка: 160 м²*150 кг/м² = 24000 кг	1,2	28800 кг
Снеговая нагрузка: 90 м²*170 кг/м² = 15300 кг	1,4	21420 кг
Всего сумма нагрузок:	193800 кг

Так как плита у нас будет со всех сторон выступать на 10 см относительно цоколя, её площадь составит:
10,1*8,1 = 81,81 м² или 818100 см².

Удельная нагрузка на почву от веса дома высчитывается делением суммы нагрузок на площадь плиты:
193800 кг : 818100 см² = 0,24 кг/см².

Если, к примеру, строительство ведётся на суглинках и их несущая способность определена лабораторно, как 0,32 кг/см², нужно произвести вычитание и выявить разницу с полученным нами результатом:
0,32 – 0,24 = 0,08 кг/см². Это та нагрузка, которую восполнит сама плита.

Высчитываем массу монолита, умножив разницу в нагрузках на площадь плиты. Получаем:
М = 0,08 кг/см²*818100 см² = 65448 кг.

Теперь, разделив массу на плотность железобетона и его площадь, определяем толщину плиты:
T = 65448 кг : 2500 кг/м³ : 81,81 м² = 0,32 м.

Толщины плит округляют до ближайших 5 см. При полученном нами значении можно взять как 35 см, так и 30 см. Просчитывая вариант, нужно удостовериться, выдержит ли грунт его вес вместе с домом, для чего производится проверка.

Источник https://full-houses.ru/kak-rasschitat-nagruzku-na-fundament/