Несущая способность грунта: исследование, определение, расчет

Чем важна несущая способность?

Важно! Она представлена значимым параметром кровельного материала, так как она показывает, какая максимальная нагрузка может воздействовать на покрытие или отдельные листы, а при этом не будут элементы деформированы или разрушены. При расчете этого показателя для кровельных материалов исчисление ведется в кг/1 кв

При расчете этого показателя для кровельных материалов исчисление ведется в кг/1 кв. м.

Во время расчетов возникают определенные сложности. Дело в том, что определить нагрузку на стену достаточно просто, но оценить этот показатель в отношении кровельного покрытия намного сложней, так как покрытие располагается сверху дома. Поэтому при расчетах учитываются некоторые факторы воздействия на кровлю:

собственный вес покрытия, для чего надо изучить сопроводительную документацию к профнастилу, после чего масса одного листа умножается на количество элементов, используемых на крыше;
вес мусора, который обычно скапливается на поверхности осенью;
учитывается максимальное количество воды, которое может удерживаться на крыше, а также рассчитывается воздействие даже самого сильного ливня;
предполагается, сколько снега может находиться на покрытии, а также каким весом при этом он будет обладать;
дополнительно учитывается воздействие ветра, причем оно зависит от того, в каких климатических условиях построен сам дом.

Важно! Все вышеуказанные воздействия учитываются еще на этапе формирования проекта будущей крыши и кровельного покрытия. Если неправильно будет рассчитана несущая способность крыши, то это приведет к тому, что может разрушаться покрытие

Если выбираются не слишком прочные материалы для кровли, к которым относится рубероид или черепица, то они укладываются исключительно на сплошную обрешетку, создаваемую из прочной древесины

Если неправильно будет рассчитана несущая способность крыши, то это приведет к тому, что может разрушаться покрытие. Если выбираются не слишком прочные материалы для кровли, к которым относится рубероид или черепица, то они укладываются исключительно на сплошную обрешетку, создаваемую из прочной древесины.

Несущая способность профнастила считается достаточно высокой, но даже при значительной прочности стального материала, важно грамотно заранее рассчитывать этот показатель, что позволит выбрать правильные размеры и параметры обрешетки

Как определить, достаточна ли выбранная площадь фундамента

Чтобы понять, выдержит ли земля вес конкретной постройки (достаточна ли площадь фундамента), проделывают следующие операции:

Определяют тип почвы, по таблицам находят его несущую способность.
Определяют общую массу дома: фундамента, стен и перегородок, кровли. Данные модно взять из проекта, если уже выбран материал стен и других конструкций. Нельзя забыть вес несущих конструкций, и даже будущей обстановки.
Итоговую массу делят на НС (сопротивляемость), можно взять приблизительное значение.

Если в процессе вычислений оказалось, что НС недостаточная для такой постройки, необходимо принимать меры. Чаще всего решают увеличить площадь ленточного фундамента; иногда выбирают практичное решение: заливают монолитную плиту на ленте.

Закладка фундаментаИсточник tvoystroy.ru

О методе расчетов НС в следующем видео:

Возведение свайно-винтового фундамента на болоте

Ещё на этапе планирования дома и, соответственно, выбора типа фундамента, необходимо провести пробное завинчивание, которое даст необходимые сведения о требуемой длине свай. Толщина свай и шаг их размещения определяется в соответствии с предполагаемыми нагрузками, но в среднем диаметр винтовых свай может варьироваться от 57 до 133 мм, а расстояние между ними составлять от 1,5 до 2,5 м. Глубина погружения, как правило, составляет от 1,5 м и больше. Технологию возведения свайно-винтового фундамента можно разделить на следующие этапы:

Разметка участка. Чем больше и тяжелее будет дом, тем больше понадобится соответствующих размеров опор. Размечают участок в соответствии с составленным ранее планом, для чего можно использовать деревянные колышки

Важно правильно выбрать шаг размещения свай, а также учесть тот факт, что несущие стены дома должны обязательно опираться на сваи. Вкручивание свай

После того как площадка размечена, приступают к вкручиванию опор

Вкручивание свай. После того как площадка размечена, приступают к вкручиванию опор

Для увеличения несущей способности фундамента, сваи закручивают до тех пор, пока не будет чувствоваться явное сопротивление вкручиванию, поэтому длина опор должна быть взята с запасом. Следует отметить, что эта точка сопротивления может быть различной на участке, поэтому глубина завинчивания свай также будет неидентичной. По окончании вкручивания всех свай, приступают к их обрезке в один уровень при помощи болгарки с дисками по металлу. Данный этап строительства фундамента, несмотря на кажущуюся трудоёмкость работ, довольно легко выполняется за 1−2 дня;

Бетонирование. Для увеличения жёсткости и прочности фундамента на болоте внутрь опор заливают бетонный раствор;

Приваривание оголовков. Оголовки представляют собой некие площадки диаметром, в два раза превышающим диаметр опор. При помощи сварочного аппарата данные элементы привариваются. Во избежание образования коррозийных процессов все сварочные швы обрабатываются краской на эпоксидной основе.

На этом возведение свайно-винтового фундамента окончено. Ещё одним преимуществом применения именно этого типа фундамента является отсутствие периода усадки, что позволяет приступить к следующему этапу строительства уже на следующий день. В некоторых случаях вместо оголовков используют швеллер, которым, так сказать, обвязывают все установленные сваи.

Возведение фундамента на болоте хоть и относится к одному из наиболее сложных и трудоёмких строительных этапов, не является невыполнимой задачей. Поэтому при правильном подходе, грамотном проведении всех расчётов и исследований, а также соблюдении технологических требований, проблем даже на такой неустойчивой почве возникнуть не должно.

Несколько слов о насыпном грунте

Свойства естественного грунта и насыпного различаются. Во-первых, естественное основание спрессовалось за многие годы, достигнув максимальной на данное время несущей способности. В свою очередь насыпной грунт самоуплотняется на протяжении сопоставимо малого промежутка времени, он неоднородный, поэтому предсказать его поведение при строительстве фундамента очень сложно. В таблице ниже мы привели ориентировочные значения несущей способности и времени на самоуплотнение некоторых видов насыпных грунтов.

Виды насыпных грунтов	Ориентировочное время, необходимое для самоуплотнения грунта, лет	Примерная несущая способность при дополнительном уплотнении, кг/см2
Глинистые	2÷5	1,5÷2,5
Песчаные	0,5÷1	2÷3
Крупнообмолочные	0,2÷1	2,5÷3,5

Насыпной грунт используют в двух случаях:

когда необходимо изменить рельеф участка. Если вы купили загородный участок, который был частично засыпан насыпным грунтом, придется дополнительно проводить геологические исследования почвы. Ведь в данном случае непонятно, уплотнялось ли искусственно основание, либо самоуплотнялось с течением времени. Большую опасность представляет неоднородный состав грунта, поэтому он подлежит самому тщательному анализу;
когда грунт на площадке под застройку не соответствует требованиям по несущей способности. Например, планируется строить фундамент на торфе, который сложно назвать идеальным основанием для дома. Если слой торфа невелик, то его можно заменить другим материалом, например, песком или гравием

Мероприятия по улучшению характеристик насыпного грунта

Вы должны понимать, что характеристики любого грунта можно изменить искусственно. Как правило, все сводится к повышению его несущей способности и нивелированию пучинистых явлений:

дать время грунту для самоуплотнения. Вариант не самый быстрый, зато экономичный;
уплотнить насыпной грунт спецтехникой;
достаточно дорогие способы подразумевают упрочнение основания путем его цементации, силикатизации и других технологий обработки;
дренировать, утеплить основание для уменьшения глубины промерзания и понижения уровня грунтовых вод;
при необходимости устраивают песчаные, гравийные и прочие подушки – осуществляют замену грунта в ситуациях, когда необходимо строить фундамент на просадочных грунтах;
крайний вариант – использование свайного фундамента, подошва которого залегает ниже пласта насыпного грунта

Выбор фундамента при строительстве на насыпном грунте

Учитывая тот факт, что насыпные грунты относятся к группе сложных, при отсутствии опыта в расчете оснований лучше поручить строительство фундамента специалистам: они оценят грунт, смогут подобрать оптимальный вариант фундамента. По крайней мере, серьезные компании дадут гарантию на выполненные работы. Если же решили все делать своими руками, то варианты фундаментов могут быть следующие:

плитный фундамент, который позволяет использовать все пятно застройки, создать максимальную площадь подошвы и обезопасить дом от неравномерных деформаций. Плита – удовольствие дорогое, требует тщательного армирования фундамента, что закономерно повышает стоимость монолита;
устройство ленточного фундамента требует серьезного анализа грунта. Не поленитесь выкопать пару шурфов и оценить состояние пластов насыпной почвы. После проведения расчетов, можно задумываться над возведением либо мелкозаглубленной, либо заглубленной ниже ГПГ жесткой железобетонной ленты. Стоит отметить, что возведение ленты более трудоемкое, нежели заливка плиты;
не стоит пренебрегать использованием столбчатого (свайного) фундамента. Чаще всего такой вариант используют на насыпном грунте, который уже успел уплотниться и на определенной глубине приобрел достаточную несущую способность. Можно строить такие опоры и при условии, что известна толщина слоя насыпного материала, заглубляя сваи в толщу «родного» грунта

Получается, что практически любой тип фундамента можно строить на насыпном грунте. Единственно, нужно предусмотреть величину усадки и выбрать вариант, при котором местные деформации не приведут к нарушению целостности фундамента. Конечно, при условии, что насыпной материал был планово засыпан и уплотнен в вашем присутствии, все работы по устройству фундамента упрощаются и можно спрогнозировать будущие изменения, происходящие в толще почвы.

Расчет нагрузки кровли

Нагрузка кровли распределяется между теми сторонами фундамента, на которые через стены опирается стропильная система. Для обычной двускатной крыши это обычно две противоположные стороны фундамента, для четырехскатной – все четыре стороны. Распределенная нагрузка кровли определяется по площади проекции крыши, отнесенной к площади нагруженных сторон фундамента, и умноженной на удельный вес материала.

Таблица 3 – Удельный вес разных видов кровли

Справочная таблица – Удельный вес разных видов кровли

Определяем площадь проекции кровли. Габариты дома – 10х8 метров, площадь проекции двускатной крыши равна площади дома: 10·8=80 м2.
Длина фундамента равна сумме двух длинных его сторон, так как двускатная крыша опирается на две длинные противоположные стороны. Поэтому длину нагруженного фундамента определяем как 10·2=20 м.
Площадь нагруженного кровлей фундамента толщиной 0,4 м: 20·0,4=8 м2.
Тип покрытия – металлочерепица, угол уклона – 25 градусов, значит расчетная нагрузка по таблице 3 равна 30 кг/м2.
Нагрузка кровли на фундамент равна 80/8·30 = 300 кг/м2.

Мы проводим исследование грунта

Если в решили воспользоваться услугами специалиста, то исследование грунта включает в себя несколько простых этапов:

на место будущей стройки прибывает бригада геологической службы и при помощи бурильной установки проделывают скважину глубиной 4-7 метров;
полученные образцы направляются в лабораторию для анализа по итогам которого клиент получает заключение с подробным описанием свойств и особенностей грунта;
на основе полученных данных можно делать выводы о типе будущего фундамента, а его площади , и количестве и видах сваи.

Интересный материал:

Фундамент на сваях
Усиление фундаментов

Что влияет на несущую способность грунта

Несущие свойства грунта — это один из главных исходных параметров, который необходимо знать при проектировании фундаментов любого типа. Именно от них зависит, сможет ли конкретный участок почвы выдерживать передаваемую на него фундаментом нагрузку, исходящую от массы здания.

Рис. 1.1: Схема работы сваи в плотном слое почвы Исходя из несущей способности определяется требуемая площадь опирания железобетонной сваи на грунт — чем ниже данная характеристика, тем большего сечения нужно использовать ЖБ сваи.

На величину несущей способности почвы оказывают влияние три основных фактора:

Тип почвы;
Плотность грунта;
Уровень залегания грунтовых вод.

На практике наибольшая взаимосвязь наблюдается между несущими характеристиками и влажностью грунта, которая непосредственно связана с уровнем грунтовых вод. Конкретный грунт, в сухом состоянии и при пропитке влагой, может изменять свои несущие свойства в двукратных пределах.

Совет эксперта! Данная взаимосвязь не свойственна песчаным грунтам крупных и средних фракций, на них увлажнение не оказывает никакого влияния.

Любой грунт, кроме скальных пород, по своей структуре напоминает губку — он состоит из отдельных частиц и пор между ними, пространство которых заполнено влагой либо воздухом. При сильных внешних нагрузках происходит уменьшение объема грунта из-за его механического уплотнения, что приводит к усадкам почвы и, как следствие, деформации стоящих на ней фундаментов.

Рис. 1.2: Внешний вид разных видов грунта

Чем больше изначальная плотность почвы, тем лучшими несущими характеристиками она обладает. Плотные грунты не подвергаются усадкам, при правильном проектировании фундамента они способны выдерживать даже тяжелые многоэтажные здания.

Совет эксперта! Плотность любого грунта растет по мере увеличения глубины его залегания (из-за давления вышерасположенных слоев почвы), строить свайные фундаменты можно даже на территориях с проблемным грунтом с низкими несущими характеристиками, при условии, что подошва сваи будет опираться на глубинный слой почвы, обладающий достаточной плотностью.

Важно! Любые работы с фундаментом должны начинаться с испытания грунтов, подробнее: Испытания грунтов

Как определяется несущая способность грунтов?

Несущая способность грунтов — это одна из его основных характеристик, которую необходимо знать при строительстве дома, она показывает какую нагрузку может выдержать единица площади грунта и измеряется в кг/см2 или т/м2.

Зачем нужна несущая способность грунтов?

По несущей способности грунта определяют, какой должна быть опорная площадь фундамента дома: чем хуже способность грунта выдерживать нагрузку, тем больше должна быть площадь фундамента. Сама несущая способность грунта зависит от трех факторов: тип грунта, степень его уплотненности и насыщенность грунта влагой. Увеличение влажности грунта снижает его несущую способность в несколько раз. Только крупные пески и пески средней крупности не меняют своих свойств при увеличении влажности. Избыточная влажность грунта, скорее всего, связана с высоким уровнем грунтовых вод.

Чтобы узнать несущую способность грунта не обязательно обращаться за помощью к геологам, в случае самостоятельного строительства дома можно определить тип грунта на глаз. Для этого простым земляным буром можно пробурить в земле скважину глубиной 2 м или выкопать яму лопатой. При этом сразу будет понятно, какой грунт находится на этой глубине и насколько он увлажнен. Далее по типу и увлажненности грунта определить его несущую способность.

Основные виды грунтов

На территории нашей страны в основном преобладают песчаные и глинистые грунты, за исключением болотистой местности с просадочными торфяными грунтами , а также горных хребтов и возвышенностей со скальными грунтами.

Отличить песок от глины не составляет труда: в песке ясно видны отдельные песчинки, при растирании песчаного грунта меду ладонями они отчетливо чувствуются. Крупный песок имеет размер частиц от 0,25 до 5 мм, такие частицы хорошо видны невооруженным глазом, а песок средней плотности имеет размер песчинок до 2 мм. Супесь содержит 3-10% глинистых частиц, в сухом состоянии она крошится, если скатать из нее шарик, то он рассыпается при легком давлении на него. Суглинок содержит от 10% — 30% глинистых частиц, обладает большей пластичностью, чем супесь. Если из суглинка сделать шар и раздавить его, то он превращается в лепешку с трещинами по краям. Глина – наиболее пластичный грунт, содержит более 30% глинистых частиц ,если раздавить шар, сделанный из глины, то он превратится в лепешку, на краях которой не будет трещин.

Как определить вид грунта?

Исследуемый образец грунта укладываем в стеклянную банку на ¼ её высоты;
Доливаем в банку воды до уровня ¾ высоты;
Добавляем в воду 1 чайную ложку средства для мытья посуды; закрываем банку крышкой и встряхиваем содержимое в течение 10 минут. За это время образец грунта разделится на составляющие; банку ставим и через 1 минуту отмечаем на ней маркером уровень песка, который осел на дне;
Уровень ила отмечаем через 2 часа;
Ждем пока вода станет прозрачной и отмечаем уровень слоя глины.
Процесс осадки глины достаточно длительный и может занять от 2 до 7 дней;
Находим толщину слоя песка, ила и глины. Например: уровень песка через 1 минуту составил 6 см, уровень ила 7 см от дна банки, уровень глины 10 см от дна банки. Тогда: толщина слоя песка 6 см, толщина слоя ила 1 см (7-6=1), толщина слоя глины 3 см (10-7=3), а общая толщина осадка 10 см;
Вычисляем относительную величину каждого вида осадка (в процентах): толщину слоя песка/ила/глины делим на общую толщину осадка, затем умножаем на 100 процентов: 6/10*100% =60% — содержание песка в %;
1/10*100%=10% — содержание ила (пыли) в %;
3/10*100%=30% — содержание глины в %.

Расчетное сопротивление грунта на разной глубине

Величины расчетного сопротивления грунтов (R0), приведенные ниже , даны для глубины заложения фундамента 1,5…2 м.

Если глубина заложения фундамента меньше чем 1,5 м. то расчетное сопротивление грунта (Rh) определяется по формуле: Rh = 0,005R0(100 +h/3), где h — глубина заложения фундамента в см.

Пример 1 Глинистый грунт на глубине 0,5 м при R0=4 кг/см2 будет иметь расчетное сопротивление грунта Rh = 2,33 кг/см2. Если глубина заложения фундамента больше чем 2 м. то расчетное сопротивление грунта (Rh) определяется по формуле: Rh = R0 + kg(h — 200), где h — глубина заложения фундамента в см, g — вес столба грунта, расположенного выше глубины заложения фундамента (кг/см2); к — коэффициент грунта (для песка — 0,25; для супеси и суглинка — 0,20; для глины — 0,15).

Пример 2 Глинистый грунт на глубине 3 м при R0=4 кг/см2 будет иметь расчетное сопротивление Rh = 10,3 кг/см2. Удельный вес глины — 1,4 кг/см2, а вес столба глины высотой 300 см — 0,42 кг/см2.

Решение

Эксцентриситет приложения нагрузки:

e = M/Fv = 60/260 = 0,23 м.

Приведенная ширина фундамента по формуле:

b’ = b — 2eb = 1,8 — 2× 0,23 = 1,34 м.

Приведенная длина фундамента по формуле: l’ = l = 0,9 м.

Отношение приведенной длины фундамента к его проведенной ширине:

η = l’/ b’ = 0,9 / 1,34 = 0,67.

при η < 1 для расчета коэффициент принимается η = 1.

Коэффициент ξγ по формуле: ξγ = 1 — 0,25/η = 1 — 0,25/1,0 = 0,75.

Коэффициент ξq по формуле: ξq = 1 + 1,5/η = 1 + 1,5/1,0 = 2,5.

Коэффициент ξc по формуле: ξc = 1 + 0,3/η = 1 + 0,3/1,0 = 1,3.

Проверка условия: tg δ < sim φ1; 0,27 < 0,34 — условие выполнено, следовательно, возможно вести дальнейший расчет по формуле.

Коэффициент Nγ = 0,82.

Коэффициент Nq = 3,64.

Коэффициент Nc = 7,26.

Влияние влажности грунтов на их несущие свойства

Очень большую роль играет содержание воды в грунте. Способность грунтов удерживать влагу зависит от типа и разновидности грунта, его плотности или пористости. Влажность грунта меняется по сезонам в течение года.

Некоторые типы грунтов в условиях повышенной влажности становятся очень сложным вариантом в качестве основания. Например, пылеватые пески и супеси, могут содержать в большом количестве очень мелкие глинистые частицы. Вследствие наличия этих мелких частиц такие грунты активно вбирают и слабо отдают воду. Насыщенные водой, эти мелкие частицы начинают играть роль смазывающего вещества между крупными частицами грунта. Уже при небольшом движении жидкости в пласте они переходят в плывунное состояние и легко перемещаются с водой. Фундамент может начать «тонуть» в таком грунте или «уплывать» — смещаться в сторону.

Любой грунт при увлажнении проседает и уплотняется.

В процессе своего существования грунт, расположенный ниже глубины промерзания, уплотняется до состояния «дальше некуда». Ничто не меняет это состояние в течение многих и многих десятков и сотен лет.

В то же время грунт, находящийся выше глубины промерзания, постоянно насыщается влагой и при сезонном промораживании увеличивается в объеме. Влага, находящаяся в порах, увеличивает объем этих пор на 10%.

Таким образом, скелет грунта, находящегося выше границы промерзания, ежегодно «встряхивается», становясь более пористым.

Например, глинистый грунт, находящийся ниже глубины промерзания, обладает минимальной пористостью и максимальной прочностью, а вот тот же грунт, находящийся выше точки промерзания, который и служит основанием для мелкозаглубленных фундаментов, обладает крайне высокой пористостью.

С высокой долей вероятности, супеси и глинистые грунты для мелкозаглублённого фундамента можно считать рыхлыми.

Надо ли проводить испытания грунта в основании фундамента?

Часто спрашивают: «Зачем проводить испытания грунта? Достаточно запроектировать фундамент для грунта с наихудшей несущей способностью».

Действительно, многие проектные организации предлагают готовые проекты домов с плитным фундаментом, рассчитанным на наихудшие грунтовые условия строительства. Но, из опыта проектирования и строительства известно, что чем большая информация имеется по грунтовым условиям застраиваемой площадки, тем меньшие затраты требуются на устройство фундаментов.

Выгоднее произвести незначительные затраты на испытания грунтов, отобранных застройщиком из шурфов, и подобрать фундамент по конкретным данным, чем без всяких обоснований использовать мощный, но дорогой, фундамент.

Особенно ощутима эта выгода при строительстве двух- и трёхэтажных зданий со стенами из кирпича и бетона с железобетонными перекрытиями.

Для более легких зданий можно выбрать фундамент, основываясь на ориентировочных данных о грунте, собранных самим застройщиком.

Улучшение грунта в основании фундамента

При проектировании фундамента обязательно следует рассмотреть возможность улучшения пригодности грунта для опирания на него фундамента. Часто бывает выгодно укрепить грунт, что позволит сделать простой и надежный фундамент.

При слабых и пучинистых грунтах имеет смысл сосредоточиться прежде всего на улучшении характеристик грунта основания, а уже потом на расчёте толщины-ширины ленты фундамента и её армировании.

Вот краткий перечень мероприятий, которыми можно добиться улучшения характеристик грунта основания.

На слабых грунтах:

- Устройство подушек из крупных песков и щебня. Иногда имеет смысл полностью заменить в пределах основания слабый слой насыпным непучинистым грунтом с лучшими характеристиками.
- Уплотнение грунта (трамбовка) при необходимости.

Устраиваемые под фундаментами песчаные подушки выполняют три функции:

1. Повышают несущую способность основания, что позволяет уменьшить ширину фундамента и, как следствие расход бетона на его устройство;

2. Заменяют часть пучинистого грунта на непучинистый, что приводит к уменьшению деформаций пучения основания;

3. Уменьшают переувлажнение грунта при его оттаивании в весенний период, которое оказывает большое влияние на осадки фундаментов;

Толщина подушки должна обеспечивать необходимую несущую способность подстилающего ее слабого грунта, а также ограничить абсолютные и относительные деформации пучения до допустимых пределов, регламентированных нормами.

О влиянии морозного пучения грунтов на фундамент читайте в статье:

Несущая способность грунта под фундаментом: понятие, исследование, определение, расчет