Конструирование фундаментов

Перед строительством дома необходимо привязать его проект к местным условиям, то есть откорректировать объемно-планировочное и конструктивное решения и с учетом местных климатических и гидрогеологических особенностей разработать проект фундаментов и цокольной части дома. Если привязку типового проекта не удается поручить проектной организации, то элементарный расчет фундаментов и их конструирование можно (при желании и внимательном отношении) выполнить своими силами.

Для того чтобы определить конструктивное решение фундаментов, составить их план, сечения и подсчитать объем используемых материалов, необходимо иметь:
— проект дома (план, фасад, разрез) с указанием применяемых материалов и конструкций;
— сведения о составе грунтов, их несущей способности, глубине промерзания, уровне грунтовых вод;
— сведения о материалах, применяемых для устройства фундаментов.

В качестве примера рассмотрим привязку проекта одноэтажного трехкомнатного дома со стенами из кирпича. Условно примем следующие исходные данные.

Наружные стены дома из дырчатого или щелевого кирпича толщиной 51 см, внутренняя несущая стена из полнотелого кирпича толщиной 25 см, полы в доме по фунту на лагах с теплым подпольем, чердачное перекрытие по деревянным балкам с минераловатным утеплителем, крыша чердачная с кровлей из волнистых асбестоцементных листов, отопление печное, веранда и крыльцо пристроенные с дощатым полом по деревянным балкам и совмещенной крышей. В доме имеется подвал и люфт-клозет. Грунты — суглинки с несущей способностью 1,5 кг/см2, уровень грунтовых вод — 1,2 м от поверхности земли, нормативная, то есть установленная для данного района глубина промерзания грунтов — 1,5 м, нормативная масса снегового покрова — 100 кг/м2. Для устройства фундаментов имеется песок, щебень, цемент и арматура в виде металлических стержней, проволоки и старых труб . Прежде всего определим глубину заложения фундаментов. Исходя из принятых гидрогеологических условий (грунты пучинистые) она должна быть под наружными стенами не менее расчетной, в наших условиях 1,5 м. Под средней стеной грунт не промерзает (подполье теплое), поэтому глубину заложения фундамента под нее можно принять всего на 50 см ниже планировочной отметки подполья.

Определив глубину заложения фундаментов, видим, что их подошва под наружными стенами так же, как и пол подвала, будет находиться ниже уровня грунтовых вод. Это усложняет устройство фундаментов и эксплуатацию подвала, поэтому целесообразно планировочную отметку вокруг дома и пол в доме поднять с таким расчетом, чтобы подошва фундамента и пол в подвале были выше грунтовых вод.

Если, например, грунт вокруг дома поднять на 40 см, а пол в доме расположить на 60 см выше него, то это позволит уменьшить глубину отрываемых под фундамент ям и траншей и, не снижая высоты подвала, избавиться в нем от воды. Кроме того, такое решение позволяет более рационально использовать грунт, вынутый из подвала и из под фундаментов и, устраивая подсыпку вокруг дома, хорошо защитить фундаменты от дождевых и паводковых вод.

Конечно, при такой большой земляной подсыпке встает вопрос о целесообразности устройства полов по грунту: насыпной грунт трудно хорошо уплотнить и он со временем может дать осадку вместе с опирающимся на него полом, а делать теплое подполье высоким (с небольшой подсыпкой грунта) неэкономично по теплотехническим соображениям: при большом объеме теплого подполья в нем неизбежны значительные теплопотери в период зимней эксплуатации дома. В такой ситуации возможно лучше перейти на утепленное цокольное перекрытие, устраиваемое по балкам с высоким неутепленным подпольем, либо при устройстве полов по грунту отказаться от повышения планировочной отметки вокруг дома, снизить отметку пола в доме и уменьшить высоту подвала. Не вдаваясь в подробный анализ возможных решений, условно оставим первоначальный вариант с устройством полов на лагах по насыпному уплотненному грунту.

Рассмотрим вариант возведения ленточных фундаментов из монолитного бетона в переставной опалубке. Для веранды и крыльца, где нагрузки незначительны, примем столбчатые опоры. Вычертим план ленточных фундаментов и определим наиболее характерные сечения. Учитывая, что опорная площадь ленточных фундаментов конструктивно получается, как правило, больше, чем нужно, будем стремиться конструировать их поперечное сечение минимально допустимым.

Толщину западающего цоколя примем равной 43 см. С каждой стороны стены сделаем запад по 4 см. Учитывая действие пучинистых грунтов, наружную плоскость фундаментов делаем наклонной . Поскольку поверхность бетона в опалубке получается относительно ровной, уклон примем минимальным — 1:10. Внутреннюю поверхность можно оставить вертикальной (грунт, расположенный со стороны теплого подполья, промерзает незначительно). При высоте подземной части фундамента 150 см ширина его подошвы получается равной 58 см (43+ 150×0,1).

Ленточные фундаменты в этом сечении служат одновременно и наружными стенами подвала. Глубину их заложения следует принять примерно на 30 см ниже пола подвала, а подошву на 15 см расширить внутрь. Такое решение повышает поперечную устойчивость стен подвала и позволяет устроить более надежную гидроизоляцию.

Стена подвала в этом сечении не промерзает, поэтому делаем ее прямой, а толщину принимаем равной толщине вышерасположенной стены, то есть 38 см. Опорную часть расширяем внутрь до 50 см. Находящуюся в этом же сечении стену люфт-канала пока условно не рассматриваем.

В этом сечении стена подвала также не промерзает и несет лишь кирпичную перегородку. Ее минимальная толщина должна определяться с учетом бокового давления грунта. В данном же случае ее толщину условно примем 25 см с армированием верхней части. Внизу делаем уширение до 40 см.

Фундаменты под среднюю стену и печь устраивают с учетом теплового режима подполья. Если в первую же зиму после устройства фундаментов и в последующей эксплуатации подполье всегда будет теплым (непромерзающим), подошву фундаментов можно располагать непосредственно на материковом (нетронутом) фунте, уплотнив его предварительно щебнем. Если же имеется опасность промораживания грунта в подполье (фундаменты на зимнее время остаются открытыми, дом зимой по каким-либо причинам не отапливается), то подошву фундамента следует закладывать не выше глубины промерзания грунта (в нашем случае на 150 см ниже планировочной отметки подполья). Кстати, если существует опасность промерзания подполья в период эксплуатации дома, то пол по грунту на лагах делать также нельзя: при морозном пучении грунта он деформируется . Условно примем, что подполье зимой всегда будет теплым и основание фундаментов расположим на отметке 1.150 (это отметка материкового грунта после срезки растительного слоя условной толщиной 15 см). Верх фундамента делаем шириной 25 см (по ширине внутренней несущей стены), а низ расширяем до 50 см.

Фундамент под печь закладываем на той же глубине, а его сечение в плане принимаем по габаритам печи.

Определив конструктивное сечение ленточных фундаментов, проверим их несущую способность в наиболее нагруженном месте. Здесь кроме тех нагрузок на фундамент опирается также часть перекрытия, стен и крыши веранды и крыльца. Подсчитаем общую нагрузку, действующую на 1 пог. м подошвы ленточного фундамента в этом сечении. Она будет равна сумме нагрузок от снега, крыши, чердачного перекрытия, наружной стены дома, стен и пола веранды, а также нагрузки от самого фундамента.

Нагрузка от снега равна нормативной массе снегового покрова (в нашем случае 100 кг/м2), умноженной на грузовую площадь, приходящуюся на 1 пог. м фундамента (она равна 3,6 м2), и умноженной на поправочный коэффициент, зависящий от уклона крыши, то есть 100×3.6×1 = 360 кг.

Нагрузка от крыши равна удельному весу 1 м2 горизонтальной проекции крыши (он равен 50 кг/м2), умноженному на ту же грузовую площадь (3,6 м2), то есть 50×3,6=180 кг.

Нагрузка от чердачного перекрытия равна удельному весу перекрытия (он равен 100 кг/м2), умноженному на грузовую площадь чердачного перекрытия дома (1.8 м ), то есть 100×1,8 = 180 кг.

Нагрузка от наружной стены дома равна удельному весу 1 м2 стены (он равен 700 кг/м2), умноженному на площадь стены (при ее высоте 2,8 м площадь будет равна также 2,8 м2), то есть 700×2,8 = 1960 кг.

Нагрузка от стен и пола веранды и крыльца небольшая, примем ее условно 150 кг.

Нагрузка от фундамента равна удельному весу материала, из которого он сделан (принимаем 2400 кг/м3), умноженному на объем 1 пог. м фундамента (он составит примерно 0,93 м3), то есть 2400×0,93 = 2200 кг.

Общая нагрузка на 1 пог. м подошвы ленточного фундамента составит: 360+180+180+1960+150+2200 = 5030 кг, то есть округленно 5 т.

Такая нагрузка вполне допустима, так как при опорной площади фундамента в этом сечении, равной 5800 см2 (58×100), удельное давление на грунт составит всего 0,9 кг/см2 (5000:5800), вместо расчетного, равного 1,5 кг/см2. Очевидно, что и в других местах ленточные фундаменты под наружными стенами будут иметь удельное давление на грунт в пределах допустимого.

Рассмотрим теперь на примере того же дома конструктивное решение и работу столбчатых фундаментов, устраиваемых из монолитного железобетона. Стены подвала, фундаменты под печь и среднюю стену оставим без изменения. Вычертим план столбчатых фундаментов. Расстояние между столбами при кирпичных стенах обычно принимается в пределах 1,5-2,5 м. При меньшем — столбчатые фундаменты фактически превращаются в прерывистые ленточные , при большем — может не хватить опорной площади столбчатых фундаментов. Прежде всего, опорные столбы ставят по углам здания и на пересечениях стен, а затем в промежутках между ними. В нашем случае оптимальное расстояние между столбчатыми опорами составит: под наружными стенами — 1,8 м, под верандой и крыльцом — 1,5 м.

Рассмотрим сечения столбчатых фундаментов.

Ширину железобетонного ростверка-цоколя и его верхнюю отметку примем такими же, как и у ленточного фундамента 43 см и -0,200. Низ ростверка расположим на 15 см ниже планировочной отметки земли (отмостки), то есть на отметке -0,750. Высота ростверка составит 55 см. Поперечное сечение столба принимаем квадратным 43×43 см, а его опорную площадку размером в плане 80×80 см при высоте 30 см. Несущая способность такого фундаментного столба при удельном сопротивлении грунта 1,5 кг/см2 составит около 10 т (80×80 × 1,5 = 9600 кг).

Учитывая, что грунты пучинистые, под нижней плоскостью ростверка (между столбами) ставим воздушную полость, которая предотвращает непосредственное давление грунта на ростверк снизу при морозном пучении.

Края воздушной полости с боков следует закрыть плоскими асбестоцементными листами или просмоленными досками (горбылем). Опорная площадка, выполняющая при морозном пучении роль анкера, столб и ростверк должны быть между собой жестко связаны арматурным каркасом.

Столбчатые фундаменты под веранду и крыльцо можно делать без ростверка. Учитывая небольшую нагрузку, их размеры следует принимать минимально допустимыми, а сами фундаментные столбы сделать сборными. Условно примем сечение столбов 20×20 см, а размеры опорной плиты в плане 40×40 см.

Подсчитаем общую нагрузку, которая действует на грунт от подошвы столбчатого фундамента. Она будет равна уже подсчитанной нагрузке, действующей сверху на 1 пог. м ленточных фундаментов (5000-2200=2800 кг), умноженной на расстояние между столбчатыми опорами (1,8 м) и суммированной с собственной массой столбчатого фундамента и массой грунта, расположенной над выступающей частью опорной плиты. Объем столбчатого фундамента вместе с частью ростверка длиной 1,8 м будет равен примерно 0,82 M2 (объем ростверка равен 0,43×0,55×1,8 = 0,43 м3, объем столба — 0,43×0,43×1,1 = 0,2 м3, объем опорной плиты — 0,8×0,8×0,3 = 0,19 м3), а его масса при удельной массе железобетона 2400 кг/м3 составит около 2000 кг (0,82×2400). Объем грунта на обрезах фундамента составит примерно 0,5 м3, а его масса — около 1000 кг. Подставляя соответствующие значения, получим общую нагрузку на подошву столбчатого фундамента: 2800×1,8+2000+1000 = 8000 кг, что на 17% меньше расчетной (9600 кг). Удельное давление на грунт составит примерно 1,25 кг/см2 (8000:6400).

При сравнении рассмотренных ленточных и столбчатых фундаментов следует отметить, что расход бетона при устройстве столбчатых фундаментов сокращается примерно на 50%. почти в два раза уменьшается объем земляных работ, сокращается также потребность в опалубочных материалах. Вместе с тем при устройстве столбчатых фундаментов из железобетона требуются дополнительные затраты, связанные с изготовлением и установкой арматурных каркасов, а также дополнительные работы по предотвращению деформации ростверка в пучинистых грунтах (устройство под ростверком воздушных полостей).

Простейшие расчеты и вариантное конструирование фундаментов с учетом применения различных материалов и способов их возведения позволяют найти оптимальное техническое решение, при котором фундаменты становятся не только более надежными, но и наиболее экономичными.