Конструирование фундаментов

До начала строительства проект дома необходимо привязать к местным условиям, т. е. откорректировать объемно-планировочное и конструктивное решения с учетом местных климатических и гидрогеологических особенностей разработать проект конструкции фундаментов и цокольной части дома. Если привязку типового проекта не удается поручить квалифицированным специалистам, элементарный расчет фундаментов и их конструирование можно выполнить своими силами.

Конструктивные решения фундаментов определяются в основном гидрогеологическими условиями. На неподвижных (непучинистых) грунтах целесообразно устраивать простейшие фундаменты на песчаной подушке. Верх таких фундаментов можно выполнить из любых материалов — гравия, щебня, камня, кирпича, бетона, а основание — из крупнозернистого песка. Главным условием для устройства таких фундаментов является низкий уровень грунтовых вод: он должен быть не выше уровня промерзания грунта. При расположении грунтовых вод выше уровня промерзания грунта последний может стать пучинистым (подвижным), а фундаменты с песчаным основанием подвергнуться неравномерным сезонным деформациям.

В пучинистых грунтах при небольшой глубине промерзания и отсутствии грунтовых вод в ямах или траншеях в момент производства работ возможно устройство фундаментов. Если глубина заложения фундаментов большая (более 1 м), возведение ленточных фундаментов становится экономически неоправданным, а устройство столбчатых (особенно при использовании мелкоштучных материалов) — технически трудно выполнимым. В этом случае целесообразнее устраивать столбчатые фундаменты с использованием железобетонных столбов, асбестоцементных или металлических труб. Если имеется уверенность, что во время производства работ в ямах не будет воды, то такие фундаменты можно делать с опорной плитой из монолитного бетона, укладываемого на дно в момент установки столбов. Если уровень грунтовых вод постоянно находится выше подошвы фундаментов, столбчатые фундаменты следует устраивать из столбов, изготовленных заранее совместно с опорной плитой. В качестве примера рассмотрим привязку проекта одноэтажного трехкомнатного дома со стенами из кирпича. Условно примем следующие исхода ные данные. Наружные стены дома из эффективного (дырчатого или щелевого) кирпича толщиной 51 см, внутренняя несущая стена из полнотелого кирпича толщиной 25 см, полы в доме по грунту на лагах с теплым подпольем, чердачное перекрытие по деревянным балкам с минераловатным утеплителем, крыша чердачная с кровлей из волокнистых асбестоцементных листов, отопление печное, веранда и крыльцо пристроенные с дощатым полом по деревянным балкам и совмещенной крышей. В доме имеются подвал, и люфт-клозет. Грунты — суглинки с несущей способностью 150 кПа (1,5 кгс/см2), уровень грунтовых вод— 1,2 м от поверхности земли, нормативная, т. е. установленная для данного района, глубина промерзания грунтов— 1,5 м, нормативная нагрузка от снегового покрова — 1 кПа (100 кгс/см2).

Прежде всего определим глубину заложения фундаментов. Исходя из принятых гидрогеологических условий (грунты пучинистые) она должна быть под наружными стенами не менее глубины промерзания грунтов, т, е. в наших условиях не менее 1,5 м. Под вредней 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 подвала были выше грунтовых вод. Если, например, землю вокруг дома поднять на 30 см, а пол в доме расположить на 60 см выше нее, 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 позволит более рационально использовать грунт, вынутый из подвала и из-под фундаментов, и, устраивая подсыпку вокруг дома, надежно 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 со временем он 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, очевидно, 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 устройства ленточных фундаментов из монолитного бетона в деревянной 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 при их конструировании поперечное сечение делать минимально допустимым.

Цоколь сделаем западающим с каждой стороны стены на 4 см. Это сократит расход бетона и позволит лучше выполнять гидроизоляцию. Толщина цоколя и верхней части фундамента в этом случае будет равна 43 см (51—4-2). Учитывая действие пучинистых грунтов, наружную плоскость фундаментов в земле делаем наклонной. Поскольку поверхность бетона в опалубке получается относительно ровной, уклон примем минимальным, равным 1 : 10. Внутреннюю поверхность фундаментной стены можно оставить вертикальной: грунт, расположенный со стороны теп^ лого подполья, промерзает незначительно. При высоте подземной части фундамента, равной 150 см, ширина его подошвы получается равной 58 см (43+150-0,1).

Ленточные фундаменты в этом сечении являются одновременно и наружными стенами подвала. Глубину их заложения следует принять примерно 40 см ниже пола подвала, а подошву на j5—20 см расширить внутрь. Такое решение повышает поперечную устойчивость стен подвала и позволяет (устроить более надежную гидроизоляцию Фундаменты решают аналогично. Стена подвала в этом сечении не промерзает, поэтому делаем ее прямой, а толщину принимаем чуть больше толщины вышерасположенной стены, т. е. 40 см. Опорную часть расширяем до 60 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 минимальную толщину определяют с учетом бокового давления грунта. В данном же случае толщину рассматриваемой стены подвала примем равной 25 см с армированием верхней ее части. Внизу делаем уширение до 45 см.

Фундаменты под среднюю стену и печь устраивают с учетом теплового режима подполья. Если в первую зиму после устройства фундаментов и при последующей эксплуатации подполье всегда будет теплым (непромерзающим), подошву фундаментов можно располагать непосредственно на материковом (нетронутом) грунте, уплотнив его предварительно щебнем. Если имеется опасность промораживания грунта в подполье (фундаменты на зимнее время остаются открытыми или дом зимой не отапливается), подошву фундаментов следует закладывать не выше глубины промерзания грунта, а их стены делать с учетом действия сил морозного пучения. Пол по грунту на лагах в этом случае также нельзя делать: при морозном пучении грунта он деформируется. Условно примем, что подполье зимой всегда будет теплым и основание фундаментов расположим на отметке —1.100 (это отметка материкового грунта после срезки растительного слоя условной толщиной 20 см). Верх фундамента делаем шириной 30 см, а низ расширяем до 50 см.

Фундамент под печь закладываем на той же глубине, а его сечение в плане принимаем п© габаритам печи. Определив конструктивное сечение ленточных фундаментов, проверим их несущую способность в наиболее нагруженных местах, . Здесь кроме тех нагрузок, на фундамент опирается также часть перекрытия, стен и крыши веранды и крыльца. Подсчитываем общую нагрузку, действующую на 1 м длины 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 от фундамента.

Нагрузка от снега равна 1 нормативной нагрузке от снегового покрова [в нашем случае 1 кПа (100 кгс/м2)], умноженному на грузовую площадь, приходящуюся на 1 м длины фундамента (равна 3,6 м2), т. е. 1-3,6 = =3,6 кН (100-3,6=360 кгс). На крутых крышах (более 45°) нагрузку от снега можно не учитывать.

Нагрузка от крыши равна нагрузке от 1 м2 горизонтальной проекции крыши согласно приведенному ниже выводу [он равен 500 Па (50 кгс/м2)], умноженной на ту же грузовую площадь, т. е. 500-3,6= = 1800 Н, или 1,8 кН (50-3,6=180 кгс). Нагрузка от чердачного перекрытия равна нагрузке от 1 м2 перекрытия [1 кПа (100 кгс/см2)], умноженной на грузовую площадь чердачного перекрытия дома (1,8 м2), т. е. 1,8 кН (180 кгс).

Нагрузка от наружной стены дома равна нагрузке от 1 м2 стены; по выводу на с. 58 она равна 7кПа. (700 кгс/м2), умноженной на высоту стены (она равна примерно 2,8 м), т.е. 19,6 кН (700-2,8= 1960 кгс). Нагрузка от стен и пола веранды и крыльца небольшая, примем ее условно равной 1,5 кН (150 кгс). Нагрузка от фундамента равна объему 1 м длины фундамента, умноженному на плотность материала, из которого он сделан (он равен 2400 кг/м3), т. е. 21,6 кН (0,9-2400=2160 кгс).

Общая нагрузка на 1 м длины подошвы ленточного фундамента составит: 3,6 кН (360 кгс) + 1,8 кН (180 кгс) +19,6 кН (1960 кгс) + + 1,5 кН (150 кгс)+21,6 кН (2160 кгс) =49,9^50 кН (4990 кгс«5 тс). Такая нагрузка вполне допустима, так как при опорной площади фундамента в этом сечении, равной 5800 см2 (58-100), давление на грунт составит^ всего 90 кПа (0,9 кгс/см2) (5000 : 5800) при расчетном сопоставлении грунта 150 кПа (1,5 кгс/см2). Очевидно, что и в других местах давление на грунт не б>дет превышать расчетных сопротивлений грунтов оснований.

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 и их сечения. Расстояния между столбами при кирпичных стенах обычно принимаются в пределах 1,5—2 м. При меньшем расстоянии — столбчатые фундаменты фактически превращаются в прерывистые ленточные, при большем — может не хватить опорной площади столбчатых фундаментов. Опорные столбы ставят прежде всего по углам здания и на пересечениях стен, а затем в промежутках между ними. В нашем случае оптимальное расстояние между столбчатыми опорами составит 1,8 м.

Ширину железобетонного ростверка-цоколя и его верхнюю отметку примем такими же, как и у ленточных фундаментов: 43 см и —0,200. Низ рост-верха расположен на 10 см ниже планировочной отметки земли (отмостки), т. е. на отметке 0,700. Высота ростверка составит 60 см. Поперечное сечение столба примем квадратным — 43X43 см, а его опорную площадку — 80X80 см в плане при высоте 30 см. Несущая способность такого столба при расчетном сопротивлении грунта 150 кПа (1,5 кгс/см2) составит около 100 кН (10 тс) (80-80-1,5=9600)

Учитывая, что грунты пучинистые, под нижней плоскостью ростверка (между столбами) оставим воздушную полость высотой 10—15 см и шириной, равной ширине ростверка, закрыв ее с боков плоскими асбес-тоцементными листами или просмоленными досками. Такая воздушная полость предотвращает непосредственное давление грунта на ростверк снизу при его морозном пучении. Опорная площадка (выполняющая при пучении грунта роль анкера), столб и ростверк должны быть жестко связаны между собой арматурным каркасом.

Столбчатые фундаменты под_веранду и крыльцо можно делать без ростверка (цоколя). Учитывая небольшую нагрузку, их размеры следует принять минимально допустимыми, а сами фундаментные столбы желательно сделать сборными, т. е. заранее изготовленными. Условно примем сечение столбов 15x15 см, а размеры опорных плит, жестко связанных со столбами, 40X40 см в плане и 20 см по высоте.

Подсчитаем общую нагрузку, которая действует на грунт от подошвы столбчатого фундамента. Она будет равна уже подсчитанной (в этом сечении) нагрузке, действующей на 1 м длины ленточных фундаментов 49,9—21,6=28,3 кН (4900—2160=2830 кгс), умноженной на расстояние между столбчатыми опорами (1,8 м) и суммированной с массой столбчатого фундамента и массой грунта, расположенного над выступающей частью опорной плиты. Объем столбчатого фундамента вместе с частью ростверка длиной 1,8 м будет примерно 0,85 м3 (объем ростверка равен 0,43-0,60-1,8=0,46 м3, объем опорной плиты 0,8-0,8-0,3=0,19 м3, объем столба между ростверками и плитой 0,43-0,43-1,1=0,2 м3), а его масса при плотности железобетона 2400 кг/м3 составит около 2000 кг (0,85-2400). Объем грунта на обрезах фундамента составит примерно 0,5 м3,*а его масса — около 1000 кг. Подставив соответствующие значения, получим общую нагрузку на подошву столбчатого фундамента в сечении III—///: 28,3+1,8+20+ + 10=80,9 кН (2830-1,8+2000+1000=8094 кгс), что меньше несущей способности опорной площадки, равной 96 кН (9600 кгс) (80-80-1,5). Давление на грунт составит в этом случае примерно 125 кПа (1,25 кгс/см2) (8094:6400).

При сравнении рассмотренных вариантов ленточных и столбчатых фундаментов следует отметить, что расход бетона во втором случае сокращается примерно на 50 %, почти в два раза уменьшается объем земляных работ, сокращается 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.