Вы здесь: Реконструкция деревянного дома =>Фундамент на пучинистом грунте

Фундамент на пучинистом грунте

Экономически обоснованная конструкция фундамента одного и того же деревянного дома будет значительно отличаться друг от друга в зависимости от разновидности грунтов основания. Проиллюстрируем это на примерах и рассчитаем фундамент этого же дачного дома, реконструкция которого описана на нашем сайте, на непучинистом, слабопучинистом и чрезмерно пучинистом грунтах. См. соответственно страницы данного раздела Правильный фундамент, Расчет основания фундамента и приведенное ниже .

Аналогично могут быть расчитаны фундаменты малоэтажных зданий других типов, за исключение плитных. Примеры расчета фундамента с учетом жесткости конструкции здания приведены в действующих в настоящее время ОСН АПК 2.10.01.001-04 "Проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах".

Пример расчета фундамента

Значения основного сочетания нагрузок для расчета основания фундамента реконструируемого деревянного здания согласно 5.2.1 [II] с принятами коэффициентами надежности по нагрузке γf согласно [IX], равна

F=F1-Gf,rec=88,12-16,72=71,49 кН.

Нагрузка на основание от фундамента для расчета оснований и фундаментов на воздействие сил морозного пучения грунтов с принятым коэффициентом надежности по нагрузке γf=0,9, согласно [7.4.2,XV], равна

Fm=F2-0,9×Gf,rec=88,21-0,9×16,72=73,16 кН.

Допустим,что по испытаниям образцов грунта основания фундамета установлено, что на глубине 0,2-6,0 м залегает слой глины желто-коричневой, относящейся в соответствии с классификацией [X] к тяжелой (таблица Б.16), мягкопластичной глине (таблица Б.19), имеющий следующие характеристики:

  • плотность грунта ρ= 19,9 кН/м3,
  • плотность сухого грунта ρ= 15,2 кН/м3,
  • природная влажность W=31%,
  • влажность на границе текучести WL=37,
  • влажность на границе раскатывания Wp=16%,
  • число пластичности Ip=21,
  • показатель текучести IL=0,71,
Вычисленный по формуле (А.5, X) коэффициент пористости равен e=0.8. Принятые по таблице А2[II] значения удельного сцепления c=38,5 и коэффициента внутреннего трения φ=13°. Модуль упругости E=13,5 МПа (таблице А3[II]).

В соответствии с классификацией [X] грунт основания относится к тяжелой (таблица Б.16), мягкопластичной глине (таблица Б.19). Расчетный уровень подземной воды на глубине 1,69 м от дневной поверхности.

Для рассматриваемого участка строительства (г. Дмитров) нормативная глубина промерзания равна

dfn = d0√Mt = 0,23•√34,6 = 1,35 м    (5.3 [II])

  • где d0 -величина, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23 м;
  • Mt - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год в данном районе, принимаемых по СП 131.13330
Глубина сезонного оттаивания
-определяется наибольшим за год расстоянием по вертикали от поверхности грунта (без учета растительного покрова) до кровли многолетнемерзлого грунта. (4.1.1 ГОСТ 26262-2014)
Расчетная глубина сезонного промерзания грунта df, м, определяемая по формуле (5.4 [II]) составляет:

df = khdfn = 1•1,35 = 1,35 м.

Для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых зданий kh=1.

Относительная деформации пучения εfh= 0,123, характеризующая степень морозного пучения грунта, определена по рисунку 6.11[II] по рассчитанному параменту Rf = 0,0154 и показателю текучести грунта основания IL=0,71. Параметр Rf вычислен по формуле (6.34 [II]).

Rf = 0,67•1,99•[0,012(0,31-0,1) + 0,31(0,31-0,203)2/0,291•0,16•5,882]=0,0153

При расчете параметра Rf использовались рассчитанные зачения полной влагоемкости грунта Wsat=29,1% и критической влажности Wcr = 20,5% определенной по рис. 6.12, [II].

По параметру Rf = 0,0153 (Рис. 6.11[II]) определяем степень морозного пучения грунта εfh=0,123. В соответствии с таблицей Б.27 [X] грунт основания фундамента относиться к чрезмерно пучинистым.

Специфические грунты, к которым по СП 22.13330.2016 относятся пучинистые грунты, как оказывающие оказывают решающее влияние на проектные решения фундаментов деревянных домов, в соответствии с таблица А.1 СП 47.13330 имеют III (сложную) категории сложности инженерно-геологических условий.

При заложении фундаментов выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов (малозаглубленные фундаменты), согласно 6.8.10 [ii], необходимо проводить расчет по деформациям морозного пучения грунтов основания с учетом касательных и нормальных сил морозного пучения.

Столбчатый фундамент на песчаной подушке

Предварительно назначаем размеры бетонного столба фундамента: a×b×h=0.25×0.25×0.9 м, площадь основания столба Sст=0,25×0,25=0,0625 м2, глубина заложения d=0,5 м. Вес столба фундамента из мелкозернистого бетона с объемным весом γ=21,7 кН/м3 равен Gf=0.0625×0.7×21,70=1,22 кН. Определям расчетное значение сопротивления глинистого грунта R, используя табличные (таблица Б.3 [II], e=0,8, IL=0.71) значения сопротивления R0=229 кПа:

R = R0[1+k1(b-b0)/b0](d+d0)/(2d0)=229кПа×[1+0,125(0,25м-1,0м)/1,0м]×(0,5м+2,0м)/2×2,0м=156,5 кПа      (Б.1, II)

Расчетная нагрузка на основание меньше расчетного сопротивления грунта:

P=[F/11+ Gf)]/Sст=(71,49/11+1,22)/0,0625=123,52 кПа≤156,5 кПа,

следовательно предварительно выбранные размера назначены правильно (здесь 11-число столбов фундампента реконструируемого дома).

Согласно 6.8.10 [II] при заложении фундаментов выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов (малозаглубленные фундаменты) необходимо проводить расчет по деформациям морозного пучения грунтов основания с учетом касательных и нормальных сил морозного пучения.

Поскольку в [II] не приводиться методика расчета нормальных сил морозного пучения, расчет оснований по деформации пучения грунта выполняется в соответствии с действующими в настоящее время нормами [XX]. Согласно 2. Приложения 3 этих норм, устойчивость фундамента на действие касательных сил морозного пучения грунтов производится в соответствии со СП 25.13330.2012 (Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88, [XV])

Устойчивость фундаментов на действие касательных сил морозного пучения

Устойчивость фундаментов проверяют по формуле:

τfhAfh - F ≤ γcFrfn , (7.29, [XV])

  • где τfh - значение расчетной удельной касательной силы пучения, кПа, следует определять опытным путем ;
  • A - площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины сезонного промерзания, м2;
  • F - расчетная нагрузка на фундамент, кН, принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые и т.п.).
  • Fr -расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, кН, принимаемое по указаниям 7.4.4;
  • γc - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0;
  • γn - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,1.
Для сооружений II и III уровней ответственности значения τfh допускается принимать по таблице 7.8 [7.4.3,XX] Приведенные в таблице 7.8 значения τfh относятся к поверхности бетонного фундамента. Для фундаментов из других материалов табличные значения τfh должны умножаться на коэффициент γaf, значения которого даны в приложении 3.В:
  • для бетонных поверхностей фундаментов, изготовляемых в металлической опалубке - 1,0;
  • для деревянных поверхностей, не обработанных масляными антисептиками - 1,0;
  • для деревянных поверхностей, обработанных масляными антисептиками - 0,9;
  • для металлических поверхностей из горячекатаного проката - 0,7
Для поверхностей фундаментов, покрытых специальными составами, уменьшающими силы смерзания, а также при применении других противопучинных мероприятий, значение следует принимать на основании опытных данных, полученных в полевых или лабораторных условиях.

Cогласно 2. приложение 3, [ОСН АПК 2.10.01.001-04 ] коэффициент условий работы основания по боковой поверхности фундамента γτ определяется по эмпирической зависимости:

γτ=1- √δ,     (1. приложение 3, [XX])

  1. где δ - ширина, м, пазух траншей (котлованов), заполненных засыпкой из непучинистого материала.
Проверяем устойчивость фундамента на воздействие касательных сил морозного пучения грунта

γтτfhAfh-F=(1- √0)×123,0×0,3 - 73,16/11+0,9×1,22≤0=29,160≤0 (7.29, [XV])

при этом Afh=Sст×d=0,0625×0,5=0,3 м2.
Условие (7.29, [XV]) не выполняется!

Рассмотрим возможность снижения величины касательных сил устройством врезаемой подушки.

Допустим, что столбчатый фундамента устраивается на врезаемой в грунт основания подушке из песка средней крупности, который предполается уплотнить до состояния средней плотности e=0,6 и достижения плотности сухого грунта ρd=1,6 г/см3. Плотность частиц грунта ρs=2,65г/см3. Расчетное сопротивление подушки Rп=0,25 МПа, E=30 МПа. (Таблица 11.18[XXI])

Так как мягкопластичная глина, в которую взрезается песчаная подушка подушка, находится в водонасыщенном состоянии (Sr=1.05) состоянии, то и песок подушки постепенно станет водонасыщенным, при этом влажность песка станет равной

Wsat=eρww=0,65×1,0/2,65=0,245,    (таблица 8 [ХVI])

плотность песка составит

ρ=ρd/(1+W)=1,6×(1+0,245)=1,99г/см3,   (А.8)

объемный вес -

γ=ρg=1,99т/м3×9,81м/сек2=19,54 кН/м3   (см. примечание 5.3.16 [II])

Проверяем возможность опирания фундамента на песчаную подушку по условию

P≤Rп=123,52≤250 кПа,

Производим расчет устойчивости фундамента при засыпке пазух котлована шириной δ=0,65 м песком средней крупности:

γтτfhAfh-F=(1- √0,65)×123,0×0,3-73,16/11+0,9×1,22≤0=-0,6≤0 (7.29, [XV])

Условие (7.29, [XV]) выполняется.

Расчет деформаций морозного пучения основания

Расчет выполняем в соответствии с Приложением 3 ОСН АПК 2.10.01.001-04 в следующей последовательности. Определем величину hf подъема ненагруженной поверхности глинистого грунта:

hf = εfh×df=0,123×135 см = 16,6 см.     (3. Приложение 3, [XX])

Величину подъема ненагруженного основания hfi при пучении грунта под подошвой фундамента после устройства песчанной подушки определяем по формуле строки 3 Приложения 4 Таблицы 1 (ТСН 50-303-99 (ТСН МФ-97 МО)) при глубине заложения фундамента основания d = 50 см и толщине подушки hп= 65 см

hfi = hf(1-(d+hп)/df)3/2=16,6×(1-(50+65)/135)3/2=0,947 см

В текстах ОСН АПК 2.10.01.001-04, отсутствует таблица, содержащая формулы для расчета подъема ненагруженного основания, на которую дана ссыла в 4. Приложения 3 ОСН АПК 2.10.01.001-04, мы использовали для расчета Таблицу 1 Приложения 4 (ТСН 50-303-99 (ТСН МФ-97 МО)).Отметим, что та же самая формула (4.10 Таблица 4) опубликована в Рекомендациях НИИОПС.

Величины подъема Su и относительной деформации ΔS/Lu ненагруженного основания меньше предельные допустимых (таблица 3 [XX],):

  • Su=0,925≤Su,max,=5 см
  • ΔS/Lu=0,947/154=0,0053≤Su,max= 0,006
Здесь 154 см - наименьшее расстояние мехду осями столбов фундамента.

Проверка прочности подстилающего слоя

Согласно 5.6.25 [II] при наличии в пределах сжимаемой толщи основания на глубине z от подошвы фундамента слоя грунта меньшей прочности, чем прочность грунта вышележащих слоев, размеры фундамента должны назначаться такими, чтобы для суммарного напряжения σz обеспечивалось условие

σz=(σzp)+σzg≤Rz    (5.9 [II])

  • где σzp, σ и σzg- вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента (см. 5.6.31), кПа;
  • Rz - расчетное сопротивление грунта пониженной прочности, кПа, на глубине z, вычисленное по формуле (5.7) для условного фундамента шириной bz, м, равной:
  • bz = √(Az2 + a2) - a,    (5.10 [II])
  • где Az =N/σzp,
  • a=(l-b)/2.
С учетом слоя растительного грунта, как равномерно распределенной нагрузки (5.6.33 и 5.6.39 [II}) на поверхности земли интенсивностью q=γrghrg=12,0*0,2=2,4, кПа, значения вертикальных напряжений от внешней нагрузки на кровле глинистого грунта на глубине z=0,65 м вычисляем по формуле σnfzp+q.

σnfzp+q=αpp+q=0,0675×123,52+2,4=8,34 кПа.   (5.17 [II])

Коэффициент αp=0,0675 определяем интерполяцией по таблице 5.8[II] при относительной глубине ξ, равной 2z/b=2×0,65/0,25=5,2;

Вертикальная нагрузка на основание от фундамента N=P/Sст=123,52×0,0625=7,72 кН.

Ширина условного фундамента составит

bz=√(7,72/8,34)2=0,926 м.

Удельный вес грунта, расположенного выше подошвы равен

γ'=(γgrdhr+γ'd)/(dhr+d)=(12×0,2+19,94×0,5)/(0,2+0,5)=17,67кН/м3

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта вычисляем по формуле (5.18 [II]), при этом коэффициент αγg определяется по таблице 5.8 [II] при ширине котлована b=2δ×0,65+b=1,55 м для относительной глубины ξ=2×0,65/0,926=1,404.

σγgσzg0=αγ'dn=0,8387×17,68×0,7=9,65 кН.   (5.18 [II])

Вертикальное эффективное напряжение от собственного веса грунта σz,g, кПа, на кровле глинистого грунта z=0,65 м вычисляем по формуле (5.23[II])

σz,g=γ'dni=1nγihi1(z-zi-1)+q=17,68×0,7+Σ6119,94×0,1+19,94(0,65-0,6)+2,4=25,32

Рассчитываем значения напряжений на кровле глинистого слоя по формуле (5.9 [II])

σz=(8,34-9,65)+25,33=24,02 кПа.

Определяем расчетное сопротивление глинистого грунта под условным фундаментом по формуле (5.7 [II]) при db=0. Коэффициенты M принимаем по таблице 5.5 [II] при φ=13°

R = γc1γc2[MγkzII + MqdIγ′II + (Mq - 1)dbγ′II + MccII]/k =1,1×1×[0,26×1,1×0,926×19,94+2,05×1,15×17,78+4,55×38,5]/1,1=221,61кПа.

Условие (5.9 [II]) выполнено:

R=221,61>σz=24,02 кПа.

Расчет осадок основания

Расчет осадки основания фундамента s производим в соответствии с 6.8.5 [II], исходя из условия

s≤su,    (5.6[II])

  • где s - осадка основания фундамента (совместная деформация основания и сооружения);
  • su - предельное значение осадки основания фундамента (совместной деформации основания и сооружения), устанавливаемое в соответствии с требованиями 5.6.46-5.6.50
   Максимальные значения осадки оснований su=20 см и относительной разности осадок Δs/lu≤0,006, принимаем согласно 5.6.50 [II] по приложению Г[II], (в рассматриваемом случае конструкции здания не рассчитаны на усилия, возникающие в них при взаимодействии с основанием.)    Влиянием жесткости конструкций здания на осадку основания фундамента пренебрегаем. Примечание 6, Таблица Г.1

В рассмариваемом примере сжимаемая толща грунта состоит из двух слоев: слоя песка песка средней плотности песчанной подушки, и слоя мягкопластичной глины, характеристики которых описаны выше. Каждый из которых разбивается на слои, принимаемая толщина i-го слоя грунта которых 10 см;
   Растительный грунта учитыается как слой сплошной равномерно распределенной нагрузке на поверхности земли интенсивностью q=ρrsghrs=1,2тс/м3×9,81×0,2м=2,35 кПа.

Результаты расчета показали, что величина сжимаемой толщи основания равна Hc=54,5 см, осадка фундамента меньше пределно допустимых по [II]

  • осадка основания s=0,08≤su=20 см,
  • относительная разность осадок Δs/L=0,00045≤(Δs/L)u=0,006.
Рассматриваемая конструкция фундамента удовлетворяет действующим в настоящее время нормативным требованиям.

Свайные фундаменты

4.6[XIV] Свайные фундаменты следует проектировать на основе результатов инженерных изысканий, выполненных в соответствии с требованиями СП 47.13330, СП 11-104 [2] и раздела 5 СП [XIV].

Проектирование свайных фундаментов без соответствующих достаточных данных инженерно-геологических изысканий не допускается.

Согласно 7.1.15 [XIV] сваи и свайные фундаменты следует рассчитывать по прочности материала и производить проверку устойчивости фундаментов при действии сил морозного пучения, если основание сложено пучинистыми грунтами (приложение Ж).

Винтовые сваи

Рассмотрим возможность применения в качестве фундамента винтовых стальных свай с диаметром ствола d0 = 57 мм, лопасти - d = 200 мм, длиной L0 = 5000 мм. Вес сваи 24 кг. Расчетная нагрузка на сваю N= 73,16/11=6,56 кН, здесь 11- число свай.

Сваю в составе фундамента и одиночную по несущей способности грунта основания следует рассчитывать исходя из условия

γnN≤Fdc.g,    (7.2 [XIV] свайные)

  • где N - расчетная нагрузка, передаваемая на сваю от наиболее невыгодного сочетания нагрузок, действующих на фундамент, определяемая в соответствии с 7.1.12;
  • Fd - предельное сопротивление грунта основания одиночной сваи, называемое в дальнейшем несущей способностью сваи, которое определяется в соответствии с подразделами 7.2 и 7.3;
  • γn - коэффициент надежности по ответственности сооружения, принимаемый по ГОСТ 27751 [V], но не менее 1;
  • γc.g - коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным
    • 1,4 - если несущая способность сваи определена расчетом с использованием таблиц свода правил, в том числе по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций грунта;
Несущая способность Fd,кН сваи (7.2.10 [XVI]) , работающей на вдавливающую или выдергивающую нагрузку, определяется по формуле

Fd = γc[Fd0 + Fdf],    (7.15 [XIV])

  • где γc - коэффициент условий работы сваи, зависящий от вида нагрузки, действующей на сваю, и грунтовых условий и определяемый по таблице 7.9 [XIV];
  • Fd0 - несущая способность лопасти, кН;
  • Fdf - несущая способность ствола, кН.
Несущая способность лопасти винтовой сваи определяется по формуле

Fd0 = γc1c1 + α2γ1h1)A,    (7.16 [XIV])

  • где α1, α2 - безразмерные коэффициенты, принимаемые по таблице 7.10 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта в рабочей зоне φ (под рабочей зоной понимается прилегающий к лопасти слой грунта толщиной, равной d);
  • c1 - расчетное значение удельного сцепления грунта в рабочей зоне, кПа;
  • γ1 - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше лопасти сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды), кН/м3;
  • h1 - глубина залегания лопасти сваи от природного рельефа, а при планировке территории срезкой - от уровня планировки, м.
  • A - проекция площади лопасти, м2, считая по наружному диаметру, при работе винтовой сваи на сжимающую нагрузку, и проекция рабочей площади лопасти, т.е. за вычетом площади сечения ствола, при работе винтовой сваи на выдергивающую нагрузку.
Несущая способность ствола винтовой сваи определяется по формуле

Fd0=uf1(h-d),   (7.17 [XVI])

  • где f1-расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности ствола винтовой сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.3 (осредненное значение для всех слоев в пределах глубины погружения сваи);
  • h- длина ствола сваи, погруженной в грунт, м;
  • d- диаметр лопасти сваи, м;

Fd = 0,8×[7,8×38,5+2,8×19,9×(4,0-0,2-0.2)]×0,0314+0,179×5,3×(4,0-0,2)=15,33 кН

Несущая способность одиночной винтовой сваи на вдавливиющую нагрузку больше расчетной нагрузки, передаваемой на сваю, условие (7.1 [XIV]) выполнено!

γn×N=1×5,9<Fd=15,33      (7.1 [XIV])

Устойчивость свайных фундаментов на действие касательных сил морозного пучения

Устойчивость свайных фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов надлежит проверять по условию

τfhAfh - F ≤ γcFrfk , (Ж1, [XIV])

  • где τfh - расчетная удельная касательная сила пучения, кПа, значение которой при отсутствии опытных данных допускается приниматьпо таблице Ж.1 в зависимости от вида и характеристик грунта.
  • Afh - площадь боковой поверхности смерзания сваи в пределах расчетной глубины сезонного промерзания-оттаивания грунта или слоя искусственно замороженного грунта, м2
  • F - расчетная нагрузка на сваю, кН, принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые, крановые и т.п.);
  • Frf - расчетное значение силы, удерживающей сваю от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания, кН, принимаемое по указаниям Ж.4;
  • γc - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0;
  • γk - коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1.
Согласно 7.2.10 [XVI] расчетное значение силы Frf винтовой сваи, удерживающую сваю от выпучивания и работающую на выдергивающую нагрузку, определяется по формуле (7.15 [XIV]), при этом принимаются
  • f1-расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности ствола винтовой сваи о талый грунт, кПа, определяемое по таблице 7.3 (осредненное значение для всех слоев в пределах глубины погружения сваи);
  • h- длина ствола сваи, погруженной в талый грунт, м;
Определим расчетную касательную силу пучения как произведение значения нормативной силы τfh=110 кН по таблице Ж.1[XIV] при глубине сезонного промерзания dfh=1,35 м и показателе текучести Il=0,71, и коэффициентов 0,8 и 0,9 согласно соответственно примечаниям 3 и 4 к таблице Ж.1[XIV]

FτfhfhAfh=0,8×0,9×110кН/м2×0,024 м2=19,18 кН.

Здесь площадь поверхности ствола винтовой сваи, находящейся в зоне промерзания грунта равна

Afh=πd2df=π×0,0572×1,35=0,024 м2.

Вычисляем значение удерживающей силы, подставив соответствующие значения в формулу (7.15 [XIV])

Fd=0,7×{[7,8×38,5+2,8×19,9×(5,0-0,2-0,2)]×0,0288+0,179×7,8×(4,6-1,35-0,2)}=
14,23кН.      (7.15 [XIV])

Проверяем условие (Ж1, [XIV])

τfhAfh - F=19,18-6,5γcFrfk=1,0×14,23/1,1=12,93кН.

Условие (Ж1, [XIV]) выполнено!

Согласно 4.1.Ж [III] следует провести технико-экономическое сравнение вариантов проектных решений.


Библиография

Наверх