Рассчитать осадку фундамента

Если подошва фундамента опирается на сжимаемый грунт (песок средней плотности, супесь, суглинок), здание неизбежно даёт осадку. Проблема в том, что неравномерная осадка свыше 50–80 мм для каменных стен приводит к трещинам в ограждающих конструкциях и нарушению геометрии проёмов. Расчёт осадки до начала строительства позволяет выбрать тип и размеры фундамента, при которых деформации останутся в допустимых пределах.

Что такое осадка и чем она отличается от просадки

Осадка – вертикальное смещение подошвы фундамента в результате уплотнения грунта под действием нагрузки от сооружения. Процесс продолжается от нескольких месяцев до нескольких лет, основная часть (70–80%) происходит в первый год.

Просадка – дополнительное сжатие грунта при увлажнении без увеличения нагрузки. Характерна для лессовидных суглинков, которые теряют структуру при замачивании. Просадку рассчитывают отдельно – по методике СП 25.13330.

Типичные причины недопустимой осадки:

• нагрузка на грунт превышает расчётное сопротивление основания;
• неравномерная сжимаемость слоёв под фундаментом;
• изменение уровня грунтовых вод после начала строительства;
• вибрационное воздействие от соседних объектов.

По какой формуле рассчитывают осадку фундамента

Базовый метод расчёта – метод послойного суммирования по СП 25.13330.2016 «Основания зданий и сооружений». Осадка S определяется как сумма сжатий каждого слоя грунта в пределах сжимаемой толщи:

S = Σ (σᵢ · hᵢ) / Eᵢ

где:

• σᵢ – среднее по толщине слоя дополнительное вертикальное напряжение от нагрузки, кПа;
• hᵢ – толщина i-го слоя, м;
• Eᵢ – модуль деформации i-го слоя, кПа;
• суммирование ведётся по слоям в пределах сжимаемой толщи Hсж.

Дополнительное напряжение σᵢ

Дополнительное напряжение в грунте на глубине z от подошвы фундамента рассчитывают через коэффициент вертикального напряжения α:

σz = α · p₀

где p₀ – среднее давление под подошвой фундамента (за вычетом собственного веса грунта на глубине заложения), кПа. Коэффициент α зависит от геометрии фундамента и глубины – его находят по таблицам приложения Б СП 25.13330.

Сжимаемая толща Hсж

Это глубина, ниже которой дополнительное напряжение от фундамента составляет менее 20% от вертикального давления от собственного веса грунта. Практически Hсж принимают равной:

• для ленточных фундаментов – 2–4 ширины подошвы;
• для плитных – 1,5–2,5 ширины;
• для свайных – считают от нижнего конца сваи.

Модуль деформации E

Модуль деформации E – ключевой параметр. Он определяет, насколько грунт сожмётся под нагрузкой. Значение берётся из инженерно-геологического отчёта. Если отчёта нет, используют ориентировочные значения из таблиц СП:

Значения ориентировочные. Для проектирования необходимо опираться на данные лабораторных или полевых испытаний грунта.

Пример расчёта осадки ленточного фундамента

Для конкретики разберём типичный случай: ленточный фундамент шириной 0,6 м под несущей стеной жилого дома, глубина заложения – 1,0 м. Давление под подошвой p₀ = 120 кПа. Грунт – суглинок твёрдый, E = 10 МПа (10 000 кПа). Сжимаемая толща Hсж = 3 м (5 × 0,6).

Разобьём сжимаемую толщу на 3 слоя по 1 м:

S = 11,0 + 8,0 + 4,0 = 23,0 мм

Осадка 23 мм – допустимая для каменных стен (норматив – до 50–80 мм). Дополнительно нужно проверить неравномерность осадки, если нагрузка на соседних фундаментах отличается.

Какое давление под подошвой считать средним

Давление p₀ – это удельное давление на грунт, передаваемое подошвой фундамента, за минусом веса вырезанного столба грунта:

p₀ = N / A − γ · d

где:

• N – вертикальная нагрузка на фундамент (вес здания + полезная нагрузка + снег), кН;
• A – площадь подошвы фундамента, м²;
• γ – удельный вес грунта выше подошвы, кН/м³ (обычно 17–20);
• d – глубина заложения подошвы, м.

Собственный вес грунта вычитают, потому что грунт уже был уплотнён этим весом до строительства – осадку вызывает только дополнительное давление.

Нормативные пределы осадки

Предельные значения осадки устанавливает СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»:

Для относительной разности осадок (разность, делённая на расстояние между точками):

• кирпичные стены – не более 0,002;
• каркасные конструкции – не более 0,001;
• рамные каркасы – не более 0,0005.

Если расчётная осадка превышает нормативную, необходимо менять конструкцию основания.

Как уменьшить осадку: 5 проверенных способов

1. Увеличить ширину подошвы – давление p₀ снижается пропорционально площади. Если заменить фундамент шириной 0,6 м на 0,9 м, давление уменьшится примерно на 33%.

2. Заглубить фундамент – подошва упирается в более плотные слои грунта с бо́льшим модулем деформации.

3. Перейти на свайный фундамент – сваи передают нагрузку на глубокие плотные слои, минуя сжимаемые верхние горизонты.

4. Уплотнить основание – трамбовка, виброуплотнение, предварительное нагружение (пригруз). Эффективно для песчаных грунтов.

5. Устроить песчаную подушку – замена слабого грунта под подошвой на песок средней крупности (E = 20–25 МПа) толщиной 0,5–1,0 м.

Когда расчёт осадки обязателен, а когда нет

По СП 22.13330 расчёт осадки требуется для:

• зданий II и III уровней ответственности;
• сооружений на слабых грунтах (суглинки пластичные, глины мягкопластичные, торф);
• при наличии неравномерного основания (разные грунты в пределах подошвы);
• при расположении рядом откосов, котлованов, подземных коммуникаций.

Расчёт можно не делать для:

• I уровень ответственности (временные сооружения);
• фундаментов на скальных и полускальных грунтах (E > 100 МПа);
• типовых решений с проверенным опытом эксплуатации на аналогичных грунтах.

Пошаговый алгоритм расчёта

1. Получите данные о грунте – из отчёта об инженерно-геологических изысканиях: тип, модуль деформации E, толщина слоёв, уровень грунтовых вод.

2. Определите нагрузку на фундамент – сумма постоянных (вес конструкций), длительных (мебель, оборудование) и кратковременных (снег, ветер) нагрузок.

3. Рассчитайте давление p₀ – давление под подошвой за вычетом собственного веса грунта.

4. Определите сжимаемую толщу Hсж – глубину, до которой дополнительное напряжение ≥ 0,2 σг (давления от веса грунта).

5. Разбейте Hсж на слои – толщина слоёв не более 0,4 ширины подошвы (для ленточного) или 0,6 ширины (для плиты).

6. Вычислите сжатие каждого слоя – σᵢ · hᵢ / Eᵢ.

7. Просуммируйте – получите итоговую осадку S.

8. Сравните с нормативом – если S > Sпред, пересмотрите конструкцию основания.