Строительство частного дома: как рассчитать фундаментную плиту

Оглавление:

• Характеристики грунтов, важные для плитного фундамента
  • Требования к бетону для плитного фундамента
  • Преимущества монолитного фундамента
  • Расчет основания по деформациям
  • Расчет осадки под плитным фундаментом

Армированный бетон надежно выдерживает сжимающие усилия, поэтому испытывать на прочность плитный фундамент не имеет смысла. Армирование бетонной конструкции необходимо только для того, чтобы улучшить ее сопротивляемость растягивающим нагрузкам.

Плитный фундамент.

При этом по деформации основания (грунта) проверку необходимо выполнять обязательно. По несущей способности расчет выполняют, если:

На основание воздействует не только вес, но и большие горизонтальные нагрузки.

Стройку планируют на откосе или близко к его краю.

Основание сложено медленно уплотняющимися грунтами. Это пылевато-глинистые водонасыщенные или биогенные грунты.

В основании скальные грунты.

Расчет необходимо проводить на основании результатов геодезических, геологических и гидрометеорологических исследований. При необходимости следует проводить измерение деформаций грунта на местности.

Характеристики грунтов, важные для плитного фундамента

Поэтому необходимо понимать общее количество обозначений всех величин, которые могут потребоваться.

Схема гидроизоляции плитного фундамент.

Из всего многообразия характеристик грунтов укажем их виды и некоторые особенности, которые важны, чтобы рассчитать плитный вариант:

Глинистый грунт. Это связный грунт.

Песок. Несвязный грунт, в котором более 50% частиц имеют размеры, не превышающие 2 мм.

Крупнообломочный грунт. Несвязный грунт, в котором более 50% частиц имеют размеры, превышающие 2 мм.

Ил и сапропель. Насыщенный водой осадок с содержанием частиц менее 0,01 мм.

Грунт торфованный. Песчаный и глинистый, содержащий до 50% и более (по массе) торфа.

Набухающим называют грунт, который в условиях свободного набухания при замачивании водой, увеличивает объем и имеет относительную деформацию более 0,04.

У некоторых видов грунта при замачивании водой даже собственный вес может дать относительную вертикальную просадку более 0,01.

Пучинистый дисперсный грунт. Вследствие образования кристаллов льда имеет относительную деформацию более 0,01.

Требования к бетону для плитного фундамента

Бетон для строительной бетонной конструкции – это идеальный материал, так как он хорошо выдерживает сжимающие нагрузки. Но он очень плохо работает на растяжение. Этот недостаток стараются компенсировать за счет армирования бетона металлическим каркасом, помещая его внутрь. По прочности на сжатие бетон делят на классы (В3-В80) и марки М50-М1000.

Для фундаментов подходят марки не ниже М200. Это значит, что предел прочности на сжатие будет не менее 200 кгс/см?. Нормируемой прочности бетон достигает примерно через 28 дней. С течением времени прочность имеет тенденцию к увеличению.

Схема устройства плитного фундамента с ребрами жесткости.

Плита требует как можно больше бетона для одноразовой заливки, поэтому ручной способ приготовления не подойдет. Необходим раствор, приготовленный на бетонном заводе, который хорошо перемешан, что очень важно для его прочности.

По морозостойкости бетон делят на марки F50-F1000, где число обозначает количество циклов замораживание-оттаивание, которое должна выдержать изготовленная из него конструкция.

Очень важной характеристикой является водонепроницаемость бетона. По этому показателю его разделяют на марки W2-W20, где число определяет давление воды (в МПа), которые выдерживает образец установленного размера. Для фундаментов рекомендуют бетон марки W6. Необходимо отметить, что для любой марки бетона гидроизоляция не помешает. Особенно это актуально для такой плитной конструкции.

Прочность основания зависит от соблюдения технологии заливки бетона. Заливать плиту следует на хорошо очищенную поверхность слоями. Для ленточного основания толщина очередного слоя не должна превышать 40 см. Плиту достаточно залить одним слоем. В нем после затвердевания не должно быть пустот, поэтому заливать бетон необходимо с высоты, не превышающей 1,5 м, и его следует хорошо утрамбовывать.

Преимущества монолитного фундамента

Разметка котлована под плитный фундамент.

Плитный фундамент применяют на пучинистых, глинистых и грунтах с высоким залеганием грунтовых вод. Учитывая, что к глинистым относятся все грунты, содержащие глину, то получается, что каких-либо инженерно-геологических исследований в пределах стройплощадки проводить нет необходимости.

Экономия на земляных работах. Для убедительности сравним с ленточным фундаментом, который необходимо заглублять ниже уровня промерзания грунта.

Например, в Подмосковье этот уровень составляет примерно 1,35 м. Фундамент необходимо заглублять на 20 см ниже этого уровня, то есть глубина траншеи составит примерно 1,6 м.

Для дома размером 10?10 м с двумя внутренними несущими перегородками общая длина ленточного основания составит 55,5 м. Если траншею рыть шириной 0,5 м, то общий объем извлекаемого грунта составит примерно 44 м?, не считая плодородного слоя (почвы), который обычно убирают.

Для монолитной плиты, возможно, придется убрать только плодородный слой или заглубить не более чем на 0,25 м (примерная толщина плиты). Это всего 25 м? грунта, то есть вес грунта будет примерно в 1,8 раза меньше.

По прочности плитный фундамент, каким является монолитная плита, не уступает другим видам, но двойное армирование, увеличивая вес, делает такую конструкцию надежной в суровые зимы (не боится пучности грунтов) и при низком залегании грунтовых вод.

Создает намного меньшее давление на грунт. Указанный выше ленточный вариант при толщине 0,4 м будет иметь площадь основания равную Sф =55,5?0,4=22,2 м?, а площадь плитного 100 м?, то есть равный вес создаст как минимум в 4,5 раза меньше нагрузку на основание.

Расчет основания по деформациям

Схема возведения плитного фундамента по этапам.

Такой расчет необходим для определения и ограничения абсолютного перемещения плитного фундамента и стоящего на нем сооружения. Из всех видов деформаций рассмотрим осадки грунтов, возникающие по причине уплотнения грунта под воздействием внешних сил. Деформации могут быть также из-за изменения влажности или замерзания и оттаивания льда в порах грунта. Более сложный расчет связан с определением и ограничением горизонтальных перемещений.

В итоге расчета необходимо проверить выполнение условия

s?su (1)

где s – деформация, которые даст расчет, то есть осадка основания; su – допускаемое предельное значение деформации.

Схема распределения нормальных напряжений по слоям соответствует изображению 1, в котором необходимо учесть изменения обусловленные особенностью плитного фундамента. На изображении обозначено:

• DL – отметка планировки;
• NL – поверхность рельефа;
• FL – уровень подошвы;
• WL – уровень грунтовых вод;
• BC – нижняя граница сжатия грунта;
•  d, dn – глубины заложения от соответствующих уровней;
• b – ширина;
• р – среднее давление подошвы;
• р0 – дополнительное давление на грунт;
• ?zg, ?zg 0 – дополнительные напряжения (по вертикали) на глубине Z и на уровне подошвы;
• Н – глубина сжимаемой толщи.

Будем считать, что отметка планировки и поверхность рельефа совпадают, и, как следствие, уровень подошвы плитного фундамента будет не больше его толщины.

В соответствие с указанной схемой общая деформация определяется суммированием осадки отдельных слоев по формуле:

s=0,8?SUM(?zp.i?hi)/Ei, (2)

где ?zp. ?zp.с- среднее значение дополнительного напряжения (по вертикали) в i?том слое; определяется как полусумма напряжений на границах этого слоя; hi – толщины i-го слоя; Ei – модуль деформации i-го слоя кПа (кгс/см?).

Значение дополнительного напряжения по центру фундамента определяется по формуле:

• ?zp.= а?р0, (3)

а в угловых точках фундамента по формуле:

• ?zp с.= а?р0/4. (4)

Коэффициент а определяется в зависимости от формы фундамента (по подошве) и от соотношения сторон (если форма прямоугольная), или от диаметра (если форма круг) и от относительной глубины х=2z/b (z – глубина залегания слоя, b – ширина фундамента).

Расчет осадки под плитным фундаментом

Учтем допущения и особенности плитного варианта:

Пусть отметка планировки и поверхность рельефа совпадают, а dn (уровень подошвы) определяет его толщину.

Основание в плане имеет форму прямоугольника 10?10 м.

Для фундамента, ширина которого больше или равна 10 м, и с указанным заглублением значение р0=р.

В таблице 1 приведены значения коэффициента для двух отношений сторон фундаментов прямоугольной формы

Таблица 1.

x=2z/b Соотношение сторон равно 1 Соотношение сторон равно 1,4 Соотношение сторон равно 1,8 0 1,000 1,000 1,000 0,4 0,960 0,972 0,975 0,8 0,800 0,848 0,866 1,2 0,606 0,682 0,717

Примечание. Для значений входных параметров, отличающихся от табличных, коэффициент а определяют методом интерполяции.

Предположим, что под фундаментной плитой расположены два слоя. Первый слой имеет толщину 1,5 м (150 см), представляют рыхлые пески, второй слой имеет толщину 2 м (200 см) – полутвердые глины. В таблице 2 приведены значения модуля деформации некоторых оснований.

Таблица 2.

Вид грунта Модуль деформации Е, Мпа (кгс/см?) Вид грунта Модуль деформации Е, Мпа(кгс/см?) Очень мягкие глины 0,5-5(5-50) Опесчаненные глины 25-200(250-2000) Мягкие глины 5-20(50-200) Рыхлые пески 10-20(100-200) Полутвердые глины 20-50(200-500) Плотные пески 25-100(250-1000) Твердые глины 50-100(500-1000) Гравелистые грунты 100-200(1000-2000)

Чтобы определить значение дополнительного напряжения по центру монолитной плиты в первом слое находим отношение х=2z1/b=2?1,5/10=0,3; , то же для второго слоя х2=2?(1,5+2)/10=0,7. Методом интерполяции получаем для первого слоя:

• а1=1- 3?(1-0,96)/4=1-3?0,01=0,97;
• а2=0,96- 3?(0,96-0,8)/4=0,96-3?0,04=0,84.

Значение дополнительного напряжения по центру плиты по формуле (3) равно:

• ?zp1.= а1?р0=0,97 р0;
• ?zp2.= а2?р0=0,84 р0.

По таблице 2 находим значение модуля деформации для рыхлых песков Е1=15 Мпа (150 кгс/см?)(берем среднее значение) и для полутвердых глин Е2=35 Мпа (350 кгс/см?).

По формуле (2) определяем суммарную деформацию:

• s=0,8?[(?zp.1?h1)/E1+?(?zp.2?h2)/E2] = 116,4? р0/E1+134,4? р0/E2.

Величины р0 и Е определяем в одинаковых единицах. Например, если общий вес сооружения с фундаментом равен 150 т =150000 кг, а фундамент имеет размеры 10?10 м или 106 см2, то р0=15?10-2кгс/см2. То есть это всего лишь 150 г/см2. Значения h подставляем в см. Тогда суммарная деформация будет равна:

• s=116,4?15?10-2/150+134,4?15?10-2/350 ? 0,17 см.

Монолитную фундаментную плиту характеризует прочность и надежность. Однако об этих свойствах забывают, считая такой тип фундамента самым затратным вариантом, что не совсем соответствует действительности. При основательном подходе для любого фундамента, кроме плитного, необходимо проводить квалифицированный анализ состояния грунта, что влечет за собой финансовые затраты.