Методики и варианты расчета свайного фундамента

Перед началом проектирование необходимо провести ряд расчетов, которые позволят выбрать оптимальные параметры для силовых конструкций.

В зависимости от типа фундамента применяют различные методики, описанные в нормативной документации, или используют виртуальные программы.

Все о расчете свайного фундамента найдете в этой статье.

Методы

Подготовка к проектированию начинается с геологических изысканий на участке. Результаты исследований дают возможность оценить несущую способность почвы и определить, какие пласты будут несущими.

Затем собираются суммарные нагрузки проектного сооружения. При этом учитываются не только вес стен, перекрытий и крови, но также масса снегового настила и эксплуатационные нагрузки (вес людей, мебели, оборудования). Полученные сведения позволяют определить несущую способность одного опорного элемента, а также выбрать тип и количество свай.

В задачи конструктора входит необходимость исключения рисков, связанных с осадкой, деформацией и разрушением фундамента в процессе монтажа и эксплуатации.

Метод заключается в суммировании показателей на сжатие всех пластов грунта, на которые оказывает давление опорная конструкция. Для этого необходимо определить осадку каждого слоя по формуле:

где:

• Р – усредненное уплотняющее давление (берется из нормативной документации);
• m – коэффициент, отражающий степень сжимаемости почвенных масс (определяется в результате компрессионных испытаний);
• р – толщина исследуемого пласта.

Соответственно, суммарный показатель будет равен:

где:

• Е – модуль деформации пласта;
• ? – коэффициент (принимается равным 0,8 согласно СНиП).

Полученные значения деформаций и осадок для свайного фундамента не должны превышать предельное значение совместной деформации основания и сооружения, установленные в СНиП 2.02.01-83.

Тип сооружения	Максимальная осадка, см
Производственные и гражданские дома с монолитными перекрытиями	10
Многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из бетонных перекрытий	12–18
Конструкции, в которых не возникают деформации от осадок	20

Методика основана на проверке условия:

где:

• p среднее давление под подошвой фундамента;  – равномерно распределенная нагрузка на пол нулевого этажа (для промышленных зданий , для жилых помещений – 1,5 кПа, бытовых – 2,0 кПа);
• q –  расчетное сопротивление грунта (берется из нормативной документации).

где:

• N – суммарные проектные нагрузки с учетом веса фундамента и грунта, лежащего на его уступах;
• Aф – площадь подошвы фундамента.

Если определяющее условие не выполняется, то увеличивают площадь подошвы фундамента. Оптимальным считается значение, когда среднее давление пол подошвой меньше сопротивления грунта на 20%.

Что нужно знать, чтобы все правильно рассчитать?

Перед проектированием конструктору необходимо знать перечень параметров, получаемых изыскательным и расчетным путем.

В результате геологических испытаний определяют:

1. 

   Физико-механические и химические свойства почвы.

2. Состав слоев.
3. Глубину залегания подземных источников.
4. Особенности гидрогеологии.
5. Точку сезонного промерзания грунта.
6. Риск сезонного подтопления.
7. Уровень залегания твердых слоев.

В результате инженерных расчетов узнают:

• суммарную нагрузку проектного сооружения;
• несущую способность силовой конструкции;
• схему расположения свай;
• характеристики опор;
• величину средней осадки и т.д.

Выше указаны только основные параметры, но на практике часто приходится проводить и другие расчеты, связанные с проверкой надежности проектного основания.

Нагрузки на свайный фундамент

Совокупность нагрузок складывает из трех основных параметров:

1. Массы здания (стен, кровли, перекрытий с учетом удельного веса распространенных строительных материалов).
2. Расчетных снеговых нагрузок (согласно СНиП № 2.01.07-85, параметр для южных регионов РФ равен 50 кг/м2, центральных – 100 кг/м2, северных – 190 кг/м2).
3. Эксплуатационные нагрузки (вес людей, масса предметов интерьера, оборудования и т.д.)

Согласно СНиП, для жилых сооружений принимают усредненное значение эксплуатационной нагрузки, равное 150 кг/м2.

Количество свай

Количество свай определяется исходя из таких параметров:

• проектный вес сооружения;
• сопротивление грунта;
• допустимая нагрузка одного конструктивного элемента;
• выбранный шаг между опорами.

Зная суммарную нагрузку на основание, делят показатель на несущую способность одной сваи и получают необходимое количество силовых элементов. Затем пересчитывают суммарную нагрузку на грунт с учетом веса основания, делят на опорную площадь фундамента и сравнивают результат с сопротивлением грунта.

Если остается риск проседания почвы, то увеличивают опорную площадь фундамента, выбирая сваи прочнее или уменьшая шаг между конструктивными элементами.

Минимально допустимое расстояние между двумя опорными элементами равно трем диаметрам свай (не меньше одного метра). Исключение составляет технология с монтажом опор под наклоном. В этом случае сваи можно расставлять с шагом в 1,5 диаметра.

Согласно общепринятой классификации, максимальное расстояние между опорами может быть равным 6 диаметрам (не больше 3 метров). Для всех типов свай оптимальным считается шаг в 1,5 – 2 метра.

Как правило, сваи размещают по периметру сооружения, а также под несущими стенами при условии, что каждый угол конструкции удерживает как минимум один силовой элемент. Для малогабаритных построек сваи можно располагать в один ряд или несколько (параллельно или в шахматном порядке, выдерживая допустимый шаг).

Глубина и высота

Глубина сваи определяется, исходя из расположения твердого несущего пласта, а также точки сезонного промерзания почвы. Уровень промерзания грунта находят по формуле:

где:

• Mt  – суммарное значение среднемесячных отрицательных температур за зиму;
• d0 – коэффициент (принимается равным: для крупнообломочных грунтов – 0,34, песков средней крупности – 0,3, супесей – 0,28, глин – 0,23).

Согласно нормативным требованиям, минимальная высота цоколя – 20 см, но эксперты рекомендуют придерживаться величины 30–45 см. Для деревянных домов нижний этаж можно поднять на 50 см от уровня земли, а для регионов с высоким снежным настилом – на 90 см и более.

Пример для каркасного дома

Найдем количество силовых элементов фундамента для каркасного дома, проектируемого на грунте с несущей способность 3,5 кг/см2.

Вначале необходимо определить суммарный вес сооружения и фундамента, а затем добавить к нему запас прочности 30%. Например, вес здания с учетом всех характеристик будет равен 150 тонн.

Определим площадь подошвы сваи круглого сечения диаметром 50 см по классической формуле ?R2: 3,14 х 252 = 3892,5 см2.

Рассчитаем количество свай для распределения нагрузки: 150 000 / 3892,5 = 38,54; получаем: 38,54 / 3,5 = 11,01 шт.

Таким образом для заданных условий потребуется 11 свай. Опорные элементы располагают под углами конструкции, а также под несущими стенами с шагом 1,5–2,5 м.

Особенности для свайно-винтового основания

Расчет свайно-винтового фундамента проводят по методике, описанной ранее. Отличительной особенностью является то, что на этапе геодезических исследований измеряют коррозионную агрессивность почвы и на основе полученных данных подбирают сваи с определенной толщиной стенки трубы и лопастей (в соответствии с ГОСТ 27751-2014).

Чтобы удостовериться в правильности выбранных параметров, выполняют расчет срока службы фундамента, проверяя остаточную толщину стенки на соответствие проектным нагрузкам.

Таблица расчета нагрузки на винтовые сваи:

Конструктивный элемент	Коэффициент надежности	Формула расчета
Внешние стены	1,1	Lстен х hстен х Mстен х 1,1
Внутренние стены	1,1	Nэтажей х hэтажа х Lстен х Mстен х 1,1
перегородки	1,2	hэтажа х Lперег. х Mперег. х 1,2
Перекрытия	1,1	Nперекр. х Sперекр. х 1,1
Кровля	1,2	(Sкровли х М кровли х 1,2)/ косинус угла наклона кровли
Фундамент	1,05	Nсвай х Mсвай х 1,1
Полезная нагрузка	1,2	Nэтаж. х Sэтаж. х 150 х 1,1
Снеговая нагрузка	1,4	Mсн. х Sкр. х 1,4

Исходные условия:

1. 

   Одноэтажный каркасный дом площадью 6 на 6 м на винтовых сваях.

2. Металлическая вальмовая кровля.
3. Толщина внутренних перегородок – 800 мм.
4. Толщина внешних стен с утеплителем – 1000 мм.
5. Высота этажа – 3 м.
6. Общая длина перегородок – 25 м.
7. На участке глинистый тип грунтов.
8. Глубина промерзания – 3 м.
9. Нормативная снеговая нагрузка – 180 кг/м2.

Выбираем винтовые сваи диаметром 108 м и высотой 4 м (с учетом глубины промерзания грунта, высота цоколя и запаса). Количество свай принимаем равным 9: по углам конструкции и между угловыми силовыми элементами (шаг 1,5 м).

Рассчитываем суммарные нагрузки с учетом запаса надежности:

• нагрузка внешних стен – 6600 кг;
• внутренних стен – 1980 кг;
• перегородок – 2204 кг;
• перекрытий – 11880 кг;
• кровли – 3700 кг.

Находим предварительный вес фундамента для 9 свай весом 40 кг с запасом прочности (5%): 9 х 40 х 1,05 = 378 кг.

Рассчитываем полезную нагрузку, исходя из установленного значения 150 кг/м2 и коэффициента надежности 1,2: 6 х 6 х 150 х1,2 = 6480 кг.

Снеговая нагрузка (запас прочности 40%): 6 х 6 х 180 х 1,4 = 9072 кг.

Суммарная нагрузка на грунт будет равна 42294 кг. Принимая во внимание несущую способность одной опоры (5 тонн), проверяет количество необходимых силовых элементов: 42 т / 5 т = 8,4 шт.

Окончательно принимаем 9 свай для фундамента. Расставляем силовые элемента согласно ранее выбранной схемы.

Нюансы для свайно-ростверковой конструкции

В данном типе силовой конструкции сваи воспринимают суммарные нагрузки, а ростверк отвечает за распределение массы проектного сооружения по всей площади основания.

Расчет фундамента заключается в определении глубины залегания опор, выборе количества свай, а также параметров ростверка.

Здание опирается на верхнюю часть основания, при этом передача нагрузок от вышерасположенных элементов происходит неравномерно. Помимо определения размеров ленты, находят центральные нагрузки на продавливание колонной, рассчитывают:

• прочность стакана ростверка,
• давление на боковые поверхности,
• а также изгибающие моменты.

Для выполнения перечисленных инженерных расчетов требуются специальные знания и навыки, поэтому проектирование свайно-ростверкового основания целесообразно доверить профессионалам.

Исходные условия:

1. 

   Одноэтажное кирпичное здание площадью 6 на 9 м с двумя перекрытиями из железобетона толщиной 20 см.

2. Толщина стен – 38 см.
3. Высота этажа – 3,15 м.
4. Тип грунта – супесь (R = 46 т/м2, fin = 1,2 т/м2).
5. Глубина несущего пласта – 3,1 м.
6. Вес снежного покрова – 80 кг/м2.

Рассчитаем нагрузки с учетом коэффициентов запаса по схеме, описанной ранее, и получим суммарный вес сооружения равный 184 536 кг.

Предварительно пример параметры фундамента:

• ширина ростверка – 400 мм;
• высота ростверка– 500 мм;
• длина свай – 3 м;
• диметр сечения ж/б свай – 0,5 см;
• шаг – 1,5 м.

По чертежу рассчитаем длину ростверка (например, 30 м) и раздели на принятый шаг (1,5 м). К полученному значению добавим один запасной силовой элемент и получим потребность в опорах, которая составит 21 штуку.

Площадь сваи: 3,14 х 0,52/4 = 0,196 м2. Периметр сваи: 2 х 3,14 х 0,5 = 3,14 м. Масса ростверка: 0,4м х 0,5м х 3м0 х 2500кг/м3 х 1,3 = 19500 кг. Масса свай: 21 х 3м х 0,196м2 х 2500кг/м3 х 1,3 = 40131 кг.

Суммарный вес возводимой конструкции (дома и фундамента) составит: 184 536 кг + 19500 кг + 40131 кг = 244167 кг. Нагрузка на погонный метр ростверка: Q = 244167 кг/30 м = 8100 кг/м.

Допустимая нагрузка на опору составит: P = (0,7 х R х S) + (u х 0,8 х fin х li) = (0,7 х 46 т/м2 х 0,196м2) + (3,14м х 0,8 х 1,2т/м2 х 3м) =15,35 т.

Окончательный шаг свай: P/Q = 15,35/8,1= 1,9 м. Масса конструкции без учета свай: 184 536 кг + 19500 кг = 204 т. Ширина ленты: М / (L х R) = 204/(30 х 75) = 0,09 м.

Такую ленту использовать нельзя, потому что толщина стен не должна превышать ширину ростверка более, чем на 4 см. Оставляем принятые в начале расчетов параметры верхнего силового элемента.

Как рассчитать свайно-плитный?

Особенность расчета сводится к определению оптимальной площади плиты:

где:

• Kn  – коэффициент надежности ростверка относительно нагрузкам;
• F – суммарная нагрузка на фундамент;
• Кр – коэффициент, зависящий от типа грунта (в пределах 0,7 – 1,05);
• R – сопротивление грунта.

Расчет фундамента должен включать:

• определение нагрузок на плиту и сваи;
• определение усилий в конструктивных элементах;
• определение перемещения конструкции в целом и ее отдельных элементов.

В инженерных расчетах необходимо учесть:

1. Возможность деформаций.
2. Внутренние усилия.
3. Просадки, подвижки конструкции и другие значимые аспекты.

Оптимальное соотношением параметров нивелируется за счет изменения толщины плиты, количества и диаметра арматуры, параметров опор и глубины погружения. Также нужно учесть связь между стволами свай и плитой. Самостоятельно провести вычисления невозможно, поэтому проектирование доверяют специалистам.

Специальные программы

Когда самостоятельно повести расчеты нет возможности, а бюджет не позволяет обратиться в специализированную компанию, можно воспользоваться программами для определения искомых параметров.

Популярные платформы для скачивания:

1. 

   GeoPlate – программа для расчета осадки свайно-плитного основания).

2. GeoPile – сервис для расчета нагрузки на свайный фундаментов зависимости от типа грунта.
3. StatPile mod Range – платформа для определения вертикальной нагрузки, передаваемой от ростверка на сваи.
4. StatPile mod SP – программа для расчета суммарных нагрузок, передаваемых на сваю.

Онлайн-порталы в помощь начинающим строителям:

1. Определение давления под подошвой фундамента здесь.
2. Расчет глубины промерзания почвы тут.
3. Расчет размеров конструктивных элементов фундамента, а также определение потребностей в арматуре и бетоне – тут.
4. Расчет количества свай в зависимости от параметров возводимой конструкции – здесь или здесь.
5. Определение количество свай и параметров силовых элементов – тут.

Сервисы для подсчета стоимости фундамента:

• калькулятор для свайного основания;
• калькулятор для свайно-винтового фундамента;
• онлайн-калькулятор для свайно-ростверкового основания.

Проектирование основания – трудоемкий процесс, который учитывает множество факторов для различных исходных условий, поэтому не существует правдивого универсального сервиса для подсчета количества опор, определения параметров, расхода стройматериалов и стоимости.

Как правило, инженерными расчетами для проектирования занимаются специализированные фирмы в индивидуальном порядке.

Все, что необходимо знать об устройстве и возведении свайного фундамента, найдете здесь.

Заключение

Планируя строительство жилого сооружения, целесообразно доверить инженерные расчеты профессионалам. Только так можно получить достоверные сведения, которые послужат основой для проектирования свайного и свайно-ростверкового фундамента.

Эксперты советуют самостоятельно заниматься расчетами только для возведения сооружений, срок службы и эксплуатационные характеристики которых не имеют принципиального значения.