Несущая способность слабых грунтов

Несущая способность грунтов – это его основанная характеристика, которую необходимо знать при строительстве дома, она показывает какую нагрузку может выдержать единица площади грунта и измеряется в кг/см 2 или т/м2. Несущая способность определяет, какой должна быть опорная площадь фундамента дома: чем хуже способность грунта выдерживать нагрузку, тем больше должна быть площадь фундамента. Сама несущая способность грунта зависит от трех факторов: тип грунта, степень его уплотненности и насыщенность грунта влагой. Несущие способности разных грунтов в кг/см 2 в разном состоянии представлены в таблице.

Грунт	плотный	средней плотности
Крупный гравелистый песок	6	5
Песок средней крупности	5	4
Мелкий маловлажный песок	4	3
Мелкий песок, насыщенный влагой	3	2
Супеси сухие	3	2,5
Супеси, насыщенные влагой (пластичные)	2,5	2
Суглинки сухие	3	2
Суглинки, насыщенные влагой (пластичные)	3	1
Глины сухие	6	2,5
Глины, насыщенные влагой (пластичные)	4	1

Увеличение влажности грунта снижает его несущую способность в несколько раз. Только крупные пески и пески средней крупности не меняют своих свойств при увеличении влажности. Избыточная влажность грунта, скорее всего, связана с высоким уровнем грунтовых вод.

Чтобы узнать несущую способность грунта не обязательно обращаться за помощью к геологам, в случае самостоятельного строительства дома можно определить тип грунта на глаз. Для этого простым земляным буром можно пробурить в земле скважину глубиной 2 м или выкопать яму лопатой. При этом сразу будет понятно, какой грунт находится на этой глубине и насколько он увлажнен.

Отличить песок от глины не составляет труда: в песке ясно видны отдельные песчинки, при растирании песчаного грунта меду ладонями они отчетливо чувствуются. Крупный песок имеет размер частиц от 0,25 до 5 мм, такие частицы хорошо видны невооруженным глазом, а песок средней плотности имеет размер песчинок до 2 мм. Супесь содержит не более 10% глинистых частиц, в сухом состоянии она крошится, если скатать из нее шарик, то он рассыпается при легком давлении на него. Суглинок содержит от 10% до 30% глинистых частиц, обладает большей пластичностью, чем супесь. Если из суглинка сделать шар и раздавить его, то он превращается в лепешку с трещинами по краям. Глина – наиболее пластичный грунт, если раздавить шар, сделанный из глины, то он превратится в лепешку, на краях которой не будет трещин.

Определить влажность грунта можно так же на глаз. Если в вырытой яме или пробуренной скважине сухо, т.е. вода там откровенно не скапливается, значит грунт можно считать сухим. Если же на дне скважины через некоторое время накапливается вода, значит уровень грунтовых вод близко и грунт надо считать насыщенным влагой. Влажность и пластичность глины можно определить так: если лопата входит в глину легко и глина хорошо прилипает к лопате, то она пластичная и влажная. В противном случае ее можно считать сухой.
Плотность грунта – величина непостоянная. Находящийся глубоко под землей грунт будет плотным, поскольку на него давят слои грунта, находящиеся выше. При бурении скважины извлеченный на поверхность земли грунт становится рыхлым и имеет насыпную плотность, которая гораздо меньше. При расчете несущей способности грунт, находящийся на глубине 0,8-1 м и более можно считать плотным.

Исследование грунта происходит далеко не всегда, и даже при профессиональном проектировании дома таких данных может не быть. Поэтому зачастую для упрощенных и приблизительных расчетов несущую способность грунта принимают равной 2 кг/см 2 .

Промерзание грунта приводит к его пучению и негативному воздействию на фундамент здания. Глубина промерзания зависит от типа грунта и климатических условий.

Глинистый грунт – это грунт, который более чем на половину состоит из очень мелких частиц размером менее 0,01 мм, которые имеют форму чешуек или пластин. К глинистым грунтам относятся супесь, суглинок и глина.

Грунтовые воды – это первый от поверхности земли подземный водоносный слой, который залегает выше первого водоупорного слоя. Они оказывают негативное воздействие на свойства грунта и фундаменты домов, уровень грунтовых вод необходимо знать и учитывать при заложении фундамента.

Пучинистый грунт – это такой грунт, который подвержен морозному пучению, при промерзании он значительно увеличивается в объеме. Силы пучения достаточно велики и способны поднимать целые здания, поэтому закладывать фундамент на пучинистом грунте без принятия мер против пучения нельзя.

На этапе проектирования будущего дома в числе прочих расчетов необходимо выполнить расчет фундамента. Цель этого расчета – определить, какая нагрузка будет действовать на фундамент и грунт, и какой должна быть опорная площадь фундамента. Для того, чтобы определить суммарную нагрузку на фундамент, необходимо посчитать вес будущего дома со всеми эксплуатационным нагрузками (проживающими там людьми, мебелью, инженерным оборудованием и т.п.)

Плотномеры — это специальные строительные приборы, с помощью которых прямо на строительной площадке можно измерить плотность грунта и оценить его несущую способность.

Строительство — это сложный процесс, требующий большой точности при расчетах несущей способности конструкции.

Масса крыши передает нагрузку на стены, потом на фундамент и в конечном итоге масса всего строения воздействует на основание — толщу породы, на которую опирается фундамент.

Перед началом строительства необходимо проверить надежность грунтов.

Несущая способность грунта — это нагрузка, действующая на единицу его объема и не приводящая к деформации основания.

От чего зависит несущая способность?

Для определения несущей способности грунта специалисты проводят геологические изыскания. На территории строительной площадки бурят несколько скважин, берут из них пробу через равные расстояния, проводят лабораторные исследования и оформляют отчет.

На несущую способность влияет несколько факторов:

• Вид грунта;
• Толщина слоя;
• Глубина залегания;
• Характеристики предыдущего слоя;
• Уровень грунтовых вод (УГВ);
• Глубина промерзания почвы;
• Плотность.

При строительстве самый важный показатель — УГВ, от него зависит влажность грунтов.

В сухом и насыщенном влагой состоянии одни и те же породы имеют разные характеристики, отличающиеся в несколько раз.

Любые грунты, соприкасающиеся с водой, считаются насыщенными влагой.

Это увеличивает их текучесть и снижает несущую способность.

Исключением являются средние и крупные пески. Их свойства не изменяются из-за насыщения водой.

Плотность — это показатель пористости.

Грунт состоит из твердых частиц, между которыми находятся полые пространства, заполненные воздухом или водой. При превышении максимальной возможной нагрузки происходит деформация (усадка), способная полностью разрушить здание.

Плотные породы с минимальным количеством пустот считаются наиболее прочными. Усадка таких грунтов минимальна.

Залегание

При проектировании здания очень важно исследовать толщу грунтов ниже предполагаемой подошвы фундамента. Близко к поверхности залегают непрочные породы, способные воспринимать нагрузку лишь от небольшого здания. Чем глубже залегает порода, тем она старше, плотнее, толще и надежнее.

В зависимости от залегания и типа грунтов будет разрабатываться план установки фундамента в соответствии с правилами:

• Не допускается укладка фундамента вблизи границы разных пород;
• Желательно установить фундамент выше УГВ, если это невозможно — принимаются меры по гидроизоляции конструкций;
• Идеален для установки фундамента горизонтальный слой.

Несущая способность основания будет снижена в местах смены пород, вблизи УГВ, на склонах.

Рис. 1 Пример инженерно-геологического разреза

На чертеже разной штриховкой обозначены породы, указаны высоты устий скважин, начерчена линия УГВ.

Типы грунтов

Существует несколько типов пород, обладающих особыми характеристиками:

• Скальные, обладающие большой плотностью и несущей способностью;
• Крупнообломочные. Состоят из отдельных крупных частиц;
• Песчаные. Непластичные грунты, способные выдерживать большую нагрузку;
• Глинистые. Связные грунты, легко впитывают влагу, при промерзании пучинятся.

Скальные

Скальные породы образуются в результате извержения вулканов и последующего застывания магмы в толще земли.

Благодаря этому формируется порода с малой пористостью и жесткими связями между частицами.

Характеризуется большой прочностью, устойчивостью к отрицательным температурам, не впитывает воду, не пучинятся.

При отсутствии трещин в породе не вымывается и очень медленно разрушается с течением времени.

Скальные породы идеальны в качестве основания для любого объекта. Но они очень редко применяются для строительства, ведь встречаются преимущественно на большой глубине или в труднодоступных участках.

Крупнообломочные

Крупнообломочные грунты — это несвязанные породы, представляющие собой толщу камней (обломков скальных пород), большинство из которых крупнее 2 мм. Слежавшиеся валуны и обломки, не подверженные вымыванию — это хорошее основание.

Различают несколько видов крупнообломочных пород:

• Гравий. Большая часть обломков имеет размер 2–40 мм. Различают гравий (обломки округлой формы) и дресву (обломки угловатой формы);
• Галька (округлые части) и щебень (угловатые части). Не менее 50% массы грунта представлено обломками от 40 до 100 мм;
• Валуны. Размер каждого обломка превышает 100 мм.

Песчаные

В ненасыщенном водой состоянии песок сыпучий, но слежавшийся песчаник — это надежное основание, не изменяющее своих свойств при насыщении влагой. Песчаные породы не пучинятся, хорошо пропускают воду, не задерживая ее вблизи конструкций.

Существует несколько видов песчаников:

• Пылеватый. Размер фракций 0,005–0,050 мм;
• Мелкий. Размер песчинок варьируется от 0,050 до 1,0 мм;
• Крупный. Зерна размером до 2 мм.

Самые надежные основания — это слежавшиеся крупнообломочные породы и крупный песок.

Глинистые

Порода, состоящая из очень маленьких связанных частиц размером до 0,005 мм, называется глинистой. Выветренные мельчайшие частички пород чешуйчатой формы образуют массу грунта, способную быстро впитывать воду. В результате этого порода становится пластичной.

Глина с трудом теряет влагу, при наступлении холодов вода внутри нее замерзает, увеличивается в объеме и глина выпучивается. Этот процесс способен всего за одну зиму разрушать фундамент.

Другие

Существует несколько видов грунтов, практически непригодных для строительства:

• Плывуны. Мелкие частицы песка с примесью глины, очень подвижны, имеют малую несущую способность;
• Суглинки. В составе присутствует 10–30% глинистых частиц;
• Супеси. Глина составляет 3–10% от общей массы.

При необходимости обустройства фундамента на вышеперечисленных грунтах необходимо учесть глубину промерзания почвы и УГВ в холодный период. Если уровень воды устанавливается ниже 2 м от глубины промерзания, то установить фундамент допускается близко к поверхности (минимум 0,5м).

Повышение несущей способности

На площадках с недостаточной несущей прочностью основания необходимо провести работы по повышению несущей способности грунта.

Есть два основных метода:

В первом случае для достижения большей плотности в грунт вбивают сваи небольшого размера, сокращая количество пустот в породе.

Во втором случае в толщу земли вводят различные химические добавки, сцепляющие между собой отдельные части грунтов.

Еще один способ улучшить характеристики основания — это устройство песчаной подушки под фундамент. После уплотнения она сможет воспринимать и равномерно передавать нагрузку от здания на залегающие ниже породы. Песок не задерживает влагу, не пучинится и является хорошим основанием для строительства дома.

Еще один способ улучшить характеристики основания — это понижение УГВ.

Таблица средних значений

Средняя несущая способность грунтов — это основной показатель расчетов. После выемки образцов породы из скважин проводится определение их вида для дальнейшей работы.

Классификация грунтов приведена в таблицах СНИП 1–3 ГОСТ 25100.2011. После определения типа грунта в каждом из залегающих слоев необходимо определить предельное сопротивление грунта сжатию.

Подробная информация содержится в ГОСТ 25100.2011 «Грунты. Классификация», таблица Б.1.

Рис. 2 Сопротивление сжатию

Основа расчета — расчетное сопротивление осевому сжатию. С подробным методом расчета с учетом всех нюансов можно ознакомиться в СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений». Здесь же можно найти значение всех коэффициентов, необходимых для максимально точного расчета.

Определение типа грунтов

Для выполнения расчетов и построения геологического разреза необходимо определить типы грунтов. Сначала проводятся полевые геологические работы, в ходе которых на участке бурят несколько скважин.

В процессе бурения через равнее промежутки геологи изымают из толщи земли образцы породы, укладывают их в специальные контейнеры и подписывают. Весь изъятый материал ведут в лабораторию для дальнейшего исследования.

Определить состав пород и их характеристики самостоятельно невозможно. Для этого потребуется специальное оборудование и знания. Без помощи профессионалов можно только примерно определить тип породы с помощью простого метода. Из насыщенного водой грунта пробуют скатать «колбаску».

От полученного результата зависит пластичность:

• Длинный (до полуметра) жгут — высокая пластичность, грунт связный, частиц не видно. Это характерно для глинистых пород;
• Жгут получается коротким, образуются трещины, он рвется — пластичность средняя, грунт связный, в составе в основном присутствуют глинистые частицы, содержание песка от 10 до 30%. Это характерно для суглинков.
• В насыщенном водой состоянии жгут скатать невозможно — грунт несвязанный, состоят из заметных глазу частиц. Характерно для песка.

Рис. 3 Схема состава различных пород

Точно определить тип породы и его характеристики возможно только в лабораторных условиях.

Расчет

Расчет несущей способности — это основная цель геологических изысканий. Выполнять его можно только после определения типа пород внутри скважин и получения чертежей геологических разрезов на территории строительной площадки.

Чертеж поможет определить положение слоев пород в толще земли и даст представление о возможности строительства на площадке.

Несущая способность (R) определяется по формуле согласно алгоритму:

1. Значение R0 (сопротивление осевому сжатию) определяется с помощью таблицы и напрямую зависит от типа грунта;
2. Рассчитывается глубина промерзания. Это значение индивидуально для каждого региона. Будет зависеть от типа пород в верхних слоях;
3. Выбирается оптимальная глубина заложения в толще одного из прочных слоев непучинистого грунта, ниже глубины промерзания;
4. Выполняется расчет по формулам: R=R0*[1+k1*(b-100)/100]*(d+200)/2*200 — при принятой глубине заложения до 2 м и R=R0*[1+k1*(b-100)/100]+k2*g*(d-200) — когда глубина заложения превышает 2 м.

Данные для расчета:

• k1 — коэффициент берется из таблицы в зависимости от вида породы. 0,125 для устойчивых крупнообломочных или песчаных и 0,5 для глин, супеси и суглинков;
• k2 — применяется для расчетов несущей способности устойчивых пород (слежавшиеся крупнообломочные или песчаные породы);
• g — необходим для нахождения удельного веса грунта от подошвы слоя и до нижней части фундамента или следующего слоя;
• b — ширина, опирающейся на основание части фундамента;
• d — глубина заложения.

После нахождения фактической несущей способности ее сравнивают с требуемой. Если вторая будет больше первой, то придется менять конструкцию будущего дома (увеличивать площадь опирания фундамента на основание или глубину заложения, менять вид фундамента, выбирать в качестве основания другой, более прочный слой).

Калькулятор для расчета фундаментов

Процесс расчета несущей способности основания — это кропотливый процесс, требующий обширных знаний в области строительства и геологии. На помощь инженерам приходит специальные калькуляторы.

При использовании калькулятора необходимо самостоятельно выбирать тип фундамента, вид почвы и глубину промерзания.

Для правильного определения всех параметров необходимы знания геологии. Доверять анализ основания необходимо специалистам, ведь в строительстве есть множество нюансов, которые не может учесть компьютерная программа.

Для самостоятельного использования отлично подойдут программы для расчета объема ленточного фундамента. Они не учитывают вид почвы и ее несущую способность. Для расчета необходимо ввести все параметры фундамента, и она посчитает объем бетона.

Действующие проектировщики создали простую программу, рассчитывающую базы колонн в зависимости от типа пород основания и веса здания. Она очень специфична и подойдет далеко не каждому, но профессионалам может помочь в расчетах.

Формула Терцаги

Формула Терцаги описывает закономерность уплотнения грунтов и их компрессионное сжатие. Для исследования грунтов редко выбирают метод трехосного сжатия ввиду его сложности, метод одноосного сжатия можно применять лишь к узкому кругу грунтов. Именно поэтому Терцаги рассматривает одноосное сжатие в жесткой таре, где стенки не дают образцу деформироваться.

По мере уплотнения, то есть сокращения объема полостей, давление возрастает. В результате становится понятно, то сумма деформаций образца составляется из пластической и остаточной деформации. (ξ1= ξp+ ξв)

Рис. 4 График нагружения грунта

При выполнении повторного нагружения основанию передаются только упругие деформации.

Расчет полов

Пол на лагах устанавливается в большинстве домов, но при неправильном конструировании подвального помещения (отсутствие продухов, их малый или большой размер) в нем начинает конденсироваться влага.

Вода деформирует или полностью разрушает деревянные лаги и конструкцию пола, способствует разрушению бетона.

Самый простой способ бороться с влагой в подвале — отказаться от цокольного помещения. Пол по грунту обеспечит долговечность конструкции и не даст лишней влаге проникнуть в дом.

Где можно класть пол на грунт

Класть пол допускается не на каждый грунт:

• Основание должно быть хорошо уплотнено и выровнено. В противном случае со временем грунт осядет, стяжка пола повиснет в воздухе и со временем начнет разрушаться;
• Основанием служат грунты, не подверженные пучению;
• Не стоит укладывать пол на подвижные грунты.

Существует 2 вида пола по грунту:

• Связанная плита стяжки. Жестко крепится к ленточному фундаменту, опирается на него. Пол не даст усадки, отделка не пострадает при незначительных изменениях грунтов;
• Несвязанная. Стяжка не будет покрываться трещинами во время усадки, но при последующей эксплуатации отделка может повредиться из-за взаимного движения стен и пола.

При расчете учитывается временное и постоянное давление на всю поверхность пола. В первом случае нагрузка составит 150 кг/м2 (вес людей и мебели), во втором нагрузка зависит от используемых материалов.

Полезное видео

Смотрите интересный видеоматериал, в котором рассказано о трех категориях грунтов и различиях между ними.

Заключение

Расчет несущей способности грунта — это длительный процесс, включающий в себя множество этапов. Для выполнения работ необходимо специальное оборудование, позволяющее правильно выполнить изъятие образцов из скважин и провести их исследование в лаборатории.

При выборе основания следует учесть множество факторов: типы грунтов, толщина их слоев, УГВ, схема залегания, глубина промерзания. Правильно выполнить анализ основания под фундамент могут только профессиональные геологи.

Несущая способность разных типов грунта.

Будете вы сами строить дом, или же будете нанимать строительную бригаду, постарайтесь сами четко понять, какой у вас грунт на участке на глубине заложения фундамента и какова его несущая способность.

Несущая способность грунта – это важнейшая характеристика, от которой вы будете отталкиваться при принятии решения, какой ширины ленточный фундамент делать, сколько свай делать в свайно-ростверковом фундаменте, или же делать монолитную плиту. Итак, зная несущую способность грунта, вы можете расчетным способом проверить, достаточна ли площадь опоры вашего фундамента.

Что бы вам ни говорили строители, что им их опыт якобы подсказывает, вы должны строительное решение подкрепить конкретными цифрами! Стройплощадка – не церковь, чтобы просто верить словам, нужны расчеты.

Несущая способность грунта измеряется в кг/см² (т/м²), и показывает, сколько килограмм (тонн) выдержит 1см² (1м²) горизонтальной поверхности грунта без изменений своих характеристик.

Для разных грунтов несущая способность разная и зависит от:

1. Типа грунта.
2. Степени уплотненности.
3. Влажности грунта.

Плотным можно считать грунт, залегающий на глубине 0,8-1м и более. После обуви на плотном грунте остаются слабо заметные следы, на грунте средней плотности остаются следы до 0,5см глубиной, если больше – рыхлый грунт.

На грунт, залегающий на глубине 1м, тысячелетиями давили вышележащие менее плотные слои грунта. И сколько бы вы не трамбовали подсыпку из ПГС (песчано-гравийной смеси) виброплитами 90-120кг, вы никогда не сделаете ее такой же плотной как естественный грунт на глубине 1 метр, поэтому мы всегда советуем вместо подсыпки делать «подбетонку» низкомарочным бетоном, который никогда не усядет в отличие от ПГС.

Влажность, или насыщенность грунта влагой можно просто проверить: выкопайте яму или пробурите скважину и обратите внимание, если вода откровенно не скапливается, значит грунт не насыщен влагой (сухой, маловлажный), если начинает накапливаться вода, значит грунт влагонасыщенный и близко находятся грунтовые воды.

Типы грунтов и их несущая способность в зависимости от плотности и влажности:

Типы

плотный

средней плотности

Крупный гравелистый песок

Песок средней крупности

Мелкий маловлажный песок

Мелкий песок, насыщенный влагой

Супеси, насыщенные влагой (пластичные)

Суглинки, насыщенные влагой (пластичные)

Глины, насыщенные влагой (пластичные)

До сих пор по причине незнания в большинстве случаев частного строительства на тип грунта и насыщенность его водой не обращали внимание, поэтому до внуков многие дома доходят в плачевном состоянии.

Если вы не хотите копать метровую яму, берите для ваших упрощенных расчетов значение несущей способности грунта – 1-1,5 кг/см².

Как отличить разные типы грунта друг от друга?

1. Очень крупный песок отличить не проблема – зерна песка до 2мм.
2. Крупнозернистый песок (1-0,5мм) и песок средней крупности (хорошо различимые глазом песчинки размером от 0,5мм до 0,25мм) также отличить сможет каждый и без дополнительых объяснений.
3. Мелкий песок тоже знаком всем. Вспомните детскую песочницу, где песок рассыпался в руках и в нем слабо различались глазом отдельные песчинки. В шар можно было скатать только мокрый песок, и тот при небольшом давлении рассыпался. Размер песчинок от 0,25мм до 0,1мм (меньше 0,05мм – это частички пыли и глинистые частицы).
4. Пылевидный песок. Похож на муку, отдельные частички не чувствуются. Из этого типа грунта (насыщенный водой и с примесью глины) состоят плывуны – при вскрытии вы увидите, как плывун начнет заполнять свободное пространство и сколько вы вычерпывать не будете, плывун будет заполнять возможное пространство – такой грунт не пригоден для основания дома.
5. Супесь – смесь песка и глины (глины не более 10%). Сухая супесь крохкая. В смоченном состоянии в шар скатать можно, но при легком давлении рассыпается на мелкие кусочки. В жгут не скатывается.
6. Суглинок – смесь песка и глины (глины от 10 до 30%). В смоченном состоянии шар скатать можно, при раздавливании получается лепешка с трещинами по краям. В жгут скатать можно, при попытке свернуть кольцом разламывается на части.
7. Глина. В шар скатать можно, при раздавливании получается лепешка с ровными краями без трещин. В жгут скатать можно, при попытке свернуть кольцом сохраняет целостность.
8. Лёссовые и лёссовидные. Это глинистый грунт со значительной долей пылеватых частиц. Под строительство дома не подходят.
9. Биогенные грунты, содержащие большое количество органических веществ. Например, торф. Под строительство дома не подходит.

Итак, теперь вы знаете несущую способность грунта. Осталось проверить, достаточна ли площадь опоры вашего фундамента. Для этого нам нужно знать вес вашего будущего дома.

Пример: Ленточный фундамент (для дома весом в 150тонн=150.000кг) в форме квадрата 6м*6м, шириной 0,3м. Общая длина ленты получается 22,8м, это 2280см. Умножаем на 30см, получаем площадь 68.400см². Если несущая способность грунта принимаем равной 2 кг/см², то 68.400см²*2 кг/см²=136.800кг=136,8тонн. А наш дом 150тонн. Для такого дома площадь опоры недостаточна.

Пойдем от обратного: делим 150.000кг на 2 кг/см² и получаем площадь опоры 75.000см². С учетом запаса в 20% получаем требуемую площадь опоры 90.000см².

Есть два варианта как достичь этой площади опоры. 1. Сделать всю ленту не 30см шириной, а 40см. 2. Сделать под лентой «подушку» размерами в сечении 0,2м*0,5м (или даже 0,2м*0,6м), а на подушку уже будет опираться лента, шириной 0,3м.