Расчёт свайного фундамента: особенности и пример

Расчёт свайного фундамента: особенности и пример

Необходимость применения свайного фундамента не всегда обусловлена экономическими соображениями или меньшими трудозатратами, например в сравнении с ленточным или плитным. Причиной может стать малая несущая способность грунта, когда даже при небольшой нагрузке на него нельзя использовать мелкозаглубленный ленточный фундамент.

На таких участках можно, не роя глубоких траншей для заглубленного основания, с помощью, например, винтовых свай выйти на слой грунта с большей несущей способностью. При этом усложняется расчет свайного фундамента.

При расчете ленточного фундамента учитывают только вертикально действующие нагрузки, для определения которых достаточно общий вес будущего строения разделить на площадь основания, опирающегося на грунт. Результат умножить на 1,4 (запас прочности) и сравнить с несущей способностью грунта, которая обычно указывается в кг/см 2 .

Расчет свайного фундамента с ростверком

Расчетом свайно-ростверковых фундаментов занимаются профильные специалисты — инженеры-проектировщики. Выполнению расчетов предшествуют геодезические изыскания на строительной площадке, которые дают проектировщикам необходимую исходную информацию о характеристиках грунтов на объекте.

Процесс геодезии участка начинается с бурения пробных скважин, из которых забирается керн (проба) почвы для дальнейшего анализа в лабораторных условиях. На основе полученных данных производится расчет следующих параметров фундамента.

Свайная часть:

• Требуемая глубина заложения опор;
• Диаметр опор;
• Общее количество опор в фундаменте;
• Схема размещения свай.

Ростверковая часть:

• Конфигурация ростверка — низкий, повышенный, высокий;
• Сечение ростверка;
• Устойчивость конструкции к нагрузкам на изгиб, продавливание;
• Способ армирования обвязки.

Что собой представляют винтовые сваи

Чтобы провести правильный расчёт свайного фундамента необходимо как можно больше узнать об основном материале. Это позволит максимально точно составить проект, основываясь на характеристиках свайных конструктов, а также их свойствах.

Все сваи сверху объединяются ростверком. Его можно сделать как из деревянных, так и из металлических балок. Также можно взять сплошную железобетонную плиту. Но это сильно прибавит веса основной конструкции.

Свайные конструкты для расчёта фундамента можно изготовить как самостоятельно, так и заказать на заводе. При изготовлении непосредственно на месте строительства их основание лучше всего делать плоским.

Чтобы сделать правильный расчёт свайного фундамента знать только площадь конструкции недостаточно. Необходимо учитывать силу трения, что возникает между боковой поверхностью стержня и землёй.

Раньше винтовые сваи часто применяли военные инженеры при постройке фортификационных сооружений. Это было связано с тем, что они позволяют конструкции выдерживать повышенные нагрузки в экстремальных условиях.

Основная часть сваи — это ствол. Его диаметр от 80 до 130 мм. Конец в форме острого конуса. На него приваривается лопасть. Это позволяет максимально быстро и эффективно вворачивать свайные конструкты в грунт.

Некоторые сваи идут без оголовка. В таком случае в конце ствола есть отверстие. В него заводится рычаг, который позволяет вращать сваю с нужной скоростью. Эта особенность даёт возможность при необходимости удлинить ствол. Данная опция крайне необходима, когда работы проводятся на нестабильных грунтах.

К преимуществам свайных конструктов можно причислить:

1. Безопасную технологию установки, которая позволяет в кратчайшие сроки возвести фундамент дома.
2. Возможность использования на любых грунтах. Единственным исключением являются скальные породы.
3. Когда сваи вворачиваются, не образуется ударная нагрузка. Благодаря этой особенности свайные фундаменты можно строить даже в местах плотной застройки, не опасаясь за сохранность ближайших домов.
4. Как только будут установлены винтовые элементы, сразу же можно монтировать ростверки. Конечно же, эта особенность учитывается в расчётах.
5. Расчёт свайного фундамента можно делать как для холмистой местности, так и для неровных участков.
6. Монтаж осуществляется практически в любых погодных условиях. Неважно сколько градусов за окном. Это никак не повлияет на качество фундамента.
7. Возможность перепланировки. Ни один другой вид фундамента не даёт столько простора для изменений конструкции, как свайный. При необходимости стальной болт можно выкрутить и ввинтить в другое место.

Зная преимущества и особенности свайного фундамента можно провести максимально точные расчёты, усчитав все особенности конструкции.

Свайный фундамент своими руками

Технология установки свайного фундамента может значительно отличаться в зависимости от типа сваи, особенности грунта или возможности применения строительной техники. Однако, подготовительные работы во всех случаях практически идентичны. Выполняется предварительная очистка территории строительной площадки. Привязка будущего сооружения к плану участка. Разметка мест установки свай.

Буронабивной фундамент

При помощи ручного, бензинового или автобура выбираются скважины под опоры. Диаметр скважин должен быть больше расчетного диаметра свай на 7-10 см. Для чего делается запас? Точно пробурить вертикальную скважину даже в мягком грунте довольно проблематично, тем более, с использованием ручного инструмента. В тоже время, опоры должны быть позиционированы строго вертикально. Запас в размерах скважины даст необходимый зазор для правильной установки обсадки.

В скважину спускается обсадная труба. Её положение контролируется в нескольких точках по окружности. Опора фиксируется в вертикальном положении. Для этого можно использовать обычные подпорки из досок или забить клинышки между внешними стенками обсадки и внутренними стенками скважины. Крепление должно быть максимально надежным, чтобы удержать сваю в вертикальном положении до окончания всех работ.

ВАЖНО! В качестве обсадной конструкции (стакана) могут пользоваться трубы: толстостенная пластиковая, асбестовая, шовная стальная. Также возможен вариант создания буронабивной сваи из армирующего каркаса с рубашкой из рубероида.

Внутри обсадной трубы устанавливается несколько прутов арматуры. Они не должны прикасаться к внутренним стенкам стакана (мин. зазор 50 мм). Если его диаметр позволяет, то арматура сваривается в каркас. За счет армирования свая сможет без разрушения сопротивляться знакопеременным нагрузкам, возникающим от морозного пучения грунта.

Бетон для заливки сваи подготавливается более пластичной консистенции, чем для ленточного или плитного фундамента. Пропорции цемента, песка и щебня должны быть 2:2:3 соответственно. Если труба имеет небольшой внутренний диаметр, важно следить, чтобы в процессе формовки не образовались воздушные пробки. Следует выполнять периодическую трамбовку вручную либо электрическим погружным вибратором.

Повторно проверяется точность позиционирования сваи. Если опора расположена вертикально, осуществляется обратная засыпка зазора между внешней стенкой сваи и скважиной вынутым ранее грунтом. Зазор заполняется послойно, не более чем по 20 см. Каждый слой тщательно трамбуется.

После созревания бетона до технологической прочности оголовки свай срезаются по одному горизонтальному уровню.

Винтовой фундамент

Регламент для устройства свайно-винтового фундамента напоминает вышеописанный для буронабивного:

1. Под каждую сваю формируется лидер-лунка глубиной не более 15 см, шириной соответствующей диаметру лопасти. Как правило, вполне достаточно снять верхний слой дерна. При использовании механизированных средств вкручивания винтовых свай можно обойтись без лидер-лунки, что делает опору устойчивей.

ВАЖНО! Профессиональные строители не рекомендуют применять лидер-лунки, а при крайней необходимости не углублять их более 5 см. Это позволяет винтовой свае распределять нагрузку от сооружения как на плоскость лопасти, так и на свою боковую поверхность.

1. Опора позиционируется на месте установки. Выравнивается и вкручивается в грунт. Процесс сопровождается постоянным контролем ее положения относительно вертикали.
2. После вкручивания всех свай их оголовки корректируются или срезаются по единому уровню.
3. Во внутреннюю полость заливается пескобетон. Если опора имеет достаточный диаметр, допускается использование наполнителей типа мелкого щебня.
4. После твердения бетона к оголовкам привариваются широкие фланцевые пластины. Для них используют сталь толщиной не менее 10 мм.
5. В зависимости от материала ростверка он крепится к фланцам при помощи шпилек или приваривается.

Фундамент из забивных опор

Забивной монтаж свайного фундамента рекомендуется выполнять с привлечением специальной строительной техники. В противном случае, можно не достичь несущих грунтов. Ручная проходка допускается только при возведении МАФов или других конструкций, не создающих значительного вертикального давления.

Технология забивки свай различается в зависимости от материала их изготовления:

Древесина. Применяются только элементы из плотных пород древесины диаметром не менее 20 см. Один конец бревна заостряется, на него крепится металлический конус – башмак. Он выполняет защитные функции и облегчает прохождение плотных слоев грунта. На противоположный конец надевается стальное кольцо, предотвращающее раскалывание бревна.

Металл. Используется профилированный прокат (двутавры, швеллера, рельсы) или трубы. Металлические опоры можно забивать на большую глубину, а при необходимости нарастить приваркой дополнительных сегментов.

Железобетон. Встречаются как круглые, так и прямоугольные железобетонные сваи, обычно заводского изготовления.

Устройство ростверка

В частном жилищном строительстве чаще используется свайный фундамент с ленточным ростверком, реже с плитным. В зависимости от степени заглубления ленточный ростверк делится на три типа:

Заглубленный (низкий) – его нижняя часть опускается ниже уровня грунта. Между сваями прокапывают траншеи, на дне которых устраивается песчано-гравийная подушка. Укладывается арматурный каркас, закрепляемый к оголовкам свай. Устанавливается опалубка, в которую формуется бетонный раствор.

Наземный – для него последовательность действий та же, что и при возведении заглубленного ростверка, но уровень утрамбованной песчаной подушки совпадает с дневной поверхностью грунта.

Висячий (высокий) полностью располагается на опорах, с грунтом не соприкасается. Как правило, сборный свайно-ростверковый фундамент выполняется из железобетонных балок заводского изготовления. Реже делается монолитным. Это связано с большим расходом материалов и времени на сборку опалубки.

Плитные ростверки применяются в многоэтажном строительстве. С их помощью выполняется обвязка свайных полей. Это опоры под всей площадью сооружения расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Как и ленточные, плитные ростверки бывают сборными и монолитными.

Особенности расчета количества винтовых опор

Прежде чем перейти к непосредственному строительству фундамента под дом, необходимо сделать расчет свайно винтового фундамента. Так, для свайного типа фундамента необходимо произвести расчеты количества опор, а также их расположения. С этой целью строители пользуются методом «шага свай».

Расчет винтовых свай представляет собой несколько последовательных этапов:

• оценка веса будущего строения;
• определение с количеством винтовых опор, при этом здесь необходимо учесть типоразмер для определенной несущей способности;
• планировка расположения.

Первый пункт включает в себя расчет таких составляющих, как вес снегового покрова, нагрузка на перекрытия (здесь нужно учесть вес материала перекрытия, шумо- и звукоизоляцию), нагрузка крыши, эксплуатационная нагрузка строения (она включает в себя мебель и другие предметы интерьера), а также нагрузка стен (зависит от материала изготовления). Кроме того, в расчеты нужно заложить 30%-ный запас прочности.

Второй аспект представлен расчетами согласно несущей способности, а также диаметра и длины винтовых свай.

Что касается расчета планировки расположения опор, то здесь эти элементы должны находиться по всему периметру строения, а также под основными перегородками.

Осадка свайного фундамента

Избежать осадки основания на сваях, как и любого другого фундамента, крайне сложно. Это естественный процесс, связанный с продольными сжатиями почвы, а также горизонтальными сдвигами грунтов.

Если при строительстве были допущены оплошности и степень осадки больше допустимой, капитального ремонта основания просто не избежать.

Факторы, которые влияют на осадку фундамента, – это конструкция самой постройки и состав самой почвы. Хотя свайные основания отличаются повышенной стабильностью в любых грунтах, при повышенном содержании глины в них они становятся более пластичными и подвижными. Поэтому в этом случае необходимо тщательно рассчитывать длину свай.

На осадку фундамента влияет масса и размеры несущих стен и внутренних перегородок, наличие арок и т. д. Поэтому она может быть неравномерной с различных сторон строения, но тщательный подбор винтовых свай в соответствии с необходимой в каждом случае несущей способностью позволит избежать проседания конструкции.

При определении осадки считается, что нагрузка равномерно распределена по всему периметру основания, который считают монолитным блоком. Верхняя граница такого условного монолита проходит по оголовкам свайных изделий, нижняя – сквозь их наконечники, а боковые – по крайним рядам винтовых свай. Составленный таким образом разрез фундамента позволяет начертить график уплотняющих напряжений, которые способны выдержать слои грунта.

Допустимые осадки свайно-винтового фундамента приводятся в СНиП 2.02.1-83 и они определяются типом постройки:

• для панельных и блочных бескаркасных домов осадка максимальная осадка не должна превышать 10 см;
• для сооружений со стальным каркасом допускается максимальная осадка 12 см;
• для зданий из железобетона значение предельно допустимой осадки равно 8 см и т.д.

Расчет осадки методом послойного суммирования

Чаще всего осадку фундамента рассчитывают методом послойного суммирования. Он предполагает определение осадки отдельных слоев грунта, на которые давит фундамент.

Для этого используют формулу Si = h*m*P, где h – толщина слоя почвы, m – коэффициент сжимаемости почвы, который определяют в результате компрессионных экспериментов, P – среднестатистическое уплотняющее давление для каждого слоя. Затем полученные величины для каждого слоя Si складывают и получают общее значение осадки.

Более подробный алгоритм расчета по методу послойного суммирования выглядит таким образом (рисунок ):

1. Строят эпюру (график) P_zp, на которую наносят дополнительные напряжения (уплотняющие давления) на фундамент.
2. Строят график природных давлений P_ϫz, предварительно разделив чертеж графика на слои, при этом h_i должно быть меньше 0,4b.
3. Определяют осадку S_i отдельных слоев почвы, складывают эти величины и получают окончательную осадку фундамента по формулам:

Величина m_vi вычисляется в соответствии с данными компрессионных испытаний, а P_zi – по соответствующей эпюре как среднестатистическое дополнительное давление в i-м слое почвы.

Если мы знаем модуль общей деформации каждого слоя почвы E_i, то осадку можно рассчитать по формуле S = Σh_i*β/ E_i*P_zi, где коэффициент β согласно СНиП равен 0,8.

При использовании этого метода предусмотрена линейная зависимость между деформациями и напряжениями. Слои рассматривают непосредственно под центром фундамента, исходя из графика максимальных уплотняющих давлений. При построении зависимости P_zp не учитывается слоистость напластований, боковые расширения почвы, а напряжения принимаются во внимание только по вертикали. Выбираем уровень глубины, ниже которого деформации грунта по нашему предположению отсутствуют, исходя из соотношения P_zp меньше или равно 0,2P_ϫz (при E_i больше 5 МПа). При этой характеристике меньше 5 МПа P_zp меньше или равно 0,1P_ϫz.

Пример расчета свайного поля

Чтобы правильно рассчитать количество необходимых свай для строительства двухэтажного дома размером 6х12 из бруса размером 200х200, необходимо провести следующие расчеты:

1. Если для строительства необходимо 51,9 м 3 бруса, масса одного кубометра которого составляет 800 кг, получаем общий вес бруса: 51,9*800 = 41520 кг.
2. Нагрузка, которая приходится от одного этажа строения на фундамент (при расчетной полезной нагрузке, зависящей от количества проживающих в доме людей, составляет по нормативам 150 кг/м 2 ), составляет: 6*12*150 = 10800 кг. В случае двухэтажного дома эту нагрузку увеличивают вдвое и получают 21600 кг.
3. Примерная снеговая нагрузка (при значении норматива 180 кг/м 2 ) составит 6*12*180 = 12960 кг.
4. Складываем все массы: 41520 + 21600 + 12960 = 83 680 кг.
5. Если предельная допустимая нагрузка на сваю составляет 2500 кг, делим 83680 кг на 2500 кг и получаем необходимое количество свай – 34 штуки.

Расчет нагрузки и осадки свайно-винтового фундамента не требует специализированных инженерных знаний и доступен любому владельцу дома, который хочет сэкономить на услугах специализированных проектировочных фирм.

пример расчета буронабивных свай

Рассчитаем буронабивной фундамент для следующих данных:

• верхний слой грунта, 2 метра – тугопластичный суглинок;
• ниже – твердая глина, пористость 0,5;
• площадь дома – 4 х 8 метров, периметр 24 м;
• стены – кирпич 0,38 метра, плотность 1,8 тонн на кубометр;
• высота стен одинаковая по всем сторонам: 1 этаж – 3 метра, мансарда – 1,5;
• крыша – вальмовая, металлочерепица;
• перекрытия – ж/б плиты, толщина 25 см, площадь 32 кв.м, 2 штуки (пол и мансарда);
• внутренние стены – ГКЛ, суммарная длина 20 м, высота 2,7, вес квадратного метра – 0,03 тонны;
• снежная нагрузка – 180 кг на кв.м.

• вес стен – (24 х 3 + 24 х 1,5) х 1,2 (коэфф. надежности) х 1,8 = 88,65 тонн;
• перегородки – 1,2 х 2,7 х 20 х 0,03 = 2 тонны;
• перекрытия + цементная стяжка 3 см = 1,2 х 0,25 х 32 х 2,5 = 48 тонн;
• кровля – 1,2 х 4 х 8 х 0,06 = 2,3;
• снег – 1,4 х 4 х 8 х 0,18 = 8,1;
• суммарная полезная нагрузка – 11,5;
• всего – 112,94 тонны;
• нагрузка на метр погонный – 6,69 тонн.

Выполняем расчет для круглых свай длиной 3 метра, сечением 30 см, используя приведенные выше формулы:

• f = 3,14 D2 / 4 = 3,14 х 0,3 х 0,3 / 4 = 0,071;
• U = 3,14 х D = 0,942;
• Р1 = 4,47;
• Р2 = 7,84;
• Р = 12,31;
• L (шаг между сваями) = 1,84 метра.

Повторяем расчеты два раза, увеличивая и уменьшая сечение сваи.

Ничего принципиально невыполнимого в этих расчетах нет, только долго, трудоемко и требуется предельная аккуратность. Чтобы сократить трудозатраты, можно выполнить расчет буронабивной сваи онлайн с помощью сетевого калькулятора.

А лучше вообще устраниться от решения этой задачи – заказать расчет буронабивного свайного фундамента нам. Цены у нас невысокие, вычисления будут выполнять профессионалы, а вам не придется тратить время.

3.2. Заливка скважин. Армирование свай фундамента

Перед заливкой бетоном каждая из скважин армируется. Арматура раскладывается продольно по всей длине сваи. Для каждой из столбовых опор достаточно 4-6 прутьев диаметром 12-10 мм. Для придания устойчивости каждая из арматур предварительно сваривается между собой проволокой. Получается своеобразный каркас (закладная), который вставляется в подготовленную скважину. Арматура обязательно должна выступать над сваей – ее длина должна быть такова, чтобы сцепление с ростверком было достаточным. Расстояние от стен скважины (в случае установки опалубки – от стен опалубки) до прута – не менее 5 см.

Во избежание появления воздушных карманов бетонирование должно осуществляться послойно по 25-30 см. Каждый последующий слой плотно утрамбовывается лопатой-штыковкой или вибратором. Чтобы не допустить швов на стыках, заливка каждого последующего слоя производится до высыхания предыдущего.

Расчет фундаментной конструкции на примере

Чтобы понять, как самостоятельно выполнить необходимые исчисления, необходимо рассмотреть приблизительный расчет фундамента, пример:

1. Определяется общий вес материалов, которые будут использоваться при возведении объекта – 26 525кг.
2. Определяется величина нагрузки (полезной) 7х7х150=7 350кг.
3. Определяется величина снеговой нагрузки 180х7х7=8 820кг.
4. Определяется общая нагрузка на фундаментную конструкцию 26 525 + 7 350 + 8 820 = 42 695кг.
5. Полученный результат умножается на коэффициент 42 695 х 1,1 = 46 954,50кг.
6. Для строительства дома необходимо задействовать 22 сваи, которые необходимо устанавливать с шагом в 1,2м. Также следует добавить 2 опоры для установки половых лаг.

После того как застройщиком были выполнены все расчеты, он может приступать к сооружению фундаментной конструкции. Для этого ему придется провести разметку территории, пробурить скважины под сваи, выполнить их заливку или установить готовые опоры, сделать армирование.