Надёжность и экономичность фундаментов бесподвальных малоэтажных домов напрямую зависит от правильного выбора глубины их заложения. В СП 50-101-2004, посвящённом проектированию и устройству оснований и фундаментов, указывается, что малоэтажные дома «могут возводиться на малозаглублённых и незаглублённых фундаментах». Глубина заложения фундамента больше никаких дополнительных указаний не имеет.

К малозаглублённым (мелкозаглублённым) относят фундаменты, устраиваемые в пределах глубины промерзания грунтов.

Глубина сезонного промерзания на территории России колеблется от 0,8 м до 2,5 м, а в зоне вечной мерзлоты промерзание деятельного слоя доходит до 3,0 м. Можно ли относить фундаменты, заложенные в пределах глубины промерзания, например, на 1,0-1,5 м к мелкозаглублённым, в нормативных документах ответа пока нет,

В территориальных строительных нормах, разработанных для малоэтажных зданий Московской области (ТСН МФ-97 МО), указания о глубине заложения мелкозаглублённых фундаментов не приводятся, но отмечается, что независимо от глубины залегания грунтовых вод фундаменты  должны устраиваться выше их уровня.

В приведённых в Приложении примерах проектных решений фундаменты заглублены на 0,2; 0,4 и 0,6 м.

Также отмечается, что для условий Московской области рациональная глубина заложения фундамента для МЗУФ находится в диапазоне глубин 0,2…0,6 м.

Однако до последнего времени в технической литературе не было информации, как под конкретный обьект следует выбирать необходимую глубину заложения. Но даже в указанном диапазоне глубин расход бетона существенно отличается и, если относить к фундаменту только заглублённую в грунт конструкцию, то увеличение глубины заложения в 3 раза ведёт в ряде случаев к такому же увеличению расхода бетона. Если же учитывать расход бетона на единый фундамент-цоколь, то увеличение может достигать 30…40%.

Глубина заложения фундамента зависит от величины нагрузок, передающихся от дома на основание, расчётного сопротивления грунтов основания, степени их пучинистости и конструкции основания, например, от ширины траншей ленточных фундаментов.

При проектировании фундаментов в каждом конкретном случае необходимо решать задачу оптимизации их заглубления то есть определить такую глубину, при которой обеспечивается устойчивость и следовательно — надёжность фундаментов при действии касательных сил пучения при минимальном расходе бетона на их изготовление.

При возросших в последнее время размерах возводимых домов и стоимости строительства задача оптимизации расходов на изготовление фундаментов является весьма актуальной.

Трудоёмкость этой задачи заключается в том, что она решается методом последовательного приближения. При этом подразумевается, что существует проект дома и известны нагрузки на фундаменты, а на строительной площадке выполнены инженерно-геологические изыскания и для расчётов имеются данные по грунтам: их физико-механические характеристики, расчётное сопротивление грунтов и степени пучинистости.

Рассмотрим последовательность решения задачи на конкретных примерах.

Пример 1

Исходные данные:

• дом — одноэтажный, бесподвальный, в процессе строительства и эксплуатации зимой не отапливается, поэтому смерзание боковой поверхности фундаментов с грунтом происходит с двух сторон;
• регион строительства — Московская область, расчётная глубина промерзания d_f =1,6 м;
• грунт — суглинки сильнопучинистые, показатель интенсивности пучения f = 0,12;
• к расчёту принят мелкозаглублённый монолитный ленточный фундамент;
• ширина цоколя по условию размещения над фундаментных конструкций принята равной 0,3 м;
• нагрузка на фундамент О_д = 2,5 тс/м (одна из характерных нагрузок в одноэтажных щитовых, каркасных и брусовых домах);
• коэффициент пористости суглинка е = 0,7;
• показатель текучести J_L= 0,5;
• удельные касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности фундаментов, τ_н = 11,0 тс/м2;
• заглубление фундамента, принятое первоначально, d_ф=0,5 м.

Требуется определить ширину опорной части ленточного фундамента (b) и ширину пазух траншеи (b_тр), засыпаемых песком, по условию устойчивости фундамента при действии касательных сил пучения.

Решение

1. Расчёт ширины опорной части фундамента

Так как грунт сильнопучинистый, без устройства уплотнённой песчаной противопучинной подушки не обойтись. Необходимо определить расчётное сопротивление (R) песчаной подушки.

Для этого воспользуемся данными таблицы 5 (Приложение З, СНиП 2.02.01 — 83*, Основания зданий и сооружений}.

Согласно им при степени влажности грунта S_r ≥ 0,8 R_o = 2,0 кгс/см2 (с запасом надёжности).

Значение R_o относится к фундаментам с шириной опорной части b_о = 1,0 м и глубиной их заложения d_o = 2,0 м. Для определения расчётного сопротивления грунта на глубине заложения фундаментов 0,5 м воспользуемся формулой (1) того же Приложения СНиПа:

R = R_o (1+k(b-b_o)/b_o) x (d_ф+d_o)/2d_o     (1),

В формулу входит ширина подошвы фундамента, которая пока не известна. Поэтому расчёт произведём при предварительной величине b = 0,5 м. Коэффициент к для песков равен 0,125. Подставляем значения и получаем:

R=2,0 x (1+0,125 х (0,5-1,0) / 1,0) x (0,5+2) / 2х2=1,17 кгс / см2.

Необходимую ширину опорной части ленточного фундамента найдём из выражения:

b = Q_д / R = 2,5/11,7 = 0,21 м.

Так как ширина цоколя равна 0,3 м, ширина опорной части фундамента не может быть меньше. Принимаем b = 0,3 м.

Уточняем расчётное сопротивление песчаной подушки при b = 0,3 м:

R = 2,0 x (1 +0,125 х (0,3-1,0) / 1,0) х 2,5 / 4=1,14 кгс / см2.

Уточняем величину b:

b = 2,5 / 11,4 = 0,22м

Оставляем величину b = 0,3 м.

Пучинистый грунт под песчаной подушкой весной при оттаивании какое-то время находится в распученном состоянии с физико-механическими характеристиками, ухудшенными по сравнению с теми, которые были получены при выполнении инженерно-геологических изысканий. Осадки рассчитываемого фундамента останутся в пределах допустимых величин, если давление на распученный грунт не будет превышать его расчётного сопротивления. Поэтому необходимо определить расчётное сопротивление распученного грунта.

Так как толщина противопучинной подушки на этой стадии расчётов пока не известна, расчётное сопротивление распученного грунта в запас надёжности определяем в уровне подошвы фундамента — 0,5 м.

Коэффициент пористости грунта в распученном состоянии определяем по формуле:

е_р = е+f(1+е)(1- d_ф / d_f )      (2).

Подставляем значения и получаем:

е_р = 0,7 + 0,12(1 +0,7)(1 — 0,5/1,6) = 0,84.

Расчётное значение R_o для распученного суглинка определяем по таблице 3 того же Приложения СНиПа (при е = 0,84 и J_L= 1,0}. По интерполяции получаем: R_o= 1,5 кгс/см2.

Так как полученное сопротивление относится к ширине опорной части 1,0 м и заглублению 2,0 м, то пересчитываем по формуле (1) для b = 0,3 м и d_ф = 0,5 м. Коэффициент k для суглинков равен 0,05.

R = 1,5х[1 + 0,05х(0,3 -1,0)/1,0]х2,5/4 = 0,9 кгс/см2.

Из этого следует, что расчётное сопротивление распученного суглинка меньше расчётного сопротивления песчаной подушки. Поэтому ширину ленточного фундамента определяем по расчётному сопротивлению распученного суглинка.

Получаем:

b=2,5/9,0 = 0,28м.

Оставляем ширину подошвы фундамента без изменения — 0,3 м.

2. Расчёт на устойчивость при действии касательных сил пучения.

Принимаем минимальную ширину траншеи 0,7 м (рис. 1).

Здесь и в дальнейшем ширину пазухи траншеи 0,2 м считаем минимальной.

Рис. 1. Варианты заглубления ленточных фундаментов и их надёжность в сильнопучинистых грунтах при нагрузке 2,5 тс/м: а, б, в  — устойчивость не обеспечена; г — устойчивость обеспечена.

Условие устойчивости можно представить в следующем виде:

γ₁Q_д ≥ γ₂Q_f   (3)

где γ₁ и γ₂— коэффициенты надёжности, равные 0,9 и 1,1 соответственно.
Q_f— сумма касательных сил пучения, действующих с двух сторон ленточного фундамента на глубину его заложения.

Вычисляется по формуле:

Q_f=2τ_нd_фmk_t,

где τ_н — удельные касательные силы пучения, определяются по таблице 6.10 СП 50-101-2004 (при сильнопучинистых грунтах τ_н= 11,0 тс/м2);

d_ф — заглубление фундамента — 0,5 м;

m — коэффициент, зависящий от ширины пазухи траншеи, определяется по графику рис. 2 (при ширине пазухи 0,2 м m = 0,6};

k_t —  коэффициент, учитывающий соотношение среднемесячной температуры воздуха при промерзании грунта на глубину заложения фундамента и среднемесячной максимальной отрицательной температуры воздуха за зимний период, определяется по графику рис. 3 (в нашем примере k_t=0,68).

Рис. 2. Зависимость коэффициента m от ширины пазух траншей

Рис. 3. Зависимость коэффициента k_t от глубины заложения фундаментов: 1 — для условий Московской области; 2 — для условий Новосибирской области

Получаем:

γ₁Q_д = 0,9×2,5 = 2,25 тс/м;

γ₂Q_f =1,1 х2х11,0×0,5×0,6×0,68 = 4,9 тс/м > γ₁Q_д

То есть фундамент — не устойчив. Как известно, из всякого положения есть два выхода. В нашем случае это:

• увеличение ширины траншеи;
• уменьшение глубины заложения фундамента.

Возможна комбинация обеих вариантов.

Рассмотрим 1-й вариант и увеличим ширину траншеи до 1,2 м (рис. 1б).

Получаем:

γ₂Q_f =1,1x2x11,0x0,5×0,42×0,68 = 3,46 тс/м > γ₁Q_д

Фундамент остаётся неустойчивым.

Увеличим ширину траншеи до 1,6 м {рис. 1в). Получим:

γ₂Q_f =1,1x2x11,0x0,5×0,32×0,68 = 2,63 тс/м > γ₁Q_д

Фундамент и в этом случае будет неустойчив. Дальнейшее увеличение ширины траншеи не имеет смысла, так как она уже превышает разумные пределы — необходимы большие объёмы разрабатываемого грунта и засыпаемого песка.

Поэтому переходим ко второму варианту — уменьшаем глубину заложения фундамента и заглубляем его на 0,3 м от поверхности грунта.

Необходимо уточнить расчётное сопротивление распученного суглинка и ширину подошвы фундамента на глубине 0,3 м.

Получаем:

е_р = 0,7 + 0,12х(1 + 0,7)х(1 — 0,3/1,6) = 0,87;

R_o=1,4 кrc/cм2;

R = 1,4x[1+0,05x(0,3-1,0)/1,0]x2,3/4 = 0,78 кrc/см2;

b = 2,5/7,8 = 0,32 м.

Принимаем ширину подошвы фундамента 0,4м.
Рассчитываем фундамент на устойчивость при минимальной ширине траншеи 0,8 м (рис. 1г):

γ₂Q_f =1,1x2x11,0x0,3×0,6×0,51 = 2,22 =γ₁Q_д

То есть фундамент устойчив.

Как показали наши расчёты, при нагрузке от дома на фундамент 2,5 тс/м его заглубление ниже 0,3 м приводит к увеличению расхода бетона (за счёт заглубления) и возрастанию объёмов разрабатываемого грунта и засыпаемого песка. Глубина заложения фундамента 0,3 м в данных грунтовых условиях является оптимальной. При других характеристиках распученного грунта и степени его пучинистости оптимальная  глубина заложения фундамента может быть иной.

Пример 2

Исходные данные:

• все исходные данные по грунтам и климатическим условиям те же, что в примере 1;
• нагрузка на фундамент Q_д = 8,0 тс/м (одна из характерных нагрузок в одноэтажном кирпичном или двухэтажном доме со стенами из пенобетонных блоков с облицовкой в полкирпича);
• ширина цоколя — 0,5 м;
• заглубление фундамента, принятое первоначально, d_ф = 0,3 м.

Решение

1. Как следует из предыдущего примера, расчётное сопротивление распученного суглинка меньше, чем расчётное сопротивление песчаной подушки, поэтому ширину опорной части ленточного фундамента определяем по расчётному сопротивлению распученного грунта. Так как в формулу (1) Приложения 3 СНиПа входит ширина опорной части, примем для предварительного расчёта b = 1 м.

Получаем:

е_р =  0,87 (из примера 1);

R_o=1,4 кгс/см2 (из примера 1);

R = 1,4х[1 + 0,05х(1,0 -1,0)/1,0]х2,3/4 = 0,78 кгс/см2;

b = 8/7,8 = 1,02 м.

Принимаем ширину опорной части ленточного фундамента равной 1,0 м.

Приняв высоту полки уширенной подошвы ленточного фундамента 0,2 м (рис. 4), констатируем, что помимо продольной рабочей арматуры необходимо введение в конструкцию поперечной рабочей арматуры, шаг и диаметр которой определяется расчётом.

Рис. 4. Схема поперечного армирования фундамента: σ — реакция грунта; г — растягивающие усилия; 1 — сжатая зона бетона; 2 — поперечная рабочая арматура.

Из курса сопротивления материалов известно, что в твёрдом теле под действием внешней нагрузки сжатая зона распространяется под углом 45°. Бетон хорошо воспринимает сжимающие напряжения и плохо — растягивающие. При ширине полки, большей её высоты, часть полки оказывается вне зоны сжатия. Под действием реакции грунта на эту часть полки по грани призмы сжатия возникают растягивающие напряжения, которые могут разрушить бетон.

Для предотвращения разрушения в нижней части подошвы фундамента устанавливают поперечную арматуру, которая воспринимает растягивающие напряжения.

2. Рассчитываем фундамент на устойчивость при минимальных размерах траншеи 1,4 м {рис. 5а).

Рис. 5. Варианты заглубления ленточных фундаментов и их надёжность в сильнопучинистых грунтах при нагрузке 8,0 тс/м: а,в; г — устойчивость обеспечена; б — устойчивость не обеспечена.

Получаем:

γ₁Q_д =  0,9×8,0 = 7,2 тс/м;

γ₂Q_f =1,1x2x11,0x0,3×0,6×0,51 = 2,2 тс/м << γ₁Q_д

То есть устойчивость фундамента обеспечена с большим запасом.

Попробуем избавиться от необходимости поперечного армирования за счёт уменьшения ширины опорной части при заглублении фундамента на 0,7 м.

В этом случае параметры распученного фунта и ширина подошвы будут следующими:

е_р = 0,7 + 0,12(1+0,7)х(1-0,7/1,6) = 0,71;

R_o=1,85 кгс/см2.

Для предварительного расчёта величины R принимаем b=1,0 м:

R = 1,85x[1+0,05x(1,0-1,0)/1,0]x2,7/4=1,25 кгс/см2;

b = 8,0/12,5 = 0,64 м

Принимаем ширину подошвы фундамента b= 0,7 м и уточняем расчётное сопротивление распученного грунта:

R=1,85x[1 +0,05x(0,7-1,0)/1,0]x2,7/4= 1,23 кгс/см2;

b = 8,0/12,3 = 0,65 м.

Оставляем ширину b = 0,7 м, при которой поперечная арматура не требуется.

При расчёте на устойчивость принимаем минимальную ширину траншеи 1,1 м (рис. 5б).

Получаем:

γ₂Q_f =1,1x2x11,0x0,7×0,6×0,82 = 8,3 тс/м > γ₁Q_д =7,2 тс/м.

Фундамент не устойчив. Увеличиваем ширину траншеи до 1,5 м (рис. 5в). В этом случае получаем:

γ₂Q_f =1,1x2x11,0x0,7×0,48×0,82 = 6,7 тс/м < 7,2 тс/м.

Фундамент устойчив при ширине траншеи 1,5 м.

Рассмотрим, какие параметры фундамента и траншеи будут при заглублении фундамента на 0,5 м.

Определяем:

е_р =  0,7 + 0,12х{1 + 0,7)х(1 — 0,5/1,6) = 0,84;

R_o=1,45 кгс/см2.

При предварительном расчёте величины R ширину подошвы принимаем равной 0,7 м

R =1,45х[1 +0,05х(0,9- 1,0)/1,0]х2,5/4 = 0,89 кгс/м2;

b = 8,0/9,0 = 0,89 м.

Принимаем ширину ленточного фундамента равной 0,9 м.

Поперечная арматура не требуется.

Рассчитываем фундамент на устойчивость при минимальной ширине траншеи 1,3 м (рис. 5г):

γ₂Q_f =1,1x2x11,0x0,5×0,6×0,67 = 4,9 тс/м < 7,2 тс/м.

Фундамент устойчив.

Таким образом, во всех трёх вариантах заглубления (0,3; 0,5 и 0,7 м) устойчивость фундаментов можно обеспечить. Но предпочтительным является вариант с меньшим расходом бетона, при отсутствии необходимости устанавливать поперечную арматуру и с наименьшим объёмом земляных работ.

В таблице представлены расход бетона и песка на 1 погонный метр при всех трёх вариантах заглубления фундаментов и потребность для них в поперечной арматуре.

Представляется предпочтительным вариант с заглублением 0,5 м при отсутствии необходимости постановки поперечной арматуры.

Расход бетона и песка на 1 погонный метр

Заглубление фундамента, м	Расход бетона, м3	Расход песка на обратную засыпку, м	Поперечная арматура
0,3	0,25	0,17	Требуется
0,5	0,33	0,32	Не требуется
0,7	0,39	0,66	Не требуется

При других грунтовых условиях и нагрузках результаты могут быть тоже другими.

Надеюсь, что застройщикам, конструкторам и строителям изложенные материалы позволят возводить фундаменты надёжно и экономично.