Проектирование и расчет свайного фундамента

В частном загородном строительстве сваи пользуются популярностью из-за высокой скорости монтажа (ещё больше возрастающей при использовании уже готовых изделий) и минимума земляных работ.

Схема свайного фундамента планируется с учётом характеристик строительных материалов, типа почвы на площадке и конструктивных особенностей будущего жилища, включающих общие нагрузки и вектор их направленности.

Чтобы практичность не шла в ущерб качеству, важно помнить, что опоры, распределяющие и передающие нагрузки от строения на поверхность земли, составляют систему, которая должна работать как единое целое.

Имея соответствующие навыки, расчёты можно сделать самостоятельно, руководствуясь актуализированными строительными правилами

СП 22.13330.2016 СП 24.13330.2021 «СНиП 2.02.03-85

СП 45.13330.2017 (СНиП 3.02.01-87) и СНиП 2.02.01-83.

Однако следует учитывать, что погрешности в планировании способны привести к неравномерной усадке опорных элементов, вызывающей деформацию стен.

Квалифицированный проект свайного основания — это чертежи, подробные вычисления и выкладки, обусловленные строительными правилами и нормативами. На основании инженерных расчётов принимается решение о разновидности несущей конструкции для конкретного дома и участка застройки, определяются оптимальные параметры.

Подбирается материал для свай и составляется схема их расположения, обеспечивающая экономичную и комфортную эксплуатацию в заданных условиях. Наличие проекта дома упростит сбор данных по нагрузкам и последующие расчёты.

Поскольку план-проект адаптирует подсчёты и выкладки на каждом этапе работ, оптимизируя весь процесс строительства в целом, срок возведения всей конструкции существенно сокращается.

Классическая свайно-ростверковая основа состоит из вертикальных опор, объединённых сверху горизонтальным каркасом — ростверком. Сваи помещаются в грунт на расчётную глубину одиночно или группами (в местах, где необходимо усиления нагрузок), а верхняя обвязка равномерно распределяет давление (общую массу) сооружения, передавая на твёрдые слои грунта.

По методу заложения ростверк бывает низким (на нулевой отметке или заглублённым в почву), но чаще используется высокий или «висячий». В последнем случае высота свайного основания над землёй составляет от 20 см и более (значение зависит от индивидуальных характеристик строения и рельефа стройплощадки).

В современном строительстве набирают популярность безростверковые свайные фундаменты. На опоры монтируются квадратные оголовья, выполняющие функцию горизонтального каркаса, а на них в свою чередь ставится строение. Верхняя обвязка не применяется, что экономит материалы и сокращает срок работ по возведению несущей основы. Однако такие конструкции не рекомендованы в условиях сейсмической активности.

Разновидности свайных оснований классифицируются:

• По способам погружения опорных элементов (забивной, набивной, буровой, винтовой, вибропогружной, вдавливаемый).
• Несущей способности (висячие, стойки).
• Воздействию на почву (малое уплотнение или уплотнение с вытеснением грунта).
• Взаимодействию (одиночные сваи, поле — объединённые общим ростверком, куст — отдельная группа опор, сеть — с микросваями для дополнительного закрепления).

Комбинирование технологий с учётом материала, использованного для изготовления деталей, позволяет подобрать оптимальную методику для каждого случая.

Наиболее популярны следующие виды свай, которые применяют для возведения для частных домов:

• Буронабивные. Изготавливаются на площадке, для монтажа требуется специальный бур с раздвижной штангой — для формирования вертикального отверстия, завершающегося полусферой на расчётной глубине. В созданную скважину вводится внешняя часть каркаса будущей опоры (полая труба или конус), затем она армируется изнутри и заливается строительным раствором. После застывания бетона получается железобетонная, армированная внутри и снаружи свая, несущая способность которой усилена полусферической подошвой.
• Винтовые. Представляют собой металлические трубы с одной или несколькими лопастями, облегчающими погружение (вкручивание) в землю. Наиболее экономичный вариант готовых свай, отличается удобством транспортировки из-за относительно небольшого веса. Пригодны для установки в любое время года без потери в качестве.
• Железобетонные (бетон, имеющий внутреннее армирование). Обычно это заводские изделия для возведения — столбы с заострённым наконечником, квадратный в поперечном сечении. Они обладают повышенной прочностью и устойчивостью к коррозии, высокой несущей способностью (до 20 тонн) и химической инертностью (устойчивостью) на активных почвах. Срок службы составляет более 100 лет.

Опорная часть строения разрабатывается с учётом сейсмической активности местности, свойств почвы на участке и конструктивных особенностей будущей постройки. Проектирование и вычисления осуществляются на нулевых этапах строительства. Имея соответствующую квалификацию, план свайного фундамента можно рассчитать собственноручно, руководствуясь

СП 24.13330.2021 (СНиП 2.02.03-85), СП 22.13330.2016, СП 50-101-2004 и СНиП 2.02.01-83, СНиП 3.02.01-87(актуализированными версиями).

Однако при самостоятельном планировании важно помнить о высоком риске допустить погрешность в расчётах — если возникают сомнения, лучше обратиться к специалистам.

Порядок действий определяется технологией проектирования. Первый шаг состоит в сборе точных данных для расчёта и включает:

1. Гидрогеологические исследования. Они определяют всестороннюю характеристику грунта (тип, влажность, модуль деформации, пористость, высота пластов, угол внутреннего трения, уровень промерзания, удельное сцепление). Результаты позволяют использовать нормы СП по несущей способности почвы для расчёта параметров опорных элементов и допустимой осадки свайной конструкции.

При этом предельные значения совместной деформации основания и сооружения по совокупности усадок регламентированы СНиП 2.02.01-83 и не должны превышать 10 см для бескаркасных сооружений, и 8 см для строений с ж/б каркасом.

2. Сбор нагрузок на основание (временных и постоянных).

Постоянные нагрузки складываются из общей массы всех частей строения:

• Горизонтальные перекрытия: балки, плиты, пол (включая изоляцию и стяжки).
• Вертикальные перегородки: несущие и самонесущие стены, опорные колонны.
• Лестницы.
• Оконные и дверные блоки.
• Крыша: подкровельный пирог, стропила и покрытия.

Стоит отметить, что в расчёт постоянных нагрузок на грунт включается и собственный вес опорной конструкции.

Временные (усилие, возникающее периодически) классифицируются по сроку воздействия:

• Длительные: мебель, оборудование, дополнительные перегородки.
• Кратковременные: транспортные и погодные нагрузки (снеговая, возникающая от соприкосновения с ветром или влагой).
• Особые (ударные): возможны при исключительных условиях (сейсмическая активность, ураганные ветра).

Собранные данные рассчитываются с учётом коэффициента надёжности для каждого элемента конструкции в соответствии с материалом изготовления (показатели регламентированы актуализированной версией СП 20.13330.2011).

Чтобы определить оптимальные параметры для опорной части будущего дома, необходимо выяснить:

• Глубину заложения основы в соответствии с ТПГ — точкой промерзания грунта.
• Нагрузку на силовые детали конструкции.
• Количество опор и порядок размещения (допустимый шаг свайного фундамента).

Точку промерзания грунта узнают с помощью нормативных коэффициентов (СП 131.13330.2018, СНиП 2.02.01-83). Показатель состава почвы умножается на корень квадратный из суммы среднемесячной отрицательной температуры региона.

При этом на почвах, склонных к усиленному пучению, дно скважины обустраивается песчаной подушкой с высотой не менее 0,2 м (20 см). Этот параметр включается в вычисления.

Винтовые сваи вкручиваются ниже ТПГ, не менее, чем на 15% от длины изделия. Лопасти должны располагаться в твёрдом слое земли, имеющем толщину не менее трёх диаметров металлического стержня опоры.

Железобетонные забивные изделия располагаются на глубине не менее 0,5 м (50 см) ниже ТПГ.

Рассчитанная от ТПГ глубина свайного фундамента позволяет определить допустимую длину сваи — расстояние от подошвы ростверка (или сборного оголовья, если основа безростверковая) до уровня заложения опоры. Параметр зависит от вида и материала изготовления.

Если стандартизированные размеры (винтовые — до 12 м, ж/б — до 16 м) не отвечают условиям, их делают на заказ или удлиняют с помощью технологии наращивания.

Количество опор и расстояние между ними (шаг свайного фундамента) можно определить, посчитав нагрузку на один погонный метр основы дома (общая масса здания, поделенная на периметр несущих стен) и применив показатели прочности сваи (потребуется сумма несущих способностей основания и боковой поверхности). Простой метод заключается в использовании усреднённых (табличных) значений.

Шаг между вертикальными элементами высчитывается делением несущих способностей опоры на нагрузку одного погонного метра. Чтобы узнать минимально необходимое количество опорных элементов, полученное расстояние нужно разделить на общую длину несущих стен.

В качестве примера можно сделать расчёт свайного фундамента для каркасного дома, длиной 9 м и шириной 8 м, двумя внутренними несущими перегородками 8 и 8 м, общими нагрузками 340 тонн, строящегося на твёрдой глине с пористостью 0,5.

Стоит уточнить, что детальный инженерный расчёт нагрузки при проектировании ведётся по формуле

Wd = Gc х (Gcr х H х A + P х ∑ Qcri х zi х si),

где Gc — коэффициент условий работы опорного элемента в почве,

Gcr — сопротивление грунта под подошвой сваи (для винтовых по площади лопастей),

H — противодействие земельного пласта под опорной пятой,

А — диаметр подошвы,

P — периметр сечения опоры,

Qcri – коэффициент условий работы почвы по боковым поверхностям свайного столба,

zi — сопротивление грунта по боковым стенкам,

si — протяженность боковых поверхностей.

Наиболее точный результат по несущей способности сваи на заданном участке даёт метод статистических нагрузок — комплекс полевых работ, состоящий в установке пробного изделия с нужными параметрами. После передачи на опору расчётной нагрузки, уровень усадки замеряется и берётся как показатель для практических вычислений.

Метод особенно популярен для просадочных грунтов, где уровень водонасыщения влияет на прочностные характеристики материала и допустимое отклонение (не вызывающее нарушения устойчивости) свай.