Устройство и расчет столбчатого фундамента с примерами

Столбчатый фундамент представляет собой систему вертикальных опорных элементов, установленных в точках наибольшего давления (узлах). Для равномерного распределения веса строения столбы иногда соединяют между собой горизонтально своеобразным поясом (ростверком).

Столбовые фундаменты ценят за простоту устройства, несложный монтаж, доступный ремонт и экономичность (в сравнении с другими видами основания). На них обычно возводят нетяжелые деревянные дома (например, каркасные, фахверковые) или коттеджи из ячеистого бетона. Если участок неровный, то столбики можно сделать разной длины, чтобы скорректировать перепад высоты.

Такие конструкции не стоит выбирать, если почва в зоне застройки переувлажненная или слабая, и при вероятности сезонных подтоплений. Пучинистые грунты (супеси и суглинки) во время холодов могут выдавить опоры. Также стоит учесть, что под весом тяжелых зданий (из кирпича или пеноблока) столбы нередко продавливаются, что приводит к неравномерной усадке строения, появлению трещин в стенах, перекосам оконных и дверных проемов.

Чтобы продлить срок эксплуатации и избежать разрушения конструкции, следует определиться с материалом для фундамента, шириной сечения столбов и количество опорных элементов.

Для этого перед началом строительства оптимально иметь план-проект будущего жилища. Кроме массы строения, другими факторами, которые также учитывают при расчетах, будут характеристики почвы, климатические условия.

Столбовое основание бывает сборным (опоры сооружают из блоков или кирпичей) или монолитным (столбы делают из армированного бетона).

Для улучшения несущей способности и снижения давления почвы на боковые поверхности фундамента, на землю под подошву (нижнюю часть) каждого из столбиков устанавливают железобетонную плиту (пятку). Её ширина должна превышать сечение столба вдвое, а толщина может достигать 30 см. Для заливки пятки используют бетон марки М200 или М300 и арматуру. диаметром 12 мм.

Точные параметры пятки рассчитывают, исходя из свойств грунта и средней предельной осадки основания. Необходимые данные и формулы расчета можно найти в актуальной редакции  СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» 

Перед установкой столбиков делают углубления, на дне которых расстилают геотекстиль (техническое полотно из полипропилена, полиэфира или полиамида) плотностью 200-250 единиц. Такое полотно выполняет следующие функции:

• Армирование слабой почвы.
• Дренаж (отвод почвенной влаги).
• Предотвращение заиливания (перемешивания песка с землей).

Поверх геотекстиля (под подошвой каждой из опор) сооружают подушку из чистого крупного песка. Она помогает:

• Не допустить прямой контакт основы с подземными водами.
• Сохранить тепло (не дает опорам промерзать).
• Равномерно распределяет давление, снижает риски продавливания элементов конструкции.
• Уменьшает вероятность опрокидывания (выдавливания) из земли столбиков в зимнее время из-за морозного пучения.

Следующий элемент столбчатого фундамента — сами вертикальные опоры. Чем больше сечение каждого столба, тем меньше их понадобится установить. Для бетонных рекомендовано минимальное сечение 0,4 м кирпичных— 0,38 м, а для монолитного уже 0,3 м.

Расстояние между соседними столбами варьируется от 1,5 до 2,5 метров: слишком частая установка нецелесообразна в экономическом отношении, редкая — по соображениям безопасности. Однако опоры обязательно устанавливают под углами строения, а также в местах примыкания внутренних стен и перегородок, а глубину погружения вычисляют еще на стадии проекта.

Устройство столбчатого фундамента завершается сооружением ростверка (пояса, связующего столбы). Ростверк фундамента может быть деревянным (из бруса или бревен), металлическим (поверх оголовков столбов монтируются двутавровые балки или швеллеры), бетонным или железобетонным (с армирующим каркасом).

В процессе эксплуатации дом и основание подвергаются воздействию разных факторов. Часть из них будет постоянными, а другие краткосрочными или временными.

К постоянным относят:

• Вес всех частей здания, включая несущие стены, перекрытия, кровлю, лестницы, окна, двери и сам фундамент.
• Давление почвы.

Временные подразделяют на:

• Краткосрочные (масса постоянных обитателей дома (людей, животных), снежный покров и ветер).
• Длительные (вес стационарного оборудования, трубопроводов, мебели).
• Особые (землетрясения, взрывы, пожары, транспортная авария).

Подробные справочные данные даны в СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия».

Чтобы точно вычислить силы, постоянно воздействующие на основание, нужны объемы используемых материалов и их удельный вес. Информацию можно получить у поставщиков или найти в Интернете самостоятельно. Для выполнения расчетов проще всего воспользоваться таблицей усредненных показателей.

На этапе проектирования (перед началом строительства) важно определить расчетное значение нагрузки. Для этого табличный показатель умножается на коэффициент надежности грунтов и сооружений (его обозначают буквами γt).

Коэффициент γt учитывают, чтобы избежать расхождений между проектными и реальными нагрузками. Например, при сооружении ростверка сложно выдержать заявленную толщину бетона.

Коэффициент γt для временных нагрузок:

• снег — 1,4;
• ветер — 1,4;
• автомобильный транспорт — 1,2;
• сосредоточенные (силы, действующие на отдельную точку строительной конструкции) — 1,2.

Общая масса стен дома рассчитывают по формуле P × h × удельный вес материала стен, где P — периметр здания, h — высота стен.

Масса кровли равен S × удельный вес 1 м², где S — площадь крыши.

Масса перекрытий: S одного перекрытия × удельный вес × количество.

Полученный результат необходимо умножить на табличный коэффициент надежности (к примеру, для каркасно-щитового коттеджа таковым будет 1,1).

На стадии проектирования достаточно сложно правильно вычислить временное давление, которое будут воздействовать на перекрытия, лестницы и полы. Поскольку сила воздействия меняется после перепланировки, покупки новой мебели или бытовой техники. Из-за этого к общей массе строения надо прибавить табличный показатель равномерно распределенной нагрузки, воздействующей на один квадратный метр перекрытия.

Для частных домов такое значение составляет 150 кг/м². Следом вычисляем произведение площадь перекрытия S × количество перекрытий × 150 кг/м² и суммируем его с общей массой постройки.

Далее вычисляем климатическую нагрузку — давление снежного покрова на кровлю. Территория России разграничена на 8 районов, для каждого из которых характерна определенная норма зимних осадков. Данные можно найти в СП 20.13330.2011 (раздел 10) или посмотреть на интерактивной карте снеговой нагрузки

Также в проекте учитывают и ветровое воздействие, интенсивность будет отличаться в разных регионах, справочная информация есть в СП 20.13330.2011 (раздел 11).

Если по проекту планируется возведение фундамента с ростверком, то при расчетах его вес надо учесть (прибавить к массе будущего дома).

То есть, поскольку железобетонный ростверк имеет удельный вес 2500 кг/м3; его требуется умножить на объем монолитной ленты в кубометрах.

Число опор вычисляется по формуле n=F / R0 × S, где F — общая нагрузка на несущую основу, S — площадь столбика, а R0 — сопротивление грунта.

Если планируются столбы из кирпича или камня, то расчеты будут отличаться, поскольку из этих материалов сооружают элементы квадратного сечения со стороной 600 мм (камень) и 400 мм (кирпич). Площадь основания столбца узнают, перемножив длину на ширину.

Для расчетов необходимо знать тип и свойства почвы. Но, чтобы узнать точные характеристики лучше обратиться к специалистам и заказать геологические изыскания. Профессиональный анализ желателен, если грунт на участке слабый или смешанный.

У пылевато-глинистых почв показатель R0 зависит не только от минерального состава, но и от влажности, а также от коэффициента пористости.

Для остальных почв приняты следующие нормативные значения:

На этапе проектирования важно определиться с глубиной заложения основания. Для точных вычислений учитывают:

• Особенности рельефа участка.
• Наличие карстовых полостей (пустот, появившихся в результате растворения горных пород почвенными водами), склонных к скольжению слоев и другие геологические характеристики почвы.
• Глубину промерзания грунта (ГПГ).
• Вероятность подтопления (для участков вблизи водоемов и рек).
• Совокупное давление на основание.
• Конструктивные особенности сооружения (количество этажей, надстройки, материал и т.д.).
• Наличие примыкающих построек на фундаментах.
• Расположение инженерных подземных коммуникаций.

Глубина промерзания грунтов (ГПГ) различается в зависимости от местоположения, это значение регламентированное и его можно найти в СП 131.13330.2018 Строительная климатология.

При этом фактическая глубина промерзания почти всегда отличается от нормативной величины в меньшую сторону. Поскольку не учитывается толщина снежного покрова, который в значительной степени уберегает землю от промерзания. Кроме этого, дом круглогодичного проживания протапливает то, что находится под ним. Таким образом, фактическая глубина промерзания земли обычно на 20-50% меньше табличной.

Чтобы уточнить этот параметр, применяют формулу d(f) = k(f)×d(fn), где d(f) — расчетная ГПГ, d(fn) — регламентированный показатель глубины промерзания земли, k(f) — коэффициент теплового воздействия здания на почву. Справочные данные приведены в разделе 5.5 «Глубина заложения фундаментов» СП 22.13330.2016.

Для упрощения вычислений принято считать, что незаглубленные столбчатые основания закладывают на уровне 40-50% реальной ГПГ, мелкозаглубленные — на 70%, заглубленные — на 20-30% ниже точки промерзания.