Это длинная теоретическая статья, но, тем не менее, я рекомендую изучить ее всем, кто планирует самостоятельно заниматься проектированием фундамента своего дома. Впрочем, при желании вы можете отказаться от полноценного проектирования и расчета фундамента и просто взять его параметры с большим запасом прочности. Разумеется, это дороже, но тогда вам не придется внимательно читать эту статью.
Как происходят деформации основания под мелкозаглубленными фундаментами
Мелкозаглубленным фундаментом в данном случае мы будем называть фундамент глубиной не больше половины ширины. Если ширина фундамента составляет 40 см, его заглубление составляет не больше 20 см.
В начале нагружения грунты под действием веса фундамента сжимаются из-за перемещения частиц грунта вниз с небольшим отклонением от вертикали. При этом зона деформации больше ширины фундамента и по ширине, и по глубине. Чем выше плотность грунта, тем больший его объем попадает в зону деформации. Это хорошо, потому что при прочих равных давление на каждую точку большего объема будет меньше.
Если давление продолжает расти, у краев фундамента возникают области местного сдвига грунта, которые по мере роста давления становятся все больше. Под самим фундаментом образуется плотное ядро, которое начинает смещаться вместе с фундаментом. Ядро отделено от окружающего грунта поверхностями скольжения или разрыва. При движении ядро работает как клин – оно раздвигает грунт, который смещается вверх и в стороны. И вот это как раз очень плохо, потому в грунте возникают поверхности скольжения, которые выходят за пределы подошвы. Грунт начинает выпирать из-под фундамента, основание теряет устойчивость, и фундамент перемещается. Привет, трещины в стенах!
Следует отметить, что осадка фундамента по мере роста давления увеличивается неравномерно. Пока давление приводит к уплотнению грунта, осадка растет постепенно и практически пропорционально росту давления. По мере развития деформаций сдвига осадка начинает увеличиваться быстро и достигает максимума к моменту потери устойчивости.
Деформации грунта в основаниях фундаментов средней глубины заложения
Фундаменты средней глубины заложения – это фундаменты, глубина заложения которого составляет от 0,5 до 2 значений ширины фундамента. Следовательно, для нашего фундамента шириной 40 см это от 21 до 80 см.
В этом случае деформации носят примерно тот же характер, но поверхность скольжения имеет несколько иную форму. Поскольку в этом случае объем перемещающихся грунтов заметно больше, давление при котором начинается осадка (pпроп), и давление, при котором происходит выпирание грунтов (pразр), также должно быть заметно больше.
Деформация рыхлых песчаных грунтов
При строительстве фундамента на рыхлых песчаных грунтах разрушение основания происходит при небольшом давлении и большой осадке. При этом деформации происходят за счет уплотнения грунта, и выпирание из-под фундамента может и не происходить.
Деформация плотных песчаных грунтов
В плотных песчаных грунтах деформация наступает при большом давлении и небольшой осадке. Значение давления, при котором начинается осадка, возрастает по мере роста плотности грунта, а разрыв между pпроп и pразр сокращается.
Деформация пластичных глинистых грунтов
Деформации в пластичных глинистых грунтах очень похожи на описанные выше. Основание теряет устойчивость из-за так называемого вязко-пластичного выдавливания грунта. Я уже писал, что значения деформации во многом зависят от скорости, с которой расчет нагрузка. Чем меньше скорость роста давления, тем большее давление может выдержать грунт без значительных деформаций. Это связано с тем, что при медленном возрастании нагрузки грунт успевает уплотниться, что увеличивает его сопротивление деформациям.
Деформация твердых глинистых грунтов
Характер деформации твердых глинистых грунтов аналогичен таковому в плотных песчаных грунтах. Сначала происходит уплотнение грунта и формирование ядра, а затем ядро расклинивает прилегающие к нему области грунта с образования плоскостей скольжения, и происходит выпирание. При этом деформирующим силам приходится преодолевать сопротивления грунта, которое велико.
Деформация грунтов в фундаментах глубокого заложения
Под фундаментами глубокого заложения мы понимаем фундаменты, глубина заложения которых превышает ширину более чем в 2 раза.
Под такими фундаментами также происходит уплотнение грунта и образование плотного ядра, но расклиниванию и смещению частиц в стороны и вверх препятствует так называемая пригрузка грунта, который залегает над подошвой фундамента. Чем больше глубина заложения фундамента, тем больше пригрузка и тем большее давление требуется для расклинивания. Из-за этого грунт практически никогда не выпирает на поверхность: вместо этого деформации наблюдаются в замкнутом объеме. Перемещающиеся частицы просто уплотняют окружающий грунт, и явной потери устойчивости фундамента нет. Предельное давление можно установить по увеличивающейся осадке фундамента, который вместе с частью уплотненного основания просто вдавливается в расположенный ниже грунт.
Цифры и графики
Дальше начинается скучное, но важное
В свое время Н.А Цытович установил, что существует две фазы напряженного состояния грунтов:
- Фаза 1 – уплотнение и локальные сдвиги грунтов. Уплотнение преобладает, пластическими деформациями можно пренебречь;
- Фаза 2 – развитие значительных сдвигов грунта.
Если прекратить нагружать основание в пределах фазы 1, то при любом давлении осадка постепенно затухает. Грунты просто уплотняются до какого-то предела и все.
Со второй фазой все гораздо сложнее. Если нагружение фундамента доходит до фазы 2, в изменениях осадки можно выделить три этапа:
- постепенное снижение скорости осадки;
- изменение осадки с постоянной скоростью;
- затухание осадки, либо рост деформаций, приводящий к окончательной потере устойчивости основания.
На представленном ниже графике эти фазы показаны более наглядно. Обратите внимание на кривую, объединяющую b3 b4 b5 – она показывает, на каком этапе основание фундамента окончательно потеряет прочность.
Таким образом, прочность грунта оценивается начальным критическим давлением pнач-кр и критическим давлением pкрит. Начальное критическое давление – это давление, при котором первая фаза деформации переходит во вторую. Таким образом, давление ниже начального критического можно считать безопасным.
Давление pразр можно считать предельным. В диапазоне от начального критического до предельного давления грунты смещаются, но основание не теряет устойчивости. При превышении предельного давления произойдут очень значительные, лавинные сдвиги грунта.
Существует формула, по которой рекомендуется рассчитывать начальное критическое давление:
где:
- γ `11 – усредненная плотность грунтов, залегающих выше подошвы фундамента;
- d – глубина заложения фундамента;
- γ11 – усредненная плотность грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента;
- φ11 – угол внутреннего трения грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента;
- с11 – удельное сцепление грунта, залегающего ниже подошвы фундамента (для песчаных грунтов – параметр линейности);
- zmax – максимальная ордината развития области предельного равновесия в грунте основания (принимается как 0,25b, где b – ширина подошвы фундамента).
Несмотря на кажущуюся сложность, формула является упрощенной. Фактически она дает решение для условий плоской задачи, когда основание фундамента однородно, а вертикальная нагрузка равномерно распределена по всей площади фундамента. Эти условия похожи на условия, в которых работают ленточные фундаменты.
Формула отражает несколько упрощенную картину. Так, в ней приняты следующие допущения:
- фундамент находится на поверхности массива грунта;
- удельный вес грунта, расположенного выше уровня подошвы фундамента, замене пригрузкой;
- не учитывается трение грунта по подошве фундамента;
- давление не зависит от жесткости фундамента и распределяется равномерно.
Таким образом, предельное начальное давление, рассчитываемое по этой формуле, является несколько заниженным.