Моделирование плитно свайного фундамента

Обновлено: 16.05.2024

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Ярдяков Артем Сергеевич, Оржеховский Юрий Рувимович

В статье рассматривается комплекс вопросов, связанных с конечно-элементным моделированием работы плитно-свайных фундаментов . Изучено влияние размеров расчетной области и степени ее дискретизации на точность получаемого численного решения в нелинейной стадии. © Ярдяков А. С., Оржеховский Ю. Р., 2013

Текст научной работы на тему «Анализ влияния геометрических параметров конечно-элементной модели на точность расчета свайных и плитно-свайных фундаментов»

ЯРДЯКОВ А. С. ОРЖЕХОВСКИЙ Ю. Р

Анализ влияния геометрических параметров конечно-элементной модели на точность расчета свайных и плитно-свайных фундаментов

соискатель ученой степени кандидата наук, старший научный сотрудник УралНИИАС

ка ндидат технических нгук, ведущий научный трудник института «УралНИИпроект РААСН»

В статье рассматривается комплекс вопросов, связанных с конечноэлементным моделированием работы плитно-свайных фундаментов. Изучено влияние размеров расчетной области и степени ее дискретизации на точность получаемого численного решения в нелинейной стадии.

Ключевые слова: свая, плитно-свайный фундамент, конечно-элементная модель, дискретизация, осадка.

ANALYSIS OF INFLUENCE GEOMETRICAL PARAMETERS OF FINITE ELEMENT MODELS ACCURACY OF CALCULATION AND SLAB-PILE FOUNDATIONS

The article is devoted to consideration of a set of problems related to the fnite-element simulation of functioning of slab-pile foundations. The effect of the size of an area under calculation and degree of its discretization on the correctness (precision) of numerical solution gained at a nonlinear stage has been studied.

Keywords:pile, slab-pile foundation, finite-element model, discretization, settlement.

Современные строительные нормы регламентируют выполнение расчетов железобетонных конструкций с учетом физической и геометрической нелинейности (п. 5.1.2 [1]). Такие же рекомендации, а где-то и требования существуют при выполнении расчетов плитных, свайных и плитно-свайных фундаментов (п. 7.1.2, 7.4.1, 7.4.15, 7.5.2, 7.5.9 и 7.5.12 [2]). В связи с этим экспертные организаций также нередко выдвигают требования о предоставлении результатов нелинейных расчетов. Необходимость применения нелинейного расчета связана, прежде всего, с тем, что линейный расчет не удовлетворяет необходимой точности в описании поведения материала.

Для реализации нелинейных расчетов сегодня существует множество разных программных комплексов, решающих как двумерные, так и трехмерные задачи, применяющих численные методы расчета, которые способны реализовывать разные математические модели нелинейного поведения материала.

Наиболее широко используемым численным методом является метод конечных

элементов (МКЭ). Он используется при решении широкого круга задач механики твердого деформируемого тела, а также успешно применяется в других отраслях инженерных и фундаментальных наук. При решении геотехнических задач в расчетном комплексе моделируется массив грунта, вмещающий в себя конструкцию фундамента.

Известно, что точность получаемого численного решения зависит от степени дискретизации расчетного массива (размеров и количества КЭ в сетке). При решении краевых задач важную роль играет также размер массива. Границы массива или определенная их часть (вертикальные «наружные» грани, во многих случаях — и нижнее основание) имитируют условия «на бесконечности». При недостаточных размерах расчетного массива соответствующие граничные условия оказываются искусственными и могут значительно исказить результаты расчета. С другой стороны, размеры расчетного массива в плане и по высоте (глубине) приходится ограничивать по функциональным возможностям самого компьютера.

Имеющиеся в литературе, Интернете и пр. многочисленные данные свидетельствует о том, что проблема корректного назначения размеров расчетной области и ее правильной дискретизации нередко игнорируется не только при выполнении расчетов, связанных с проектированием оснований и фундаментов, но и на уровне научных разработок, связанных с теоретическим анализом работы сложных конструкций фундаментов.

В данной статье рассматривается вопрос о влиянии рассматриваемых факторов на точность получаемых численных решений, а также описывается процедура (методика) получения требуемых степени дискретизации и размеров конечноэлементной модели применительно к расчету свайных и плитно-свайных фундаментов.

Критерием, на основе которого решается поставленная задача, является расчетный график осадки одиночной сваи.

Расчетные кривые зависимости осадки одиночной сваи от нагрузки строятся при различных размерах и различном измельчении расчетной зоны. Кривая считается «правильной», если последующее увеличение размеров зоны, а также ее измельчение не приводят к значимому изменению графика.

Для крупноразмерных плитносвайных фундаментов поставленная задача решается следующим образом. Сначала в габаритах рассматриваемого фундамента расставляется система пробных свай, располагаемых достаточно далеко друг от друга, чтобы они в расчетах не влияли друг на друга. Параметры конечно-элементной сетки далее варьируются таким образом, чтобы для каждой из пробных свай получить расчетную кривую, совпадающую с полученной на первом шаге «правильной» кривой для одиночной сваи. Затем в конечно-элементную модель «вписываются» недостающие элементы (сваи, плита ростверка) с сохранением достигнутой конфигурации.

Ниже эти процедуры и основные промежуточные результаты описываются более подробно.

В качестве расчетного комплекса выбрана программа PLAXIS 3D Foundation, которая ориентирована на решение задач прикладной геомеханики. Программа получила широкое применение наряду с такими известными программами, как Nastran, Ansys, Z_SOIL, Midas GTS, Fem models и др., расчетной основой которых является МКЭ, использующий

вариационный принцип. Разработчиком выбранного программного комплекса является Делфтский университет (Нидерланды).

Программа PLAXIS 3D Foundation позволяет создавать конечно-элементные сетки пяти уровней крупности (глобальное измельчение): Very coarse — VC (очень крупная), Coarse — C (крупная), Medium — M (средняя), Fine — F (мелкая) и Very fine — VF (очень мелкая). Программа дает возможность выполнять и локальное измельчение (в плане) на участках, где возможно ожидать высокую концентрацию напряжений или значительные градиенты деформаций. Под локальным измельчением понимается разбивка на более мелкую сетку определенного участка массива — кластера — Cl. Коэффициент локального изменения элемента изменяется от 0,5 до 0,05. По высоте выполнить разбивку на более мелкие КЭ можно, использовав рабочие плоскости и путем задания виртуальных слоев в инженерно-геологической скважине — H.

Расчетный массив представляет собой объем грунта в виде параллелепипеда с основаниями в виде квадрата, глубина (высота) расчетного массива принимается равной 20,0 м.

Таблица 1. Характеристика грунта

Для моделирования граничных условий на вертикальных (боковых) гранях модели принято свободное перемещение в вертикальном направлении (вдоль оси Y), запрещены перемещения по горизонтали (Ux = Uz = 0 ). На нижней горизонтальной плоскости (подошве расчетной области) запрещены перемещения по вертикали — запрет перемещений по всем направлениям (Ux = Uz = Uy = 0 ). На верхней плоскости нет запрещений перемещений. Граница «свая — грунт» моделируется контактными элементами — «интерфейсом», его значение характеризует изменение угла внутреннего трения и сцепления окружающего грунта и характеризуется коэффициентом (вводится в параметры грунта, вмещающего сваю), принимается равным 0,66.

Физико-механические параметры грунта и конструкций, использованных в расчетах, приведены в Таблицах 1 и 2.

При выполнении расчетов была принята следующая этапность:

1 Initial phase: Создание в массиве грунта природных напряжений на основании данных о собственном весе грунта с последующим обнулением деформаций.

Поз. Параметры Условные обозначения Ед. изм. Грунт

1 Модель - Кулона-Мора

2 Тип поведения материала - Дренированный

3 Удельный вес g кН/м3 19

4 Модуль деформации E МПа 1О

5 Коэффициент Пуассона V - О,3

6 Сцепление с кН/м2 5О

7 Угол трения j градус 18

8 Угол диллатансии градус О

Таблица 2. Характеристики конструкций фундамента

Поз. Параметры Условные обозначения Ед. изм. Свая

1 Модель - Линейно-упругая

2 Тип поведения материала - Недренированный

3 Объемный вес g кН/м3 24

4 Модуль упругости E МПа 30 000

5 Коэффициент Пуассона V - 0,2

6 Сечение a x b м 0,3 * 0,3

2 Phase 1: Введение в расчетную схему конструкций фундаментов (сваи, ростверк, фундаментная плита, упрочненная зона) с последующим приложением внешней нагрузки.

Расчеты выполняются по следующим принципам:

1 Для каждого выбранного параметра массива (размер в плане, размер КЭ) расчет (при варьировании этими параметрами) выполняется до тех пор, пока последующий график осадки сваи (при выбранных параметрах) не будет совпадать с предыдущим либо программа не сможет выполнить расчет.

2 Разбиение сетки массива начинается с глобальной крупности (VC,

C, M, F, VF). Далее, после определения возможной глобальной крупности выполняем локальное измельчение на участках с ожидаемыми концентрациями напряжения или деформациями, вокруг сваи добавляем Cl, по высоте используем H . Таким образом, уменьшая размеры КЭ на выбранных участках. При невозможности расчета, сетки с максимальной глобальной крупностью (например: F + Cl ), выполняем расчет с предыдущей глобальной крупностью ( M + Cl ).

Для определения параметров минимально допустимого массива (МДМ) для расчета осадки одиночной сваи при нелинейном расчете принимается грунтовой массив, в центре расположена свая, сосредоточенная нагрузка для всех расчетов приложена на верх сваи и составляет 600 кН. В графиках осадки ось по вертикали — значение осадки, ось по горизонтали — доля нагрузки.

Массив 3,0 x 3,0 м

Параметры сеток приведены в Таблице 3.

Для массива 3,0 x 3,0 м получилось выполнить только два расчета, сходимости графиков добиться не удалось. На Иллюстрации І приведены полученные графики осадки верха сваи.

Массив 5,0 x 5,0 м

Параметры сеток приведены в Таблице 4.

Для массива 5,0 x 5,0 м получилось выполнить семь расчетов, сходимости графиков удалось добиться на массивах SC + Cl и SM + Cl. На Иллюстрации 2 приведены полученные графики осадки.

Поз. Название модели Общее кол-во КЭ Кол-во КЭ в свае по высоте Кол-во КЭ в свае

1 3VC 39б0 10 80

2 3C 7990 14 112

Иллюстрация 1. Зависимость осадки одиночной сваи от нагрузки в массиве 3,0 х 3,0 м

Таблица 4. Параметры КЭ сеток при размере массива 5,0 x 5,0 м

Поз. Название модели Общее кол-во КЭ Кол-во КЭ в свае по высоте Кол-во КЭ в свае

1 SVC 3400 б 48

3 SM 11440 12 9б

4 SF 29982 17 13б

5 SVF 79840 24 192

б SC + Cl 15б02 12 72

7 SM + Cl 35354 12 72

Иллюстрация 2. Зависимость осадки одиночной сваи от нагрузки в массиве 5,0 х 5,0 м

Таблица 5. Параметры КЭ сеток при размере массива 10,0 х 10,0 м

Поз. Название модели Общее кол-во КЭ Кол-во КЭ в свае по высоте Кол-во КЭ в свае

1 10УС 2 860 3 24

2 10С 3 640 4 32

3 10М 6 560 6 48

4 10М + н 8 528 12 96

5 10М + С1 + н 25 792 12 96

Иллюстрация 3. Зависимость осадки одиночной сваи от нагрузки в массиве 10,0 х 10,0 м

Таблица 6. Параметры КЭ сеток при размере массива 20,0 х 20,0 м

Поз. Название модели Общее кол-во КЭ Кол-во КЭ в свае по высоте Кол-во КЭ в свае

1 20УС 2268 2 16

2 20С 3276 2 16

3 20 М 3660 3 24

4 20F 8036 4 32

5 20^С + Н 9828 12 96

6 20С + Н 6488 12 96

7 20F + Н 13 202 12 96

8 20 М + С1 + Н 15 840 12 96

9 20 F + С1 + Н 29 920 12 96

Иллюстрация 4. Зависимость осадки одиночной сваи от нагрузки в массиве 20,0 х 20,0 м

Массив 10,0 х 10,0 м

Параметры сеток приведены в Таблице 5.

Для массива 10,0 х 10,0 м получилось выполнить пять расчетов, сходимости графиков добиться не удалось. При расчетах с разбивкой Н высота КЭ в свае принималась 0,5 м. На Иллюстрации 3 приведены полученные графики осадки.

Массив 20,0 х 20,0 м

Параметры сеток приведены в Таблице 6.

Для массива 20,0 х 20,0 м получилось выполнить девять расчетов, сходимости графиков удалось добиться на массивах 20VC + Н, 20С + Н, 20^ + Н, 20М + С1 + Н и 20F + С1 + Н. При расчетах с разбивкой Н высота КЭ в свае принималась 0,5 м. На Иллюстрациях 4, 5 приведены полученные графики осадки.

Массив 30,0 х 30,0 м

Параметры сеток приведены в Таблице 7.

По результатам анализа выполненных расчетов МДМ (Иллюстрация 6) для одиночной сваи является массив со сторонами 20,0 х 20,0 м (Иллюстрация 7).

Анализируя расчеты тестовых задач, делаем следующие выводы для одиночной сваи в грунтовом массиве:

1 По результатам построенных графиков отмечается, что при автоматической разбивке (выполненной программой) не получается получить достоверных графиков осадки. Это связано с тем, что КЭ в области сваи, а также КЭ по высоте сваи не имеют достаточной дискретности.

2 Графики осадки, полученные с применением к расчетным массивам дополнительного локального измельчения сетки вокруг сваи и локальном разбиении сваи по высоте, отличаются большей точностью от сетки, выполненной программой автоматически.

3 Размеры КЭ при глобальном и локальном разбиении сетки массива зависят от мощности компьютера. При выполнении расчетов максимальное количество элементов в массиве, которое удалось сосчитать, составляет 59000 КЭ при том, что удавалось разбить массивы на 110 000 КЭ.

4 При применении локального разбиения в расчетном массиве (с размерами в плане 20,0 х 20,0 м) вокруг КЭ свай необходимо предусматривать квадратный кластер с размерами сторон не менее 4,0 м, с разбивкой на конечные элементы (с применением локального измельчения), с размерами сторон от 150 до 350 мм и высотой 500 мм. При необходимости, при больших массивах (со сторонами свыше 30,0 м) необходимо применение дополнительных кластеров, включающих в себя кластер вокруг сваи. Сечение сваи в плане во всех задачах выполнялось автоматически и разбивалось на восемь КЭ с размерами сторон 150 мм, высота вводилась вручную (с прменением ) и составляла 500 мм.

5 Практически для всех выполненных расчетов отмечается совпадение графиков (вне зависимо-стиот размеров КЭ) на линейном участке.

Выполненные расчеты позволяют сделать вывод о том, что при использовании нелинейных моделей в расчетных программных комплексах необходимо выполнение тестовых задач (с варьированием параметров сетки и размеров расчетного массива) для каждой поставленной задачи.

Список использованной литературы

1 СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.

2 СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85.

3 СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная версия СНиП 2.02.01-83*Перельмутер А. В., Сливкер В. И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. М., 2007.

4 Plaxis Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Руководство пользователя 3D Foundation. Версия 2.

5 Парамонов В. Н. Метод конечных элементов при решении нелинейных задач геотехники. СПб., 2012.

6 Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М., 1987.

Поз. Название модели Общее кол-во КЭ Кол-во КЭ в свае по высоте Кол-во КЭ в свае

1 30VC 1 608 1 8

2 30C 3 276 2 16

Э 30M 3 660 3 24

4 30F 8 036 4 32

5 30 M + Cl 15 840 12 96

6 30F + Cl 29 920 12 96

Иллюстрация 5. Зависимость осадки одиночной сваи от нагрузки в массиве 30,0 х 30,0 м

Опрвдление размера масиива для одиночной се

Иллюстрация 6. Определение размеров МДМ в плане для одиночной сваи

Иллюстрация 7. Модель грунтового массива с размерами в плане 20,0 х 20,0 м

Коллеги! Посмотрите файл, пожлста. Выполнил простенький пример моделирования основания объемниками. Хотелось бы услышать критику. И услышать ответы на вопросы такого плана:

1. Каков должен быть размер грунтового основания за пределами фундаментной плиты?
2. Какова должна быть жесткость стержней, моделирующих сваи? Кто как решает эту проблему?
3. Как правильно учесть (и как это конкретно выполнить в SCADе) трение грунта о боковую поверхность сваи.
3. Как правильно закрепить основание?
5. Можно ли расставить сваи равномерно через 5-7d?

В общем вопросов уйма. Надеюсь, многие могли бы внести свою лепту в обсуждение этой насущной темы.

Если запустить расчет, то SCAD ругается по поводу нулевой строки матрицы, но расчет проходит. Пока не нашел причину. Если кто обнаружит - будет молодец!

И еще даю картинку деформаций для интересу.

1. в ширину - чем шире тем лучше (проверяется многочисленными опытами (от 1,5 h грунта общего)
в глубину - на величину от ГСТ

2. реальная. возьмите за основу размер сваи

3. это не нужно (для линенных моделей)
3. по низу - все, по боку - от смещения в горизонтальной плосоксти. Все свободные узлы закрепить uxuyuz. В узлах где грунт имеет общие узлы со сваями закреплений делать нельзя.

ps под условным фундаментом и по свае (если нужны таки в ней моменты) грунт лучше разбить по высоте почаще, а вот в плане можно пореже. такие вот относительные понятия

Немного и у меня вопросов (с темой автора вроде ознакомился, та, что до этого была)
1. для Engineer IA в вашей схеме плита зависла выше грунта, понимаю так, что она в расчете не участвует (типа высокий ростверк), а ведь физически она непосредственно лежит на грунте. Думаю., что узлы должны быть общими, т.е. плиты и объемников (грунтов). Может не прав, то поправьте. Да и модуль упругости плиты занижен (не очень понял)?
2. Модуль упругости (объемников) задан 2000т/м2 , а ведь это все таки модуль деформации. Я так понимаю, что модуль деформации-он характеризует уплотненность грунта при нагружении, а модуль упругости - для восстановления деформаций в результате разгрузки грунта ( к примеру временная нагрузка). Так как же быть, что туда ставят? Думаю, модуль деформации-точнее будет для КСП.
3.Пусть не обязательно это КСП, а к примеру фундаментная плита на естественном основании, тогда думаю о модуле упругости-именно его задавать (чем собственно сейчас и занимаюсь). Как в этом случае поступают? Надо бы профильтровать в мозгах (не впервые, но всетаки опыт приходит с годами).
ТЕМА ИНТЕРЕСНА

Нормальный модуль упругости для железобетонной плиты 1-й категории трещиностойкости.
Согласно СП по монолитным ж.б. каркасам модуль упругости ж.б. плит с отсутствием трещин для расчетов в линейной постановке принимается равным 0.3*начальный модуль упругости бетона плит.

НУ тут тему пора оикпыватьзаново
Готов по учавствовать в диспуте и представить своипредложения по расчетным схема.
Птому как данная проблема интересует меня давно.
Те схемы которые видел Я (которые проходили вполне успешно экспертизу как городскую так и госэкспертизу) не давали по моему мнению полной картины.

__________________
Работаю за еду.
Working for food.
Für Essen arbeiten.
العمل من أجل الغذاء
Працую за їжу.

Отлично! Тогда продолжим.

Плита зависла, потому как я сознательно исключил из работы грунт. Слышал, что многие так делают. Сваи выходят из объемников на 1 метр. Почему именно на 1 - не знаю, цифра понравилась. Если это важный параметр - прошу научить.

Модуль упругости объемников соответствует модулю деформации грунта, Е=20МПа.

Модуль упругости плиты понижен, согласно СП на 0,3.

Хотелось бы услышать того, кто ТАК моделировал основание в реальных проектах. Мнение такого спеца было бы чрезвычайно ценным.

Особенно интересует вопрос о возможности равномерной расстановки свай (через 5-7d) под плитой. Это упростило бы вычисление осадки всего фундамента. Нет ли какого-нибудь завалящего норматива на эту тему, чтобы показать нашей провинциальной экспертизе?

В общем вопросов уйма. Надеюсь, многие могли бы внести свою лепту в обсуждение этой насущной темы.

И еще даю картинку деформаций для интересу.

2. реальная. возьмите за основу размер сваи

__________________
Работаю за еду.
Working for food.
Für Essen arbeiten.
العمل من أجل الغذاء
Працую за їжу.

Отлично! Тогда продолжим.

Модуль упругости объемников соответствует модулю деформации грунта, Е=20МПа.

Модуль упругости плиты понижен, согласно СП на 0,3.

В общем вопросов уйма. Надеюсь, многие могли бы внести свою лепту в обсуждение этой насущной темы.

И еще даю картинку деформаций для интересу.

2. реальная. возьмите за основу размер сваи

__________________
Работаю за еду.
Working for food.
Für Essen arbeiten.
العمل من أجل الغذاء
Працую за їжу.

Отлично! Тогда продолжим.

Модуль упругости объемников соответствует модулю деформации грунта, Е=20МПа.

Модуль упругости плиты понижен, согласно СП на 0,3.

Свайно-ростверковые фундаменты обладают рядом преимуществ, среди которых – сравнительно низкая цена и возможность осуществить строительство своими руками.

Об особенностях представленного основания, предварительных расчетах, монтаже, возможных ошибках при возведении можно узнать из настоящей статьи.

Наиболее популярный тип основания для частного дома

Когда речь идет о строительстве своими руками, то большинство собственников отдают предпочтение ленточному фундаменту в силу его надежности и долговечности.

Как правило, для возведения домов на неустойчивых и переувлажненных грунтах, ленту необходимо закладывать ниже линии промерзания, что приводит к большим трудовым и финансовым затратам.

Свайный фундамент, в свою очередь, решает эту проблему, но опоры сами по себе способны выдержать вес легковесных конструкций, максимум – каркасных построек и малоэтажных домов из пеноблоков.

Альтернативой двум представленным типам основания является свайно-ростверковый фундамент, в котором опоры обеспечивают необходимую устойчивость, а обвязка отвечает за равномерно распределение суммарных нагрузок на почву.

Типы свайно-ростверкового основания, которые можно построить своим силами:

На винтовых сваях.
На буронабивных сваях.
С ленточным ростверком (монолитным или блочным).
С деревянным ростверком.
С обвязкой металлически профилем.

Троим строителям под силу вкрутить винтовую сваю небольшого диаметра и высоты, но такая опорная конструкция отличается ограниченной несущей способностью.

Она подходит для строительства:

гаражей,
ограждений,
бань,
террас,
легковесных построек.

Для надежности будущего сооружения целесообразно использовать винтовые сваи с большими габаритами, но тогда придется нанимать спецтехнику или редукторные установки для ввинчивания стержней. Поэтому для домашнего строительства большинство собственников решают сами устраивать буронабивные сваи с ростверком.

Обвязку можно делать из брусьев, металла или выбрать ленточный тип. Дерево отличается небольшим сроком службы и низкой прочностью, поэтому подходит для нетяжелых деревянных построек.

Для работы с металлическим профилем нужно уметь управляться со сварочным аппаратом. Исходя из вышесказанного, ленточный ростверк – самый простой тип обвязки, который можно сделать без привлечения наемных работников.

План-чертеж свайной с ростверком конструкции

Составление плана-чертежа занимаются инженеры и конструкторы в строительных компаниях. Как правило, проект включен в стоимость строительства под ключ. Если застройщик планирует возвести основание своими руками, то ему пригодятся навыки в черчении и геометрии.

Проектный чертеж нужен, для чтобы:

Точно определить точки установки опор.
Выдержать расстояние между сваями.
Выбрать подходящий способ обвязки свай ростверком.
Рассчитать количество строительных материалов.
Указать расстояние между ростверком и нулевым уровнем участка.

Когда проектируется свайное основание с ленточным ростверком, то на чертеже необходимо обязательно указать:

места, где будут проходить инженерные коммуникации;
вид и диаметр сечения опор;
тип и сечение ростверка;
глубину закладывания опорных элементов.

В процессе составления чертежа важно указать координаты для первого блока, с которого будет начинаться строительство, поскольку остальные конструктивные элементы будут равняться на него.

Как подготовиться к работе?

Закладка фундамента – ответственный процесс, поскольку от выбора материала и качества монтажа зависит надежность и долговечность проектной конструкции.

Перед тем, как составлять план, необходимо изучить нормативные требования (СНиП 2.02.03-85), собрать информацию об особенностях геологии участка и сделать расчет фундамента.

С чего начать?

Выбор опорных элементов и расчет фундамента ведут, основываясь на результатах геологического изыскания. Для получения достоверных сведений необходимо заказать услугу в организации, которая на этом специализируется.

Но, чтобы сэкономить, можно использовать справочную информацию и самостоятельно провести исследование грунта и глубины подземных источников на участке.

Что нужно знать перед проектированием?

Для расчетов железобетонного свайно-ленточного фундамента необходимо знать:

тип грунта;
степень пучения почвы;
точку промерзания;
залегание поземных источников;
несущую способность грунта;
перепады высот на участке;
климатические условия для региона (количество осадков).

Перед расчетами фундамента необходимо подобрать количество свай. Как правило, опоры устанавливают по углам здания и в местах, где будут пересекаться простенки в доме по проекту.

Приблизительное расстояние между опорами 1,5–3 м. Площадь сечения свай выбирается экспериментальным путем, исходя из несущей способности грунта.

Для выбора параметров рекомендуется воспользоваться справочными данными:

Диаметр буронабивных свай, см	100	150	200	250	300
Площадь основания, см2	79	177	314	490	707
Тип грунта	Несущая способность
Песок крупной фракции	325	701	1350	2050	2350
Песок средней фракции	235	530	942	1472	2120
Мелкий песок, перенасыщенный влагой	197	530	748	1226	1775
Твердая глина	353	795	1413	2208	3180
Пластичная глина	197	353	628	980	1413
Крупнообломочные породы	432	1315	2168	3238	5650

Расчет опор и ростверка

Чтобы заложить надежный фундамент, необходимо провести ряд обязательных предварительных расчетов:

Определить суммарные нагрузки с учетом веса стен, перекрытий, кровли, снежного настила и т.п.
Найти необходимую опорную площадь, зная вес конструкции и коэффициент надежности. Формула для расчета: S опоры = (М * 1,4)/Н, где:
- М – суммарная масса сооружения (из п.1),
- Н – несущая способность грунта (справочная информация),
- 1,4 – коэффициент надежности.
Рассчитать суммарную площадь сечения свай, учитывая их количество.
Сравнить результаты вычислений п. 2 и 3.

Если площадь сечения свай больше опорной площади, то выбранные параметры подходят, если меньше – необходимо увеличить площадь опор. Иногда целесообразно увеличить количество столбов (алгоритм расчета не поменяется).

Длину опор выбирают с учетом глубины промерзания грунта. Как правило, железобетонная конструкция должна упираться в твердый несущий слой. Для большинства российских регионов точка промерзания находится на глубине 1,5 м. К этому значению необходимо не забыть добавить высоту цоколя.

Параметры ростверка рассчитывают, используя методику, описанную в СНиП 2.03.01-84 Упрощенный вариант расчета минимальной высоты ленты (h): h = nа + 40 см, где nа – глубина заделки сваи в ростверк (приблизительно 15 см).

Ширина ростверка выбирается таким образом, чтобы это значение превосходило или было равным толщены цоколя или несущих стен.

Необходимые инструменты и материалы

Для строительства свайно-ростверкового фундамента понадобятся такие инструменты и материалы:

ручной бур или электрическая установка для устройства шурфов;
смесь для бетонного раствора: песок, щебень, цемент, вода;
щебень средней фракции для устройства дренажной подушки под ростверк;
бентонитовый раствор для обмазки стенок скважины;
листы рубероида для гидроизоляции свай;
листовой гидроизоляционный материал для ростверка;
пенополиуретановый утеплитель;
металлическая арматура для армирования верхней и нижней части фундамента;
доски, брусья, гвозди и шурупы для изготовления опалубки;
колышки, лески для разметки участка.

Как правильно сделать самому?

Каждый тип свайно-ростверкового основания предполагает свой порядок технологических этапов. Например, для устройства забивных и винтовых свай не нужно бурить скважины, но не обойтись без аренды оборудования или спецтехники (за исключением малых винтовых опор). Ниже представлен порядок возведения буронабивных свай с железобетонной лентой.

Определение расстояния между сваями

Слишком частая расстановка свай приведет к удорожанию строительства, а редкое – повышает риск деформации ростверка и, как следствие, приводит к образованию трещин в несущих стенах конструкции.

В частном домостроении обычно поступают следующим образом:

обязательно устанавливают опоры под углами здания и в точках пересечения несущих стен;
если столбы находятся на расстоянии друг от друга больше, чем на 3 м, то между ними ставят промежуточные опоры.

Перед конструированием полезно ознакомится с требованиями к расстановке опор, которые описаны в документах СНиП 2.02.03-85 и ГОСТ 27751.

Разметка и земляные работы

Перед строительными работами с участка убирают строительный мусор и, при необходимости, выравнивают площадку. Затем наносят разметку, используя колышки и леску.

Обязательно сравнивают диаметры с проектными значениями. Обозначают места для будущих опор с помощью колышков, прутьев или делают небольшие углубления в почве в качестве меток.

Установка свай

При помощи ручного бура высверливают скважины под сваи. Ручное устройство подходит для устройства шурфов диаметром до 30 см. Если на участке преобладают переувлажненные почвы, то на дне траншеи устраивают песчаную подушку высотой 10 – 20 см, обязательно утрамбовывая несущий слой.

Чтобы предотвратить обрушение стенок скважины, обмазывают поверхность бентонитовым раствором.

Внутри шурфа устраивают арматурный каркас из стальных прутьев. Длина прутьев должна быть на 15 – 20 см больше высоты скважины (запас для связки опоры и ростверка). Заливают внутренность скважины бетонным раствором. Штыкуют смесь для удаления пузырьков воздуха. Бетону понадобится 2–3 недели, чтобы затвердеть, после чего переходят к следующему этапу.

Для винтовых и забивных столбов рыть траншеи ненужно. Опорные элементы завинчивают или вбивают грунт по установленным меткам.

Строительство опалубки

Под ростверк устраивают щебневую подушку, которая защитит фундамент от вертикальных сил, возникающих в результате морозного пучения.

Эксперты советуют поднимать ростверк над нулевым уровнем участка, но такая технология значительно усложнит строительство.

Под монолитную ленту выстраивают щитовую опалубку. Для этого можно использовать фанерные листы или сбитые доски. Целесообразно подпереть конструкцию по внешней стороне брусьями, чтобы под массой бетона опалубка не разошлась.

Армирование

Каркас из армированных прутьев добавит прочности фундаменту. Как правило, используют металлопрокат из стали АI – АIII. Жестко связывают армирующий каркас для ростверка с прутьями, которые выступают из поверхности опор.

Заливка бетона

Для ростверка используют бетон прочности не ниже М200. Заливку осуществляют за один раз посредством желобов, чтобы исключить расслаивание бетона от удара при падении с высоты.

Когда материал заполнит внутреннюю часть опалубки, проводят штыковку для удаления пузырьков воздуха. Затем бетон накрывают полиэтиленовой пленкой и оставляют на 3–4 недели до полного затвердевания.

В случае с металлическим ростверком обвязочные изделия приваривают к прутьям, которые были оставлены выступающими из опор. Ростверк из брусьев фиксируют на оголовках столбов, предварительно сделав в металлических пластинах технические отверстия.

Гидроизоляция и вентиляция

Почвенная влага с годами разрушает бетонный фундамент, поэтому принимают меры по гидроизоляции конструктивных элементов. Чтобы защитить опоры перед устройством арматурного каркаса в скважину помещают свернутый в трубу лист рубероида или стеклорубероидного материала.

Для гидроизоляции заглубленного ростверка используют также рулонный гидроизоляционный материал, укрывая внутренние поверхности опалубки перед армированием.

Чтобы вентилировать пространство между железобетонной конструкцией и землей, в опалубку заделывают отрезки труб небольшого диаметра (20 – 25 см). Для «висячей» ленты устраивать продухи не нужно: вентиляция осуществляются за счет воздушного пространства между грунтом и основанием.

В случае с металлическим ростверком защитой служит обмазочный гидрофобный состав, которым покрывают выступающие над землей части конструкции, особое внимание уделяя сварным швам. Деревянные брусья предварительно пропитывают гидрофобной жидкостью.

Теплоизоляция

Роль теплоизолятора для ростверка выполняет пленка на основе пенополиуретана, который одновременно защищает конструкцию и от влаги. Пенный материал наносят на всю поверхность ростверка с помощью специального распылителя после того, как бетон полностью застынет. В качестве альтернативы можно использовать листовой экстрадированный пенополистирол.

Ошибки и рекомендации

Несмотря на простоту технологии и доступность строительных материалов, собственники часто допускают ошибки в проектировании и монтаже:

Много важной и полезной информации о свайно-ростверковом фундаменте найдете в этом разделе.

Видео по теме статьи

Свайно-ростверковый фундамент от А до Я, видео-инструкция:

Заключение

Свайно-ростверковое основание – сравнительно самый недорогой, но и достаточной прочный тип фундамента. В частном домостроении в большинстве случаев возводят ленточный ростверк на буронабивных столбах.

Популярность технологии обоснована доступностью стройматериалов и отсутствием необходимости арендовать оборудование и спецтехнику.

Чтобы опорная конструкция была достаточно устойчивой и долговечной, перед проектированием необходимо провести ряд расчетов, а также выбрать подходящие для заданных условий параметры элементов фундамента.

Читайте также:

Моделирование плитно свайного фундамента

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Ярдяков Артем Сергеевич, Оржеховский Юрий Рувимович

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Ярдяков Артем Сергеевич, Оржеховский Юрий Рувимович

Текст научной работы на тему «Анализ влияния геометрических параметров конечно-элементной модели на точность расчета свайных и плитно-свайных фундаментов»

Наиболее популярный тип основания для частного дома

План-чертеж свайной с ростверком конструкции

Как подготовиться к работе?

С чего начать?

Что нужно знать перед проектированием?

Расчет опор и ростверка

Необходимые инструменты и материалы

Как правильно сделать самому?

Определение расстояния между сваями

Разметка и земляные работы

Установка свай

Строительство опалубки

Армирование

Заливка бетона

Гидроизоляция и вентиляция

Теплоизоляция

Ошибки и рекомендации

Видео по теме статьи

Заключение