Использование геотекстиля для армирования оснований фундаментов ИЖС на слабых грунтах
Некоторые слабые основания, например, обводнённые пылеватые пески или мягкопластичные суглинки, можно существенно укрепить, используя армирование геотекстилем. В этой статье разберёмся, как это можно сделать.
Прежде всего, далеко не все грунты имеет смысл так укреплять. В некоторых случаях более уместными могут быть свайные фундаменты или полнозаглублённые ленты. Но с такими грунтами основания, как в этом видео, может быть актуально использование армированных подушек.
Вот так выглядит шурф в таких грунтах через пару часов:
Рис. 1. Грунтовые воды в шурфе.
В данном случае мы имеем дело со слабыми мягкопластичными суглинками на территории с высоким УГВ. Наш заказчик в качестве первого строения решил поставить баню 6х9 из бруса. Для усиления слабого грунта основания ему было рекомендовано устроить под фундамент песчаную подушку, армированную геотекстилем.
Из нормативных документов, которыми можно было бы руководствоваться при использовании данного метода усиления основания фундаментов, имеется СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87 (с Изменениями N 1, 2)». Там в разделе 18.2 обсуждаются некоторые вопросы использования геотекстиля для данных целей, однако, конкретных рекомендаций по проектированию таких армированных оснований, не представлено.
В современной нормативной базе, посвященной вопросам конструирования армированных геотекстилем оснований, имеется значительный пробел. Лучше всего этот вопрос представлен в нормативах для дорожников, например, в ОДМ 218.5.003-2010 «Рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве автомобильных дорог». В данном документе в таб. 6.1. описаны виды геосинтетических материалов, из которой следует, что для целей армирования лучше всего использовать полиэфирные геотекстили. Также в таб. 7.1 и 7.2 указаны наиболее важные характеристики, которые надо учитывать для целей армирования грунтов основания.
В разделе 8 ОДМ 218.5.003-2010 также есть методика расчета конструкции насыпи временной дороги на слабых грунтах, где реализуется армирующий эффект прослойки из геотекстиля. В целом подход к расчёту соответствует тем задачам, которые возникают в ИЖС, но формально областью применения данного нормативного документа является сфера дорожного строительства. Более того, указанный расчёт применяется для временных дорог, поэтому не учитывает явление ползучести у геотекстиля — его возможную деформацию под длительными нагрузками, в результате чего теряется армирующий эффект основания. По этим причинам обратимся к другим источникам, в частности к учебному пособию «Основания и фундаменты» за авторством Р.А. Мангушева и др. Там предлагается простой аналитический метод расчёта толщины армированных подушек:
Рис. 2. Расчёт толщины армированной подушки по Р.А. Мангушеву и др.
Однако и здесь описание метода дано довольно неконкретно, нет указаний на то, как учитывать наличие геотекстиля, допустимое растягивающее напряжение на нём, угол распределения давления в материале подушки задан интервалом без комментариев, какие значения выбираются в различных случаях. Фактически предложено расчёт основания делать из учёта распределения давления в подушке основания, а эффект армирование идёт в запас.
Следующим источником, в котором более подробно разбирается вопрос армирования оснований геотекстилем, является переводное издание книги К.Д. Джоунса «Сооружения из армированного грунта»:
Рис. 3. Выдержка из книги К.Д. Джоунса.
Особенно ценно, что в этой книге рассматривается вопрос усилия, прилагаемого к геотекстилю. Согласно графикам, предлагаемым Джоунсом, максимальные усилия возникают в геотекстиле при расположении его на глубинах, соответствующих 0.4-1.0 ширины фундамента b:
Рис. 4. Усилия в геотекстиле по Джоунсу.
Аналогичные выводы содержатся и в экспериментальных данных, полученных В.М. Антоновым. (стр.58). Соответственно, на указанных глубинах геотекстиль больше всего включается в работу основания.
С учетом рекомендаций, изложенных в указанных выше документах, предлагается следующая схема использования армированных геотекстилем песчаных подушек:
Рис. 5. Схема армирования песчаной подушки грунта основания.
Данную схему можно использовать с незаглубленным ленточным фундаментом или плитой УШП, которые монтируются на песчаную подушку толщиной t1, устраиваемой в неглубоком котловане по поверхности слабого грунта основания. В большинстве случаев бывает достаточно заменить армированной подушкой верхний почвенно-растительный слой.
В случае использования МЗЛФ, подушка устраивается ниже на глубину заглубления подошвы фундамента.
Расчёт минимальной толщины подушки t1 производится по следующей формуле (на основе формулы 4.2 по Р.А. Мангушеву и др.) :
t1 — минимальная толщина песчаной подушки относительно подошвы фундамента (максимальная толщина может определяться иными факторами, например толщиной почвенно-растительного слоя, вместо которого укладывается эта подушка);
F — погонная нагрузка на ленточный фундамент (включая собственную массу фундамента), кН/м;
R — расчетный предел прочности грунта основания ( в случае отсутствия точных данных рекомендуется принимать R=60 кПа), кПа;
b – ширина ленточного фундамента, м
Максимальная толщина подушки назначается исходя из конструктивных и технологических факторов (толщина почвенно-растительного слоя, например).
Глубина заложения геотекстиля от подошвы фундамента (на основе экспериментальных данных, стр.60). :
b — ширина ленточного фундамнета, м
Также, при устройстве армированной подушки должны соблюдаться следующие правила (см. рис.5):
Для армирования грунта рекомендуется применять полиэфирный геотекстиль плотностью не менее 300-350 гр/м2, биоксиальный (равнопрочный в обоих направлениях).
Котлован под песчаную подушку должен быть больше габаритных размеров фундамента в каждую сторону на величину L, которая больше или равна 3 t1 .
Для исключения продёргивания геотекстиля при растяжении, концы полотен анкерятся путём подворота их на верх подушки на величину 2L+b (аналогично используемому в методе «концертино»).
Геотекстиль наиболее эффективно работает на глубине h, поэтому, если общая толщина подушки существенно превышает данную величину, рекомендуется разделить подушку на два слоя, между которыми уложить полотна геотекстиля.
Если по расчёту толщина подушки t1 получилась меньше h, то толщину подушки назначают t1 = h + 0.05-0.1 метров.
Поверх основной армированной подушки возможно устройство ещё одной армированной насыпи, толщина которой t2 не более ½ t1. Полотна второй подушки в этом случае укладываются в направлении, перпендикулярном нижележащему слою. Без армирования подушку t2 можно делать толщиной не более 0.2 b.
Песчаная подушка выполняется с послойным уплотнением (толщина слоёв 150 мм) из песка средней крупности с небольшим содержанием глинистых и пылеватых частиц для лучшей укатываемости. Коэффициент уплотнения по СП 45.13330.2016 не менее 0,94.
Сама конструкция армированной подушки понятна из рис.5. В неглубокий котлован, образовавшийся после снятия почвенно растительного слоя, укладывается первый тонкий слой песка для выравнивания дна котлована. По этому слою песка расстилается геотекстиль, полотна которого укладываются с нахлестом не менее 500 мм (по ТТК «Укладка нетканого геополотна «Дорнит» при дорожном строительстве»). Полотна геотекстиля при укладке слегка натягиваются и в таком состоянии присыпаются небольшим количеством песка. После укладки геотекстиля, выполняется послойная засыпка песка подушки с уплотнением механическими трамбовками.
По результатам экспериментальных проверок армирование геотекстилем увеличивает прочностные характеристики основания примерно в 1,6 раза по сравнению с неармированной подушкой. Суммарный эффект укрепления складывается из работы армирования и распределительной функции песчаной подушки и может составлять 250-300% увеличения прочности по сравнению с характеристиками слабого грунта основания. Наглядный пример эффекта от использования армирования из геотекстиля.
Рассмотрим технологические приёмы по устройству такой армированной подушки на примере нашего заказчика, о грунтах которого шла речь в начале статьи. В соответствии с нашими рекомендациями он сделан небольшой котлован и уложил на его дно полотна геотекстиля:
Рис. 6. Уложенный геотекстиль.
Послойно уложил песок подушки с уплотнением виброплитой:
Рис. 7. Уплотнённая подушка основания.
На уплотнённую подушку был произведён монтаж ленточного фундамента:
Рис. 8. Ленточный фундамент.
Поскольку у бани планируется цокольное перекрытие по деревянным балкам с вентилируемым подпольем, а также устройство гидроизолированной стяжки с уклоном для стока влаги, попавшей через пол, поверхность грунта внутри периметра ленточного фундамента защищена от промораживания слоем ЭППС.
Ширина фундамента выбрана из условий достаточности ширины для опирания стены из бруса и балок перекрытия (полка для балок):
Рис. 9. Цокольное перекрытие по фундаменту.
Источник
Армирование ленточного фундамента
Ленточные монолитные фундаменты обычно делаются под сплошные стены и в этом случае армирование фундамента по расчету вроде бы и не требуется.
Лента такого фундамента с точки зрения строительной механики представляет собой балку на упругом основании — грунте, и к этой балке приложена равномерно распределенная нагрузка — сплошные стены. А потому такая балка рассматривается как абсолютно жесткая и в дополнительном усилении арматурой не нуждается.
К тому же строили как-то наши предки дома без арматуры, а иногда и вообще без фундамента и ничего, некоторые из этих построек стоят и до сих пор.
Однако все не так просто, как может показаться на первый взгляд, по ряду причин:
1. Грунт под фундаментом можно рассматривать как упругое основание с постоянными физическими свойствами далеко не всегда. Более точный ответ на вопрос, как изменяются свойства грунта под фундаментом, может дать только геологоразведка. Но в любом случае, чем больше размеры строения в плане, тем больше вероятность, что свойства грунта под ленточным фундаментом будут не одинаковыми.
2. Со временем физические свойства грунта могут изменяться в результате жизнедеятельности человека или по природным причинам (например при изменении уровня грунтовых вод). Это может приводить к неравномерной осадке основания.
Для стен из натурального или искусственного камня наиболее неблагоприятной будет ситуация, когда наибольшая осадка произойдет под одним или несколькими углами здания. В этом случае в сечениях стены появятся дополнительные растягивающие напряжения, что может привести к образованию трещин. Впрочем и дополнительные сжимающие напряжения при просадке грунта ближе к середине ленты также могут оказаться не желательными.
3. Мелкозаглубленные ленточные фундаменты могут испытывать дополнительные нагрузки из-за пучения замерзшего грунта.
4. Принимаемая при расчетах нагрузка на фундамент далеко не всегда является равномерно распределенной по всей длине ленты фундамента. Наличие окон и дверей приводит как минимум к изменению значений нагрузки, а под достаточно широкими дверями нагрузки на ленту фундамента может вообще не быть. Кроме того, нагрузка на фундамент в летнее и зимнее время может быть разной.
5. В углах сопряжения перпендикулярных лент фундамента возможны скачки напряжений, если ширина лент фундамента определена неправильно или эти ленты делаются одной ширины из технологических соображений.
Как видим, причин для армирования ленточного фундамента вполне достаточно, даже если армирование по расчету не требуется. Такое армирование называется конструктивным, т.е. принимаемым без расчета. При этом конечно же должны соблюдаться общие требования по армированию балок, а также по анкеровке арматуры. Если же ленточный фундамент делается ступенчатым, то расчет армирования подошвы фундамента — отдельная тема.
Как правило в малоэтажном строительстве различные авторы многочисленных сайтов рекомендуют использовать для продольного армирования стержни диаметром 10-12 мм, но не более 40 мм.
На чем основана данная рекомендация, я не знаю. В известной мне технической литературе подобных рекомендаций нет. Впрочем эта литература предназначена для специалистов, а не для любителей. От себя могу добавить, что при выборе диаметра арматуры для конструктивного армирования кроме вышеизложенного следует руководствоваться следующими параметрами:
1. Длина ленты — чем больше длина, тем больший диаметр арматуры следует принимать).
2. Высота и ширина ленты — чем больше высота и ширина, тем меньший диаметр арматуры можно принимать.
3. Расчетные нагрузки — тут все просто, чем меньше нагрузки тем меньший диаметр арматуры можно принимать.
Тем не менее, чтобы все вышесказанное было более наглядно, представим себе следующую ситуацию: планируется ленточный фундамент (вместо фундаментной плиты), длина ленты по одной из наружных стен 8 м, высота 1 м и ширина 0.5 м, ширина подошвы фундамента 0.8 м высота подошвы 0.2 м.
Если под одной из наружных стен, например А3 (крайняя левая стена на рисунке 345.1.в) грунт в правом верхнем углу просядет сильнее, чем посредине, то в этом случае ленту фундамента под этой стеной можно рассматривать, как консольную балку длиной 4 м, соответственно потребуется армирование в верхней части ленты фундамента.
Рисунок 345.1. Примерный план 1 этажа для расчета фундаментной плиты.
Как мы уже выяснили, равномерно распределенная нагрузка на эту стену, составляет q = 6976 ≈ 7000 кг/м. Но это была нагрузка, равномерно распределенная как по фундаменту, так и по основанию, а при просадке основания нагрузка, действующая на консольную балку, будет описываться уравнением прогиба.
Чтобы упростить задачу, предположим, что эта дополнительная нагрузка описывается уравнением квадратной параболы, т.е. изменяется от максимума на конце до нуля на опоре. Тогда изгибающий момент на опоре составит:
М = (ql/3)3l/4 = ql 2 /4 = 7000·4 2 /4 = 28000 кгс·м или 2800000 кгс·см
Примечание: в данном случае мы определили значение момента графоаналитическим методом, т.е. умножили площадь эпюры нагрузки на расстояние от центра тяжести эпюры до рассматриваемой точки — опоры балки.
Так как в данном случае лента фундамента представляет собой тавровую балку из-за наличия подошвы, то сначала нужно определить, где находится граница сжатой зоны:
M = 2800000 2 0Rb = 2800000/(80·97 2 ·117) = 0.0318
Примечание: если для упрощения расчетов данную балку рассматривать как прямоугольную шириной 0.5 м, то требуемая площадь сечения составит 8.23 см 2 , т.е. не намного больше.
Т.е. для армирования верхней зоны сечения ленты фундамента под рассматриваемой стеной в этом случае понадобится не менее 3 стержней Ø 20 мм, площадь сечения составит 9.41см 2 . Такие дела.
Примечание: если арматурные стержни будут и в нижней части сечения, т.е. в сжатой зоне, то их тоже можно учесть в расчетах. Впрочем это увеличит несущую способность балки на 3-5%, а у нас итак принята арматура с хорошим запасом.
Определение прогиба при такой нагрузке — отдельная сложная тема, но опять упростим задачу и предположим, что прогиб будет такой же (хотя в действительности прогиб будет немного меньше), как при равномерно изменяющейся нагрузке и составит (согласно расчетной схеме 2.6, таблицы 2):
f = 0.86·11ql 4 /120EI
где 0.86 — коэффициент учитывающий изменение высоты сжатой зоны сечения, который тоже требует более точного определения.
Начальный модуль упругости для бетона класса В20 составляет Е = 275000 кг/см 2 . Для определения момента инерции приведенного сечения следует решить кубическое уравнение, которое здесь не привожу. Скажу лишь, что граница сжатой области бетона будет проходить в ребре балки и потому момент инерции приведенного сечения будет составлять примерно I = 750000 см 4 .
При таких исходных данных максимальный прогиб составит:
f = 0.86·11·70·400 4 /(120·275000·750000) = 0.685 см
Это означает, что если осадка основания под этим углом будет даже незначительно больше, чем под серединой фундамента, то уже включится в работу арматура. А если разница достигнет 7 мм и больше, то арматура будет работать на полную мощность. Кроме того в материале стены появятся дополнительные растягивающие напряжения, для восприятия этих напряжений в стенах их натурального и искусственного камня обычно делается арматурный пояс по периметру.
А кроме того, наличие арматуры в фундаменте позволит соблюсти требования нормативных документов, в частности СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений», согласно которому относительная разность осадок по отношению к длине не должна превышать 0.002 для многоэтажных бескаркасных зданий с несущими стенами из крупных блоков или кирпича (согласно таблице 391.2).
В нашем случае Δs/L = 0.7/400 = 0.00175 2 /4 = 3600·6 2 /4 = 32400 кгс·м или 3240000 кгс·см
Это в 1.16 раза больше, чем возможный изгибающий момент в примыкающей более нагруженной ленте. Если учесть, что мы приняли сечение арматуры с хорошим запасом (в 1.154 раза), и наличие арматуры в сжатой зоне, то этого должно хватить даже не смотря на то, что в данном случае у нас не тавровая, а обычная прямоугольная балка.
К тому же возможный прогиб такой балки при неравномерной осадке фундамента будет больше, а значит у балки появится дополнительная опора — лента фундамента примыкающей стены. Все это может немного увеличить нагрузку на ленту, рассмотренную нами ранее и уменьшить нагрузку на примыкающую ленту.
Ну а насколько подобная ситуация может быть вероятна — решать вам. Я же трещины на кирпичных стенах примерно посредине (часто в районе оконного проема) наблюдал неоднократно.
На этом пока все.
Доступ к полной версии этой статьи и всех остальных статей на данном сайте стоит всего 30 рублей. После успешного завершения перевода откроется страница с благодарностью, адресом электронной почты и продолжением статьи. Если вы хотите задать вопрос по расчету конструкций, пожалуйста, воспользуйтесь этим адресом. Зараннее большое спасибо.)). Если страница не открылась, то скорее всего вы осуществили перевод с другого Яндекс-кошелька, но в любом случае волноваться не надо. Главное, при оформлении перевода точно указать свой e-mail и я обязательно с вами свяжусь. К тому же вы всегда можете добавить свой комментарий. Больше подробностей в статье «Записаться на прием к доктору»
Для терминалов номер Яндекс Кошелька 410012390761783
Номер карты Ymoney 4048 4150 0452 9638 SERGEI GUTOV
Для Украины — номер гривневой карты (Приватбанк) 5168 7422 4128 9630
- Расчет конструкций . Фундамент
Высота ленты 1м считается от верха подошвы до верха ленты или от низа подошвы до верха ленты?
От низа подошвы до верха ленты.
Ответьте пожалуйста, правильно ли я понял что в формуле М=ql?/4, l-это половина длинны стены и знаменатель 4 это тоже половина длины стены, и в случае со стеной 9м формула будет выглядеть так: М=7000*4,5?/4,5
И ещё, правильно ли я понял, что в формуле
M =2800000
Не совсем так. В данном случае знаменатель берется из формулы, описывающей квадратную параболу, т.е. вне зависимости от длины составляет 4. Соответственно в вашем случае М=7000*4,5?/4.
b’f — это ширина подошвы — да,
h’f — это толщина подошвы — да,
ho — это расстояние от верха ленты до верха арматуры? — нет, это расстояние от шиза подошвы до центра тяжести арматуры, расположенной в верхней области сечения ленты фундамента, так как мы рассматривали условную консольную балку и рассчитывали арматуру в верхней области сечения, а не в нижней.
Ясно всё. Спасибо большое за ответы!
Насчёт арматуры в нижней зоне. Получается она не нужна вовсе, потому что в случае оседания угла здания работает арматура в верхней части и сжатая зона бетона в нижней части фундамента. А в случае проседания в середине стены начинает работать та же арматура в верхней зоне фундамента и сжатая зона роль которой выполняет вся стена целиком. А так как по вашему второму условию «чем больше высота и ширина, тем меньший диаметр арматуры можно принимать», то трещин не будет, потому что стена целиком исполняет роль очень крупной сжатой зоны, не так ли?
Надеюсь вопрос и доводы понятны, формулирую как умею)))
В целом вы все правильно сформулировали. Тем не менее сейчас для стен часто используются материалы, которые имеют значительно меньший модуль упругости, чем бетон, да и нагрузки на фундамент бывают разные, поэтому арматура в нижней зоне тоже может пригодиться.
Примечание: Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье «Записаться на прием к доктору» (ссылка в шапке сайта).
Источник