Грунты и их несущая способность

Закладка фундамента создает основу для строительства дома. Он является элементом, скрепляющим конструкцию стен, но главная его задача – преодолеть заглубление дома. Несмотря на кажущуюся плотность земли, не всякий грунт способен выдержать нагрузки от массы дома – даже небольшой индивидуальный дом весит порой несколько тонн. Именно несущая способность грунта в основном определяет вид  фундамента и способ его возведения.

1. Распределение нагрузок на грунт от фундамента

«Иметь твердую почву под ногами» – это не фигура речи для строителей. Это основа всей системы закладки фундамента. Твердая, казалось бы, земля под ногами уступает силам, которые давят на нее при постройке даже небольшого и легкого на вид здания. В течение одного сезона построенный дом может заметно осесть, если фундамент под ним выполнен неправильно.

Расчет предельного давления на грунт для устойчивости дома зависит от многих факторов:

• Вес здания
• Площадь основания дома, давящего на землю
• Свойства грунта
• Глубина промерзания
• Глубина залегания подземных вод

Кроме изменений в толще грунта, связанных с давлением на него основания дома, сам грунт подвержен внутренним силам, приводящим в движения почвенные пласты – их называют пучинистостью грунта.

Самую большую нагрузку на грунт оказывает вес дома. Он распределяется на каждую точку грунта в зависимости от площади соприкосновения основания дома с грунтом. Чем больше площадь, тем меньше удельное давление на грунт. Это мы хорошо знаем из опыта.

Площадку, оказывающую давление на грунт, называют подошвой фундамента. Чем она больше, тем ниже давление на грунт при одном и том же весе дома.

Способность сопротивляться нагрузкам называют несущей способностью грунта.

Соответственно, определены два пути уменьшения общего давления, оказывающего основанием здания на грунт – увеличение площади давления или увеличение точек соприкосновения основания с грунтом. Площадь соприкосновения определяется типом фундамента – монолитной плиты, ленты по периметру дома  или отдельных столбов.

Слой почвы, на которую давит фундамент, называют несущим слоем. Давление, оказываемое на верхний несущий слой, передается и на пласты, лежащие ниже. Поэтому необходимо учитывать их структуру и несущую способность.

В связи с тем, что зимой земля промерзает, а летом – оттаивает, это тоже учитывается в расчете несущей способности грунта.

2. Структура грунта и физические характеристики

Грунт состоит из трех компонентов: твердых частиц, воды и газа. Твердые частицы в основном определяют свойства грунта, а водяные и газовые составляющие могут их существенно изменять. Твердые частицы в почве образуют губчатую структуру. Чем плотнее они сами и чем плотнее они прилегают друг к другу, чем выше сила их сцепления, тем плотнее грунт в целом. Плотность своеобразной «губки» увеличивается с глубиной залегания – верхние слои оказывают давление на нижние. Однако этот фактор не столь существенен на тех глубинах, на которые закладывается фундамент.

Вода в состав грунта попадает из атмосферы (дождь, таяние снега) или поднимается из глубинных источников, благодаря капиллярному строению почвы. Чем выше залегание грунтовых вод, тем насыщеннее водой верхний слой грунта.

Воздух заполняет пористую структуру грунта – чем рыхлее почва, тем больше в ней воздуха.

Для исследования грунтов берут в расчет их физические и механические характеристики. Физические:

• Плотность самих частиц
• Плотность «губки»
• Влажность
• Пористость
• Пластичность

Механические:

• Удельная деформация
• Удельное сцепление частиц
• Угол внутреннего трения

3. Типы грунтов

Структура почв существенно зависит от геологической истории данной местности. По общепринятой теории, затвердевание Земли привело к образованию монолитного слоя литосферы, который впоследствии разрушался под действием атмосферы (ветра, дождя, солнца, колебаний температуры) – вплоть до образования из горного монолита мельчайших частиц.

Этапы такого разрушения целостных пород и отразились в разных свойствах конкретного участка земной поверхности.

Грунты подразделяют на:

1. Скальные – массив горных пород с высокой плотностью. Монолитен и несжимаем.
2. Крупнообломочные – смесь крупных камней и частиц, с включением мелких. Обладает высокой пористостью и малой сжимаемостью.
3. Песчаные – состоят из мелких твердых частиц, практически не связанных между собой. Отличаются высокой сыпучестью и плотностью в объеме.
4. Глинистые – состоят из самых мелких (мелкодисперсных) частиц (менее 0,1 мм в сечении), сильно связанных между собой за счет сил поверхностного натяжения присутствующей в их толще воды. Характеризуются высокой сжимаемостью и пластичностью.

4. Песчаные и глинистые грунты

Строительство в основном ведется на песчаных и глинистых грунтах. Скальные породы вообще не требуют фундамента, но они и непригодны для земледелия.

Мы подробнее рассмотрим наиболее распространенные типы грунтов, на которых  обычно ведется строительство домов.

Песчаные грунты подразделяются на несколько категорий, в зависимости от размера составляющих их частиц:

1. Гравелистый песок – с песчинками от 0,25 до 5 мм
2. Крупный песок – с частицами от 0,25 до 2 мм
3. Средний песок – 0,1 – 1 мм
4. Мелкий, пылевидный песок – с частицами менее  0,1 мм

В свою очередь глинистые грунты подразделяются на:

1. Супеси – содержащие до 10% глинистых частиц, хорошо крошатся.
2. Суглинки – с содержанием глинистых частиц от 10 до 30%. Имеют высокую пластичность и хорошее сцепление. Крошатся при высыхании.
3. Глины – с наибольшим содержанием   мелкодисперсных частиц. Высокопластичны, и как раз являются материалом для работы скульпторов, так как не разрушаются при затвердевании. В то же время достаточно плотны при высыхании.

5. Несущая способность грунта

Основной характеристикой грунта под строительства является его несущая способность. Она показывает, какую удельную нагрузку способен выдержать грунт, то есть какая площадь грунта выдержит определенный вес без разрушения и проседания. Измеряется несущая способность в кг/см2 или тн/м2

Приведем соответствующие параметры для некоторых видов грунта

• Гравелистый песок – 5-6
• Средний песок – 4-5
• Мелкий песок – 3-4
• Супесь сухая – 2,5-3
• Супесь влажная – 2-2,5
• Суглинки сухие – 2-3
• Суглинки влажные – 1-3
• Глины сухие 2,5-6
• Глины влажные 1-4

Из этих параметров видим влияние влажности на прочность грунта. Это приводит к необходимости учитывать глубину залегания подземных вод, сильно влияющих на влажность почвы. Другими словами, при расчете фундамента следует учитывать не только сам вид грунта, но его поведение при увлажнении. Это касается обильных осадков, а также явлению, которому нужно уделить особое внимание – пучинистости грунта, т.е. увеличению его удельного объема при замерзании до отрицательных температур.

6. Заключение

Как правило, до строительства дома проводят изыскания, показывающие, какой грунт преобладает на участке. Выбор способа установки фундамента зависит в том числе и с учетом вида грунта. Упустить этот этап с планировании дома – рисковать в будущем целостностью всей конструкции.