В этой статье я расскажу о том как, почему и какими средствами я рассчитывал фундамент для своего дома. Совсем не хочу кого-либо убеждать в том, что мой подход и мои выводы верны. Всё, что я насчитал, предназначалось только для того, чтобы убедить лишь себя=)   Но, в процессе расчётов, познавания некоторых тонкостей, наблюдений за монолитным строительством 9и-этажки в соседнем дворе и частном строительстве на окраинах моего города, перечитывании сотен страниц сайтов, справочников, книг я приобрёл уверенность в том, что делаю и как это делаю.

  Отправной точкой для начала расчётов, уже после того как я определился с тем, что это будет фундамент по технологии ТИСЭ, безусловно, была книга автора этой технологии Р.Н.Яковлева. Перечитав её несколько раз я вдруг понял, что приведённые в книге цифры даны с многократным запасом, и я решил пойти своим путём. Но, обо всём по порядку.

     Первой мыслю, после того, как я принял решение о строительстве дома, было желание минимальных земляных и железобетонных работ на участке. Так случилось, что я оказался среди близких друзей, которые оказались ещё и единомышленниками и сподвижниками идеи домостроения. Мы купили никому не нужный большой кусок земли в 30-и км от города, где нету никаких коммуникаций, кроме относительно нормальной дороги, и взялись за его освоение. Конечно, деньги - это острый вопрос для любого из нас, и нам пришлось взвешивать все наши действия на сотни шагов вперёд. Экономия по принципу "экономить на всём" зачастую приводит просто к переделыванию всей работы заново, потому был избран принцип "умной экономии". Фундамент - это отправная точка, это такое сооружение, на конструкцию которого влияет выбор всех последующих технологий. Какие это будут стены, что будет лежать на крыше, какое будет отопление, какое устройство перекрытий, будет ли камин и многое-многое другое - это всё влияет на фундамент, на его геометрию, распределение нагрузок, тип, и, в итоге, на цену.

      Фундамнт я выбирал из принципа минимального вмешательста в грунт, скорости возведения и цены, и первое, на что пал выбор - винтовые сваи и деревянная обвязка брусом 200х200мм. Подробно ознакомившись с теорией и отзывами взялся за расчёт конкретно под свой проект дома. Кстати, необходимо упомянуть проект дома. Дом был разработан креативными молодыми архитекторами практически без учёта моих пожеланий=). Он оказался совсем не похож на тот дом, который я рисовал в своём воображении, ну совсем! Однако, он понравился мне с первого взгляда! Он показался мне необычным и геометрически не простым, хотя и довольно элегантным. В общем, вот картинки... 

   Упоминание о проекте необходимо для того, чтобы вы смогли представить себе площадь застройки. На большинстве сайтов компаний, которые на тот момент предлагали винтовые сваи, были указаны примерные цены на готовый фундамент. Цены были весьма вкусными, что-то типа: "винтовой фундамент под дом 196м.кв. - от 2400$". Конечно, когда дошло дело до расчётов, бысто выяснилось, что сваи нужны не только под углами дома, но нужно целое свайное поле! И проблема была не столько в несущей способности винтовой сваи, сколько в расстояниях между ними - в общем, свай под мой проект было необходимо около 100 штук! Цена одной, как выяснилось в переписке с фирмой, около - 100$  c работой по установке. И вот фундамент мне выливается в 10 000$ + 6 кубов бруса ещё 1000$!!! (цены 2012 года) Ни о какой экономии при таком ценнике речи не идёт - пришлось искать альтернативу...

        Альтернатива не заставила себя долго искать - ТИСЭ. Не очень привлекала эта технология - нужно чем-то ручным бурить землю, замешивать бетон, какая-то арматура, которую ещё и гнуть нужно - всё это было очень чуждо мне, полиграфисту по профессии. Но, глаза боятся, а руки делают. Выбрав столбы ТИСЭ за опору долго думал над тем, какой же делать ростверк (надземную обвязку столбов), было два варианта: деревянный брус или бетонная лента). Начитавшись форумов, выделил основные минусы бруса: 1 - брус деревянный и он живёт своей жизнью, крутится, изгибается; 2 - на длинных пролётах он играет и прогибается; 3 - нижние венцы у брусовых домов - всегда слабое место, они могут гнить, сыреть, их ест всякая живность (конечно, это лишь чей-то неудачный опыт, бывают и хорошие примеры); 4 - брус, при описанных минусах, ещё и дороже бетона более чем в два раза (куб бетона М400 - 78$, куб бруса 200х200 - 180$). Был выбран бетонный ростверк. Начались расчёты.

Определяем тип грунта

   Купив за 90$ бур ТИСЭ мы пробурили несколько скважин в нашем поле, взяли пробы грунта, помяли его руками, взболтали в баночке с водой и определили, что в разных местах нашего поля грунт сильно отличается от чистого крупнозернистого песка до суглинков с содержанием глины до 30%. В процессе бурения так же сделали вывод о пористости грунта - он был весьма и весьма плотным. Песок, конечно, бурился легко, а вот с сулинками пришлось потруднее, но, в целом, 20 минут на скважину глубиной 150см. Дальше исследовали вопрос о глубине промерзания. Это, в первую очередь, теоретическая информация из интернета и, во вторую очередь, нашлись друзья, которые выяснили этот вопрос в компетентном метеорологическом органе - для нашей области максимальная глубина промерзания 50см, а на практике глубже 30см грунт уже много лет не промерзал. Теперь на очереди уровень грунтовых вод - пробуренные скважины и тут нам пригодились. Оставив их на осень, зиму, весну мы наблюдали за водой в них (в статье есть фото). Наблюдение показало, когда верховодка уходит, грунтовые воды залегают на глубинах свыше 2-х метров.  Перед началом строительства мы пробурили две скважины на воду методом гидробурения на глубину 35 метров - это интересное зрелище, дающее ценную информацию о глубинном составе грунта. Как вывод, под небольшим 2 - 4 метровым слоем суглинков лежит широченный пласт плотной водонепроницаемой глины. На плотность и водонепроницаемость наших грунтов указывали и весенние лужи на участках - они совершенно не впитывались в грунт и не уходили в течении нескольких недель (даже осока проросла), пока мы не прокопали дренажные каналы. Итак, у меня были все необходимые данные для определения несущей способности грунта. На участке есть небольшой уклон в 60см под пятном застройки, поэтому глубину заложения свай я выбрал такую, чтобы в нижней точке участка расширение сваи тисэ полностью находилось ниже глубины промерзания, ведь суглинки - пучинистые грунты. Итак, перепад высот 60см + глубина промерзания 50см + высота самого расширения 25см + небольшой запас для ровного счёта=150см. Плюс обязательное дренирование участка! Из книги Яковлева (статья с табличкой) определил несущую способность грунта в диапазоне 3,5-4 кг/см.кв.

Определяем количество свай

   Этот процесс в большей степени творческий, нежели расчётный, потому что необходимо искать балланс между количеством свай и расстоянием между сваями. Во-первых, нужно найти отправную точку - минимально допустимое количество этих свай. Для этого необходимо выяснить общую нагрузку от дома + нагрузки снеговые, динамические, ветровые, бытовые. Начинаем с крыши, потом стены, нагрузки и т.п.:

В результате расчётов видим, что мой легкий каркасно щитовой пенопластовый домик весит ни много ни мало 302 тонны! Причём наибольший вклад в этот вес даёт крыша со снегом, тёплый пол и нежданные гости. При таком положении вещей я выбрал минимальный диаметр расширения столба тисэ, который, согласно измерению линейкой, оказался 45см (в инструкции заявлялось 40см) и получил площадь одной опоры S=Pi*R^2=1590см.кв. Посчитав необходимую общую площадь по формуле из книги Яковлева (в статье про грунт она есть) и разделив её на площадь одного столба получаем необходимый минимум столбов 60 штук.  Это первая отправная точка. 

     Для наглядности я сделал простенький флэш-калькулятор, который считает всё, что только можно посчитать в области столбов. Нужно только заранее посчитать общий вес дома и выяснить по табличке несущюю способность грунта. А дальше можно подбирать необходимое количество столбов и диаметр расширения. Тут же расчитывается марочная прочность бетона - это минимально возможная прочность, учитывающая только осевое сжатие (без расчёта на кручение, изгиб, внецентренное сжатие и прочие деформации). Расчёт выталкивающей силы морозного пучения произведён без учёта веса самого дома (как если бы мы законсервировали голый фундамент на зиму). В нормальных условиях часть этой силы (или вся) скомпенсируется нагрузкой от веса дома.

     Вторым фактором является расстояние между сваями, которое будет перекрываться железобетонным ростверком. По словам автора, рекомендуемый пролёт должен составлять 1,2-3м. Вот в этот диапазон я и попытался вложится, размещая столбы прежде всего под углами всех стен, а во-вторых, пытаясь соблюсти некую геометрическую красоту и симметрию. Вот что у меня получилось, 72 сваи при среднестатистическом пролёте 2 метра. 

Проведя обратный проверочный расчёт видим, что сваи будут оказывать давление на грунт около 2,6кг/см.кв, что даёт мне право на ошибку в определении типа грунта, или его пористости, или влажности. А в целом просто позволит мне спать со спокойной душою зная, что у меня есть хороший запас в этом месте. Конструкция фундамента так согласуется со всеми внутренними стенами, что можно сказать, что нагрузка распределяется довольно равномерно на все сваи и наличие запаса по несущей способности грунта позволяет мне пренебречь детальным расчётом. 

Диаметр свай и их армирование

     Стандартное значение диаметра, описанное в книге - 25см. Есть ещё 20см, но бур, делающий такие отверстия называется садовым. Не смотря на название, для своего дома я решил использовать именно садовый бур диаметром 20см. Какие на то были соображения: во-первых, бурить 20 см скважину значительно легче и быстрее, чем 25см - проверено лично; во-вторых, несущую функцию выполняет расширение, а оно у садового бура 45см, либо 55см - вполне достаточно (см. предыдущий расчёт); в-третьих, давайте посчитаем несущую способность железобетонного столба диаметром 20см  из  бетона  марки  М300.  Марка  М300  указывает  на  то,  что  бетон  способен  выдерживать 300кг/см². Но строительные нормы предписывают делать расчёт по первой группе предельных состояний, и для бетона марки М300 расчётное значение Rb = 13 МПа (132кг/см²) Сечение столба S=3.14*10^2=314см². Нагрузка, которую способнен выдержать этот столб=132кг/см² * 314см² = 41448кг, или 41 тонна! Исходя из расчётов, на одну сваю у меня будет реальное давление всего-то 4 тонны, а это 10и-кратный запас по прочности. Конечно, на столб может действовать изгибающий момент или отрывающая сила в случае морозного пучения. Но, во первых, площадь поверхности столба диаметром 20 см на 25% меньше, чем площать поверхности столба 25 см, а значит и сила морозного сцепления будет меньше; во-вторых изгибающим, срезающим, крутящим и отрывающим силам противостоит арматура, потому как бетон в этих режимах практически не работает. А армирование я выбрал 4 прута арматуры А500 D10 с загнутыми концами в расширении. Учитывая всё вышеизложенное я не нашёл аргументов в пользу столбов диаметром 25см.

Расчёт железобетонной балки

Ростверк

     Расчёт и армирование. Рекомендованное сечение ленты ростверка в книге Яковлева для деревянных и каркасных домов лежит в диапазоне 30х40 - 30х60см. Конечно, эти размеры позволяют делать фундаменты любому человеку под любые дома безо всякого расчёта - фундамент гарантированно должен выдержать. Не каждый человек, далёкий от сопромата, решится влезать в расчёты бетона. Но у меня была цель "умной экономии", которая подразумевает использование именно оправданных объёмов материала. Пришлось заняться расчётом. Итак, для первичного расчёта мне попалась программка "Строитель+", результаты её расчёта можно посмотреть на картинке слева. Использование её проще не придумать - вводим марку бетона, длину пролёта и нагрузку - получаем данные по сечению и армированию. Итак, для 3х-метровой балки, нагруженной весом моего дома, нужно всего-то 25см по высоте и 13 см по ширине. Конечно, такой результат вызывает некоторые опасения, при рекомендаванном сечении в 5 раз большем! Для проверки я использовал продукт Карбышева Андрея Анатольевича из фирмы "кварк" под названием "Армирование Железо-бетонных балок". Программа выполняет расчёт железобетонных балок на изгиб. Расчёт выполняется двумя способами: первый - проверочный расчёт; второй - подбор армирования. Для предотвращения заражения файлов вирусами программа упакована в архив под паролем «3525». Особенностью программы является то, что она выдаёт полный расчёт, с указанием всех ссылок на пункты таблиц СНиП, все формулы с подробным описанием. В общем "полный ручной расчёт". Интерфейс программы не сложнее предыдущей программки, изображён на картинке слева. Для более глубокого собственного понимания расчёта я расписал этот расчёт в электронных таблицах, чтобы было легче комбинировать различные входные данные, на лету проверять, как изменяются характеристики балки при тех или иных пропорциях, расстояниях. Как и на что влияет армирование.

     Как и ожидалось, результаты двух программок не сошлись! Проверка второй программой показала, что при сечении 15х25см и армировании 6-ю прутами 12-ки мою нагрузку не выдержит трёхметровая балка, но 2,5 метра вполне справятся. После многочисленных комбинаций со входными данными я составил для себя следующее мнение: расстояние у меня между опорами не более 2,1м (не считая расстояний в 3 метра под террасами), а сечение я выберу 220х300мм. Ширина 220мм, по той причине, что, как бы мы ни старались делать столбы максимально аккуратно и ровно, всё же они немного гуляют (+/-1 - 3мм), и дабы эта погрешность не влияла на геометрию ленты ростверка, пусть он будет на 2см шире столбов. Высота в 250мм вроде достаточная, но для большего запаса прочности решено было округлить до 300мм. Армирование будет выполнено 6-ю прутами арматуры А500С диаметром 12мм с поперечными арматурными скобами А500 диаметром 6мм. Весь расчёт представлен в табличке ниже.   

     Потом, в процессе работы над различными фундаментами и иными бетонными элементами (такими как перекрытие гаража) мне пришлось более детально разбираться с расчётом железобетона, в результате чего я написал собственную программу по расчёту и проверке железобетонных балок. В отличие от указанных выше программ я добавил к расчётам возможность выбора расчётных схем и выбор типа нагрузки: "распределённая" или "сосредоточенная", а так-же моя программа может считать прогиб железобетонных балок (2 группа предельных состояний), оценивает прочность по касательным напряжениям. Лишняя перепроверка выбранного мною размера сечения ростверка лишь ещё раз подтвердила, что сечение 20х30см полностью удовлетворяет требованиям как по прочности, так и по прогибам.

        Основной недостаток простых калькуляторов бетонных балок в том, что они рассчитывают однопролётную балку, а в моём случае росверк представляет собой набор многопролётных балок. В таких балках изгибающий момент в пролётах распределяется с учётом влияния нагрузки в соседних пролётах. Это так называемые статически неопределимые балки, рассчёт которых не самая простая задача. Для примера я приведу эпюры изгибающих моментов для двух, трёх и пятипролётной балки с равномерно распределённой нагрузкой:

Исходные расчётные данные у меня получились такими:

Что видно на этих эпюрах? На них видно, как распределяется изгибающий момент по длине балки. Изгибающий момент - это как раз та сила, которую необходимо компенсировать продольной арматурой, именно исходя из величины изгибающего момента подбирается сечение арматуры. А ещё видно, что максимальный изгибающий момент приходится вовсе не на середину пролёта (именно это место и рассчитывают простенькие калькуляторы), а находится он над опорами! Это очень важный момент!!! Интуитивно неспециалисту хочется уложить побольше арматуры в нижний ряд армирования, поскольку кажется, что именно там балка сильнее всего прогибается, но это верно лишь для однопролётных балок. Для многопролётных неразрезных балок это принципиально неверный подход! На эпюрах приведены формулы определения изгибающего момента. Так, для трёхпролётной балки (коих в моём варианте довольно много) максимальный изгибающий момент над опорами: М=-ql²/10 = -22*2,1²/10=-9,7 кН*м, это больше, чем в середине крайних пролетов: М=ql²/13,3 = 22*2,1² / 13,3 = 7,3 кН*м. Знак "минус" в первой формуле показывает, что изгибающий момент находится в верхней части балки, а не в нижней.

    Ещё эпюры показывают, что изгибающий момент в середине пролёта многопролётной балки значительно меньше, чем в однопролётной шарнирно опёртой балке  при одинаковых нагрузках (M = ql²/8). А это опять говорит нам о том, что рассчёт калькулятором для однопролётных шарнирно опёртых балок будет не верным (с бооольшим запасом)! 

    Самое неблагоприятное место с точки зрения нагрузок - это центральная опора двухпролётной балки, там действует максимальный изгибающий момент: M = -ql²/8 = -22*2,1² / 8 = -12,13 кН*м. Таких балок под несущими стенами у меня не оказалось, однако, с целью запаса прочности я принял это значение за расчётное. Эпюра изгибающих моментов и рассчётные значения сечений арматуры представлены на картинке ниже:

Описание методики рассчёта арматуры в балке не входит в эту статью, но если очень кратко, то площадь сечения растянутой арматуры (Asr) определяется по формуле (более подробно описано в статье, поясняющей работу калькулятора):

Asr = M/(Rs*h0*η)

где η = 0,5*(1+√(1-2*Am))

где Аm=М / (Rb*h0²*b)

Итак, в результате расчётов видим, что лента ростверка сечением 220х300мм, опираемая на столбы с шагом 2100мм, армированная вверху двумя прутами арматуры Ø10мм и двумя Ø10мм внизу, выполненная из бетона марки М400 способна выдержать изгибающий момент в 17,4кН, что обеспечивает более чем двухкратный запас в середине пролёта, а на опоре - запас 30%! Глядя на расчёты, можно утверждать, что скорее грунт просядет под столбами, чем не выдержит нагрузку такая лента. Экономия на бетоне в сумме составила 18 кубических метров против 42, если слепо следовать книге. Ну а если бы на меня повлияли извне знакомые, то мелкозаглубленная лента такой-же конфигурации потребовала бы 70 кубометров бетона! 

      Хочется отметить, что всю конструкцию фундамента один из друзей просчитал в системе САПР "SolidWorks", картинка в заголовке статьи - это один из расчётов для его дома, строящегося на таком же фундаменте и по такой же технологии. В верхней части картинки выделяются сильно искажённые участки ленты - это экспериментальные участки со специально убранными колоннами, пролёты по 3 и 6 метров - видно, что прогиб даже при таких пролётах не превышает 9мм или относительный прогиб равен 1/667, что для строительных конструкций является весьма хорошим показателем. Например, относительный прогиб для железобетонных перекрытий согласно СНиП 2.03.01-84 допускается 1/200, и лишь для подкрановых балок 1/600, иными словами на 6 метров прогиб может составлять 3 см.

Сейчас уже 2015-й год, повторный анализ цен и затраченных усилий на фундамент уже даёт несколько иную картинку. Железные винтовые сваи здорово подешевели, например в фирме цена за сваю длиной 1800мм уже составляет около 40$, т.е. на мой фундамент их нужно 72 штуки, или 2880$ + работа по установке и обвязочный материал. А на ТИСЭ, при видимой дешевизне я потратил около 4000$ и всё лето времени - ТИСЭ чертовски трудоёмкий фундамент. Хотя, можно было бы делать только столбы ТИСЭ, без ленты-ростверка. Подсчёт всевозможных затрат на все материалы, включая скотч при создании сваи выдаёт стоимость одной - 11$. С этой ценой не сравнится ни одна винтовая свая! На одном объекте мы решили попробовать заливать сваи привозным бетоном в миксере и с помощью бетононасоса - это максимально дорогой вариант для столба ТИСЭ, и даже в этом случае цена за единицу не превысила 17$. Справедливости ради стоит сказать, что тут не учтены покупки бетономешалки, бура ТИСЭ, лопат, тачек, уровней, рулеток и всего другого инструмента. 

     Переждав зиму мы с новыми силами принялись за фундаменты. Их у нас не один! Решили попробовать новый метод. Третий! В двух словах весь наш опыт можно выразить так:

  1. Делаем бетон сами:

    • максимально дёшево  (11$ за сваю без учёта работы);

    • качество бетона может вызывать подозрение;

    • заливать столбы получается очень аккуратно, ровно и красиво. Внешний вид на пятёрочку!

    • очень трудоёмко. Загрузить, замешать, вывалить в тачку, отвезти, закидать лопатками в столб и пр...

    • за 10 рабочих часов максимум удавалось сделать 20 столбов. Работало 6 человек.

  2. Бетон заказываем и заливаем бетононасосом:

    • максимально дорого (17$ за сваю);

    • качество бетона отличное;

    • качество заливки очень неаккуратное в силу довольно грубой работы бетононасоса для ювелирных столбиков. Внешний вид на 3 с большим минусом. Времени на их выравнивание, вибрирование и пр. не было совсем;

    • изматывающе трудоёмко. Бетононасос дорогой, бетон стынет - работа без передыху в адском режиме!

    • за 4 часа залили 100 столбов! работало 8 человек. Неделю после этого восстанавливались морально и физически. Больше так ни за какие коврижки делать не будем!

  3. Бетон заказываем в миксере, выливаем в ёмкость и столбы заливаем вручную вёдрами:

    • цена очень приемлемая (13$ за сваю);

    • качество бетона отличное;

    • заливать столбы получается аккуратно, ровно и красиво. Внешний вид на пятёрочку!

    • трудоёмкость очень не высокая, если заказывать бетон небольшими партиями. Мы заливали на одном объекте ростверк, и для столбов следующего объекта использовали остатки бетона в объёме 2 кубов;

    • за 1 час залили 25 столбов. Работало 4 человека. 

Итак, пока на наш уже опытный взгляд третий вариант достаточно быстрый и самый лёгкий! Единственный его недостаток в том, что небольшими партиями бетон заказывать невыгодно - цена доставки что 1 куба, что 6 кубов одинакова - жаба душит ))   А 6 кубов вручную страшновато раскидывать - можно не успеть до момента начала схватывания бетона.

Спасибо всем, кто помогает проекту! Любая ваша помощь значима!

Российский руб.

© 2015 «Project - House».  

Сайт Дмитрия Петрова