Щелевой фундамент

Щелевым называют монолитный ленточный железобетонный фундамент прямоугольного сечения, особенностью которого является укладка бетона непосредственно в выкопанную траншею - "в распор" грунта. Изготавливают их обычно в связанных глинистых грунтах, в песчаных грунтах их не применяют, так как стенки траншеи в них будут осыпаться. Цоколь можно делать как единую конструкцию с фундаментом или раздельно - из кирпичной или блочной кладки (рис. 1 а, б). В первом случае опалубку выставляют от поверхности грунта на высоту цоколя.

Щелевые фундаменты более экономичны по сравнению с традиционными, устроенными в траншеях с применением опалубки (рис. 1в). Поэтому они более привлекательны при строительстве малоэтажных зданий. До последнего времени применяли только конструкции, заложенные ниже расчетной глубины промерзания.
В традиционных ленточных фундаментах нагрузка от дома на основание передается через подошву. Сопротивление грунта обратной засыпки в расчетах не учитывают. При устройстве щелевых фундаментов за счет неровности бортов траншей и плотной (с виброуплотнением или штыкованием) укладки бетона получается хорошее сцепление боковой поверхности конструкции с грунтом, который может воспринимать значительную часть нагрузки от дома. Поэтому для получения экономичных конструкций в расчетах учитывают сопротивление грунта как по их подошве, так и по боковой поверхности. Как будет показано ниже, это достижимо не во всех грунтовых условиях.
Щелевые фундаменты, заложенные ниже глубины промерзания, рассчитывают по деформациям осадок и на устойчивость против воздействия касательных сил пучения.
При применении мелкозаглубленных щелевых фундаментов в пучинистых грунтах помимо указанных расчетов следует выполнять расчет по допустимым деформациям пучения. Если размеры подошвы щелевых конструкций определяют по допустимому сопротивлению грунта, рассчитанному на основе физико-механических характеристик, то осадки будут в допустимых пределах и отдельного расчета не требуют.
Так как подавляющее большинство строительных площадок представлено пучинистыми грунтами, для заглубленных щелевых фундаментов под малоэтажными домами основным является расчет на устойчивость, а для мелкозаглубленных - расчет на устойчивость и по деформациям пучения.
Для заглубленных конструкций устойчивость обеспечивается превышением расчетной нагрузки от дома над максимальными суммарными касательными силами пучения (рис. 2, кривая 2). В этом случае деформации пучения равны нулю.

Рис. 2. Характерное изменение величины касательных сил пучения по боковой поверхности заглубленных щелевых фундаментов в сильнопучинистых грунтах в течение зимнего периода при нормативной глубине промерзания 1,4 м: 1 - удельные касательные силы пучения; 2 - суммарные касательные силы пучения; 3 - среднемесячная температура воздуха в зимний период

Для мелкозаглубленных фундаментов деформации пучения должны быть равны нулю при промерзании грунта на глубину заложения их подошвы. Устойчивость в этом случае обеспечивается при гораздо меньших, чем у заглубленных фундаментов, суммарных силах пучения.

Закономерности взаимодействия щелевых фундаментов с пучинистыми грунтами

Промерзание грунта начинается с поверхности. По мере продвижения фронта промерзания в толщу грунта в пучинистых грунтах по боковой поверхности фундаментов возникают касательные силы пучения, удельные значения которых возрастают с понижением температуры воздуха и грунта (рис. 2, кривая 1).
Цементирующим составляющим в грунте является лед, величина смерзания которого с бетонной поверхностью зависит от температуры грунта. Например, в Московской области отрицательные среднемесячные температуры достигают максимума в январе (рис. 2, кривая 3). В этот же период достигают своего максимального значения удельные касательные силы. В дальнейшем, при снижении среднемесячной температуры в феврале, удельные касательные силы уменьшаются, но суммарные силы еще некоторое время продолжают увеличиваться за счет увеличения глубины промерзания, а затем тоже снижаются (рис.2, кривая 2).
Если расчетные нагрузки от дома равны или превышают расчетные суммарные касательные силы пучения, то фундамент будет устойчив, а деформации пучения равны нулю. Если нагрузки от дома меньше суммарных касательных сил пучения, то фундамент будет перемещаться вместе с грунтом. При этом подошва отрывается от основания, и под ней образуется полость, которая становится причиной накопления остаточных деформаций пучения, так как в нее может попасть грунт со стен траншеи при весеннем оседании дома. Фундамент весной может не прийти в исходное положение и в том случае, если нагрузка от дома окажется меньше сил трения грунта. Это явление часто наблюдается при применении заглубленных щелевых фундаментов для малоэтажных домов, строящихся на пучинистых грунтах. Во всех случаях подвижка здания вверх свидетельствует о неустойчивости и, следовательно, о ненадежности фундамента.
Если щелевой фундамент выполнен в виде пространственной жесткой рамы и сопротивление на изгиб поперечного сечения достаточно для сохранения надфундаментных конструкций, то при деформациях пучения повреждения кладки стен в кирпичных домах или в домах, построенных из других кладочных материалов, не происходит. Однако образуется крен всего дома, который с годами может нарастать.
При применении мелкозаглубленных щелевых фундаментов устойчивость здания обеспечивают, выбрав соответствующую глубину заложения (рис. 3 б), а допустимые деформации пучения - устроив в траншее под фундаментом противопучинную подушку. В результате получают значительную экономию бетона.
Однако следует иметь в виду, что по мере выглубления фундаментов может потребоваться увеличение ширины их опорной части. При этом цоколь можно оставить прежней ширины (см. рис. 3 б).
Если грунтовые воды во время производства работ расположены выше глубины промерзания, то устроить надежное основание трамбованием противопучинной подушки не получится. Поэтому траншею следует разрабатывать глубиной на 10...20 см выше уровня воды, а допустимые деформации пучения обеспечить за счет уширения траншеи. То есть в этом случае переходят к устройству обычных мелкозаглубленных фундаментов.

Особенности проектирования щелевых фундаментов

Нагрузка от дома воспринимается грунтом по боковой поверхности фундамента и под его подошвой. Если грунты основания - непучинистые, то допустимую нагрузку на фундаменты можно рассчитывать как сумму расчетных сопротивлений грунтов. Если грунты - слабопучинистые, то допустимую нагрузку на фундаменты следует принимать только по расчетному сопротивлению грунта под подошвой. Если же грунты - средне- или сильнопучинистые, то допустимую нагрузку следует принимать по расчетному сопротивлению грунта под подошвой с учетом увеличения нагрузки на фундаменты за счет негативного трения грунта, возникающего весной на их боковой поверхности.
Это - первая особенность проектирования щелевых фундаментов, которая требует пояснений. Весной при оттаивании распученного грунта начинается процесс его консолидации (уплотнения) и оседания. За счет увеличенной шероховатости боковой поверхности происходит зависание части грунта на фундаментах. Появляется так называемое отрицательное (негативное) трение, общая методика определения которого изложена в СНиП 2.02003-85 "Свайные фундаменты", п.п. 4.11-4.13. Общая нагрузка на фундаменты возрастает.
Такое взаимодействие фундаментов с грунтом продолжается лишь короткое время в весенний период, но происходит оно из года в год и может стать причиной повышенных осадок фундаментов.
Вторая особенность, которую следует учитывать при проектировании щелевых фундаментов, состоит в том, что за счет той же шероховатости боковой поверхности возрастают касательные силы пучения, которые следует учитывать при расчете фундаментов на устойчивость.
Методика расчета ленточных фундаментов подробно изложена в статье "Устойчивость фундаментов малоэтажных домов в пучинистых грунтах" в журнале "Советы профессионалов", №6, 2005 г., с. 21. Поэтому отметим только отличие расчетов для щелевых фундаментов.

Рис. 3. Варианты устройства щелевых фундаментов: а - при заглублении ниже расчетной глубины промерзания; б - мелкозаглубленный; 1 - фундамент; 2 - противопучинная подушка; dw - глубина залегания уровня грунтовых вод; df - глубина промерзания УГВ - уровень грунтовых вод

В общем случае условие устойчивости определяется из выражения:

где γ₁, γ₂ - коэффициенты надежности, равные 1.1 и 0.9 соответственно;
Q_д - нормативная нагрузка от дома;
Q_f - суммарные касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности фундаментов, определяются по формуле:

где τ_н - удельные касательные силы пучения, определяются по таблице 6.10 СП 50-101-2004 "Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений", 2005 г.;
к - коэффициент, учитывающий отношение среднемесячной температуры воздуха при промерзании грунта на глубину заложения мелкозаглубленных фундаментов или на расчетную глубину промерзания для заглубленных фундаментов к отрицательной среднемесячной максимальной температуре за зимний период, для заглубленных фундаментов к = 1;
m - коэффициент, учитывающий ширину пазухи и вид грунта, используемого при обратной засыпке; для щелевых фундаментов m = 1;
ω - коэффициент, учитывающий тепловой режим дома; для неотапливаемых домов ω = 2, для наружных фундаментов отапливаемых домов ω = 1, для внутренних фундаментов отапливаемых домов ω = 0;
S_ф - площадь одной стороны боковой поверхности фундамента, находящейся в грунте.

При неровной боковой поверхности железобетонных фундаментов с выступами до 20 мм значение удельной касательной силы пучения (τ_н) для щелевых фундаментов следует увеличивать до 1,5 раз (СП, табл. 6.10).
Решая выражение (1) относительно величины Q_д, можно получить значения нагрузок от дома, при которых обеспечивается устойчивость заглубленных щелевых фундаментов в пучинистых грунтах и, следовательно, возможность их применения. В табл. приведены значения таких нагрузок при нормативной глубине промерзания 1,4 м.

Тепловой режим дома	Степень пучинистости грунтов
Неотапливаемый Отапливаемый*	Слабо- пучинистый	Средне- пучинистый	Сильно- пучинистый
	39.0	51.0	62.0
	14.0	18.0	22.0

* При условии, что во время строительства пучинистый грунт вокруг фундаментов будет предохранен от промерзания.

Опыт многолетних расчетов малоэтажных домов показывает, что диапазон характерных нагрузок для всех домов составляет 2,0...14,0 тс/м. В кирпичных двухэтажных домах нагрузки на отдельные фундаменты могут достигать значений 18,0 тс/м. Как видим, область надежного применения заглубленных щелевых фундаментов в пучинистых грунтах под малоэтажными домами существенно ограничена.

Условия надежного применения щелевых фундаментов

1. Вертикальные стенки траншей не должны обрушиваться вплоть до окончания укладки бетона.
2. Уровень грунтовых вод во время производства работ должен быть ниже дна траншей. Если в результате прошедших дождей на дне траншей образовались лужи, их необходимо вычерпать. Если грунт в этих местах пришел в текучее или текучепластичное состояние, его необходимо срезать до уровня первоначального состояния.
3. Заглубленные щелевые фундаменты применимы по устойчивости под всеми домами независимо от теплового режима дома в непучинистых грунтах, а также под кирпичными отапливаемыми домами в 2 (и выше) этажа в слабопучинистых грунтах. Во всех остальных случаях по условию надежности под малоэтажными домами в пучинистых грунтах заглубленные щелевые фундаменты не применимы. Контактный телефон 353-55-75

© Л. Гинзбург, кандидат технических наук, журнал "Дом" №10/2006 г.

Советуем прочитать;
- Фундамент дома. Виды фундаментов. >>>