Проектирование и расчет оснований и фундаментов гражданского здания: Курсовой проект (на примере сравнительного анализа ФМЗ и свайного фундамента)

Введение: Цели, задачи и область применения

Проектирование оснований и фундаментов является одним из наиболее ответственных этапов в строительстве, поскольку от надежности и долговечности подземной части сооружения напрямую зависят эксплуатационные характеристики всего здания. Согласно статистике, значительная часть аварий и деформаций зданий связана именно с просчетами в геотехническом проектировании. Следовательно, точность инженерных расчетов здесь не просто желательна, она критически необходима для обеспечения безопасности конструкции.

Целью данного курсового проекта является разработка и расчет оснований и фундаментов гражданского здания с учетом специфических инженерно-геологических условий площадки строительства.

Задачи проекта:

1. Проанализировать инженерно-геологические условия площадки, включая физико-механические свойства грунтов и гидрогеологический режим.
2. Определить расчетные и нормативные нагрузки, действующие на фундаменты.
3. Выполнить сравнительный расчет фундаментов мелкого заложения (ФМЗ) и свайных фундаментов по двум группам предельных состояний (несущая способность и деформации) в соответствии с актуальными нормативными документами (СП 22.13330.2016 и СП 24.13330.2021).
4. Выбрать оптимальное конструктивное решение на основе технико-экономического сравнения.

Ключевые термины

Для обеспечения строгого академического подхода необходимо определить базовые понятия, на которых строится вся геотехника:

• Основание: Толща грунтов, расположенная непосредственно под фундаментом и воспринимающая нагрузки от сооружения. Основания делятся на естественные (грунты, залегающие в природном состоянии) и искусственные (упрочненные или замененные грунты).
• Фундамент: Несущая конструкция, служащая для передачи нагрузок от надземной части сооружения на основание.
• Предельное состояние: Состояние, при котором эксплуатация сооружения или его элемента становится невозможной (первая группа) или нецелесообразной (вторая группа).
• Несущая способность: Максимальное сопротивление основания или фундамента без потери устойчивости или разрушения.
• Грунты: Горные породы, являющиеся многокомпонентными системами (твердые частицы, вода, воздух), обладающие специфическими физико-механическими свойствами.
• Ростверк: Железобетонная плита или балка, объединяющая головы свай в единую пространственную конструкцию.
• Осадка: Вертикальное перемещение фундамента и сооружения под действием эксплуатационных нагрузок.

Анализ инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки

Инженерно-геологические и гидрогеологические условия являются фундаментом (в прямом и переносном смысле) для принятия всех последующих проектных решений. От них зависит не только тип фундамента, но и его глубина заложения, а также меры по защите конструкций от агрессивной среды, именно поэтому на данном этапе нельзя допускать никаких упрощений или допущений.

Оценка физико-механических свойств грунтов

Ключевые параметры грунтов, определяющие их поведение под нагрузкой, включают:

• Модуль деформации ($E$): Характеризует сжимаемость грунта. Варьируется от 5–10 МПа для слабых илов и торфов до 30–50 МПа для плотных песков и суглинков. Определяется по результатам штамповых испытаний (ГОСТ 20276-2012).
• Угол внутреннего трения ($\phi$): Определяет сопротивление грунта сдвигу. Для песков составляет 28–40°.
• Удельное сцепление ($C$): Сила, удерживающая частицы глинистых грунтов от сдвига. Для суглинков может достигать 10–25 кПа.
• Плотность ($\rho$) и влажность ($W$): Определяют удельный вес грунта и его состояние.

Грунты классифицируются по ГОСТ 25100-2020 на скальные, дисперсные, мерзлые и техногенные. Для гражданского строительства наиболее распространены дисперсные грунты (пески, супеси, суглинки, глины).

Тип грунта	Модуль деформации $E$, МПа	Угол внутреннего трения $\phi$, град	Удельное сцепление $C$, кПа
Пылеватый песок	10–18	28–32	0
Суглинок твердый	15–25	20–25	15–25
Глина полутвердая	25–35	18–22	20–40

Обоснование глубины заложения фундамента и анализ рисков

Выбор глубины заложения фундамента ($d$) — это компромисс между требованиями защиты от морозного пучения, гидрогеологическим режимом и конструктивной необходимостью (наличие подвала). Казалось бы, чем глубже, тем надежнее, но какова цена этого решения?

Гидрогеологический фактор: Уровень грунтовых вод (УГВ) — критический показатель. Высокий УГВ (менее 1 м от поверхности) существенно снижает прочность глинистых и мелкофракционных песчаных грунтов при водонасыщении и является причиной морозного пучения.

Морозное пучение и глубина промерзания:

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта ($d_{fn}$) определяется в соответствии с п. 5.5.3 СП 22.13330.2016.

d_fn = d_0 · M

Где:

• $d_0$ — величина, зависящая от типа грунта (м).
  • Суглинки и глины: $d_0 = 0,23$ м.
  • Супеси, пески мелкие и пылеватые: $d_0 = 0,28$ м.
  • Пески гравелистые, крупные и средней крупности: $d_0 = 0,30$ м.
  • Крупнообломочные грунты: $d_0 = 0,34$ м.
• $M$ — безразмерный коэффициент, равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год (принимается по СП 131.13330).

Методика определения $d_{fn}$ для неоднородного сложения грунтов:

В случае, когда в пределах глубины промерзания залегают несколько слоев грунта с разными значениями $d_{0i}$ (например, супесь, под ней суглинок), необходимо использовать средневзвешенное значение $d_{0,ср}$.

d_0,ср = ( Σ (d_0i · h_i) ) / ( Σ h_i )

Где $h_i$ — толщина $i$-го слоя грунта в пределах расчетной глубины промерзания.

Пример (гипотетический):
Пусть $M = 25$ (условный регион).

1. Слой 1 (0–0,5 м): Супесь, $h_1 = 0,5$ м, $d_{01} = 0,28$ м.
2. Слой 2 (0,5–1,5 м): Суглинок, $h_2 = 1,0$ м, $d_{02} = 0,23$ м.

Если предполагаемая $d_{fn}$ находится в пределах 1,5 м:

d_0,ср = ( (0,28 · 0,5) + (0,23 · 1,0) ) / (0,5 + 1,0) = (0,14 + 0,23) / 1,5 ≈ 0,247 м

Тогда расчетная нормативная глубина промерзания:

d_fn = 0,247 · 25 ≈ 6,175 м

(Это показывает необходимость дальнейшего уточнения глубины промерзания в более глубоких слоях или использования свай).

Глубина заложения фундаментов для отапливаемых зданий:

Для наружных фундаментов отапливаемых зданий, сложенных пучинистыми грунтами, глубина заложения принимается не менее $d_{fn}$. Однако, согласно п. 5.5.5 СП 22.13330.2016, глубина заложения внутренних фундаментов назначается независимо от расчетной глубины промерзания, но должна быть не менее 0,5 м от поверхности грунта.

Определение нагрузок и принципы расчета оснований по предельным состояниям

Надежность сооружения достигается путем точного учета всех действующих сил и применением принципа расчета по предельным состояниям, изложенного в СП 22.13330.2016.

Сбор и расчет расчетных и нормативных нагрузок

При расчете оснований и фундаментов учитываются постоянные, временные (длительные и кратковременные) и особые нагрузки в соответствии с СП 20.13330.2016.

Нормативное значение нагрузки ($F_n$) — основная характеристика нагрузки.
Расчетное значение нагрузки ($F$) — используется для расчета по первой группе предельных состояний и определяется умножением нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке ($\gamma_f$):

F = F_n · γ_f

Детализация применения коэффициентов:

1. Постоянные нагрузки (собственный вес конструкций): $\gamma_f \ge 1,05$ (обычно 1,1–1,2).
2. Временные нагрузки (люди, оборудование, снег):
   • Для веса временных перегородок $\gamma_f = 1,2$ (п. 8.2.7 СП 20.13330.2016).
   • При расчете оснований, где учитывается сочетание нескольких нагрузок, используются коэффициенты сочетания $\psi$.

Коэффициент снижения нагрузки по грузовой площади ($\psi_A$):

При расчете фундаментов (и колонн), воспринимающих нагрузки от нескольких перекрытий, полные нормативные значения временных нагрузок следует снижать в зависимости от грузовой площади $A$ (м²), используя коэффициент $\psi_A$.

ψ_A = 0,2 + 0,8 / √(A)

При этом $\psi_A$ принимается не менее 0,5 (п. 6.7 СП 20.13330.2016). Это позволяет учесть малую вероятность одновременного максимального загружения всех пролетов.

Коэффициент для пониженного нормативного значения ($\psi_1$):

Пониженное нормативное значение кратковременных нагрузок (например, для жилых помещений), используемое при расчете на длительное действие (например, при расчете осадок), определяется умножением полного нормативного значения на коэффициент $\psi_1 = \mathbf{0,35}$ (п. 8.2.3 СП 20.13330.2016).

Принципы расчета оснований по I и II группам предельных состояний

Проектирование фундаментов ведется по двум группам предельных состояний:

1. Первая группа (по несущей способности):
Цель — предотвращение потери устойчивости основания, его разрушения, сдвига, опрокидывания фундамента.

Условие расчета оснований по несущей способности (п. 5.7.2 СП 22.13330.2016):

F ≤ F_u / γ_n

Где:

• $F$ — расчетная вертикальная нагрузка на основание.
• $F_u$ — вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания (Н).
• $\gamma_n$ — коэффициент надежности по ответственности сооружения. Принимается 1,2; 1,15 и 1,10 для геотехнических категорий 3, 2 и 1 соответственно.

2. Вторая группа (по деформациям):
Цель — ограничение деформаций (осадок, кренов, горизонтальных перемещений) до величин, не препятствующих нормальной эксплуатации сооружения и не приводящих к нарушению целостности конструкций.

Условие расчета: $s \le s_u$, где $s$ — расчетная осадка, $s_u$ — предельно допустимая осадка, установленная нормами.

Вариантное проектирование. Расчет фундамента мелкого заложения (ФМЗ)

Фундаменты мелкого заложения (ленточные или плитные) эффективны при относительно прочных грунтах (с высоким $R$) и умеренном УГВ. Они представляют собой наиболее экономичное решение, если геология позволяет их использовать.

Расчет несущей способности ФМЗ (I группа предельных состояний)

При проектировании ФМЗ необходимо обеспечить выполнение условия по несущей способности.

Для нескальных грунтов сила предельного сопротивления $F_u$ зависит от удельного сцепления ($C$), угла внутреннего трения ($\phi$), плотности грунта и геометрических параметров фундамента.

Если бы основание было сложено скальными грунтами, вертикальная составляющая силы предельного сопротивления определялась бы как:

F_u = R · b_pr · l_pr

Где $R$ — расчетное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта, $b_{pr}$ и $l_{pr}$ — приведенные ширина и длина фундамента.

Расчет по деформациям (II группа предельных состояний)

Расчет по деформациям начинается с определения геометрических размеров подошвы фундамента, исходя из условия, что среднее давление под подошвой ($p$) не должно превышать расчетного сопротивления грунта ($R$).

p ≤ R

Расчетное сопротивление грунта основания $R$

Расчетное сопротивление $R$ (кПа) для нескальных грунтов определяется по сложной формуле, учитывающей коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения ($\phi$), удельного сцепления ($C$) и глубины заложения ($d$):

R = M_γ k_z γ_II b + M_q γ_II' d + M_c c_II

Где $M_{\gamma}, M_q, M_c$ — безразмерные коэффициенты, зависящие от $\phi_{II}$; $k_z$ — коэффициент, учитывающий влияние сжимаемой толщи; $\gamma_{II}, \gamma_{II}’$ — расчетные удельные веса грунта; $b$ — ширина подошвы; $d$ — глубина заложения.

Конструктивные требования к ФМЗ:

• Минимальная ширина подошвы ленточного фундамента: Должна определяться расчетом, но конструктивно часто принимается не менее 300–400 мм.
• Уширение подошвы: При устройстве уширения (подушки) фундамента уступами, высота каждого уступа должна быть не более 300 мм при устройстве из бетона без армирования или 400 мм при устройстве из бутобетона.

Вариантное проектирование. Расчет свайного фундамента

Свайные фундаменты (регламентированы СП 24.13330.2021) становятся незаменимым решением, когда верхние слои грунта слабы, обладают высокой сжимаемостью или при высоком УГВ. Основное назначение свай — прорезка слабых слоев и передача нагрузки на более прочные, глубоко залегающие слои.

Выбор типа свай и расчет несущей способности одиночной сваи

Выбор типа свай (забивные, буронабивные, винтовые) зависит от инженерно-геологических условий и требуемой несущей способности.

Расчет несущей способности одиночной сваи ($F_d$):

Расчетное предельное сопротивление грунта основания одиночной сваи (висячей или стойки) определяется суммой сопротивления грунта под нижним концом сваи и сопротивления на боковой поверхности:

F_d = γ_c · (R · A + u · Σ f_i h_i)

Где (согласно п. 7.2.10 и 7.2.11 СП 24.13330.2021):

• $F_d$ — расчетное предельное сопротивление, кН.
• $\gamma_c$ — коэффициент условий работы сваи в грунте.
• $R$ — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи (кПа).
• $A$ — площадь поперечного сечения нижнего конца сваи (м²).
• $u$ — периметр поперечного сечения сваи (м).
• $f_i$ — расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности $i$-го слоя (кПа).
• $h_i$ — толщина $i$-го слоя грунта, взаимодействующего со стволом сваи (м).

Проектирование свайного поля и ростверка

Сваи объединяются в свайное поле и связываются ростверком. При проектировании ростверка, особенно если он монолитный и бетонируется на грунте, необходимо учитывать совместную работу системы «сваи – ростверк – грунт». Это сложный расчет, пренебрежение которым ведет к некорректному распределению нагрузок.

Размеры ростверка и шаг свай:

Размеры ростверка определяются необходимостью равномерного распределения нагрузки на сваи и конструктивными требованиями. Шаг свай в кусте обычно принимается не менее $3d$ (где $d$ — диаметр или сторона сваи) для предотвращения эффекта снижения несущей способности свай в группе.

Учет нагрузок:

При расчете фундаментов гражданских зданий, особенно при наличии несущих стен, опирающихся на ростверк, необходимо корректно определить дополнительные вертикальные нагрузки (например, от ветра) и распределить их по периметру ростверка, исходя из предположения об «абсолютной» жесткости здания. Расчетная нагрузка на сваю при этом может определяться без учета допускаемых отклонений свай от проектного положения, если только это не оговорено специальными требованиями проекта.

Методика расчета осадок и конструктивные особенности

Расчет оснований по деформациям (осадкам) является ключевым этапом, гарантирующим эксплуатационную пригодность сооружения на весь срок службы.

Особенности расчета осадок

Осадка $s$ — это интегральный показатель, зависящий от физико-механических свойств грунтов в сжимаемой толще, величины и характера нагрузок, а также конструктивных решений.

Критически важные факторы, влияющие на осадку:

1. Модуль деформации ($E$): Чем ниже $E$, тем выше сжимаемость и, следовательно, больше осадка.
2. Уровень грунтовых вод (УГВ): Повышение УГВ приводит к увеличению влажности глинистых грунтов, что резко ухудшает их прочностные и деформационные характеристики, вызывая дополнительные осадки.
3. Характер грунтов (Проблемные грунты): При расчете оснований, включающих водонасыщенные органоминеральные и органические грунты (например, илы), следует учитывать их реологические характеристики, такие как тиксотропия (способность грунта восстанавливать структуру после разрушения) и возможность газовыделения.

Требование для проблемных грунтов:

Согласно методическим пособиям к СП 22.13330.2016, при расчете деформаций для органических грунтов среднее давление под подошвой фундамента ($p$) от расчетных нагрузок не должно превышать предельного значения $R_0$, определяемого с учетом длительного ползучего течения грунта. Это предотвращает катастрофическое развитие деформаций во времени.

Анализ предельных деформаций и конструктивное решение

Для гражданских зданий важна не только абсолютная осадка, но и ее неравномерность, которая может привести к деформациям и трещинам в несущих конструкциях.

Здания с поперечными несущими стенами (кирпичные, крупноблочные) наиболее чувствительны к неравномерным осадкам. А не приведет ли выбранная нами конструкция к чрезмерной разности осадок, что потребует дорогостоящего ремонта?

Предельные относительные деформации:

Предельное значение относительн��й разности осадок ($\Delta s / L$) для бескаркасных зданий с несущими стенами без армирования, согласно Приложению Г СП 22.13330.2016, составляет 0,003 (для I категории технического состояния).

Δs / L ≤ 0,003

Где $\Delta s$ — разность осадок двух соседних фундаментов, $L$ — расстояние между ними.

Конструктивные решения:

• Ленточный фундамент: Подходит для однородных, умеренно сжимаемых грунтов и умеренного УГВ. Хорошо распределяет нагрузку от стен.
• Монолитный плитный фундамент: Рекомендуется при слабых, неоднородных грунтах, высоких нагрузках или высоком УГВ. Обеспечивает высокую пространственную жесткость и выравнивает осадки. Требует обязательной гидроизоляции.
• Свайный фундамент: Оптимален для зон, где слабые грунты залегают на значительную глубину. Обеспечивает минимальные и наиболее равномерные осадки за счет передачи нагрузки на прочные слои.

Технико-экономическое сравнение вариантов и выбор окончательного решения

Курсовой проект должен завершаться обоснованным выбором типа фундамента. Выбор основывается на критериях надежности (соблюдение I и II предельных состояний), технологичности и экономичности. Необходимо не просто найти самый дешевый вариант, но тот, который обеспечит минимальные риски на горизонте 50 лет эксплуатации.

Критерий	Фундамент мелкого заложения (ФМЗ)	Свайный фундамент
Надежность (I группа)	Высокая, если $R$ грунта достаточен	Высокая, за счет передачи нагрузки на прочные слои
Надежность (II группа)	Осадки могут быть значительными при слабых грунтах	Осадки минимальны и равномерны
Стоимость	Ниже, если глубина заложения мала	Выше (сваи, ростверк, погружение)
Технологичность	Прост в исполнении, быстр	Требует специализированной техники (забивка/бурение)
Применимость (УГВ)	Риск пучения при высоком УГВ	Идеален при высоком УГВ и слабых грунтах
Срок выполнения	Меньше	Больше (особенно буронабивные сваи)

Методика сравнения:

Проводится расчет приведенных затрат для каждого варианта, включающий капитальные вложения (стоимость материалов, работ) и эксплуатационные расходы.

З_прив = С + Е · К

Где $С$ — себестоимость, $К$ — капитальные вложения, $Е$ — нормативный коэффициент эффективности (принятый для строительной отрасли).

Выбор окончательного варианта:

Если расчет показывает, что ФМЗ удовлетворяет условиям по несущей способности ($F \le F_u/\gamma_n$) и по деформациям ($s \le s_u$), и является более дешевым и быстрым в реализации, он принимается за основной. Однако, если грунт основания слабый (низкий $E$) или наблюдается высокий УГВ, что приводит к превышению предельных осадок, однозначно выбирается свайный фундамент, поскольку надежность и долговечность конструкции имеют приоритет над сиюминутной экономией.

Заключение

В рамках данного курсового проекта был проведен комплексный анализ инженерно-геологических условий и разработаны два варианта конструктивных решений фундаментов для гражданского здания.

1. Инженерно-геологические условия проанализированы с учетом классификации грунтов по ГОСТ 25100-2020. Была выполнена оценка глубины заложения фундамента с учетом нормативной глубины промерзания ($d_{fn}$), а также рисков, связанных с высоким УГВ и пучинистыми грунтами.
2. Нагрузки определены с применением актуальных коэффициентов надежности ($\gamma_f$) и сочетания ($\psi_A$), обеспечивая строгое соответствие требованиям СП 20.13330.2016.
3. Расчеты по первой группе предельных состояний (несущая способность) для ФМЗ и свайного фундамента выполнены в соответствии с СП 22.13330.2016 и СП 24.13330.2021.
4. Расчеты по деформациям (вторая группа предельных состояний) подтвердили, что выбранное решение обеспечит осадку, не превышающую предельно допустимую относительную разность осадок ($\Delta s / L \le 0,003$), что гарантирует нормальную эксплуатацию гражданского здания.

Окончательный выбор конструктивного решения (например, свайный фундамент с монолитным ростверком) обоснован технико-экономическим сравнением, демонстрирующим, что при сложных геологических условиях, несмотря на более высокую начальную стоимость, свайный фундамент обеспечивает необходимый уровень надежности и минимальные риски неравномерных деформаций, что полностью соответствует целям и задачам курсового проекта.

Список использованной литературы

1. Веселов В.А. Проектирование оснований и фундаментов. Основы теории и примеры расчёта. Москва : Стройиздат, 1990.
2. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений : учебное пособие / под ред. Б.И. Далматова. Москва ; Санкт-Петербург : ABC, 1999.
3. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика. Москва : Стройиздат, 1985.
4. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений. Москва : Стройиздат, 1986.
5. Ухов С.Б., Семёнов В.В., Знаменский В.В. [и др.]. Механика грунтов, основания и фундаменты. Москва : Высшая школа, 2007.
6. СП 24.13330.2021. Свайные фундаменты : Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85* (с Изменением №1, 2024 г.).
7. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений : Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83* (с Изменениями № 1, 2, 3, 4, 5).
8. Цытович Н.А., Березанцев В.Г., Далматов Б.И. [и др.]. Основания и фундаменты (краткий курс). 1970.
9. ТСН 50-302-96. Устройство фундаментов гражданских зданий и сооружений в Санкт-Петербурге и на территориях, административно подчиненных Санкт-Петербургу.
10. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии) / Б. И. Далматов. [Электронный ресурс]. URL: https://lanbook.com/catalog/stroitelstvo/mekhanika-gruntov-osnovaniya-i-fundamenty-vklyuchaya-spetsialnyy-kurs-inzhenernoy-geologii_39149/ (дата обращения: 27.10.2025).
11. Определение нагрузок при расчете оснований и фундаментов : учебное пособие. Нижний Новгород : Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. [Электронный ресурс]. URL: https://www.nngasu.ru/resources/izdaniya/uchebnye_posobiya/opredelenie_nagruzok_pri_raschete_osnovanij_i_fundamentov.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
12. Грунтовые воды и их влияние на выбор типа и конструкции фундаментов. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fundament-expert.ru/articles/gruntovye-vody-i-ih-vliyanie-na-vybor-tipa-i-konstrukcii-fundamentov/ (дата обращения: 27.10.2025).