Столбчатый фундамент

Эта статья продолжает цикл публикаций, посвящённых строительству фундаментов. Настало время уделить внимание столбчатому фундаменту, разобраться, в каких условиях он покажет свои лучшие характеристики, понять, как он устроен и по какому принципу работает, изучить основные технологические операции по его возведению.
Особенности столбчатых фундаментов
Столбчатый фундамент можно считать младшим братом более индустриального свайного фундамента, так как он имеет схожую конструкцию и принцип работы. В обоих случаях по осям здания располагается система отдельных вертикальных опор прямоугольного или круглого сечения, которые есть во всех точках пересечения несущих стен, по углам, под особо нагруженными участками (каменные печи, межкомнатные перегородки основания лестничных маршей, колонны). И там и там может применяться ростверк для связки основных элементов фундамента, пространство между стойками заполняется — выполняется так называемая «забирка».
Главное отличие заключается в следующем — столбы не заводят ниже глубины промерзания (это уже будут сваи, длина которых в земле стартует с 2 метров), поэтому они оказывают только подошвенное сдавливающее воздействие на грунт, тогда как сила трения в зоне боковых стенок имеет незначительные показатели. Исходя из этого обстоятельства, технологически столбчатый фундамент может быть не только цельным/монолитным, но и собираться из готовых штучных элементов. Согласитесь, выполнить кирпичную кладку, например, в трёхметровом шурфе просто нереально, а при заглублении в 40–70 см — без проблем.
Столбчатый фундамент имеет свои явные преимущества:
• сравнительно невысокая стоимость — он примерно в 1,5–2 раза дешевле своего прямого конкурента, мелкозаглублённого ленточного монолитного фундамента (меньше материалов и земляных работ, не нужна техника);
• малая трудоёмкость;
• строить его можно даже в одиночку, поэтапно изготавливая отдельные элементы.
Естественно, этот фундамент не является универсальным, иначе все бы строили на столбах, и просто не существовало бы других вариантов. Не будем называть это его недостатком, правильнее будет — специфика.
Из-за небольшой суммарной опорной поверхности столбчатый фундамент не может корректно передать на грунт массу тяжёлого дома. Сжимающие силы под подошвами опор оказываются настолько велики, что основание не способно выдержать вес строения, требуется увеличение количества столбов и площади их поперечного сечения, что нейтрализует экономическую выгоду от применения такого фундамента. Поэтому столбчатые фундаменты целесообразно применять только для лёгких домов из древесины (каркасных, из бруса, из бревна), для строений из облегчённых минеральных материалов, только если они небольшие, малоэтажные, с деревянными перекрытиями. В любом случае, нагрузки и сопротивляемость грунта следует считать, об этом будет ниже.
Вытекающее из первого пункта ограничение — нельзя такой фундамент закладывать на водонасыщенных, слабонесущих и пучинистых грунтах. Заболоченные и слабонесущие основания не могут выдержать концентрированных нагрузок и просаживаются, а возможные силы морозного пучения легко преодолевают небольшую загруженность фундамента от лёгкого здания (с весовым моментом мы уже определились). На рыхлых нестабильных участках лучше работают сваи, которые либо «достают» до плотных пород, либо, благодаря своей длине и большой наружной поверхности, цепляются, используя силы трения.
Опасно использовать столбы на крутых склонах (если перепад высот под домом приближается к 1,5–2 метрам). В таких условиях слишком активно действуют горизонтально направленные сдвигающие силы, которые способны просто опрокинуть строение. Тем более что глубина залегания столбчатого фундамента маленькая по определению, а, следовательно, и цепляется дом за основание сравнительно слабо.
Конструктивно этот фундамент не предполагает устройства заглублённых помещений. Если нужен подвал или подземный гараж, то лучше (во всех отношениях выгоднее) возвести монолитную, либо сборную ленту, которая сама по себе будет формировать стены в грунту.
Ну, и чтобы завершить наше вступление, заметим, что конструктивно и по материалу изготовления столбчатые фундаменты разделяют на:
• деревянные (в шурфе располагают брёвна со всевозможными расширениями на торце — стулья);
• сборные (кладка из обожжённого кирпича, готовые железобетонные изделия);
• монолитные (самые надёжные, бетон заливают в скважину непосредственно на участке);
• бутобетонные (в раствор вводится бутовый камень).
Проектирование столбчатого фундамента
Разработка конструкции фундамента — это наиболее сложная и очень ответственная задача для частного застройщика. Ведь нам нужно учесть массу важнейших моментов, главными среди них будут свойства грунта, на котором мы возводим дом, а также уровень нагрузок, которые будет оказывать на дом во время эксплуатации. В статье «Ленточный фундамент. Часть 1: типы, грунты, проектирование, стоимость» мы очень подробно рассказали о том, как рассчитать нагрузки, а также определить тип и, соответственно, несущие характеристики грунта. Что касается столбчатого фундамента, то здесь проектировочных вопросов никак не меньше.
Длина столбчатых опор
Уже было сказано, что столбчатый фундамент закладывают выше глубины промерзания. При качественном исполнении каждой единичной опоры, уже при глубине заглубления фундамента в 40–50 см дом нормально зацепится за естественное основание. Есть смысл углубиться на несколько десятков сантиметров, только если ниже располагаются более устойчивые пласты и на них можно опереться. Стойки, проходящие ниже глубины промерзания, давайте всё же отнесём к набивным сваям и поговорим о них в следующей статье.
Теперь о высоте над землёй. Чтобы на достаточное расстояние удалить пол и стеновые конструкции от земли, оголовки столбов примерно на 30–50 см поднимают над поверхностью. Это положительно сказывается на влаго- и теплоизоляции первого перекрытия, позволяет создать цоколь в виде забирки, и тем самым защитить нижнюю часть деревянных стен.
Сечение столбов
Сборный столбчатый фундамент придётся устраивать в прямоугольном или квадратном шурфе, монолит можно изготовить круглого сечения, а следовательно, применить для разработки грунта буры, облегчающие работу, и позволяющие уйти от использования съёмной опалубки.
В большинстве случаев сечение опор делают неравномерным — внизу организовывают расширение, а к поверхности выходят с меньшим поперечным размером. Благодаря такой конструкции увеличивается суммарная площадь опоры всего фундамента и снижается нагрузка на грунт. Вариантов несколько:
1. Для деревянного столба это «стулья» (перпендикулярно расположенные к стойкам отрезки брёвен), пятно бетона на дне скважины, куда торцом «насырую» утапливается опора, иногда в каждую выборку просто укладывают крупный плоский камень.
2. Для кирпичного фундамента это расширенные 3–4 ряда в два кирпича, тогда как последующие ряды кладутся в полтора кирпича или в один кирпич.
3. Монолитные столбы могут стартовать с плоской плиты толщиной примерно в 100–150 мм, которая на 200–250 мм шире самой стойки, в известной технологии ТИСЭ опорная платформа получается сферической.
4. Для сборного фундамента ЖБ иногда применяют более крупные блоки, или, например, элементы ФЛ.
К оголовку столбы выводят шириной, как правило, не более 60 см, тогда как минимум составляет 200 мм (для стоек с несъёмной стальной оболочкой). В среднем же самым распространённым и технически оправданным считается сечение столба в 40–50 см.
Количество столбов, расстояние между опорами
На практике стойки фундамента удаляются друг от друга на расстояние от 1,5 до 3 метров. Точные показатели можно получить, если мы знаем, сколько нужно использовать столбов. Для проведения необходимых вычислений мы должны понять, какой вес передаётся от каждой подошвы, и какую массу способен выдерживать грунт.
Сначала высчитываем опорную площадь столба:
• для квадратной стойки/плиты с сечением 40x40 см — это 1600 см2 (перемножаем стороны сечения);
• круглую подошву, например, диаметром 40 см, рассчитаем по формуле S = πr2(3,14 * 202 = 1256 см2), или как вариант — S = 3,14D2/4.
Разбираемся с типом грунта (особое внимание уделяем слоям, которые примут нагрузку — от 50 см и ниже). По таблице определяем несущую способность основания. Например, суглинки средней твёрдости/пластичности успешно сопротивляются нагрузкам в 2,5 кг/см2.
Выходит, что квадратного сечения столб с подошвой 40 см должен нагружаться на плотных суглинках не более чем на 4 тонны (1600 * 2,5 = 4000 кг).
Чтобы вы увидели соотношение типа почвы и проектной нагрузки на отдельный столб, приведём ещё примеры для стойки того же сечения: если строим на пластичных суглинках (несущая способность в среднем составляет 1,5 кг/см2) — грузить можно не более 2,4 тонны, для очень мокрых песков (1 кг/см2) — не более 1,6 т.
Зная общий вес всех строительных конструкций здания, добавив к этому массу возможного снежного покрова и эксплуатационные нагрузки (люди, предметы интерьера…), получим расчётную массу строения. Для примера возьмём дом 100 тонн.
При несущей способности грунта 2,5 кг/см2 дом массой 100 тонн необходимо будет установить не менее чем на 25 столбов (100 т./4 т. = 25 шт.).
Если наше гипотетическое здание имеет площадь 10x10 метров, при этом есть одна центральная несущая стена, то суммарная длина всех осей фундамента составит 50 м. п. — это нагрузка 2 тонны на один погонный метр. Зная, сколько максимально должен нести один столб (в нашем случае это 4 т.), можем предварительно высчитать минимально допустимое расстояние между опорами — 4 т./2 т. = 2 метра.
Разметка и подготовительные работы
Перед началом работ необходимо в обязательном порядке: произвести исследования грунта, сделать замеры перепадов высот, создать план-схему фундамента, выполнить временный водоотвод в виде дренирующих канав, очистить площадку от дёрна.
Когда все начальные операции выполнены, приступают к выносу проектных отметок в натуру. Разметка заключается в привязке строения к красным линиям и разбивке осей будущего здания, а также внешнего и наружного контура фундамента. Как и для ленточного, в случае со столбчатым фундаментом есть смысл изготовить обноску с несколькими контрольными шнурами.
Есть два основных момента при выполнении разметки:
1. Соблюсти прямоугольность сопряжения линий (воспользуйтесь теоремой Пифагора, Египетским треугольником, лазерным построителем углов, промеряйте и сравнивайте диагонали — они должны быть равны).
2. Выдержать верх столбов на одном горизонтальном уровне (особенно важно для сборных вариантов, так как подрезать оголовки будет крайне сложно — натягивайте контрольные шнуры точно по отметкам гидроуровня или нивелира).
Подробно технологию подготовки и выноса отметок в натуру мы описали в статье«Ленточный фундамент. Часть 2: подготовка, разметка, земляные работы, опалубка, арматура».
Земляные работы
Объём земляных работ для столбчатого основания один из самых небольших среди всех типов фундаментов, лучше дело обстоит, пожалуй, только с винтовыми и забивными сваями. Однако в большинстве случаев шурфы или скважины должны быть несколько больше, чем это кажется на первый взгляд.
Чтобы на глубине, предположим, в 70 см создать опору из кирпича — придётся вручную копать прямоугольный шурф, причём его размер в самом низу будет примерно на 15–20 см больше стойки с каждой стороны. Кверху выработка должна расширяться, так как откосы будут препятствовать осыпанию грунта в шурф. Примерно такие же ямы нужно готовить для изготовления монолитных квадратных столбов, так как необходимо будет устанавливать и раскреплять опалубку, а после произвести её демонтаж. Несомненным плюсом укрупнённых шурфов является возможность после распалубки осмотреть тело столба, сделать его гидроизоляцию.
Намного проще дело обстоит с опорами круглого сечения, для их установки нужны скважины, которые могут быть отрыты с помощью ручных буров или специальной техники — мотобуров, ямобуров. Явным плюсом такого метода является возможность произвести заливку монолита непосредственно по стенкам выработки, без применения опалубки. Однако механизированное изготовление скважины диаметром свыше 40 см невозможно из-за отсутствия специального инструмента, поэтому нередко круглые столбы с опорной пятой устанавливают в шурфы, вырытые лопатой.
Обратите внимание, что необходим некоторый запас выемки по глубине, около 20 сантиметров ямы «заберёт» подушка.
Устройство подушки
Если для фундаментов, в которых подошва располагается ниже глубины промерзания, подушка как таковая не нужна (так технология ТИСЭ даже запрещает её делать), то для столбчатого фундамента, всегда закладываемого на половину или даже на 1/3 часть высоты замерзающего грунта, она является обязательным элементом. Так как при возможном морозном пучении основания грунт будет давить на столбы снизу, мы меняем его на демпферный непучинистый материал — крупнозернистый песок, смесь песка со щебнем (40/60) или на чистый щебень, десятисантиметровым слоем втрамбованный в дно скважины.
Песчаную подушку делают слоем не менее 15–20 см, при этом располагают материал в выборке от стенки до стенки. Масса обязательно должна быть пролита водой и тщательно уплотнена.
Применение опалубки
Если мы решили строить монолитный столбчатый фундамент с прямоугольными стойками, без применения опалубки не обойтись, ведь выкопать шурф точно по размеру никак не удастся. Щиты опалубки собирают чаще всего из обрезной доски, хотя отлично подходят и листовые материалы типа ОСП или влагостойкой фанеры. При любом варианте необходимо очень тщательно раскрепить щиты в скважине, дабы не допустить перекосов во время заливки.
Заметим, что строительными нормами чётко регламентированы все допуски, так отклонение столбов по оси не может превышать 5 мм (по оголовкам), по дну шурфа стойки не должны «расходиться» от оси более, чем на 30 мм, допустимый перепад вертикали — 1 см на метр. Линию горизонта для всех оголовков фундамента необходимо выдержать с минимальной погрешностью, не превышающей 1,5 мм.
При разработке скважины буром опалубку можно не применять и заливать бетон непосредственно по стенкам выработки. Однако всё равно необходимо как-то формировать часть столба, выступающую над поверхностью земли. Обычно вопрос решается использованием рубашки из рубероида. Она заводится до самого дна скважины, надземную часть рубашки укрепляют сеткой и фиксируют от грунта. На поверхности рубероид будет служить опалубкой, в грунту бетон его плотно придавит к стенкам, и рубашка выступит в качестве гидроизоляционного материала, кроме того она снижает воздействие сил трения, возникающих при морозном пучении.
Армирование, устройство оголовка
Используя бетон, как строительный материал, необходимо усиливать его стальными прутами с переменным сечением — арматурой. Стержни сечением от 10 до 14 мм объединяют в каркас с четырьмя продольными (вертикальными) нитками, которые раскрепляются между хомутами из тонкой гладкой арматуры диаметром 6 мм. Фиксация элементов каркаса осуществляется вязальной проволокой или электросваркой.
Для армирования столбов круглого сечения (при сравнительно небольшом диаметре), возможно, лучше подойдёт каркас из трёх рабочих ниток, расположенных внутри треугольных хомутов. Главное, нам необходимо выдержать минимальный коэффициент армирования, который для монолитных колон составляет 0,4% (рассматриваем площадь поперечного сечения столба), нормальным считается показатель в 1–2%.
Если фундамент будет иметь железобетонный ростверк, то продольные пруты арматуры делают на 40–50 см длиннее, чем сама стойка. Арматура впоследствии загибается в горизонтальную плоскость и перевязывается с каркасом ростверка. Если в качестве ростверка используется деревянный брус или готовые ЖБ перемычки, то оголовок может оформляться одним центральным стержнем, в том числе замоноличенной резьбовой шпилькой.
Бутобетонные столбы не армируются, здесь камень усиливает массив, но такие конструкции не должны иметь бута в верхней части, так как в этой части необходимо анкеровать арматуру, предназначенную для связки с ростверком.
Чтобы сформировать защитный слой бетона (около 5 см) и надёжно закрепить каркас в опалубке, необходим