7-1-5 — Ґрунт і умови основи

У цьому уроці ти:

• зрозумієш, що таке основа та фундамент і чим вони відрізняються;
• згадаєш тиск із фізики й застосуєш його до будинку;
• дізнаєшся, що таке несуча здатність ґрунту, осідання та морозне здимання;
• оціниш, чи витримає ґрунт твій будинок, і обереш тип фундаменту.

📖 1. На чому стоїть будинок

Будинок — це десятки тонн каменю, дерева, бетону, скла й людей. Уся ця вага має кудись «подітися». Вона передається на землю. Те, що отримує вагу, — це основа (тобто сам ґрунт під будинком), а конструкція, яка передає навантаження на основу, називається фундаментом.

Запам’ятай різницю:

• Основа — це ґрунт. Її не будують, її вибирають і вивчають.
• Фундамент — це споруда, яку будують під стінами: стрічка, плита, стовпи чи палі.

Коли ґрунт слабкий або його властивості погані, фундамент доводиться робити складнішим. Саме тому в 6 класі ти досліджував ґрунт, адже сьогодні ці знання стануть у пригоді.

📖 2. Тиск: згадаємо фізику

На уроках фізики ти вивчаєш тиск — величину, яка показує, наскільки сильно сила тисне на поверхню.

p = F : S, де F — сила, що діє перпендикулярно до поверхні, S — площа, на яку вона діє.

• Силу вимірюють у ньютонах (Н), площу — у м².
• Одиниця тиску — паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м².
• Тисячу паскалів називають кілопаскалем: 1 кПа = 1000 Па.
• Силу ваги знаходять за формулою F = m · g, де m — маса, а g ≈ 10 Н/кг (для спрощення; точніше 9,8).

Приклад 1. Ти на піску

Маса учня — 50 кг. Тоді F = 50 · 10 = 500 Н. Площа підошов двох черевиків — приблизно 0,04 м² (400 см²).

p = 500 : 0,04 = 12 500 Па = 12,5 кПа.

Приклад 2. Цеглина

Маса цеглини 2 кг, F = 20 Н. Вона має різні грані:

• велика грань 20 см × 10 см = 200 см² = 0,02 м². Тиск p = 20 : 0,02 = 1000 Па = 1 кПа;
• вузька грань 10 см × 5 см = 50 см² = 0,005 м². Тиск p = 20 : 0,005 = 4000 Па = 4 кПа.

Вага однакова, а тиск у чотири рази різний. Це дуже важливий висновок: щоб зменшити тиск, треба збільшити площу опори. Саме для цього фундамент роблять ширшим за стіни.

📖 3. Несуча здатність ґрунту

Несуча здатність ґрунту — це найбільший тиск, який ґрунт може витримувати без руйнування та надмірного осідання. Позначимо її літерою R.

Різні ґрунти витримують різний тиск. Ось орієнтовні значення для навчальних розрахунків:

Увага. Це умовні значення, зручні для школи. У справжніх проєктах несучу здатність визначають фахівці за результатами спеціальних досліджень ґрунту, і вона залежить від вологості, щільності, глибини та багатьох інших чинників. Одна й та сама глина суха й сира може тримати зовсім по-різному.

📖 4. Навантаження від будинку

Фундамент «несе» різні види навантаження:

• постійні: вага стін, перекриттів, даху, самого фундаменту;
• тимчасові: люди, меблі, сніг на даху, вітер.

Точний розрахунок виконують інженери-конструктори. Для школи користуємося спрощеним правилом: маса будинку ≈ 1,1 т на кожен 1 м² загальної площі (для будинку з важких матеріалів; для легкого каркасного будинку значення менші).

Приклад 3. Ґрунт витримає чи ні?

Двоповерховий будинок із «слідом» 10 м × 8 м. Загальна площа: 2 · 80 = 160 м².

1. Маса: 160 · 1,1 ≈ 176 т, округлимо до 180 т.
2. Сила: F = 180 000 кг · 10 Н/кг = 1 800 000 Н = 1800 кН.
3. Стрічковий фундамент (під зовнішніми стінами й однією внутрішньою): довжина стрічки ≈ 45 м, ширина підошви 0,4 м. Площа опори S = 45 · 0,4 = 18 м².
4. Тиск: p = 1800 : 18 = 100 кПа.

Порівняємо з несучою здатністю та знайдемо запас надійності k = R : p:

Бачиш: той самий будинок на різних ґрунтах — це різні ситуації. Якщо k менше за 1, ґрунт не витримає. Зазвичай прагнуть мати запас у 1,5–2 рази й більше.

Що робити, якщо ґрунт слабкий

Є три основні шляхи:

1. Збільшити площу опори. Зробити підошву ширшою або взагалі влаштувати суцільну плиту під усім будинком. Для плити S = 80 м², тиск p = 1800 : 80 = 22,5 кПа. Це значно менше, ніж 100 кПа, тож навіть слабкий ґрунт із R = 60 кПа матиме запас.
2. Прорізати слабкий шар і спертися на міцніший, глибше. Наприклад, палі, які проходять крізь слабкий ґрунт.
3. Замінити або ущільнити ґрунт (наприклад, влаштувати піщану подушку з ущільненого піску).

📖 5. Осідання та тріщини

Під вагою будинку ґрунт трохи стискується, і будинок осідає. Невелике рівномірне осідання не страшне. Найбільша небезпека — нерівномірне осідання, коли одна частина будинку опускається більше за іншу. Тоді стіни можуть розтріскатися.

Причини нерівномірного осідання:

• під будинком різні ґрунти (з одного боку пісок, з іншого — торф);
• різне навантаження (важка частина будинку поруч із легкою);
• замокання ґрунту: вода розм’якшує його;
• наявність пухкого насипного ґрунту, який раніше засипали чимось випадковим.

Тому будівельники прагнуть, щоб тиск на ґрунт був приблизно однаковим під усім будинком, а ґрунт — однорідним.

📖 6. Морозне здимання і глибина закладання

Ти вже знаєш із 6 класу: вода в ґрунті при замерзанні розширюється, і ґрунт піднімається. Якщо фундамент закладено мілко, у зоні промерзання, то взимку ґрунт здимається й «виштовхує» його, а навесні знов опускається. Такі коливання руйнують будинок.

Глибина промерзання залежить від регіону: приблизно від 0,8 до 1,2 м, а місцями більше. Для навчальних розрахунків приймемо 1,0 м.

📖 7. Основні типи фундаментів

📖 8. Як ґрунт впливає на хід будівництва

• Земляні роботи. Пісок осипається, і стінки траншеї треба кріпити або робити похилими. Глина липка й важка. Кам’янистий ґрунт важко копати.
• Вода. Якщо ґрунтова вода близько, котлован затоплює, і будівництво ускладнюється: потрібне водовідведення та гідроізоляція.
• Родючий шар. Його знімають і зберігають для саду (ти вже знаєш).
• Насипний ґрунт і сміття потребують заміни.
• Безпека. Ніколи не заходь у глибокі траншеї та котловани без нагляду й засобів захисту: стінки можуть обвалитися за секунди.

Як ґрунт вивчають професіонали

Для цього проводять інженерно-геологічні вишукування: бурять свердловини чи копають шурфи (невеликі ями), беруть зразки ґрунту, визначають їхні властивості в лабораторії, вимірюють рівень ґрунтових вод. Результат — звіт, у якому написано, які шари є в основі, яка їхня несуча здатність та які ризики. Проєктувальник користується цим звітом.

🧪 Спробуй сам

Дослід «Тиск на пісок»

Потрібно: піддон або глибока таця з дрібним сухим піском, цеглина (або книга), лінійка, кухонні ваги.

1. Вирівняй пісок у таці.
2. Зважи цеглину. Обчисли її силу ваги F = m · 10.
3. Обережно постав цеглину на широку грань. Обережно підніми її й виміряй лінійкою глибину відбитка.
4. Вирівняй пісок і повтори, поставивши цеглину на вузьку грань.
5. Заміряй розміри граней, обчисли площі та тиски: p = F : S.

Зроби висновок: як пов’язані тиск і глибина відбитка? Що це означає для фундаменту?

Задачі

1. Учень масою 60 кг стоїть на двох ногах; площа підошов 0,04 м². Який тиск він створює?
2. Малий будинок масою 90 т стоїть на суцільній плиті 6 м × 10 м. Який тиск на ґрунт? Чи вистачить пухкого піску (R = 100 кПа)?
3. Будинок масою 120 т стоїть на суглинку (R = 200 кПа). Яка мінімальна площа підошви фундаменту потрібна, щоб тиск не перевищував R? А якщо потрібен запас у 2 рази?
4. Для кожної ситуації запропонуй тип фундаменту й поясни: а) глина, висока вологість, будинок важкий; б) крупний сухий пісок, легкий дерев’яний будинок на схилі; в) шар торфу 3 м, нижче щільний пісок.

Відповіді: 1) F = 600 Н, p = 600 : 0,04 = 15 000 Па = 15 кПа. 2) F = 900 кН, S = 60 м², p = 15 кПа, що значно менше за 100 кПа, тож вистачить із великим запасом. 3) F = 1200 кН; S = 1200 : 200 = 6 м² (без запасу); із запасом у 2 рази: p має бути не більше 100 кПа, S = 1200 : 100 = 12 м². 4) а) плитний чи стрічковий на глибині нижче промерзання з гідроізоляцією; б) стовпчастий чи неглибокий стрічковий; в) пальовий (палі через торф до піску).

🔑 Ключові слова

• Основа — ґрунт під фундаментом.
• Фундамент — конструкція, що передає навантаження на основу.
• Тиск — відношення сили до площі опори (p = F : S).
• Несуча здатність — найбільший тиск, який ґрунт витримує безпечно.
• Осідання — стискання ґрунту під вагою будинку.
• Глибина промерзання — глибина, на яку взимку промерзає ґрунт.

✅ Перевір себе

1. Чим основа відрізняється від фундаменту?
2. Яка формула тиску й в яких одиницях його вимірюють?
3. Чому фундамент роблять ширшим за стіни?
4. Що таке несуча здатність і запас надійності?
5. Чому небезпечне нерівномірне осідання?
6. Як морозне здимання впливає на глибину закладання фундаменту?

📌 Коротко запам’ятай

Будинок передає свою вагу на ґрунт через фундамент. Тиск p = F : S показує, що збільшення площі опори зменшує тиск. Ґрунт має несучу здатність R, і тиск від будинку мусить бути значно меншим. Слабкі ґрунти потребують ширших підошов, плит чи паль, а ґрунти, що здимаються, — глибшого закладання. Остаточні висновки роблять фахівці за результатами досліджень ґрунту.