Пучинистость грунтов, вызывания способностью грунта удерживать воду в своей структуре, является серьезным врагом ленточных фундаментов . Особенно критична неравномерная пучинистость подлежащих грунтов, приводящая к неравномерным нагрузкам на фундамент. Чаще всего неравномерная пучинистость грунтов может быть вызвана наличием разнородных подлежащих грунтов под малозаглубленным ленточным фундаментом. Также неравномерная пучинистость может быть вызвана неравномерным прогревом почвы от солнца, разницей в утеплении грунта (в том числе при неравномерном укрытии грунта рядом с домом снегом), наличием отапливаемых и неотапливаемых помещений на одном фундаменте. Кроме глинистых грунтов, к пучинистым грунтам относятся пылеватые и мелкие пески, а также крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, имеющие к началу сезона промерзания влажность выше определенного уровня.
Перечень пучинистых грунтов по ГОСТ 25100-95 приведен в таблице:
Таблица. Пучинистость грунтов.
Для обзора важнейших свойств грунтов и их пригодности для строительства мы предлагаем обратиться к сводной таблице:
Таблица. Характеристики грунтов
(Таблица адаптирована из раздела R406.1 Международного строительного кода для жилых домов International Residential Code — 2006
)
Пучинистость грунта определяется его составом, пористостью, а также уровнем грунтовых вод (УГВ). Чем выше стоят грунтовые воды, тем больше будет расширяться грунт при замерзании. Способность удерживать и «подсасывать» воду из нижележащих слоев обеспечивается наличием в структуре грунта капилляр и подсосом ими воды. Грунт при расширении замерзающей водой (льдом) начинает увеличиваться в объеме.
Происходит это из-за того, что вода увеличивается в объеме при замерзании на 9-12%. Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он более пучинистый. Также выше пучинстость у грунтов с плохими дренажными характеристиками. При промерзании грунта сверху (от уровня земли или планировки) еще незамерзшая вода отжимается льдом в нижележащие слои грунта.
Если дренажные свойства грунта недостаточные, то вода задерживается и быстро промерзает, вызывая дополнительное расширение грунта. На границе раздела положительных и отрицательных температур могут намораживаться линзы льда, вызывая дополнительных подъем грунта. Чем больше плотность грунта, тем меньше в нем капилляров и пустот (пор) где может задерживаться вода и, следовательно, меньше потенциал расширения при замерзании.
Малозаглубленный ленточный фундамент по определению закладывается на глубины сезоннопромерзающего слоя грунта. При замерзании грунта и начале его движения на фундамент начинает действовать сила, вектор которой приложен перпендикулярно к подошве фундамента (при условии, что подошва лежит в горизонте).
Под действием этой силы, приложение которой зачастую бывает неравномерным по длине фундамента, фундамент и само здание может подвергаться также неравномерным перемещениям. Кроме давления вверх, пучинистый грунт при замерзании может оказывать давление и по горизонтали, и по касательной к вертикальной плоскости ленты фундамента.
Сила морозного пучения зависит и от величины отрицательных температур и от продолжительности их действия. Максимальное морозное пучение грунта в России приходится на конец февраля -март. Если вы строите ленточный малозаглубленный фундамент на сильнопучинстом грунте, вам придется думать, как снизить воздействие не только касательных составляющих сил морозного пучения, но также и их горизонтальных составляющих. Примерзающий к фундаменту грунт способен не только обеспечить боковое сжатие фундамента, но и его защемление силами бокового сцепления и подъем, что может вызвать деформацию фундамента (особенно критично для сборных ленточных фундамент из блоков).
Поэтому, если вы решаетесь строить малозаглубленный ленточный фундамент на сильно- или чрезмернопучинистом грунте, вам лучше выбрать в качестве фундамента жесткую монолитную железобетонную раму, а не сборный ленточный фундамент из блоков. К тому же придется повести ряд мероприятий по снижению силы трения между фундаментом и грунтом, и теплотехнические мероприятия для снижения сил морозного пучения.
Таблица. Нормативная глубина сезонного промерзания грунтов, м.
Что можно сделать для уменьшения воздействия сил морозного пучения грунта на фундамент:
Самым простым и недорогим способом является горизонтальное утепление грунта вокруг здания (о котором мы поговорим подробно ниже) и вертикальное утепление ленточного фундамента. Кроме снижения теплопотерь дома (от 10 до 20%), утепление пенополистиролом подземной части фундамента играет еще и важную роль в снижении трения между грунтом и фундаментом при пучении и компенсации расширения грунта.
Важную роль в снижении пучинистости грунтов играет правильное дренирование. Для снижения сил морозного пучения требуется как можно сильнее обезводить грунт в непосредственной близости к малозаглубленному ленточному фундаменту. Для этого траншеи для ленточного фундамента выкладываются геотекстилем, после отливки фундамента и выполнения гидроизоляции и утепления фундамента, на дно укладываются дренажные трубы кольцевого дренажа вокруг всего дома, и засыпаются дренажной смесью из песка и керамзита, либо просто песком. Пристеночная дренажная мембрана также помогает отводить воду вглубь — к дренажным трубам.
В особо тяжелых грунтовых условиях можно прибегнуть к полной или частичной замене грунта, подлежащего и прилегающего к малозаглубленному ленточному фундаменту.
В отечественной строительной литературе вообще не рассматривается роль крупных лиственных деревьев в подвижках пучинистых грунтов. Между тем
Проблема строительства зданий на пучинистых грунтах часто встает в сырых регионах, расположенных в умеренном климатическом поясе.На сегодняшний день разработано и проверено на практике много различных методов борьбы с морозным пучением.
Главное – выбрать наиболее подходящий из них именно под ваши условия проведения строительства и тогда здание прослужит вам без разрушения и деформаций в течение многих лет. Рассмотрим более подробно вопрос такого строительства и практических методов ее решения.
Что такое пучинистый грунт?
Как известно, вода при замерзании превращается в лед. При этом происходит изменение ее объема за счет разной плотности льда и воды: вода имеет значительно большую плотность, чем лед. Соответственно при замерзании вода, постепенно превращаясь в лед, расширяется, занимая больший объем.
Если такая вода замерзает, находясь в грунте, то вместе с ней будет расширяться и грунт. При этом силы расширяющие грунт будут называться силами морозного пучения, а сам такой водонасыщенный грунт – пучинистым.
В чем опасность пучинистого грунта для здания?
Посмотрим, что происходит с пучинистым грунтом, непосредственно находящимся рядом со зданием. Зимой при наступлении морозов вода замерзает и расширяется, превращаясь в лед. Вместе с ней начинает расширяться и грунт, ее содержащий. Возникают силы морозного пучения.
Силы начинают действовать на находящееся рядом здание, точнее на его фундамент, приподнимая его. Весной же во время повышения температуры происходит обратный процесс: здание опускается за счет того, что лед тает, превращаясь в воду и, соответственно, сжимаясь, увеличивая свою плотность и уменьшая собственный занимаемый объем.
Если фундамент не защищен от действия пучинистых сил, то возможен сдвиг здания, что рано или поздно приведет к образованию трещин в стенах здания и фундаменте, а потом и к разрушению здания.
Особенности пучинистых грунтов
Под пучинистыми грунтами можно понимать любые грунты, способные сохранять в своем объеме достаточно большое количество воды. Чем больше воды находится в единице объема грунта, тем более склонен данный грунт к пучинистости.
Наиболее яркими представителями пучинистых грунтов являются глина и желтый (карьерный) мелкий песок, содержащий большое количество глинистых включений. Такие грунты обладают высокой способностью задерживать воду.
Наименее пучинистыми в этом случае будут являться следующие виды грунтов: все грунты, не содержащие или содержащие минимальное количество глинистых частиц, крупный или среднезернистый песок, обломочные горные породы.
Все эти грунты не задерживают, легко пропускают через себя воду в нижележащие слои грунта, поскольку состоят из крупных частиц не имеющих способности слипаться друг с другом по типу глины.
Факторы, влияющие за силу пучинистости
1. Глубина залегания первого водоносного слоя.
Чем ближе к поверхности находится вода, тем, очевидно, более пучинистым он будет являться. При этом даже замена, к примеру, глины на гравелистый песок малоэффективна, поскольку воде будет просто некуда уходить через такой грунт – ниже будет находиться водоносный слой.
2. Глубина промерзания грунта в зимний период, характерная для данного региона.
На широте Москвы грунт промерзает на 1,5 м. Очевидно, что пучинистые силы могут действовать лишь в тех регионах, где температура опускается зимой ниже 0 гр. С. Чем на большую глубину будет промерзать грунт, тем сильнее на здание будут действовать пучинистые силы при прочих равных условиях.
3. Типы почв.
Наиболее подвержены пучинистости грунты с мелкими частицами, способные сохранять воду в течение длительного периода за счет плохого ее прохождения сквозь частицы небольшого размера.
Глинистые грунты также сильно задерживают воду. Сквозь крупные частицы вода проходит легко, поскольку между крупными частицами есть достаточное пространство для прохода воды.
Методы решения проблемы морозного пучения при строительстве здания
В настоящее время существует много методов снижения пучинистости, которые хорошо себя зарекомендовали на практике. Рассмотрим наиболее важные.
1. Полная замена грунта в месте строительства здания.
Данный метод радикально решает проблему пучинистости, однако приводит к повышенным затратам на строительство за счет большого объема требуемых для выполнения земляных работ.
Идея метода следующая: грунт, расположенный в месте будущего строительства здания полностью удаляется и на его место кладут не пучинистый грунт, как правило, крупнозернистый песок.
2. Расположение подошвы фундамента здания ниже отметки, на которую обычно промерзает грунт.
Данный метод является широкораспространенным. В этом случае выбирают подходящий фундамент. Наиболее частовстречающиеся типы фундаментов – свайный для крупных, тяжелых зданий и свайно-винтовой для коттеджей, дач, других относительно легких, небольших строений.
Свая заглубляется до залегания твердого слоя грунта и ниже отметки его промерзания. В этом случае на здание, точнее на стены фундамента, будут действовать лишь касательные силы морозного пучения.
Действие же основных, вертикальных сил будет нейтрализовано, поскольку опора здания будет находиться в непучинистом грунте.
3. Круглогодичное отопление здания.
Хорошо известно, что температура в районе фундамента под отапливаемым зданием всегда примерно на 20% выше температуры под неотапливаемым зданием.
Соответственно, грунт под домом с круглогодичным отоплением промерзать будет значительно меньше и действие пучинистых сил будет слабым.
При планировании и проектировании здания важно учитывать этот фактор: выгоднее будет здание использовать для круглогодичного проживания.
4. Общее утяжеление постройки.
Силы морозного пучения способны приподнять здание, имеющее относительно небольшую массу. Если здание тяжелое, то такие силы не смогут существенно повлиять на положение здания.
Отсюда вывод: чем тяжелее здание, чем больше его масса, тем успешнее такое здание при прочих равных условиях сможет противостоять действию сил морозного пучения в зимний период.
Поэтому на пучинистых грунтах выгоднее строить тяжелые здания с большой массой, хотя это ведет, естественно, к большим финансовым и временным затратам как на постройку такого здания, так и на последующее его обслуживание во время эксплуатации.
5. Строительство плитного фундамента под дом.
Плитный фундамент — единая железобетонная монолитная плита, на которую все остальные элементы здания опираются.
Само здание в этом случае вместе с фундаментом представляет из себя единую конструкцию. Сам фундамент строится или непосредственно на поверхности земли, или на небольшой глубине.
В любом случае получается, что фундамент из-за небольшого заглубления будет подвержен как касательным, так и вертикальным силам морозного пучения: он будет просто подниматься зимой во время морозов и опускаться весной во время оттепелей.
Особенность же данного фундамента – именно единая монолитная конструкция, благодаря которой несмотря на частое изменение высоты подъема дома он не разрушается и не дает трещин.
6. Дренаж грунта.
Идея метода – снижение содержания воды в грунте путем ее отвода непосредственно от фундамента, после чего соответственно снижаются и пучинистые способности данного грунта. Вода из-под дома и области его расположения отводится и грунт в этом месте становится менее влажный. Для реализации данного метода на некотором расстоянии от дома роется дренажный колодец, предназначенный для сбора отведенной от здания воды. Вокруг дома строится дренажная система: роется траншея и в нее закладываются трубы, содержащие по всей своей боковой поверхности отверстия небольшого диаметра; трубы затем соединяются с колодцем, образуя тем самым единую систему слива.
На сегодняшний день очень активно развивается такая отрасль народного хозяйства, как частное строительство. Особое место в данной области занимает возведение фундамента. Фундамент – это основа любого здания и конструкции, которая обеспечивает устойчивость и прочность всего здания. Без знания характера грунта правильно и безопасно возвести фундамент практически не возможно. Чтобы построить фундамент своими руками, необходимо тщательно изучить гидрогеологические особенности конкретного земельного участка. Большое значение имеют такие показатели, как глубина промерзания грунта, влажность почвы, уровень стояния грунтовых вод.
От этих показателей зависит такое свойство грунта, как пучинистость. Строить довольно опасно. Впоследствии это может вызвать перекос фундамента и всего здания. Последнее может стать причиной появления трещин и дефектов в стенах. Чтобы фундамент был защищен от сил пучения, требуется возводить его на сухих и непучинистых землях. Рассмотрим более подробно какие особенности имеет непучинистый грунт, что к нему относится, какие мероприятия можно осуществить для того, чтобы обезопасить фундамент и само здание. Кроме того, здесь можно узнать об использовании фундамента непучинистого грунта.
Непучинистый тип почвы
Проверка почвы – ответственный этап всей работы строителя. Перед тем как непосредственно возводить фундамент для дома, требуется знать, что такое пучение. Итак, непучинистым называется такой грунт, который не подвергается морозному пучению. Пучение включает в себя такое понятие, как степень пучинистости. Она показывает насколько почва может увеличиваться в объеме в результате замерзания при низкой температуре.
Непучинистые – это грунты, которые имеют степень пучинистости менее 0, 01.
Это свидетельствует о том, что при промерзании земли на глубину 1 м, почва увеличивается в размерах менее чем на 1 см.
Почему же происходит это явление? Все довольно просто. В холодный период года (осень или зимой) вода, которая находится непосредственно в почве, начинает замерзать, превращаясь в лед. По законам физике лед имеет меньшую плотность, нежели вода, поэтому объем его увеличивается. Это и называется пучением. Увеличенный по сравнению с исходным состоянием грунт способен оказывать на фундамент большое давление и изменять его расположение, то же самое касается и всего здания. Кроме того, влага, попавшая непосредственно в сам фундамент, способна его постепенно разрушать и приводить в негодность. Все это характерно для пучинистого грунта. Для непучинистого грунта – все иначе.
Классификация грунта по степени пучинистости
Перед тем своими руками, необходимо знать тип грунта в зависимости от его способности увеличиваться в размере при низкой температуре. Выделяют 4 вида грунта: непучинистый, слабо-, средне- и сильнопучинистый. Классификация основана на величине таких показателей, как коэффициент водонасыщения и показатель текучести почвы. К непучинистым почвам относят те, степень пучения которых менее 0, 01. К слабопучинистым можно отнести глину с величиной текучести от 0 до 0,25, пески пылеватые и мелкие с коэффициентом водонасыщения от 0,6 до 0,8. В эту группу входят и крупнообломочные земли с наполнителем. В качестве последнего может быть песок мелкий и пылеватый.
При этом количество его должно находиться в пределах от 10 до 30% в массовом коэффициенте. В группу среднепучинистого грунта входят почвы со степенью пучения от 0,035 до 0,7. К ним относятся глина с текучестью от 0,25 до 0,5; пески мелкие и пылеватые с водонасыщением от 0,8 до 0,95; крупнообломочные почвы с наполнителем более 30% по массе. Наибольшую опасность представляет сильнопучинистый грунт. Он представлен следующими показателями: степень пучинистости более 0,07; текучесть глины больше 0,5; пески мелкие с водонасыщением более 0,95.
Характеристика непучинистого грунта и особенности возведения фундамента
Как уже было сказано выше, фундамент наиболее оптимально возводить на безопасных почвах. К непучинистой почве относится скальный и обломочный грунт.
Последний образуется в результате разрушения горных пород. к нему можно отнести гравий и щебень. По большей части это крупнозернистые материалы. Нередко они используются в строительном деле. В эту группу грунта входит и средне и крупнозернистый песок. Существует некоторая зависимость между и размерами его частиц. Чем они больше, тем боле безопасной является данный слой почвы и тем меньшее воздействие он оказывает на фундамент.
Укладывается фундамент при таком типе почвы по следующей технологии. Не зависимо от глубины промерзания грунта и влажности его, он возводится мелко, то есть не глубоко. Это позволяет сэкономить время и силы на проведение земляных работ. При наличии скальной породы фундамент можно совсем не обустраивать. В некоторых странах Европы, например в Черногории, отдельных регионах Германии и Финляндии дома строят без фундамента благодаря именно этим особенностям местности. При наличии крупно песчаного грунта толщина бетонного фундамента составляет всего около 20 см.
Несомненно, эти расчеты актуальны только для небольших домов, а не для многоэтажных конструкций. После заливки бетона, когда он затвердеет, можно сразу возводить цоколь здания или же стены. В других случаях, когда характер грунта другой, вырывается траншея глубиной 50-70 см. После этого она засыпается несколькими слоями крупнозернистого песка, каждый толщиной по 15-20 см. Важно, что все слои тщательно поливаются водой. Что касается того, какой можно строить фундамент, то здесь нет никаких ограничения. Он может быть монолитным (плитным), столбчатым или ленточным. Для пучинистого же грунта наиболее оптимален столбчатый фундамент или основание анкерного типа, так как в этом случае нагрузка, в том числе действие касательных сил, на фундамент будет минимальным.
Пучинистый грунт – это такой грунт, который подвержен морозному пучению. Величина, которая показывает, насколько грунт склонен к пучению, — это степень морозной пучинистости, которая определяется как относительное изменение объема грунта при промерзании:
E = (H – h) / h,
Где E – степень пучинистости, H – высота мерзлого (вспучившегося) грунта, h – высота грунта до замерзания.
Степень пучинистости показывает, на какую величину изменяется объем грунта при промерзании. Пучинистыми называют грунты, у которых степень пучинистости больше 0,01, т.е. это такой грунт, который при промерзании на глубину 1 м увеличивается в объеме более чем на 1 см.
Какие грунты пучинистые?
Пучение происходит из-за того, что содержащаяся в грунте влага замерзает, а, как известно, лед имеет меньшую плотность, нежели вода, и поэтому занимает больший объем. Увеличение объема воды при замерзании и приводит к пучению, поэтому какие грунты пучинистые, а какие нет, зависит от содержания в них воды: чем ее больше в грунте, тем сильнее он вспучивается. К пучинистым относятся все : глины, суглинки и супеси. В отличие от песка, глина имеет много пор и хорошо удерживает в себе влагу, вода не просачивается между мельчайшими частицами глины и не уходит в более глубокие слои земли. Поэтому чем больше содержание глины, тем более пучинистым является грунт.
Строительство фундамента на пучинистом грунте
Глинистый грунт – это грунт, который более чем на половину состоит из очень мелких частиц размером менее 0,01 мм, которые имеют форму чешуек или пластин. К глинистым грунтам относятся супесь, суглинок и глина.
Пучинистые явления – коварные и бесцеремонные процессы, возникающие во влажных глинистых, мелкопесчаных и пылеватых грунтах при их сезонном промерзании. Не учитывать их нельзя, что понятно любому, даже слабо разбирающемуся в строительстве застройщику. Многие это поняли, обнаружив по весне трещину в кирпичной стене загородного дома, увидев перекошенные дверные и оконные проемы каркасной дачной постройки, заметив опасно накренившийся забор.
Пучинистые явления – это не только большие деформации грунта, но и огромные усилия – в десятки тонн, способные привести к большим разрушениям.
Сложность в оценке воздействия пучинистых явлений грунта на постройки – в некоторой их непредсказуемости, обусловленной одновременным воздействием нескольких процессов. Чтобы лучше разобраться в этом, опишем некоторые понятия, связанные с этим явлением.
Морозное пучение
, так называют это явление специалисты, связано с тем, что в процессе замерзания влажный грунт увеличивается в объеме.
Грунты по степени пучинистости делятся на:
– сильнопучинистые – пучение 12%;
– среднепучинистые – пучение 8%;
– слабопучинистые – пучение 4%.
При глубине промерзания 1,5 м сильнопучинистого грунта составляет 18 см.
Пучинистость грунта определяется его составом, пористостью, а также уровнем грунтовых вод (УГВ). Так и глинистые грунты, мелкие и пылеватые пески относятся к пучинистьш грунтам, а крупнозернистые песчаные и гравийные грунты – к непучинистым.
Рассмотрим, с чем это связано.
В глинах или мелких песках влага, как по промокашке, достаточно высоко поднимается от УГВ за счет капиллярного эффекта и хорошо удерживается в таком грунте. Здесь проявляются силы смачивания между водой и поверхностью пылевых частиц. В крупнозернистых же песках влага не поднимается, и грунт становится влажным только по уровню грунтовых вод. То есть чем тоньше структура грунта, тем выше поднимается влага, тем логичнее отнести его к более пучинистым грунтам.
В связи с этим степень пучинистости грунта зависит как от своего зернового состава, так и от уровня грунтовых или паводковых вод.
Слабопучинистый грунт
– на 0,5 м – в пылеватых песках;
– на 1 м – в супесях;
– на 1,5 м – в суглинках;
– на 2 м – в глинах.
Среднепучинистый грунт
– когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:
– на 0,5 м – в супесях;
– на 1 м – в суглинках;
– на 1,5 м – в глинах.
Сильнопучинистый грунт
– когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:
– на 0,3 м – в супесях;
– на 0,7 м – в суглинках;
– на 1,0 м – в глинах.
Чрезмернопучинистый грунт
– если УГВ будет выше, чем для сильнопучинистых грунтов.
Обращаем внимание на то, что смеси крупного песка или гравия с пылеватым песком или глиной будут относиться к пучинистым грунтам в полной мере. При наличии в крупнообломочном грунте более 30% пылевато-глинистой составляющей, грунт также будет относиться к пучинистому.
Процесс промерзания грунта происходит сверху вниз, при этом граница между влажным и мерзлым грунтом опускается с некоторой скоростью, определяемой, в основном, погодными условиями. Влага, превращаясь в лед, увеличивается в объеме, вытесняя сама себя в нижние слои грунта, сквозь его структуру. Пучинистость грунта определяется также тем, успеет ли выдавливаемая сверху влага просочиться через структуру грунта или нет, хватит ли степени фильтрации грунта, чтобы этот процесс прошел с пучением или без него. Если крупнозернистый песок не создает влаге никакого сопротивления, и она беспрепятственно уходит, то такой грунт не расширяется при замерзании (Рисунок 23).
Рисунок 23. Грунт на границе промерзания:1 – песок; 2 – лед; 3 – граница промерзания; 4 – вода
Что касается глины, то сквозь неё влага уйти не успевает, и такой грунт становится пучинистым. Кстати, грунт из крупнозернистого песка, помещенный в замкнутый объем, которым может оказаться скважина в глине, поведет себя как пучинистый (Рисунок 24).
Рисунок 24. Песок в замкнутом объеме – пучинистый:
1 – глина; 2 – уровень грунтовых вод; 3 – граница промерзания; 4 – песок + вода; 5 – лед + песок; 6 – песок
Именно поэтому траншею под мелкозаглубленными фундаментами заполняют крупнозернистым песком, позволяющим выровнять степень влажности по всему его периметру, сгладить неравномерность пучинистых явлений. Траншею с песком, если возможно, следует соединить с дренажной системой, отводящей верховодку из-под фундамента.
Наличие давления от веса строения также сказывается на проявлении пучинистых явлений. Если слой грунта под подошвой фундамента сильно уплотнить, то и степень пучинистости его уменьшится. Причем, чем больше будет само давление на единицу площади основания, тем больше будет объем уплотненного грунта под подошвой фундамента и меньше величина пучения.
Рисунок 25. Степень пучинистости грунта зависит от давления на основание:
А – под ленточным фундаментом; Б – под столбчатым фундаментом;1 – песчаная подушка; 2 – граница промерзания; 3 – уплотнённный грунт; 4 – ленточный фундамент; 5 – столбчатый фундамент
Сильное уплотнение пучинистого грунта под ленточным мелкозаглубленным фундаментом может возникнуть, если на нем будет возведен каменный дом высотой не меньше чем в три этажа. В этом случае можно говорить о том, что пучинистые явления будут просто задавлены весом дома. Но и в этом случае они всё же останутся и могут вызвать появление трещин в стенах. Поэтому каменные стены дома на подобном фундаменте следует возводить с обязательным горизонтальным армированием.
Чем же опасны пучинистые грунты? Какие процессы, пугающие застройщиков своей непредсказуемостью, проходят в них?
Какова природа этих явлений, как с ними бороться, как их избежать, можно понять, изучив саму природу проходящих процессов.
Главная причина коварства пучинистых грунтов – неравномерное пучение под одним строением
Глубина промерзания грунта
– это не расчетная глубина промерзания и не глубина заложения фундамента, это – реальная Глубина промерзания в конкретном месте, в конкретное время и при конкретных погодных условиях.
Как уже отмечалось, глубина промерзания определяется балансом мощности тепла, идущего из недр земли, с мощностью холода, проникающего в грунт сверху в холодное время года.
Если интенсивность тепла земли не зависит от времени года и суток, то на поступление холода влияют температура воздуха и влажность грунта, толщина снегового покрова, его плотность, влажность, загрязненность и степень прогрева солнцем, застройка участка, архитектура сооружения и характер его сезонного использования (Рисунок 26).
Рисунок 26. Промерзание участка застройки:
1 – плита фундамента; 2 – расчетная глубина промерзания; 3 – граница промерзания дневная; 4 – граница промерзания ночная
Неравномерность толщины снегового покрова наиболее ощутимо сказывается на разности в пучении грунта. Очевидно, что глубина промерзания будет тем выше, чем тоньше будет слой снежного одеяла, чем ниже будет температура воздуха и чем дольше продлится её воздействие.
Если ввести такое понятие, как морозопродолжительность (время в часах, умноженное на среднесуточную минусовую температуру воздуха), то глубину промерзания глинистого грунта средней влажности можно показать на графике (Рисунок 27).
Рисунок 27. Зависимость глубины промерзания от толщины снегового покрова
Морозопродолжительность для каждого региона является среднестатистическим параметром, оценивать который индивидуальному застройщику очень сложно, т.к. это потребует ежечасного контроля за температурой воздуха в течение всего холодного сезона. Тем не менее, в крайне приближенном расчете это сделать можно.
Если среднесуточная зимняя температура – около -15 °С, а её продолжительность – 100 суток (морозопродолжительность = 100 · 24 · 15 = 36000), то при снеговом покрове толщиной в 15 см глубина промерзания будет 1 м, а при толщине 50 см – 0,35 м.
Если толстый слой снегового покрова, как одеяло, укрывает землю, то граница промерзания поднимается вверх; при этом и днем, и ночью её уровень сильно не меняется. При отсутствии снегового покрова ночью граница промерзания сильно опускается вниз, а днем, при солнечном прогреве, поднимается вверх. Разница ночного и дневного уровня границы промерзания грунта особенно ощутима там, где снеговой покров мал или вовсе отсутствует и где грунт сильно увлажнен. Наличие дома также влияет на глубину промерзания, ведь дом является своего рода теплоизоляцией, даже если в нем и не живут (продухи подпола закрыты на зиму).
Участок, на котором стоит дом, может иметь весьма сложную картину промерзания и подъема грунта.
Например, среднепучинистый грунт по внешнему периметру дома при промерзании на глубину 1,4 м может подняться почти на 10 см, тогда как более сухой и теплый грунт под средней частью дома останется практически на летней отметке.
Неравномерность промерзания существует еще и по периметру дома. Ближе к весне грунт с южной стороны строения часто бывает более влажным, слой снега над ним – более тонким, чем с северной стороны. Поэтому в отличие от северной стороны дома, грунт с южной стороны лучше прогревается днем и сильнее промерзает ночью.
Весной у в середине марта, я решил проверить как под построенным домом «гуляет» грунт. По углам фундамента (с внутренней стороны) были забетонированы в тротуарные плитки прутки, по которым я проверял просадку фундамента от веса дома. С северной стороны грунт поднялся на 2 и 1,5 см, а с южной – на 7 и 10 см. Уровень воды в колодце на тот момент был ниже грунта на 4 м.
Таким образом, неравномерность промерзания на участке проявляется не только в пространстве, но и во времени. Глубина промерзания подвержена сезонным и суточным изменениям в весьма больших пределах и может сильно меняться даже на небольших участках, особенно в местах застройки.
Расчищая большие площадки от снега в одном месте участка, и создавая сугробы в другом месте, можно создать заметную неравномерность промерзания грунта. Известно, что посадки кустарников вокруг дома задерживают снег, уменьшая в 2 – 3 раза глубину промерзания, что хорошо видно на графике (Рисунок 27).
Расчистка узких дорожек от снега на степень промерзания грунта особого влияния не оказывает. Если же Вы решили у дома залить каток или очистить площадку для своего авто, то можете ожидать большую неравномерность в промерзании грунта под фундаментом дома в этой зоне.
Как же возникают и действуют эти силы, как проявляются они в реальной жизни фундамента?
Возьмем для примера опору столбчатого фундамента под легким домом. На пучинистом грунте глубина заложения опор выполняется на расчетную глубину промерзания (Рисунок 28, а). При небольшом весе самого строения силы морозного пучения могут его поднять, и самым непредсказуемым образом.
Рисунок 28. Подъем фундамента боковыми силами сцепления:
А – столбчатый фундамент; Б – столбчато-ленточный фундамент по технологии ТИСЭ;1 – опора фундамента; 2 – мерзлый грунт; 3 – граница промерзания; 4 – воздушная полость
Ранней зимой граница промерзания начинает опускаться вниз. Мерзлый прочный грунт схватывает верхнюю часть столба мощными силами сцепления. Но кроме увеличения сил сцепления мерзлый грунт еще и увеличивается в объеме, отчего верхние слои грунта поднимаются, пытаясь выдернуть опоры из земли. Но вес дома и силы заделки столба в грунте не позволяют этого сделать, пока слой мерзлого грунта тонкий и площадь сцепления столба с ним невелика. По мере продвижения границы промерзания вниз, площадь сцепления мерзлого грунта со столбом увеличивается. Наступает такой момент, когда силы сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента превышают вес дома. Мерзлый грунт вытаскивает столб, оставляя внизу полость, которая сразу же начинает заполняться водой и частицами глины. За сезон на сильно пучинистых грунтах такой столб может подняться на 5 – 10 см. Подъем опор фундамента под одним домом, как правило, происходит неравномерно. После оттаивания мерзлого грунта фундаментный столб самостоятельно на прежнее место, как правило, не возвращается. С каждым сезоном неравномерность выхода опор из грунта увеличивается, дом наклоняется, приходя в аварийное состояние.»Лечение» такого фундамента – сложная и дорогая работа.
Заглубленный ленточный фундамент может подняться таким же образом, если он не имеет гладкую боковую поверхность и не загружен сверху тяжелым домом или бетонными перекрытиями (Рисунок 4).
Основное правило для заглубленных ленточных и столбчатых фундаментов (без расширения внизу): возведение фундамента и загрузку его весом дома cледует выполнить в один сезон
.
Боковые силы сцепления могут сыграть невеселую шутку с застройщиками, делающими столбчатый фундамент с большим запасом по несущей способности. Лишние фундаментные столбы действительно могут оказаться лишними.
Деревянный дом с большой застекленной верандой установили на фундаментные столбы. Глина и высокий уровень грунтовых вод требовали заложения фундамента ниже глубины промерзания. Пол широкой веранды потребовал промежуточной опоры. Почти всё было выполнено правильно. Однако за зиму пол подняло почти на 10 см (Рисунок 29).
Рисунок 29. Разрушение перекрытия веранды силами сцепления мерзлого грунта с опорой
Причина такого разрушения понятна. Если стены дома и веранды смогли своим весом компенсировать силы сцепления фундаментных столбов с мерзлым грунтом, то легким балкам перекрытия это было не под силу
Что же надо было сделать?
Существенно уменьшить либо количество центральных фундаментных столбов, либо их диаметр. Силы сцепления можно было бы уменьшить, обернув фундаментные столбы несколькими слоями гидроизоляции (толь, рубероид) или создав прослойку из крупнозернистого песка вокруг столба. Избежать разрушения можно было бы и через создание массивной ленты-ростверка, соединяющей эти опоры. Другой способ уменьшить подъем таких опор – заменить их на мелкозаглубленный столбчатый фундамент.
Выдавливание
– наиболее ощутимая причина деформации и разрушения фундамента, заложенного выше глубины промерзания.
Чем его можно объяснить?
Выдавливание обязано суточному
прохождению границы промерзания мимо нижней опорной плоскости фундамента, которое совершается значительно чаще, чем подъем опор от боковых сил сцепления, имеющих сезонный
характер.
Чтобы лучше понять природу этих сил, мерзлый грунт представим в виде плиты. Дом или любое другое строение зимой оказывается надежно вмороженным в эту камнеподобную плиту.
Основные проявления этого процесса видны весной. У стороны дома, обращенной на юг, днем достаточно тепло (в безветрие можно даже загорать). Снеговой покров стаял, а грунт увлажнился весенней капелью. Темный грунт хорошо поглощает солнечные лучи и прогревается.
В звездную ночь ранней весной
особенно холодно (Рисунок 30). Грунт под свесом крыши сильно промерзает. У плиты мерзлого грунта снизу вырастает выступ, который мощью самой плиты сильно уплотняет грунт под собой за счет того, что влажный грунт при замерзании расширяется. Силы подобного уплотнения грунта огромны.
Рисунок 30. Плита мерзлого грунта ночью:
1 – плита мерзлого грунта; 2 – граница промерзания; 3 – направление уплотнения грунта
Плита мерзлого грунта толщиной 1,5 м размерами 10×10 м будет весить более 200 т. Примерно с таким усилием и будет уплотняться грунт под выступом. После подобного воздействия глина под выступом «плиты» становится очень плотной и практически водонепроницаемой.
Наступил день
. Темный грунт у дома особенно сильно прогревается солнцем (Рисунок 31). С повышением влажности увеличивается и его теплопроводность. Граница промерзания поднимается (под выступом это происходит особенно быстро). С оттаиванием грунта уменьшается и его объем, грунт под опорой разрыхляется и по мере оттаивания падает под собственным весом пластами. Образуется множество щелей в грунте, которые заполняются сверху водой и взвесью глинистых частиц. Дом при этом удерживается силами сцепления фундамента с плитой мерзлого грунта и опорой по остальному периметру.
Рисунок 31. Плита мерзлого грунта днем:
1 – плита мерзлого грунта; 2 – граница промерзания (ночь); 3 – граница промерзания (день); 4 – полость оттаивания
С наступлением ночи
полости, заполненные водой, замерзают, увеличиваясь в объеме и превращаясь в так называемые «ледяные линзы». При амплитуде поднятия и опускания границы промерзания за одни сутки в 30 – 40 см толщина полости увеличится на 3 – 4 см. Вместе с увеличением объема линзы будет подниматься и наша опора. За несколько таких дней и ночей опора, если она не сильно загружена, поднимается порой на 10 – 15 см, как домкратом, опираясь на весьма сильно уплотненный грунт под плитой.
Возвращаясь к нашей плите, заметим, что ленточный фундамент нарушает целостность самой плиты. По боковой поверхности фундамента она разрезана, т. к. битумная обмазка, которой она покрывается, не создает хорошего сцепления фундамента с мерзлым грунтом. Плита мерзлого грунта, создавая своим выступом давление на грунт, сама начинает подниматься, а зона разлома плиты – раскрываться, заполняться влагой и частицами глины. Если лента заглублена ниже глубины промерзания, то плита поднимается, не беспокоя сам дом. Если же глубина заложения фундамента выше глубины промерзания, то давление мерзлого грунта поднимает фундамент, и тогда его разрушение неизбежно (Рисунок 32).
Рисунок 32. Плита мерзлого грунта с разломом по ленте фундамента:1 – плита; 2 – разлом
Интересно представить плиту мерзлого грунта, перевернутую вверх дном. Это относительно ровная поверхность, на которой ночью в некоторых местах (где нет снега) вырастают холмы, которые днем превращаются в озера. Если же теперь вернуть плиту в исходное положение, то как раз там, где были холмы, и создаются в грунте ледяные линзы. В этих местах грунт ниже глубины промерзания сильно уплотнен, а выше, наоборот, разрыхлен. Это явление происходит не только на площадях застройки, но и в любом другом месте, где присутствует неравномерность в прогреве грунта и в толщине снегового покрова. Именно по такой схеме в глинистых грунтах возникают ледяные линзы, хорошо известные специалистам. Природа возникновения глинистых линз в песчаных грунтах такая же, но протекают эти процессы существенно дольше.
Подъем мелкозаглубленного фундаментного столба
Подъем фундаментного столба мерзлым грунтом осуществляется при ежесуточном прохождении границы промерзания мимо его подошвы. Вот как этот процесс происходит.
Следует обратить внимание на то, что этот процесс подъема опор фундамента имеет ежесуточный (многократный) характер, а выдавливание опор силами сцепления с мерзлым грунтом – сезонный (один раз за сезон).
При большой вертикальной нагрузке, приходящейся на столб, грунт под опорой, сильно уплотненный давлением сверху, становится слабопучинистым, да и вода из-под самой опоры в процессе оттаивания мерзлого грунта выжимается сквозь тонкую его структуру. Поднятия опоры в этом случае практически не происходит.
Рисунок 33. Подъем фундаментного столба пучинистым грунтом;
А, В – верхний уровень границы промерзания; Б, Г – нижний уровень границы промерзания;1 – лента-ростверк; 2 – фундаментный столб; 3 – мерзлый грунт; 4 – верхнее положение границы промерзания; 5 – нижнее положение границы промерзания; 6 – смесь воды и глины; 7 – смесь льда и глины
Особенности пучинистых почв
Явление пучинистости происходит в грунтах, которые увеличивают объем в морозную погоду. Влага, впитавшаяся в слой земли, замерзает и расширяется. Лед выталкивает почвенные массы наружу. Второй тип вспучивания происходит из-за капиллярности влаги, перераспределенной в земельных слоях. По характеристикам увеличения объема почва классифицируется как слабопучинистая, среднепучинистая и сильнопучинистая. Больше всего подвержены поднятию глинистые земли и суглинки.
Тип строения зависит от характеристик грунта, т.к. некоторые деформируются на 17-25 см. Постройки из дерева выдерживают вспучивание до 5 см, а кирпичные – до 3 см. Для обустройства фундамента в зонах пучинистых, насыщенных влагой грунтах, необходимо руководствоваться нормативными приемами.
Меры против пучения
Сила пучения настолько велика, что способна поднять крупное здание. Поэтому на пучинистых грунтах проводят специальные мероприятия по снижению и предотвращению пучинистости. Можно выделить следующие меры, принимаемые против пучения грунтов:
Пучению подвержены все глинистые виды грунов.
Создание фундамента на большой глубине
Работа здесь идёт с готовыми изделиями: металлическими, либо асбестоцементными трубами. Фундамент может получиться с наличием арматуры или металлического стержня.
Схема фундамента при первом раскладе (с арматурой).
Внутри трубы заранее устраивается арматурный куст. Он также заливается бетоном. Арматура выходит за грани трубы примерно на 10-15 см. Так будет удобнее её приваривать к арматуре ростверка.
Место крепления трубы к блоку: её основание, контактирующие с ним. Здесь под углом в 45 градусов создаётся цементная стяжка.
Когда она полностью высыхает, и столб крепко зафиксирован на блоке, можно делать обратную засыпку. Здесь нужен ранее извлечённый грунт или грунт высоких характеристик касательно пучинистости.
Схема при втором раскладе
Внедрение трубы происходит, когда плита ещё высыхает. Монтаж получается в свежую плитную смесь.
Нужно, чтобы труба немного касалась плиты. Металлический сердечник должен углубиться на 10-15 см. Далее работа следует по такому же алгоритму, что и при первом раскладе.
Ранее было сказано, что в пучинистые грунты следует устраивать только столбчатые фундаменты. И это обоснованно следующими аргументами:
Особые свойства пучинистых грунтов
Особое свойство оснований, способных вспучиваться, заключается в значительном увеличении объема в результате зимнего промерзания.
Как определить пучинистые грунты? К основаниям, обладающим свойством вспучивания при промерзании, относятся только глинистые (в том числе суглинки) и песчаные грунты (пылеватые, мелкие и средней крупности). Гравелистые и крупные пески к пучинистым не относятся.
Песчаные, глинистые грунты и их разновидности обладают мелкопористой структурой, то есть состоят из мелких минеральных частиц, между которыми имеется множество мелких полостей. Эти полости или поры могут содержать влагу. При понижении температуры ниже нуля влага в грунте замерзает, превращаясь в лед, который, как известно, всегда увеличивается в объеме по сравнению с исходным объемом воды. В результате замерзания воды в порах и происходит увеличение всего объема основания, называемое морозным пучением.
Основания делятся по степени пучинистости, которая зависит от уровня или глубины, на которой залегают подземные воды. Для глинистых оснований еще имеет значение показатель текучести. Приводим следующую таблицу с градацией по степени пучинистости разных видов грунтов.
Мнение эксперта
Если в основании здания залегают грунты с пучинистыми свойствами, следует особенно тщательно подойти к выбору типа фундамента. Очень эффективной после многолетней практики применения зарекомендовала себя конструкция МзЛФ – об устройстве, армировании и расчете которого мы подробно рассказываем в статье«Мелкозаглубленный ленточный фундамент: расчёт глубины, подготовка основания, армирование своими руками и калькулятор расчётов ».
Помимо выбора наиболее подходящего типа фундамента при строительстве на пучинистых основаниях, необходимо предусматривать дополнительные мероприятия, направленные на предотвращение замачивания и промерзания: устройство дренажа, утепление отмостки, заполнение пазух уплотненным сыпучим материалом.
ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».
СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений».
Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83).
ВСН 29-85 Проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах.
