Оттаивание и охлаждение — характерная черта поднимающейся почвы, и обычно эти факторы выражены неравномерно. Например, почва на южной стороне быстрее оттаивает весной и медленнее замерзает зимой. Это приводит к деформации фундамента здания, а затем неизбежно к постепенному разрушению фундамента.
Что такое пучинистые грунты, методы их определения, выбор типа фундамента
Особенностью фундаментов, которые могут вспучиваться, является значительное увеличение объема в результате проникновения мороза зимой.
Как распознать набухающие почвы? Считается, что только глинистые почвы (включая суглинок) и песчаные почвы (пылеватые, мелкозернистые и среднезернистые почвы) способны набухать при морозе. Гравий и крупнозернистые пески не считаются способными к набуханию при морозе.
Песчаные, глинистые почвы и их разновидности имеют мелкозернистую структуру, т.е. состоят из мелких минеральных частиц с множеством мелких пустот между ними. В этих пустотах или порах может содержаться влага. Когда температура опускается ниже нуля, влага в почве замерзает и превращается в лед, который, как известно, всегда увеличивает свой объем по сравнению с первоначальным объемом воды. Замерзание воды в порах увеличивает общий объем фундамента, что называется морозным пучением.
Фундаменты различают по степени морозного пучения, которая зависит от высоты или глубины, на которой залегают грунтовые воды. Для глинистых оснований также важен индекс текучести. В следующей таблице приведена градация по степени пучения различных типов грунта.
- Основной показатель – это относительная деформация пучения Efh, которая определяется отношением величины подъема поверхности вспучивающегося основания к толщине промерзшего слоя.
- Показатель Z – это разница между величиной УГВ и глубиной сезонного промерзания, значение которой равно 1,2 м для отапливаемых зданий, и 1,5 м – для неотапливаемых зданий.
Если степень пучения грунтов различается по значениям Z и Jl (текучесть), то учитывается более высокое значение.
Так как фундаменты с поднятием проявляют свои негативные характеристики при условии насыщения водой, существует другой способ их классификации, учитывающий условия увлажнения фундаментов зданий в зависимости от типа грунта.
Другими словами, если фундамент классифицируется как слабо рыхлый по значениям Z и Jl, но участок расположен в долине или депрессии, то грунты следует классифицировать как очень рыхлые.
Таким образом, рыхлая почва — это песчаная или суглинистая почва, подверженная воздействию влаги и сезонному влиянию ледников.
Распространение пучинистых грунтов на территории России
Поскольку песчаные и глинистые почвы распространены повсеместно, можно предположить, что почти половина территории России покрыта почвами с рыхлыми характеристиками. К ним относятся:
- западные области РФ: Калининградская, Псковская и Ленинградская области и Республика Карелия;
- средняя полоса РФ: Владимирская, Калужская, Ивановская, Костромская, Рязанская, Московская, Смоленская, Тверская, Тамбовская, Тульская, Ярославская, Белгородская, Брянская, Вологодская, Воронежская, Кировская, Курская, Липецкая, Орловская, Пензенская, Самарская, Саратовская, Ульяновская области, Чувашская Республика;
- южные части Архангельской и Мурманской областей, Хабаровского края, Республики Якутия, Красноярского края, Иркутской и Тюменской области, Республики Коми;
- Амурская, Читинская, Новосибирская, Омская, Кемеровская области, Республики Бурятия, Коми, Тыва, Алтай, Свердловская область, Республики Татарстан и Башкортостан, Волгоградская область, Ростовская область, Республика Калмыкия;
- северные части Краснодарского и Ставропольского краев.
За исключением зоны вечной мерзлоты, которая охватывает большую часть Якутии, Красноярского края, Тюменской и Архангельской областей и Республики Коми. Зона вечной мерзлоты характеризуется тем, что земля там промерзает на глубину сотен метров, поэтому проблема мерзлоты не актуальна для этой зоны.
Аналогичным образом, проблема мороза неактуальна для районов, где грунт под зданиями состоит в основном из скальных и грубообломочных грунтов — так обстоит дело во всех республиках Северного Кавказа и в южной части Ставропольского края.
Проблема морозного пучения не существует даже в тех регионах, где фундаменты практически не промерзают, например, в южной части Краснодарского края и в Республике Дагестан.
Глубина проникновения мороза и уровень грунтовых вод являются решающими факторами, влияющими на степень возможного поднятия грунта. Например, в районах вблизи озера Байкал, где глубина льда может достигать 2,5 м, пучение поверхности может достигать 30-40 см, в то время как в Московской области, где глубина льда составляет 1,5 м, пучение поверхности составляет 15-18 см.
Влияние пучинистых грунтов на фундаменты
Подъем наледи приводит к значительному увеличению ее объема — величина подъема поверхности может достигать более двенадцати сантиметров. При этом возникают силы в несколько десятков тонн. Даже если опустить подвал ниже глубины сезонного промерзания, это не предотвратит негативного воздействия сил подъема, поскольку они действуют и на боковые поверхности.
Подъем грунта проявляется также в оседании фундамента после оттаивания подвала по мере потепления, то есть на конструкцию фундамента периодически воздействуют силы в нескольких направлениях.
Вес конструкции может компенсировать поднятие только в том случае, если здание высотой не менее трех этажей и имеет прочные бетонные или каменные стены. Для невысоких одно- или двухэтажных зданий, особенно с легкими конструкциями, такими как деревянные каркасные дома, легкобетонные блоки и кирпич, следует выбирать и рассчитывать специальный фундамент для поднимающихся грунтов.
Основной риск негативного воздействия подъемных сил заключается в их неравномерности. Различные части фундамента здания всегда находятся в разных условиях. Промерзание происходит только по периметру отапливаемого здания; ниже фундамента, на который опираются центральные стены, основание не промерзает.
Неравномерное проникновение инея под здание
Кроме того, периметр ограждающей конструкции здания промерзает неравномерно — больше на затененной северной стороне и меньше на солнечной. На скорость проникновения мороза также влияют толщина снежного покрова, архитектура здания и структурный характер участка.
Все эти факторы приводят к неравномерному действию мерзлотных нагрузок на различные части фундаментов и неравномерной деформации конструкций, что в худшем случае приводит к трещинам и другим повреждениям ограждающих и несущих конструкций здания, которые могут дойти до их разрушения.
Фундаменты на возвышенном грунте должны иметь особенности, которые позволяют минимизировать или устранить негативные последствия такого типа фундамента.
Что такое пучение грунта
Наклонные рамы, трещины в стенах и щели в рамах являются результатом воздействия деформации грунта на фундамент дома.
Деформационные нагрузки на фундамент возникают в результате сезонного промерзания почвы, известного как морозное пучение.
Рис. 1.1: Трещины в подвале — типичный признак действия сил морозного пучения на фундамент дома.
Морозное пучение — это изменение объема грунта, вызванное замерзанием грунтовых вод, которыми он насыщен.
Совет эксперта! Пучение объема грунта связано с тем, что номинальная плотность воды в жидком состоянии составляет 1000 кг на кубический метр, а плотность льда — 917 кг/м3.
При сезонных заморозках, согласно законам физики, масса жидкости после замерзания остается неизменной, но ее объем расширяется почти на 9 %. Это расширение вызывает давление влаги на почву — поскольку почва не может двигаться вниз из-за высокой плотности нижних слоев почвы, она движется вверх и поднимает фундамент здания.
Рисунок 1.2: Грунт, объем которого увеличился в результате морозного пучения
Существует два типа воздействия морозного пучения на фундамент дома:
- Вертикальное выталкивающее воздействие — происходит вследствие пучения слоев почвы, расположенных под основанием здания;
- Касательное пучение — это выталкивающее воздействие, которое происходит вследствие пучения грунта, контактирующего с боковыми стенками фундамента.
Какие виды почвы подвергаются пучению
Морозное пучение характерно для большинства типов почв, а следующие типы почв особенно подвержены этой проблеме:
- Песчаная почва;
- Суглинок;
- Супесь;
- Глиняный грунт.
Вышеперечисленные типы почвы имеют одну общую черту — они содержат мельчайшие частицы пыли. Та же песчаная почва, которая не содержит частиц пыли (гравий или крупный песок), практически не подвержена сезонному морозному пучению.
Совет эксперта! Наличие в почве пылевидных частиц способствует связыванию и удержанию почвой воды, которая с ней соприкасается (это могут быть осадки, поглощенные почвой, а также почвенная влага).
Водонасыщенный слой почвы при замерзании набухает (до 9-12% от первоначального объема) и давит на фундаменты зданий и сооружений, оказывая выталкивающее усилие.
Рисунок 1.3 : Влияние морозного пучения на плитные фундаменты.
Силы пучения грунта, вызванные морозом, могут быть усилены несколькими сопутствующими факторами, наиболее важным из которых являются постоянные атмосферные осадки. Если осенью регулярно идут дожди, то размягченная осадками почва оказывает большую деформационную нагрузку на фундамент. Повышение уровня грунтовых вод и их капиллярный подъем также можно отнести к факторам, увеличивающим плавучесть.
Совет эксперта! Более 82% всех грунтов в Москве и области относятся к категории поднимаемых.
При строительстве на поднимаемых грунтах требуются дополнительные меры по защите подвала от последствий поднятия грунта, которые мы рассмотрим более подробно в соответствующем разделе данной статьи.
Классификация грунтов в подпочве в соответствии с ГОСТ № 25100 приведена в таблице 1.1.
- Твердая глинистая почва;
- Гравелистые грунты не насыщенные водой;
- Пески крупных и средние;
- Грунты с большим содержанием горных пород.
- Глинистая почва средней плотности;
- Мелко-песчаные грунты;
- Пылеватая глинистая почва с вкраплением горных пород в пределах 10-30% от массы глины.
- Пластичная глинистая почва;
- Глинистая почва, суглинок и супесь с вкраплением горных пород свыше 30% от массы.
Грунты с высокой склонностью к пучению вследствие промерзания,
объемное расширение 7%.
- Мягкопластичная глининистая почва;
- Мелкие и пылеватые песчаные грунты с высоким уровнем грунтовых вод.
Таблица 1.1 : Классификация грунтов, отступающих из-за мороза.
Узнайте, почему свайные фундаменты помогают избежать проблем, вызванных морозным пучением: Узнайте
Чем пучение почвы опасно для фундамента
Во всех типах фундаментов — ленточных, плитных и свайных — опасен не только сам процесс пучения грунта, но и последствия его оттаивания.
Когда зимой температура опускается ниже нуля и грунт промерзает на глубину одного-двух метров, почва расширяется и начинает давить на фундамент здания. Происходит вертикальная деформация фундамента. Во время оттепели замерзшие грунтовые воды оттаивают, грунт теряет плотность и под действием веса здания уменьшается до объема на несколько сантиметров меньше первоначального — это вызывает дополнительную усадку фундамента.
Совет эксперта! Наиболее опасным для фундамента является неравномерное промерзание грунта, которое можно наблюдать при различной толщине снежного покрова — чем он толще, тем выше поднимается линия промерзания грунта и тем больший слой грунта подвержен риску промерзания.
Рисунок 1.4: Эффект пучения грунта из-за мороза
Строительная практика показывает, что на данном участке земли может наблюдаться чрезвычайно сложная картина промерзания и замерзания.
Например, грунт вокруг здания, находящегося на умеренно промерзающем грунте, может иметь глубину промерзания до 1,5 м с внешней стороны здания и подниматься на 10 см во время сезонных заморозков, в то время как грунт под домом всегда теплее и суше и может вообще не промерзать.
Это единственный способ решить проблему и предотвратить разрушение здания из-за мороза: см. ниже.
Неравномерное морозное пучение также может быть результатом таяния снега с южной стороны здания — земля, пропитанная влагой в результате таяния снега, при наступлении следующих морозов будет подвержена более сильным морозным воздействиям, чем земля с северной стороны здания.
Совет эксперта! В результате неравномерного пучения грунта, вызванного морозом, фундамент здания деформируется, то же самое произойдет и со стенами здания — деформация приведет к растрескиванию стен, здание деформируется, потеряет прочность и станет небезопасным.
Рисунок 1.5: Недостроенное здание разрушается из-за грунтового льда.
Наиболее сильное сезонное пучение из-за мороза наблюдается в легких зданиях из пенобетона, древесины или деревянных каркасных панелей. Причина в том, что масса здания не в состоянии компенсировать сдвигающие силы, действующие на фундамент.
Относительно тяжелое здание (например, кирпичный дом) давит на фундамент, и когда давление, вызванное весом строения, превышает давление продавливаемого грунта, грунт сжимается, поскольку не может расширяться, и эффект расширения сводится к минимуму.
Определяем пучинистый грунт или нет
К грунтам, на которые мороз оказывает давление, относятся глинистые грунты, пылеватые и мелкозернистые супесчаные грунты, а также крупнозернистые глинистые грунты и мелкозернистые супесчаные грунты с содержанием влаги более 10% выше определенного значения при наступлении морозов (см. таблицу выше).
Эта формулировка более проста для понимания:
Только почвы гарантированно не подвержены риску замерзания:
- пески средней крупности, крупные и гравелистые;
- щебенистые и крупнообломочные грунты с глинистым или мелкопесчаным заполнителем менее 10% (заполняет пустоты между камнями);
- скальные грунты (вода не проникает в них в достаточном количестве из-за отсутствия сообщающихся пор, и они имеют высокую плотность и прочность)
Для всех остальных почв (песчаных, суглинистых, глинистых, мелкозернистых и пылеватых песков, а также рыхлых и крупнозернистых конгломератных почв с суммой влаги более 10%) применяется то, что они могут быть либо рыхлыми, либо не рыхлыми, и от этого зависит:
- количества воды в грунте (влажности) – любой грунт в абсолютно сухом состоянии не проявит вообще никаких пучинистых свойств при промерзании (правда в природе бывают исключения), а вот при увлажнении глинистые грунты будут обладать неприятным свойством, о котором мы говорим. То есть один и тот же грунт может превратиться из непучинистого в средне-, сильно- и даже чрезмерно пучинистый если его как следует увлажнить (подъем грунтовых вод, протечка водопроводной сети и др. причины). Чем выше влажность, тем сильнее проявится пучение.
При проектировании фундамента на основаниях, состоящих из поднятых грунтов, следует учитывать возможность увеличения влажности грунта вследствие повышения уровня грунтовых вод, просачивания поверхностных вод и поверхностной инфильтрации. (СП 22.13330.2016 пункт 6.8.2.
- гранулометрического состава грунта – степень пучинистости увеличивается в основном с ростом количества (% по массе) частиц размером от 0,05 до 0,005 мм. Более крупные и, что интересно, более мелкие частицы оказывают на показатель пучинистости влияние в меньшей степени.
- Наличия и близости уровня грунтовых вод и соответственно возможности поступления в промерзающий грунт влаги по капиллярам.
Как отличить супесчаный суглинок от песка и глины по визуальным и косвенным признакам и вообще определить тип почвы, см. отдельную статью.
Физика процесса
Почему объем песка не увеличивается даже при насыщении? Почему разные грунты имеют разные индексы набухания?
Природа ледостава довольно сложна и многослойна. Многие знают, что при замерзании определенного количества воды образуется лед, который занимает больший объем и имеет меньшую плотность (917 кг/м3). Увеличение объема составляет около 9 %. Однако льдообразование в почве связано не только с этим свойством воды.
Если даже вся вода в порах почвы замерзнет, то увеличение объема составит не более 3…4 % (в замкнутой системе). В то же время объем естественной почвы при замерзании увеличивается на 10-50 и даже на 100 %. Промерзание почвы достигает таких значений за счет кристаллизации воды в порах почвы и поступления дополнительной влаги по капиллярам (миграция) во фронт промерзания из нижележащих, еще не промерзших слоев (открытая система). Это сопровождается резким увеличением влажности почвы и образованием льда в виде линз, прослоек, кристаллов и других структур.
Песчаные почвы с относительно крупными частицами не обеспечивают миграцию влаги при замерзании из-за отсутствия узких капилляров и малой поверхности смачивания, а наоборот, создают условия для «сжатия» влаги в сторону еще не замерзших слоев, так что увеличения объема при замерзании практически не происходит даже при полном водонасыщении. Очень мелкие частицы размером менее 0,005 мм также затрудняют миграцию воды и уменьшают набухание.
Таким образом, влияние оказывают не только начальное содержание влаги и распределение частиц по размерам, но и пористость, капиллярная проницаемость, количество связанной воды, химический состав и ряд других факторов.
Физика процесса подробно рассматривается в статьеподробно рассматривается в отдельной статье.
Глубина и скорость промерзания грунта
Одним из наиболее важных факторов, определяющих степень поверхностного пучения (морозного пучения) при замерзании почвы, является глубина и скорость замерзания.
Глубина и скорость промерзания грунта зависит от значений отрицательных температур наружного воздуха зимой, продолжительности зимнего периода, толщины и плотности снежного покрова, теплопроводности грунта, наличия изолирующего покрытия (как естественного, например, слоев мха или торфа, так и искусственного), интенсивности солнечной радиации и перехода от замерзания к оттаиванию
В официальных документах по проектированию фундаментов учитывается только глубина проникновения мороза в грунт. Эта величина рассчитывается по формулам, которые зависят от среднемесячных температур в холодное время года и может сильно варьироваться в зависимости от местности и условий: от 0 до 6 метров.
Влияние глубины и скорости промерзания на фундаменты и основания, а также методы, используемые для расчета этих параметров, более подробно представлены в разделеподробно рассматривается в отдельной статье.
Принципы устройства фундамента на пучинистых грунтах
Из вышесказанного ясно, что результат возведения легкого здания на заглубленном фундаменте на возвышенном грунте не всегда может быть правильным.
В результате здание может оказаться очень восприимчивым к силам морозного пучения, а стоимость строительства такого нефункционального фундамента может оказаться довольно высокой. Однако, если вы решили построить кирпичное здание, имеет смысл использовать фундаменты, заглубленные под ГСН.
Мы приведем несколько примеров и попытаемся определить тип фундамента, который подходит для таких условий:
- Тяжелый дом . Здание из пенобетона, кирпича или других подобных материалов, высотой в 3-5 этажей. В этом случае целесообразно использовать фундаменты, которые будут углублены. Решающим условием является УГВ. При очень низком уровне грунтовых вод можно построить заглубленный фундамент, находящийся ниже того уровня, до которого промерзает почва. Это следующие типы фундаментов: ленточный, свайный, плитный. Если геологи обнаружат высокий уровень промерзания и дренаж основания здания не могут позволить выполнить снижение уровня грунтовых вод, то возможен вариант малозаглубленного фундамента, то есть заливают железобетонную плиту.
- Легкий дом . Это, в основном, постройки из бруса. В этом случае подходят фундаменты, которые заглублены на малую глубину. Допустимо залить армированную плиту или мелкозаглубленный ленточный фундамент. Второй вариант будет менее затратным. Важный момент заключается в создании жесткой конструкции, которая будет воспринимать местные деформации и распределять их равномерно на здание.
Не упускайте из виду возможность замены погруженного грунта на грунт с лучшими свойствами. Часто проще создать условия, при которых подверженные промерзанию грунты перестают проявлять свои недостатки, чем строить на таких грунтах. Эти условия могут быть достигнуты путем изменения глубины промерзания почвы на более низкое значение, размещения изоляции по периметру строящегося дома и создания дренажной системы.
Условия строительства в каждом регионе индивидуальны и значительно различаются в зависимости от страны. В любом случае, проведите геологические изыскания, узнайте характеристики грунта в местности, которую вы выбрали для строительства, и только после этого приступайте к возведению дома.
Чем отличаются пучинистые и непучинистые основания
Согласно ГОСТ 25100-2011, существует 5 групп грунтов, различающихся по частоте промерзания:
- Чрезмерно пучинистые (уровень расширения грунта составляет более 12%);
- Сильнопучинистые – 12%;
- Среднепучинистые – порядка 8%;
- Слабопучинистые – около 4%;
- Непучинистые – менее 4%.
Последняя группа считается условно пригодной, так как почвы, не содержащие воду, в природе практически не встречаются. К таким почвам можно отнести только гранит и крупнозернистые породы, но в наших условиях такие почвы встречаются очень редко.
Когда мы говорим о том, что такое верхний слой почвы и как его распознать, мы должны учитывать его состав и подземный слой грунтовых вод.
Как самостоятельно определить степень пучения грунта
Чтобы узнать у себя дома, есть ли на вашем участке верхний слой почвы, самый простой способ — выкопать яму глубиной около 2 метров (вертикальный котлован) и подождать несколько дней. Если на дне ямы не видно воды, следует пробурить еще одну яму глубиной 1,5 метра (садовым буром). Если в яме появилась вода, измерьте расстояние от уровня грунтовых вод до поверхности земли с помощью метра.
Для определения типа почвы достаточно визуального осмотра почвы. На основании этих данных можно сделать приблизительные выводы о степени расширения почвы в холодное время года.
Если почва слабая, то уровень грунтовых вод находится ниже расчетной глубины промерзания. Это значение напрямую зависит от типа почвы:
- пылеватые пески – 0,5 м;
- супеси – не более 1,0 м;
- суглинки – 1,5 м;
- глина – 2 м.
Если почва умеренно рыхлая, уровень грунтовых вод будет немного ниже глубины промерзания:
- 0,5 м, если преобладают супеси;
- 1,0 м – суглинки;
- 1,5 – глина.
Если почва сильно волнистая, уровень грунтовых вод будет на некоторое время ниже:
- 0,3 м – если почва в основном состоит из супеси;
- 0,7 м – суглинка;
- 1,0 м – глины.
Если глинистые и суглинистые почвы находятся достаточно близко к расчетной глубине промерзания, это не лучшая основа для мелкозаглубленного фундамента. Однако это не означает, что на таких почвах нельзя строить.
Как решить проблему пучинистых почв
Существует множество способов уменьшить степень морозного пучения почвы. Рассмотрим наиболее распространенные из них.
Замена грунта
Замена рыхлой почвы считается наиболее трудоемкой и дорогостоящей процедурой, так как почва на участке будущего строительства должна быть полностью удалена. Затем он заполняется новым грунтом или крупнозернистым песком и гравием, а на рыхлую почву устанавливается фундамент.
Утяжеление здания
Чем меньше вес здания, тем меньше вероятность того, что грунт будет продавливаться из-за расширения почвы в холодное время года. Чтобы избежать такой возможности, целесообразно строить более массивные здания. Однако это также приводит к значительному финансовому обременению.
Возведение плитного фундамента
Чтобы увеличить вес здания и избежать давления грунта, в качестве фундамента для дома можно установить фундаментную плиту. Цельная монолитная плита высотой более 20 см, заглубленная в грунт, подвержена воздействию подъемных сил, вызванных морозом, но в этом случае она просто равномерно поднимается зимой и возвращается в исходное положение при повышении температуры воздуха.
Технически построить плитный фундамент несложно (трудности могут возникнуть только с армированием), но такой фундамент также стоит немалых денег.
Установка свайного фундамента
Если вы хотите уложиться в бюджет, самый дешевый вариант — свайный фундамент. Однако следует помнить, что такие конструкции подходят только для легких домов (каркасные дома, конструкции из ДСП и т.д.)
Свайный фундамент подходит в качестве основания:
- винтовые сваи, которые вкручиваются в почву чуть ниже уровня промерзания;
- армированные конструкции (в этом случае необходимо подготовить скважины и установить в них стержни, обмотанные рубероидом и металлическим каркасом).
После установки свай элементы соединяются между собой плитами или балками распределения нагрузки (ростверками), которые укладываются по периметру будущего строения и утепляются пенопластом или пенополистиролом.
Некоторые производители изготавливают кладочные пирсы высотой до 60 см и глубиной около 15 см на почвах, подверженных вечной мерзлоте, но такие фундаменты подходят только для беседок, летних кухонь и других нежилых построек.
Постоянное отопление дома
Если сравнить температуру почвы под отапливаемым и неотапливаемым домом, то температура в отапливаемом доме почти на 20 % выше. Таким образом, если здание используется и отапливается круглый год, промерзание почвы сводится к минимуму.
Дренаж грунта
Чтобы избежать набухания почвы, можно уменьшить содержание воды в почве. Для этого на некотором расстоянии от здания необходимо соорудить дренажный колодец. Чтобы построить такую систему, необходимо
- Вырыть траншею вокруг дома.
- Заложить в нее трубы с небольшими отверстиями по бокам. Чтобы вода от дома отводилась самотеком, необходимо укладывать трубы под небольшим уклоном по направлению к дренажному колодцу. Соответственно, чем ближе к колодцу расположен трубопровод, тем глубже он закладывается.
- Обсыпать трубы гравием и покрыть геотекстилем.
