Динамика пучинистых грунтов

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.

Происходит это из-за того, что вода увеличивается в объеме при замерзании на 12% (отчего лед и плавает по воде). Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он бо­лее пучинистый. Так, подмосковный лес, стоящий на сильно пучинистых грунтах, зимой поднимается на 5... 10 см относительно летнего своего уровня. Внешне это не­заметно. Но если в грунт забита свая более чем на 3 м, то подъем грунта зимой мож­но отследить по отметкам, сделанным на этой свае. Подъем грунта в лесу мог бы быть в 1,5 раза больше, если бы в нем не было снегового покрова, прикрывающего грунт от промерзания.

Степень пучинистости грунта

Грунты по степени пучинистости делятся на:

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 пучинистым грунтам, а крупнозернистые песчаные и гравийные грун­ты - к непучинистым.

Рассмотрим, с чем это связано.

Во-первых.

В гминах 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.

Поднятие воды может достигать:

В связи с этим степень пучинистости грунта зависит как от своего зернового со­става, так и от уровня грунтовых или паводковых вод.

Слабопучинистый грунт - когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:

Среднепучинистый грунт - когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:

Сильнопучинистый грунт - когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:

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.

Во-вторых.

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 (рис. 1).

Рис. 1

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 (рис. 2).

Рис. 2

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.

В-третьих.

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.

Пример В Подмосковье (глубина промерзания 1,4 м) на среднепучинистом грунте на мелкозаглубленном ленточном фундаменте с глубиной заложения 0,7 м возведен относи­тельно легкий брусовой дом. При полном промерзании грунта внешние стены дома мо­гут подняться почти на 6 см (рис. 3, а). Если же фундамент под тем же домом с той же глубиной заложения выполнен столбчатым, то давление на грунт будет больше, его уплотнение будет сильнее, отчего подъем стен от промерзания грунта не превысит 2..3 см (рис. 3, б).

Рис. 3

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

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 (рис. 4).

Рис. 4

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 (рис. 5).

Морозопродолжительность для каждого региона является среднестатистичес­ким параметром, оценивать который индивидуальному застройщику очень сложно, т.к. это потребует ежечасного контроля над температурой воздуха в течение всего хо­лодного сезона. Тем не менее, в крайне приближенном расчете это сделать можно.

Рис. 5

Пример 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 дленного 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.

Из опыта Весной, 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 (рис. 5).

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.

Силы бокового сцепления

Силы бокового сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента - другая сторона проявления пучинистых явлений. Эти силы весьма высоки и могут достигать 5...7 т на квадратный метр боковой поверхности фундамента. Подобные силы возникают, если поверхность столба неровная и не имеет гидроизолирующего покрытия. При таком крепком сцеплении мерзлого грунта с бетоном на столб диаме­тром 25 см, заложенный на глубину 1,5 м, будет действовать вертикальная выталки­вающая сила до 8 т.

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 (рис. 6, а). При небольшом весе самого строения силы морозного пуче­ния могут его поднять, и самым непредсказуемым образом.

Рис. 6

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.

Эту силу можно уменьшить в 4...6 раз, сгладив поверхность скважины толевой рубашкой, вложенной в скважину до заполнения её бетонной смесью.

Заглубленный ленточный фундамент может подняться таким же образом, если он не имеет гладкую боковую поверхность и не загружен сверху тяжелым домом или бетонными перекрытиями.

Основное правило для заглубленных ленточных и столбчатых фундаментов (без расширения внизу): возведение фундамента и загрузку его весом дома сле­дует выполнить в один сезон.

Фундаментный столб, выполненный по технологии ТИСЭ (рис. 6, б), не под­нимается силами сцепления пучинистого мерзлого грунта благодаря нижнему рас­ширению столба. Однако если не предполагается в этот же сезон загрузить, его до­мом, то такой столб должен иметь надежное армирование (4 прутка диаметром 10...12 мм), исключающее отрыв расширенной части столба от цилиндрической. Не­сомненные преимущества опоры ТИСЭ - высокая несущая способность и то, что его можно оставить на зиму без загрузки сверху. Никакие силы морозного пучения его не поднимут.

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.

Из практики 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 (рис.7).

Рис. 7

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 грунта

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 (рис. 8). 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.

Рис. 8

 Плита мерзлого грунта толщиной 1,5 м размерами 10x10 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 (рис. 9). 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.

Рис. 9

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 (рис. 10).

Рис. 10

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.

До того момента, пока граница промерзания грунта не опустилась ниже опор­ной поверхности столба, сама опора неподвижна (рис. 11, а). Как только граница промерзания опускается ниже подошвы фундамента, "домкрат" пучинистых процес­сов сразу включается в работу. Пласт мерзлого грунта, находящегося под опорой, увеличившись в объеме, поднимает её (рис. 11, б). Силы морозного пучения в водонасыщенных грунтах весьма высоки и достигают 10...15 т/м². С очередным прогре­вом пласт мерзлого грунта под опорой оттаивает и уменьшается в объеме на 10%. Са­ма опора удерживается в поднятом положении силами своего сцепления с плитой мерзлого грунта. В образовавшийся зазор под подошвой опоры просачивается вода с частицами грунта (рис. 11, в). Со следующим понижением границы промерзания вода в полости замерзает, а пласт мерзлого грунта под опорой, увеличиваясь в объе­ме, продолжает подъем фундаментного столба (рис. 11, г).

Рис. 11

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.