Для малоэтажных зданий с малонагруженными фундаментами необходимо принимать меры, направленные на снижение сил морозного пучения. В целях уменьшения воздействия касательных сил пучения, возникающих при смерзании грунтов засыпки с поверхностью фундаментов, следует:

• Возводить фундаменты простейших форм с минимальной площадью поперечного сечения;
• Предпочтение отдавать столбчатым или свайным фундаментам с фундаментными балками;
• Уменьшать площадь смерзания грунта с фундаментами;
• Обеспечивать заанкеривание фундаментов в слое грунта ниже отметки сезонного промерзания;
• Снижать глубину промерзания грунта около фундаментов теплоизоляционными материалами;
• Применять обмазки и обертки;
• Проводить соответствующие мероприятия по увеличению нагрузок для компенсации касательных сил пучения;
• Производить полную или частичную замену пучинистого грунта непучинистым.

При строительстве малоэтажных зданий энергетического и сельскохозяйственного назначения (см. фундамент загородного дома) на пучинистых грунтах применяют железобетонные фундаменты в виде плит или лежней без заглубления. Этот способ значительно удешевляет строительство и, как показала экспериментальная проверка, обеспечивает эксплуатационную пригодность зданий и технологического оборудования. При этом полностью исключается воздействие касательных сил морозного пучения.

В качестве лежней можно использовать железобетонные балки, панели перекрытий, дорожные и аэродромные плиты , сваи и т. п. Лежни и плиты укладывают на выровненную песчаную подготовку толщиной 150-200 мм.

При монолитном исполнении подобных фундаментов рекомендуется перед бетонированием уложить на песчаную подготовку водонепроницаемую пленку для устранения утечки из бетона цементного молока. Обычно для армирования плит толщиной 150-200 мм, под жилой одноэтажный кирпичный дом требуется двойная арматура диаметром 10-12 мм с шагом 200-250 мм плюс армированный пояс в уровне низа перекрытия над первым этажом из 3-4 стержней диаметром 10 мм. (см. рис. 1).

Интересны решения по устройству конструкций "нулевого" цикла по финской технологии (например, фирмы PAROC) с теплоизоляцией основания из плитного пенопласта. Примером устройства таких фундаментов может служить один из коттеджей в г. Зеленогорске (Ленинградская обл.). Грунты основания здесь представлены пылеватыми песками (плывунами), уровень подземных вод примерно на 1 м ниже нулевой отметки. Нормативная глубина промерзания 1,4 м. Здание одноэтажное, с мансардным этажом. Стены из пенобетона толщиной 300 мм, перекрытия по деревянным балкам. В зимний период здание может находиться некоторое время без отопления. Здесь, с целью демонстрации различных приемов, условно изображено гораздо больше противопучинных мероприятий, чем в реальном проекте (см. рис. 2).

Заслуживает внимания решение для легких зданий (щитовых домиков), когда необходимо прорезать значительную толщу слабых водонасыщенных грунтов (см. рис. 3). Такие фундаменты имеют гладкую поверхность, что позволяет успешнее справляться с возникающими касательными силами пучения, и глубину заложения ниже отметки промерзания, что исключает влияние нормальных сил пучения. Снижение касательных сил пучения может быть достигнуто обмазками или заменой верхнего слоя на другой, менее активный при пучении грунт, т. е. возможны варианты.

Все вышеизложенное не претендует на абсолютную полноту информации по данной проблеме. Автор стремился вкратце напомнить о существовании методов и приемов, которые выработаны практикой проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

Морозное пучение грунтов представляет серьезную опасность всем строениям, опирающимся на грунт. Особенно страдают от вспучиваниия малоэтажные дома, легкие конструкции, дороги. Пучение возникает вследствие замерзания воды. Расширяясь, грунт выдавливает из себя конструкции, деформирует их, уровень почвы при этом поднимается.

Какие силы действуют на строения

На строения заглубленные в почву воздействуют несколько разнонаправленных усилий:

• нормальные — направленые снизу вверх на подошву конструкции,
• перпендикулярные – действуют в горизонтальной плоскости,
• касательные – силы трения при поднятии или опускании грунтов.

Величина усилий воздействия зависит от степени увлажненности грунтов, их состава, может весьма различаться, по длине даже одного фундамента. Это только увеличивает опасность, так как происходит неравномерное выдавливание или изгибание конструкции, что приводит к ее разлому.

Какие грунты пучат

На территории России до 80% площадей составляют пучащие грунты. Поэтому проблема борьбы с морозным пучением актуальна для ранее построенных зданий без надлежащего утепления земли прилегающей к фундаменту.

К пучению склонны все грунты содержащие в себе глину – глины, сугленки, супеси, пески с пылевато-глинистыми частицами. Именно глина содержит в себе связную воду. К непучащим относятся только крупные и средние пески.

Характерные повреждения – трещины в фундаментах и стенах, перекос дверных и оконных проемов, вспучивание дорожек с невозможностью открыть дверь, перекос легких конструкций возле дома. В худшем случае – разрушение стен.

Утепление грунта – основной метод борьбы с пучением

Основной метод борьбы с морозным пучением почвы заключается в утеплении грунта. Листы теплоизолятора создают повышенное сопротивление тепловому потоку, в результате холод, идущий с поверхности не сможет заморозить слои под утеплителем, так как туда будет постоянно поступать тепло с земли, из здания через фундамент.

Ранее применяемые мероприятия по засыпке конструкций песчаной подушкой толщиной до 0,5 метра, с ограждением ее холстом против заиливания, с отводом воды дренажами, можно считать полезными и в дополнение к современному утеплению грунта.

Оптимальным утеплительным материалом, способным находиться в грунте в незащищенном состоянии является экструдированный пенополистирол. Он достаточно крепкий и не впитывает воду. Применяются марки с плотностью 35 кг/м куб. Для утепления под дорогами, по которым движется автомобиль, – 50 кг/м куб.

Размеры утеплителя

Какая толщина утеплителя необходима для эффективного утепления грунта? Согласно рекомендациям специалистов, проводивших тепловые расчеты и основываясь на опыте эксплуатации утепленных отмосток возле домов, минимальная толщина утеплителя экструдированный пенополистирол равна 50 мм. Но вокруг углов здания (на протяжении 2 м от угла), где суммируется холод, нужно двойная толщина.

Рекомендуется, чтобы ширина утепления положенному по уровню поверхности почвы была не меньше чем глубина промерзания. Это обеспечит достаточную ширину полосы с положительной температурой. Но типовыми конструкциями мелкозаглубленных утепленных фундаментов предусматривается закладка горизонтальной теплоизоляции на уровне подошвы фундамента — 0,4 — 0,5 метра заглубления, при этом ширина полосы утепления значительно уже и определяется расчетом. Широкий же котлован поверху засыпается обратно не пучащим мелким материалом.

Конструкция теплоизоляции

Листы утеплителя экструдированый пенополистирол должны соединяться между собой в паз, их необходимо укладывать вплотную к утеплению фундамента.

Полоса укладывается с наклоном в 2 – 3% от фундамента, что бы обеспечивался сток воды от дома. Часто по краю утепления в грунте укладывается и дренаж, который отводит воду от фундамента.

Делается траншея глубиной 0,5 – 0,6 метра. Дно траншеи засыпается песком 10 – 20 см толщиной, которым формируется и уклон в сторону от дома.

На песок укладываются листы экструдированного пенополистирола, накрываются гидроизолятором. Утеплитель засыпается песчаной подушкой толщиной минимум 20см. Поверху на подушку укладываются штучный материал для дорожек, которым оформляется отмостка вокруг дома. Бетонировать отмостку не рекомендуется, ввиду ненадежности такой отделки.

Утепление грунта под легкими пристройками и дорогами

Очень часто необходимо утеплять грунт под всякого рода пристройками к дому – верандой, террасой, лестницей с крыльцом, подъездной дорожкой к гаражу и т.п. Эти все строения нуждаются в защите от морозного пучения. Утепление грунта производится по аналогии, как и возле фундамента. Но в данном случае строения не отапливаются, замораживаются зимой, поэтому грунт нужно утеплять под всей их площадью.

Делается котлован на глубину до 0,6 метров от подошвы конструкции и шириной большей на глубину промерзания в каждую сторону (расчетное уширение).

На дно котлована укладывается песчаная подсыпка, которой и формируется сток воды в нужную сторону (обычно от центра конструкции). Листы утеплителя укладываются на подсыпку, накрываются гидроизоляционным материалом, сверху делается песчано-гравийная подсыпка толщиной от 300 мм, которой формируется подушка для перераспределения точечных давлений. Иногда с этой целью закладываются готовые ж/б блоки, или делается заливка легкого фундамента.

Термоизоляция трубопроводов

Обычно трубопроводы утепляют скорлупой из пенополистирола экструдированного. Но этот метод плох тем, что если в трубопровод перестанет поступать теплая вода (энергия), то он все равно замерзнет в замороженном грунте, какой бы толщины скорлупа не была.

Трубопровод заложенный не глубоко (ниже половины глубины промерзания) можно обогреть энергией земли, если утеплить целый участок грунта по аналогии с приведенными выше примерами.
Полоса утеплителя закладывается на половине глубины от расположения трубопровода, а ширина листов должна быть расчетной. Но целесообразность таких действий по сравнению с глубоким расположением трубопровода должна определяться расчетом, впрочем, надежней всегда располагать трубопровод ниже глубины промерзания грунтов. Ширину траншеи можно немного уменьшить, если сделать из утеплителя полукороб – с боковыми гранями небольшой высоты.

Утепление грунтов в последнее время получило самое широкое распространение, и являются основным способом предотвращения воздействия морозного пучения на строения.

7.2. В целях обеспечения сохранности отмосток и их теплоизоляционного эффекта рекомендуется вместо отмосток на теплоизоляционных подушках применять для отмосток керамзитобетон с объемным весом в сухом состоянии от 800 до 1000 кгс/м 3 при расчетной величине коэффициента теплопроводности соответственно в сухом состоянии 0,2-0,17 и в водонасыщенном 0,3-0,25 ккал/м·ч·°С.

Укладку отмостки из керамзитобетона следует производить только после тщательного уплотнения и планировки грунта возле фундаментов у наружных стен.

Керамзитобетонную отмостку желательно укладывать на поверхность грунта с расчетом меньшего ее водонасыщения. Не следует укладывать керамзитобетон в открытое в грунте корыто на толщину отмостки. Если же по конструктивным особенностям этого избежать нельзя, то необходимо предусмотреть дренажные воронки для отвода воды из-под керамзитобетонной отмостки.

Конструкция керамзитобетонной отмостки принимается простейшей формы в виде ленты, размеры которой назначаются в зависимости от расчетной глубины промерзания грунта по табл. 5.

Таблица 5

По данным экспериментальной проверки теплоизоляционного эффекта отмостки на керамзитовой подушке толщиной 0,2 м и шириной 1,5 м глубина промерзания грунта у ограждения зимних теплиц уменьшалась в 3 раза и коэффициент теплового влияния отапливаемой теплицы с отмосткой на керамзитовой подушке m t получен в среднем 0,269.

В такой же экспериментальной проверке на строительных объектах нуждаются предлагаемые размеры керамзитобетонных отмосток и конструкций незаглубляемых и малозаглубляемых железобетонных фундаментов на керамзите для временных зданий и сооружений строительных баз теплоэлектростанций.

8. Указания к производству строительных работ по нулевому циклу

8.1. К производству работ нулевого цикла предъявляются следующие требования: избегать избыточного водонасыщения пучинистых грунтов в основании фундаментов, предохранять их от промерзания в период строительства и своевременно оканчивать земляные работы по засыпке пазух и планировке площадки вокруг строящегося здания.

В практике строительства иногда на пониженных площадках применяется подсыпка грунта при помощи рефулирования со дна водоема мелкозернистого или пылеватого песка. Поскольку гидромониторами песок вместе с водой выливается из труб на площадку (с которой вода скатывается, а грунт оседает), следует предусмотреть дренирование песчаного намытого слоя в целях его самоуплотнения и снижения водонасыщения.

Обычно намытые мелкие и пылеватые пески долгое время находятся в водонасыщеном состоянии, поэтому такие грунты при промерзании оказываются сильнопучинистыми и в то же время слабоуплотненными.

При использования рефулированных грунтов в качестве естественных оснований нельзя допускать промерзания грунтов под фундаментами и укладывать фундаменты на промороженный грунт даже для малоэтажных зданий.

Там, где здания уже построены или находятся в стадии строительства, не следует допускать намыв пучинистых грунтов ближе 3 м от фундаментов наружных стен.

Способ производства земляных работ с применением гидромеханизации безвредно можно применять в южных районах нашей страны, где нормативная глубина промерзания грунтов не более 70-80 см, а также при непучинистых грунтах по всей территории СССР. Но на площадках, сложенных пучинистыми грунтами, разработку грунтов при помощи гидромеханизации производить не следует, так как этот способ водонасыщает грунты, что нарушает требования п.п. 3.36-3.38, 3.40 и 3.41 главы СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений о предохранении грунтов от избыточного водонасыщения поверхностными водами. Категорического запрещения в применении разработки грунтов способом гидромеханизации в принципе нет, но при этом способе нужно предпринять необходимые гидромелиоративные мероприятия по осушению грунтов в основании фундаментов я дать надлежащие технико-экономические обоснования.

8.2. При устройстве фундаментов на пучинистых грунтах необходимо стремиться при рытье котлованов землеройными механизмами к соблюдению требований действующих нормативно-технических документов на производство и приемку земляных работ. Следует отрывать траншеи для укладки ленточных сборных и монолитных фундаментов небольшой ширины с тем расчетом, чтобы ширину пазух можно было перекрыть отмасткой или гидроизоляционным экраном. После монтажа сборных фундаментов или укладки бетона в монолитный фундамент следует немедленно произвести обратную засыпку пазух с тщательным уплотнением грунта и обеспечением стока от скопления поверхностных вод вокруг здания, не дожидаясь окончательной планировки площадки и укладки отмосток.

8.3. Открытые котлованы и траншеи не следует оставлять на длительное время до установки в них фундаментов, так как большой разрыв во времени между открытием котлованов и укладкой в них фундаментов в большинстве случаев приводит к резкому ухудшению грунтов в основании фундаментов вследствие периодического или постоянного затопления дна котлована водой. На пучинистых грунтах к вскрытию котлована следует приступать только тогда, когда на строительную площадку завезены фундаментные блоки и все необходимые материалы и потребное оборудование.

Все работы по укладке фундаментов и засыпке пазух желательно выполнять в летний период, когда работы можно производить быстро и с высоким качеством при сравнительно невысокой стоимости земляных работ. Сезонность производства работ по нулевому циклу на пучинистых грунтах было бы полезно соблюдать.

При необходимости вскрытия котлованов и траншей на глубину больше 1 м в зимнее время, когда грунт находится в твердо-мерзлом состоянии, часто приходится прибегать к искусственному оттаиванию грунта различными способами, что ускоряет выполнение земляные работ и не ухудшает строительные свойства грунтов в основании фундаментов. Не следует применять оттаивание пучинистых грунтов путем пуска водяного пара в пробуренные скважины, так как при этом резко повышается влажность грунта за счет конденсата водяного пара.

8.4. Засыпку пазух надлежит выполнять после окончания бетонирования монолитных фундаментов и после укладки цокольного перекрытия при сборно-блочных фундаментах. Следует иметь в виду, что засыпка пазух возле фундаментов бульдозером не обеспечивает надлежащего уплотнения грунта и вследствие этого происходит аккумуляция большого количества поверхностных вод, которые неравномерно водонасыщают грунты возле фундаментов и при замерзании создают благоприятные условия для деформации фундаментов и надфундаментного строения касательными силами морозного выпучивания. Еще хуже бывает, когда засыпка пазух выполняется в зимнее время мерзлым грунтом и без уплотнения. Уложенная отместка возле фундаментов обычно проваливается после оттаивания и самоуплотнения грунта в пазухах.

Пазухи надлежит засыпать тем же талым грунтом с тщательным послойным уплотнением.

Применение механизмов для уплотнения грунта при засыпке пазух затрудняется из-за наличия цокольных стенок, создающих стесненные условия для работы механизмов.

8.5. Согласно требованию главы СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений надлежит применять мероприятия по предотвращению промерзания пучинистого грунта ниже подошвы фундамента в период строительства.

В случае перезимования уложенных фундаментов и плит не следует забывать о предохранении грунтов от промерзания, особенно когда фундаменты будут нагружаться при кладке или монтаже стен здания до оттаивания грунтов ниже подошвы, фундаментов. В целях предохранения грунтов от замерзания в основании фундаментов применяют различные способы, начиная с засыпки грунтом и кончая покрытием фундаментов и плит теплоизоляционными материалами. Отложения снега являются также хорошим теплоизолирующим материалом и его можно использовать в качестве теплоизолятора.

Железобетонные плиты, толщиной более 0,3 м на сильнопучинистых грунтах должны быть укрыты при нормативной глубине промерзания более 1,5 м минеральными плитами в один слой, шлаковатными магами или керамзитом с объемным весом 500 кгс/м 3 и коэффициентом теплопроводности 0,18 слоем 15-20 см.

Если здание возведено, а грунты в основании фундаментов находятся в мерзлом состоянии, то необходимо позаботиться об обеспечении равномерного оттаивания грунтов под подошвой фундамента путем укладки теплоизоляционных покрытий с наружных сторон фундаментов и обогревом грунтов внутри здания, для чего можно использовать электроэнергию или нагревание воздуха в подполье калориферами и временными отопительными печами.

Стены зимней кладки для равномерного оттаивания с южной стороны приходится завешивать рогожами, щитами, толем, фанерой или соломенными матами для защиты от обрушения при быстром и неравномерном оттаивании.

В качестве теплоизоляции на период оттаивания грунтов возле фундаментов снаружи здания на 1-1,5 месяца с южной стороны можно применить складирование бетонных блоков, кирпича, щебня, песка, керамзита и других материалов.

Из-за неравномерного оттаивания грунтов под наружными и внутренними поперечными несущими стенами происходит образование сквозных трещин под и над проемами на поперечной внутренней несущей стене. Эти трещины обычно расширяются и иногда вверху доходят до десятков сантиметров, при этом у наружных продольных стен наблюдается крен с отклонением верхней части в сторону от здания. При больших кренах приходится разбирать значительные участки наружных и внутренних стен.

Крен наружных стен часто образуется в процессе промерзания грунта в январе-марте, когда фундаменты наружных стен заложены на расчетную глубину промерзания грунта, а под внутренние несущие стены фундаменты заложены мелко (на половину или даже одну треть от нормативной глубины промерзания грунтов).

Под действием нормальных сил морозного пучения грунтов на подошву фундаментов внутренних несущих стен также появляются расширяющиеся кверху сквозные трещины, при этом верх наружных стен заметно отклоняется от вертикали. Крем наружных стен зависит от высоты поднятия внутренней каменной стены и ширины раскрытия одной или двух трещин на верху внутренней стены.

8.6. При первом обнаружении хотя бы мелких волосяных трещин на стенах каменных зданий необходимо установить причину их появления и принять меры по прекращению расширения этих трещин. Если трещины появились под действием нормальных сил морозного пучения, то нельзя допускать заделки этих трещин цементным раствором. Основным мероприятием в данном случае будет оттаивание грунта внутри здания под фундаментами внутренних несущих стен, что вызовет осадку фундамента и трещины закроются частично или полностью. От продолжения возведения стен или монтажа сборных домов при промороженном основании следует воздержаться до полного оттаивания грунтов под фундаментами и до стабилизации осадки фундаментов после оттаивания грунтов.

8.7. На строительных площадках во время производства работ грунты в основании локально водонасыщаются от утечки воды в грунт из неисправной водопроводной сети. Это приводит к тому, что на отдельных участках глинистые грунты из непучинистых и слабопучинистых превращаются в сильнопучинистые со всеми вытекающими последствиями.

Для предохранения грунтов, в основании фундаментов от локального водонасыщения в период строительства линии временного водоснабжения стройки следует укладывать по поверхности, с тем чтобы легче было обнаружить появление утечки воды и своевременно устранить повреждения в водопроводной сети.

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.

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.

Во-первых .

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.

Поднятие воды может достигать:
– 4…5 м в суглинках;
– 1…1,5 м в супесях;
– 0,5 …1 м в пылеватых песках.

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.

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 (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.

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

Б 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 (Рисунок 25, 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 (Рисунок 25, б).

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.

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 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.

Из опыта

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.

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 (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.

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 (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 .

Фундаментный столб, выполненный по технологии ТИСЭ (Рисунок 28, б), не поднимается силами сцепления пучинистого мерзлого грунта благодаря нижнему расширению столба. Однако если не предполагается в этот же сезон загрузит 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 (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 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 (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.

До того момента, пока граница промерзания грунта не опустилась ниже опорной поверхности столба, сама опора неподвижна (Рисунок 33, 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 (Рисунок 33, 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 (Рисунок 33, в). Со следующим понижением границы промерзания вода в полости замерзает, а пласт мерзлого грунта под опорой, увеличиваясь в объеме, продолжает подъем фундаментного столба (Рисунок 33, г).

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