Строительство / Всё о фундаментах


Морозное пучение грунтов и его влияние на фундамент

 

Пучение грунтов — явление сложное и порой приводит к непредсказуемым последствиям в строительстве. Пренебрежение этим явлением приводит к тому, что здания (особенно легкие) поднимаются вместе с фундаментами при замерзании грунтов и опускаются во время их таяния. Неравномерность этих процессов часто приводит здание в аварийное состояние и даже вызывает полное его разрушение.

Из элементарной физики нам известно, что вода при замерзании значительно увеличивается в объеме, разрывая сосуды и трубопроводы. Это же явление происходит и с грунтом. Присутствующая в грунте влага увеличивается в объеме, в результате чего происходит поднятие грунта. И чем больше влаги присутствует в грунте, тем сильнее он увеличивается в объеме при замерзании. В пористых грунтах это явление менее заметно, так как при замерзании грунт расширяется в сторону пор, заполняя пустоты. И чем более пористый грунт, тем меньше вероятность его пучения.

Кроме того, промерзание грунта происходит постепенно и начинается этот процесс сверху, проникая все глубже и глубже. Замерзший грунт начинает вытеснять присутствующую в нем влагу, которая через поры уходит в нижние слои грунта. В пористых грунтах влага беспрепятственно проходит сквозь поры и пучение грунта не происходит. Глина же, как известно, плохо пропускает влагу, которая не уходит вниз, вызывая тем самым подъем замерзшего грунта.

Силы, действующие на фундамент при морозном пучении грунта, бывают значительными, и не считаться с этим явлением нельзя. Силы морозного пучения разделяют на два вида: вертикальные и касательные. При вертикальных силах грунт поднимает фундамент снизу, упираясь в его подошву или другие части (рис. 6). Поэтому большую ошибку допускают те, кто, соблазнившись удешевлением строительства, отказался от заглубления фундамента ниже расчетной точки промерзания. В случае касательных сил грунт примерзает к боковым стенкам фундамента, поднимая их за счет сил бокового трения, образовавшихся при смерзании. Примерзнув к стенкам фундамента, вспучивающийся грунт тоже старается поднимать фундамент, расслаивая его на части. Нужно отметить, что эти силы бывают очень большими и достигают 5 — 7 т на квадратный метр боковой поверхности фундамента. Именно по причине морозного пучения грунта облегченный вариант фундаментов, распространенный во многих странах Запада, для наших условий не подходит. Здесь нужно учитывать, что средняя полоса России — это не Италия или Германия, где климатические условия намного мягче, а поэтому и силы морозного пучения не так опасны, как в Подмосковье, где глубина промерзания грунта может достигать 1,4 м. 

Рис. 6 Силы, действующие на фундамент при морозном пучении грунта

 

Особенно явление морозного пучения опасно, когда вспучивание грунта происходит неравномерно. За несколько зимних сезонов фундамент поднимается и опускается несколько раз, в результате чего он перекашивается, что в свою очередь сказывается на стенах и перекрытиях. Перекосившиеся стены, деформированные перекрытия теряют свою прочность и здание становится аварийным. Особенно разрушительны силы морозного пучения для бутобетонных, монолитных ленточных фундаментов, где нет армирующего каркаса. Наиболее опасны эти явления, когда уровень грунтовых вод расположен выше точки промерзания грунта. Обилие влаги многократно увеличивает морозное пучение, разрушительная сила которого огромна.

Конечно, для тяжелых кирпичных строений силы морозного пучения не так опасны, как для легких — деревянных или каркаснощитовых зданий. Когда сила тяжести строительных конструкций дома превышает силы, приложенные к фундаменту морозным пучением грунта, фундамент не поднимается. Опасность наступает тогда, когда вес строительных конструкций здания недостаточен, чтобы скомпенсировать силы, приложенные морозным пучением.

Неравномерность вспучивания грунта может происходить не только из-за неравномерной его влажности. Дело в том, что под домом грунт практически не промерзает, а поэтому на внутренние фундаменты силы морозного пучения не действуют (при условии, что дом зимой прогревается). Наружные же фундаменты воспринимают силы морозного пучения, и, если они поднимаются, конструктивные элементы здания деформируются со всеми отсюда вытекающими последствиями.

Но и наружные фундаменты принимают на себя неравномерные нагрузки. С южной стороны дома снег весной тает быстрее, насыщая грунт влагой. Грунт с южной стороны днем оттаивает, а ночью — промерзает. Фундаменты с этой стороны дома принимают на себя чередующиеся силы вспучивания, а с северной стороны, где днем оттаивание грунта происходит не так сильно, фундаменты находятся под действием более постоянных сил. Результатом этой неравномерности являются деформации, трещины и разрушения.

Особенно такая неравномерность сказывается на столбчатых фундаментах, когда наружные фундаменты при вспучивании поднимаются на высоту до 10 см, а внутренние — остаются на месте (рис. 7). В результате такого перекоса не только деформируется здание, но и появляется угроза пожара, так как печь (которая стоит на независимом фундаменте) остается на месте, а ограждающие конструкции дома сдвигаются со своего места. Нарушаются противопожарные разрывы между дымоходами и деревянными элементами крыши и перекрытия, появляются трещины в дымоходах, через которые искры могут попасть на сгораемые конструкции.

Итак, влияние сил морозного пучения на долговечность конструктивных элементов здания довольно большое и с ним приходится считаться.

Разделение грунтов на пучинистые и непучинистые является чисто условным. Обычно к пучинистым грунтам относят глины, песчаные пылеватые или крупномоноблочные, в которых глиняный наполнитель превышает 15 %. Но даже чистый песок, который считается непучинистым грунтом, при определенных условиях может вспучиваться под влиянием отрицательных температур. Это происходит тогда, когда песок заключен во влагонепроницаемую оболочку (например, глиняный замок). В этом случае верхние слои грунта, замерзая, не могут вытеснить воду в нижерасположенные горизонты, поэтому они вынуждены подниматься вверх. И наоборот, песчаная подушка под основанием, расположенная ниже расчетной глубины промерзания, впитывает в себя выдавленную с верхних горизонтов влагу, равномерно распределяя ее по всей площади. В этом случае грунт не вспучивается и фундамент не испытывает пучинистых давлений. 

Рис. 7. Деформация строения под действием сил морозного пучения грунта

 

Расчет сил морозного пучения представляет собой сложную инженерную задачу, при которой необходимы лабораторные замеры грунта. К основным характеристикам пучения грунтов относят:

— деформация грунта h — абсолютная величина, представляющая собой высоту поднятия грунта в определенной точке;

— коэффициент пучения f, определяемый по формуле

f = h/d

где d — мощность слоя промерзания грунта.

Классификация глинистых грунтов по степени пучения приведена в таблице 15.

 

Таблица 15. Классификация глинистых грунтов

по степени пучинистости

Степень пучинистости грунта

Значение коэффициента пучения f

Непучинистый

f  < 0,01

Слабопучинистый

0,01< f < 0,035

Среднепучинистый

0,05< f < 0,07

Сильнопучинистый

0,07< f < 0,012

Чрезмернопучинистый

f >0,12

 

Пучинистые свойства крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылеватоглинистые фракции, определяют через показатель дисперсии D, который имеет значение:

KD =     К__

         doео

где К — коэффициент, равный 1,85x104 см2;

ео — коэффициент пористости талого грунта;

do — средний диаметр частиц грунта.

Предохранение грунта от промерзания осуществляют покрытием его теплоизоляционными материалами, работами по удержанию снегового покрова, предварительным рыхлением грунта до промерзания и его засолением. Такая технология может иметь место при сооружении фундаментов мелкого заложения и повсеместно применяется в Скандинавских странах, где для защиты от мороза используют пенопропиленовую изоляцию (пенопласт). Предохранение грунта следует выполнять до начала устойчивых отрицательных температур. Теплоизоляционный слой размещают в самых важных местах — практически по всему периметру здания, благодаря чему становится возможным заложение фундаментов глубиной 40 — 50 см даже в условиях очень сурового климата. Тепло, уходящее из дома в грунт через фундамент, плюс геотермальное тепло заставляют линию промерзания подниматься вверх по периметру фундамента. В результате снижаются тепловые потери, и глубина промерзания грунта под отапливаемым зданием резко снижается, а при хорошей тепловой изоляции промерзание вообще не происходит.

В качестве теплоизоляционных материалов можно использовать солому, опилки, листья деревьев, хвою, сухой торф или специальные синтетические покрытия. Толщина теплоизоляционного слоя зависит от прогнозируемых температур, свойств материала и определяется расчетным путем для каждого конкретного случая.

Предварительное рыхление выполняют рыхлителями или плугами на глубину не менее 35 см. Рыхлый грунт боронуют на глубину до 15 см. Лучшее утепление обеспечивается при перекрестном (двойном рыхлении), которое выполняют с перекрытием предыдущей разрыхленной полосы на 20 см. Теплоизоляционные свойства рыхлого грунта значительно возрастают при укрытии его снежным покровом.

 

 

 


© 2014. Все права защищены.

Публикация материалов сайта разрешена при условии ссылки на Сельская жизнь