Как бороться с морозным пучением в строительстве

Перед строительством загородного дома обязательно нужно провести геологические изыскания на предмет состояния грунта. Без этого не строили дома даже в старину, хотя методы, которыми проводились такие изыскания, были совсем другими.

Сегодня произвести проверку состояния почвы гораздо легче и дешевле, поэтому ни в коем случае ей пренебрегать нельзя. Есть большая вероятность построить свой дом на пучинистом грунте, который принесет вам впоследствии немало проблем. Технология строительства на такой земле должна быть совершенно иной, нежели возведение зданий на нормальном грунте.

Пучинистые и непучинистые основания

Сложным вопросом при самостоятельном строительстве становится определение, какие грунты имеются: пучинистые или непучинистые. Согласно ГОСТ 25100-2011 все основания делятся на пять групп по степени морозной пучинистости:

• чрезмерно пучинистые;
• сильнопучинистые;
• среднепучинистые;
• слабопучинистые;
• непучинистые.

Последнюю группу можно назвать условной. Таких типов грунтов, в которых никогда не возникнет сил морозного пучения, практически нет. К категории безопасных оснований относятся только крупнообломочные породы и гранит, залегания которых на поверхности встречаются крайне редко.

Тип почвы не так сильно влияет на вероятность появления сил морозного пучения. Фактором возникновения этого явления является не грунт, а влага и отрицательные температуры. При соблюдении определенных условий, негативные явления могут возникнуть практически на любом участке.

На склонность грунта к появлению пучения влияют такие свойства как:

• капиллярная активность;
• способность к фильтрации.

По этим показателям самыми опасными типами почвы становятся глинистые. Сюда относят глину, суглинок и супесь. Эти почвы плохо фильтруют воду, задерживают ее и не пропускают в более глубокие слои. Жидкость остается в опасной близости от фундаментов.

Типы грунтов.

В тоже время глины отличаются высокой капиллярной активностью. Для сравнения, песчаные виды грунтов способны подтягивать воду примерно на 30 см. Свойство актуально при выпадении осадков или таянии снега. Влага распространяется лишь на 30 см от источника. В этом случае от морозного пучения фундаменты защищает отмостка стандартной метровой ширины. Глина же может подтягивать влагу на расстояние 1,5 м, для защиты от атмосферной влаги потребуется соорудить очень широкую отмостку для предотвращения повреждений.

При высоком уровне грунтовых вод даже условно непучинистые виды грунта (крупные и средние пески) могут привести к проблемам. Опасность возникновения морозного пучения в песках может появляться и при воздействии других факторов (например дом расположен на участке с уклоном, даже небольшим).

Другие причины пучения грунтов

На интенсивность пучения могут оказывать влияние различные факторы, среди которых можно упомянуть и такие:

• Продолжительность зимнего периода и его интенсивность (суровость).
• Толщина снега.
• Характеристики грунта.
• Количество осадков за сезон.
• Уровень влажности воздуха.
• Характер рельефа местности.
• Растительность.
• Глубина залегания подземных вод.
• Расположение местности по отношению к южной стороне.

Поскольку строения могут получить очень серьезный урон от пучения, то возведение его фундамента должно производиться ниже глубины промерзания грунта. Данная величина находится в прямой зависимости от той местности, где планируется строительство домов.

Стоит отметить, что средиземная влажность грунта является основополагающим фактором, который в большей степени оказывает влияние на интенсивность пучения. В то же время не следует скидывать со счетов и плотность нижних слоев грунта. А ведь от этого параметра также многое зависит.

Чем плотнее почва, тем меньшей деформации будет подвергнуто здание. В противном случае морозное пучение грунтов будет происходить более интенсивно, что не сулит ничего хорошего.

Чем опасно морозное пучение

Совместное воздействие на грунт влаги и низких температур приводит к увеличению его объема. Для любого здания особую опасность представляют неравномерные деформации, которые характерны для морозного пучения. Это вызвано тем, что грунт под наружными стенами нагревается от здания слабо, а в середине дома температура выше ноля.

Трещина возникшая из-за пучения.

Наружные стены, а особенно углы, способны подниматься относительно начальной отметки на 15 см. При этом деформаций под внутренними стенами не происходит или они малы. Неравномерное поднятие приводит к появлению в стенах наклонных трещин.

Также морозное пучение оказывает негативное воздействие на боковую поверхность фундамента.

Лабораторные исследования морозного пучения грунтов

Испытания велись без нагрузки на образцы по открытой схеме, т.е. в процессе испытаний обеспечивался свободный приток воды к границе промерзания.

Перед заполнением грунтом, металлическая форма, размерами 100х150(h) обмазывалась фторопластовым лаком для исключения влияния сил трения и смерзания грунта со стенками.

Перемещения вследствие морозного пучения измерялись индикаторами часового типа с точностью 0.01 мм.

Результаты определения физико-механических характеристик испытываемых грунтов приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Физико-механические характеристики испытываемых грунтов
Классификация и оценка пучинистых свойств грунтов выполнялась по величине — относительной деформации морозного пучения согласно ГОСТ 28622-90.

, где — фактическая толщина промерзшего образца, — вертикальная деформация образца грунта в конце испытания (с точностью до 0.01 мм).

Результаты обработки лабораторных исследований морозного пучения делювиальной глины от консистенции (величине ) приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 — Кривые относительной деформации пучения:

1 – глины полутвердой, 2 – глины мягкопластичной, 3 – глины твердой консистенции.

Наибольшая величина пучения ( =0.73) наблюдалась у глины мягкопластичной консистенции. По степени пучинистости данный образец глины относится к сильнопучинистым грунтам.

Рисунок 2 — Экспериментальная зависимость деформаций морозного пучения от структуры грунта:

а – монолитная, б – нарушенная структура.
На рисунке 2 отображены кривые пучения суглинка элювиального.
Исследовалось два образца, первый – монолит, второй – нарушенной структуры.

По кривым пучения образцов видно, что наибольшая величина пучения достигается в образце монолитной структуры =0.72, грунт сильнопучинистый, относительная деформация морозного пучения второго образца =0.52, грунт среднепучинистый.

По степени пучинистости данные образцы суглинка – сильнопучинистые.

Также в процессе лабораторных исследований определяли миграционное водонакопление для этих грунтов. Результаты изменения влажности образцов приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Изменения влажности образцов

Так, для мягкопластичной глины природная влажность до промораживания составила W =0,31 , после промерзания влажность составила W =0,38, т.е. его влажность увеличилась на 22,5 %, а для твердой глины влажность возросла на 15%.

В дальнейшем предполагается исследование зависимостей миграционного водонакопления и деформации пучения от давления на грунт.

Для образцов суглинка мороженной структуры были проведены компрессионные испытания при оттаивании в сравнении с испытаниями образцов суглинка в естественных условиях.

Результаты, полученные в ходе испытаний образцов суглинка приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Результаты компрессионных испытаний образцов суглинка

Графическая интерпретация полученных результатов испытания грунтов на сжатие приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Графическая интерпретация результатов испытаний образцов суглинка элювиального на сжатие:

1 – образец естественной структуры, 2 – образец после промораживания, е – коэффициент пористости,– относительная осадка образца

По графику изменения относительной осадки во времени видно, что при промораживании суглинка его осадка при оттаивании значительно превышает величину морозного пучения, а время оттаивания в несколько раз меньше, чем длительность морозного пучения. Это приводит к неравномерным деформациям системы «основание – здание» и повреждению сооружения.

Подобные исследования приведены в работах [8,10,11] и хорошо согласуются с нашими исследованиями в этой области.

Способы борьбы

Чтобы пучинистые грунты не вызвали проблем при эксплуатации, необходимо бороться с причинами морозного пучения глин и других типов почв еще на этапе строительства фундаментов. Методы борьбы зависят от масштаба проблемы и вида опорной части дома. Чаще всего мероприятия предусматриваются в комплексе.

Заглубленные фундаменты

Каждый строитель знает, что для эффективной борьбы с морозным пучением необходимо закладывать опоры здания ниже глубины промерзания грунта. Эта величина находится по специальным таблицам и картам или рассчитывается по формуле из СП «Основания зданий и сооружений». Но принятия таких мер не всегда бывает достаточно. При глубоком заложении удается избежать воздействий на подошву фундамента, но остаются касательные силы, действующие на его боковую поверхность. Их можно разложить на:

• вертикальные, которые в некоторых случаях способны приподнимать конструкции;
• горизонтальные, изгибающие фундаменты.

Силы морозного пучения в зависимости от глубины заложения.

Методы борьбы зависят от типа строения и фундаментов. Для массивных зданий с опорной частью глубокого заложения можно порекомендовать одно или несколько из следующих мероприятий:

• обмазочная гидроизоляция, которая не только защищает материал фундаментов от намокания, но и ухудшает сцепление грунта с ними (не дает приподнимать конструкции);
• утепление выполняется с той же целью, часто применяется экструдированный пенополистирол, который берет на себя и функцию защиты от влаги;
• дренаж и засыпка пазух крупным или средним песком позволяют увести влагу от здания;
• утепленная отмостка препятствует промерзанию почвы в непосредственной близости от дома, а значит, устраняет один из факторов, необходимых для появления пучения;
• грамотный расчет и исполнение армирования позволит элементам противостоять горизонтальным воздействиям.

Совет! Для пучинистых грунтов не рекомендуется применять бетонную или асфальтную отмостку. Лучше выбрать виды, более устойчивые к деформациям.

Если здание выполнено из легких материалов или имеет всего один этаж, рекомендуется применять фундаменты по технологии ТИСЭ. Такие опорные элементы представляют собой сваи, уширяющиеся к низу. Благодаря увеличению сечения, выдернуть элемент из почвы становится практически невозможно.

Чтобы уберечь такой тип фундамента от горизонтальных воздействий, придется продумать следующие моменты:

• грамотный расчет рабочего армирования сваи;
• жесткое сцепление сваи с ростверком с помощью арматуры;
• расчет ростверка на повышенное давление грунта на боковую поверхность.

Подробнее о ТИСЭ: Фундамент ТИСЭ.

При большой глубине промерзания устройство заглубленного фундамента с утеплением, гидроизоляцией, дренажом и теплой отмосткой экономически не выгодно. Проще будет построить опоры мелкого заложения. Обоснованным заглубление станет только при:

• необходимости устройства подвала или цокольного этажа;
• плохих показателях прочности грунта ближе к поверхности.

Пучинистые грунты в строительстве

Пучинистыми называют грунты, которые подвержены так называемому морозному пучению. Пучение происходит тогда, когда почва, насыщенная влагой, промерзает, увеличиваясь в объеме, а при оттаивании объем ее уменьшается, и сила этого процесса такова, что пучение может влиять на постройки, расположенные на таком грунте. В этих условиях может подниматься фундамент, часто он трескается и разрушается, очень сильно повреждая сам дом. Однако не все грунты пучинистые, и это в основном связано с их строением. Например, песок в себе не накапливает влагу, а пропускает через себя, и она уходит в нижерасположенные слои грунта, вплоть до уровня грунтовых вод. А вот глина наоборот, может накапливать в себе дождевую и талую воду даже в условиях очень глубокого залегания водоносных слоев. Однако в тех местностях, где грунтовые воды подходят очень близко к поверхности, все грунты могут пучиниться, независимо от состава и свойств.

К пучинистым грунтам относится довольно много разновидностей почвы по составу. Например, пучению в той или иной мере подвержены все глинистые и суглинистые почвы, а также супеси, это связано с их высокой плотностью. Меньше пучатся грунты, состоящие из мелких и пылеватых песков, сюда же можно отнести и некоторые грунты из песков средней крупности, в которых наблюдается вкрапление глинистых конгломераций. Не подвержены пучению пески крупные и гравелистые.

Также на степень пучинистости может влиять и рельеф местности независимо от типа грунта по составу. Дело в том, что очень часто именно рельеф влияет на глубину залегания местных грунтовых вод, и в тех местах, где эти воды подходят очень близко к поверхности, они насыщают любой грунт, даже тот, который в обычных условиях не накапливает в себе влагу. Так, на возвышенных участках всхолмленной местности, где грунтовых вод не наблюдается (то есть уровень их достаточно глубок), пучинистость очень низкая, а то и отсутствует вовсе. На равнинах и пологих склонах пучинистость средняя, а в низинах, заболоченных местах и котловинах – высокая. К примеру, участок со слабопучинистым по свойствам грунтом, например, крупнозернистым песком, расположенный на болоте, следует считать сильнопучинистым.

Грунты с пучинистыми свойствами охватывают больше половины территории России. Исключением являются зоны вечной мерзлоты, зоны со скальными и крупнообломочными грунтами и южные территории, где грунт практически не промерзает.

Тут следует повториться: опасность пучинистых грунтов для зданий заключается в том, что при замерзании объем грунта значительно увеличивается из-за расширения содержащегося в нем льда, возникающие при этом силы достаточно велики, чтобы поднять целое здание. И, что более опасно, эти силы действуют неравномерно, то есть один угол дома, к примеру, может подняться на 300 мм, а другой всего на 100. При оттаивании почвы весной грунт проседает, опять же, неравномерно. Заглубление основания здания ниже глубины зимнего промерзания далеко не всегда помогает, ведь силы пучения действуют и на стены фундамента, которые заглублены в грунт.

Существует несколько способов строительства фундамента на пучинистых грунтах. Выбор вида фундамента очень сильно зависит также и от типа здания, которое планируется возводить.

Если в доме предусмотрено устройство подвала или подземного гаража, то применяется один из трех способов избежать пучения грунта.

1. Замена пучинистого грунта на крупный или гравелистый песок, однако этот способ предполагает большие затраты на проведение достаточно масштабных земляных работ.

2. Утепление грунта по периметру здания, при этом нужно учитывать глубину промерзания. Так, к примеру, при промерзании почвы на 2 метра утеплять необходимо территорию на 2 метра от дома.

3. Отвод грунтовых вод. Для этого устраивается дренажная система: роется канава, отстоящая на метр-полтора от фундамента (в отдельных случаях допускается расстояние в 50 см), глубиной чуть ниже основания, укладывается специальная перфорированная дренажная труба, один конец которой отводится в относительно хорошо герметизированный дренажный колодец, который должен быть глубже фундамента. После этого канава засыпается крупным песком или гравием. Лучше всего применять эти меры в комплексе и не забывать об обязательной гидроизоляции фундамента.

Если же подвал не нужен, можно устроить ленточный, свайный или плитный фундамент. Однако не будем забывать о силах пучения, выталкивающих фундамент с усилием до 5 тонн на кв.м. Из-за этого на заглубленном ленточном фундаменте не стоит строить легкие дома. Избежать выталкивания фундамента из грунта помогут сваи, погруженные ниже той глубины, на которую промерзает грунт.

Сваи применяются винтовые, забивные и буронабивные.

Забивные сваи в частном строительстве практически не используются, так как при их монтаже необходима тяжелая строительная техника. Однако если есть возможность такую технику привлечь, то это будет очень хорошим вариантом.

Винтовые сваи применяются в основном при строительстве легких деревянных, каркасных и щитовых зданий, однако, применив обвязку швеллером, можно возводить и кирпичный дом.

Буронабивные сваи являются оптимальным решением при строительстве малоэтажных зданий на сложных грунтах. Изготавливаются они так: бурятся скважины диаметром 250-300 мм ниже уровня промерзания почвы, устанавливается несъемная опалубка из асбоцементной, пластиковой трубы или свернутого трубой рубероида. Внутрь трубы помещается арматурный каркас, опалубка заполняется бетоном, затем трубу следует приподнять немного, это нужно для того, чтобы часть раствора вытекла и образовала расширение на нижнем конце сваи. Лучше всего применить специальный бур, который позволяет создать расширение в грунте в нижней части скважины. По верхушкам свай устраивают обвязку из бруса для каркасных или деревянных домов, металлопроката для любых типов стен. Также можно вместо обвязки выполнить мелкозаглубленный ленточный фундамент, либо ростверк – та же самая лента, только приподнятая над землей. Один из плюсов такого фундамента состоит в том, что трубы водоснабжения и канализации можно подводить уже после строительства без особых финансовых затрат. В особо сложных случаях устраивается монолитная либо сборная железобетонная плита. Для подведения коммуникаций желательно еще до заливки плиты установить в опалубку гильзы для прокладки труб.

В любом случае выбор варианта фундамента должен производиться только после проведения геологических изысканий на месте строительства. Ошибки и экономия при устройстве фундамента в большинстве случаев приведут к очень печальным последствиям, вплоть до полного разрушения здания. Делать основание для дома по принципу «как у соседа» не стоит, ведь тип грунта и уровень сезонного подъема грунтовых вод могут быть разными даже в пределах одного участка.