Фундамент, подвал, погреб

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 попускаются 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

Рис. 6 Силы, действующие не фундамент при морозном
пучении грунте

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.

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.

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;

f = h/d

где d — мощность слоя промерзания грунта.

Классификация глинистых грунтов по степени пучения приведена в таблице 15.

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

KD = —

dVeo

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

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.