технология ТИСЭ

ДИНАМИКА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Пучинистые явления - коварные и бесцеремонные процес­сы, возникающие во влажных глинистых и 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 или увидев перекошенные стены каркасной дачной пост­ройки. Однако как происходят эти явления, не совсем понима­ют даже некоторые строители.

Морозное пучение, так называют это явление специалис­ты, связано с тем, что в процессе замерзания влажного грунта он увеличивается в объеме:

Сильнопучинистые грунты - почти на 10%;

Слабопучинистые - меньше, чем на 5%.

Происходит это из-за того, что вода увеличивается в объе­ме при замерзании - на 10%. Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он более пучинистый. Так лес, стоящий на силь­но пучинистых грунтах, зимой поднимается на 10 - 15 см от­носительно летнего 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. -

Сложность в оценке воздействия пучинистых явлений грунта на постройки обусловлена одновременным воздейст­вием нескольких процессов, проявляющихся в различной сте­пени. Чтобы лучше разобраться в этом, опишем несколько по­нятий, связанных с этим явлением.

Степень пичинистости грунта определяется составом грунта, его пористостью, а также уровнем грунтовых вод. Так глинистые грунты, мелкие и пылеватые пески относятся к пу - чинистым грунтам, а крупнозернистые'песчаные и гравийные грунты - к непучинистым. С чем это связано?

Во-первых, в глинах или мелких песках влага достаточно высоко поднимается от уровня грунтовых вод за счет капил­лярного эффекта и хорошо удерживается в таком грунте, как в губке. 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. Т. е. чем тоньше структура грун­та, тем выше поднимается влага, и он становится более пучи- нистым. Обращаем внимание на то, что смеси крупного песка или гравия с пылеватым песком или глиной, будут относиться к пучинистым грунтам в полной мере.

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. Так вот, пучинистость грунта определя­ется также тем, успеет ли выдавливаемая сверху влага просо­читься через структуру грунта или нет. Если крупнозернис­тый песок не создает влаге никакого сопротивления, и она бес­препятственно уходит, то такой грунт не расширяется при за­мерзании (рис. 4.1).

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, например, скважина в глине, поведет се­бя как пучинистый грунт (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Грунт на грани - рис. 4.2. Грунт в замкнутом объеме: не промерзания: 1 - глина; 2 - уровень грунтовых

1 - песок; 2 - лед; вод; 3 - граница промерзания;

3 - граница промерзания; 4 - песок + вода; 5 - лед + песок 4 - вода

Глубина NpQwpwnm грунте

Пучинистые явления - это не только большие деформации грунта, но и огромные усилия - в десятки тонн, способные привести к большим разрушениям, которых можно избежать, заложив фундамент ниже глубины промерзания грунта. Именно поэтому, перед началом строительства на пучинистых грунтах, необходимо выяснить расчетную глубину промерза­ния, принятую для данного региона (рис. 4.3).

Расчетная глубина промерзания принимается для наибо­лее холодного зимнего периода года в этом регионе, при мак­симальной влажности грунта и отсутствия снегового покрова.

Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Но на то она и расчетная, чтобы избе­жать возможных разрушений дома при самых неудачных сте - ченьях обстоятельств, предложенных погодой.

ПРИМЕЧАНИЕ:

- при постоянном проживании грунт ПОД домом зимой прогревается и расчетную глубину промерзания можно уменьшить на 15 - 20%;

- для мелких и пылеватых песков и супесей значение глу­бины промерзания следует увеличить в 1,2 раза.

7j

Чем же обусловлено положение нижней границы промер­зания? Она определяется противоборством холода, поступаю­щего сверху, и тепла, идущего из недр земли. Если интенсив­ность последнего не зависит от времени года и суток, то на по­ступление холода сверху 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. 4.4).

Толстый слой снегового покрова, как одеяло, укрывает зем­лю, и граница промерзания поднимается вверх. Днем граница промерзания выше, чем ночью. Разница особенно ощутима там, где снеговой покров мал или вовсе отсутствует, где повы­шенная влажность грунта. Наличие дома также влияет на глу­бину промерзания грунт, ведь дом является своего рода тепло­изоляцией, даже если в нем и не живут. Правда, это в том слу­чае, если окна вентиляции подпола (продухи) - закрыты на зиму.

Участок, на котором стоит дом, имеет весьма сложную кар­тину промерзания.

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 (рис. 4.4). Кстати, холодный, но сухой грунт также не будет относиться к категории пучинистых.

Однако, реальная картина промерзания ещё более слож­ная. Неравномерность промерзания существует еще и по пе­риметру дома. Ближе к весне грунт с южной стороны строения часто бывает более влажным, а 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.

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, Вы существенным об­разом влияете на неравномерность промерзания грунта. Тогда как посадки кустарников вокруг дома задерживают снег, уменьшая в 2 - 3 раза глубину промерзания.

Расчистка дорожек от снега не идет в счет, так как они до­статочно узкие и большого влияния на промерзание грунта не оказывают. Если же Вы около своего дома, с южной его сторо­ны, решили залить каток, то можно 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. Эти силы достаточно велики, если поверхность столба неровная и не имеет гидроизолирующего покрытия. В таком случае на столб диаметром 25 см, заложенный на глубину 1,5 м, сила сцепления может достигнуть 8 т. Как же действуют эти силы, как проявляются они в реальной жизни фундамента?

Возьмем, для примера столб, заложенный на глубину про­
мерзания и являющийся од­ной из опор легкого домика.

Ранней зимой граница про­мерзания начинает опускаться вниз. Мерзлый грунт схваты­вает верхнюю часть столба и, расширяясь, пытается его вы­дернуть из земли. Но вес дома и силы заделки столба в фунте 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 фунта со столбом увеличивается.

Наступает такой момент, когда силы сцепления мерзлого фунта с боковыми стенками фундамента превышают и вес дома, и силы сцепления фунта с нижней частью столба (рис. 4.5). Столб начинает испытывать разрывающие нагрузки. Мерзлый фунт вытаскивает его, 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.

Силы сцепления можно уменьшить, исключить подъем фундамента, если стенки столба выполнить ровными и хоро­шо гидроизолированными от фунта. Два - три слоя из толя или пергамина - самое надежное средство для уменьшения сил сцепления. Но, тем не менее, основное правило столбчато­го фундамента: его возведение и загрузку домом выполняют в один сезон.

Заглубленный ленточный фундамент также может под­няться силами сцепления, если он не имеет гладкой боковой поверхности и не зафужен сверху домом или бетонными ПЄ-. рекрытиями.

Столб с расширением внизу (по технологии ТИСЭ) не поднимается силами сцепления (рис. 4.6). Однако если не пред­полагается в этот же сезон загрузить его домом, то та­кой столб должен иметь надежное армирование, особенно в нижней своей части. Несомненные его преимущества - высокая несущая способность и то, что его можно оставить на' зиму, не загружая его свер­ху. Никакие силы мороз­ного пучения не поднимут его.

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. 4.7). Пришлось разбирать пол, снимать опоры, усиливать балки пролета.

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?

Либо существенно уменьшить количество фундаментных столбов, либо уменьшить диаметр фундаментного столба. Си­лы сцепления можно было бы уменьшить, обернув фунда­ментные столбы несколькими слоями гидроизоляции (толь, рубероид) или, создав прослойку из крупнозернистого песка| вокруг столба. г

Выдавливание фундамента, заложенного выше глубины! промерзания, - наиболее ощутимая причина деформации | и разрушения фундамента. Чем это можно объяснить? Это) связано с тем, что если при действии сил сцепления столба с мерзлым грунтом подъем столба обязан сезонному движе­нию границы промерзания, то в зтом случае - суточному про­хождению границы промерзания мимо нижней опорной плос - 1 кости фундамента, которое совершается значительно чаще. | Чтобы лучше понять природу этих сил, мерзлый грунт луч - І ше представить в виде плиты. Дом или любое другое строение 1 надежно вморожено в эту камнеподобную плиту. |

Основные проявления этого процесса видны весной. У сто - j роны дома, обращенной на юг, днем достаточно тепло (в безве­трие можно даже загорать). Снеговой покров, стаял, а фунт - увлажнился весенней капелью. Темный фунт хорошо погло-

І

78 I

Плита

Рис. 4.8. Плита мерзлого грунта ночью

Щает солнечные лучи и прогревается.

В звездную ночь ранней весной особенно холодно. Грунт под свесом крыши сильно промерзает. У плиты мерзлого грун­та снизу возникает выступ. Этот выступ достаточно сильно уплотняет грунт под собой, за счет того, что влажный грунт при замерзании расширяется (рис. 4.8). Силы уплотнения грунта огромны.

Плита мерзлого грунта толщиной 1,5 м с размерами 10x10м будет весить более 150 т. Примерно с таким усилием и будет уплотняться грунт под выступом. После подобного воздейст­вия глина под выступом становится очень плотной и практи­чески водонепроницаемой.

Наступил день. Темный грунт у дома особенно сильно про­гревается солнцем. 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 (рис. 4.9). Дом удерживается в грунте силами сцепления фун­дамента с плитой мерзлого грунта и опорой по остальному пе­риметру дома.

С наступлением ночи полости, заполненные водой, замер зают, увеличиваясь в объеме} превращаясь в так называемы "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 - ночей опора, если она не сильно загружена, поднимается по­рой на 10 - 15 см, как домкратом.

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 не соответству-

Ет глубине промерзания, то давление мерзлого грунта прихо­дится и на фундамент, и тогда деформации и разрушение фун­дамента - неизбежны (рис. 4.10).

Интересно представить плиту мерзлого грунта, перевернув её вверх дном. Это - относительно ровная поверхность, на ко­торой ночью в некоторых местах (где нет снега) вырастают холмы, а днем холмы превращаются в озера. Если же теперь вернуть плиту в исходное состояние, то там, где были холмы и создаются в грунте ледяные линзы. В зтих 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, под лесом или полем. Именно по такой схеме и возникают линзы изо льда в глинис­тых грунтах. Природа возникновения глинистых линз в песча­ных грунтах такая же, но протекают эти процессы более про­должительное время.

Если рассмотреть поведение фундаментного столба, зало­женного выше глубины промерзания, то его подъем мерзлым грунтом обусловлен тем же процессом.

До того момента, пока граница промерзания грунта не опу­стилась ниже опорной поверхности столба, сама опора непо­движна. Плита мерзлого грунта расширяется, но не может за­
хватить опору из-за недостаточно высоких сил сцепления. Но как только граница промерзания опус­тилась ниже, "домкрат" пучинистых явлений сразу включается в работу (рис. 4.11).

При относительно большой на­грузке, приходящейся на опору фун­дамента, вода из-под самой опоры в процессе понижения границы про­мерзания выжимается сквозь тонкую структуру грунта: при высоком дав­лении сверху она успевает просочить­ся, поднятие опоры прекращается.