4. Морозное пучение грунтов. Воздействие сил морозного пучения на фундаменты.

Морозное пучение

Морозное пучение. Под морозным пучением понимается процесс увеличения объема тонкодисперсных пород при промерзании, которое связано с расширением содержащейся в них воды (почти на 9-11%) и выделением льда. Наиболее интенсивно пучение проявляется в глинистых пылеватых и сильно пылеватых породах четвертичного возраста, т.е. в породах малой и сравнительно малой степени литификации. Такие породы в инженерной практике часто называют “пучинистыми

В целом морозное пучение пород определяется их дисперсностью, гранулометрическим и минеральным составом, исходной влажностью и плотностью, составом обменных катионов, уровня грунтовых вод, внешней нагрузки, температуры, скорости и глубины промерзания

Действие сил морозного пучения на фундамент

Силы морозного пучения действуют не только на подошву фундамента, но и на его боковые стенки, так как увеличение грунта в объёме происходит вокруг всего фундамента, а не только под его подошвой.

Следовательно, вся сила морозного пучения грунта раскладывается на две составляющие:

Вертикальная и касательная силы морозного пучения грунта

• нормальная (вертикальная) сила морозного пучения, действующая на горизонтальную подошву фундамента;

• касательная сила морозного пучения, действующая на вертикальные стенки фундамента.

Грунт, находящийся вокруг фундамента, зимой примерзает к его подошве и стенкам. Двигаясь вверх, грунт тянет за собой и весь фундамент.

По мере заглубления фундамента нормальная (вертикальная) сила морозного пучения, действующая на горизонтальную подошву фундамента, уменьшается.

Но, одновременно с тем, увеличивается в размерах и боковая (вертикальная) стенка фундамента, а значит, действующая на неё касательная сила морозного пучения также возрастает.

Причем, сила эта может быть настолько велика (достигать 5-7 тонн на квадратный метр), что способна практически выдавить из грунта фундамент дома, выполненного из легких конструкций, вес которых слишком мал, чтобы противодействовать этим силам.

Следовательно, заглубление фундамента малоэтажного дома на глубину, ниже промерзания грунта, вовсе не гарантирует его устойчивость к силам морозного пучения: не будет вертикальной силы, действующей на подошву, зато многократно увеличится касательная сила, действующая на стенку

Основные методы защиты

Существующие варианты защиты можно условно разделить на три группы:

• Предварительные;

• Технически реализуемые;

• Используемые в процессе эксплуатации объекта.

Методы защиты от морозного пучения, относящиеся к первой группе, включают обязательное предварительное проведение инженерно-геологических изысканий на требуемую глубину, благодаря которому проектировщики получают необходимую информацию:

• Тип грунта в месте предстоящего строительства и его склонность к пучению;

• Глубина промерзания;

• Уровень залегания подпочвенных вод;

• Среднемесячные температуры;

• Толщина снежного покрова;

• Оптимальная ориентация объекта по сторонам света.

Всё это позволяет ответить на вопрос о принципиальной возможности строительства проектируемого объекта на данном участке, выбрать нужный тип фундамента и оптимальные технологии защиты строения от негативного влияния сил, создаваемых морозным пучением.

Технические варианты защиты сваи от морозного пучения

• Полная или частичная замена имеющегося грунта на непучинистый в месте выполнения строительных работ(позволяет равномерно распределить на грунт общую массу строения;, минимизировать отрицательное воздействие на его подошву вертикальных выталкивающих сил, возникающих в результате морозного пучения)

• Изготовление монолитного фундамента, имеющего уширение в нижней части конструкции(использование полноценного арматурного каркаса по всей его глубине (высоте) и длине. Это обеспечивает жёсткость и монолитность конструкции на всех участках. Для предотвращения выдавливания силами пучения, действующими на основание фундамента, последнее выполняется в форме трапеции (с нижним уширением). То есть здесь формируется площадка – анкер, исключающая возникновение подобной ситуации.)

• Заглубление подошвы фундамента ниже уровня промерзания(принимается при возведении свайных и свайно-винтовых фундаментов и позволяет полностью исключить влияние выталкивающих сил морозного пучения, но существенно увеличивает поверхность, на которую влияют ПКН.)

• Выполнение дренажных работ(Удаление влаги будет способствовать снижению показателя пучинистости и, соответственно, величины сил, негативно влияющих на фундамент)

• Обустройство плитного фундамента

• Утяжеление возводимой постройки(увеличение массы постройки до значений, которые нагружают фундамент с силой, превышающей выдавливающую, которую создают пучинистые грунты при замерзании.)

• Утепление свайного фундамента снаружи на пучинистых грунтах( По всему периметру строящегося здания проводится выемка грунта на расстоянии, равном глубине промерзания в месте ведения строительства. Глубина выбирается с таким расчётом, чтобы уложенный утеплитель можно было засыпать сверху слоем непучинистого грунта толщиной ≥ 200 мм. И выполнить под него песчаную подушку не менее 100 мм.)

Методы, реализуемые в процессе эксплуатации

Круглогодичное отопление объекта

Средние температуры грунта под отапливаемым зданием ~ на 20% выше фиксируемых под неотапливаемым объектом, что способствует значительному снижению показателя пучинистости.

В качестве дополнительного способа может применяться рыхление грунта на глубину свыше 350 мм, с его последующим боронованием на 150 мм. Теплоизоляционные свойства такого грунта повышаются. В качестве дополнительного слоя утепления можно учитывать снеговой покров.

Сохранение основания в постоянно промёрзшем состоянии

При строительстве в зоне вечной мерзлоты принимаются меры для сохранения грунта в замороженном состоянии на протяжении всего периода эксплуатации. Для этого строительство ведётся на свайных фунда