6.2. Пучинистые свойства грунтов

Под морозным пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных дисперсныхгрунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие кристаллизации в них воды и разуплотнения минеральной составляющей при образовании ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.д. На территории России широко распространены пучинистые грунты: глины, суглинки, супеси, пески пылеватые и мелкие. При определенной влажности эти грунты, замерзая в зимний период, увеличиваются в объеме, что приводит к подъему слоев грунта в пре­делах глубины его промерзания. Находящиеся в таких грунтах фундаменты также подвергаются подъему, если действующие на них нагрузки не уравновешивают силы пучения. Поскольку деформации пучения грунта, как правило, неравномерны, происходит неравномерный подъем фундаментов, который со временем накапливается. В результате этого надфундаментные конструкции зданий и сооружений претерпевают недопустимые деформации и разрушаются. Деформациям от пучения грунта особенно подвержены легкие сооружения, к числу которых откосит­ся большинство малоэтажных сельских зданий.

Геокриологическое обеспечение включает определение расчетными методами следующих характеристик морозоопасных свойств грунтов:

• относительную (ε_f) и абсолютную (h_f) величины деформаций морозного пучения грунтов и оснований;

• давление морозного пучения (p_f), нормального к подошве фундамента или иной конструкции, взаимодействующей с промерзающим грунтом;

• удельного значения (τ) касательной силы морозного пучения, действующей вдоль боковой поверхности фундамента или стены, заглубленной в грунт;

• предельного сопротивления сдвигу оттаивающего грунта (τ_th);

• угла внутреннего трения оттаивающего грунта (_th) сезоннопромерзающего слоя;

• удельного сцепления оттаивающего грунта (c_th) сезоннопромерзающего слоя.

Перечисленные характеристики используются при разработке проекта фундаментов легких зданий и сооружений, а также при составлении проекта производства работ по устройству фундаментов с целью принятия инженерных решений по: обеспечению устойчивости откосов котлованов или креплений их стенок в процессе промерзания и последующего оттаивания грунтов; установлению несущей способности и темпов нагружения оттаявшего естественным или искусственным путем грунтов основания; обеспечению устойчивости и надежности фундаментов и подземных конструкций при возведении их в зимних условиях; оценке морозоопасных свойств сезоннопромерзающих или искусственно замораживаемых грунтов при изменении гидрологических условий площадки строительства.

Классификационным показателем глинистых грунтов (табл. 2.3) является относительная деформация морозного пучения _f (синонимы: f – относительное пучение, коэффициент пучения, интенсивность пучения, степень пучинистости), которая определяется согласно ГОСТ 28622 [39], по результатам испытаний образцов грунта в специальных установках, обеспечивающих промораживание образца исследуемого грунта в заданном температурном и влажностном режимах. Относительную деформацию грунта _fr вычисляют с точностью 0,01 по формуле:

_f= h_f / d_i,

где h_f – вертикальная деформация морозного пучения образца грунта, мм; d_i – фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм.

Значение _f вычисляют как среднее арифметическое результатов параллельных определений. В случае, если разница между параллельными определениями превышает 30 %, число определений следует увеличить.

Метод определения относительной деформации морозного пучения [39] распространяется на пылевато-глинистые, крупнообломочные (с содержанием пылевато-глинистого заполнителя более 10 % общей массы), песчаные (с содержанием частиц мельче 0,05 мм более 2 % общей массы), биогенные и искусственные грунты и устанавливает метод лабораторного определения степени их пучинистости при исследованиях грунтов для строительства. Метод не распространяется на засоленные грунты.

Испытания проводят на образцах грунта ненарушенного сложения с природной или заданной влажностью или на искусственно приготовленных образцах с заданной плотностью и влажностью, значения которых, устанавливаются программой испытаний в зависимости от возможных изменений воднофизических свойств грунта в процессе строительства и эксплуатации сооружения.

Испытания проводят не менее чем для трех параллельных образцов исследуемого грунта. В случае отбора грунта в мерзлом состоянии его предварительного оттаивают под давлением, равным давлению от собственного веса грунта на горизонте отбора монолита. Образцы грунта, предназначенные для испытаний, должны иметь цилиндрическую форму диаметром не менее 100 мм и высотой (150±5) мм. Торцевые поверхности образцов должны быть плоскими и параллельными между собой и иметь ориентацию, соответствующую природному залеганию. Размер крупноблочных включений в образце не должен превышать 20 мм.

Образец грунта ненарушенного сложения вырезают с помощью металлической формы, внутренние размеры которой соответствуют размерам образца грунта, методом режущего кольца. С помощью приспособления для выдавливания образец грунта извлекают из формы и помещают в обойму установки для испытаний. Неровности поверхности образца крупнообломочного грунта заполняют материалом заполнителя того же грунта.

Образец грунта нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности приготавливают в разъемных формах методом послойного трамбования или под прессом. Разъемной формой должна служить обойма, помещаемая вместе с грунтом в установку для испытаний. Внутреннюю поверхность формы смазывают при изготовлении образца тонким слоем технического вазелина или покрывают слоем антифрикционного материала (например, полиэтиленовой пленкой). Образцы, искусственно приготовленные из пылевато-глинистого грунта, предварительно промораживают и оттаивают при подтоке воды в промерзающий грунт. Число циклов промораживания-оттаивания должно быть не менее двух.

В состав установки для определения относительной деформации морозного пучения (рис. 6.1) должны входить: устройство для создания, поддержания и контролирования заданных условий промораживания образца грунта (верхняя и нижняя термостатированные плиты, жидкостной ультратермостат или термоэлектрическая батарея, термоконтакторы, термопары и т.д.); механизм для вертикального нагружения образца грунта (рычажные, гидравлические, пневматические, электромеханические и др. прессы); устройство для измерения вертикальных деформаций образца грунта (приборы для автоматической записи деформаций, индикатор часового типа и т.д.); обойма для помещения образца грунта; устройство, обеспечивающее непрерывный порядок воды к нижнему торцу образца грунта (поддон для обоймы, заполненный капиллярно-пористым материалом, и система подачи воды); теплоизоляционный кожух.

Конструкция установки должна обеспечивать: промораживание образца грунта при температуре на верхнем его торце минус (4±0,2)°С и при монотонном понижении температуры на нижнем торце образца от плюс 1 до 0°С, что обеспечивается автоматическим поддержанием температуры нижней термостатированной плиты плюс (1±0,2)°С; возможность вертикального нагружения образца грунта давлением, равным давлению от собственного веса грунта на горизонте отбора образца, или давлением, равным предполагаемому давлению от постоянных нагрузок на заданной глубине, но не более 0,05 МПа; термическое сопротивление теплоизоляционного кожуха не менее 0,8 м² К/Дж. Измерительные устройства (приборы) должны обеспечивать: измерение вертикальной деформации образца грунта с погрешностью не более 0,1 мм; измерение температуры образца грунта с погрешностью не более 0,2°С.

Обойму цилиндрической формы для помещения образца грунта изготавливают из малотеплопроводного материала (например, органического стекла). Обойма должна состоять из отдельных колец высотой 2–5 см, соединенных между собой, и иметь внутренний диаметр не менее 100 и высоту 150 мм. В качестве капиллярно-пористого материала для поддона обоймы может быть использован чистый мелкозернистый песок, корборунд и т. п. Высота слоя капиллярно-пористого материала должна составлять 50 мм.

Образец грунта в обойме, смазанной внутри тонким слоем технического вазелина или покрытой слоем антифрикционного материала, помещают в установку на увлажненный капиллярно-пористый материал поддона и проводят следующие операции: на верхний торец образца устанавливают термостатированную плиту; проверяют положение штока механизма для нагружения образца по отношению к центру образца; устанавливают прибор для измерения вертикальных деформаций образца грунта; подключают систему непрерывного подтока воды к образцу; к образцу грунта плавно, не допуская ударов, прикладывают нагрузку; записывают начальные показания приборов.

Установку помещают в холодильную камеру и выдерживают при температуре плюс (1±0,5)°С не менее суток. Для задания температурного режима промораживания образца включают автоматизированную систему, в ходе испытания через каждые 12 ч снимают показания приборов для измерения вертикальной деформации образца грунта и температуры верхней и нижней термостатированной плиты. Во избежание переохлаждения грунта через 12 ч с начала испытания следует вызвать начало кристаллизации влаги в образце легким постукиванием по верхней термостатированной плите. Во время испытания необходимо следить за непрерывностью подтока воды к образцу. Испытание прекращают при достижении температуры 0°С на нижнем торце образца.

Сразу после окончания испытания образец извлекают из обоймы, разрезают вдоль вертикальной оси, измеряют фактическую толщину промерзшего слоя (за исключением зоны пластично-мерзлого грунта) и описывают его криогенную текстуру.

Пучинистые свойства несвязных грунтов предварительно оцениваются на основании выявления их зернового состава (рис. 6.2).

Пучинистые свойства крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супесей при I_p<0,02 определяются через показатель дисперсности D. Грунты относятся к непучинистым при D<1, к пучинистым – при D>1. Для слабопучинистых грунтов показатель D изменяется от 1 до 5 (1<D<5). Критерий D используется для характеристики пучинистости песчаных и крупноскелетных грунтов, включающих добавки различных мелких фракций. Пучинистость глинистых грунтов не может характеризоваться только одним критерием D, т.к. помимо дисперсности их пучение зависит от водных свойств.

Значение D определяется по формуле:

,

где k – коэффициент, равный 1,85х10^–4 см²; e – коэффициент пористости; d_o – средний диаметр частиц грунта, см, определяемый по формуле:

Рис. 6.2. Схема оценки пучинистости грунтов [101]

где d_i – средний диаметр частиц отдельных фракций, см; р_i – содержание отдельных фракций в долях единицы [101].

Средние диаметры частиц отдельных фракций определяются по их минимальным размерам, умноженным на коэффициент 1,4, за расчетный средний диаметр последней тонкой фракции принимается максимальный размер частиц, деленный на коэффициент 1,4.

Для сооружений III уровня ответственности допускается определять значения _f в зависимости от параметра R_f . По степени морозоопасности все пучинистые пылевато-глинистые грунты подразделяются по параметру R_f на пять групп, приведенных в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Степень пучинистости глинистого грунта [10]

Наименование грунта	Степень пучинистости глинистого грунта
	Практически непучинистый f < 0,01	Слабо-пучинистый 0,01< f  0,04	Средне- пучинистый 0,04< f 0,10	Сильно-пучинистый 0,10<f <0,12	чрезмерно пучинистый f >0,12
	Значение параметра Rf
Супеси с 0,02 < Iр < 0,07	0,0014	0,0014 – 0.0049	0,0049–0,0098	0,0098–0,0169	0,0169
Супеси пылеватые с 0,02< Iр 0,07	0,0009	0,0009–0,003	0,003–0,006	0,006–0,0103	0,0103
Суглинки с 0,07 <Iр< 0,I7	0,001	0,001–0,0035	0,0035–0,0071	0,0071–0,0122	0,0122
Суглинки пылеватые с 0,07 < Iр  0,13	0,0008	0,0008–0,0027	0,0027–0,0054	0,0054–0,0093	0,0093
Суглинки пылеватые с 0,13 < Iр  0,17	0,0007	0,0007–0,0023	0,0023–0,0046	0,0046–0,0079	0,0079
Глины с Iр > 0,17	0,0012	0,0012–0,0043	0,0043–0,0086	0,0086–0,0147	0,0147

Принадлежность глинистого грунта к одной из групп оценивается параметром R_f, определяемым по формуле [10]:

, (6.1)

где w, w_p, w_L – влажности в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующие природной влажности, и влажности на границах раскатывания и текучести, доли единицы; w_cr – расчетная критическая влажность, ниже значения которой, прекращается перераспределение влаги в промерзающем грунте, д. ед., определяется по графику рис. 6.3, M₀ – безразмерный коэффициент, равный при открытой поверхности промерзающего грунта абсолютному значению среднезимней температуры воздуха; принимается по СНиП 2.02.01. Строительная климатология и геофизика.

Рис. 6.3. Значение критической влажности w_cr в зависимости от числа пластичности I_p и границы текучести w_L [10]

Значение R_f рассчитывается по формуле 6.1, если плотность сухого грунта равна 1,5 т/м³; при иной плотности грунта расчетное значение R_f умножается на отношение _d /1,5, где _d – плотность сухого грунта, т/м³.

Если в несвязных грунтах (пески, крупнообломочные породы с песчаным заполнителем) механизм морозного пучения может быть представлен моделью увеличения объема гетерогенной системы за счет расширения при фазовом переходе воды, то в связных грунтах наличие связанной воды обусловливает процесс миграции жидкой фазы, выражающийся в перераспределении влаги начального содержания и накоплении ее в промерзающем грунте вследствие поступления из смежных немерзлых зон. Поэтому пылевато-глинистые грунты (суглинки, супеси, глины) со степенью влажности S_r>0,9, или в которых уровень подземных вод, расположен у границы сезонного промерзания грунта считаются сильнопучинистыми. Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, а также пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, относятся к непучинистым грунтам при любом положении уровня подземных вод; при водонасыщении в условиях замкнутого объема эти грунты относятся к группе слабопучинистых.

Согласно методике приведенной в [117], величина относительной деформации морозного пучения (коэффициент морозного пучения) промерзающего слоя глинистого грунта при ненагруженной его поверхности в естественных условиях для случая отсутствия подземных вод или их глубокого расположения определяется по формуле:

_f=(αw(ρ_d/ρ_w) –)_Т, (6.2)

где w – природная влажность грунта перед его промерзанием, доли единицы; ρ_d=ρ/(1–) – плотность скелета грунта при его естественной (природной) плотности ρ, кг/м³; ρ_w – плотность воды, находящейся в порах грунта, ρ_w =1000 кг/м³; _Т – коэффициент, учитывающий влияние скорости и продолжительности промерзания грунта в районе строительства; α и – параметры пучинистых свойств грунтов, определяемые по табл. 6.4 в зависимости от вида глинистого грунта, величины числа пластичности I_p и значения влажности грунта на границе текучести w_L.

Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта, воспринимающего внешнее давление от сооружения при отсутствии подземных вод или их глубокого расположения определяется по формуле:

_f=(αw(ρ_d/ρ_w) ––σ)_Т, (6.3)

где σ – среднее дополнительное вертикальное напряжение в промерзающем слое грунта, МПа;  – параметр, учитывающий влияние внешнего давления на интенсивность морозного пучения грунта, МПа^–1, определяется по табл. 6.4.

Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта при отсутствии на его поверхности нагрузки в условиях близкого расположения уровня подземных вод у границы промерзания определяется по формуле:

_f=(αw(ρ_d/ρ_w) ––)_Тχ,

где χ – коэффициент, учитывающий влияние подземных вод на интенсивность процесса миграции влаги и морозного пучения, определяемый по формуле:

χ =( z_max d_ws )/(z+ d_ws),

где z– расстояние от границы сезонного промерзания до уровня подземных вод, м, z_max – то же, когда влияние подземных вод можно не учитывать (z≥z_max), устанавливается по табл. 6.5; d_ws – глубина зоны всасывания, в пределах которой происходит миграция влаги к границе промерзания, равная 0,30 м.

Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта, воспринимающего внешнее давление от сооружения в условиях близкого расположения уровня подземных вод у границы промерзания, определяется по формуле:

_f=(αw(ρ_d/ρ_w) ––σ)_Тχ.

Коэффициент морозного пучения слоя песка крупного или средней крупности при невозможности отжатия влаги от границы промерзания определяется по формуле:

_f=0,09S_re(ρ_d/ρ_s),

где ρ_s – плотность минеральных частиц, величина которой может быть принята равной 2650 кг/м³; S_r=wρ_s/eρ_w – степень влажности песка перед промерзанием, доли единицы; e=(ρ_s–ρ_d )/ρ_d – коэффициент пористости песка, д. ед.

Таблица 6.4

Значения параметров пучинистых свойств α, ,  глинистых грунтов [117]

Наименование грунта и число пластичности	Влажность грунта на границе текучести, wL, д. ед.	Параметры
		α		
Супеси 0,02<Ip0,07	0,15	0,216	0,025	0,028
	0,25	0,174	0,037	0,029
	0,33	0,155	0,043	0,030
Супеси пылеватые 0,02<Ip0,07	0,15	0,302	0,041	0,034
	0,25	0,245	0,058	0,035
	0,33	0,228	0,071	0,036
Суглинки 0,07<Ip0,17	0,20	0,310	0,048	0,050
	0,30	0,242	0,054	0,052
	0,40	0,202	0,056	0,054
	0,50	0,168	0,058	0,056
Суглинки пылеватые 0,07<Ip0,13	0,20	0,268	0,029	0,056
	0,30	0,237	0,046	0,058
	0,40	0,224	0,062	0,060
	0,50	0,206	0,070	0,062
Суглинки пылеватые 0,13<Ip0,17	0,20	0,234	0,015	0,059
	0,30	0,199	0,026	0,061
	0,40	0,189	0,039	0,064
	0,50	0,184	0,050	0,068
Глины Ip>0,17	0,25	0,176	0,017	0,050
	0,35	0,149	0,021	0,052
	0,45	0,141	0,029	0,054
	0,55	0,134	0,035	0,056
	0,65	0,131	0,040	0,058

В условиях промерзания крупных и средней крупности песков с отжатием воды от фронта промерзания коэффициент морозного пучения может быть менее 0,01.

Коэффициент морозного пучения слоя пылеватого и мелкого песка определяется по формуле:

_f=0,09S_re(ρ_d/ρ_s) χ,

Здесь, глубина зоны всасывания d_ws принимается равной 0,4 м.

Величина абсолютной деформации морозного пучения (величина пучения) слоя грунта при отсутствии на его поверхность внешней нагрузки определяется из выражения:

f_f =_f d_f,

где _f – коэффициент морозного пучения слоя грунта при ненагруженной поверхности, величина которого определяется в зависимости от положения уровня подземных вод, доли единицы; d_f – глубина промерзания грунта, м.

Таблица 6.5

Значение максимального расстояния до уровня подземных вод z_max

Наименование грунта	Значение zmax, м
Глины с монтмориллонитовой и иллитовой основой	3,5
Глины с каолинитовой основой	2,5
Суглинки пылеватые с Ip>0,13	2,5
Суглинки с Ip>0,13	2,0
Суглинки пылеватые с Ip0,13	2,0
Суглинки с Ip0,13	1,8
Супеси пылеватые с Ip>0,02	1,5
Супеси с Ip>0,02	1,3
Супеси с Ip0,02, пески пылеватые	1,0
Пески мелкие	0,8

Величина абсолютной деформации морозного пучения грунта основания в пределах сжимаемой толщи (при местной нагрузке на основание) определяется по формуле:

f_f =_f h_f,

где _f – средневзвешенное значение коэффициента морозного пучения грунта, определяемое по формуле (6.3) с учетом средней величины дополнительного напряжения в промерзшем слое грунта толщиной h_f.

Величина максимального значения нормального давления морозного пучения глинистого грунта по подошве фундамента или к поверхности иной конструкции, определяется по формуле:

p_fmax=(αw(ρ_d/ρ_w)–/,

где p_fmax – максимальное значение удельного нормального давления морозного пучения грунта, МПа; остальные значения указаны выше.

Величина удельного нормального давления морозного пучения песка пылеватого и мелкого может быть вычислена по формуле:

p_fmax =0,09S_re(ρ_d/ρ_s) /,

где  – коэффициент, величина которого принимается для песка пылеватого 0,042, а для мелкого песка – 0,049 [117].

В соответствии с нормами по проектированию оснований зданий и сооружений глубина заложения фундаментов в пучинистых грунтах должна приниматься не менее расчетной глубины промерзания. В этом случае подошва фундамента освобождается от воздействия нормальных сил пучения. Однако глубоко заложенные фундаменты имеют развитую боковую поверхность, по которой действуют касательные силы пучения. Эти силы превосходят нагрузки, передаваемые легкими зданиями на фундаменты, в результате чего фундаменты выпучиваются. Определяются эти силы в полевых условиях согласно ГОСТ 27217.