что относится к пучинистым грунтам
SGround.ru
Сайт о фундаментах, их основаниях и морозном пучении грунтов
Что такое пучинистые грунты
Обзорная статья о морозном пучении грунтов
Оглавление:
1. Введение
Пучинистый грунт: Дисперсный грунт (то есть состоящий из отдельных мелких частиц), который при переходе из талого состояния в мерзлое увеличивается в объеме вследствие образования льда (ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация).
Процесс промерзании зимой таких грунтов сопровождается вертикальным подъемом поверхности грунта относительно ее положения летом, причем поднятие поверхности часто происходит неравномерно. Это сопровождается развитием сил морозного пучения, действующих на фундаменты зданий и сооружений. После оттаивания весной такие грунты постепенно уменьшаются в объеме и поверхность грунта возвращается в прежнее положение (оседание).
Бывают и более серьезные явления, связанные с морозным пучением, такие как например бугры пучения, достигающие огромных размеров. Но они чаще всего характерны для районов распространения многолетней мерзлоты и для болот северных широт.
Бугры пучения
Для различных грунтов деформации пучения не одинаковы и зависят от степени его влажности перед замерзанием, уровня грунтовых вод, количества и размера пылеватых частиц в составе грунта, глубины промерзания. Максимальный общий подъем поверхности достигается к концу зимы (в этот период глубина промерзания максимальна) и может составлять до 40 см (!), а в некоторых случаях и более.
2. Классификация грунтов по степени пучинистости
Классификация грунтов по степени пучинистости встречается в нормативной литературе на проектирование фундаментов, в ГОСТ на грунты и в другой специальной литературе. В разных источниках классификация немного отличается, но суть везде одинакова. В таблице приведена классификация на основе объединения данных из ГОСТ 25100-2011, ГОСТ 25100-95, СП 22.13330.2016 и других источников:
* — сведения из ГОСТ 25100-95 табл. Б.27, (в том же ГОСТ 25100, но обновленном в 2011 году этой информации уже нет.)
Здесь: Sr – степень влажности — отношение естественной (природной) влажности грунта W к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (без пузырьков воздуха); JL — показатель текучести грунта (определяется только для глинистых грунтов и показывает насколько грунт «разжижен» от проникшей в него влаги)
Степень морозной пучинистости ɛfh определяет на сколько при замерзании образец грунта увеличивается по высоте. Например, при промерзании слоя грунта толщиной 1,0 м с показателем ɛfh равным 7% грунт увеличится по высоте на 7 см.
При этом «непучинистый» грунт все равно, как правило, будет увеличиваться в объеме, но на незначительную величину – менее 1%.
Так же существует таблица которая определяет степень пучинистости грунта в зависимости от положение уровня грунтовых вод относительно расчетной глубины промерзания грунта z (из «Руководства по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах» НИИОСП им. Н.М. Герсеванова):
Уровень грунтовых вод должен приниматься с учетом прогноза его изменения согласно требованиям норм проектирования.
3. Определяем пучинистый грунт или нет
К пучинистым грунтам относятся глинистые грунты, пески пылеватые и мелкие, а также крупнообломочные грунты с глинистым и мелкопесчаным заполнителем более 10%, имеющие к началу промерзания влажность выше определенного уровня (см. таблицу выше).
Для восприятия такая проще формулировка:
К гарантировано НЕпучинистым относятся только:
Для всех остальных грунтов (супеси, суглинки, глины, мелкие и пылеватые пески, а также щебенистые и крупнообломочные грунты с заполнителем более 10%) справедливо утверждение – они могут быть как пучинистыми, так и непучинистыми и зависит это от:
При проектировании фундаментов на основаниях, сложенных пучинистыми грунтами, следует учитывать возможность повышения влажности грунта за счет подъема уровня подземных вод, инфильтрации поверхностных вод и экранирования поверхности. (СП 22.13330.2016 п. 6.8.2).
Как отличить по визуальным и косвенным признакам супесь от песка и глины и вообще определить тип грунта см. в отдельной статье.
4. Физика процесса
Почему песок не увеличивается в объеме даже в водонасыщенном состоянии? Почему разные грунты имеют разный показатель пучинистости?
Суть процесса морозного пучения достаточно сложна и многообразна. Многим известно, что при замерзании определенного объема воды получается лед, занимающий больший объем и имеющий меньшую плотность (917 кг/м3). Увеличение объема при этом составляет примерно 9 %. Но морозное пучение грунтов связано не только с этим свойством воды.
При замерзании даже всей поровой воды в грунте увеличение его объема не превышает 3…4% (в закрытой система). В то же время в природном залегании объем грунта при его промерзании увеличивается на 10—50 и даже 100%. Пучение грунта достигает таких показателей вследствие кристаллизации в порах грунта воды и поступления дополнительной влаги по капиллярам (миграции) к фронту промерзания из еще не промерзших нижележащих слоев (открытая система). Это сопровождается резким увеличением влажности грунта с образованием в нем льда в виде линз, прослоек, кристаллов и др. структур.
Песчаные грунты с достаточно крупными частицами не позволяют влаге мигрировать при промерзании из-за отсутствия узких капилляров и малой поверхности смачивания, а наоборот создают условия для «отжатия» влаги в сторону еще не промерзших слоев, поэтому увеличение объема при промерзании в них практически отсутствует даже при полном водонасыщении. Очень мелкие частицы размером менее 0,005 мм так же затрудняют процесс миграции влаги и снижают пучинистость
Таким образом влияние оказывает не только первоначальная влажность и гранулометрический состав грунта, но и его пористость, способность пропускать капиллярную воду, количество связанной воды, химический состав и ряд других факторов.
Детально физика процесса рассмотрена в отдельной статье.
5. Глубина и скорость промерзания грунта
Одними из наиболее значимых факторов, определяющих величину поднятия поверхности (степень пучинистости) при промерзании грунтов являются глубина и скорость промерзания.
Глубина и скорость промерзания грунтов зависит от значений отрицательной температуры наружного воздуха в зимний период, от продолжительности зимнего периода, от толщины и плотности снегового покрова, теплопроводности грунта, наличия теплоизолирующих покрытий (бывают как естественные, например, моховый или торфовый слой, так и искусственные), интенсивности воздействия солнечной радиации, от смен холодной погоды на оттепели.
В нормативной документации на проектирование фундаментов рассматривается только глубина промерзания грунта. Эта величина рассчитывается по формулам в зависимости от среднемесячных температур в холодный период года и может в зависимости от региона и условий меняться в широких пределах: от 0 до 6 м.
Подробно вопросы влияния глубины и скорости промерзания на основания и фундаменты и методы расчета этих параметров приведены в отдельной статье.
6. Чем опасно морозное пучение грунтов
К сожалению многие, даже опытные строители, недооценивают опасность морозного пучения из-за того что его влияние проявляется не сразу, растянуто во времени и слишком сложно предсказуемо. А зря… Ведь именно непредсказуемость морозного пучения делает его учет при проектировании и строительстве обязательным.
Сложность процесса пучения и неоднородность грунтов основания вызывают неравномерный подъем поверхности при промерзании. Воздействие морозного пучения на фундаменты как правило вызывает очень серьезные негативные последствия:
Трещина в фундаменте под воздействием морозного пучения (весна). Выпучило трубу ограды, фундамент поднят на 7-9 см над землей, после оттаивания летом — не опускается
В малозаглубленных и поверхностных фундаментах, подверженных лобовым силам морозного пучения возникают:
— недопустимые крены и изгибающие усилия в ленточных и плитных фундаментах, вызывающие их повреждение, крены элементов надземной части здания, растрескивание стен (для стен из жестких каменных материалов) и др.;
— разность вертикальных деформаций и недопустимые крены для отдельных столбчатых фундаментов, вызывающие повреждение надземной части здания, изменение геометрии дверных и оконных проемов и др.;
Трещина в ленточном фундаменте от воздействий морозного пучения
В свайных и ленточных/столбчатых фундаментах с глубиной заложения больше глубины промерзания возникают:
— подъем свайных фундаментов вместе с поверхностью грунта под воздействием касательных сил морозного пучения. Это явление имеет склонность накапливаться, т.к. фундаменты после оттаивания грунта опускаются в исходное положение не полностью, или вообще не опускаются, а в следующий зимний сезон все снова повторяется.
— возникают очень большие растягивающие усилия между выпучиваемой частью фундамента и нижней частью, находящейся в непромерзающих слоях и удерживающей конструкцию от выпучивания (может привести к разрыву конструкции).
Опасность морозного пучения заключена в неравномерности поднятия поверхности грунта и в накоплении эффекта выпучивания (для заглубленных фундаментов) с каждым годом. При морозном пучении возникают огромные усилия, сдержать которые или очень сложно, или невозможно
В этом видеоролике интересный пример воздействия морозного пучения на деревянный дом:
7. Основные меры в борьбе с пучением
Первое что требуется в деле борьбы с морозным пучением — правильный выбор глубины заложения фундаментов для исключения воздействия лобовых сил морозного пучения, т.к. эти силы имеют огромные значения и бороться с ними очень тяжело. Для этого необходимо чтобы подошва фундамента находилась ниже глубины промерзания.
Иногда в малоэтажном строительстве имеет смысл делать незаглубленные или малозаглубленные фундаменты, заранее полагая что они будут подвержены пучению, и рассчитывать их на восприятие соответствующих усилий. Этот подход неоднозначный и применим далеко не всегда. Отдельно читайте о малозаглубленных фундаментах в статье.
После исключения лобовых сил, необходимо справиться с оставшимися касательными силами пучения. Мероприятия по борьбе с касательными силами пучения в основном сводятся к следующему списку:
Вспомогательные меры для увеличения эффективности решений:
— Исключение переувлажнения грунтов за счет применения поверхностного стока и дренажных систем;
— Исключение или уменьшение глубины промерзания грунтов за счет утепления поверхности;
— Введение в грунт веществ, снижающих температуру замерзания грунта (засаливание, пропитка нефтепродуктами) – наносит урон экологии поэтому редко применяется.
Конкретные меры по борьбе с морозным пучением для разных типов фундаментов детально рассматриваются в отдельной статье.
8. Заключение
В заключение отметим что:
Подводя итоги можно утверждать, что все грунты следует потенциально считать пучинистыми за исключением нескольких случаев:
1) в основании сооружения залегают пески крупные или средней крупности, щебенистые или крупнообломочные грунты с заполнителем до 10% по массе.
2) в основании сооружения залегают скальные грунты.
3) Грунты находятся в сухом состоянии и нет опасности их замачивания (грунтовые воды отсутствуют или находятся на большой глубине (на 3,5 м и более ниже глубины промерзания при максимально высоком уровне грунтовой воды), есть все условия для стока поверхностных вод и эти условия не изменятся в будущем, поблизости нет водонесущих коммуникаций и они никогда не появятся.
Пункт 3 в большинстве случав следует подвергать сомнению в долгосрочной перспективе, т.к. нельзя сказать наверняка что будет через 5, 10 или 20 лет.
Таким образом если грунт не является гарантированно непучинистым, то следует всегда предусматривать мероприятия по предотвращению воздействия на фундамент морозного пучения
И помните — если фундамент не выдерживает все нагрузки и воздействия на него, то после завершения строительства, как правило, уже ничего не исправить. И сэкономленные на фундаменте деньги обернутся грандиозными затратами…
Пучинистый грунт
Где E – степень пучинистости, H – высота мерзлого (вспучившегося) грунта, h – высота грунта до замерзания.
Степень пучинистости показывает, на какую величину изменяется объем грунта при промерзании. Пучинистыми называют грунты, у которых степень пучинистости больше 0,01, т.е. это такой грунт, который при промерзании на глубину 1 м увеличивается в объеме более чем на 1 см.
Какие грунты пучинистые?
Пучение происходит из-за того, что содержащаяся в грунте влага замерзает, а, как известно, лед имеет меньшую плотность, нежели вода, и поэтому занимает больший объем. Увеличение объема воды при замерзании и приводит к пучению, поэтому какие грунты пучинистые, а какие нет, зависит от содержания в них воды: чем ее больше в грунте, тем сильнее он вспучивается. К пучинистым относятся все глинистые грунты: глины, суглинки и супеси. В отличие от песка, глина имеет много пор и хорошо удерживает в себе влагу, вода не просачивается между мельчайшими частицами глины и не уходит в более глубокие слои земли. Поэтому, чем больше содержание глины, тем более пучинистым является грунт.
Строительство фундамента на пучинистом грунте
Силы пучения достаточно велики и способны поднимать целые здания, поэтому строительство фундамента на пучинистом грунте нужно вести только с принятием мер против пучения. Самый радикальный путь – это заменить грунт на непучинистый гравелистый или крупный песок. В этом случае роют большой котлован на глубину больше глубины промерзания, убирают пучинистый грунт и вместо него засыпают и хорошо утрамбовывают песок, который является отличным основанием для фундамента, не удерживает в себе влагу и имеет высокую несущую способность. Этот способ, пожалуй, самый надежный, но и самый затратный – он предполагает очень большой объем земельных работ.
Другой способ строительства устойчивого фундамента на пучинистом грунте – это заложение его на глубину ниже глубины промерзания. В этом случае на основание фундамента не будут действовать силы пучения, но на боковую поверхность пучение действовать будет. И хотя это воздействие на порядок меньше, оно способно создать проблемы: пучинистый грунт будет примерзать к боковой поверхности фундамента и при движении вверх/вниз будет тащить его за собой. Касательная сила пучения может достигать 5 тонн на квадратный метр поверхности. Заложенный на глубину 1,5 м ленточный фундамент дома 6 м на 6 м будет иметь суммарную площадь боковой поверхности 36 м2, а общая касательная сила пучения может поднимать до 180 т. Этого будет достаточно, чтобы поднять деревянный дом, потому что его вес не сможет уравновесить действие пучения. Поэтому заложение фундамента на пучинистом грунте ниже глубины промерзания используется при строительстве тяжелых кирпичных и монолитных железобетонных домов.
Третий способ снизить влияние пучинистого грунта на фундамент – это утепление. Этот вариант больше всего подходит для строительства мелкозаглубленных фундаментов под легкие дома и заключается в том, чтобы избежать замерзания влаги в пучинистом грунте. Укладывая на грунт слой утеплителя, можно добиться того, чтобы грунт вокруг фундамента никогда не промерзал. Ширина полосы утеплителя должна соответствовать глубине промерзания: если земля промерзает на 1,5 м, то утеплять надо вокруг фундамента полосу шириной 1,5 м. Толщина утеплителя зависит от его теплоизоляционных свойств и от климатических условий.
Читайте так же:
Глубина промерзания грунта
Промерзание грунта приводит к его пучению и негативному воздействию на фундамент здания. Глубина промерзания зависит от типа грунта и климатических условий.
Уровень грунтовых вод
Грунтовые воды – это первый от поверхности земли подземный водоносный слой, который залегает выше первого водоупорного слоя. Они оказывают негативное воздействие на свойства грунта и фундаменты домов, уровень грунтовых вод необходимо знать и учитывать при заложении фундамента.
Силы морозного пучения грунтов
Морозное пучение – это увеличение объема грунта при отрицательных температурах, то есть зимой. Происходит это из-за того, что влага, содержащаяся в грунте, при замерзании увеличивается в объеме. Силы морозного пучения действуют не только на основание фундамента, но и на его боковые стенки и способны выдавить фундамент дома из грунта.
Расчет фундамента для дома: нагрузка на фундамент и грунт
На этапе проектирования будущего дома в числе прочих расчетов необходимо выполнить расчет фундамента. Цель этого расчета – определить, какая нагрузка будет действовать на фундамент и грунт, и какой должна быть опорная площадь фундамента. Для того, чтобы определить суммарную нагрузку на фундамент, необходимо посчитать вес будущего дома со всеми эксплуатационным нагрузками (проживающими там людьми, мебелью, инженерным оборудованием и т.п.)
Несущая способность грунтов Несущая способность грунтов – это его основанная характеристика, которую необходимо знать при строительстве дома, она показывает какую нагрузку может выдержать единица площади грунта. Несущая способность определяет, какой должна быть опорная площадь фундамента дома: чем хуже способность грунта выдерживать нагрузку, тем больше должна быть площадь фундамента.
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.