Морозное пучение грунта: влияние на фундаменты

Оглавление

Что представляет собой мелкозаглубленный ленточный фундамент

Обычный ленточный фундамент погружают в грунт на глубину ниже уровня промерзания. Этот тип основания так и называется — заглубленный. Лента опирается на неподвижные и стабильные грунтовые слои, что исключает воздействия снизу на подошву основания.

При этом, боковые поверхности ленты имеют большую площадь, на которую воздействуют силы горизонтального пучения. Это создает высокую опасность для основания, поскольку боковые воздействия способны разрушить опорную конструкцию и представляют угрозу для постройки.

В наибольшей степени это опасно для малоэтажных небольших зданий, частных домов, вес которых не способен компенсировать нагрузки пучения.

Существует облегченный вариант — мелкозаглубленный ленточный фундамент (МЗЛФ). Он погружается в грунт на относительно небольшую глубину — от 0,5 до 1,5 м, что выше уровня промерзания грунта.

При такой конструкции возникает возможность появления вертикальных нагрузок пучения, воздействующих снизу, но значительно уменьшаются боковые воздействия.

Конструкция МЗЛФ практически полностью повторяет обычный заглубленный вариант, но с поправкой на меньшую глубину погружения. Несущая способность такого основания снижена и позволяет строить только относительно легкие малоэтажные здания, в основном, используется для частных жилых домов.

Особенности морозного пучения грунта

Пучение грунта – это очень сложное и в последствии приводящее к всевозможным последствиям. Если пренебречь данным явлением, то можно не избежать различного вида проблем. Например, чаще всего в таких случаях при замерзании грунта «поднимается» фундамент вместе с легким зданием, а при оттаивании грунта – опускаются. Неравномерность оттаивания и замерзания грунта приводит в аварийное состояние постройку, а иногда способствует и полному разрушению.

Все мы помним из школьного курса физики, что при замерзании вода имеет больший объем. Тем самым она, замерзая, расширяет и даже разрывает трубопроводы или сосуды.С грунтом происходит в точности такая же картина. В грунте имеется влага, которая при отрицательной температуре замерзает и увеличивается в объеме. Таким образом, происходит поднятие грунта. Здесь можно сделать простой вывод: чем больше влаги в земле, тем больше при замерзании она увеличивается в объеме и, следовательно, сильнее поднимается грунт.

Если грунт пористый на участке, то явление пучения грунта заметно меньше. Это в результате того, что при замерзании грунт заполняет пустоты пор. А при очень пористом грунте вероятность пучения грунта сводится на нет.

Грунт всегда промерзает постепенно, начиная сверху, с поверхности земли. Замерзая, грунт начинает вытеснять присутствующую влагу, которая уходит все ниже и ниже через поры. Опять же, если грунт пористый, то влага с легкостью и беспрепятственно уходит, и пучения грунта не происходит. Участки с глиной очень плохо пропускают жидкость. Влага здесь не уходит вниз и провоцирует пучение грунта.

Фундамент — плита, плитный фундамент

Стены дома опираются на плиту фундамента

Фундамент в виде монолитной железобетонной плиты под всей площадью дома

— еще один вариант мелко заглубленного фундамента.

Большая площадь опоры позволяет значительно уменьшить удельные нагрузки на грунт. Усиленное армирование и большой расход бетона делают плитный фундамент самым дорогим в частном домостроении.

Фундамент — плиту для частного дома, из-за его высокой стоимости, целесообразно применять при слабой несущей способности грунта на участке.

Плитный фундамент, так же, как другие типы фундаментов, для защиты от морозного пучения грунта может быть выполнен с устройством теплоизоляции или без неё.

Стены дома опираются на мелко заглубленный ленточный фундамент с монолитной плитой подвесного пола по грунту.

Следует различать

плитный фундамент и мелко заглубленный монолитный ленточный фундамент с подвесными полами по грунту.

В последнем случае заливают монолитный железобетонный ленточный фундамент и монолитную железобетонную плиту пола по грунту.

В этом варианте монолитная железобетонная плита пола не участвует в передаче нагрузки от веса здания на грунт

, а исполняет роль плиты перекрытия и должна рассчитываться на нормативную нагрузку перекрытий, иметь соответствующую прочность и армирование.

Грунт фактически здесь используется только как временная опалубка при устройстве железобетонной плиты перекрытия. Такую конструкцию часто называют «подвесной пол по грунту».

Ленточный фундамент с монолитной плитой подвесного пола часто ошибочно считают плитным фундаментом с ребрами жесткости

. Конструкции действительно похожи, но есть существенная разница в деталях — армировании, размерах.

Во всех случаях при устройстве фундаментов необходимо предусматривать водозащитные мероприятия, направленные на снижение деформаций пучения грунта — обеспечивающие уменьшение влажности грунта, понижение уровня подземных вод, отвод поверхностных вод от дома

посредством устройства вертикальной планировки,дренажных сооружений, водосборных канав, лотков, траншей и т.п.

Мало заглубленные фундаменты следует с осторожностью применять для домов на крутых склонах и откосах. Для мало заглублённых фундаментов довольно велика опасность сдвига (соскальзывания) из-за практически полностью отсутствующего защемления в грунте

Для мало заглублённых фундаментов довольно велика опасность сдвига (соскальзывания) из-за практически полностью отсутствующего защемления в грунте.

Как видим, выбор принципиальной конструкции и расчет фундамента сложная и ответственная задача. Итоговые результаты прежде всего зависят от достоверной оценки грунтов в основании здания, которые без изысканий получить достаточно сложно. Цена ошибки может быть очень велика.Самостоятельный выбор фундамента можно рекомендовать для вспомогательных, хозяйственных построек и небольших садовых домиков.

Проектирование фундамента для строительства дома разумнее заказать специалистам.

Дополнительную информацию по устройству и применению малозаглубленных фундаментов можно получить из книги одного из авторов СНиПов В.С. Сажина «Не зарывайте фундаменты вглубь». Скачать книги в формате djvu 389 кбайт.

Выбери тип фундамента для своего дома —

Какой фундамент выбрали Вы? Голосуйте! Узнайте, что выбрали другие.

Смотреть!

— все опросы

Следующая статья:

Предыдущая статья:

⇆

В чем опасность пучинистого грунта для здания?

Посмотрим, что происходит с пучинистым грунтом, непосредственно находящимся рядом со зданием. Зимой при наступлении морозов вода замерзает и расширяется, превращаясь в лед. Вместе с ней начинает расширяться и грунт, ее содержащий. Возникают силы морозного пучения.

Силы начинают действовать на находящееся рядом здание, точнее на его фундамент, приподнимая его. Весной же во время повышения температуры происходит обратный процесс: здание опускается за счет того, что лед тает, превращаясь в воду и, соответственно, сжимаясь, увеличивая свою плотность и уменьшая собственный занимаемый объем.

Если фундамент не защищен от действия пучинистых сил, то возможен сдвиг здания, что рано или поздно приведет к образованию трещин в стенах здания и фундаменте, а потом и к разрушению здания.

Факторы, влияющие на пучение

Не стоит полагать, что ущерб от пучения грунта несколько преувеличен. Чтобы понять насколько серьезно обстоят дела, необходимо более подробно рассмотреть такой процесс. Итак, пучение грунта происходит неоднородно, и в первую очередь это обусловлено перепадами высот поверхности земли. Они преимущественно наблюдаются весной, когда сторона дома, которая стоит на южной стороне, обогревается, а также увлажняется весенней капелью намного быстрее и лучше. Ближе к вечеру температура начинает падать, к этому времени грунт уже успевает поглотить большое количество талой воды, которая в нем превращается в пласт льда.

Его масса может достигать нескольких сотен кг, а этого вполне достаточно, чтобы поднять часть фундамента на определенную высоту. Весь этот процесс происходит в течение ночи. Днем, когда температура вновь повышается, вода в грунте начинает оттаивать. В результате этого фундамент начинает проседать, при этом в почву опять попадает большое количество воды, которая в последующем кристаллизуется. И такой процесс происходит из-за дня в день до тех пор, пока температура воздуха не нормализуется, то есть не наступит тепло.

Схема закладки фундамента в промерзающем грунте.

При этом следует отметить, что процесс пучения может наблюдаться не только в весеннее время, если воды залегают недалеко от поверхности земли, то подобное явление происходит и зимой. В итоге последствия от него возникают еще более серьезные.

Кроме того, ущерб от пучения грунта зависит и от того, какое в нем присутствует соотношение связанной и свободной воды. В каждом виде почвы оно различное. Так, если она представлена слоями песка, то связной воды в них будет наблюдаться минимальное количество. А значит, сильного негативного влияния на строение пучение не окажет. Тогда как в таких типах грунта, как супесь, суглинок или глина, ситуация наблюдается обратная. В них присутствует большое количество связной воды. Поэтому в них наблюдается сильная миграция влаги. При промерзании таких грунтов урон от пучения для строений наблюдается очень серьезный. Деформация может составлять до десятков сантиметров.

Помимо соотношения связной и свободной воды на интенсивность пучения влияют и другие факторы, среди которых:

Схема монтажа дренажной системы фундамента.

суровость и продолжительность зимы;
средняя толщина снежного покрова;
состав грунта;
количество сезонных осадков;
влажность воздуха;
рельеф местности;
наличие растительного покрова;
глубина залегания вод, находящихся поз землей;
расположение местности относительно юга.

Поскольку пучения могут нанести серьезный урон строению, то рекомендуется возводить его фундамент ниже глубины промерзания грунта. Ее величина зависит напрямую от местности, где будет строиться жилище. Ориентировочная глубина промерзания грунта по городам следующая:

Ставрополь и Нальчик – 70 см.
Сургут, Нижневартовск, Воркута и Салехард – 240 см.
Петропавловск и Тобольск – 210 см.
Новосибирск и Омск – 220 см.
Днепропетровск, Ростов, Минск и Киев – 90 см.
Кустанай и Курган – 200 см.
Уральск и Самара -160 см.
Одесса, Львов и Севастополь – 70 см.
Челябинск, Екатеринбург и Пермь – 190 см.
Уфа и Оренбург -180 см.
Николаев, Симферополь и Краснодар – 80 см.
Казань, Киров, Ижевск и Ульяновск – 170 см.
Пенза, Саратов, Вологда и Кострома – 150 см.
Тверь, Санкт-Петербург, Воронеж, Тамбов, Тула, Новгород, Москва, Рязань и Ярославль – 140 см.
Астрахань и Псков – 110 см.
Курск, Волгоград и Смоленск – 120 см.
Курск, Харьков, Калининград и Белгород – 100 см.

Следует сказать о том, что средиземная влажность, которая присутствует у грунта, является решающим фактором. Она в большей степени влияет на силу пучения. При этом плотность нижних слоев почвы тоже играет существенную роль. Чем она выше, тем меньше будет наблюдаться деформация у строения, и наоборот, чем она ниже, тем сильнее будет происходить пучение грунта.

Стадии промерзания грунта

Россия является северной страной, поэтому в зимнее время на ее территории всегда присутствует низкая температура. В зависимости от региона грунт может находиться в замершем состоянии от 2 до 9 месяцев. Когда наблюдаются осенне-зимнее похолодания, то глубокие слои почвы переходят в следующие состояния:

1 стадия — предварительная. В ходе нее происходит охлаждение грунта до температуры, которая не способствует кристаллизации воды;
2 стадия — основанная. Здесь уже вода переходит в другое агрегатное состояние, происходит ее объемное расширение, вследствие чего она становится льдом;
3 стадия — переохлаждение. В ходе нее происходит сжатие грунта на морозе, что в последующем приводит к резкому понижению его температуры.

Схема промерзания грунта.

Следует учесть, что все эти стадии являются условными, поскольку процесс переход из одной в другую протекает очень медленно. При этом также можно выделить еще один этап, в ходе которого происходит оттаивание грунта. Это приводит к его просадке.

Из-за того что именно в зимнее время наблюдается пучение грунта, то заниматься возведением домов в данный период настоятельно не рекомендуется, потому что это представляет очевидную опасность. После строительства существует высокий риск разрушения готового строения

Особенно важно не проводить возведение фундаментов и объектов в городах крайнего севера, где наблюдается сильное промерзание нижних слоев почвы

Столбчатое основание с ростверком

Ростверк – это целая система, состоящая из обвязочных балок и рандбалок. Благодаря ему вся конструкция становится более жёсткой и защищённой от горизонтальных подвижек. К тому же нагрузка от постройки будет распределяться равномерно по всем опорам. Это способствует повышению устойчивости и защите от разрушения.

Установка такого фундамента выполняется в несколько этапов:

После подготовки площадки и разбивки копают ямы. Их дно должно быть ниже на 20 см, чем точка промерзания земли. Ширина ямы делается на 400 мм больше, чем поперечный размер стен. Это нужно для того, чтобы был запас места для установки распорок и опалубки.
На дне выполняется подушка из смеси песка и щебня, которая после заливки водой тщательно трамбуется.
Чтобы влага из бетона, который будет заливаться в яму, не уходила в грунт, поверх подушки настилается рубероид или полиэтилен.
Делаем опалубку из досок толщиной 2 см. После её установки доски стоит смочить, чтобы они не впитывали влагу из раствора.

Далее изготавливаем и помещаем в яму арматурный каркас из прутка диаметром 1-1,4 см. Длина арматуры должна быть такой, чтобы после установки в яму сверху над землёй торчали прутья длиной 0,3-0,4 м.
Бетонный раствор заливают послойно с трамбовкой каждого слоя.
Через четыре дня можно снимать опалубку. Боковые поверхности опор закрывают рубероидом, а яму засыпают песком.

Теперь можно приступать к укладке ростверка. Его можно уложить в одной плоскости с поверхностью земли или поднять выше. Второй вариант лучше тем, что на конструкцию не будут воздействовать силы пучения. Работы по монтажу ростверка ведут в такой последовательности:

По периметру фундамента устанавливается опалубка.
Днище опалубки засыпается песком, трамбуется и выстилается полиэтиленом. Высота песчаной подушки зависит от того, на каком расстоянии от поверхности земли должен находиться ростверк.
Внутрь опалубки устанавливается арматурный каркас из прутка сечением 1,2-1,4 см.
Затем за один приём заливаем в опалубку бетон. Воздух удаляем вибратором.
Через несколько дней опалубку демонтируем. Из-под ростверка убираем песчаную подушку.

Как сделать песчаную подушку?

Для нее понадобятся следующие материалы и инструменты:

геоткань;
вода;
гравий;
песок;
лопата;
строительный уровень;
трамбовка;
гидроизоляция.

Первым делом роется котлован либо траншея на глубину промерзания грунта. После этого вырытую яму следует выровнять и обложить в несколько слоев геотканью – она защитит от попадания к фундаменту жидкости из нижних слоев почвы. Затем проводится насыпка песка, тоже в несколько слоев. Каждый слой увлажняется и тщательно трамбуется. Между каждым слоем обязательно укладывается щебень. В результате получится подушка нужной высоты. Обычно её высота не превышает 200 мм. Поверх неё стелется гидроизоляционный слой. В заключение делается армирование опалубки и, наконец, заливается бетон.

Схема фундамента в разрезе

Что такое пучинистые грунты и чем они опасны

Пучение — это процесс увеличения объема грунта, вызванный расширением замерзшей воды. Пучинистые грунты содержат достаточное количество влаги, чтобы она смогла повлиять на их состояние в зимнее время.

Примечательно, что на территории России большинство участков обладают таким типом грунта, что выдвигает особые требования к технологии строительства.

Наличие влаги делает эти грунты нестабильными в холодное время года. Вода замерзает, расширяется и начинает выдавливать грунт вверх или в стороны наименьшего сопротивления.

При этом, величина нагрузок пропорциональна количеству влаги и в разных точках имеет собственные значения, которые постоянно меняются.

Способы борьбы с пучением грунта

Сила пучения действует на подошву фундамента и его стенки (нормальная и касательная составляющие). Если увеличивают глубину заложения, первое значение снижается, но второй показатель повышается, т.к. становится больше боковая площадь опоры. Касательное пучение достигает силы 5 – 7 т/м². Этого показателя хватает, чтобы выдавить глубокий фундамент с домом из газо- или пенобетона.

Методы снижения влажности почвы, которые сохранят стабильность грунта и предупредят плохие последствия:

укладка дренажных коллекторов для отвода земельной влаги;
вертикальное планирование с уклоном стен не меньше 5% для ухода воды с поверхности;
уменьшение отметки залегания опор заменой нестабильного основания прочным грунтом;
устройство водостойких отмосток по периметру строения;
регулярные мероприятия по снижению воды;
уплотнение земли для обратной отсыпки фундаментных пазух;
устранение угроз прорыва водопровода и канализации;
удаленность фундамента от колодцев, водоемом, моечных станций, коммуникаций.

Имеет значение обезвоживание почвы в результате установки дренажной системы. Участок осушается при устройстве песчаной подушки и установке перфорированных труб. Дренаж устраивают по периметру, а недалеко от котлована (0,5 м) копают яму глубиной по отметке заложения. В канаву выводят изолированную трубу с уклоном и присыпают крупным гравием или песком.

Гладкая поверхность рубероида под подошвой фундамента сгладит вертикальное поднятие и вызовет эффект скольжения. Такое же действие оказывает сглаживание поверхности почвы под пятой фундамента. Нестабильную почву меняют прочным грунтом, например, гравелистым песком крупной фракции. Котлован роют ниже отметки промерзания, пучинистую землю убирают, а вместо нее насыпают и утрамбовывают новый слой. Это действенный метод, но он предполагает большую кубатуру земельных работ.

Как обезопасить фундамент постройки

Глубина заложения фундамента в зависимости от пучинистости грунта

Фундамент закладывают ниже отметки промерзания — так на основание не подействует давление от пучения. Что касается боковой поверхности, то частицы почвы будут примерзать к опоре и поднимать фундамент при вздутии. Поэтому глубокая закладка применяется только для тяжелых строений с железобетонными перекрытиями и со стенами из кирпича, бетона.

Утепление почвы используют как метод снижения влияния грунта при строительстве мелкозаглубленных опор под дом из легких материалов. Замерзание земли исключается, и влага не вспучивает почву. На землю укладывают утеплительный слой, ширина ленты соответствует высоте промерзания. Толщину изоляции принимают по расчету в зависимости от свойств материала и климата в регионе.

Фундамент защищают введением специальных добавок, например, делают засаливание почвы. Это временное воздействие используется в период возведения дома. Используют калия хлорид или технический хлорид натрия из расчета 30 кг на кубометр земли. Перемешивается с грунтом для обратной засыпки и вводится в пространство вокруг основания дома. Делается на глубине от 0,5 до 1,0 метра.

Природа сил пучения

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.

Плотность воды составляет 1000 кг/м3, плотность льда 916 кг/м3, это значит, что при одинаковой массе лед будет занимать больший объем, нежели вода примерно на 9%. Зимой вода, содержащаяся в грунте, превращается в лед, увеличиваясь в объеме, и тем самым создает давление на грунт. Под действием этого давления грунт начинает двигаться. Это давление не может продавить глубоко залегающие нижние плотные слои грунта поэтому выдавливает грунт вверх, а вместе с ним и фундамент дома.

Больше всего морозному пучению подвержены глинистые грунты (объем грунта может увеличиваться на 10-15%, то есть при глубине промерзания 1,5 м – на 15-20 см). Песчаные грунты подвержены пучению гораздо меньше; каменистые и скальные – практически не подвержены. Разница в том, что глина не пропускает сквозь себя воду, поэтому грунты содержащие глину накапливают в себе влагу. А между частицами песка или гравия вода просачивается и уходит в нижележащие слои, а та влага, которая и содержится в песчаном грунте распределяется в нем равномерно, поэтому пучение такого грунта происходит равномерно, что уже не так опасно для фундамента дома.

Зимой сила пучения достаточно велика, чтобы поднять фундамент вместе с домом, при этом нет никакой гарантии, что приподнятый дом весной вернется в исходное положение. Это было бы не так страшно, если бы дом поднимался и опускался равномерно, но это не так. В результате в доме возникают перекосы стен, дверных проемов и окон. В наибольшей степени это относится к каркасным или щитовым домам, в меньшей степени к домам сложенным из бруса, так как они сами по себе представляют жесткую конструкцию. Стены кирпичного дома при пучении могут потрескаться из-за того, что фундамент поднимается неравномерно — с одной стороны больше, с другой меньше. Например, под отапливаемым домом земля не промерзает, и часть фундамента под внутренними стенами дома не испытывает действия пучения, в то время как вокруг дома за внешними стенами фундамента промерзание есть. Осенью с северной стороны дома земля начинает промерзать быстрее, чем с южной: с одной стороны дома есть пучение, с другой — нет.

Основные причины данного явления

Пучение происходит из-за замерзания грунтовых вод – это основная причина процесса. Однако пучение происходит и при взаимодействии других факторов. Например, его вполне можно наблюдать и весной, когда сильных морозов нет. Это происходит, когда одна сторона строения всегда находится под постоянным воздействием лучей солнца, а другая – в тени. При этом осенью идут дожди, в результате чего в земле скапливается большое количество влаги, особенно с затемнённой стороны строения. Ночью начинает холодать, и резкий перепад температуры ведет к промерзанию скопившейся в земле жидкости.

Лёд в грунте может достигать огромных масс, которые способны вымещать фундамент на поверхность. И все это может произойти всего за одну ночь. Когда всходит солнце, вода тает, и фундамент снова проседает. Вода уходит из почвы, но в последующем процесс может повториться. В результате происходит износ фундамента и строения, установленного на нём.

Весной, в результате такого воздействия, дом может подвергаться просадке на несколько сантиметров, что заканчивается трещинами и прочими разрушениями, устранить которые будет нелегко. Зимой последствия могут быть масштабнее, а износ здания будет происходить быстрее и с большими повреждениями, так как сила промерзания в этот период выше.

Помимо этого, на такой процесс влияют:

состав грунта;
большое количество свободной воды;
длительность заморозков;
рельеф;
влажность воздуха;
количество осадков;
глубина залегания подземных вод;
направление расположения дома.

Также важно учитывать глубину промерзания грунта, которая во всех городах разная. Рекомендуется устанавливать фундамент ниже этого уровня, хотя всё зависит от конкретно взятой ситуации

При этом надо учитывать все приведённые выше факторы.

Таблица пучения грунта

Рассчитываем сопротивление грунта по своим параметрам

Возвращаемся к величине R. Ее мы уже можем определить в зависимости от своих данных. В этом случае применима одна из формул:

Если глубина заложения фундамента меньше 2 м, то используем формулу R=Ro * (1+k1*(b-100)/100) * ((d+200)/(2 * 200));
Для фундамента глубиной более 2 м необходимо производить вычисления по формуле R=Ro * (1+k1*(b-100)/100) + (k2 * y’ll * (d-200).

Так как наш фундамент будет установлен на глубину 150 см, то применяем первую формулу, а остальные значения мы уже имеем. Получаем R = 2,5 x (1+0,05 x (30-100)/100) x ((150+200)/(2 x 200)) = 2,11 кг/см2. Так мы получаем показатели сопротивления грунта. Теперь имеем абсолютно все необходимые данные, чтобы рассчитать фундамент.

Рассчитываем площадь основания. Для этого достаточно умножить длину всех фундаментных лент на ширину. Получаем 39 м х 0,3 м = 11,7 м2 или 117000 см2. Чтобы определить, какое давление будет оказывать масса дома на грунт под ним, делим расчетную нагрузку (мы получили ее в процессе сбора нагрузок) на площадь фундамента. Получается 161280 кг / 117000 см2 = 1,38 кг/см2. Осталось только сравнить сопротивление грунта (2,11 кг/см2) с полученной величиной. Получилось, что показатели грунта выше, значит, он выдержит оказываемые нагрузки.