Современные методы организации строительства объектов на многолетнем мерзлом грунте, а также в районах, подверженных сезонному оттаиванию почвы, позволяют внедрять новые и более эффективные технологии для обеспечения противодействия пучинистым явлениям. К таким технологиям относится сложно-модифицированная полимерная оболочка ОСПТ «Reline».
Как справиться с морозным пучением
Морозное пучение представляет собой один из серьезных природных факторов, способных нанести значительный ущерб фундаменту и конструкции здания, приводя к разрушительным последствиям.
Выбор типа фундамента и его закладка являются ключевыми этапами любого строительного процесса. Важно учитывать множество факторов и тонкостей, от которых зависит прочность и долговечность возводимого здания. Специалисты начинают задумываться об основании уже на этапе проектирования, тщательно подбирая его тип, строительно-материальные характеристики и конструкцию.
Однако предварительно необходимо провести детальное исследование местности, где планируется возведение постройки. Для этого осуществляются геолого-геодезические изыскания, которые помогают определить характеристики грунта, глубину промерзания, уровень залегания подземных вод и другие критически важные параметры. Эти данные играют решающую роль в выборе и закладке основания, влияя на надежность всего строения.
Морозное пучение представляет собой серьезную угрозу, способствуя разрушению бетонных и кирпичных конструкций. По результатам научных исследований, давление замерзшей влаги на 1 квадратный сантиметр достигает 2500 килограммов. При сильных осадках вода активно проникает в почву. Часто она не успевает впитаться и достичь уровня промерзания. Под воздействием низких температур вода замерзает, что вызывает явление морозного пучения. Это явление негативно влияет на основание сооружения. Степень вспучивания во многом зависит от содержания влаги в земле; при избытке воды последствия могут быть весьма серьезными.
Глубина промерзания
Состав и характеристики земельного участка определяют выбор строительных материалов и типа фундамента. Вспучивание связано с различными типами грунта. Наиболее рискованными в этом плане являются:
Одной из ключевых особенностей упомянутых типов почвы является присутствие мелкодисперсных частиц в их составе. Если песок не содержит этих мельчайших частиц и состоит лишь из гравия или крупных фракций, то он практически не подвержен сезонному вспучиванию. Мелкие частицы способны удерживать осадки, которые просачиваются в землю, и связывают их. То же самое касается и подземных вод. После замерзания влаги происходит увеличение объема на 9-12 процентов. Данное расширение оказывает давление на фундамент здания и может выталкивать его наружу.
Ситуация усугубляется под воздействием множества сопутствующих факторов. Частые атмосферные осадки в осенний период способствуют глубокому насыщению почвы влагой. Это, в свою очередь, ведет к деформационным процессам на основаниях. Особенно уязвимыми оказываются территории с высоким уровнем залегания подземных вод. Влага в таких районах поднимается капиллярным образом, охватывая все большие площади. В столице и ее области более 82 процентов типов грунтов классифицируются как пучинистые.
В чем заключается опасность?
Помимо вспучивания, фундаменты различных типов также подвержены воздействию процесса оттаивания. При наступлении заморозков температура воздуха опускается до отрицательных значений. В этот период земля промерзает на глубину от 1 до 2 метров. Это вызывает расширение грунта и создание выталкивающего давления на основание здания. В результате основание испытывает вертикальные деформации, что может привести к разрушительным последствиям. С приходом оттепели начинается процесс оттаивания замерзшей земли. Плотность грунта теряется, и объемы начинают сокращаться.
Данное явление ведет к чрезмерной усадке основания. Специалисты считают самым опасным неравномерное морозное пучение. Это явление напрямую связано с толщиной снежного покрова. При избыточной толщине граница промерзания поднимается, что вызывает увеличение зоны вспучивания.
Схема промерзания
Процессы пучения зависят от уникальной схемы промерзания, характерной для каждого конкретного земельного участка. Это неоднократно подтверждалось строительной практикой. Поэтому важным требованием к любому сооружению является детальное исследование местности, анализ слоев почвы, учитывающий климатические особенности региона, а также точное измерение линии промерзания.
Прочность фундамента здания напрямую зависит от данных, полученных в ходе специализированных исследований. Чтобы избежать ошибок и неточностей, рекомендуется обратиться к опытным инженерам, которые пользуются профессиональным инструментом и современным оборудованием.
Каким зданиям угрожает наибольшая опасность?
Наиболее подвержены риску легкие конструкции, характеризующиеся малым весом и хрупкостью. К таким постройкам относятся сооружения из пенобетона, дерева или каркасные панельные здания. Под воздействием вспучивания грунта эти объекты могут легко подвергаться выталкиванию. Недостаточная масса не позволяет им противостоять этим процессам.
При проведении строительных работ на участках с высокой вероятностью морозного пучения фундаменты зданий можно защищать, применяя один или несколько методов, описанных ниже.
Что представляет собой пучение грунта?
Искажения дверных коробок, трещины в стенах и щели в оконных рамах являются результатом деформационных воздействий грунта на фундамент строения.
Деформационные нагрузки от почвы на основание возникают вследствие сезонного замерзания грунта — процесса, известного как морозное пучение.
Рис. 1.1: Трещины в цоколе — явный признак воздействия сил пучения на основание дома.
Пучение — это изменение объема грунта, вызванное замерзанием грунтовых вод, которые его насыщают.
Совет специалиста! Увеличение объема почвы происходит из-за того, что плотность воды в жидком состоянии составляет 1000 килограммов на кубический метр, тогда как плотность льда равна 917 кг/м³.
При наступлении сезонных морозов наблюдается следующее: согласно законам физики масса жидкости после замерзания остается прежней, но ее объем увеличивается почти на 9%. В результате этого расширения влага создает давление на грунт — так как движение земли вниз невозможно из-за высокой плотности нижележащих слоев, грунт поднимается вверх и приподнимает фундамент здания.
Рис. 1.2: Почва, увеличившаяся в объеме из-за морозного пучения
Существует два основных типа воздействия морозного пучения на фундамент здания:
- Вертикальное выталкивающее действие — возникает в результате пучения слоев почвы, находящихся под основанием строения;
- Касательное пучение — это выталкивающее воздействие, которое происходит из-за пучения грунта, соприкасающегося с боковыми стенками фундамента.
Для всех типов оснований — ленточных, плитных и свайных — опасно не только само явление вспучивания почвы, но также последствия, которые возникают при оттаивании этой почвы.
С приходом зимнего сезона, когда температура опускается ниже нуля и земля промерзает на глубину одного-двух метров, грунт расширяется и начинает поднимать фундамент здания. Это приводит к вертикальным деформациям основания. Когда наступают оттепели, замороженные подземные воды оттаивают, и почва теряет свою плотность. Под давлением массы здания грунт сжимается, уменьшая свои объемы на несколько процентов по сравнению с изначальными размерами, что вызывает дополнительную усадку фундамента.
Рекомендация эксперта! Наибольшую угрозу для фундаментов представляет неравномерное пучение грунта, которое может произойти при различной толщине снежного покрова — чем толще снег, тем выше уровень промерзания почвы, и соответственно, больший объем ее подвергается пучению.
Рис. 1.4: Эффект морозного пучения грунта
В строительной практике наблюдается, что конкретный земельный участок может обладать довольно сложной схемой промерзания и пучинистого поднятия почвы.
Например: земля вокруг строения, находящегося на среднепучинистой почве, по внешнему периметру может иметь глубину промерзания до полутора метров, и при сезонном пучении подниматься на 10 см вверх. В то же время грунт, находящийся непосредственно под зданием, будет всегда более теплым и сухим, и, как правило, не подвергается пучению вообще.
Только таким образом возможно решить проблему и предотвратить разрушение здания в результате пучений: необходимо оценить
Неравномерное пучение может быть вызвано оттаиванием снежного покрова на южной стороне здания. Влага, проникающая в почву из растаявшего снега, ведет к тому, что при наступлении морозов силы пучения на этой стороне будут значительно выше, чем на северной.
Рекомендация специалиста! Из-за неравномерного пучения грунта фундамент здания может искривляться, что приводит к аналогичным деформациям стен. В результате таких перекосов возникают трещины, конструкция подвергается деформациям, теряет свою прочность и может перейти в аварийное состояние.
Рис. 1.5: Недостроенное здание, оказавшееся в аварийном состоянии из-за пучения грунта
Сезонное пучение представляет собой наибольшую угрозу для легких конструкций, построенных из пенобетона, древесины или каркасных панелей. Это связано с их неспособностью компенсировать давление массы здания, которое оказывает на фундамент выталкивающее воздействие.
Конструкция с значительным весом (например, кирпичный дом) будет давить на фундамент, и если сила тяжести данной конструкции превысит выталкивающее давление грунта, почва, не имея возможности расширяться, будет уплотняться, что значительно уменьшит влияние пучения.
Эта оценка грунта является лишь приблизительной — уровень пучинистости для определенных типов грунтов может изменяться в неблагоприятную сторону.
Методы устранения пучинистых свойств грунта
- Наиболее эффективный и надежный способ исключения свойства пучинистости — это замена пучинистых грунтов на несущие, которые не обладают этой характеристикой, например, на средний или крупный песок, а также на гравелистые материалы (или щебень/гравий). Важно, чтобы содержание глинистых частиц в песчаных и гравелистых грунтах не превышало 15%. Рекомендуется дополнительно защитить слои от заиливания глинистым грунтом, используя геотекстильные материалы для разделения слоев.
При этом следует иметь в виду, что ширина пазухи котлована, заполняемого непучинистым грунтом, должна составлять не менее: 0,2 м при глубине промерзания df от 1,0 до 1,5 м; не менее 0,3 м при глубине промерзания df от 1,5 до 2,0 м; и ширина пазухи должна быть не менее 0,5 м при глубине промерзания до 2,5 м. Рекомендуется также обеспечить эффективный отвод воды из непучинистого дренирующего грунта и закрыть поверхность засыпки водонепроницаемой отмосткой.
Для свай пазуха формируется путем выполнения лидерной скважины большого диаметра на глубину сезонного промерзания грунта. Стойки устанавливаются в сверленые котлованы большого диаметра с последующей засыпкой пазух песком или песчано-гравийной смесью (ПГС).
— Увлажнение почвы. Это временная мера, которая может быть применена на протяжении строительных работ. Для этой цели используется техническая поваренная соль или хлористый калий. Норма расхода составляет примерно 30 кг на 1 м³ грунта. Препарат вводится путем перемешивания с грунтом при обратной засыпке слоями глубиной около 10 см. Процесс осуществляется на глубине от 0,5 до 1,0 метра. Следует отметить, что такая процедура может оказать негативное влияние на долговечность материалов, из которых заливается фундамент (п. 5.1 Руководства).
— Обработка почвы нефтяным раствором. Данная процедура предназначена для верхнего слоя грунта толщиной от 5 до 10 см, который находится в контакте с фундаментом. Состав используемого раствора включает дизельное топливо в объеме 54%, высокоокисленный битум – 20%, окись кальция – 20%, НЧК (алкиларилсульфонат) – 4% и воду – 2% по массе (п. 5.2 Руководства).
Обработка грунта осуществляется путем смешивания его с нефтяным раствором в количестве 5-10% от массы сухого грунта. Контактный слой формируется при обратной засыпке стенок котлована, при этом важно учитывать экологические нормы.
Также были изучены варианты добавления криотропных полимерных материалов в грунт – это полимерные гели, обладающие верхней критической температурой растворения (подробности изложены в научной статье). Результаты оказались впечатляющими, однако информация о характере материала и методах его введения остается крайне ограниченной.
Методы снижения влажности грунта в области промерзания
Ключевой причиной пучения грунта является наличие воды, которая замерзает, поэтому осушение грунтов с удалением влаги считается наиболее эффективным способом борьбы с данной проблемой.
В этот процесс входят следующие мероприятия:
- организация постоянного дренажа для отведения поверхностных атмосферных вод;
- вертикальное проектирование с наклоном не менее 5% для отведения поверхностных вод;
- повышение уровней планировки с использованием непучинистого грунта с учетом необходимого расстояния до максимального уровня грунтовых вод;
- непрерывное водоотведение;
- водонепроницаемые отмостки вокруг зданий и сооружений шириной не менее 1,0 метра;
- аккуратное уплотнение обратных засыпок;
- особые меры по предотвращению увлажнения грунтов при авариях на водопроводных системах;
- находиться на расстоянии не менее 20 м от источников увлажнения (колонки водоснабжения, точки мойки автомобилей и др.).
