Симагин - Эффективные фундаменты легких зданий на пучинистых грунтах

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время в общем объеме строительства возросла доля малоэтажных зданий, в том числе домов усадебного типа, коттеджей, гаражей и прочих. Стоимость устройства фундаментов для малоэтажных (легких) зданий (коттеджей, индивидуальных усадебных домов, большинства сельскохозяйственных объектов, зданий и сооружений лесного комплекса, транспорта и др.) в зависимости от инженерно-геологических условий в Карелии и в большинстве районов Северо-Запада России составляет 25-45% общих затрат. Поэтому проблема сокращения расходов материалов и стоимости фундаментов малоэтажных зданий в настоящее время является весьма актуальной.
В районах с сезонным промерзанием грунтов самыми "коварными" силами, действующими на традиционные заглубленные фундаменты легких зданий, являются касательные силы морозного пучения. В сильнопучинистых грунтах (водонасыщенных глинах, суглинках, мелких и пылеватых песках и др.) эти силы, возникающие при расширении замерзающей воды в грунте (пучении), в районах Северо-запада достигают 100 кН/м2 (10 т/м2) и более, 30-100 кН (3 - 10 т) па погонный метр, 200 кН (20 т.) на отдельные фундаменты. Воздействуя на фундамент снизу вверх, эти силы часто превосходят нагрузки от вышерасположенных конструкций (малонагруженных зданий). При этом сезонные вертикальные перемещения (пучение) грунта при его промерзании на глубину 1,0 - 2,0 м. составляют 5 - 20 см и более. Перекошенные входы в здания, крыльца, террасы, веранды, печи, камины, стены и другие конструкции - в большинстве случаев результат именно этих сил.
Характерной ошибкой многих индивидуальных застройщиков легких зданий на пучинистых грунтах является уверенность, что чем глубже и массивнее заложен фундамент, тем лучше, и что такое решение уже само по себе обеспечивает их надежную работу и устойчивость на весь период эксплуатации.
Проблема устройства фундаментов в грунтах, обладающих свойством увеличиваться в объеме (пучиться) при их промерзании (такие грунты повсеместно распространены в указанных районах - более 80 %), резко осложняется в связи с тем, что под воздействием касательных сил морозного пучения малонагруженные здания, построенные на традиционных фундаментах (ленточных, столбчатых и других) с глубиной заложения ниже глубины промерзания (1,5 - 2,0) обычно сильно деформируются в результате чего здания получают уже в первые годы эксплуатации повреждения и даже разрушения. Это происходит потому, что при принятии типа фундаментов для легких зданий не уделяется должного внимания инженерно-геологическим и гидрологическим условиям (грунтам) строительной площадки в условиях пучинистых грунтов и полноте и качеству проработки строительной части проектов.
В предлагаемой книге-пособии рассматриваются проблемы строительства легких зданий и сооружений на промерзающих пучинистых грунтах в условиях Северо-Запада России, приводится широкая информация по особенностям свойств пучинистых грунтов в условиях Карелии, воздействия сил морозного пучения на традиционные и эффективные фундаменты (закладываемые на глубину 0,2 - 0,5 м от поверхности грунта) и стены малонагруженных зданий, конструкции и методика расчета эффективных фундаментов (незаглубленных и малозаглубленных в пучинистый грунт и на подсыпках толщиной 20-50 см из непучинистых материалов - песка, щебня, отходов производства, фундаментов в вытрамбованных котлованах) для зданий, имеющих сравнительно небольшую нагрузку (коттеджей, индивидуальных усадебных домов, зданий и сооружений различного назначения агропромышленного и лесного комплексов, транспорта и других), с учетом имеющегося опыта ведущих научно-исследовательских институтов (НИИОСП, ЛИСИ, ДальНИИСа, ЦНИИЭПсельстроя и др.), проектировщиков и строителей, в том числе и личного опыта автора. Большое внимание в работе уделено финскому опыту проектирования и устройства малозаглубленных фундаментов в условиях пучинистых грунтов.
Основной принцип конструирования эффективных фундаментов для легких зданий на пучинистых грунтах заключается в объединении фундаментов всех стен здания в единую достаточно жесткую систему, перераспределяющую неравномерные деформации основания (при промерзании-оттаивании). Все рассматриваемые в пособии конструкции малозаглубленных фундаментов и положения по их расчету прошли многолетнюю проверку при проектировании и строительстве (в условиях Северо-запада, районов Дальнего Востока [4, 5, 10] ) и допускаются применять строительными нормами (СНиП 2.02.01-83^*)).
Рассматриваемые в книге эффективные малозаглубленные фундаменты позволяют снизить по сравнению с традиционными заглубленными:
- расход бетона на 50-80 %,
- трудозатраты на 40-70 %,
- стоимость на 50 % и более.
Пособие предназначено для широкого круга инженерно-технических работников проектных и строительных организаций, а также индивидуальных застройщиков коттеджей, индивидуальных усадебных и других домов, студентов строительных специальностей.
Автор выражает признательность сотрудникам Карелгосэкспертизы В.Киселеву и К. Дружинину за ценные замечания и пожелания, сделанные ими при рецензировании рукописи.

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ПРОЕКТИРОВАНИЕМ И ВОЗВЕДЕНИЕМ ЛЕГКИХ ЗДАНИЙ НА ПУЧИНИСГЫХ ГРУНТАХ

В связи с широким распространением в условиях Северо-Запада России (более 80 %), и особенно Карелии, пучинистых грунтов (более 90 %) проблема строительства на таких грунтах является весьма актуальной применительно к легким (малонагруженным) зданиям и сооружениям, к числу которых относится большинство индивидуальных домов, коттеджей, дач, объектов агропромышленного комплекса, лесной промышленности, транспорта и др.
К типичным пучинистым грунтам относятся озерно-ледниковые отложения (ленточные глинистые грунты-супеси, суглинки, глины), мелкие и пылеватые пески, послеледниковые морские отложения (иольдиевые глины), супесчаные и суглинистые разновидности водонасыщенных со слабыми структурными связями моренных отложений и др. При влажности больше критической (w>wcr) эти грунты, замерзая в зимний период, значительно увеличиваются в объеме (пучатся) на 20 см и более в пределах глубины его промерзания, которая в условиях Северо-запада России достигает 1,5-2,0 м и более.
При взаимодействии грунта, подверженного морозному пучению, с традиционными заглубленными фундаментами возникают значительные касательные (t_fh) и нормальные (P_f) силы морозного пучения, способные неравномерно перемещать (выталкивать) фундаменты вместе с легким зданием вверх или оторвать верхнюю часть от нижней, если эти силы больше передаваемых на фундаменты вертикальных нагрузок (легкие здания). Причем неравномерность деформации со временем становится больше, а деформации зданий знакопеременными, так как при промерзании грунтов происходит подъем (выпучивание) отдельных частей сооружения (особенно с различными температурными режимами в помещениях - отапливаемые и неотапливаемые), а при оттаивании - опускание (осадка-просадка).
Если ремонт здания проводится без устранения причин, порождающих неравномерные деформации несущих конструкций, то он не решает проблему эксплуатации здания в дальнейшем. В соответствии с требованиями норм проектирования оснований и фундаментов (СНиП 2.02.01-83^*)) действующие на фундамент касательные и нормальные силы морозного пучения должны уравновешиваться передаваемой на фундамент нагрузкой. Для исключения действия нормальных сил морозного пучения нормы проектирования требуют производить заложения фундаментов в пучинистых грунтах ниже расчетной глубины сезонного промерзания грунта (d_f), т.е. на глубину 1,5-2,0 м. Но для малонагруженных (легких) зданий эта мера еще далеко не обеспечивает устойчивость их в пучинистых грунтах, так как неравномерные деформации зданий могут происходить за счет воздействия касательных сил морозного пучения. При глубоком заложении (ниже глубины промерзания d>d_f) традиционных малонагруженных фундаментов возникают большие неравномерные перемещения за счет накапливания остаточных деформаций, так как ежегодно при оттаивании грунта малонагруженный фундамент не дает осадку, равную величине выпучивания (см. рис. 17 б, кривая I).
В результате повреждений подземных конструкций зданий, вызванных морозным пучением грунта, ежегодно наносится огромный ущерб народному хозяйству, исчисляемый миллиардами рублей. Следовательно, заложение фундаментов для малонагруженных сооружений и зданий ниже глубины промерзания (без принятия специальных мер) не является эффективным, а в ряде случаев даже недопустимым.
Уменьшение глубины заложения фундаментов (малозаглубленные) особенно актуально для малоэтажных (легких) зданий и сооружений (III класса)¹, рекомендуемое СНиП 2.02.01-83^*),, поскольку стоимость фундаментов таких зданий достигает до 45% от общих затрат на строительство. Для снижения стоимости строительства малоэтажных зданий в пучинистых грунтах и увеличения их эксплуатационной пригодности в ряде случаев целесообразно использовать малозаглубленные фундаменты. Применение их вместо традиционных заглубленных позволяет снизить стоимость фундаментов в 1,5-3 раза, повысить надежность легких зданий, сократить продолжительность строительства и одновременно резко повысить культуру производства работ, так как после устройства малозаглубленного или незаглубленного фундамента практически оказывается законченной и качественная подготовка для устройства конструкции чистого пола.
Устойчивость здания в пучинистых грунтах в значительной степени определяется инженерно-геологическими условиями (свойствами грунтов), типом и конструкцией фундамента, надземных конструкций (наружных и внутренних стен), гидрологическими и климатическими условиями площадки строительства, условиями эксплуатации. Одни из них незначительно меняются во времени. другие - сильно изменяются (рис. 1).
Учет закономерностей взаимодействия влияющих факторов (рис. 1, а, б, в, г, д) на практике осложняется неопределенностью ряда исходных величин, входящих в расчет воздействия сил пучения. Так, погрешность вычислений только за счет неопределенности основных входных данных, незначительно меняющихся во времени параметров (см. рис. 1). по данным А.Т. Беккера составляет до 30 %. Зависимость деформаций пучения грунта от факторов, меняющихся во времени (температура воздуха и грунта, влажность грунта, уровень подземных вод, глубина и скорость промерзания и др.) носит случайный вероятностный характер. Поэтому зависимость деформации конструкций и действующих на них сил морозного пучения во времени имеют скачкообразную форму (B.C. Сатин). Пучение грунта по глубине и в плане происходит крайне неравномерно, изменяется из года в год, достигая значительных колебаний. Наибольшие подъемы грунта но глубине наблюдаются в случае, когда интенсивность пучения увеличивается с ростом глубины промерзания и при этом возникают наибольшие силы и деформации пучения-оттаивания фундаментов легких зданий. Поэтому выбор при расчете параметров морозного пучения, обеспечивающий максимальное пучение грунта, является наиболее целесообразным.
При проектировании малозаглубленных фундаментов для легких зданий необходимо предусмотреть мероприятия, направленные не на преодоление сил морозного пучения, а на снижение вызванных ими деформаций до предельно допустимых величин для конкретного здания или сооружения. Такой подход при решении практических вопросов и рассматривается в данной работе[2, 4, 5. 7, 10].
Однако при решении вопросов, связанных с проектированием и строительством легких зданий и сооружений на малозаглубленных и незаглубленных фундаментах на нучинистых грунтах, возникает ряд сложных задач (рис. 2), подробно рассматриваемых в данном пособии.

Глава 2. УЧЕТ ОСОБЕННОСТЕЙ КЛИМАТА И СТРОИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЛЕГКИХ ЗДАНИЙ НА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ

Устойчивость легкого здания при промерзании пучинистых грунтов в основании в значительной степени определяется их свойствами и климатическими условиями. Поэтому необходимо всегда рассматривать основание, фундамент и надземную конструкцию легкого здания как единую "систему", а не как независимые друг от друга элементы здания.
В процессе строительства и последующей эксплуатации здания почти всегда изменяются условия существования грунтов основания, особенно тех, которые залегают, непосредственно под подошвой фундамента (несущий слой), т.е. в наиболее напряженной зоне. Одной из наиболее важных причин существенного изменения свойств грунтов в северо-западных районах России является их промерзание-оттаивание, и особенно неравномерное промерзание-оттаивание в откопанных котлованах и под фундаментами, связанное с увеличением объема грунта при промерзании (морозное пучение). При оттаивании промерзающего слоя грунта, подвергающегося морозному пучению, почти всегда происходит его последующее интенсивное уплотнение (просадка при оттаивании), а несущая способность при этом резко уменьшается в 2 - 7 раз, поскольку грунт нередко приобретает при этом текучую консистенцию (I_L ³ 1,0). При этом необходимо учитывать, что оттаивание грунта под пятном здания и вблизи его также происходит неравномерно - сначала с южной стороны, затем - с западной, восточной и северной.
Для управления этими процессами необходимо учитывать основные инженерно-геологические и климатические условия района строительства. Поэтому ниже кратко рассматриваются климатические условия и грунты Карелии, которые являются характерными для ряда северо-западных районов России.

Пункт 2.1. Климатические условия Карелии

Территория Карелии характеризуется относительно суровым климатом с продолжительной зимой и коротким прохладным летом (табл. 1). Период со средними суточными температурами ниже нуля градусов составляет 4,8 ¸ 6,3 месяца. За этот период выпадает менее трети осадков, а в осенний период (за три месяца перед промерзанием) выпадает около 1/3 годовых осадков в виде дождя и мокрого снега (рис. 3б), которые практически не испаряются, а дополнительно увлажняют грунты основания. Лето и зима характеризуются неустойчивой погодой с резкими колебаниями температуры, с частым потеплением в зимнее время. Значительная часть территории находится в зоне избыточного увлажнения, относительная влажность воздуха достигает 90 % и более. Подземные воды часто находятся на глубине 0,5-2 м от поверхности земли.
Указанные выше факторы способствуют дополнительному увлажнению грунта перед промерзанием, а, следовательно, и повышению степени пучинистости грунта.

Пункт 2.2. Инженерно-геологические условия Карелии

В геологическом строении районов Карелии принимают участие до-четвертичные кристаллические породы (скальные) и рыхлые четвертичные образования.
Прочность скальных пород довольно высокая 30 - 280 МПа (300-2800 кгс/см²) и почти не снижается после насыщения водой и замораживания. Поэтому они являются надежным основанием для любых зданий и сооружений.
Скальные породы обычно покрыты четвертичными отложениями. Среди четвертичных отложений в Карелии повсеместное распространение имеет конечная морена нередко со слабыми структурными связями: супесчаная и суглинистая (табл. 2).
Основные морены отличаются высокими плотностью и сопротивлением сдвигу и небольшими деформируемостью и водопроницаемостью (характеристики можно принимать по СНиП 2.02.01-83^*), приложение 1, (табл. 3). Несмотря на многие положительные со строительной точки зрения качества, моренные отложения обладают рядом особенностей, которые затрудняют проходку котлованов и траншей.
Различия в условиях залегания и гидрогеологической обстановки приводят к существенному изменению влажности моренных отложений. Там, где существуют благоприятные условия для дренирования (на склонах возвышенностей у водоемов), влажность морены невелика (7-12 %), а на пониженных участках она существенно возрастает (15-22 % и более ), и морена становится пучинистой.
Супесчаная морена очень остро реагирует на повышение влажности, особенно в нарушенном состоянии. Увеличение влажности на 2-5 % переводит моренные отложения нарушенного сложения в ряде случаев в текучее или плывунное состояние.
Суглинистые и супесчаные разновидности моренных отложений обладают обычно структурной связностью. При влажности более предела раскатывания (w > w_p) им свойственна способность к тиксотропному расслаблению структурных связей при динамических или механических воздействиях. Высокая пылеватость и наличие грубообломочного материала в морене даже при сравнительно невысокой влажности (w @ 12 %) способствуют миграции влаги и выпучиванию фундаментов малонагруженных зданий.
В юго-восточной части Карелии широко распространены позднеледниковые отложения, которые являются преобладающими в Олонце, Сортавале, Лахденпохья и частично в Питкяранте. Они представлены преимущественно ленточными глинами, суглинками и супесями (табл. 3). Мощность толщи этих грунтов варьируется в широких пределах - от нескольких десятков см до 30 м и более. Особенностью ленточных отложений является их структурная прочность. Влажность в естественных условиях залегания часто превышает влажность на пределе текучести (w > w_L), поэтому при разрушении структуры глинистых слоев, например, при перемятии, коллоидные связи нарушаются, увеличивается количество свободной воды, возникает избыточное увлажнение и грунты переходят в текучее состояние. В общем случае эти грунты являются слабыми, сильносжимаемыми, легко теряющими несущую способность при нарушении структуры, сильнопучинистыми.
Повышенное содержание пылеватых частиц при определенных условиях может явиться причиной интенсивного морозного пучения, которое начинается при температуре - 0,1 ¸ - 0,5°С и протекает в течение всего времени понижения температуры до - 5°С. Общая толщина ледяных прослоек может достигать 10-20 см на 1 м глубины промерзания.
Дно котлованов ниже уровня подземных вод (УПВ) в ленточных глинах может вспучиваться напорной водой, находящейся в песчаных прослойках. При большом гидродинамическом давлении подземных вод может даже произойти прорыв их в дне глубоких котлованов.
Ленточные глины весьма чувствительны к воздействию нагрузок ударного и вибрационного типа, при которых происходит разрушение их естественной структуры, сопровождающееся разупрочнением и разжижением грунта. Значительное нарушение структуры грунтов основания происходит также и при откачке воды насосами непосредственно из котлована вследствие выноса песчаных и супесчаных частиц (механическая суффозия). Для ленточных глинистых грунтов характерна способность к тиксотропным превращениям, которая, с одной стороны, выражается в легком переходе в текучее состояние под действием динамических нагрузок, а с другой стороны - в восстановлении своей прочности после прекращения указанного воздействия на них.
Слабыми грунтами в Карелии являются позднеледниковые морские отложения, представленные иольдиевыми глинами мощностью до 20 м (Кемь, Беломорск). Иольдиевые глины имеют небольшую плотность и обладают сильной сжимаемостью (модуль деформации Е = 0,5-2,0 МПа). Для них характерна резкая потеря прочности и разжижение при нарушении естественной структуры механическим, в особенности динамическим воздействием. При этом осадки зданий на этих грунтах могут увеличиваться в 10-15 раз и более. Грунты эти разжижаются при забивке свай, при вибрациях, при сотрясениях, проходке котлованов и траншей. Иольдиевые глины отличаются отсутствием способности к тиксотропному восстановлению структурных связей во времени после их нарушения (у скрытотекучих разностей I_L >= 1,0). Они являются также сильнопучинистыми грунтами, так как влажность их составляет 50-120 %. Верхний слой ("корка") мощностью до 2 м имеет меньшую влажность (тугопластичную и пластичную консистенции), большую плотность и меньшую сжимаемость (Е = 5,0-6,0 МПа).
При строительстве на иольдиевых глинах необходимо принимать все меры к сохранению естественной структуры грунта, а величина и скорость приложенной нагрузки должны быть соизмеримы со структурной прочностью.
Таким образом, инженерно-геологические и гидрогеологические условия в рассматриваемом регионе часто очень сложные. Они характеризуются разнообразием напластований, резким изменением глубины залегания рыхлых и скальных пород, широким распространением в зоне фундирования слабых пылевато-глинистых водонасыщенных грунтов, обладающих большой неравномерной сжимаемостью и изменчивостью структуры под воздействием климатических условий и при производстве работ. Высокий уровень подземных вод является весьма неблагоприятным фактором как для строительства, так и для эксплуатации построенных зданий.
Промерзание обводненных супесчаных и суглинистых морен, пылевато-глинистых грунтов, песков мелких и пылеватых обычно сопровождается значительным изменением свойств (увеличением в объеме), что приводит к подъему слоев грунта (пучению) в пределах глубины его промерзания (1,5-2,0 м). Находящиеся в таких грунтах фундаменты также подвергаются перемещению (подъему), если действующие на них нагрузки не уравновешивают силы морозного пучения.

Пункт 2.3. Изменения свойств пылевато-глинистых грунтов, мелких и пылеватых песков при промерзании

При положительной температуре эти грунты представляют собой трехкомпонентную систему, состоящую из минеральных частиц (r_d), воды (w) и пузырьков воздуха. При отрицательной температуре грунты переходят в более сложную, четырехкомпонентную систему, состоящую из минеральных частиц, воды, воздуха и льда, который иногда в пылевато-глинистых грунтах может занимать до 50 % объема грунта.
Лед в мерзлом грунте служит "цементом" между отдельными минеральными частицами. Кроме того, лед является заполнителем пор грунта и его разрыхлителем при промерзании (пучении). На величину морозного пучения грунта влияет большое количество факторов (рис. 4).
Одним из наиболее важных процессов при промерзании грунта является неравномерное увеличение его объема - неравномерное морозное пучение и последующее, как правило, накопление неравномерных деформаций во времени, которые являются самой распространенной причиной деформации малоэтажных (легких) зданий и сооружений (неравномерное поднятие, перекос, наклон, разрыв фундаментов и др.) (рис. 4).
Морозное пучение грунта - это результат объемного расширения (примерно на 9 %) воды, находящейся в нем до промерзания и дополнительно поступающей (мигрирующей) к границе промерзания в процессе перехода воды в лед. Увеличение объема грунта может значительно превышать 9 % (20 % и более), главным образом, за счет воды, мигрирующей в зону промерзания из нижележащих немерзлых горизонтов, особенно при небольшой глубине залегания подземных вод (УПВ) (высокое залегание УПВ d_w<= d_fn) (рис. 5).
Объем промерзающего грунта увеличивается в том случае, если его влажность (w) превосходит расчетную критическую влажность (w_cr). ниже значения которой прекращается перераспределение влаги в промерзающем грунте.
Степень водонасыщения грунта (Sr) при его критической влажности равна примерно 0,90. Но эта зависимость выражает лишь предел влажности, характеризующей стабильное состояние грунта при его промерзании в условиях трехфазной системы, но не учитывает способность влаги к передвижению (миграции).
Интенсивность и глубина сезонного промерзания грунта в естественных условиях (d_fn) определяется большим количеством факторов: продолжительностью зимнего периода (Т_о), количеством отрицательных градусо-дней (SM_t), величиной снежного покрова, временем выпадения осадков (твердых и жидких), видом и составом грунта и его теплофизическими и влажностными характеристиками, естественной влажностью и ее динамикой во времени, наличием и характером растительного покрова, экспозицией местности, уровнем подземных вод, рельефом местности и др. Многие из перечисленных факторов имеют региональное значение.
Такое большое количество определяющих факторов чрезвычайно затрудняет прогноз глубины промерзания и, следовательно, пучения.
Во все время промерзания грунтов, особенно в области интенсивных фазовых переходов воды (при температуре от 0 до - 5°), при некоторых условиях может происходить значительное перераспределение воды, содержащейся в грунте. Обычно в песках мелких и пылеватых, в пылевато-глинистых грунтах наблюдается подтягивание ее снизу вверх к фронту охлаждения и промерзания (миграция) (рис. 5б).
Миграция воды в грунтах - явление очень сложное. На качественную сторону процесса миграции (w_M2), оказывают влияние многие факторы:
- гранулометрический и химико-минералогический состав грунтов (рис. 5в),
- гидрофильность грунта,
- начальная влажность и наличие подтока воды извне к промерзающему грунту (рис. 5б,в),
- плотность грунта (рис. 13б),
- скорость и время промерзания,
- температура среды, при которой замерзает вода в грунте,
- величина приложенной нагрузки (давление) (рис. 17 а),
- повторность циклов замерзания и оттаивания и др.
Миграция наблюдается только при влажности w больше критической w_cr (рис. 6) у гидрофильных (смачивающихся водой) замерзающих систем. Наиболее интенсивная миграция к фронту промерзания наблюдается в грунтах с высоким содержанием пылеватых фракций (размер частиц 0,05-0,005 мм) (рис. 5в). Это объясняется тем, что грунты, содержащие в своем составе преобладающее количество (более 50 %) пылеватых фракций, в природных условиях характеризуются высоким капиллярным поднятием (z) и, следовательно, легкой отдачей воды и быстрым ее поглощением. Структурная связность этих грунтов очень слабая. Такие физические свойства грунтов создают наиболее благоприятные условия для льдовыделения в промерзающем грунте (пучения) (рис. 5б).
Наличие в глинистых грунтах большого количества коллоидных частиц сильно затрудняет передвижение воды по капиллярам, что резко ограничивает возможность большого накопления льда, образующегося за счет подтягивания воды по капиллярам из нижних слоев грунта к фронту промерзания. Кроме того, мелкодисперсные глинистые грунты обладают большой удельной поверхностью частиц и за счет поверхностной энергии притягивают к себе воду: таким образом, эти грунты (d < 0,005 мм) затрудняют передвижение воды по тонким капиллярам к слою промерзания и, следовательно, уменьшают возможность накопления линз и прослоек льда, т.е. величину пучения.
В крупноскелетных промерзающих грунтах (крупнообломочные грунты с песчаным заполнением, пески крупные и средние) миграция практически отсутствует (d > 0,1 мм), что объясняется малой величиной удельной поверхности, наличием фильтрационных и других свойств (при любом положении уровня подземных вод (УПВ, УПВ', рис. 5а)). При промерзании таких грунтов происходит отжатие ("поршневой эффект") воды из промерзающего слоя гидростатическими силами, развивающимися вследствие увеличения объема воды при замерзании, и не замерзшая еще вода перемещается от фронта промерзания (отжимается) (рис. 5а).
В свою очередь, в крупноскелетных грунтах (супесчаных, суглинистых, глинистых моренах) при содержании в виде заполнителя частиц размером менее 0,1 мм в количестве более 15 % по весу наблюдается миграция влаги. В зависимости от положения уровня подземных вод эти грунты могут относиться к средне- и даже сильнопучинистым грунтам.
В песках мелких и пылеватых, в пылевато-глинистых грунтах, супесях, суглинках, глинах (особенно ленточных), промерзающих в условиях обводнения (высоком УПВ), наблюдается интенсивная миграция влаги. Перечисленные выше грунты при промерзании дают деформации до десятков сантиметров (например, ленточные глины Карелии до 20 см на 1 метр промерзания) и причиняют значительные повреждения фундаментам зданий и сооружений. В табл. 4 приведена степень морозной пучинистости пылевато-глинистых грунтов (¦) в зависимости от их вида и обобщенного показателя пучинистости R_¦ (см. раздел "Оценка пучинистости грунта"). Необходимо помнить, что чем ближе уровень подземных вод к границе промерзания, тем большей степенью пучинистости обладают пылевато-глинистьге грунты при прочих равных условиях (см. рис. 5б, 2).
С учетом осредненной степени дисперсности пылевато-глинистых грунтов интенсивность их пучения, при прочих равных условиях, возрастает в следующей очередности: глины (с минералами монтмориллонита), супеси, суглинки, пылеватые грунты, глины (с минералами каолинита).
Наиболее пучинистые грунты содержат кол-во пылеватых частиц от 30 до 80%. Дело в том, что подобные грунты имеют слабовыраженную текстуру и незначительное сцепление между пылеватыми частицами, поэтому при промерзании ледяные кристаллы в таких грунтах образуются внутри структурных элементов и вызывают значительные деформации морозного пучения. При увлажнении пылеватые грунты теряют сцепление между частицами, при промерзании в них образуется большое количество ледяных прослоек и линз (рис. 5б).
На величину морозного пучения грунтов большое влияние оказывает плотность их сложения (r_d) (рис. 13). Так, если грунты очень плотные , то при их промерзании наблюдается незначительное пучение, хотя все поры заполнены водой (S_r = 1), поскольку такие грунты имеют малое количество воды и в них затруднена возможность ее передвижения при промерзании. В очень рыхлых грунтах много пор и пустот, которые обычно свободны от воды (S_r < 1), за счет этих пустот могут гаситься деформации пучения. Грунты средней плотностью с полным заполнением всех пор водой (S_r = 1) при промерзании сильно увеличиваются в объеме, т.е. сильно деформируются от морозного пучения.
Таким образом, решающим фактором пучинистости грунта является его влажность перед промерзанием w (предзимняя), с увеличением коброй до определенного предела морозоопасность возрастает. При определении степени пучинистости грунта необходимо учитывать УПВ, условия увлажнения площадки и высоту капиллярного поднятия (табл. 6). Степень пучинистости грунта в зоне капиллярного увлажнения зависит от вида грунта (I_p). его показателя текучести (I_L) и ряда других факторов.
Следует помнить, что в условиях влажного климата Карелии и многих районов Северо-Запада России нарушение естественного сложения грунта при производстве земляных работ приводит всегда к дополнительному увлажнению оснований и обратных засыпок (пазух), а часто и к появлению верховодки (см. ниже).
Незнание процессов, протекающих в грунте при промерзании-оттаивании, является причиной неправильного проектирования малозаглубленных фундаментов для легких зданий и производства строительных работ и, как следствие этого, деформирование (см. рис. 4).

Пункт 2.4. Изменение влажностного режима и уровня подземных вод

Обычно на незастроенной территории действует прямой водообмен:
подземные воды - зона аэрации - атмосфера. Нарушение сложившегося динамического равновесия в водном балансе в связи с застройкой территории, как правило, приводит к накоплению влаги в зоне аэрации и в зоне подземных вод (УПВ), и влажность грунтов в основании фундаментов по истечении некоторого времени после застройки, как правило, повышается. На изменение гидрогеологических условий влияет также характер промерзания-оттаивания грунтов оснований у эксплуатируемых отапливаемых зданий. Весной при оттаивании грунтов вокруг здания создается зона повышенной (по сравнению с естественной) влажности. Для пылевато-глинистых грунтов увеличение влажности составляет 5-40 %, причем оно практически не зависит от давления, передаваемого фундаментами на грунты основания. В период эксплуатации зданий влажность грунтов оснований изменяется неравномерно: более интенсивно она увеличивается в первые 20 лет существования.v Кроме того, на изменение влажности в грунтах оснований эксплуатируемых зданий и сооружений воздействует разность температур грунта непосредственно в основании и его периферийных зонах, которая может достигать 5-7°С, что способствует перемещению паров влаги из более теплых периферийньх зон к основанию, где температура, как правило, ниже. Накапливаясь здесь, пары влаги конденсируются, вследствие чего влажность грунтов основания также возрастает на 6-7 %.
Недостатки в организации поверхностного стока: скопление воды в обратных засыпках эксплуатируемых зданий с нарушенными отмостками, временных траншеях, выемках, котлованах и т.п. - тоже могут существенно влиять на повышение влажности грунтов оснований (застроенной территории и подземных конструкций) (рис. 7, 8).
В тех случаях, когда напластования грунтов не обладают хорошей водопроницаемостью, может происходить даже подтопление территории (рис. 7). Подтоплению территории способствуют также утечка из водонесущих коммуникаций, инфильтрация утечек производственных и сточных вод, устройство водоемов, плотин, запруд, каналов, накопителей и другие ирригационные мероприятия.
В зависимости от факторов подтопления, особенно характера воздействия техногенных процессов на условия эксплуатации зданий, отрицательные последствия могут проявляться в следующих четырех основных направлениях: 1. Затопление и изменение влажностного режима заглубленных помещений в связи с повышением УПВ и увеличением влажности грунтов.
2. Активизация инженерно-геологических процессов - вследствие механической суффозии, промерзания-оттаивания (пучения, просадки), размыва грунтов, подмыва склонов, гидродинамического давления.
3. Деформация строительных конструкций - из-за снижения несущей способности грунтов, проявления просадочных свойств, набухания-усадки и выщелачивания грунтов. 4. Коррозия бетонных и ж/б конструкций - при увеличении минерализации и агрессивности грунтовых вод.
Перечисленные последствия изменений водного режима создают дискомфортную обстановку при эксплуатации, приносят значительный материальный ущерб, снижая долговечность зданий и вызывая необходимость их преждевременного ремонта, а иногда и реконструкции. Поэтому рекомендуется, кроме рассмотренных ранее методов проектирования и строительства, существенно уменьшающих влагонакопление в связных грунтах на застраиваемых территориях, предусматривать мероприятия локального характера, которые в комплексе положительно отражаются на режиме влажности грунтов Скачать