Пучинистые явления - коварные и бесцеремонные процессы, возникающие во влажных глинистых и мелкопесчаных и пылеватых грунтах при их сезонном промерзании. Не учитывать их нельзя, что понятно любому, даже слабо разбирающемуся в строительстве застройщику. Многие это поняли, обнаружив по весне трещину в кирпичной стене загородного дома или увидев перекошенные стены каркасной дачной постройки. Однако как происходят эти явления, не совсем понимают даже некоторые строители.

Морозное пучение, так называют это явление специалисты, связано с тем, что в процессе замерзания влажного грунта он увеличивается в объеме:
сильнопучинистые фунты - почти на 10%;
слабопучинистые - меньше, чем на 5%.
Происходит это из-за того, что вода увеличивается в объеме при замерзании - на 10%. Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он более пучинистый. Так лес, стоящий на сильно пучинистых грунтах, зимой поднимается на 10 - 15 см относительно летнего уровня. Внешне это незаметно. Но если в грунт забита свая более чем на 3 м, то подъем грунта зимой можно отследить по отметкам, сделанным на этой свае.
Сложность в оценке воздействия пучинистых явлений грунта на постройки обусловлена одновременным воздействием нескольких процессов, проявляющихся в различной степени. Чтобы лучше разобраться в этом, опишем несколько понятий, связанных с этим явлением.
Степень пучинистости грунта определяется составом грунта, его пористостью, а также уровнем грунтовых вод. Так глинистые грунты, мелкие и пылеватые пески относятся к пу-чинистым грунтам, а крупнозернистые'песчаные и гравийные грунты - к непучинистым. С чем это связано?
Во-первых, в глинах или мелких песках влага достаточно высоко поднимается от уровня грунтовых вод за счет капиллярного эффекта и хорошо удерживается в таком грунте, как в губке. Здесь проявляются силы смачивания между водой и поверхностью пылевых частиц. В крупнозернистых же песках влага не поднимается, и грунт становится влажным только по уровню грунтовых вод. Т. е. чем тоньше структура грунта, тем выше поднимается влага, и он становится более пучи-нистым. Обращаем внимание на то, что смеси крупного песка или гравия с пылеватым песком или глиной, будут относиться к пучикистым грунтам в полной мере.
Во-вторых, процесс промерзания грунта происходит сверху вниз, при этом граница между влажным и мерзлым грунтом опускается с некоторой скоростью, определяемой, в основном, погодными условиями. Влага, превращаясь в лед, увеличивается в объеме, вытесняя сама себя в нижние слои грунта, сквозь его структуру. Так вот, пучинистость грунта определяется также тем, успеет ли выдавливаемая сверху влага просочиться через структуру грунта или нет. Если крупнозернистый песок не создает влаге никакого сопротивления, и она беспрепятственно уходит, то такой грунт не расширяется при замерзании (рис. 4.1).

Что касается глины, то сквозь неё влага уйти не успевает, и такой грунт становится пучинистым. Кстати, грунт из крупнозернистого песка, помещенный в замкнутый объем, которым может оказаться, например, скважина в глине, поведет себя как пучинистый грунт (рис. 4.2).

Пучинистые явления - это не только большие деформации грунта, но и огромные усилия - в десятки тонн, способные привести к большим разрушениям, которых можно избежать, заложив фундамент ниже глубины промерзания грунта. Именно поэтому, перед началом строительства на пучинистых грунтах, необходимо выяснить расчетную глубину промерзания, принятую для данного региона (рис. 4.3).

Расчетная глубина промерзания принимается для наиболее холодного зимнего периода года в этом регионе, при максимальной влажности грунта и отсутствия снегового покрова.
Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Но на то она и расчетная, чтобы избежать возможных разрушений дома при самых неудачных стеченьях обстоятельств, предложенных погодой.
ПРИМЕЧАНИЕ:
- при постоянном проживании фунт под домом зимой прогревается и расчетную глубину промерзания можно
уменьшить на 15 - 20%;
- для мелких и пылеватых песков и супесей значение глубины промерзания следует увеличить в 1,2 раза.

Чем же обусловлено положение нижней границы промерзания? Она определяется противоборством холода, поступающего сверху, и тепла, идущего из недр земли. Если интенсивность последнего не зависит от времени года и суток, то на поступление холода сверху влияют температура воздуха и влажность грунта, толщина снегового покрова, его плотность, влажность, загрязненность и степень прогрева солнцем, застройка участка, архитектура сооружения и характер его сезонного использования (рис. 4.4).
Толстый слой снегового покрова, как одеяло, укрывает землю, и граница промерзания поднимается вверх. Днем граница промерзания выше, чем ночью. Разница особенно ощутима там, где снеговой покров мал или вовсе отсутствует, где повышенная влажность грунта. Наличие дома также влияет на глубину промерзания грунт, ведь дом является своего рода тепло-, изоляцией, даже если в нем и не живут. Правда, это в том случае, если окна вентиляции подпола (продухи) - закрыты на зиму.
Участок, на котором стоит дом, имеет весьма сложную картину промерзания.
Например, среднепучинистый грунт по внешнему периметру дома при промерзании на глубину 1,4 м может подняться почти на 10 см, тогда как более сухой и теплый грунт под средней частью дома останется практически на летней отметке (рис. 4.4).

Кстати, холодный, но сухой грунт также не будет относиться к категории пучинистых.
Однако, реальная картина промерзания ещё более сложная. Неравномерность промерзания существует еще и по периметру дома. Ближе к весне грунт с южной стороны строения часто бывает более влажным, а слой снега над ним - более тонким, чем с северной стороны. Поэтому в отличие от северной стороны дома, грунт с южной стороны лучше прогревается днем и сильнее промерзает ночью.
Таким образом, неравномерность промерзания на участке проявляется не только в пространстве, но и во времени. Глубина промерзания подвержена сезонным и суточным изменениям в весьма больших пределах и может сильно меняться даже на небольших участках, особенно в местах застройки.
Расчищая большие площадки от снега в одном месте участка, и создавая сугробы - в другом месте, Вы существенным образом влияете на неравномерность промерзания фунта. Тогда как посадки кустарников вокруг дома задерживают снег, уменьшая в 2 - 3 раза глубину промерзания.
Расчистка дорожек от снега не идет в счет, так как они достаточно узкие и большого влияния на промерзание грунта не оказывают. Если же Вы около своего дома, с южной его стороны, решили залить каток, то можно ожидать, большую неравномерность в промерзании грунта под фундаментом дома в этой зоне.
Силы бокового сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента - другая сторона проявления пучинистых явлений. Эти силы весьма высоки и могут достигать 5...7 т на квадратный метр боковой поверхности фундамента. Эти силы достаточно велики, если поверхность столба неровная и не имеет гидроизолирующего покрытия. В таком случае на столб диаметром 25 см, заложенный на глубину 1,5 м, сила сцепления может достигнуть 8 т. Как же действуют эти силы, как проявляются они в реальной жизни фундамента?

Возьмем, для примера столб, заложенный на глубину промерзания и являющийся одной из опор легкого домика.
Ранней зимой граница промерзания начинает опускаться вниз. Мерзлый грунт схватывает верхнюю часть столба и, расширяясь, пытается его выдернуть из земли. Но вес дома и силы заделки столба в фунте не позволяют этого сделать, пока слой мерзлого грунта тонкий и площадь сцепления столба с ним - невелика. По мере продвижения границы промерзания вниз, площадь сцепления мерзлого фунта со столбом увеличивается.
Наступает такой момент,когда силы сцепления мерзлого грунта боковыми стенками фундамента превышают и вес дома, и силы сцепления фунта с нижней частью столба (рис. 4.5). Столб начинает испытывать разрывающие нагрузки. Мерзлый фунт вытаскивает его, оставляя внизу полость, которая сразу же начинает заполняться водой и частицами глины.
За сезон на сильно пучинистых грунтах такой столб может подняться на 5 - 10 см.
Силы сцепления можно уменьшить, исключить подъем фундамента, если стенки столба выполнить ровными и хорошо гидроизолированными от грунта. Два - три слоя из толя или пергамина - самое надежное средство для уменьшения сил сцепления. Но, тем не менее, основное правило столбчатого фундамента: его возведение и загрузку домом выполняют -в один сезон.
Заглубленный ленточный фундамент также может подняться силами сцепления, если он не имеет гладкой боковой поверхности и не загружен сверху домом или бетонными перекрытиями.
Столб с расширением внизу (по технологии ТИСЭ) не поднимается силами сцепления (рис. 4.6).

Однако если не предполагается в этот же сезон загрузить его домом, то такой столб должен иметь надежное армирование, особенно в нижней своей части. Несомненные его преимущества - высокая несущая способность и то, что его можно оставить на зиму, не загружая его сверху. Никакие силы морозного пучения не поднимут его. Боковые силы сцепления могут сыграть невеселую шутку с застройщиками, делающими столбчатый фундамент с большим запасом по несущей способности. Лишние фундаментные столбы действительно могут оказаться лишними.
Из практики
Деревянный дом с большой застекленной верандой установили на фундаментные столбы. Глина и высокий уровень грунтовых вод требовали заложения фундамента ниже глубины промерзания. Пол широкой веранды потребовал промежуточной опоры. Почти всё было выполнено правильно. Однако за зиму пол подняло почти на 10 см (рис. 4.7). Пришлось разбирать пол, снимать опоры, усиливать балки пролета.
Причина такого разрушения понятна. Если стены дома и веранды смогли своим весом компенсировать силы сцепления фундаментных столбов с мерзлым грунтом, то легким балкам перекрытия это было не под силу.
Что же надо было сделать?

Либо существенно уменьшить количество фундаментных столбов, либо уменьшить диаметр фундаментного столба. Силы сцепления можно было бы уменьшить, обернув фундаментные столбы несколькими слоями гидроизоляции (толь, рубероид) или, создав прослойку из крупнозернистого песка вокруг столба. j
Выдавливание фундамента, заложенного выше глубины промерзания, - наиболее ощутимая причина деформации и разрушения фундамента. Чем это можно объяснить? Это связано с тем, что если при действии сил сцепления столба с мерзлым грунтом подъем столба обязан сезонному движению границы промерзания, то в этом случае - суточному прохождению границы промерзания мимо нижней опорной плоскости фундамента, которое совершается значительно чаще.
Чтобы лучше понять природу этих сил, мерзлый фунт лучше представить в виде плиты. Дом или любое другое строение надежно вморожено в эту камнеподобную плиту.
Основные проявления этого процесса видны весной. У стороны дома, обращенной на юг, днем достаточно тепло (в безветрие можно даже загорать). Снеговой покров, стаял, а грунт -увлажнился весенней капелью. Темный грунт хорошо поглощает солнечные лучи и прогревается.
В звездную ночь ранней весной особенно холодно. Грунт под свесом крыши сильно промерзает. У плиты мерзлого грунта снизу возникает выступ. Этот выступ достаточно сильно уплотняет грунт под собой, за счет того, что влажный грунт при замерзании расширяется (рис. 4.8). Силы уплотнения грунта огромны.
Плита мерзлого грунта толщиной 1,5 м с размерами 10x1 Ом будет весить более 150 т. Примерно с таким усилием и будет уплотняться грунт под выступом. После подобного воздействия глина под выступом становится очень плотной и практически водонепроницаемой.
Наступил день. Темный грунт у дома особенно сильно прогревается солнцем. С повышением влажности увеличивается и его теплопроводность. Граница промерзания поднимается (под выступом это происходит особенно быстро). С оттаиванием грунта уменьшается и его объем, фунт под опорой разрыхляется и по мере оттаивания падает под собственным весом пластами. Образуется множество щелей в грунте, которые заполняются сверху водой и взвесью глинистых частиц (рис. 4.9). Дом удерживается в грунте силами сцепления фундамента с плитой мерзлого фунта и опорой по остальному периметру дома.

С наступлением ночи полости, заполненные водой, замезают, увеличиваясь в объеме, превращаясь в так называемые "ледяные линзы". При амплитуде поднятия и опускания границы промерзания за одни сутки в 30 - 40 см толщина полости увеличится на 3 - 4 см. Вместе с увеличением объема линзы будет подниматься и наша опора. За несколько таких дней - ночей опора, если она не сильно загружена, поднимается порой на 10 - 15 см, как домкратом.
Возвращаясь к нашей плите, заметим, что ленточный фундамент нарушает целостность самой плиты. По боковой поверхности фундамента она разрезана, т. к. битумная обмазка, которой она покрывается, не создает хорошего сцепления фундамента с мерзлым грунтом. Плита мерзлого грунта, создавая своим выступом давление на грунт, сама начинает подниматься, а зона разлома плиты - раскрываться, заполняться влагой и частицами глины. Если лента заглублена ниже глубины промерзания, то плита поднимается, не беспокоя сам дом. Если же глубина заложения фундамента не соответствует глубине промерзания, то давление мерзлого грунта приходится и на фундамент, и тогда деформации и разрушение фундамента - неизбежны (рис. 4.10).

Интересно представить плиту мерзлого грунта, перевернув её вверх дном. Это - относительно ровная поверхность, на которой ночью в некоторых местах (где нет снега) вырастают холмы, а днем холмы превращаются в озера. Если же теперь вернуть плиту в исходное состояние, то там, где были холмы и создаются в грунте ледяные линзы. В этих местах грунт ниже глубины промерзания сильно уплотнен, а выше - наоборот разрыхлен. Это явление происходит не только на площадях застройки, но и в любом другом месте, под лесом или полем. Именно по такой схеме и возникают линзы изо льда в глинистых грунтах. Природа возникновения глинистых линз в песчаных фунтах такая же, но протекают эти процессы более продолжительное время.
Если рассмотреть поведение фундаментного столба, заложенного выше глубины промерзания, то его подъем мерзлым грунтом обусловлен тем же процессом.
До того момента, пока граница промерзания грунта не опустилась ниже опорной поверхности столба, сама опора неподвижна. Плита мерзлого грунта расширяется, но не может захватить опору из-за недостаточно высоких сил сцепления. Но как только граница промерзания опустилась ниже, "домкрат" пучинистых явлений сразу включается в работу (рис. 4.11).

При относительно большой нагрузке, приходящейся на опору фундамента, вода из-под самой опоры в процессе понижения границы промерзания выжимается сквозь тонкую структуру фунта: при высоком давлении сверху она успевает просочиться, поднятие опоры прекращается.

назад | вперед