Грунт для фундамента

Состояние будущего дома и его надежностьв первую очередь зависят от правильного выбора конструкции фундамента и основания. Без знания грунтовых особенностей строительной площадки, влияния климатических условий на работу системы: «основание-фундамент-здание» надежное строительство дома невозможно. Поэтому начнем с грунтов. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУНТАХ В строительстве грунты делят на скальные и нескальные. К нескальным, кроме крупнообломочных, биогенных и почв относят песчаные и глинистые. Первые бывают следующих типов: гра-велистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Ко вторым относят супеси, суглинки и глины. Последние различаются содержанием песчаных частиц. Грунт обычно состоит из минеральных частиц, воды и воздуха. Размер минеральных частиц существенно влияет на физические свойства грунтов. Для песчаных он изменяется от нескольких сантиметров (галечниковые) до 0,05 мм (мелкие) и 0,005 мм (пылеватые), для глинистых грунтов — от 0,01 мкм до нескольких микрометров (1 мкм = 0,001 мм). При передаче нагрузки от дома на основание грунты сжимаются и происхо дит осадка основания и дома. При проектировании фундаментов руководствуются «Строительными нормами», в которых обязательное требование — ограничение осадок допустимыми величинами. Считается, что при выбранной площади фундамента условие обеспечения допустимых осадок выполняется, если давление от дома на основание не превышает расчетного сопротивления грунтов, которое определяют по результатам инженерно-геологических изысканий. Большая часть территории России находится в зоне сезоннопромерзающих грунтов, проявляющих пучинистые свойства. При замерзании таких грунтов происходят перемещения (деформации пучения) домов, направленные вверх, при оттаивании — деформации, направленные вниз. Грунты могут быть разной степени пучинистости — от практически непучинистых до сильно- и чрезмернопучинистых. По Московской области средне- и сильнопучинистые грунты составляют 70-80% всех площадок строительства. Степень пучинистости грунта зависит от его вида, от природной плотности и влажности, и главное — от уровня залегания грунтовых вод в зимний период. Поэтому конечной целью инженерно-геологических изысканий при строительстве загородных домов является определение расчетного сопротивления грунтов и степени их пучинистости. На выбор конструкции фундамента, способа устройства и стоимость его возведения влияет ряд факторов, в том числе тепловой режим дома (отапливаемый, неотапливаемый), материал стен (дерево, кирпич), конструкция дома, прочностные и деформационные характеристики грунтов. Но главное влияние оказывает степень пучинистости грунтов. Поэтому остановимся более подробно на пучинистых свойствах сезоннопромерзающих грунтов. ЧТО ТАКОЕ ПУЧИНИСТЫЙ ГРУНТ? Известно, что вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме примерно на 9%, что и вызывает пучение грунтов. Как правило, грунтовые воды находят ся на некоторой глубине и в течение года их уровень может значительно колебаться. Летом, если оно не особенно дождливое, за счет испарения уровень грунтовых вод понижается, осенью — повышается. Считается, что в Подмосковье в среднем уровень грунтовых вод колеблется в пределах 1 м. Если летом он составлял 1,5 м, то в осенне-пред-зимний период он может находиться на глубине 0,5 м от поверхности грунта. В засушливые годы, как, например, в 2002 г., уровень грунтовых вод может колебаться до 2,0-2,5 м. При определении степени пучинистости грунтов расчетным является уровень грунтовых вод в осенне-предзимний период. Известно, что за счет поверхностного натяжения воды и смачиваемости грунта часть пор и капилляров в нем над уровнем грунтовых вод заполнены водой. Чем меньше диаметр пор, тем выше подъем воды. В табл. 1 приведены данные капиллярного подъема воды, принятые в строительстве для различных грунтов. Выше рассмотренного уровня поры содержат рыхлосвязанную воду в виде тончайших пленок вокруг частиц грунта и свободную воду, в той или иной степени заполняющую поры грунта. Часть объема пор занята воздухом, содержащим пары воды. Грунтовая масса находится в равновесном состоянии. Летом при нагреве земли в верхней части грунтового слоя происходит испарение воды — влажность уменьшается. Нарушается равновесное состояние грунтового слоя. Как известно, природа не терпит пустоты. Поэтому пары воды и пленочная вода начинают перемещаться из нижних слоев к поверхности грунта и... испаряются. Садоводам известно, что уровень грунтовых вод летом понижается. Сходное явление происходит при отрицательных температурах воздуха зимой. Все наблюдали образование инея при заморозках. Пары воды из воздуха и из поверхностного слоя почвы выпадают в виде мельчайших кристаллов льда. Сначала превращается в лед «своя» вода, содержащаяся в промерзающем слое. Опять происходит нарушение равновесного состояния грунтового слоя. Пары воды и, главным образом, пленочная вода перемещаются из нижних слоев к фронту промерзания и превращаются в лед вокруг ранее образованных центров кристаллизации. При достаточно близком расположении уровня грунтовых вод к поверхности (1...3.5 м — в зависимости от вида грунтов) процесс миграции влаги может продолжаться в течение всей зимы, например, для Московской области — в течение 4-5 месяцев. Происходит объемное увеличение льда, который стремится раздвинуть грунт во все стороны. Но по горизонтали, рядом происходят те же процессы и силы пучения уравновешиваются. Перемещению грунта вниз до определенных давлений препятствует лежащий ниже грунт, обладающий определенной структурной прочностью. Поэтому деформации пучения направлены в сторону свободной поверхности. В сильнопучинистых грунтах Московской области деформации пучения в течение зимы могут достигать 15-20 см. Чем больше глубина промерзания грунта, тем больше деформации пучения. За глубину промерзания грунтов принимают расстояние от дневной поверхности, в течение всей зимы регулярно очищаемой от снега, до подошвы твердомерзлого грунта. Переходный слой от твердомерзлого к талому, хотя в нем и присутствуют кристаллы льда, не отно сится к мерзлому слою. Температуру на границе твердомерзлого слоя принимают за температуру замерзания грунта. В табл. 1 приведены значения температуры замерзания разных грунтов. Так как температура замерзания песков близка к 0°С, а суглинков и глин равна -1?С, то ясно, почему при одинаковых условиях наибольшее промерзание наблюдается в песчаных грунтах, а наименьшее — в суглинках и глинах. В разные годы на одной и той же площадке грунт промерзает на различную глубину. Например, в Москве, на площадке МГУ за 15 лет наблюдений глубина промерзания грунта изменялась от 0,85 до 1,95 м. За нормативную глубину промерзания принимают среднее значение за период наблюдений не менее 10 лет. Для Москвы и Московской области нормативная глубина промерзания, например, составляет 1,4м. Исследованиями установлено, что при понижении температуры грунта ниже некоторой величины процесс пучения прекращается. В табл. 1 приведены значения отрицательной температуры, при которой прекращается процесс пучения в разных грунтах. Следует отметить, что в глинистых грунтах не вся «своя» вода переходит в лед, а примерно 2/3, в песчаных — практически вся. Таким образом, в промерзающем слое имеется так называемая активная зона пучения, ограниченная снизу температурой замерзания и сверху — температурой прекращения пучения. В зависимости от температуры на поверхности грунта в разные зимние месяцы высота активной зоны пучения может быть равной высоте промерзающего слоя или его части. На рис. 1 изображен график изменения среднемесячной отрицательной температуры воздуха по Московской области в течение зимы, построенный на основе данных СНиП 23-01-99 (Строительная климатология). Среднемесячная температура верхнего слоя грунта, регулярно очищаемого от снега, практически равна среднемесячной температуре воздуха. Из графика видно, что в течение зимы температура грунта на поверхности существенно изменяется. Здесь же показаны значения средней многолетней глубины промерзания, наблюдавшейся на площадке обсерватории МГУ. На основе приведенных графиков получены среднестатистические значения глубины промерзания и скорости промерзания по месяцам (табл. 2). По этим данным получены величины и установлен характер изменения зоны активного пучения в течение зимы. Приведены данные для суглинка при температуре прекращения пучения -2,5°С. Чем теплее зима, тем меньше глубина промерзания и деформации пучения. Однако прямой зависимости здесь не наблюдается. При высоких отрицательных температурах грунта увеличивается зона активного пучения и снижается скорость промерзания. Это приводит к накоплению в активной зоне пучения деформаций больших, чем при более низких отрицательных температурах и большей скорости промерзания. Поэтому периодическое потепление климата никого не должно вводить в заблуждение. В периоды потепления пучинистые грунты не становятся менее морозо-опасными. Проанализировав графики промерзания грунтов по Московской области, отметим важное обстоятельство для практики строительства. Максимальное промерзание грунта достигается к середине марта. В тот же период начинается оттаивание грунта с поверхности. Последний слой мерзлого грунта оттаивает в первой декаде мая. Для целостности надфундаментных конструкций дома не так страшны абсолютные значения деформаций пучения, как их неодинаковые величины в разных частях дома. Особенно чувствительны к неравномерным деформациям стены из кирпича, пенобетонных блоков и т.п. Промерзание и пучение грунта вокруг дома может происходить с разной интенсивностью и неравномерно в зависимости от того, где больше намело снега, где его нет, а где его регулярно убирают. Весной с южной стороны снег тает быстрее, чем с северной. Вода, образовавшаяся в начале весны при таянии снега с южной стороны дома, при заморозках может подтягиваться под неотапливаемый дом, под которым из-за экранного эффекта самого дома грунт еще не оттаял и его ледяные включения продолжают оставаться центрами кристаллизации. Возникает пучение, кото рое выворачивает неправильно устроенные столбчатые фундаменты и забутовку между ними, как правило, в южную сторону. Установлено: чем мельче минеральные фракции грунта, тем с большей глубины от уровня грунтовых вод идет подпитка влагой процесса пучения. В табл. 1 приведены величины возможной миграции влаги к фронту промерзания в различных грунтах. Для глин высота ее достигает 3,5м. В строительстве грунты по степени пучинистости делят на практически непучинистые, слабо-, средне- и сильно-пучинистые. Реже встречаются чрезмерно пучинистые грунты. К практически непучинистым грунтам относятся крупные и средней крупности пески. Остальные грунты относятся к потенциально пучинистым. Если расстояние от поверхности до уровня грунтовых вод в зимний период меньше или равно указанным в табл. 1, то подпитка грунта влагой происходит с самого начала промерзания. Такие грунты относят, как правило, к сильнопучинистым. Если уровень грунтовых вод находится на глубине большей, чем приведенные величины, и подпитка процесса пучения начинается с некоторой глубины промерзания, то такие грунты относят к среднепучинистым. Если уровень грунтовых вод значительно ниже указанных величин и подпитки процесса пучения влагой не происходит даже в конце промерзания, то в лед переходит только «своя» вода, находящаяся в промерзающем и прилегающем слое. Наблюдается перераспределение влаги по высоте промерзающего слоя: увеличение влаги в верхних слоях и уменьшение — в нижних. Такие грунты относят к слабопучинистым грунтам. Глины Московской области можно отнести к слабопучинистым грунтам при положении уровня грунтовых вод летом ниже 7 м, а в засушливые годы — ниже 8...9 м. Эти величины определяются суммой составляющих: глубины промерзания (1,40...1,54 м), высоты миграции влаги к фронту промерзания (3,5 м), осеннего поднятия уровня грунтовых вод (1,0...2,5 м), капиллярного поднятия (1,0м). Крупные и средней крупности влажные пески считаются практически непучинистыми. Наличие крупных пор (по сравнению с глинистыми грунтами), малая удельная поверхность частиц, не способных удерживать в достаточном количестве пленочную воду, и главное — прекращение пучения при температуре, близкой к температуре замерзания воды (активная зона пучения отсутствует или незначительна), не создают условий для миграции влаги к фронту промерзания. Замерзает только «своя» вода. Образующиеся кристаллы льда порой умещаются в пределах объема пор. Пучения не возникает или оно происходит в незначительных размерах. Даже водонасыщенный крупный песок при порах, составляющих, например, 35-40%, при замерзании дает увеличение объема грунта на 3,0-3,5%, что во много раз меньше, чем в пучинистых грунтах. Для улучшения строительных свойств пучинистых грунтов используют песок. Если он насыщается водой в верхней части промерзающего слоя, это свидетельствует о неправильно устроенных фундаментах и недостаточности конструктивных и мелиоративных мероприятий. Их предусматривают в проекте при привязке дома к конкретным условиям площадки строительства. Таким образом, пучинистые грунты отличаются от практически непучинистых тем, что в первых деформации пучения обусловлены замерзанием не только «своей» воды, но и воды, мигрирующей в толщу промерзающего грунта в течение всей зимы. Отметим еще одну особенность промерзающих грунтов. Всем известно, как трудно колоть лед. В то же время мы знаем, что ледники в горах под действием собственного веса «текут». Это связано с тем, что мгновенная прочность льда под нагрузкой большая, а длительная — стремится кзначениям, близким кнулю. За 4-5 месяцев зимнего периода в находящемся под нагрузкой от дома замерзшем песке происходит релаксация (снижение напряжений) за счет деформаций ползучести льда. Это явление сопровождается депла-нацией — искривлением слоев грунта. В результате деформации пучения песка под фундаментом и рядом с ним отсутствуют или значительно меньше, чем на границе песок — глинистый грунт. Чем больше расстояние от грани фундамента до пучинистого грунта, заполненное песком, тем большая депланация наблюдается и тем меньше влияние пучинистого грунта на фундамент. Это свойство песков широко используется при устройстве мелкозаглубленных фундаментов. В пучинистом же грунте, находящемся под нагрузкой, это явление не наблюдается, так как процесс пучения намного превышает процесс депланации. СИЛЫ ПУЧЕНИЯ Природные силы пучения очень велики. В строительстве различают два вида воздействия сил пучения на фундаменты: нормальные силы пучения, действующие на подошву фундаментов, и касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности фундаментов. Динамометр, установленный между фундаментом размерами 50x50 см и упорной системой, смонтированной на Загорском (ныне — Сергиев Посад) полигоне НИИ оснований в 60-е годы, по мере промерзания сильнопучинистого суглинка, фиксировал прямопропорциональное возрастание сил пучения, действующих на подошву незаглубленного фундамента (рис. 7). При глубине промерзания 0,93 м он показывал значение удельных нормальных сил пучения, равное 49,6 тс/м2. При глубине промерзания по Московской области до 1,4 м и более можно предположить, что удельные нормальные силы пучения могут достигать 80 тс/м2. Следует отметить, что чем больше заглубление фундамента, тем меньшие силы пучения действуют на его подошву, но возрастают суммарные касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности фундаментов. Удельные касательные силы пучения, при глубине промерзания до 1,5 м, могут достигать в сильнопучинистых грунтах 11 тс/м2, в среднепучинистых грунтах — 9 тс/м2, в слабопучинистых — 7 тс/м2 (Пособие к СНиП 2.02.01-83, табл. 41). Получив представление о силах пучения , величине деформаций и закономерностях их проявления, становится понятной суть мероприятий, которые следует провести при устройстве фундаментов легких домов в пучинистых грунтах. КАК РЕШАЮТСЯ ВОПРОСЫ НАДЕЖНОГО УСТРОЙСТВА ФУНДАМЕНТОВ В пучинистых грунтах глубина заложения подошвы фундаментов тесно связана с расчетной глубиной промерзания. Что такое расчетная глубина промерзания, разберем на примере. Нормативная глубина промерзания для Московской области — 1,4 м. Расчетная глубина промерзания для отапливаемых домов зависит от особенностей конструкции цокольной части дома, полов и температуры в доме. Для полов, устроенных по цокольному перекрытию, при температуре в доме не ниже +15°С расчетная глубина промерзания составляет 1,1 м. При других конструкциях полов и температуре в отапливаемом доме расчетная глубина промерзания может быть меньше или больше указанной величины. Для неотапливаемых домов, независимо от конструкции пола, расчетная глубина промерзания принимается равной 1,54 м. В этом случае фундаменты тяжелых домов могут заглубляться на 1,6 м. Ранее предлагалось считать «тяжелыми» дома, вес которых превышает суммарные касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности фундаментов, заглубленных ниже расчетной глубины промерзания. При заглубленном фундаменте требуется обеспечить устойчивость дома, то есть под действием касательных сил пучения фундамент не должен отрываться от основания. В противном случае под подошвой фундамента образуется полость, в которую попадает грунт обратной засыпки или грунт со стен траншей, и весной фундамент не придет в исходное положение. Начнется процесс накопления остаточных деформаций. При строительстве многоэтажных домов и других тяжелых сооружений условие устойчивости в пучинистых грунтах, как правило, выполняется. Веса сооружения достаточно для уравновешивания сил пучения. А в рассматриваемых нами малоэтажных коттеджах, усадебных и дачных домах в средне- и сильнопучинистых грунтах условие устойчивости при заглубленных фундаментах, как правило, не выполняется. Глубина заложения фундаментов не зависит от расчетной глубины промерзания в случае, если грунты — непучинистые, а также когда расчетами в пучинистых грунтах может быть обеспечена эксплуатационная надежность устроенных фундаментов. Этому условию отвечают мелкозаглубленные фундаменты. Мелкозаглубленный фундамент заглубляют в пучинистый грунт только до такого уровня, при котором касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности, не превышают нагрузки от дома и отрыва подошвы фундамента от основания не происходит — фундамент устойчив. В этом случае допустимы не только осадки дома, но и в ограниченных пределах деформации под действием нормальных сил пучения. Например, допустимые абсолютные деформации пучения для кирпичной кладки стен не должны превышать 2,5 см, а относительные деформации (прогиб-выгиб) стен — быть не более 0,0005. Это значит, что при длине стены 10 м стрела прогиба не должна превышать 5 мм. Если деформации пучения превышают допустимые величины, часть пучини-стого грунта под подошвой фундамента заменяют непучинистым на такую глубину, чтобы оставшийся слой пучинистого грунта давал деформации в допустимых пределах. На рис. 8 показан один из вариантов мелкозаглубленного фундамента. Но этого еще недостаточно для обеспечения надежности фундаментов. Неравномерность деформаций пучения в разных частях дома может быть снивелирована увеличением пространственной жесткости фундаментов. В средне- и сильнопучинистых грунтах нужно делать монолитный ленточный железобетонный фундамент, связанный с внутренними фундаментами в единую жесткую пространственную конструкцию. Мелкозаглубленные фундаменты могут быть столбчатыми, ленточными и плитными. Столбчатые фундаменты рекомендуется применять в практически непучинистых и слабопучинистых грунтах, ленточные — в слабо-, средне- и сильнопучинистых грунтах, плитные — в сильнопучинистых грунтах с низкой несущей способностью: на заболоченных, заторфованных участках, илистых грунтах, глинистых грунтах мягкопластичной (текучей) консистенции. Специальными исследованиями в строительстве легких домов в течение 20 лет установлено, что надежные мелкозаглубленные фундаменты в то же время в 1,5-2 раза экономичнее фундаментов, заглубленных ниже расчетной глубины промерзания.