Сооружение фундамента

Вряд ли кто не согласится с тем, что подходить к выбору фундамента надо ответственно. Многие это поняли из своего опыта, обнаружив по весне трещину в кирпичной стене загородного дома или увидев перекошенные стены каркасной дачной постройки. А кто-то сейчас ломает голову, какой фундамент выбрать - конструкции в книгах представлены разные, а возведение любой из них предполагает затраты, порой весьма солидные. Данная статья не претендует на роль конечной истины в последней инстанции. Это лишь попытка дать в популярной форме представление о процессах, происходящих в грунте при его промерзании и оттаивании. Пучинистые явления — коварные процессы, возникающие во влажных глинистых и мелкопесчаных грунтах при их сезонном промерзании. Не учитывать их нельзя, что понятно любому, даже слабо разбирающемуся в строительстве застройщику. Однако как происходят эти явления, не совсем понимают даже некоторые строители. Грунты, подверженные пучинистым явлениям, занимают в России обширные территории. Строительство на подобном грунте - ответственная задача прежде всего из-за сложности прогнозирования реальных деформаций грунта. Разобравшись в том, как происходят деформации влажного грунта при его промерзании, поняв физическую суть этого явления, легче не только выбрать оптимальный вариант фундамента, но и избежать многих ошибок при его возведении. Попробуем в этом разобраться. Морозное пучение связано с тем, что в процессе замерзания влажного грунта он увеличивается в объеме. Известно, что вода увеличивается в объеме при замерзании примерно 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. Какие же процессы происходят в пучинистых грунтах, пугающие застройщиков своей непредсказуемостью. Раскроем 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 пучинистым грунтам, а крупнозернистые песчаные и гравийные грунты — к непучинистым. С чем это связано? Во-первых, процесс промерзания грунта происходит сверху вниз. При этом граница между влажным и мерзлым грунтом (граница промерзания) опускается с некоторой скоростью, определяемой целым рядом причин. Вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме, вытесняя незамерзшую воду в нижние слои грунта. Пучинистость же грунта, в свою очередь, определяется тем, насколько вода может быстро просачиваться через структуру грунта. Крупнозернистый песок создает воде минимальное сопротивление, и она довольно свободно уходит в нижние слои. Поэтому такой грунт расширяется при замерзании совсем незначительно. Из глины же воде уйти трудно, и такой грунт является пучинистым. Отметим также, что влажный песчаный грунт, помещенный в замкнутый объем, например, скважину в глине, поведет себя как пучинистый грунт. Мерзлый массив песка со льдом при понижении границы промерзания будет выдавливаться снизу. Во-вторых, в мелких, а тем более в пылеватых песках вода достаточно высоко поднимается от уровня грунтовых вод за счет капиллярного эффекта и хорошо удерживается в таком грунте, как в губке. Такой грунт будет влажным, даже если вода находится на глубине 2 м. В крупнозернистых же песках влага не поднимается и грунт становится влажным только по уровню грунтовых вод. То есть чем тоньше структура грунта, тем выше поднимается влага, и, соответственно, более пучинистый грунт. Отметим также, что смесь крупного песка с пылеватым песком или глиной в полной мере можно отнести к пучинистым грунтам. Перед началом строительства на пучинистых грунтах необходимо выяснить расчетную глубину промерзания. Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Положение нижней границы мерзлого грунта 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 сооружений и характер их сезонного использования Толстый слой снежного 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 и наблюдается влажность грунта. Наличие дома также влияет на глубину промерзания грунта, ведь дом является своего рода теплоизоляцией, даже если в нем и не живут зимой. Участок, на котором стоит дом, имеет весьма сложную картину промерзания. Например, среднепучинистый грунт (по внешнему периметру дома) при его промерзании на 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. Именно неравномерность глубины промерзания и приводит довольно часто к перекосам, появлению трещин и разрушениям фундамента и стен. Однако реальная картина еще более сложная. Неравномерность промерзания существует и по периметру дома. Ближе к весне грунт с южной стороны постройки 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. 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. Так, на столб 025 см, заложенный на глубину 1,5 м, действует сила сцепления около 8 т. Как же действуют эти силы? Возьмем, для примера столб, заложенный ниже глубины промерзания и являющийся одной из опор легкого домика. Зимой граница промерзания опускается вниз. Мерзлый грунт схватывает верхнюю часть столба, и расширяясь, пытается его выдернуть из земли. Но вес дома и силы заделки столба в грунте не позволяют этого сделать, пока площадь сцепления столба с мерзлым грунтом невелика. По мере продвижения границы промерзания вниз, площадь сцепления мерзлого грунта со столбом увеличивается. Наступает такой момент, когда силы сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента превышают и вес дома, и силы сцепления грунта с нижней частью столба. Столб испытывает разрывающие нагрузки. Обратим внимание также на то, что на столб с расширенной нижней частью кроме того действует сверху давление расширяющегося мерзлого грунта. Усилия эти весьма значительны. Именно поэтому такие столбы армируют, надежно соединяя расширенную часть с самим столбом. Таким образом, неравномерное выдавливание фундамента, пожалуй, самое значительное и неприятное проявление пучинистого процесса, при котором деформации дома и его разрушения могут стать весьма ощутимыми, а неравномерность промерзания грунта по периметру дома — основная причина этого явления. Как же ведут себя фундаменты, возводимые строителями на пучинистых грунтах. Их поведение,разумеется, определяется глубиной заложения. Незаглубленные фундаменты, уложенные непосредственно на поверхности грунта, опускаются и поднимаются только из-за расширения влажного мерзлого грунта: фундамент «плавает» на его поверхности. Если дом установлен на плите, являющейся полом первого этажа, то грунт под ней не промерзает, особенно под средней частью дома Из-за неравномерности промерзания разница в уровнях грунта под домом и вне дома порой достигает 10...15 см. Именно по этому такой фундамент должен быть до статочно жестким на изгиб, что сопряжен! с увеличением расходов строительны: материалов. Этот тип фундамента неприемлем для дома с большими габаритами в плановой проекции. Если дом стоит на отдельных столбиках и опорах или же на балках, уложенных на грунте, даже с песчаной подсыпкой, ; под полом - сухо и тепло, то опоры по,; внутренними стенами окажутся ниже опо[ под наружными стенами. Трещины, пере косы и деформации перекрытий и стен i этом случае неизбежны. Что можно посоветовать? Необходимс тщательно утеплить полы первого этажа i вентилировать подпол, не закрывая про духи. Грунт под домом будет промерзать в той же степени, как и вокруг дома и пучинистые явления не будут приносить боль шого беспокойства. Мелкозаглубленный фундамент достаточно распространен в практике индивидуального строительства. Основной его вариант включает выборку траншеи глубиной 60...70 см, подсыпку крупнозернистого песка толщиной в 40...50 см, на которой отливается лента фундамента. Нижняя часть траншеи, приходящаяся почти на середину глубины промерзания, в процессе промерзания грунта подвержена вдвое меньшим перемещениям, чем основание рассмотренного выше незаглубленного фундамента. Однако, если разница в уровнях грунта под постройкой и вне ее в 5...7 см для деревянного или щитового дома может быть приемлемой, то для каменных домов эта величина может стать критической. А какие процессы происходят под такими фундаментами? Представим себе плиту мерзлого грунта, в которую вморожен дом с фундаментом, заложенным выше глубины промерзания. Как уже отмечалось, с южной стороны дома амплитуда суточного прохождения границы промерзания грунта весной весьма значительна. Днем, когда граница промерзания поднимается вверх, грунт под опорой разрыхляется и по мере оттаивания падает под собственным весом пластами. Образуется множество горизонтальных щелей в грунте, которые заполняются водой. Дом не проседает из-за того, что он вморожен в плиту мерзлого грунта. Ночью, при понижении границы промерзания ниже опоры, вода в щелях замерзает, образуя так называемые ледяные линзы, а объем мерзлого грунта увеличивается примерно на 10%. В результате этого поднимается и наша опора, преодолевая боковые силы сцепления грунта с фундаментом и вес дома вместе взятые. Каждый суточный проход границы промерзания мимо опорной поверхности будет поднимать опору, создавая перекосы и вызывая разрушения. За несколько таких дней-ночей опора, если она не сильно загружена, поднимается порой на 10...15см. При относительно большой нагрузке, приходящейся на опору фундамента, вода из щелей под ней в процессе понижения границы промерзания успевает уйти и процесс выдавливания опоры прекращается. Мероприятия по снижению воздействия пучинистых явлений для такого типа фундамента так же, как и в первом случае, связаны с выравниванием степени промерзания грунта под домом и вокруг него. Это, с одной стороны, вентиляция подпола, а с другой — снижение влажности грунта путем правильной организации отвода грунтовых и поверхностных вод (дренаж). Заглубленный Фундамент, заложенный ниже глубины промерзания, подвергается, в основном, воздействию сил сцепления мерзлого грунта с его боковыми поверхностями. Заглубленные фундаменты могут быть столбчатые, столбчато-ленточные, ленточные с подвальным помещением и без него. Столбчатый фундамент – наиболее распространенный в индивидуальном строительстве из-за своей простоты и доступности. Снижение действия боковых сил сцепления здесь осуществляется путем выравнивания, сглаживания боковых поверхностей столбов и отделения их от грунта рубероидом, пленкой и т.п. А вертикальное армирование столбов позволяет воспринимать разрывающие нагрузки без разрушения последних. Так как силы сцепления всегда в той или иной степени присутствуют, то возведение такого фундамента и его загрузку следует осуществлять в один сезон. Столбчатые фундаменты с расширением в нижней части лишены этого недостатка при условии надежного соединения основания с самим столбом. Столбчато-ленточный фундамент включает столбы и соединяющую их ленту-ростверк, расположенную над грунтом. Для компенсации пучинистых явлений под лентой-ростверком обязательно необходим воздушный зазор в 10...15 см для свободного расширения мерзлого грунта. Стены ленточного фундамента с подвальным помещением дополнительно к силам бокового сцепления испытывают еще значительное боковое давление от расширения мерзлого грунта и гидростатическое давление от воздействия грунтовых вод. Усилить фундамент и тем самым уберечь его от отрицательного воздействия этих нагрузок можно путем армирования стен и установки жестких плит перекрытия подвального (или цокольного) этажа. Попробуем сделать обобщающие выводы и дать некоторые рекомендации. • Незаглубленный фундамент можно рекомендовать для небольших легких домов и строений, возводимых на грунтах с постоянным высоким уровнем грунтовых вод. Столбчатый фундамент лучше подойдет для небольших деревянных домов и хозпостроек, а жесткая железобетонная плита — под каменный гараж или небольшой каменный дом. • Обустраивая мелкозаглубленный фундамент, подсыпку в траншею делают из крупнозернистого песка или мелкого щебня, соединяя траншею с дренажной системой. Дренаж должен гарантировать отвод грунтовых и поверхностных сточных вод из зоны фундамента. • Заглубленный фундамент наиболее предпочтителен для каменных (тяжелых) домов, имеющих большие габариты в плане. Боковые стенки заглубленного фундамента (столбчатый или ленточный) должны быть гладкими, с гидроизолирующим покрытием. Под лентой столбчато-ленточного фундамента необходимо иметь воздушный зазор в 10...15 см для свободного расширения мерзлого грунта. В случае устройства под наружными стенами дома столбчатых фундаментов глубокого заложения и утепленного подпола, фундаментные столбы под внутренние стены закладывают на глубину меньшую, чем под наружные. • Требования, предъявляемые к жесткости фундамента, зависят от степени пучинистости грунта, размеров дома в плановой проекции, типа строения и его веса. Если небольшие деформации фундамента под деревянным домом ведут только к незначительным перекосам и несущественным сдвигам, то для каменных домов — это трещины и разрушения. Прочность каменных домов можно эффективно обеспечить, компенсируя меньшую жесткость фундамента повышением жесткости самих стен путем расположения арматурных поясов в зоне перекрытий дома. • Стены подвалов и цокольных этажей должны быть хорошо армированы для восприятия боковых нагрузок от расширения мерзлого грунта и в этой же связи должны иметь бетонные перекрытия.