Морозное пучение грунта – это невидимый, но очень коварный «враг» для оснований и фундаментов (а следовательно и для надземных конструкций), о котором должен знать и помнить каждый застройщик вне зависимости от того какой тип сооружения он собирается возводить – дом или фонарный столб. С негативными последствиями от действия на фундаменты сил морозного пучения сталкиваются главным образом те, кто не учитывал или пренебрег ими на стадии проектирования и инженерных изысканий.
Сущность морозного пучения грунтов
Если говорить максимально простым языком, то морозным пучением грунтов называют естественное (природное) явление, в основе которого лежит свойство некоторых грунтов увеличиваться в объеме при замерзании. Морозное пучение влажного грунта сопровождается изменением и нарушением его структуры (скелета), результатом чего могут стать подвижки и смещение замерших поверхностных грунтовых слоев, что в конечном итоге часто приводит к неравномерным осадкам оснований и деформациям фундаментов.
Природа происхождения данного явления объясняется тем, что находящиеся в порах грунта частицы воды под воздействием отрицательных температур превращаются в лед, увеличиваясь в объеме на 3-15%. При этом сам грунт прибавляет в объеме от 10 до 100%.
Результатом объемного расширения воданасыщенных грунтов становится появление в их толще дополнительных выталкивающих сил, направленных снизу вверх (к дневной поверхности). В зимнее время эти силы достигают своего максимального значения, величина которого соизмерима с весом конструкций двухэтажного дома, а нередко и превышает его. Пучение замерзшего грунта может усиливаться за счет миграции грунтовой влаги, поступающей из нижележащих слоев вверх к границе промерзания, из чего можно сделать вывод, что чем ближе уровень подземных вод расположен к дневной поверхности, тем более пучинистым является грунт.
На фундаменты, заложенные в пучинистых грунтах в зимнее время помимо вышеупомянутых вертикально-ориентированных выталкивающих сил действуют еще и боковые (касательные) силы морозного пучения, направленные так, как показано на Рис.1. Не стоит пренебрегать ими при выполнении расчетов оснований и фундаментов, т.к. величина касательных сил пучения может достигать 5-6 тонн на 1 м2 боковой поверхности фундамента.
Рис.1. Действие сил морозного пучения грунта на фундамент
В — выталкивающие силы морозного пучения грунта;
К — касательные силы морозного пучения грунта;
УПГ — уровень сезонного промерзания грунта.
Практически все известные типы грунтов могут проявлять при промерзании пучинистые свойства. Исключением являются лишь твердые (монолитные) скальные породы, характеризующиеся наличием жестких структурных связей между частицами.
Основными численно-измеряемыми параметрами и характеристиками грунтов, по величине которых можно дать количественную оценку степени их морозоопасности (интенсивности сил морозного пучения), являются: гранулометрический и химический составы, степень водонасыщения (количество влаги в порах грунта), глубина заложения уровня грунтовых вод в зимний и весенний периоды и др.
В большей степени морозному пучению подвержены тонкодисперсные глинистые грунты (не имеют жестких структурных связей): глины, супеси, суглинки, а также некоторые пески (от пылеватых до мелких), в гранулометрическом составе которых имеются включения глинистых и супесчаных частиц в количестве более 10% (на единицу объема грунта). Также, именно в глинистых грунтах содержится самое большее количество так называемой «пленочной воды», что является одним из ключевых факторов для оценки и прогноза пучинистых свойств грунта при замерзании.
В меньшей степени морозно-пучинистые свойства проявляют гравелистые и крупнообломочные пески размером фракции от средних до крупных (плотные и средней плотности), не содержащие посторонних примесей и пылевато-глинистых частиц, т.е. являющиеся однородными по составу. Также данная группа песчаных грунтов характеризуется высокой фильтрационной способностью, т.е. при замерзании вода в них не задерживается.
Влияние морозного пучения на фундаменты
Согласно требованиям действующих нормативов отметка низа подошвы мелкозаглубленных фундаментов должна быть ниже нормативной глубины сезонного промерзания рассматриваемого типа грунта. В противном случае (см. Рис.2) фундамент в зимнее время будет подвергаться выталкивающему действию нормальных и касательных сил морозного пучения, величина которых соизмерима с приложенной по обрезу фундамента нагрузкой от веса вышележащих конструкций (стен, перекрытий, полов, крыши и кровли и т.д.), а в некоторых случаях может в разы превысить ее (и такие случаи не редкость).
Не учет пучинистых свойств грунта (интенсивности сил морозного пучения) в расчетах оснований и фундаментов на стадии проектирования может привести к весьма неприятным последствиям!
Рис.2. Последствия от действия сил морозного пучения грунта
