АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ МЕЛКОЗАГЛУБЛЕННЫХ ФУНДАМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Аннотация. В данной работе представлен анализ влияния морозного пучения на мелкозаглубленные фундаменты при возведении их на пучинистых грунтах. Описаны процессы, происходящие в грунтах подверженных пучению. Основная цель работы заключается в том, чтобы показать основные ошибки при строительстве мелкозаглубленных фундаментов на реальных примерах, проанализировать их и предложить варианты решения этой проблемы путем их утепления.

Ключевые слова: мелкозаглубленные фундаменты; грунт; морозное пучение; утепление; влажность грунта; нормальные силы; процессы набухания; деформации.

Введение

В настоящее время в Республике Хакасия стали предлагать молодым семьям участки под строительство малоэтажных зданий. В связи с этим началась застройка участков коттеджами, садовыми домами, торговыми павильонами и другими малоэтажными зданиями. Наибольшие затраты от общей стоимости строительства малоэтажных зданий составляют устройство фундаментов. В среднем нагрузки на 1 погонный метр ленточных фундаментов в таких зданиях (в зависимости от материалов стен и перекрытий) составляют 20 кН/м, в зданиях с выше трех этажей - не превышают 150 кН/м. В связи с этим небольшие нагрузки на тело фундаментов обуславливают повышенную чувствительность таких зданий к силам морозного пучения.

Республика Хакасия примерно 70 % состоит из морозоопасных (пучинистых) грунтов. К ним можно отнести такие виды как суглинки, супеси, глины, пески пылеватые и в некоторой степени мелкие. Глубина промерзания в Республике Хакасия составляет около 3-х метров. В таких условиях при определенной влажности эти грунты, промерзая в зимний период, увеличиваются в объеме, что приводит к подъему слоев грунта в пределах глубины промерзания почвы.

Находясь в таких грунтах фундаменты подвергаются выпучиванию, если действующие на них нагрузки ниже силы морозного пучения. Далее возникает неравномерный подъем фундаментов, который со временем накапливается, в результате чего основные несущие конструкции малоэтажных зданий испытывают недопустимые деформации и разрушаются. Очень часто одним из основных мероприятий по предотвращению морозного пучения является заложение фундаментов ниже расчетной глубины промерзания, однако это решение как правило, не обеспечивает устойчивость малоэтажных зданий, так как такие фундаменты имеют развитую боковую поверхность, по которой действуют большие по величине касательные силы пучения. В этом случае решение проблемы осуществляется применением фундаментов, закладываемых в зоне сезонного промерзания слоя грунта (мелкозаглубленные фундаменты) или устраиваемых на поверхности грунта (незаглубленные фундаменты).

Основные варианты мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных зданий предложены в главе 8 СП 22.13330.2016 "Основания зданий и сооружений". Все они должны быть приспособлены к работе в условиях неравномерных деформаций оснований, вызванных морозным пучением грунта.

Таким образом конструктивные мероприятия устраиваются не на преодоление сил пучения, а на их восприятие. Другими словами, все решение свидится к рассмотрению задачи совместной работы фундаментов с несущими конструкциями и сооружение фундаментов с деформирующимся грунтом в случае морозного пучения.

В настоящее время методы расчета не учитывают совместную работу фундаментов всех стен здания, а это является одним из серьезнейших недостатков при их проектировании. Однако если рассмотреть совокупность всех фундаментов как единую систему, то это позволит снизить расчетные усилия в ее элементах и в конечном итоге сможет уменьшить расход материалов на устройство фундаментов. Решению этой же задачи служит снижение глубины промерзания грунта, которое достигается путём применения утепления.

Влияние морозного пучения на фундаменты.

Морозное пучение может оказывает большое влияние на устойчивость малоэтажных зданий и даже заложение подошвы фундамента ниже глубины сезонного промерзания не дает гарантий на надежную эксплуатацию [1].

В таком случае грунт способен смерзаться с боковой поверхностью фундамента и приподнять его за счет касательных сил морозного пучения (А) (рисунок 1).

Рисунок 1. Фундамент, расположенный ниже глубины промерзания.

Таким образом под подошвой фундамента может образоваться полость (рисунок 2), которая при попадании в нее грунта и его оттаивании уже не вернется в исходное положение, что в последствии вызовет накопление деформаций пучения [2].

Рисунок 2. Образование полости между подошвой и блоками Фундамента

Однако такое развитие событий актуально только в европейской части России, где касательные силы (А) преобладают над нормальными силами (В) морозного пучения. В восточной части России, происходит другая ситуация. Там глубина промерзания составляет около 3-х метров и в связи с этим преобладают нормальные силы морозного пучения. В таком случае деформируется подошва фундаментов (рисунок 3).

Рисунок 3. Деформирование подошвы фундаментов

Нередко при строительстве малоэтажных зданий осознанно не используются противопучинные мероприятия, стараясь в таком случае возвести фундамент в теплое время, а построить здание полностью до наступления холодов [3]. Теоретически это позволяет нагрузить фундаменты сильнее чем силы морозного пучения. Однако вероятность, что силы морозного пучения будут выше чем нагрузка на фундамент очень высока.

Таким образом остается единственный способ по борьбе с нормальными силами пучения в восточной части России – утепление фундаментов. Данное решение создает повышенное сопротивление тепловому потоку воздуха и в результате холод, идущий с поверхности не сможет заморозить слои под утеплителем, так как туда будет постоянно поступать тепло с земли, и из здания через фундамент (рисунок 4).

Рисунок 4. Теплопотери и граница промерзания с утепленным фундаментом

Мероприятия по устройству песчаной подушки толщиной до 0,5 метра, с отводом воды дренажами, можно считать полезными в дополнение к современному утеплению грунта, однако данное решение не будет является обязательным. Оптимальным утеплительным материалом, способным находиться в грунте в незащищенном состоянии является экструдированный пенополистирол. Он достаточно крепкий и не впитывает воду.

Процессы морозного пучения в пучинистых грунтах.

Всем известно, что при воздействии морозного пучения деформации происходят попеременно: при промерзании почвы происходит подъем фундаментов, при оттаянии оседание. Очень много авторов рассматривали подобные проблемы и ими же были описаны характерные случаи деформации зданий и под действием нормальных сил морозного пучения грунта [4].

В таком случае устранение дефектов зданий требует значительных материальных затрат. Причем, если ремонт провели плохо и не устранили причины порождающие неравномерные деформации, то в таком случае он не решает проблему успешной эксплуатации в дальнейшем.

Раньше основным средством борьбы с неравномерными деформациями морозного пучения почвы являлось заложение фундаментов ниже зоны промерзания грунта. Это было связано с тем, что основной принцип был основан на противодействии силам морозного пучения и преследовал основную цель - обеспечить устойчивость фундаментов [5], что практически невозможно достичь для зданий или сооружений нагрузка которых меньше нормальных сил.

Так в работе Халимова О.З. [6] рассматривалась физико – химическая противопучинная стабилизация оснований и фундаментов в условиях высокого уровня подземных вод. В Москве НИИОСП им. Н.М. Герсеванова в 1989 были представлены материалы исследований морозного пучения в переносных и стационарных грунтовых лотках в условиях напорной миграции в зависимости от уровня подземных вод. Применять мелкозаглубленные фундаменты необходимо чрезвычайно аккуратно с учетом решения вопросов надежности реализации предложенных противопучинных материалов.

Явление морозного пучения изучается довольно давно, а особенно интенсивно в последние 50 лет. У процессов набухания и пучения имеются общие закономерности. Самые большие вклады по исследованию этих процессов внесли: Долматов Б.Н., Киселев М.Ф., Малышев М.В., Сажин B.C., Цытович Н.А., и др.).

Если основываться на современных представлениях, то тогда основным условием пучения любого грунта является превышение приращения общего объема замерзшей и незамерзшей воды над объемом свободных от воды газовых пор талого грунта [7]. В связи с этим по мере возрастания степени водонасыщения грунтов, интенсивность пучения их увеличивается и достигает максимума при полной влагонасышенности. Пучение связных (глинистых) грунтов происходит не столько вследствие кристаллизации воды изначально содержащаяся в глинистом слое, а сколько благодаря миграции влаги из подстилающих талых слоев грунта. Миграция жидкости обусловлена наличием в глинистых и пылевато-песчаных грунтах молекул воды. Изучению процессов миграции влаги посвящены работы [8-10]. За время исследования было предложено более 50 теорий перемещения влаги при промерзании грунтов, которые со временем уточнялись, детализировались и дополнялись новыми результатами исследования. В современном представлении [11] миграция влаги при морозном пучении возможна во всех состояниях (парообразном, жидком и твердом). Перемещение в парообразном состоянии происходит лишь при незначительной влажности грунтов, а в твердом состоянии (в виде льда) проявляется лишь в результате чисто пластического течения, возникающего под действием внешней нагрузки.

Однако основная часть миграции осуществляется в жидкой фазе. Перемещения фундаментов при попеременном промерзании и оттаивании пучинистых грунтов зависят от нескольких факторов. Одним из основных причин на пучения грунта оказывает его состав. Установлено, что глинистые грунты могут содержать фракции пыли и таким образом при соответствующих температурно-влажностных условиях проявляют значительные деформации пучения. Кроме того, значительное влияние на интенсивность морозного пучения оказывает минералогический состав грунтов. Так же важным фактором, определяющим выпучивание грунта, является его влажность. Согласно проведенными исследованиями, содержащимся в работах [12, 13], выпучивание грунта зависит от его температуры, а также скорости и глубины промерзания слоев грунта. Увеличение глубины промерзания обычно сопровождается увеличением выпучивания грунта. Но при этом, следует учитывать влияние скорости промерзания во времени. Установлено, что с ростом скорости до 11,5 м/сутки интенсивность пучения линейно возрастает и при скорости 2-4,5 м/сутки достигает максимального значения, а при дальнейшем увеличении скорости промерзания интенсивность пучения убывает.

Примеры влияние морозного пучения на здания.

При действии нормальных сил в несущих элементах зданий возникают дополнительные усилия, которые являются причиной появления и развития в них деформаций, а те в свою очередь затрудняют эксплуатацию или приводят объект в аварийное состояние. Очень часто деформации проявляются в образовании трещин в фундаментах и стенах (рисунок 5).

Рисунок 5. Деформация частного дома в следствии морозного пучения

Иногда бывает и так, что при строительстве нового здания строители просто засыпают пучинистый грунт другим надеясь, что это решение обеспечит надежность несущих конструкций. Самым ярким примером является здание, расположенное в западной части города Абакана на базе «Военторг» по улице Итыгина 18, которое получило недопустимые деформации от сил морозного пучения. Площадка представлена супесчаными, перекрытыми насыпными гравийно-галечниковыми грунтами (рисунок 6).

Рисунок 6. Инженерно – геологический разрез

При проведении обследования здания были обнаружены сильные деформации участков по углам кирпичных стен. Такое интенсивное пучение в этих местах обусловлено снижением теплового эффекта эффекта в здании. К тому же, наиболее деформированный восточный торец здания находится в наибольшем удалении от пункта устройства тепловых сетей. Также следует обратить внимание, что температура в системе отопления в торговом помещении, контактирующем с деформированным торцом, наиболее низкая из всех сдаваемых в аренду помещений.

Скорее всего во время проектирования было предложено, что жесткости железобетонного фундамента будет достаточно для восприятия усилия от нормальных сил морозного пучения. Схема развития трещин в торце представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема развития трещин

Увеличение раскрытия трещин в середине торцевой стены (рисунок 7) показывает на подъем в зимний период углов кирпичных стен. Однако вскрытие фундаментов трещины не были обнаружены. Изгиб балки произошел также без образования в ней трещин. Это связано с тем, что арматура распределила по всей длине деформации растяжения.

Однако в кирпичной кладке арматура отсутствует и это и послужило причиной деформации наружных стен. Конечно, угрозу жизни такой дефект не представляет, но внешний вид фасада все же испорчен и что немаловажно отсутствует герметичность стенового ограждения.

Стоит заметить, что морозное пучение также проявляется и при строительстве зданий в период разработки котлована [14]. В связи с тем, что уровень грунтовых вод находится на расстоянии 0.8 м ниже отметки дна котлована, в период строительства могли протекать деформации морозного пучения. Таким образом грунт при промерзании и последующем оттаивании мог перейти в текучее состояние [15], что в итоге привело к недопустимому отклонению несущих стен от вертикали (рисунок 8), а фундаментная плита получила опасный наклон от нормальной оси, что является тревожным показателем того, что возможно, грунты и фундаменты потеряли устойчивость [16].

Рисунок 8. Схема деформирования фундаментов и стен здания

Особенно опасны длительные перерывы в строительстве, так как именно они приводят к интенсивному промерзанию и морозному пучению грунта. Однако в следующем примере перерывы имели более длительный характер.

Рассматриваемый объект расположен в центре Абакана по улице Вяткина (ранее Р. Люксембург). Здание кирпичное, двухэтажное с подвалом и продольными несущими стенами. Согласно проведенным изысканиям было установлено, что с поверхности до глубины 5 м залегает песок пылеватый, а уровень грунтовых вод составляет 3 - 3,5 м.

Фундаменты разработаны ленточные на естественном основании, ширина железобетонной подушки составляет 1,6 м. В первый зимний перерыв вышли с возведением кирпичной кладки по перекрытому подвалу до верха окон. Однако за это время произошло раскрытие трещин в стенах до 20 мм и весной часть кладки была разобрана и возведена заново.

Новый собственник к зиме следующего года закончил возводить первый этаж и перекрыл железобетонными плитами, но проблема проявилась снова – образовались трещины на стенах.

Для выявления причины было принято решение провести обследование грунтов под подошвой фундаментов. Исследование основания показало, что грунт промерз в уровне подвала на 1,5 м и имел слоистую криогенную структуру.

Таким образом основная причина появления трещин стало морозное пучение. Для ее устранения были рассмотрены следующие варианты по усиление фундаментов:

• Усиление фундаментов после демонтажа перекрытия и разбор кирпичной кладки;
• Теплозащита мерзлого грунта от неравномерного оттаивания летом;

Проведя тщательный анализ было выбрано решение по утеплению подвала засыпкой керамзитового гравия толщиной 30 см, восполнить дополнительный железобетонный пояс в уровне перекрытий и продолжить кладку 2-го этажа.

Здание достроили в 1995 году, а керамзитовый гравий после стабилизации деформации при медленном оттаивании грунта был поднят на чердачное перекрытие. Здание находится в работоспособном состоянии и в настоящее время, деформации от морозного пучения полностью отсутствуют.

Таким образом можно сказать, что применение мелкозаглубленных фундаментов в условиях чрезмерно пучинистых грунтов Республики Хакасии требует более серьезных исследований в этой области, а правильно выбранные мероприятия по устройству фундаментов позволят сохранить несущую способность здания на длительное время. Однако при устройстве их в грунтах подверженных морозному пучению всегда несет риски. Таким образом, чтобы их избежать желательно знать основные характеристики грунта и предусмотреть утепление фундамента с противопучинным зазором.

Список литературы:

1. Сажин В. С. Не зарывайте фундаменты в глубь. - М.: АКАпринт – Москва.  2003. –  47 с.
2. Невзоров А. Л. Фундаменты на сезонно промерзающих грунтах: учеб. пособие для вузов. – М.: изд – во АСВ, 2000. – 153 с.
3. Чернышева И. А. К вопросу использования различных методов защиты от морозного пучения // Строительство и архитектура. – 2016. – С. 39 – 46.
4. Тишков Е. В. Промерзание оснований фундаментов зданий и сооружений: причины и последствия // Строительство. Строительные материалы и изделия. – 2015. – С. 93 – 99.
5. Кроник Я. А. Противопучинная мелиорация грунтов для повышения надежности и безопасности оснований зданий и сооружений // Вестник: МГСУ. – Москва, 2010. – Т. 10. – С. 284 – 292.
6. Халимов О.З. Метод физико – химический противопучинной стабилизации оснований в период строительства при высоком залегании подземных вод: дис. … канд. тех. наук. – М., 1989. – С. 14 – 16.
7. Дудзинский В. А. Обзор экспериментальных данных о характере и условиях формирования морозного пучения // Горный информационно – аналитический бюллетень. – 2014. – С. 400 – 402.
8. Карлов В. Д. Прогноз величины морозного пучения глинистых оснований фундаментов // Горный информационно – аналитический бюллетень. – 2008. – С. 325 – 402.
9. Кудрявцев С.А. Численное моделирование процесса морозного пучения и оттаивания в зависимости от скорости промерзания грунтов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2012. – С. 105 – 110.
10. Крамаренко В. В. О структурной прочности слабых грунтов и новых нормативных документах по определению характеристик их механических свойств // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. – 2012. – С. 242 – 252.
11. Павлов А. Р. Численное моделирование динамики морозного пучения грунта // Arctic Evironmental research. – 2008. – С. 79 – 84.
12. Гробцов Д. Н. Теоретический анализ теплового режима фундаментов и грунтов оснований // Записки Горного института. – 2009. – Т. 181. – С. 20 – 21.
13. Ядовина К. С. О практическом значении определения теплофизических свойств сезоннопромерзающих грунтов // Строительство и архитектура. – 2017. – С. 81 – 88.
14.  Oleg Khalimov Geotechnical consulting at the stages of design and full repair: a case study of village school in Minusinsk Region, Russia // AIP Conference Proceedings. – 2017. - № 1899. – С. 20 – 29.
15. Wang T. L. Vibration characteristics of frozen soil under moving track loads // Sciences in Cold and Arid Regions. – 2015. Vol. 7. C. 407– 413.
16. Вольский В. Инженерно-геологические изыскания площадок строительства для геотехнических и экологических целей // Развитие городов и геотехническое строительство. – 2007. – С. 165 – 190.