Что происходит с фундаментом при грунтовых водах

SGround.ru

Сайт о фундаментах, их основаниях и морозном пучении грунтов

Грунтовые воды и их влияние на грунты основания

Как грунтовые воды влияют на фундаменты?

Оглавление

1. Введение

Как уже отмечалось в других статьях, касающихся морозного пучения грунтов, близость уровня грунтовых вод к фронту промерзания имеет решающее влияние на процессы пучения. Но грунтовые воды опасны не только этим – в теплое время года замачивание так же вызывает резкое снижение показателей физико-механических свойств грунтов по сравнению с сухим или умеренно влажным состоянием. Да и для самих конструкций грунтовая вода не лучший сосед, разберемся почему.

2. Влияние грунтовых вод на свойства грунтов основания

Все связные дисперсные грунты (суглинки, глины, супеси) ухудшают свои физико-механические характеристики при увеличении влажности. При малой влажности глинистые грунты находятся в твёрдом состоянии. С ростом влажности глинистых грунтов они переходят в пластичное состояние, удельное сцепление с и угол внутреннего трения φ закономерно снижаются за счет ослабления структурных связей и смазывающего действия воды на контактах частиц. При дальнейшем увеличении влажности она обычно достигает влажности на границе текучести и грунт разжижается, приобретая свойства вязкой жидкости.

[Глинистые грунты при увеличении влажности сильно снижают свои прочностные качества вплоть до перехода в жидкое состояние]

На несвязные дисперсные грунты (пески, щебенисты грунты) влажность влияет меньше, т.к. удельное сцепление в них практически отсутствует, а трение между частицами во многом обусловлено формой и характером их поверхности. Однако наличие воды в таких грунтах все же снижает внутреннее трение φ — до 20%.

[Пески и крупнообломочные грунты меньше подвержены влиянию влажности, однако и на них грунтовые воды действуют отрицательно, снижая внутреннее трение до 20%]

В твердой компоненте грунтов могут содержаться и растворимые в воде минералы: гипс, кальцит, каменная соль и др., а также органические вещества, которые под воздействием грунтовых вод растворяются ослабляя структурные связи или образуют пустоты.

Кроме того, существуют специфические грунты, которым контакт с водой противопоказан – это просадочные и набухающие грунты.

Просадочные грунты имеют крупные поры (макропоры) и низкую влажность и в сухом состоянии мало чем отличаются от обычных глинистых грунтов. Но после замачивания они быстро размокают, теряя структурные связи и под нагрузкой резко сжимаются за счет схлопывания пор — просаживаются. Иногда суммарная просадка основания при этом может быть очень велика до метра и более.

Набухающие грунты — глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов и малой влажность в природном состоянии. Поступающая в набухающие грунты влага поглащается поверхностью глинистых частиц, образуя гидратные оболочки. При первоначальном относительно близком расположении частиц, под действием гидратных оболочек они раздвигаются, вызывая увеличение объема грунта и подъем поверхности (почти как при пучении).

3. Агрессивность грунтовых вод

Большинство грунтовых вод являются агрессивной средой для стальных конструкций, то есть погруженные в них конструкции будут разрушены за сравнительно короткий срок: от 1 до 10 лет или даже быстрее.

Так же при определенном химическом составе грунтовые воды оказывают разрушающее воздействие и на бетонные и железобетонные конструкции. Грунтовые воды, способные разрушать цементные бетоны и растворы, называются агрессивными. Агрессивность их зависит от химического состава растворенных в них солей и кислот. Эти вещества попадают в воду из подземных естественных залежей или из отбросов производств. Поэтому агрессивные воды встречаются повсеместно.

Фото: Разрушение железобетонных конструкций под воздействием агрессивной среды

Агрессивность грунтовых вод по отношению к бетону оценивается по содержанию: бикарбонатной щелочности, водородного показателя pH, содержанию свободной углекислоты CO2, содержанию магнезиальных солей (в пересчете на ионы Mg), содержание едких щелочей (в пересчете на ионы K и Na) содержание сульфатов (в пересчете на ионы SO4), содержание едких щелочей (хлоридов, сульфатов, нитратов). Все эти показателю определяются в лаборатории при проведении инженерно-геологических изысканий.

Вода, даже с малым количеством вредных веществ, может оказаться опасной для бетона, так как вследствие непрерывного движения воды в грунте на бетон действуют все новые и новые частицы вредных примесей. Поэтому всегда при инженерно-геологических изысканиях следует производить химический анализ воды.

Во всякой воде имеется, хотя бы в ничтожном количестве, углекислота (СО2). Она может быть связанной (неактивной, неспособной вступать в какие-либо новые соединения) и свободной (активной). Связанная углекислота для бетона безвредна. Свободная (называемая агрессивной) углекислота вступает в реакцию с известью бетона и образует растворимые в воде соли.

В сильно загрязненной воде, при наличии в ней и свободной углекислоты (СО2), и сульфатов (S04), и хлоридов (Сl), и окиси магния (MgO), путем взаимодействия с бетоном образуются растворимые соли, и потому агрессивность воды зависит от совокупности всех этих примесей.

В сравнительно чистой воде при отсутствии хлора (Cl) и свободной углекислоты (СО2), при наличии солей магния (MgO) и натрия (NaO) в количестве, меньшем 60 мг/л, вредны растворы гипса, так как они ведут к образованию сложных солей («цементная бацилла»), которые увеличиваются в объеме и потому разрушают бетон. Весьма вредны примеси азотной и азотистой кислот и аммиака. Наоборот, кремнекислота в любом количестве безвредна.

По степени воздействия на конструкции, воды подразделяются на: неагрессивные, слабоагрессивные, среднеагрессивные и сильноагрессивные (СП 28.13330.2012 Защита строительных конструкций от коррозии).

Агрессивность грунтовых вод зависит не только от концентрации вредных веществ, но и от коэффициента фильтрации грунта (от скорости прохождения воды сквозь грунт).

[Агрессивное воздействие грунтовых вод зависит от способности вмещающего грунта пропускать воду (фильтровать) – чем быстрее грунт пропускает воду, тем агрессивнее она будет воздействовать на конструкции]

Для повышения устойчивости бетонов к агрессивному воздействию жидкой среды применяют; сульфатостойкие цементы; более плотные бетоны с марками по водонепроницаемости W6, W8, W10 и более; гидроизоляцию поверхностей конструкций; водопонижение (дренаж) (см. разделы 5,3, 9.3 и таблицы приложений СП 28.13330.2012).

4. Водоносные горизонты и верховодка

Часто под землёй существует несколько водоносных горизонтов: 2, 3 и более.

Вода задерживается при просачивании с поверхности над водоупорными (главным образом – тяжелыми глинистыми) грунтами и скапливается в водопроницаемых (крупнодисперсных, песчаных) слоях, которые в этом случае называются водоносными. Если водоносный слой находится под водоупорным, то вода в нижнем водоносном слое часто находится под давлением вышележащих слоев. Если в верхнем слое отрыть котлован, то вода поступит в него снизу под давлением и поднимется выше уровня, на котором она первоначально появилась.

Такие воды называются напорными, а уровень, до которого они поднимаются, – установившимся уровнем грунтовых вод. Этот уровень должен выявляться при инженерно-геологических изысканиях и учитываться при проектировании.

Верховодкой называют ограниченный по площади локальный участок водонасыщенных грунтов, расположенный над линзой водоупора (глины, промерзшие грунты). Как правило верховодка имеет небольшую площадь и толщу, залегает близко к поверхности, выше уровня грунтовых вод. Уровень воды в верховодке сильно реагирует на поступление атмосферных вод.

5. Уровень грунтовых вод

[Уровень грунтовых вод (УГВ) – глубина относительно поверхности земли или высотная отметка зеркала свободной поверхности воды в скважине или шурфе. Принимают показатель установившегося уровня, не меняющийся на протяжении как минимум 30 минут]

Наиболее точным способом определения уровня грунтовых вод является бурение скважин или откопка шурфа (небольшого котлована) до появления свободной поверхности воды («зеркала») и дальнейшее заглубление на 0,5-1,5 метра.

Уровень грунтовых вод не является горизонтальной поверхностью и обычно меняется вместе с рельефом, повторяя его в сглаженной форме – при подъеме рельефа УГВ тоже поднимается, но в меньшей степени.

При наличии на участке открытых водоемов УГВ вблизи водоема совпадает с отметкой дневной поверхности открытой воды и меняется вместе с ней, а при отдалении от водоема отличается в большую или меньшую сторону.

В течение года УГВ так же не стоит на месте и постоянно меняется. Наивысший уровень грунтовых вод в широтах с значительным скоплением снега зимой обусловлен инфильтрацией талых вод в весенний период. Второй, менее выраженный высокий уровень, приурочен к осеннему периоду дождей. Самый низкий уровень наблюдается летом и в конце зимы.

После зимнего минимума происходит резкий подъем УГВ при таянии снега. Продолжительность весеннего максимума часто не превышает 10 дней

Изменение рельефа при строительстве и планировке грунтов могут нарушать естественные процессы перераспределения и движения грунтовых вод, а, следовательно, изменять уровень грунтовых вод. Основными техногенными нарушениями являются:

• Нарушение поверхностного стока атмосферных вод – текли себе ручейки много лет по одному месту, а тут при строительстве все перекопали, участок подняли и в итоге соседний участок стал утопать в воде. Такое явление встречается достаточно часто.
• Экранирование поверхности грунта на большой площади. После этого произойдет накопление влаги под закрытым участком и повышение влажности грунтов основания.

Грунтовые воды находятся в постоянном движении, хоть это движение и медленное, и не заметное человеческому глазу, но оно непрерывно происходит как по вертикали, так и по горизонтали в сторону областей разгрузки (водоемы, низины, реки и т.д.).

6. Максимальный прогнозный (расчетный) УГВ

В качестве расчетных горизонтов грунтовых вод следует принимать их наивысшие уровни весной и осенью, а при наличии данных и в конце зимы

Если есть необходимость получить расчетный уровень грунтовых вод, то следует воспользоваться нормативной литературой. Например, «пособие к СНиП 2.05.02-85 По проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна» раздел 3.

Расчеты громоздкие и здесь я их приводить не буду. Отмечу только что при выполнении инженерно-геологических изысканий в отчетах как правило указывают о возможности изменения УГВ на величину +/- 1,0 м от полученного при изысканиях положения. Реже колебания принимают +/- 0,5 или +/- 1,5 м.

[Таким образом за расчетный уровень грунтовых вод, как правило, следует принимать уровень на 1,0 метра выше чем тот что был получен замером при изысканиях.]

7. Капиллярное поднятие грунтовых вод

[Водонасыщенными являются не только грунты ниже уровня грунтовых вод, но и некоторая толща грунтов выше него – это слой капиллярного поднятия грунтовых вод]

За толщину слоя капиллярного поднятия воды принимается расстояние от уровня подземной воды со свободной поверхностью (в скважине) до отметки, где влажность глинистого грунта не превышает влажности на границе раскатывания.

[Влажность на границе раскатывания W_Р — соответствует влажности, при которой грунт теряет пластичность и переходит в твердое состояние. Граница раскатывания качественно соответствует такому состоянию, при котором жгут, раскатанный из грунта до диаметра 3 мм начинает крошиться на кусочки до 1 см длиной.]

Толщину слоя капиллярного поднятия называют морозоопасной «каймой» над уровнем подземной воды. Эта кайма зависит от состава и сложения грунта в природных условиях, и толщина ее колеблется в пределах от 0,3 до 3,5 м в зависимости от степени дисперсности грунта.

Капиллярное поднятие воды в грунтах происходит под действием поверхностной энергии минеральных частиц грунта и, следовательно, зависит от их удельной поверхности. Например, в песках круглых и средней крупности удельная поверхность частиц сравнительно небольшая, поэтому в этих песках почти не наблюдается капиллярного поднятия воды и вследствие этого отсутствуют деформации морозного пучения (они относятся к непучинистым грунтам).

Пески мелкие и пылеватые состоят из более мелких частиц по сравнению с песком крупным, и вследствие взаимодействия удельной поверхности минеральных частиц с водой капиллярное поднятие в природных условиях наблюдается на высоту от 0,3 до 0,5 м. В супесях высота капиллярного поднятия достигает от 0,5 до 1 м, в суглинах — до 1,5 м, в глинах — до 3 м.

Скорость передвижения воды по капиллярам значительно меньше, чем скорость подъема УГВ и обычно капиллярная кайма отстает от изменений УГВ.

Не все грунтовые воды имеют естественное происхождение. При прорыве водопровода локально водонасыщенные грунты при промерзании неравномерно вспучиваются, что вызывает серьезные повреждения зданий и сооружений.

8. Искусственное снижение уровня грунтовых вод (дренаж, водопонижение)

Для многих дачников и владельцев частных домов с подвалом вопрос снижения УГВ очень наболевший. Как можно справиться с высокими грунтовыми водами? – необходимо делать дренаж.

Дренажи бывают разных видов: горизонтальная система дренажных труб, вертикальный дренаж скважинами или иглофильтрами, открытый дренаж каналами и лотками и даже создание искусственных водоемов. Отток воды бывает естественным и принудительным – с помощью насосов.

[Дренаж в строительстве – в переводе на русский язык означает удаление/отведение воды. Иногда дренажом называют удаление воды с поверхности, но чаще речь идет об отводе грунтовых вод. Можно так же заменить термином «водопонижение»]

Главное при создании дренажа (водопонижении) это чтобы было куда отводить воду – необходимо такое место куда можно на длительный срок направить воду с осушаемого участка, не навредив при этом ни соседям и их постройкам, ни экологии.

Сток дренажных вод можно направить: в водосточную канаву за границей участка (если она есть), в ближайший водоем (если он не имеет рыбохозяйственного значения), в ливневую канализацию (если она есть), в сторону понижения рельефа (при наличии, и если там нет соседей).

Вообще в большинстве случаев дренаж выполнить реально. Это большая тема, требующая отдельного разговора, поэтому перенесем ее в отдельную статью.

9. Заключение

Глинистые грунты при увеличении влажности снижают свои прочностные качества вплоть до перехода в жидкое состояние. Пески и крупнообломочные грунты меньше подвержены влиянию влажности, однако и на них грунтовые воды действуют отрицательно.

В течение года УГВ не стоит на месте и постоянно меняется. Наивысший уровень грунтовых вод чаще всего наблюдается в весенний и реже в осенний периоды. Самый низкий уровень наблюдается летом и в конце зимы.

За расчетный уровень грунтовых вод, как правило, следует принимать уровень на 1,0 метра выше чем тот что был получен замером при изысканиях. Но водонасыщенными являются не только грунты ниже уровня грунтовых вод, но и некоторая толща грунтов выше него – это слой капиллярного поднятия грунтовых вод которая может иметь мощность до 3,5 м в зависимости от типа грунта.

Большинство грунтовых вод являются агрессивной средой для стальных конструкций, и довольно часто грунтовые воды оказывают разрушающее воздействие на бетонные и железобетонные конструкции.

Вывод — высоко расположенные грунтовые воды негативно влияют на характеристики большинства грунтов основания и часто оказывают агрессивное воздействие на сами конструкции фундаментов, да и выполнение строительных работ они сильно затрудняют, поэтому желанным гостем их никак не назовешь. При проектировании и строительстве этому обстоятельству следует уделять должное внимание, возможно Вам следует предусмотреть дренаж еще на стадии проектирования фундамента.

Источник