Фундамент от сил морозного пучения

SGround.ru

Сайт о фундаментах, их основаниях и морозном пучении грунтов

Меры борьбы с морозным пучением

Описание основных мер защиты от пучения

Оглавление

1. Актуальность проблемы

Морозное пучение один из наиболее опасных и непредсказуемых факторов воздействия на фундамент. Действие морозного пучения грунтов и выпучивание фундаментов ухудшает условия эксплуатации и укорачивает сроки службы зданий и сооружений, вызывает их повреждения и деформации. Это приводит к большим затратам на ремонт повреждений и неудобствам в эксплуатации (перекошенные и заклинивающие двери и ворота, лопнувшие стекла в окнах, трещины в стенах и фундаментах, разрушение крылец и др.).

Если грунты в основании сооружения пучинистые, а мероприятия по предотвращению воздействия морозного пучения на фундамент не были предусмотрены или были выбраны неверно, то сооружение обречено на постепенное снижение своих эксплуатационных характеристик, вплоть до разрушения. Бороться с морозным пучением, которое уже воздействует на фундаменты очень сложно.

Сваи под опору ЛЭП, изначально погруженные до одинаковых отметок с годами оказались неравномерно выпучены

В этой статье будут рассмотрены основные меры по предотвращению воздействия на фундамент морозного пучения, без погружения в расчеты.

О расчетах фундаментов на воздействие пучения будет написана отдельная статья.

2. Основные направления по предотвращению воздействия пучения на фундаменты

• Первое направление – воздействие на грунты в зоне промерзания и их характеристики с целью уменьшения или исключения их пучинистых свойств.

Явление морозного пучения имеет место при единовременном наличии нескольких условий – грунт должен быть пучинистым, должна быть отрицательная температура и определенная влажность грунта. Если одно из этих условий отсутствует, то пучения не будет. Исходя из этого основные методы воздействия на грунт основания делятся на:

1. Методы, связанные с устранением свойств пучинистости грунта. Сюда относят замену грунта на непучинистый, введение в грунт противопучинистых добавок, введение веществ, снижающих температуру замерзания грунта, уплотнение и изменение структуры грунта.
2. Методы, направленные на снижение влажности грунта. К таким методам относятся например выполнение дренажа, искусственное снижение уровня грунтовых вод, подъем участка строительства за счет отсыпки грунтом (вертикальная планировка), обеспечение естественного стока атмосферных вод и др.
3. Методы, направленные на недопущение замерзания грунта или уменьшения глубины промерзания. К таким относятся, например, утепление грунта вблизи фундаментов отапливаемых сооружений, искусственный подогрев грунта коммуникациями, выделяющими тепло, или греющим кабелем.

• Второе направление — приспособление фундамента и сооружения в целом к восприятию усилий от морозного пучения или снижение смерзания грунта и фундамента. Это направление в основном предусматривает решения по модификации фундаментов и несущих конструкций.

Это направление применяется, когда гарантированно устранить пучинистость грунта не представляется возможным или слишком дорого. Тогда специальными мерами добиваются такого состояния: грунт возле фундамента при промерзании вспучивается, но это не оказывает влияния на фундаменты. К таким мерам относят:

1. Правильный выбор глубины заложения фундаментов для исключения воздействия лобовых сил морозного пучения, т.к. эти силы имеют огромные величины и бороться с ними очень тяжело (по крайней мере в малоэтажном строительстве). Для этого необходимо чтобы подошва фундамента находилась ниже глубины промерзания. Эта мера обязательна всегда кроме случая с малозаглубленными фундаментами, которые изначально предполагают воздействие на них лобовых сил пучения.

Схема воздействия лобовых сил морозного пучения. Слева с изгибом мерзлого грунта, справа с изломом (быстрое замораживание)

1. Конструктивные меры – уменьшение сечения фундамента в пределах промерзающего слоя, применение обратного уклона боковых граней фундамента, увеличения расстояния между фундаментами для увеличения нагрузки на них и др;
2. Применение покрытий боковой поверхности свай и столбчатых фундаментов (окраска, обмазка, оболочки), снижающих силы смерзания с грунтом в пределах промерзающего слоя; Поднимающиеся от пучения грунты просто будут проскальзывать вдоль сваи, не воздействуя на нее;
3. Применение винтовых свай и свай с уширением в нижней части (сваи РИТ, буронабивные сваи с камуфлетной пятой и др.), грибовидных фундаментов и фундаментов с развитой подошвой для создания большого сопротивления выдергиванию; Поднимающиеся от пучения грунты тянут фундамент вверх, но удерживающая сила больше выпучивающей, поэтому перемещения фундамента не происходит;
4. Увеличение длины сваи или глубины фундамента из расчета на морозное пучение (так чтобы сила, удерживающая сваю от выпучивания, была больше силы морозного пучения) без создания уширения в нижней части.

Иногда в малоэтажном строительстве имеет смысл делать незаглубленные или малозаглубленные фундаменты, заранее полагая что они будут подвержены пучению, и рассчитывать их на восприятие соответствующих усилий. Этот подход неоднозначный и применим далеко не всегда. Отдельно читайте о малозаглубленных фундаментах в статье.

При применении любых конструктивных методов следует учитывать что если всё сделано верно то подъем поверхности грнута за счет пучения все равно будет как и раньше, просто фундаменты при этом не будут смещены. Поэтому необходимо оставлять зазоры до ростверков, стен и др. чтобы при подъеме поверхности грунта она не достигала их и не оказывала негативного воздействия.

Касательно выбора глубины заложения фундаментов для исключения воздействия лобовых сил морозного пучения читайте эту статью.

Далее рассмотрим более подробно отдельные методы борьбы с пучением:

3. Методы устранения пучинистых свойств грунта

1. Самый простой и надежный метод исключения свойства пучинистости это замена пучинистого грунта на гарантированно непучинистый – песок средний, крупный или гравелистый (или щебень/гравий). При этом в песчаных и щебенистых грунтах не должно быть примесей глинистых частиц более 15% и желательно обеспечить защиту от заиливания глинистым грунтом разделив слои геотекстильными материалами.

Засыпка пазух с заменой грунта на непучинистый

При этом следует учитывать, что ширина пазухи котлована, заполняемой непучинистым грунтов должна быть не менее: 0,2 м при глубине промерзания d_f равной 1,0…1,5м; не менее 0,3 м при глубине промерзания d_f равной 1,5…2,0м; пазухи должны быть шириной не менее 0,5 м при глубине промерзания до 2,5 м. Желательно обеспечить отвод воды из непучинистого дренирующего грунта и перекрыть поверхность засыпки водонепроницаемой отмосткой.

Для свай пазуха образуется выполнением лидерной скважины большого диаметра на глубину сезонного промерзания грунта. Стойки в грунте устанавливаются в сверленые котлованы большого диаметра с последующей засыпкой пазух песком или песчано-гравийной смесью (ПГС).

1. Введение в грунт противопучинистых добавок:

— Засаливание грунта. Временная мера, например на период строительтсва. Выполняется технической поваренной солью или хлористым калием. Расход около 30 кг на 1 м 3 грунта. Вводится перемешиванием с грунтом обратной засыпки слоями около 10 см. Засоляется грунт с глубины 0,5 м до глубины 1,0 м. Засаливание может негативно сказаться на долговечности материала фундамента.(п. 5.1 Руководства)

— Обработка грунта нефтяным раствором. Выполняется для слоя грунта толщиной 5-10 см. на контакте с фундаментом. Состав раствора – диз. топливо 54%, высокоокисленный битум – 20%, окись кальция 20%, НЧК (алкиларилсульфонат) – 4% и вода 2% по массе. (п. 5.2 Руководства)

Обработка грунта выполняется перемешиванием его с нефтяным раствором в количестве 5-10% раствора от веса сухого грунта. Контактный слой устраивается при обратной засыпке пазух котлована. (необходимо соблюдать экологические нормы).

Исследованы так же варианты введения криотропных полимерных добавок в грунт – полимерные гели с верхней критической температурой растворения (описано в научной статье). Результаты получили замечательные, правда о сути материала и способе его введения информации почти нет.

4. Методы уменьшения влажности грунта в зоне промерзания

Основная причина пучения грунта – наличие в нем воды, переходящей в лед при промерзании, поэтому осушение грунтов с удалением из них воды являются наиболее эффективными.

Сюда входят следующие меры:

• устройство постоянного дренажа поверхностных атмосферных вод;
• вертикальная планировка с уклоном не менее 5% для отвода поверхностных вод;
• подъем отметок планировки насыпью непучинистым грунтом из расчета обеспечения необходимого расстояния до максимального уровня грунтовых вод;
• постоянное водопонижение;
• водонепроницаемые отмостки по периметру зданий и сооружений шириной не менее 1,0 метра;
• тщательное уплотнение обратных засыпок;
• специальные меры по предотвращению замачивания грунтов при прорыве водонесущих коммуникаций;
• удаленность от источников увлажнения не менее 20 м (колонки водоснабжения, места мойки машин и др.).

Фото: фрагмент системы дренажа

Инженерно-мелиоративные меры (дренаж и водопонижение, отвод поверхностных вод) являются коренными если они обеспечивают осушение грунтов в зоне сезонного промерзания и на глубину 2-3 метра ниже нее. Однако очень часто обеспечить такое снижение уровня грунтовых вод не представляется возможным или слишком дорого, тогда эти меры применяются в сочетании с другими для уменьшения деформации грунта при промерзании.

5. Методы уменьшения глубины промерзания грунта

Сюда следует отнести следующие теплоизоляционные мероприятия:

— Временное утепление поверхности грунта природными материалами (торф, снег, опилки, солома) на период строительства, или постоянное утепление материалами типа пенополистирол, керамзит, шлак и др направлено на уменьшение глубины промерзания грунта или его исключение. Наиболее эффективно при утеплении грунта вблизи фундаментов отапливаемых зданий с подвалом или полами по грунту – утеплитель укладывается под отмостку и смещает зону промерзания грунта наружу от фундаментов, обеспечивая их защиту.

Схема распределения температур в грунте. Справа градиент температур при наличии утеплителя под отмосткой, слева — без утеплителя

Предпочтение следует отдавать материалам, не теряющих своих свойств при воздействии влаги, т.к. в осенний период перед замерзанием зачастую происходит водонасыщение утепляющего слоя. Наиболее эффективным является экструдированный пенополистирол. Возможно так же применение для отмостки керамзитобетона, полистиролбетона и др. с защитой поверхности от разрушения.

Глубина промерзания грунта, м	Размеры отмостки из керамзитобетона 800-1000 кг/м3, м
толщина	ширина
До 1,0	0,15	0,7
1,5	0,2	1,0
2 и более	0,3	1,5

Источник — Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах НИИОСП им. Н.М. Герсеванова 1979 г.

Фото: отмостка с утепелнием

6. Применение покрытий боковой поверхности фундаментов

Эти методы применяются, когда гарантированно устранить пучинистость грунта не представляется возможным или слишком дорого.

Боковая поверхность сваи или фундамента в зоне промерзания для уменьшения касательных сил пучения должна быть гладкой настолько, насколько это возможно. Наличие выступов и шероховатостей резко увеличат касательные силы морозного пучения.

Для дальнейшего уменьшения сил смерзания грунта с фундаментом применяют лакокрасочные, обмазочные, или ленточно-листовые покрытия.

По имеющимся экспериментальным данным большинство лакокрасочных покрытий на бетонной или стальной поверхности значительно снижает силы смерзания с грунтом, какие-то сильнее, какие-то меньше. Есть шероховатые ЛКП которые увеличивают силы смерзания грунта с поверхностью конструкции (например «Цинотан» и «Ферротан» дают сильно шероховатые поверхности). Однако большинство покрытий не обладает достаточной долговечностью при применении именно для снижения касательных сил морозного пучения. Происходит это не только из-за воздействия атмосферных осадков и агрессивности грунта и грунтовых вод, но и из-за механического повреждения поверхности при смещении промерзающего грунта относительно фундамента. К этому в последствии добавляется расклинивающее действие кристаллов льда, проникающих в дефекты покрытия и ускоряющих его разрушение.

По покрытию поверхностей фундамента битумными мастиками см. рекомендации в п. 5.3 Руководства

Сейчас некоторые производители ЛКП заказывают испытания на снижение касательных сил пучения и указывают полученные данные в паспортах – можно попробовать поискать информацию.

«Рекомендации по снижению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластических смазок и кремнийорганических эмалей» НИИОСП имени Н.М. Герсеванова 1980 г рекомендуют применение покрытий боковой поверхности фундамента пластичной смазкой или кремнийорганической эмалью, или и тем и тем вместе.

Смазки уменьшают удельные касательные силы выпучивания на 50-60%, эмали — на 25-40%. Смазки предлагают применять типа БАМ-3 или БАМ-4, защищаемые полимерными пленками, и кремнийогранические эмали КО-11112 или КО-174.

Фото: свая с покрытием кремнийогранической эмалью в верхней части (в зоне промерзания)

Подробное описание методов, технологий, выбор материалов, описание эффективности методов смотрите в самих рекомендациях.

Из своего опыта могу сказать, что метод со смазками хоть и дает хорошие результаты, и это подтверждено экспериментально, но на практике практически не применяется из-за сложно технологии, требующей аккуратности и ответственности, которой у застройщика как правило нет. А вот эмали КО применяю часто, они очень удобны в работе и достаточно эффективны.

Разработаны так же термоусаживаемые оболочки из сшитого полиэтилена. Оболочка прошла всестороннее испытания на морозное пучение, сваи с такой оболочкой даже испытывали в полевых условиях. Рекомендованы к применению при строительстве объектов ПАО «Газпром». Согласно данным испытаний снижают касательные силы морозного пучения на 58% (коэффициент кτ_fh по СП 25.13330.2012 равен 0,42).

Фото: сваи с покрытием термоусаживаемой оболочкой из полимерного материала

В целом можно уверенно говорить, что даже покрытие боковых поверхностей фундаментов битумной мастикой снижает силы смерзания с грунтом, однако нет данных о том насколько именно снижает и насколько долговечна такая мера.

7. Применение фундаментов с уширением в нижней части и удлиненных свай

Очень эффективная мера по предотвращению выпучивания фундаментов – это устройство уширения фундамента в нижней части.

К фундаментам с уширением относятся: грибовидные фундаменты, винтовые сваи, сваи с камуфлетной пятой и сваи РИТ (разрядно-импульсная технология), фундаменты ТИСЭ, столбчатые фундаменты с развитой подошвой и др.

Фундаменты по технологии ТИСЭ с уширением в нижней части

Верхняя поверхность уширения должна находиться ниже максимальной расчетной глубины промерзания, тогда несущая способность фундамента при расчете на морозное пучение резко увеличивается. Кроме того, необходимо стремиться к уменьшения поперечного сечения (если быть точнее – площади поверхности) фундамента в верхней части – в пределах глубины промерзания.

Схема: к расчету анкерного фундамента на морозное пучение

Как видно из расчетной схемы при наличии уширения в нижней части фундамента оно работает как анкерная плита, не давая выдернуть фундамент из земли, а в самом фундаменте возникают большие растягивающие усилия. Чтобы снизить негативные эффекты полезно дополнять решения обработкой боковых поверхностей фундамента в зоне промерзания покрытиями, снижающими силы смерзания с грунтом.

Так же для свайных фундаментов возможен вариант удлинения из расчета на морозное пучение – длину увеличивают только для восприятия касательных сил морозного выпучивания, несмотря на то что для восприятия нагрузок от самого сооружения достаточно и меньшей длины сваи. Этот метод как правило экономически не обоснован и может применяться только как часть комплекса мер.

8. Применение обратного уклона боковых граней в зоне промерзания, особой формы свай и конструкций типа «труба в трубе»

Фото: фундаменты с обратным уклоном боковых граней

Согласно экспериментальным данным обратный уклон боковых граней фундамента под углом в 1,5° к вертикали в пределах глубины промерзания грунта снижает касательные силы морозного пучения почти в 2 раза. Обусловлено это тем что поверхность смерзания начинает работать не только на сдвиг, а в значительной степени и на отрыв, а на отрыв прочность смерзания меньше, при этом снижается так же механическое трение. Теоретическое расчетное обоснование такого мероприятия в борьбе с пучением приведено в статье – тут речь идет о двуконусных сваях, кстати очень интересный вариант решения для свай, работающих только на сжатие.

Особые формы фундаментов: двуконусные сваи упоминались чуть выше по тексту, применяют так жесваи открытого сечения, такие как крестовые и двутвровые сечения, однако применение их не совсем стандартное – крестовые сваи применяют в районах распространения вечной мерзлоты т.к. из-за их малого поперечного сечения они могут быть погружены в мерзлый грунт забивкой без лидерной скважины. При этом погружают их так чтобы верх сваи оказался ниже глубины промерзания (лидер большого сечения на глубину оттаивания) так чтобы морозное пучение на них вообще не действовало. И используют в основном как анкерные сваи для усиления фундаментов, которые уже оказались аварийными из-за выпучивания– цепляют к ним при помощи мощных тяжей усиливаемые сваи чтобы увеличить удерживающую силу. Мера эта правда не всегда работает из-за больших усилий выпучивания – отрываются довольно мощные крепежные детали и элементы.

Схема анкеровки сваи при помощи анкерных свай открытого сечения

Есть разработки многогранных свай с уклоном граней в верхней части и прямолинейные в нижней части. Практического применения пока не встречал, но теоретически конструкция хорошая.

СХЕМА СВАЯ С УКЛОНОМ ГРАНЕЙ

Встречаются так же противопучинные оболочки типа «труба в трубе» — на глубину промерзания устанавливается труба большого сечения и из нее извлекается грунт. Далее на проектную глубину погружается основная свая, а зазор между ней и внешней сваей заполняется непучинистым материалом. Таким образом пучение воздействует только на внешнюю трубу.

9. Заключение

Из мер по снижению касательных сил выпучивания основными (наиболее надежными) являются воздействие на грунт и его характеристики для предотвращения проявления его пучинистых свойств или их полного исключения (замена грунта на непучинистый, снижение влажности грунта, введение противопучинных добавок, недопущение замерзания грунта и др.). Часто полностью гарантированно исключить пучинистые свойства грунта невозможно поэтому такие мероприятия являются частью комплекса мер.

Далее следуют меры по приспособлению фундаментов к воздействию морозного пучения за счет снижения сил смерзания боковых поверхностей фундамента с грунтом (применение покрытий боковых граней фундамента, обратный уклон граней фундамента, уменьшение сечения фундамента в пределах глубины промерзания) или увеличения удерживающих фундамент сил (фундаменты с уширением в нижней части, удлиненные сваи из расчета на пучение).

Любое покрытие боковых поверхностей фундаментов, даже покрытие битумной мастикой снижает силы смерзания с грунтом.

Для достижения наилучшего результата в деле защиты фундаментов от выпучивания следует использовать комплекс мер на основе технико-экономического сравнения вариантов.

Источник