Пучинистые свойства грунтов

Вариантность решения

При одних и тех же грунтовых условиях можно наметить несколько вариантов устройства фундаментов, из которых выбирают оптимальный на основе технико-экономического сравнения вариантов. Для этого рекомендуется:

  • составить эскизы всех реальных вариантов;
  • отбросить наиболее неприемлемые;
  • рассчитать отобранные варианты для наиболее загруженного фундамента;
  • произвести технико-экономическое сравнение вариантов.

Практически вся территория РФ находится в зоне сезонного промерзания грунтов. Большинство строительных площадок, на которых возводятся коттеджи, представлены глинистыми грунтами, мелкими и пылеватыми песками. Такие грунты легко сжимаются, размываются, поднимаются и пучатся при минусовой температуре.

Пучение грунтов обусловлено тем, что, накапливающаяся при промерзании грунта избыточная влага превращается в лед, увеличиваясь в объеме приблизительно на 10%, возникает подъем (пучение) слоев почвы в пределах глубины промерзания. Грунт стремится вытолкнуть фундамент из земли в зимний период и затягивает его при таянии льда весной. Это происходит неравномерно по периметру фундамента и может повлечь за собой его деформацию и разрушение.

Рис. 2.19. Схема образования неравномерных деформаций пучения.

1-поверхность талого грунта; 2-поверхность вспученного грунта; 3-граница промерзания; 4-снег; df-глубина промерзания; hf-величина пучения поверхности грунта.

Силы пучения способны приподнять почти любой коттедж, правда, в разных местах участка с разной интенсивностью (около 12 тс/м2). Исключить влияние этого явления можно только при грамотном исполнении фундамента.

Даже когда грунтовые воды находятся ниже глубины промерзания грунта и не влияют на процесс пучения, оно происходит за счет перераспределения влаги в порах грунта в пределах глубины промерзания и расположенного ниже слоя грунта. Избыточное накопление воды в виде линз льда в верхней зоне промерзания происходит за счет иссушения нижних слоев грунта. Такие грунты, как правило, характеризуются как слабопучинистые.

При близком расположении грунтовых вод к поверхности грунта в течение 3-4 месяцев происходит движение воды к фронту промерзания, который перемещается вниз. Такие грунты в большинстве случаев характеризуются как сильнопучинистые.

На рис.2.20 показаны основные факторы и влияние их на морозное пучение грунта и подземные части зданий.

Рис. 2.20. Влияние основных факторов на морозное пучение грунта и подземные части зданий.

Различают четыре вида воздействия сил пучения на фундамент (рис. 4.3).

Рис. 2.21. Виды силового воздействия сил пучения на фундамент.

Наиболее опасными из них являются две силы (рис. 2.21)

  • нормальные силы пучения, действующие на подошву;
  • касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности фундамента.

Рис. 2.22. Виды воздействия пучинистых грунтов на фундаменты.

а-мелкозаглубленные; б-заглубленные ниже глубины промерзания;

-касательные силы пучения; - нормальные силы пучения; q-погонная нагрузка от надфундаментной части дома; df-глубина промерзания.

С увеличением толщины мерзлого слоя возрастают нормальные силы пучения. Эти силы создают препятствующее их росту напряженно-деформированное состояние подстилающего талого грунта. Взаимодействие этих процессов в конечном итоге и определяет зависимость нормальных сил морозного пучения от формы и размеров подошвы фундамента. С ростом толщины слоя мерзлого грунта влияние ширины подошвы ленточных и площади подошвы столбчатых фундаментов увеличивается. В таблице 2.13 приведено значение нормальных сил пучения (Pf), создаваемое 1 см промерзающего слоя грунта в зависимости от площади подошвы фундамента (А) и степени морозной пучинистости грунта (f).

Таблица 2.13

Значение Pf, создаваемое 1 см промерзающего слоя грунта в МПа (кгс/см2)

Наименование грунта по степени морозной пучинистости При помощи подошвы фундамента А, см2
<=50x50 70x70 100x100 <100x100
Сильнопучинистые 0,006 (0,06) 0,004 (0,04) 0,003 (0,03) 0,002 (0,02)
Среднепучинистые 0,005 (0,05) 0,003 (0,03) 0,002 (0,02) 0,001 (0,01)
Слабопучинистые 0,004 (0,04) 0,002 (0,02) 0,001 (0,01) 0,0005 (0,005)

Возникновение и распределение по боковой поверхности фундаментов касательных сил морозного пучения явление сложное. Прочность смерзания, а следовательно, и касательные силы пучения грунта с различными материалами фундамента зависят от: вида грунта, его влажности и плотности, значений отрицательных температур, интенсивности пучения и глубины промерзания, состояния поверхности фундамента и других факторов (табл. 2.13). Величина удельных касательных сил пучения может увеличиваться до 1,5 раз и более, в зависимости от вида материала и состояния поверхности фундамента.

Таблица 2.14

Значение расчетной удельной касательной силы морозного пучения (Tfh) в зависимости от вида и состояния грунта , степени влажности (Sr) и глубины промерзания (df)

Грунты и степень водонасыщения Значение Tfh, кПа (кгс/см2) при глубине промерзания грунта df, м.
до 1,5 2,5 3 и более
1. Супеси, суглинки, глины при IL> 0,5; крупно­обломочные с пылевато-глинистым заполните­лем, пески мелкие и пылеватые при D > 5 и Sr > 0,95 110(1,1) 90 (0,9) 70 (0,7)
2. Супеси, суглинки, глины при 0,25 < IL < 0,5; крупнообломочные с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые при D > 1 и 0,8 < Sr < 0,95 90 (0,9) 70 (0,7) 55 (0,55)
3. Супеси, суглинки, глины при IL < 0,25; крупно­обломочные с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые при D > 1 и 0,6<Sr<0,8 70 (0,7) 55 (0,55) 40 (0,40)

Примечание: 1. Для промежуточных глубин промерзания значение Tfh принимается по интерполяции;

2. Значение Tfh для грунтов, используемых для обратной засыпки котлованов, принимается по 1-ой строке таблицы;

3. В зависимости от вида поверхности фундамента, приведенные в табл. значения Tfh умножаются на следующие коэффициенты: при гладкой бетонной необработанной - 1; при шероховатой бетонной с выступами и кавернами до 5 мм - 1,1-1,2, до 20 мм - 1,25-1,5; при деревянной антисептированной - 0,9; при металлической без специальной обработки - 0,8;

4. Для зданий и сооружений III класса Tfh - принимается с коэффициентом n2 = 0,9

Суммарная касательная сила морозного пучения зависит от размеров поперечного сечения фундамента и площади боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах пучащегося слоя расчетной глубины сезонного промерзания.

Суммарные силы касательного пучения способны деформировать (приподнимать) даже 2 - 3 - этажные кирпичные здания (Табл. 2.15).

Таблица 2.15

Величина суммарных касательных сил морозного пучения, действующих на фундаменты (Tf)

Конструкция здания Масса здания на 1 п. м. ленточного фундамента кНхМ (ТхМ) Величина суммарных касательных сил морозного пучения Tf, кПа (тс)
Сильнопучинистые грунты (tfn = 100 кПа) Малопучинистые грунты (tfn=60кПа)
При промерзании на df = 1,5 м
С одной стороны С двух сторон С одной стороны С двух сторон
Арболитовые 15.000 (15) 30.000 (30) 9.000 (9) 18.000 (18)
1 - этажные 475 (4,75)
2 - этажные 700 (7,0)
3 - этажные 930 (9,3)
Кирпичные
1 - этажный 660 (6,60)
2 - этажный 1070 (10,7)
3 - этажный 1480 (14,8)

Таким образом, на заглубленные фундаменты в пучинистых грунтах могут действовать значительные суммарные силы морозного пучения, которые всегда оказываются неравномерными. Это приводит к появлению дополнительных усилий в наземных конструкциях и повреждению малонагруженных зданий. Поэтому при проектировании заглубленных фундаментов в пучинистых грунтах необходимо исключить или уменьшить величину этих сил, особенно для малонагруженных зданий и сооружений, и определить - можно ли закладывать фундаменты на большую глубину (d > df).