Универсальный фундамент Технология ТИСЭ — страница 2 из 12

стройщика определенной смелости и уверенности в правильном выборе технологии. Знания об особенностях работы фундаментов разных типов в различных условиях помогут читателю обрести эту уверенность. Для этого автор решил предоставить подробную информацию не только о технологии ТИСЭ, но и о других фундаментах, применяемых в строительстве.

Из опыта

Строил я у себя на участке дом на столбчато–ленточном фундаменте по технологии ТИСЭ. Постоянно общаясь с соседями, убеждал, что это и дешево, и надежно. В этот же сезон наше садовое товарищество решило построить брусовой дом для сторожа. Фундамент — траншея глубиной 1,2 м, залитая бетоном — внушал застройщикам гарантированную уверенность в его надежности. Деревянный домик стоит у дороги на глинистой почве, снеговой покров вокруг него весьма неоднородный. Если мой фундамент после возведения стен двухэтажного каменного дома просел всего на 6…8 мм, то дом сторожа в первую же зиму приподняло со стороны дороги больше чем на 5 см. С каждым годом крен дома будет увеличиваться (рис. 4).

Рис. 4. Заглубленный фундамент под легким домом — крена не избежать

Застройщику обязательно следует разбираться во всем, что касается строительства, и чем подробнее, тем лучше. Это особенно полезно сейчас, при обилии информации о разных технологиях, когда предлагают свои услуги строительные бригады или отдельные строители разного уровня подготовки, когда рынки и магазины завалены пестрым разнообразием всего…

Рис. 5. Затратный метод строительства

Что общего межу медициной и строительством?

В настоящее время в нашей медицине бывает такое: человек заболел, пошел к врачу, заплатил за лечение большие деньги. Врач оказался далеко не отличником, пациента не вылечил и даже не извинился; а деньги ушли на запись к специалисту, покупку ненужных таблеток и на оплату нового этапа лечения. Так что "на врача надейся, но и сам не плошай…"

Так и в строительстве. На каждом его этапе на Вас хотят подзаработать чиновники, архитекторы, проектировщики, строители… Более того, предполагая получать свой процент от Ваших затрат, многие из них стараются сделать строительство как можно более дорогим.

Так что, уважаемые застройщики, не идите на поводу у тех, кто необоснованно предлагает дорогие технологии; постарайтесь во всём сами разобраться. Тогда строители–неотличники не допустят "дорогих" ошибок, не завысят стоимость строительства (рис. 5) и не схалтурят. Не стесняйтесь расспрашивать их о том, что они собираются сделать, почему и почём. Советуем также спросить у них о том, где и что они строили раньше.

ЧАСТЬ I.ФУНДАМЕНТЫ И БЕТОНИРОВАНИЕ. ОБЗОР

ГЛАВА 1.ГРУНТЫ И ОСНОВАНИЯ

При проектировании фундамента застройщик сталкивается с решением двух задач: первая — выбор типа фундамента и определение его параметров (глубина заложения и размеры подошвы); вторая — подбор и расчет сечений конструктивных элементов фундамента. Для решения первой задачи следует разбираться в особенностях различных типов грунта, в разнообразных климатических и гидрогеологических условиях, в устройстве разных видов фундамента. Вторая задача связана с определением напряжений в конструкции и с оценкой деформаций от этих напряжений.

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУНТАХ

Без изучения грунта–основания, на котором будет стоять будущий дом, никак не обойтись. Объективная оценка свойств грунта в различных сезонных условиях — основа для принятия правильного решения.

Для исследования грунта и для оценки гидрогеологических условий, в которых он находится, необходимо провести пробное бурение на глубину ниже границы промерзания на 0,5…0,7 м. Хотя слово "исследование" для индивидуального застройщика звучит пугающе–серьезно, особых затруднений здесь никогда не возникает.

Основная цель такого исследования — оценка. несущей способности грунта, степени его пучинистости и определение уровня грунтовых вод. Дополнительным источником информации для оценки состояния грунта может быть опыт возведения фундамента у соседей.

Если строительство начинается с устройства колодца или с бурения скважины, не пропустите этот интересный момент. Возьмите пробы грунта на глубине 1…1,5…2…2,5 м и проанализируйте их.

Обращаем внимание застройщиков на то, что залегание пластов грунта даже на небольшой площадке может быть неравномерным. Плывун или насыпной грунт, выходы скального грунта или остатки старого фундамента могут иметь неравномерный аномальный характер. Если при рытье колодца на глубине 2,5 м попался плывун, то шурфы на исследование структуры грунта обязательно следует выполнить и на самой строительной площадке. Наличие прослойки плывуна сильно скажется на выборе фундамента.

Какие же существуют грунты?

Скалистые грунты — массивные горные породы с жесткими связями между частицами грунта, залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива. Такие грунты имеют значительную прочность на сжатие и не промерзают. Фундамент на них можно закладывать по поверхности. Небоскребы в Нью–Йорке стоят именно на таких грунтах.

Крупнообломочные (хрящеватые) грунты — состоят из валунов, обломков камней, крупных фракций щебня и гравия в объеме более 50%, не сцементированных между собой. Они практически не сжимаются и являются надежными основаниями. При наличии в крупнообломочном грунте более 40% песчаного заполнителя или более 30% пылевато–глинистого заполнителя от общей массы сухого грунта в наименовании грунта учитывается только мелкая составляющая грунта, т. к. именно она будет определять несущую способность грунта. Подобный грунт будет пучинистым, если мелкая составляющая — глина или мелкий пылеватый песок.

Песчаные грунты — сыпучая смесь зерен кварца и других минералов (образовавшихся в результате выветривания горных пород), содержащая глины менее 3%. Песок по своему зерновому составу, по размеру фракций классифицируется на следующие виды:

— гравелистые пески — если преобладают частицы размером 0,25… 5 мм;

— крупный песок — если преобладают частицы размером 0,25…2 мм;

— песок средней крупности — если преобладают частицы размером 0,1…1 мм;

— мелкие пески — если преобладающие размеры частиц меньше 1…0,1 мм

— пылеватые пески — если в основной массе частицы крупностью 0,05…0,005 мм (табл. 1).

Чем крупнее фракции песка, тем большую нагрузку он может воспринимать.

Гравелистые, крупные и средней крупности пески значительно уплотняются под нагрузкой, незначительно промерзают. Фундамент можно закладывать ленточный на глубину 0,4…0,7 м или столбчато–ленточный.

Таблица 1, Классификация грунтов по гранулометрическому составу

Песок мелкий и пылеватый имеет невысокую прочность, хорошо задерживает влагу, основание из такого песка может испытывать просадку, продолжающуюся многие годы. При высоком уровне грунтовых вод фундамент закладывают на глубину промерзания.

Глинистые грунты состоят из очень мелких частиц — меньше 0,005 мм, имеющих обычно чешуйчатую форму. В отличие от песчаных грунтов, глины имеют большую поверхность частиц, вбирающих влагу.

Глинистые грунты способны сжиматься, размываться, а замерзая — вспучиваться, увеличиваясь в объеме. Степень пучения сильно зависит от влажности грунта, а следовательно, от степени её пористости. Толщина слоя неуплотненной влажной глины при промерзании может увеличиваться на 10…15%. Уплотненная глина — слабопучинистая.

В зависимости от количества песка глинистые грунты делятся на глину, суглинок и супесь (табл. 2).

Таблица 2. Классификация грунтов по содержанию пылевато–глинистых частиц

Чтобы определить процентное соотношение между глиной и песком в грунте, достаточно его образец поместить в банку с водой и тщательно взболтать до той степени, когда все частицы глины окажутся во взвешенном состоянии. После отстоя взвеси в течение некоторого времени вы увидите её расслоение (рис. 6). Песок окажется внизу, а частицы глины осядут сверху. Процентное соотношение между песком и глиной несложно оценить замером толщины слоев простой линейкой.

Рис. 6. Определение состава глины через её расслоение

Оценить тип глинистого грунта можно также на ощупь, растирая в ладони, скатывая шнур или сдавливая пальцами скатанный шарик (рис. 7) или по табл. 3.

Рис. 7. Определение состава глины через сдавливание скатанного шарика: А — глина; Б — суглинок; В — супесь

Кроме состава глинистых грунтов следует оценить их пористость и влажность, оказывающих влияние на несущую способность глины. Пористый увлажненный грунт — пластичный, с низкой несущей способностью. Плотный же грунт, в объеме которого влаги мало, способен воспринимать достаточно большие нагрузки. Этот фактор может быть использован при оценке несущей способности основания под столбчатым фундаментом, под подошвой которого грунт сильно уплотняется.

Пластичность глинистых грунтов можно оценить при разработке грунта лопатой. Если при сбросе грунт рассыпается на мелкие куски, то он твердый; если липнет к лопате, то он мягко- или текучепластичной консистенции.

Пылевато–глинистые грунты способны испытывать деформации, продолжающиеся многие годы. В этом классе грунтов следует особо выделить наносные, осадочные, илистые, просадочные и набухающие.

Наносные и осадочные грунты образовались там, где в далеком прошлом были реки, озера или моря. Этот тип грунтов, кроме грунтов лёссовых (илистых), может быть использован в качестве основания.

Таблица 3. Оценка типа глинистого грунта

Илистые грунты, возникшие как осадок микробиологических процессов и иных наслоений, весьма непредсказуемы, и их использование в качестве оснований под фундамент требует специального рассмотрения из‑за невысокой прочности.

Просадочные грунты — под действием внешних нагрузок или собственного веса дают значительную осадку (просадку). Этим свойством обладают лёссы и лёссовидные грунты. Такие грунты содержат более 50% пылевидных частиц и незначительное количество глинистых и известковых частиц. В необводненном состоянии имеют высокую пористость (до 40%) и прочность, обусловленную сильными струк–турными связями. При увлажнении структурные связи ослабевают, происходит значительная просадка с уменьшением пористости и изменением структуры грунта. На лёсс вообще нельзя ставить фундамент, т. к. при попадании влаги он размокает и превращается в жижу, полностью теряя прочность.

Набухающие грунты (пористая глина) впитывают в себя влагу и разбухают, а при замерзании еще более увеличиваются в объеме. При снижении влажности их объем уменьшается. Примерами подобных грунтов могут служить такыры — фрагменты поверхности пустыни, придающие ей изрезанную трещинами структуру. Основания, сложенные такими грунтами, рассчитывают по специальной методике, а сами фундаменты выполняются с определенными конструктивными особенностями.

Торфянистые грунты и пылеватые пески во влажном состоянии превращаются в плывун. Для создания основания под фундамент используют различные приемы. Например, грунт вынимают на глубину пористого слоя и закладывают дренирующие подушки из крупного песка, гравия высотой 0,5….1 м, а на них уже опирают фундамент. Иногда применяют сваи, погружая их в твердый подстилающий слой грунта. Существуют и иные методы создания основания на подобных грунтах.

Насыпные грунты возникают в результате перемещения почвы или на месте бывших построек. Слежавшиеся в течение более 3–х лет грунты, особенно пески, перемешанные со щебнем, гравием и другими включениями (кроме древесных отходов и бытового мусора) могут служить основанием под фундамент без специальной подготовки. Грунты, насыпанные менее чем 3 года назад, следует пролить водой, уплотнить, втрамбовывая в них камень или щебень. Насыпные грунты имеют большую степень неоднородности. Наличие в грунте различных органических и неорганических материалов существенно усложняет использование насыпного грунта в качестве основания. Это следует учитывать и при подготовке основания и при выборе той или иной конструкции фундамента.

Вечномерзлые грунты занимают большие площади северных территорий России. Вечномерзлые грунты характеризуются наличием в порах воды, которая находится в замерзшем состоянии. Прогрев почвы вызывает его оттаивание, приводящее к разупрочнению и осадке грунта. Фундамент на них сооружают, как на лёссовых и торфяных грунтах, например, в виде набивных свай, с защитой грунта от его прогрева и оттаивания. Подобные сваи, вмороженные в грунт, способны выдерживать большие нагрузки.

Засоленные грунты включают солевые фракции. При длительной фильтрации воды в результате выщелачивания солевые фракции уходят, уменьшая объем грунта и вызывая его просадку. Кроме того, возникшая химически агрессивная среда может оказать вредное влияние на подземные конструкции, сооружения, вызвать химическое разрушение бетонных конструкций.

1.2. ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ

Грунтовые воды — это подземные воды первого от поверхности земли постоянного водоносного горизонта. Они образуются за счет насыщения атмосферными осадками, водами рек и озер, притоком поверхностных вод. Из всех видов грунтовых вод особое место занимает так называемая "верховодка" — сезонное скопление вод в верхнем водонасыщенном слое грунта над водоупорными глинистыми или суглинистыми породами (рис. 8).

Рис. 8. Схема грунтовых вод: 1 — водонасыщенный слой; 2 — водонепроницаемый грунт; 3 — водонесущий слой; 4 — осадки

Уровень грунтовых вод определяется весной, когда он наиболее высокий, когда таяние снега, выпадавшего всю зиму, происходит очень интенсивно. Высокий уровень грунтовых вод может возникнуть и осенью, во время затяжных дождей. Уровень грунтовых вод определяется замером расстояния от поверхности грунта до зеркала воды в ближайших колодцах или в скважинах.

В отличие от верховодки, в толще грунта, значительно глубже, существуют водоносные слои (межпластовые воды), до которых доходят при рытье колодцев. Водоносные слои располагаются между непроницаемыми пластами, и при бурении скважины на воду их может быть несколько. Те, кто занимается водоснабжением участков, знают, что качество и состав воды, а также мощность водоносных слоев на разных глубинах могут сильно отличаться друг от друга. В отдельных случаях, когда подпор воды в водоносных слоях большой, то на поверхность она выходит в виде ключей, питающих верхний водонасыщенный слой грунта.

На заметку застройщику

В зависимости от уровня межпластовых вод пучинистые явления проявляются в течение сезона в разной степени. Если водонасыщенные слои находятся высоко, то пучинистые явления проявляются и зимой, и весной. В этом случае низкие зимние температуры и повышенная влажность грунта усилят пучение грунта. Если же грунтовые воды залегают глубоко, то увлажнение верхних слоев грунта "верховодкой" возникнет только при таянии снега весной, когда температура воздуха не такая низкая, как зимой. При таких условиях пучение грунта не будет столь значительным.

Те, кто занимается строительством, в большей степени интересуются именно верховодкой. Высокий уровень грунтовых вод — весьма нежелательная характеристика грунта. Это ограничивает возможности застройщиков в выборе фундамента, в принятии решения о наличии подвала или цокольного этажа, в назначении сроков начала строительства. Устройство погреба и септика канализационной системы также напрямую связаны с уровнем грунтовых вод.

Дорожная распутица — извечная проблема российских дорог — в большей степени также обязана верховодке.

Высокий уровень грунтовых вод мешает и обустройству участка, его озеленению. Грядки приходится поднимать, фруктовые деревья — высаживать на возвышении.

Высокий уровень грунтовых вод мешает строительству и эксплуатации сооружений. Если подошва фундамента находится ниже уровня грунтовых вод, то в процессе выемки грунта он начинает размываться, теряя свою несущую способность. При высоком уровне грунтовых вод кессоны погребов или подвалов загружаются силами гидростатического давления, и весьма значительными. От этих сил стенки и под кессонов могут разрушиться, потеряв свою герметичность. Кроме того, если вода в грунте стоит высоко, то Архимедовы выталкивающие силы могут поднять герметичный кессон погреба, особенно, если он легкий.

Как возникают грунтовые воды, какова геология (гидрогеология) их появления?

Об осадках, о появлении воды в грунте всем всё ясно и понятно. Но как возникает расслоение глинистого грунта? Главный зодчий такого процесса — пучение грунта. Верхние увлажненные слои глинистого грунта (выше границы промерзания) в процессе промерзания увеличиваются в объеме до 10%. Весной этот слой оттаивает, становясь пористым. Грунт ниже границы промерзания уплотняется десятки и сотни лет весьма сильно, становясь водонепроницаемым. Неравномерность промерзания грунта значительно усиливает уплотнение грунта (см. раздел "Динамика пучинистых явлений"). Именно поэтому возникли водоупорный и водонасыщенный слои и сама верховодка.

Ближе к лету верховодка уходит или через структуру грунта — вниз, сквозь водоупорный слой, либо — по уклону водоупорного слоя. Часть влаги поднимается и уходит через растительный слой, испаряясь и насыщая растительность влагой. В тех местах, где грунтовые воды залегают неглубоко, как правило, зеленая растительность бывает сочнее и ярче, чем в других местах. Строители, стремящиеся начать строительство как можно раньше, пытаются побыстрее освободить грунт от верховодки. В отличие от строителей, хлеборобы, заинтересованные в том, чтобы верховодка как можно дольше сохранялась в верхнем водонасыщенном слое, делают снегозадержание, собирая снег в высокие гряды, которые тают значительно дольше, чем ровный снеговой наст.

Если грунт песчаный, то проблем с верховодкой не возникнет — её просто не существует. Другое дело, если дом строится на низком берегу реки или водохранилища. Тогда и песчаный грунт не поможет. Вам придется считаться с законом сообщающихся сосудов, который создаст под домом уровень грунтовых вод, соответствующий уровню водоема.

Как бороться с высоким уровнем грунтовых вод, как увести их подальше от своего участка и дома?

Дренаж, дренаж и еще раз — дренаж

Да, только дренаж может спасти наш участок от верховодки. Существует несколько способов его устройства, зависящих от геологии и рельефа местности, а также от тех задач, которые стоят перед застройщиком (дренаж постоянный или на время строительства).

Дренажная система, как правило, закладывается уже при централизованном обустройстве участков застройки. Она выполняется одновременно с укладкой дорожного полотна. Традиционная централизованная дренажная система сел, деревень и дачных поселков включает кюветы, проложенные вдоль дорог, и связанные с ними дренажные канавы, проходящие по границам участков (рис. 9).

Рис. 9. Выход дренажа с участка в дорожный кювет: 1 — дорожное полотно; 2 — кювет; 3 — дренаж участка

Организация подобной дренажной системы тщательно прорабатывается и привязывается к рельефу местности. Скрупулезно выполненная топография места застройки даст возможность создать эффективную дренажную систему, что особенно важно при застройке на равнинной местности. Следует заметить, что основные дренажные каналы стараются ориентировать поперек склона, чтобы лучше перехватывать естественный сток осадков или паводковых вод. Если эти каналы ориентировать вдоль склонов, то со временем от летних ливней и весеннего снеготаяния они превратятся в промоину, а потом — и в овраг, да и отвод верховодки с участков не будет столь эффективным.

При прокладке дренажа необходимо обеспечить уклон в сторону понижения не более чем 1:2000 (на 10 м — 5 см). В придорожный кювет выход дренажной системы с участка должен быть выше не менее чем на 15 см от дна траншеи. Там, где ширина дороги не позволяет располагать кювет, приходится водосток загонять в дренажную трубу. Диаметр придорожных дренажных труб должен быть не менее 20 см.

Через 20…25 м подобная закрытая дренажная система должна иметь смотровые колодцы, через которые можно выполнять профилактическую чистку дренажа.

Дренажная система непосредственно на участке выполняется силами застройщика. Она сводится к созданию дренажных каналов (дрены), собирающих верховодку участка и направляющих её в придорожные кюветы. Конструктивно дрены выполняют в виде водоотводов открытого типа (траншеи, лотки) (рис. 10, а, б) или закрытого типа (трубы, связки прутьев, гравийно–песчаный фильтр) (рис. 10, в, г, д).

Рис. 10. Дренажные каналы участка: А — канава; Б — желоб; В — труба; Г — ветки; Д — щебень; 1 — труба с пропилами или отверстиями; 2 — щебень; 3 — гидроизоляция; 4 — песок; 5 — связка веток и сучьев; 6 — жесткие строительные отходы; 7 — желоб; 8 — дерн

Устройство открытых дрен проще, их легче эксплуатировать, но они мешают при обустройстве участка, сокращают полезную площадь земли. Тем не менее, это наиболее распространенный вариант дренажа. Глубина дрен определяется топографией участка и согласуется с глубиной придорожного кювета. Для создания необходимого уклона дренажные каналы можно выполнить с применением гидроуровня (резиновый шланг с водой и с прозрачными трубочками на концах). Рытье траншей на участке начинают от придорожного кювета, вверх по уклону. Если эту работу проводить в обратном направлении, то присутствие воды в траншеях будет сильной помехой. Дно каналов, чтобы их не размывало, желательно проложить лепешками жирной глины и внедрить в неё щебень или гравий. На строительном рынке для этой цели реализуются готовые желоба, выполненные из бетона или пластика, которые сверху могут быть закрыты специальной решеткой.

Дрены закрытого типа незаметны на участке, но срок их службы ограничен: они относительно быстро заиливаются. В качестве элементов закрытой дренажной системы можно использовать различные материалы, уложенные в щебень или крупный песок:

— асбоцементные трубы 10…15 см в диаметре, у которых снизу сверлят отверстия диаметром 10… 15 мм (на метр длины — 20 отверстий), или делают пазы шириной около 7…10 мм на треть окружности с шагом 10…15 см;

— ветки, прутья и сучья без листвы, уложенные в траншею слоем в 30…40 см;

— жесткие строительные отходы (штукатурка, кирпичный бой, остатки раствора). Чтобы заиливание дренирующих элементов происходило не так быстро, сверху и сбоку их отделяют от грунта прочной гидроизоляцией (толь, рубероид, отслуживший линолеум…). Гидроизоляцию прижимают слоем песка, на который укладывают дерн. В настоящее время на строительном рынке появились пластиковые трубы из ПВХ диаметром 50… 120 мм специально для устройства дренажа. Они выполнены гофрированными и поставляются в бухтах. Снаружи эти трубы могут иметь оболочку из нетканого водопроницаемого материала.

Отвод дренируемой воды с участка может выполняться не только в кювет, но и в овраг, в искусственный или естественный водоём или в колодец. Если на участке создается водосборный бассейн, то в некоторых случаях, при удачной геологии места, под водоупорным слоем может оказаться водонесущий слой, куда можно отводить верховодку. Для этой цели на участке устраивают колодец или бурят скважины диаметром 25…30 см до этого водоносного слоя и засыпают их щебнем (рис. 11, а). Расстояние между скважинами — около 15…20 м. Как правило, подобные удачные участки находятся на некотором возвышении.

Если же участок находится во впадине, то возможно, что из пробуренной скважины ударит ключ, и воды на участке только прибавится (рис. 11,6). Тогда скважину придется тщательно забить жирной глиной и больше о таком способе понижения грунтовых вод не думать.

Рис. 11. Варианты связи верховодки с водонесущим слоем: А — дренаж; Б — ключ; 1 — водонасыщенный слой; 2 — водоупорный слой; 3 — водонесущий слой; 4 — скважина; 5 — водяной поток

Эх. дороги…

Коснувшись верховодки, нельзя не упомянуть о дорогах, на которые она воздействует весьма агрессивно.

Устройство дороги на глинистой или суглинистой почве приходится выполнять с оглядкой на грунтовые воды. Если грунт песчаный, то его только выравнивают и утрамбовывают. В остальных случаях проводят специальную подготовку. Чтобы вода не задерживалась на грунте, дорожкам и дорогам придают выпуклую форму или уклон в 2…3%. По обе стороны дороги роют кюветы–каналы с уклоном в сторону водоотвода. Располагают кюветы на расстоянии 40…50 см от дорог, их глубина — не менее 70 см от планируемого уровня полотна дороги.

Подготовка дорожек предполагает укладку и уплотнение грунта, извлеченного при рытье кюветов. Глинистый слой на дороге должен быть уложен с уклонами в сторону кюветов. Это требуется для того, чтобы дождевая вода, просочившись сквозь песок и щебень дорожного полотна, не застаивалась на глине, уменьшая её прочность, а уходила бы в кювет. После этого насыпают слой крупного гравия или щебня толщиной 7… 10 см, трамбуют и насыпают слой более мелкого гравия или щебня толщиной около 5…7 см, трамбуют его, а на него — слой песка толщиной 2…5 см, который также трамбуют.

Следует заметить, что если при весенней или осенней распутице по дороге проедет тяжелая машина, то она через слои гравия и песка продавит увлажненную глину. После этого в глинистом слое дороги образуется яма, которая даже после засыпки её щебнем не исчезнет. От дождей в ней всегда будет стоять лужа, которая всё время будет провоцировать продавливание дороги в этом месте. Со временем дорога может превратиться в классическое бездорожье. К такому же результату придет дорога, если кювет будет слабо справляться со своими дренирующими функциями, если он обмельчает или будет засорен, отчего уровень грунтовых вод поднимется и несущая способность дорожной глины также упадет.

Исходя из последнего замечания, можно предложить и технологию ремонта: выбрать до глины подсыпку, углубить кюветы (глиной заполнить яму) и восстановить щебеночные и песчаные слои дороги, но с меньшей толщиной (рис. 12).

Рис. 12. Состояние дороги: А — начало эксплуатации; Б — через 50 лет; В — после восстановления; 1 — песок + щебнь; 2 — кювет; 3 — начальный уровень дорожного полотна; 4 — уровень грунтовых вод; 5 — песок + щебень+ глина

На российском рынке стройматериалов появился нетканый материал из спрессованных пенопропиленовых волокон (геотекстиль), который эффективно работает как разделитель слоев дорожной подготовки. Этот рулонный материал укладывается на грунт, под щебеночный слой. Его высокая прочность и стойкость к различным климатическим крайностям существенно продлевают срок службы дорожного покрытия.

Из дачной жизни

Дачному поселку больше полувека. Наги участок расположен у центральной дороги, которая после дождя без сапог трудно проходима. Кубометры щебня, маскирующие ямы, спасали ненадолго и тонули в толще сырой глины безвозвратно.

Разобравшись в причине такого состояния дорог, принялся за расчистку кювета и за восстановление дренажной системы вдоль своего участка. Тогда, представьте, нашёлся знаток мелиорации, который по ночам устраивал запруды в дренажной системе (не хотел, чтобы мимо его участка текла вода соседей, которые расположены выше по течению). Простые объяснения физики устройства дренажа и причин плохого состояния дороги еле–еле были услышаны.

1.3. РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТА

Приступая к выбору фундамента, следует определиться с терминами и параметрами, характеризующими сам фундамент и грунт–основание под ним (рис. 13, а).

Рис. 13. Схема фундамента и основания: А — без подсыпки грунта; Б — с подсыпкой грунта; 1 — фундамент; 2 — граница промерзания грунта; 3 — уровень грунтовых вод; 4 — сжимаемая толща грунта; 5 — насыпной грунт

Фундамент — это подземная часть здания, которая предназначена для передачи нагрузки от здания на грунт, залегающий на определенной глубине и являющийся основанием фундамента.

Глубина заложения фундамента (Нf) — расстояние от подошвы фундамента до поверхности земли.

Подстилающий слой грунта (основание) — слой грунта, на который опирается подошва фундамента.

Расчетная глубина промерзания (hi) — положение границы промерзания относительно уровня грунта, принятое в качестве расчетной величины, узаконенной нормативными документами (нормами СНиП).

Вопрос застройщика

Если вокруг дома сделана подсыпка, то из чего следует исходить при назначении глубины заложения фундамента?

Разумеется, грунт будет промерзать с учетом подсыпанного грунта. Поэтому и глубину заложения фундамента в этом случае следует определять от поверхности подсыпки (рис. 13, б).

Глубина промерзания в большей степени определяется климатическими условиями данного региона и соответствует наибольшей величине промерзания влажного глинистого грунта без снегового покрова в период наиболее низких возможных температур. В пределах Европейской и Сибирской части России граница промерзания меняется в широком диапазоне (рис. 14).

Рис. 14. Карта расчетной глубины промерзания глинистых и суглинистых грунтов части Российской Федерации.

Глубина промерзания по городам России и ближнего зарубежья:

70 см — Краснодар, Калининград, Львов.

90 см — Ростов–на–Дону, Астрахань, Киев, Минск, Рига.

100 см — Таллинн, Харьков, Вильнюс.

120 см — Великие Луки, Волгоград, Курск, Псков, Смоленск.

140 см — Воронеж, Тверь, Санкт–Петербург, Москва, Новгород.

150 см — Вологда, Нижний Новгород, Кострома, Пенза, Саратов.

170 см — Ижевск, Казань, Котлас, Самара, Вятка, Ульяновск, Ярославль, Иваново.

180 см — Уфа, Караганда, Актюбинск.

190 см — Екатеринбург, Челябинск, Сыктывкар, Пермь.

210 см — Тобольск, Кустанай, Барнаул.

220 см — Омск, Новосибирск.

Это следует учитывать

— при постоянном проживании грунт под домом зимой прогревается и расчетную глубину промерзания можно уменьшить на 15…20%;

— для мелких и пылеватых песков и супесей значение глубины промерзания следует увеличить в 1,2 раза.

Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Но на то она и расчетная, чтобы избежать возможных разрушений дома при самых неудачных стечениях обстоятельств, предложенных погодой.

Всемирное потепление и глубина промерзания

Застройщики, решившие учесть общее потепление климата и на этом основании смягчить требования к заглублению фундамента и к утеплению стен, не совсем правы.

Крещенские морозы, накрывшие всю территорию России в январе 2006 г., держали температуру на 15…20°С ниже среднестатистической отметки, напрягая энергетиков и владельцев частных домов.

Технология ТИСЭ возведения столбчато–ленточного фундамента и трехслойных стен без "мостков холода" дает возможность сохранить высокие эксплуатационные характеристики индивидуального жилья в подобных климатических условиях.

Уровень грунтовых вод (hw) — положение зеркала грунтовых вод относительно уровня грунта в условно отрытом котловане (скважине).

Сжимаемая толща грунта — деформируемая часть грунта, воспринимающая нагрузку от фундамента.

Очевидно, что чем меньше глубина заложения фундамента, тем меньше стоимость строительства. Желание снизить затраты на возведение фундамента ведет к стремлению поднять подошву фундамента к поверхности грунта. Вместе с тем верхние слои грунта не всегда могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к основанию сооружения: они имеют недостаточную и неравномерную прочность, подвержены пучинистым явлениям, чем способны вызвать разрушение фундамента и самого строения.

Проектирование фундамента связано не только с выбором его конструкции и глубины заложения, но и с определением его геометрических параметров, главным из которых является площадь подошвы фундамента. Именно этот параметр окажет решающее влияние на "поведение" строения в процессе его эксплуатации. Недостаточная площадь опоры приведет к недопустимой просадке сооружения, а неравномерность просадки под ним — к разрушению возведенного строения. Излишне большая площадь подошвы напрямую ведет к увеличению расхода материалов и затрат, расходуемых на возведение фундамента.

Определиться с требуемой площадью подошвы фундамента можно через проведение проектировочных расчетов. В строительной практике предусмотрено выполнение расчетов фундамента по двум группам предельных состояний: по несущей способности основания и по допустимым деформациям сооружений. Если первый расчет позволяет определить площадь подошвы фундамента, то второй даст возможность избежать разрушения самого дома от неравномерности в осадке фундамента.

Расчет фундамента по несущей способности основания (информация для любознательных застройщиков)

Целью расчета оснований по несущей способности является оценка прочности и устойчивости грунта–основания под подошвой фундамента от воздействия эксплуатационных нагрузок.

Восприятие нагрузки фундаментом сопровождается его осадкой, которая обусловлена уплотнением грунта и потерей его устойчивости, характеризуемой деформационными сдвигами слоев. Величина осадки (δ) зависит не только от прочностных характеристик грунта, но и от значения прилагаемого усилия (F) (рис. 15), как у пружины, величина сжатия которой зависит от её жесткости и от приложенной силы.

Рис. 15. График зависимости осадки фундамента от нагрузки

На графике можно выделить типичные участки, характеризующие деформационно–напряженные процессы, проходящие в основании и сопровождающиеся перемещением и уплотнением грунта (рис. 16):

OA — фаза упругих деформаций (рис. 16, а);

АБ — фаза уплотнения и местных сдвигов (рис. 16, б);

БВ — фаза сдвигов и начало бокового уплотнения (рис. 16, в);

ВГ — фаза выпора (рис. 16, г);

ГД — фаза преобладающего бокового уплотнения (рис. 16, д).

Рис. 16. Схема развития деформаций и перемещений грунта: А — фаза упругих деформаций; Б — фаза уплотнения и местных сдвигов; В — фаза развития сдвигов и начало бокового уплотнения; Г — фаза выпора; Д — фаза преобладающего бокового уплотнения; 1 — нагрузка; 2 — фундамент; 3 — зона упругих деформаций; 4 — зона сдвиговых деформаций; 5 — выпор грунта; 6 — ядро уплотненного грунта; 7 — зона бокового уплотнения

Наиболее востребованные фазы работы основания, которые используются в условиях строительства — OA, АБ и начальная часть фазы БВ, где преобладающими являются упругие деформации основания. Каждому типу фундамента соответствует своя фаза деформаций:

OA — для фундамента в виде плит, где давление на грунт невелико;

АБ — ленточный мелкозаглубленный фундамент;

АБ (конец) и БВ — столбчатый фундамент.

Остальные фазы работы основания (ГД) реализуются в основном при создании свайных фундаментов, применяемых в индустриальном строительстве (забивные сваи).

При возведении столбчато–ленточного фундамента по технологии ТИСЭ уровень напряжений в основании достаточно высок: задействуются вторая половина фазы АБ, фаза БВ и даже ВГ. Работа основания в широком диапазоне упругих деформаций обеспечивает "мягкое" восприятие нагрузки от веса возведенного строения.

Расчет оснований по несущей способности (для фаз OA, АБ, начало БВ) выполняют через определение требуемой площади подошвы фундамента по следующей формуле:

S>γ_nF/γ_cR_o, где

S — площадь подошвы фундамента (см²);

F — расчетная нагрузка на основание (общий вес дома, в том числе фундамент, полезная нагрузка, снеговой покров…) (кг);

γ_n = 1,2 — коэффициент надежности;

γ_c— коэффициент условий работы имеет следующие величины:

1.0 — глина пластичная, сооружение жесткой конструкции (каменные стены);

1.1 — глина пластичная, сооружения нежесткой конструкции (деревянные или каркасные стены) и жесткой конструкции длинные, с соотношением длины к высоте больше 4;

1.2 — глина слабопластичная, пески пылеватые маловлажные, строения нежесткие и жесткие короткие с соотношением длины к высоте меньше 1,5;

1.2 — крупный песок, строения жесткие длинные;

1.3 — пески мелкие, сооружения любой жесткости;

1.4 — крупный песок, сооружения нежесткие и жесткие длинные;

R_o — условное расчетное сопротивление грунта основания для фундаментов

с глубиной заложения 1,5…2 м (определяется по таблицам 4…8).

Таблица4.Расчетные сопротивленияR_oкрупнообломочных грунтов

Таблица5.Расчетные сопротивленияR_Qпесчаных грунтов

Таблица6.Расчетные сопротивленияR_Qнепросадочных глинистых грунтов

Расчетное сопротивление глинистых грунтов и его влажность существенно зависят от пористости грунта ε (отношение объема пор к объему твердых частиц). Для новичка в строительстве этот показатель оценить в реальных условиях достаточно сложно, т. к. извлеченный грунт в свободном состоянии уже не обладает теми показателями, какие он имел на глубине, находясь под давлением.

Автором предложено связать пористость, а следовательно, и несущую способность грунта с глубиной его заложения в зависимости от того, по какую сторону границы промерзания находится подошва фундамента.

Любой грунт при увлажнении проседает и уплотняется. В процессе своего существования пучинистый грунт, расположенный ниже глубины промерзания, уплотняется до состояния "дальше некуда". Ничто не меняет это состояние в течение многих и многих десятков и сотен лет. В то же время грунт, находящийся выше глубины промерзания, постоянно насыщается влагой и при сезонном промораживании увеличивается в объеме. Влага, находящаяся в порах, увеличивает объем этих пор на 10%. Таким образом, грунт, находящийся выше границы промерзания, ежегодно "встряхивается", становясь пористым. Глинистый грунт, находящийся ниже глубины промерзания, обладает минимальной (ε = 0,3) пористостью и максимальной прочностью.

Просадочные глинистые грунты в сухом состоянии имеют повышенную пористость и вместе с тем обладают высокой механической прочностью, обусловленной сильными структурными связями (табл. 7).

Таблица 7. Расчетные сопротивленияR_Qпросадочных глинистых грунтов природного сложения

Таблица 8. Расчетные сопротивленияR_Qнасыпных грунтов

После механического уплотнения просадочных грунтов природного сложения (трамбование) происходит разрушение жесткого каркаса и потеря прочности:

— прочность сухой супеси — 2,0…2,5 кг/см²;

— прочность сухого суглинка — 2,5…3,0 кг/см².

Большему значению расчетного сопротивления насыпных грунтов соответствуют крупные, средние и мелкие пески, шлаки…

Меньшему значению — пески пылеватые, супеси, суглинки, глины и золы.

Пример расчета фундамента по несущей способности грунта

Жилой каменный дом 7x8 м в два этажа имеет одну внутреннюю несущую стену. Вес дома с учетом снегового покрова и полезной нагрузки — около 180 т. Фундамент — заглубленный. Грунт — суглинок увлажненный (несущая способность 3,5 кг/см²)

Площадь подошвы фундамента определяется по формуле:

S>γ_nF/γ_cR_o,где

F=180000кг

γ_c=1,0

R₀=3,5кг/см?

S>1,2*180000/1,0*3,5=61800см²=6,18м*

При общей длине фундамента — около 35 м ширина подошвы фундамента должна быть не менее 6,18 / 35 = 0,18 м.

Влияние сейсмичности на несущую способность грунта

Задаваясь той или иной величиной расчетного сопротивления грунта, следует учитывать, что при одновременном воздействии статической нагрузки и вибраций прочность грунта снижается. Грунт, как говорят специалисты, приобретает свойства псевдожидкого состояния.

Индивидуальные застройщики, решившие возводить сейсмостойкий фундамент своими силами, должны учитывать уменьшение несущей способности грунта при сейсмических вибрациях. Ориентировочно табличную величину расчетного сопротивления грунта необходимо уменьшить в 1,5 раза, т. е увеличить площадь подошвы фундамента тоже в 1,5 раза.

Расчетное сопротивление грунта на разной глубине

Величины расчетного сопротивления грунтов (R_o), приведенные в таблицах 4..8 даны для глубины заложения фундамента 1,5…2 м.

Если глубина заложения фундамента меньше чем 1.5 м. то расчетное сопротивление грунта (Rh) определяется по формуле:

Rh = 0,005R_o(100 +h/3), где

h — глубина заложения фундамента в см.

Пример 1.

Глинистый грунт на глубине 0,5 м при Ro=4 кг/см²будет иметь расчетное сопротивление грунта Rh = 2,33 кг/см².

Если глубина заложения фундамента больше чем 2 м. то расчетное сопротивление грунта (Rh) определяется по формуле:

Rh = R_o+ kg*(h — 200), где

h — глубина заложения фундамента в см,

g— вес столба грунта, расположенного выше глубины заложения фундамента (кг/см²);

к— коэффициент грунта (для песка — 0,25; для супеси и суглинка — 0,20; для глины — 0,15).

Пример 2.

Глинистый грунт на глубине 3 м при Ro=4 кг/см²будет иметь расчетное сопротивление Rh = 10,3 кг/см². Удельный вес глины — 1,4 кг/см², а вес столба глины высотой 300 см — 0,42 кг/см².

Максимальные величины расчетного сопротивления грунтов

Для того чтобы глубже понять работу оснований, полезно было бы узнать максимальные величины расчетного сопротивления грунтов, которые встречаются в реальной жизни. Такие экстремальные параметры грунта могут возникнуть только при максимальном его уплотнении, например, под нижним концом забивных свай.

Значения расчетного сопротивления сильно уплотненных грунтов Ro (пески гравелистые, крупные, средние, мелкие и пылеватые, пылевато–глинистые грунты) зависят от глубины погружения нижнего конца свай [3]:

— на глубине 3 м увеличение — в 10 раз;

— на глубине 20 м увеличение — в 15 раз;

— на глубине 35 м увеличение — в 20 раз.

Такое внушительное увеличение несущей способности грунта связано с уплотнение грунта не только непосредственно под сваей, но и вокруг неё (рис. 16, д).

Эти данные приведены не для того, чтобы их напрямую использовать при расчете фундамента, т. к. такое значительное увеличение расчетного сопротивления грунтов связано с их сильным уплотнением и значительными деформациями основания. Но вместе с тем, это дает застройщику определенную уверенность в том, что созданный им фундамент выдержит вес задуманного сооружения: грунт не подведет. Главное в этом — сделать грамотно все остальное: фундамент и стены.

На заметку застройщику

Фундаменту возводимый по технологии ТИСЭ, дает возможность просесть дому на 8… 10 см. В реальной жизни просадка фундамента — не более 1 см. Если это учитывать, то величину расчетного сопротивления грунта можно несколько увеличить (предположительно в 1,5 раза) или использовать этот довод для создания определенного запаса по несущей способности основания.

Расчет фундамента по допустимым деформациям сооружения

Целью расчета фундамента по этой методике является оценка соответствия действующего и допустимого уровней деформаций сооружения от воздействия эксплуатационных нагрузок.

В гибких и жестких конструкциях неравномерность осадки вызывает деформации строений или ведет к изменению их положения (рис. 17), что может вызвать ухудшение условий эксплуатации здания или его оборудования. Кроме этого, при больших деформациях конструкция сооружения может испытывать закритические напряжения, ведущие к его разрушению.

Рис. 17. Формы деформаций сооружений: А — прогиб; Б — выгиб; В — сдвиг; Г — крен; Д — перекос; Е — горизонтальное смещение

Правильно спроектированный фундамент предполагает осадки и деформации строения, но величина их не должна превышать строительные нормы, гарантирующие полноценную эксплуатацию здания.

Виды деформаций сооружений.

Прогиб и выгиб(рис. 17, а, б) зданий возникает из‑за неравномерной осадки основания. Наиболее опасная растянутая зона строений при прогибе находится у фундамента, при выгибе — у кровли.

Сдвиг(рис. 17, в) зданий возникает при увеличенной просадке основания с одной из сторон. Наиболее опасная зона строения — стена в средней зоне, где возникает большой сдвиг.

Крен(рис. 17, г) здания возникает при относительно большой его высоте (многоэтажный дом, башня, дымовая труба…), при высокой изгибной жесткости строения. Опасен дальнейший рост крена и последующее разрушение здания.

Перекос(рис. 17, д) возникает при неравномерных осадках, приходящихся на небольшой участок длинного сооружения.

Горизонтальное смещение(рис. 17, е) возникает в фундаментах, в стенах подвалов или в подпорных стенках, загруженных горизонтальными усилиями.

Допускаемая величина осадки и крена сооружений

Допускаемая величина осадки, неравномерности в осадке и крена зависят от типа здания, его силовой схемы и используемых материалов.

Величина допустимых деформаций приведена в таблице 9.

Таблица 9. Предельные деформации оснований

Относительная неравномерность осадки (σ/L)— максимальное отношение разности в осадке двух участков фундамента к расстоянию между этими участками. По–другому: относительный прогиб (выгиб) характеризуется отношением стрелы прогиба к длине изгибаемого участка.

Из таблицы видно, что допустимые неравномерности в осадке дома тем больше, чем менее жесткий дом. Каркасные или деревянные дома допускают относительно большую неравномерность в осадке фундамента. Каменные, более жесткие дома, — нет.

Пример

Кирпичный двухэтажный дом просел в середине на 1 см (рис. 17, а). Расстояние по длине фундамента между точками замера — 600 см (длина дома — 12 м). Относительная неравномерность осадки — 1/600=0,0017. Допустимая неравномерность осадки для такого дома — 0,002. Поэтому осадка в 1 см для такого дома допускается.

Причины неравномерных осадок:

— неоднородность основания, сложенного из пластов различной толщины или плотности;

— переувлажнение какой‑либо части основания или сложение части основания из насыпного грунта;

— неравномерное давление на основание, вызванное несоответствием площади подошвы с действующей вертикальной нагрузкой (давление на фундамент в средней части здания больше, чем под внешними стенами, т. к. на внутреннюю стену опираются перекрытия с двух сторон);

— неодновременное возведение отдельных частей здания;

— механическая суффозия — перемещение водяными потоками частиц грунта — ведет к увеличению пористости и к уменьшению прочности грунта;

— наличие в толще грунта материалов, подверженных гниению (корни деревьев, отходы древесины…);

— воздействие механизмов — удаление лишнего грунта при рытье котлованов и траншей под фундамент — наиболее распространенная ошибка строителей, т. к. уложенная выравнивающая подсыпка под фундаментом не обладает прочностью нетронутого грунта;

— уплотнение грунта в процессе эксплуатации сооружения, связанное со значительным увеличением веса (складские помещения, элеваторы….);

— изменение уровня подземных вод (грунтовых или производственных);

— подземные выработки (рытье туннелей метро, канализационных коллекторов и др.);

— разрушение подземных магистралей систем водоснабжения, отопления, канализации и отвода дождевой воды часто приводит к вымыванию большого объема грунта из‑под строений.

Из городской жизни

Прорывы трубы систем водоснабжения, центрального отопления или канализации, разрушенная отмостка вокруг зданий, под которую затекают ливневые осадки, могут привести строения в аварийное состояние и даже к разрушению. Происходит это не только из‑за снижения несущей способности влажного грунта. Иногда возникает ситуация, когда под землей стихийно возникают большие и малые водяные потоки, уносящие грунт в магистральные ливнеотводящие коллекторы или в водоносные слои грунта. Подобные потоки при благоприятных условиях могут образовывать ручейки, способные создать в толще грунта полости достаточно внушительных размеров, способные поглотить не один грузовик или разрушить целое здание (рис. 18).

Рис. 18. Образование полостей в толще грунта из‑за разрушения трубопровода системы центрального отопления и из‑за разрушенной отмостки

Из практики ТИСЭ

Фундамент и стены трехэтажного дома 9 х 12 м возводили по технологии ТИСЭ. В процессе возведения стен первого этажа в одном месте стены возникла трещина. Внизу у ростверка её ширина была около 1 мм. Полностью она исчезала на высоте около 1 м от ростверка. Сам ростверк, имеющий высоту около 20 см, не треснул (рис. 19). Стали разбираться, в чём причина.

Рис. 19. Появление трещины при местном переувлажнении грунта: 1 — опора; 2 — песчаная подсыпка; 3 — ростверк; 4 — стена; 5 — трещина; 6 — переувлажненный грунт

Основная ошибка строителей заключалась в том, что песчаная подсыпка, играющая роль нижней части опалубки, из‑под ленты своевременно не была удалена. По сути стены возводили на ленточном незаглубленном фундаменте, которым являлся ростверк.

Перед тем, как возникла трещина, в этом месте стены был брошен шланг, из которого постоянно текла вода, используемая при возведении стен. От переизбытка влаги несущая способность верхних слоев грунта в этом месте снизилась. Тонкая лента проармированного ростверка просела, не треснув. Бетонный массив в нижней части стены, испытывающий растяжение, лопнул, отчего и появилась эта трещина.

Правильная последовательность удаления песчаной подсыпки из‑под ростверка всего дома и горизонтальное армирование стен позволили решить эту проблему. После нанесения шпаклевки эта трещина больше не проявлялась.

Причиной возникновения подобных трещин в стене часто становится разрушенная система ливнеотвода. Толстый слой снега на крыше и массивные сосульки становятся причиной поломки желобов и стояков системы. Если у хозяина руки не доходят до их восстановления, то после сильных дождей земля вокруг дома неравномерно увлажняется, как в предыдущем примере, что вызывает неравномерную осадку незаглубленного или мелкозаглубленного фундамента. В стенах возникают трещины, здание приходит в аварийное состояние, выйти из которого достаточно сложно.

Это было в Санкт–Петербурге

В Шипкинском пер. 17–этажный дом на плитном фундаменте накренился на 0,5%. Причина — ненормативное расположение траншеи ливневой канализации относительно фундаментной плиты (на расстоянии менее 2 м, ниже подошвы плиты на 1 м) и некачественное её выполнение. Это привело к замачиванию грунтов основания и к их утечке в ливнеотводящую систему. Осадка одной стороны здания приблизилась к предельно допустимой величине 24 см.

Восстановление вертикальности здания свелось к сознательному ухудшению несущей способности грунта под той частью плиты, которая не просела. Процесс возвращения дома в вертикальное положение занял почти три месяца. Когда дом начал приближаться к вертикальному положению, началось закрепление грунтов основания под всей плитой инъекцией твердеющих растворов под высоким давлением. После восстановительных работ дом оказался ниже исходной проектной отметки на 30 см.

Мероприятия по устранению неравномерных осадок

Устранение неравномерности осадки фундамента сводится к определенным конструктивным проработкам и к проведению некоторых профилактических мероприятий:

— выбор площади подошвы фундамента, отвечающей величине предполагаемых нагружений;

— рациональная компоновка зданий и сооружений, обеспечивающая более равномерную передачу нагрузки от веса здания на основание;

— уменьшение чувствительности здания через увеличение его изгибной жесткости, если оно короткое, и через уменьшение изгибной жесткости здания, если оно длинное;

— горизонтальное армирование стен и устройство сейсмопоясов;

— устройство деформационных или осадочных швов между секциями сооружения;

— устройство компенсирующего фундамента (столбчато–ленточный фундамент по технологии ТИСЭ);

— придание сооружению или отдельным его частям строительного подъема, соответствующего величине прогнозируемой осадки;

— проработка систем отвода ливневых осадков, систем водоснабжения и канализации с профилактическими мероприятиями по их обслуживанию, не допускающими неравномерного увлажнения грунта и возникновения подземных потоков.

Как можно уменьшить изгибную жесткость дома

У застройщика с большой семьей, но с ограниченными финансовыми возможностями было желание построить двухэтажный дом 11 х8м с мансардой. Грунт был слабый и внушал определенные опасения: могли появиться трещины в стенах каменного дома. Было предложено разбить возведение дома на несколько этапов и ввести компенсационную вставку. Для этого дом разделили на три секции: две внешние — каменные, фундамент и стены которых возводились по ТИСЭ; и среднюю деревянную секцию, которая объединяла их в целый дом. У застройщика появилась возможность растянуть строительство, возвести и обживать сначала одну секцию (жилую, гараж…), а затем — и все остальные (рис. 20). Одновременно с этим деревянная секция дома могла скомпенсировать неравномерности в просадке грунта без каких‑либо разрушений.

Рис. 20. Этапы возведения здания с уменьшенной изгибной жесткостью: А — возведение первой каменной секции; Б — возведение второй каменной секции; В — соединение каменных секций балками и стропилами; Г — дом построен

1.4. ПОДГОТОВКА ОСНОВАНИЙ

В этом разделе рассказывается именно о подготовке основания, а не о подготовке самой строительной площадки.

Подготовка основания — это та часть работы, которая относится к подготовке грунта быть основанием под будущим фундаментом.

Подготовка основания — первый этап строительных работ, который может включать комплекс мероприятий, зависящий от вида и состояния грунта.

Подготовка основания для индивидуальных застройщиков сводится, как правило, к осушению участка (если требуется). Все остальные мероприятия по улучшению свойств грунта–основания, приведенные ниже, используются в индустриальном строительстве с привлечением сложных и тяжелых механизированных средств, с расходом большого объема специальных химических составов. Именно поэтому информация о подготовке основания здесь будет дана в ознакомительном формате.

1.4.1. Осушение участка застройки

Если участок застройки затоплен, то делают дренаж (рис. 10). Вид дренажа определяют грунтовые условия, рельеф местности и располагаемые средства. Дренаж может быть естественным, когда вода уходит самотеком (рис. 21, а); и принудительный, когда вода откачивается насосом (рис. 21, б).

Рис. 21. Устройство дренажа строительной площадки: А — естественный; Б — принудительный; 1 — котлован (траншея); 2 — уровень грунтовых вод; 3 — придорожный кювет; 4 — дренажная труба; 5 — приямок; 6 — насос; 7 — водоотливная труба

Строительное водопонижение выполняется при возведении подземной части здания. В водонасыщенных скальных, обломочных или галечных грунтах применяют открытый водоотлив с применением центробежных насосов.

В мелкозернистых грунтах открытый водоотлив приводит к оплыванию откосов и траншей, к разрыхлению грунта в основаниях под фундамент. Здесь целесообразно применять глубинное водопонижение уровня грунтовых вод. В этих случаях воду отбирают из заранее пробуренных скважин с глубины 4…10 м, применяя центробежные или вакуумные насосы.

Для осушения пылеватых и глинистых песков, супесей, суглинков, лессовых суглинков применяют установки вакуумного водопонижения.

Открытое водопонижение не следует выполнять, если возникает восходящая суффозия, сопровождающаяся выносом с водой частичек грунта, которые отлагаются у выходов струек воды из грунта. Вымывание мелких минеральных частиц происходит с возрастающей интенсивностью и может привести к потере несущей способности грунта в самых непредсказуемых местах.

Сезонное изменение уровня грунтовых вод может сказаться на выборе времени возведения фундамента. В этой связи устройство фундамента часто планируют ближе к осени, когда уровень грунтовых вод спадает, когда верховодка не мешает проведению земляных работ.

Возведение столбчатого или столбчато–ленточного фундамента по технологии ТИСЭ не требует проведения осушительных мероприятий. Даже заполнение скважины бетоном можно выполнять без удаления из неё воды, с некоторыми технологическими приемами.

1.4.2. Устройство грунтовых подушек

Один из наиболее распространенных методов улучшения работы слабонесущих грунтов является устройство грунтовых подушек. Оно сводится к замене слабого грунта непосредственно под подошвой фундамента на подушку из прочного грунта, песка, гравия, щебня, шлака, строительных отходов… (рис. 22).

Рис. 22. Устройство песчаной подушки, заменяющей слабый грунт: 1 — фундамент; 2 — обратная засыпка, 3 — песчаная подушка; 4 — слабонесущий грунт

Толщину подушки назначают исходя из того, что давление от неё на слабонесущий грунт не превысит его расчетного сопротивления. Как видно из рисунка, ширина нижней части подушки определится её толщиной и углом распределения давления ОС. Этот угол зависит от состава подушки и находится в пределах 30…45⁰.

Устройство фундамента начинается с создания котлована под размещение подушки. Грунт подушки по мере заполнения котлована проливают водой и уплотняют, доводя верхнюю поверхность подушки до проектной отметки. После создания самого фундамента обратную засыпку котлована выполняют удаленным слабонесущим грунтом.

1.4.3. Уплотнение грунтов

Уплотнение грунта применяется для устройства грунтовых и песчаных подушек, устранения просадочных свойств макропористых грунтов, насыпных грунтов. Уплотнение ведется при создании определенной влажности. При песков и супесей на один кубометр грунта потребуется 100… 150 л воды, а на уплотнение суглинка или глины — 150…240 л. При излишней влажности грунта требуется устройство дренажа. В строительстве применяют различные виды уплотнения, каждый из которых может быть реализован несколькими способами.

Поверхностное уплотнение используют для устройства песчаных и грунтовых подушек, устранения просадочности макропористых и рыхлых песчаных и насыпных грунтов; оно может выполняться с применением различных механизированных средств (табл. 10).

Таблица 10. Методы поверхностного уплотнения грунта

При уплотнении грунта тяжелыми трамбовками массой от 1 до 10 т, их подъем и сбрасывание производится с помощью крана с высоты 4…8 м и более. Число ударов трамбовкой по одному следу — около 8…12 раз.

В некоторых случаях при уплотнении в зону трамбования подается щебень, кирпичный бой или фракции, полученные при переработке разрушенных бетонных конструкций.

Глубинное уплотнение может выполняться следующими способами:

— погружение вибратора на тросе с помощью крана (применяют для уплотнения грунтов на глубине от 1 до 10 м);

— погружение стержня, прикрепленного к вибратору (применяют для уплотнения грунтов до глубины 5…20 м);

— уплотнение взрывом (для уплотнения просадочных лёссовых грунтов);

— с помощью песчаных или грунтовых свай, создаваемых при заполнении скважин песком с послойным его уплотнением (для уплотнения макропористых просадочных грунтов, пылеватых и мелких песков, сильносжимаемых заторфованных грунтов).

1.4.4. Закрепление грунтов

Для повышения несущей способности слабых грунтов применяют различные способы их закрепления, осуществление которых может выполняться строительны–ми организациями, оснащенными соответствующими механизмами и расходными материалами.

Силикатизация мелких и пылеватых песков, плывунов — упрочнение грунта через нагнетание в него (при помощи инъекторов) химических растворов, которые, реагируя между собой, образуют гель кремниевой кислоты. Инъектор для грунта — это подобие медицинского шприца, но только очень большого размера (диаметр 30…75 мм), в котором выход химикатов осуществляется через его перфорированную боковую поверхность. Химикаты внедряются в грунт под давлением 3…6 атм. и расходятся в нем, образуя зону уплотненного грунта диаметром 0,6..2 м (в зависимости от коэффициента фильтрации грунта).

Для закрепления мелких песков применяют двухрастворный и однорастворный способы. Первый заключается в поочередном нагнетании в грунт растворов силиката натрия (жидкое стекло) и хлористого кальция, а второй — в нагнетании раствора фосфорной кислоты с жидким стеклом. Предел прочности закрепленного грунта:

4…5 кг/см² — для мелких и пылеватых песков;

15…30 кг/см² — для крупных и средних песков.

Радиус закрепления грунта вокруг одного инъектора в зависимости от степени фильтрации грунта — 0,4… 1,0 м.

Силикатизация лёссовых грунтов выполняется через нагнетание в грунт только жидкого стекла, который закрепляется солями, содержащимися в грунте. Предел прочности закрепленного грунта — 6…8 кг/см² при радиусе закрепления грунта вокруг одного инъектора — около 1 м.

Смолизапия грунта — нагнетание в грунт синтетических (карбомидных) смол. После закрепления лёссовидных грунтов они теряют просадочность и становятся практически водонепроницаемыми, имея предел прочности — 7…15 кг/см². (При смолизации песка предел прочности — 10…25 кг/см²).

Битуминизация грунта применяется для закрепления крупнозернистых и обломочных пород. Разогретый битум или холодная битумная эмульсия по трубам нагнетается в грунт. Битуминизация применяется для предупреждения фильтрации грунтовых вод. Грунт превращается в подобие асфальта.

Цементация грунта применяется для закрепления песчано–гравийных грунтов. Смесь воды и цемента (0,8:1) подается через инъекторы под давлением. Расход раствора составляет около 0,3 м³ на 1 м³ укрепляемого грунта.

Использование высоконапорных инъекций заключается в погружении устройства для перемешивания грунта с вяжущим материалом. Устройство снабжено специальными соплами, через которые подается раствор под давлением 150 атм. Это позволяет быстро погрузить иинъектор и создать прочный массив диаметром до 3 м.

1.5. ДИНАМИКА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Пучинистые явления — коварные и бесцеремонные. процессы, возникающие во влажных глинистых, мелкопесчаных и пылеватых грунтах при их сезонном промерзании. Не учитывать их нельзя, что понятно любому, даже слабо разбирающемуся в строительстве застройщику. Многие это поняли, обнаружив по весне трещину в кирпичной стене загородного дома, увидев перекошенные дверные и оконные проемы каркасной дачной постройки, заметив опасно накренившийся забор.

Пучинистые явления — это не только большие деформации грунта, но и огромные усилия — в десятки тонн, способные привести к большим разрушениям.

Сложность в оценке воздействия пучинистых явлений грунта на постройки — в некоторой их непредсказуемости, обусловленной одновременным воздействием нескольких процессов. Чтобы лучше разобраться в этом, опишем некоторые понятия, связанные с этим явлением.

Морозное пучение, так называют это явление специалисты, связано с тем, что в процессе замерзания влажный грунт увеличивается в объеме.

Происходит это из‑за того, что вода увеличивается в объеме при замерзании на 12% (отчего лед и плавает по воде). Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он более пучинистый. Так, подмосковный лес, стоящий на сильно пучинистых грунтах, зимой поднимается на 5…10 см относительно летнего своего уровня. Внешне это незаметно. Но если в грунт забита свая более чем на 3 м, то подъем грунта зимой можно отследить по отметкам, сделанным на этой свае. Подъем грунта в лесу мог бы быть в 1,5 раза больше, если бы в нем не было снегового покрова, прикрывающего грунт от промерзания.

Степень пучинистости грунта

Грунты по степени пучинистости делятся на:

— сильнопучинистые — пучение 12%;

— среднепучинистые — пучение 8%;

— слабопучинистые — пучение 4%.

При глубине промерзания 1,5 м сильнопучинистого грунта составляет 18 см.

Пучинистость грунта определяется его составом, пористостью, а также уровнем грунтовых вод (УГВ). Так и глинистые грунты, мелкие и пылеватые пески относятся к пучинистым грунтам, а крупнозернистые песчаные и гравийные грунты — к непучинистым.

Рассмотрим, с чем это связано.

Во–первых.

В глинах или мелких песках влага, как по промокашке, достаточно высоко поднимается от УГВ за счет капиллярного эффекта и хорошо удерживается в таком грунте. Здесь проявляются силы смачивания между водой и поверхностью пылевых частиц. В крупнозернистых же песках влага не поднимается, и грунт становится влажным только по уровню грунтовых вод. То есть чем тоньше структура грунта, тем выше поднимается влага, тем логичнее отнести его к более пучинистым грунтам.

Поднятие воды может достигать:

— 4…5 м в суглинках;

— 1…1,5 м в супесях;

— 0,5…1 м в пылеватых песках.

В связи с этим степень пучинистости грунта зависит как от своего зернового состава, так и от уровня грунтовых или паводковых вод.

Слабопучинистый грунт — когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:

— на 0,5 м — в пылеватых песках;

— на 1 м — в супесях;

— на 1,5 м — в суглинках;

— на 2 м — в глинах.

Среднепучинистый грунт — когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:

— на 0,5 м — в супесях;

— на 1 м — в суглинках;

— на 1,5 м — в глинах.

Сильнопучинистый грунт — когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:

— на 0,3 м — в супесях;

— на 0,7 м — в суглинках;

— на 1,0 м — в глинах.

Чрезмернопучинистый грунт — если УГВ будет выше, чем для сильнопучинистых грунтов.

Обращаем внимание на то, что смеси крупного песка или гравия с пылеватым песком или глиной будут относиться к пучинистым грунтам в полной мере. При наличии в крупнообломочном грунте более 30% пылевато–глинистой составляющей, грунт также будет относиться к пучинистому.

Во–вторых.

Процесс промерзания грунта происходит сверху вниз, при этом граница между влажным и мерзлым грунтом опускается с некоторой скоростью, определяемой, в основном, погодными условиями. Влага, превращаясь в лед, увеличивается в объеме, вытесняя сама себя в нижние слои грунта, сквозь его структуру. Пучинистость грунта определяется также тем, успеет ли выдавливаемая сверху влага просочиться через структуру грунта или нет, хватит ли степени фильтрации грунта, чтобы этот процесс прошел с пучением или без него. Если крупнозернистый песок не создает влаге никакого сопротивления и она беспрепятственно уходит, то такой грунт не расширяется при замерзании (рис. 23).

Рис. 23. Грунт на границе промерзания: 1 — песок; 2 — лед; 3 — граница промерзания; 4 — вода

Что касается глины, то сквозь неё влага уйти не успевает, и такой грунт становится пучинистым. Кстати, грунт из крупнозернистого песка, помещенный в замкнутый объем, которым может оказаться скважина в глине, поведет себя как пучинистый (рис. 24).

Рис. 24. Песок в замкнутом объеме — пучинистый: 1 — глина; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — граница промерзания; 4 — песок + вода; 5 — лед + песок; 6 — песок

Именно поэтому траншею под мелкозаглубленными фундаментами заполняют крупнозернистым песком, позволяющим выровнять степень влажности по всему его периметру, сгладить неравномерность пучинистых явлений. Траншею с песком, если возможно, следует соединить с дренажной системой, отводящей верховодку из‑под фундамента.

В–третьих.

Наличие давления от веса строения также сказывается на проявлении пучинистых явлений. Если слой грунта под подошвой фундамента сильно уплотнить, то и степень пучинистости его уменьшится. Причем, чем больше будет само давление на единицу площади основания, тем больше будет объем уплотненного грунта под подошвой фундамента и меньше величина пучения.

Пример

В Подмосковье (глубина промерзания 1,4 м) на среднепучинистам грунте на мелкозаглубленном ленточном фундаменте с глубиной заложения 0,7 м возведен относительно легкий брусовой дом. При полном промерзании грунта внешние стены дома могут подняться почти на 6 см (рис. 25, а). Если же фундамент под тем же домом с той же глубиной заложения выполнен столбчатым, то давление на грунт будет больше, его уплотнение будет сильнее, отчего подъем стен от промерзания грунта не превысит 2…3 см (рис. 25, б).

Рис. 25. Степень пучинистости грунта зависит от давления на основание: А — под ленточным фундаментом; Б — под столбчатым фундаментом; 1 — песчаная подушка; 2 — граница промерзания; 3 — уплотненнный грунт; 4 — ленточный фундамент; 5 — столбчатый фундамент

Сильное уплотнение пучинистого грунта под ленточным мелкозаглубленным фундаментом может возникнуть, если на нем будет возведен каменный дом высотой не меньше чем в три этажа. В этом случае можно говорить о том, что пучинистые явления будут просто задавлены весом дома. Но и в этом случае они всё же останутся и могут вызвать появление трещин в стенах. Поэтому каменные стены дома на подобном фундаменте следует возводить с обязательным горизонтальным армированием.

Чем же опасны пучинистые грунты? Какие процессы, пугающие застройщиков своей непредсказуемостью, проходят в них?

Какова природа этих явлений, как с ними бороться, как их избежать, можно понять, изучив саму природу проходящих процессов.

Главная причина коварства пучинистых грунтов — неравномерное пучение под одним строением

Глубина промерзания грунта — это не расчетная глубина промерзания и не глубина заложения фундамента, это — реальная глубина промерзания в конкретном месте, в конкретное время и при конкретных погодных условиях.

Как уже отмечалось, глубина промерзания определяется балансом мощности тепла, идущего из недр земли, с мощностью холода, проникающего в грунт сверху в холодное время года.

Если интенсивность тепла земли не зависит от времени года и суток, то на поступление холода влияют температура воздуха и влажность грунта, толщина снегового покрова, его плотность, влажность, загрязненность и степень прогрева солнцем, застройка участка, архитектура сооружения и характер его сезонного использования (рис. 26).

Рис. 26. Промерзание участка застройки: 1 — плита фундамента; 2 — расчетная глубина промерзания; 3 — граница промерзания дневная; 4 — граница промерзания ночная

Неравномерность толщины снегового покрова наиболее ощутимо сказывается на разности в пучении грунта. Очевидно, что глубина промерзания будет тем выше, чем тоньше будет слой снежного одеяла, чем ниже будет температура воздуха и чем дольше продлится её воздействие.

Если ввести такое понятие, как морозопродолжителъностъ (время в часах, умноженное на среднесуточную минусовую температуру воздуха), то глубину промерзания глинистого грунта средней влажности можно показать на графике (рис. 27).

Морозопродолжительность для каждого региона является среднестатистическим параметром, оценивать который индивидуальному застройщику очень сложно, т. к. это потребует ежечасного контроля за температурой воздуха в течение всего холодного сезона. Тем не менее, в крайне приближенном расчете это сделать можно.

Пример

Если среднесуточная зимняя температура — около -15 °С, а её продолжительность — 100 суток (морозопродолжительность = 100 24-15 = 36000), то при снеговом покрове толщиной в 15 см глубина промерзания будет 1 м, а при толщине 50 см — 0,35 м.

Если толстый слой снегового покрова, как одеяло, укрывает землю, то граница промерзания поднимается вверх; при этом и днем, и ночью её уровень сильно не меняется. При отсутствии снегового покрова ночью граница промерзания сильно опускается вниз, а днем, при солнечном прогреве, поднимается вверх. Разница ночного и дневного уровня границы промерзания грунта особенно ощутима там, где снеговой покров мал или вовсе отсутствует и где грунт сильно увлажнен. Наличие дома также влияет на глубину промерзания, ведь дом является своего рода теплоизоляцией, даже если в нем и не живут (продухи подпола закрыты на зиму).

Участок, на котором стоит дом, может иметь весьма сложную картину промерзания и подъема грунта.

Например, среднепучинистый грунт по внешнему периметру дома при промерзании на глубину 1,4 м может подняться почти на 10 см, тогда как более сухой и теплый грунт под средней частью дома останется практически на летней отметке.

Неравномерность промерзания существует еще и по периметру дома. Ближе к весне грунт с южной стороны строения часто бывает более влажным, слой снега над ним — более тонким, чем с северной стороны. Поэтому в отличие от северной стороны дома, грунт с южной стороны лучше прогревается днем и сильнее промерзает ночью.

Из опыта

Весной, в середине марта, я решил проверить как под построенные домом "гуляет" грунт. По углам фундамента (с внутренней стороны) были забетонированы в тротуарные плитки прутки, по которым я проверял просадку фундамента от веса дома. С северной стороны грунт поднялся на 2 и 1,5 см, а с южной — на 7 и 10 см. Уровень воды в колодце на тот момент был ниже грунта на 4 м.

Таким образом, неравномерность промерзания на участке проявляется не только в пространстве, но и во времени. Глубина промерзания подвержена сезонным и суточным изменениям в весьма больших пределах и может сильно меняться даже на небольших участках, особенно в местах застройки.

Расчищая большие площадки от снега в одном месте участка, и создавая сугробы в другом месте, можно создать заметную неравномерность промерзания грунта. Известно, что посадки кустарников вокруг дома задерживают снег, уменьшая в 2 — 3 раза глубину промерзания, что хорошо видно на графике (рис. 27).

Рис. 27. Зависимость глубины промерзания от толщины снегового покрова

Расчистка узких дорожек от снега на степень промерзания грунта особого влияния не оказывает. Если же Вы решили у дома залить каток или очистить площадку для своего авто, то можете ожидать большую неравномерность в промерзании грунта под фундаментом дома в этой зоне.

Силы бокового сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента — другая сторона проявления пучинистых явлений. Эти силы весьма высоки и могут достигать 5…7 т на квадратный метр боковой поверхности фундамента. Подобные силы возникают, если поверхность столба неровная и не имеет гидроизолирующего покрытия. При таком крепком сцеплении мерзлого грунта с бетоном на столб диаметром 25 см, заложенный на глубину 1,5 м, будет действовать вертикальная выталкивающая сила до 8 т.

Как же возникают и действуют эти силы, как проявляются они в реальной жизни фундамента?

Возьмем для примера опору столбчатого фундамента под легким домом. На пучинистом грунте глубина заложения опор выполняется на расчетную глубину промерзания (рис. 28, а). При небольшом весе самого строения силы морозного пучения могут его поднять, и самым непредсказуемым образом.

Рис. 28. Подъем фундамента боковыми силами сцепления: А — столбчатый фундамент; Б — столбчато–ленточный фундамент по технологии ТИСЭ; 1 — опора фундамента; 2 — мерзлый грунт; 3 — граница промерзания; 4 — воздушная полость

Ранней зимой граница промерзания начинает опускаться вниз. Мерзлый прочный грунт схватывает верхнюю часть столба мощными силами сцепления. Но кроме увеличения сил сцепления мерзлый грунт еще и увеличивается в объеме, отчего верхние слои грунта поднимаются, пытаясь выдернуть опоры из земли. Но вес дома и силы заделки столба в грунте не позволяют этого сделать, пока слой мерзлого грунта тонкий и площадь сцепления столба с ним невелика. По мере продвижения границы промерзания вниз, площадь сцепления мерзлого грунта со столбом увеличивается. Наступает такой момент, когда силы сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента превышают вес дома. Мерзлый грунт вытаскивает столб, оставляя внизу полость, которая сразу же начинает заполняться водой и частицами глины. За сезон на сильно пучинистых грунтах такой столб может подняться на 5 — 10 см. Подъем опор фундамента под одним домом, как правило, происходит неравномерно. После оттаивания мерзлого грунта фундаментный столб самостоятельно на прежнее место, как правило, не возвращается. С каждым сезоном неравномерность выхода опор из грунта увеличивается, дом наклоняется, приходя в аварийное состояние. "Лечение" такого фундамента — сложная и дорогая работа.

Эту силу можно уменьшить в 4…6 раз, сгладив поверхность скважины толевой рубашкой, вложенной в скважину до заполнения её бетонной смесью.

Заглубленный ленточный фундамент может подняться таким же образом, если он не имеет гладкую боковую поверхность и не загружен сверху тяжелым домом или бетонными перекрытиями (рис. 4).

Основное правило для заглубленных ленточных и столбчатых фундаментов (без расширения внизу): возведение фундамента и загрузку его весом дома следует выполнить в один сезон.

Фундаментный столб, выполненный по технологии ТИСЭ (рис. 28, б), не поднимается силами сцепления пучинистого мерзлого грунта благодаря нижнему расширению столба. Однако если не предполагается в этот же сезон загрузить его домом, то такой столб должен иметь надежное армирование (4 прутка диаметром 10…12 мм), исключающее отрыв расширенной части столба от цилиндрической. Несомненные преимущества опоры ТИСЭ — высокая несущая способность и то, что его можно оставить на зиму без загрузки сверху. Никакие силы морозного пучения его не поднимут.

Боковые силы сцепления могут сыграть невеселую шутку с застройщиками, делающими столбчатый фундамент с большим запасом по несущей способности. Лишние фундаментные столбы действительно могут оказаться лишними.

Из практики

Деревянный дом с большой застекленной верандой установили на фундаментные столбы. Глина и высокий уровень грунтовых вод требовали заложения фундамента ниже глубины промерзания. Пол широкой веранды потребовал промежуточной опоры. Почти всё было выполнено правильно. Однако за зиму пол подняло почти на 10 см (рис.29).

Рис. 29. Разрушение перекрытия веранды силами сцепления мерзлого грунта с опорой

Причина такого разрушения понятна. Если стены дома и веранды смогли своим весом компенсировать силы сцепления фундаментных столбов с мерзлым грунтом, то легким балкам перекрытия это было не под силу.

Что же надо было сделать?

Существенно уменьшить либо количество центральных фундаментных столбов, либо их диаметр. Силы сцепления можно было бы уменьшить, обернув фундаментные столбы несколькими слоями гидроизоляции (толь, рубероид) или создав прослойку из крупнозернистого песка вокруг столба. Избежать разрушения можно было бы и через создание массивной ленты–ростверка, соединяющей эти опоры. Другой способ уменьшить подъем таких опор — заменить их на мелкозаглубленный столбчатый фундамент.

Выдавливание — наиболее ощутимая причина деформации и разрушения фундамента, заложенного выше глубины промерзания.

Чем его можно объяснить?

Выдавливание обязано суточному прохождению границы промерзания мимо нижней опорной плоскости фундамента, которое совершается значительно чаще, чем подъем опор от боковых сил сцепления, имеющих сезонный характер.

Чтобы лучше понять природу этих сил, мерзлый грунт представим в виде плиты. Дом или любое другое строение зимой оказывается надежно вмороженным в эту камнеподобную плиту.

Основные проявления этого процесса видны весной. У стороны дома, обращенной на юг, днем достаточно тепло (в безветрие можно даже загорать). Снеговой покров стаял, а грунт увлажнился весенней капелью. Темный грунт хорошо поглощает солнечные лучи и прогревается.

В звездную ночь ранней весной особенно холодно (рис. 30). Грунт под свесом крыши сильно промерзает. У плиты мерзлого грунта снизу вырастает выступ, который мощью самой плиты сильно уплотняет грунт под собой за счет того, что влажный грунт при замерзании расширяется. Силы подобного уплотнения грунта огромны.

Плита мерзлого грунта толщиной 1,5 м размерами 10x10 м будет весить более 200 т. Примерно с таким усилием и будет уплотняться грунт под выступом. После подобного воздействия глина под выступом "плиты" становится очень плотной и практически водонепроницаемой.

Рис. 30. Плита мерзлого грунта ночью: 1 — плита мерзлого грунта; 2 — граница промерзания; 3 — направление уплотнения грунта

Наступил день. Темный грунт у дома особенно сильно прогревается солнцем (рис. 31). С повышением влажности увеличивается и его теплопроводность. Граница промерзания поднимается (под выступом это происходит особенно быстро). С оттаиванием грунта уменьшается и его объем, грунт под опорой разрыхляется и по мере оттаивания падает под собственным весом пластами. Образуется множество щелей в грунте, которые заполняются сверху водой и взвесью глинистых частиц. Дом при этом удерживается силами сцепления фундамента с плитой мерзлого грунта и опорой по остальному периметру.

Рис. 31. Плита мерзлого грунта днем: 1 — плита мерзлого грунта; 2 — граница промерзания (ночь); 3 — граница промерзания (день); 4 — полость оттаивания

С наступлением ночи полости, заполненные водой, замерзают, увеличиваясь в объеме и превращаясь в так называемые "ледяные линзы". При амплитуде поднятия и опускания границы промерзания за одни сутки в 30 — 40 см толщина полости увеличится на 3 — 4 см. Вместе с увеличением объема линзы будет подниматься и наша опора. За несколько таких дней и ночей опора, если она не сильно загружена, поднимается порой на 10 — 15 см, как домкратом, опираясь на весьма сильно уплотненный грунт под плитой.

Возвращаясь к нашей плите, заметим, что ленточный фундамент нарушает целостность самой плиты. По боковой поверхности фундамента она разрезана, т. к. битумная обмазка, которой она покрывается, не создает хорошего сцепления фундамента с мерзлым грунтом. Плита мерзлого грунта, создавая своим выступом давление на грунт, сама начинает подниматься, а зона разлома плиты — раскрываться, заполняться влагой и частицами глины. Если лента заглублена ниже глубины промерзания, то плита поднимается, не беспокоя сам дом. Если же глубина заложения фундамента выше глубины промерзания, то давление мерзлого грунта поднимает фундамент, и тогда его разрушение неизбежно (рис. 32).

Рис. 32. Плита мерзлого грунта с разломом по ленте фундамента: 1 — плита; 2 — разлом

Интересно представить плиту мерзлого грунта, перевернутую вверх дном. Это относительно ровная поверхность, на которой ночью в некоторых местах (где нет снега) вырастают холмы, которые днем превращаются в озера. Если же теперь вернуть плиту в исходное положение, то как раз там, где были холмы, и создаются в грунте ледяные линзы. В этих местах грунт ниже глубины промерзания сильно уплотнен, а выше, наоборот, разрыхлен. Это явление происходит не только на площадях застройки, но и в любом другом месте, где присутствует неравномерность в прогреве грунта и в толщине снегового покрова. Именно по такой схеме в глинистых грунтах возникают ледяные линзы, хорошо известные специалистам. Природа возникновения глинистых линз в песчаных грунтах такая же, но протекают эти процессы существенно дольше.

Подъем мелкозаглубленного фундаментного столба

Подъем фундаментного столба мерзлым грунтом осуществляется при ежесуточном прохождении границы промерзания мимо его подошвы. Вот как этот процесс происходит.

До того момента, пока граница промерзания грунта не опустилась ниже опорной поверхности столба, сама опора неподвижна (рис. 33, а). Как только граница промерзания опускается ниже подошвы фундамента, "домкрат" пучинистых процессов сразу включается в работу. Пласт мерзлого грунта, находящегося под опорой, увеличившись в объеме, поднимает её (рис. 33, б). Силы морозного пучения в водо–насыщенных грунтах весьма высоки и достигают 10… 15 т/м². С очередным прогревом пласт мерзлого грунта под опорой оттаивает и уменьшается в объеме на 10%. Сама опора удерживается в поднятом положении силами своего сцепления с плитой мерзлого грунта. В образовавшийся зазор под подошвой опоры просачивается вода с частицами грунта (рис. 33, в). Со следующим понижением границы промерзания вода в полости замерзает, а пласт мерзлого грунта под опорой, увеличиваясь в объеме, продолжает подъем фундаментного столба (рис. 33, г).

Рис. 33. Подъем фундаментного столба пучинистым грунтом: А, В — верхний уровень границы промерзания; Б, Г — нижний уровень границы промерзания; 1 — лента–ростверк; 2 — фундаментный столб; 3 — мерзлый грунт; 4 — верхнее положение границы промерзания; 5 — нижнее положение границы промерзания; 6 — смесь воды и глины; 7 — смесь льда и глины

Следует обратить внимание на то, что этот процесс подъема опор фундамента имеет ежесуточный (многократный) характер, а выдавливание опор силами сцепления с мерзлым грунтом — сезонный (один раз за сезон).

При большой вертикальной нагрузке, приходящейся на столб, грунт под опорой, сильно уплотненный давлением сверху, становится слабопучинистым, да и вода из‑под самой опоры в процессе оттаивания мерзлого грунта выжимается сквозь тонкую его структуру. Поднятия опоры в этом случае практически не происходит.

ГЛАВА 2.