Основания и фундаменты транспортных сооружений: Электронный учебник, страница 53

Просадочность – это механическое свойство грунта уменьшаться в объеме после увлажнения под действием собственного веса или при незначительной внешней нагрузке. Оно характерно для лёссов , лёссовидных супесей, глин и суглинков. При определенных условиях просадочность наблюдается также в пылеватых песках и мерзлых грунтах.

Эта характеристика материала существенно затрудняет строительство.

Просадочные грунты могут спровоцировать:

• Неравномерную усадку зданий, из-за которой появляются перекосы и трещины на стенах и фундаментах
• Перекос свай и опор
• Полное разрушение фундаментов строений и зданий
• Разрушение дорожного полотна (появление глубоких ям на дорогах)
• Разрушение насыпей
• Появление оврагов и ям в полях и огородах

Строительство на участках с просадочными грунтами требует дополнительных затрат на укрепление или замену грунта, гидроизоляцию и дренаж. А бывает и так, что любое строительство на просадочных грунтах в принципе невозможно.

О причинах, механизмах просадочности и способах борьбы с ней мы расскажем в этой статье.

Причины и механизмы просадочности грунтов

Просадочность наблюдается только в определенном типе грунтов с высоким содержанием пылевидных частиц. Такую группу грунтов иногда объединяют под единым названием – пылеватые.

К пылеватым грунтам относятся:

• ЛёссыБольше 50% зерен имеют диаметр 0,01-0,05 мм, до 16% составляют глинистые частицы с размерами меньше 0,001 мм, встречаются единичные включения песка с диаметром больше 0,25 мм. Грунт макропористый, богатый карбонатами.
• Лёссовидные грунты (суглинки, супеси, глины)В них частицы с размерами от 0,01 мм до 0,001 мм составляют более 50%. Остальная часть представлена глиной и песком. В лёссовидных супесях больше песчаных зерен. В лёссовидных суглинках количество песчаных и глинистых частиц приблизительно одинаковое. В лёссовидных глинах преобладают частицы с размерами меньше 0,001 мм.

Лёссы и лёссовидные грунты распространены на юге Европейской части России, в Западной Сибири, Якутии, Поволжье, Закавказье. Толщина их массивов достигает 5-10 м, в некоторых регионах доходит до 30-50 м. В предгорьях Кавказа и Средней Азии встречаются лёссовые массивы толщиной 100-130 м.

Кроме того, просадочность может наблюдаться в тонких и пылеватых песках. Но в этих случаях она провялятся только под воздействием вибрации, способствующей более компактной укладке частиц.

Мерзлые грунты проседают после оттаивания. Вода в жидком состоянии занимает меньший объем, чем в твердом. Поэтому при дополнительном увлажнении грунт резко сжимается.

Причины просадочности

Просадочность лёссовидных грунтов связана с их строением.

Больше всего на эту характеристику влияют:

• Высокая пористостьЭтот показатель достигает 40-55%, в некоторых грунтах доходит до 65%. Преобладают макропоры с диаметром больше 1 мм, некоторые из них хорошо просматриваются невооруженным взглядом. При увлажнении пустые пространства быстро заполняются водой, что увеличивает просадочность грунта.
• Низкая плотностьПоказатель общей плотности – от 1330 до 2030 кг/м3, скелета – от 1100 до 1800 кг/м3. Лёссовые грунты находятся в недоуплотненном состоянии.
• Строение микроагрегатовБольшинство зерен лёссовидного грунта находятся в агрегированном состоянии (соединены между собой в мелкие комки – агрегаты). В центре каждого агрегата находится крупная пылевидная частица, вокруг которой образуется оболочка из кальцитов. Внешняя стенка покрыта глинистыми минералами и микрочастицами. Структура агрегатов неустойчивая, они быстро размываются водой.
• Наличие растворимых солейВ лёссовых грунтах много солей кальция, также встречаются сульфаты натрия и магния, хлориды. Эти соли выступают связующим звеном между частицами и агрегатами. При растворении в воде связи ослабевают. Просадочность увеличивается, если в грунте преобладают соли магния и кальция. В лёссах таких соединений бывает до 90%.
• Низкая влажностьВ условиях естественного залегания она не превышает 15-20%. Влажность несколько выше в северных регионах и совсем низкая на юге (в Средней Азии, Закавказье).
• Быстрое поднятие грунтовых водПри естественном затоплении лёссовых массивов (после интенсивных дождей или таяния снега) вода из верхних горизонтов быстро попадает в нижние. Грунтовые воды за короткое время поднимаются на 0,5-1 м, что провоцирует еще большую просадку.

Механизм просадочности

При попадании влаги в лёссовидный грунт начинают растворяться соли, связь между отдельными частицами ослабевает. Разрушаются микроагрегаты грунта, возрастает его дисперсность, резко снижается прочность. Все это способствует уменьшению его пористости, более компактной укладке твердых частиц. Уменьшается в основном количество и объем макропор. Микропоры могут оставаться в грунте, они мало влияют на просадочность.

Второй механизм связан с водными пленками на мелких глинистых и пылеватых частицах. За счет них увеличивается притяжение отдельных элементов грунта друг к другу, облегчается их скольжение. Это способствует увеличению плотности.

При замачивании вода сначала быстро распространяется по макропорам. Они ориентированы больше в вертикальном направлении, поэтому влага интенсивно попадает в нижние слои массива. Включаются механизмы просадочности, и грунт резко уменьшается в объеме. Полностью водонасыщенный грунт проседает меньше, так как увеличивается его плотность. Часть воды связывается с глинистыми частицами.

Проседание грунта после замачивания происходит под действием собственного веса или внешней нагрузки (чаще всего даже незначительной). Оно продолжается до определенного уровня увлажнения. У полностью водонасыщенных грунтов процесс замедляется или полностью прекращается, так как увеличивается плотность, уменьшается количество макропор.

Кроме просадки происходит еще и горизонтальный сдвиг массива. Из периферии, где влажность ниже, грунт перемещается к центру. Происходят обвалы, образуется своеобразная просадочная лунка. Ее диаметр может достигать 50-100 м, а глубина до 1-2 м.

Массивы лёссовых грунтов имеют неоднородную структуру. В их толще часто встречаются погребенные почвы. Ведь эти грунты имеют эоловое происхождение. Пыль, переносимая ветром, сотни тысяч лет назад засыпала участки с плодородными почвами. В некоторых местах обнаруживают наносы вулканического пепла. Почти во всех массивах настоящий лёсс чередуется с лёссовидными суглинками, супесями или глинами.

Каждый тип грунта в массиве имеет свою просадочность. У погребенных почв и наслоений вулканического пепла она выше, чем у лёсса. У пластичных лёссовидных глин и суглинков показатель ниже. Поэтому при замачивании происходят значительная деформация и перекосы поверхности.

Определяем тип грунта

Чтобы понимать, как бороться с проседанием грунта, надо сначала разобраться какой именно грунт находится на дачном участке. Определить тип грунта можно визуальным методом.

Так глинистый грунт

в сухом виде очень трудно раздавить, комья такого грунта очень твердые, если все же получается, то в руках остается однородный порошок. Во влажном же виде он довольно мягкий, его можно скатать как пластилин и без труда слепить из глиняного жгута кольцо, любая поделка не растрескается.

Лёссовый грунт

(легкие и средние суглинки) – пылевато-глинистый грунт. Комки суглинистого грунта рассыпаются, если их бросить, при растирании в руках можно почувствовать песчаные частички. Из такого грунта жгутик при сгибании развалится, и на нем появятся трещинки. Если поместить лессовый грунт в воду, он быстро размокнет.

Песчаный и супесчаный грунт

по структуре рассыпчатый, рыхлый. Комья супесчаного грунта тут же рассыпаются, а у песка их просто нет. Жгутик скатать из такого грунта попросту не получится – рассыплется.

Определение просадочности

Показатель просадочности определяется по относительному сжатию. Методика описана в ГОСТ 23161-2012. Используются компрессионные приборы, исключающие боковое расширение образца. Грунт для испытаний берут без нарушения сложения и с естественной влажностью.

Во время испытаний оперируют такими показателями:

• Относительная просадочность (Ɛsl) – соотношение между значением уменьшения толщины грунта при замачивании и под определенным давлением к толщине в месте природного залегания
• Начальная просадочная влажность (Wsl) – минимальная влажность, при которой грунт начинает проседать под собственным весом или внешней нагрузкой; относительная просадочность при этом равна 0,01
• Начальное просадочное давление (Рsl) – минимальное давление, при котором грунт начинает проседать; относительная просадочность при его воздействии – 0,01
• Абсолютное сжатие образца – уменьшение высоты грунтового столбика при определенной вертикальной нагрузке
• Условная стабилизация осадки – момент, когда деформация грунта прекращается
• Условная стабилизация просадки – момент, когда деформации, вызванные замачиванием, прекращаются
• Степень давления – прирост нагрузки от штампа на грунт

Испытательный прибор

Для проведения опыта используют компрессионный прибор, в состав которого входят такие детали:

• Рабочее кольцо правильной формы с диаметром 70-90 мм и высотой 20-30 мм, без коррозии
• Цилиндрическая обойма
• Штамп с перфорациями
• Поддон, емкость для воды и перфорированная крышка к ней
• Два индикатора с делениями по 0,01 мм для измерения высоты грунтового столбика
• Приспособление для загрузки грунта

Прибор обеспечивает подачу воды снизу и ее отвод. Давление от штампа стабильное, равномерное, его можно сделать ступенчатым , от 10 кПа до 50 кПа. Стенки рабочего кольца и обоймы жесткие, что предотвращает боковое расширение грунта.

Отбор пробы

Образец отбирают методом режущего кольца (подробнее о нем вы можете прочитать в статье Плотность грунта). Он должен иметь такую же ориентацию, как в массиве. Края пробы располагают на уровне внешнего ободка кольца. После отбора пробу взвешивают с точностью до 0,01 г.

Проведение испытания

После забора и взвешивания пробы ее перемещают в компрессионный прибор:

1. Рабочее кольцо с грунтом помещают на дно поддона. Острый край, которым проводился срез, должен быть обращен вверх.
2. Торцы образца покрывают фильтровальной бумагой.
3. Завинчивают соединительную муфту на компрессионном приборе.
4. Устанавливают перфорированный штамп.
5. На штамп устанавливают индикаторы и записывают в журнале их стартовые показания (изначальную высоту грунтового столбца).

После завершения подготовки переходят к непосредственным испытаниям.

Их проводят двумя методиками:

• Одной кривойОтносительную просадочность определяют при одной заданной нагрузке. Давление штампа ступенями повышают до значения Рз, которое равно (с погрешностью ±10%) нагрузке от собственного веса грунта или от фундамента. После условной стабилизации осадки при давлении Рз п робу замачивают до точки условной стабилизации просадки.
• Двух кривыхОпределяют начальное просадочное давление и относительную просадочность при разных нагрузках. Опыт проводят на двух пробах грунта, взятых из одного массива. Они не должны отличаться по плотности больше, чем на 0,03 г/см3, а по влажности – больше чем на 2%. Первую пробу испытывают по методике одной кривой. Вторую доводят до полного водонасыщения. Замачивание лёссов и лёссовидных супесей начинают за 3 часа до начала опыта, лёссовидных суглинков и глин – за 6 часов. Грунт из второй пробы продолжают замачивать и одновременно прикладывать давление ступенями в промежутке между 200 и 400 кПа. Учитывается предполагаемая нагрузка от фундамента, которая не должна быть меньше давления собственного веса грунта, и +50 кПа.

Для обеих методик существуют общие правила:

• Ступени давления должны отличаться друг от друга на 50 кПа. Если давление от собственного веса грунта меньше 150 кПа, то ступени уменьшают до 25 кПа.
• Каждую ступень выдерживают до условной стабилизации осадки и просадки грунта. Стабилизацию фиксируют, если высота грунтового столбика за 3 часа не уменьшилась больше, чем на 0,01 мм.
• Замачивание грунта проводится снизу вверх. Воду заливают в поддон через воронку до верхнего торца грунта и поддерживают такой уровень до конца опыта. Это обеспечивает стабильный напор жидкости 1-1,1. Для замачивания используют дистиллированную воду с температурой от 10°С до 25°С.
• После завершения испытаний воду сливают , извлекают рабочее кольцо и удаляют с его поверхности капли фильтровальной бумагой. Затем взвешивают грунт с кольцом, отбирают образцы для определения плотности и влажности.

Обработка результатов

После завершения испытаний по формулам определяют показатели, которые характеризуют склонность грунта к просадке. Основной из них – относительная просадочность. Но для получения детальной характеристики образца вычисляют еще несколько параметров.

Абсолютное сжатие

Показатели индикатора высоты образца на каждой ступени давления записывают в журнал или заносят в график. Затем вычисляют сжатие как усредненное значение высоты грунтового столбика hi. Точность вычисления – ±0,01 мм.

Относительное сжатие

Показатель определяют для каждой ступени давления (Рi) после достижения условной стабилизации осадки и просадки.

Его вычисляют по формуле:

По значениям относительного сжатия строят график. Если просадка или осадка грунта уменьшаются или если его объем увеличивается (что хорошо заметно на кривой графика) , в грунте начинаются процессы набухания. Их также нужно учитывать в характеристиках.

Относительная просадочность

Относительную просадочность при использовании метода одной кривой при заданном давлении определяют как дополнительное относительное сжатие при замачивании.

Вычисляют показатель по формуле:

При испытании методом двух кривых относительную просадочность определяют по той же формуле. Только для образца с полным водонасыщением учитывают данные при естественной влажности и после увлажнения. На основе данных строят график. Относительную просадочность определяют по разнице Ɛsl при естественной влажности и после замачивания.

По показателю относительной просадочности грунты классифицируют. Данные о них занесены в таблицу.

Тип грунта	Значение относительной просадочности
Непросадочный	Меньше 0,01
Слабопросадочный	0,01-0,03
Среднепросадочный	0,03-0,07
Сильнопросадочный	0,07-0,12
Черезвычайно просадочный	Больше 0,12

Начальное просадочное давление

Данные о величине давления на грунт во время испытания также вносятся в график. За начальное просадочное давление Рsl принимают величину, при которой Ɛsl=0,01.

Способы устранения просадочности

Просадочность – это настоящая проблема для строителей. На некоторых участках, с мощными массивами лёссов, возводить здания невозможно даже по современным технологиям.

Для уменьшения негативного влияния просадки используются ряд мер.

Их условно можно разделить на 3 группы:

• Укрепление грунта под фундаментом
• Планировка территории застройки
• Создание проекта здания с учетом просадочности грунта

Дальше мы детальнее рассмотрим каждый пункт.

Укрепление грунта под фундаментом

Просадочные грунты условно разделяют на 2 группы. В первой усадка не превышает 5 см, во второй она больше 5 см.

Для устранения просадки менее 5 см используются такие методы:

• ТрамбовкаОна должна проводиться с помощью специального профессионального оборудования.
• Создание грунтовой подушкиОснование фундамента можно укрепить скальным грунтом, гравием, щебнем, гравелистым или крупнозернистым песком, ПГС или ПЩС.
• Замена грунтаТакой метод подходит в тех случаях, если просадочный слой небольшой (до 1-2 м). Для замены используют те же материалы, что и для грунтовой подушки.
• ЗамачиваниеПри увлажнении можно добиться максимальной просадки, после которой объем грунта стабилизируется. Проводить замачивание нужно на протяжении нескольких недель. В сухую погоду верхние слои пересыхают и их нужно дополнительно заливать водой.
• ГидроизоляцияМетод достаточно дорогой, но при качественном проведении работ можно надолго избежать просадки. При высоком залегании грунтовых вод под зданием следует сделать дренаж. Вокруг фундамента обязательно обустраивают широкую отмостку.

Если просадка грунта больше 5 см, нужно использовать более надежные методы.

К ним относятся:

• Проход всей толщи просадочного грунта сваями (подходит для небольших массивов, до 5-7 м)
• Уплотнение грунтовыми сваями
• Замачивание массива и подрыв грунтовых вод с дальнейшей трамбовкой
• Установка под фундаментом набивных свай с расширенной пятой
• Уплотнение грунта с гидроизоляцией
• Цементация или силикатизация грунта

В последнем случае в массив вставляются перфорированные трубы. Через них подается раствор цемента или силикатный клей. Они легко проникают в крупные поры лёсса и заполняют их. После застывания раствора повышается прочность грунта , и просадочность падает практически до нуля. Метод дорогой и требует специального оборудования.

Планировка территории застройки

Просадка грунта происходит при его замачивании, поэтому при планировании застройки нужно максимально ограничить доступ воды к основаниям.

Для этого применяются следующие методы:

• Обеспечение естественного стока поверхностных вод. Здания не должны изменять рельеф и препятствовать стоку. При строительстве в низине под фундаментом и дорожным полотном делают насыпь из другого вида грунта (скального, гравелистого, песчаного). Если участок находится на склоне, оборудуют террасу.
• Расстояние между соседними зданиями должно быть не менее полторы толщины просадочного слоя для грунтов первого типа и не менее трех толщин для второго типа. Так, например, если просадочный слой составляет 4 м (первый тип), то соседнее здание от сооружения должно стоять не менее, чем за 6 м (4*1,5=6).
• Надежную гидроизоляцию водопроводов

Создание проекта

Часто используются следующие конструктивные решения:

• Обустройство свайных, монолитных или ленточных фундаментов глубокого заложения
• Строительство несущих стен из монолитных железобетонных плит
• Создание в несущих конструкциях деформационных швов
• Усиление элементов несущей части здания и связи между ними
• Укрепление перекрытий жесткой горизонтальной арматурой

Проектировкой зданий занимаются специалисты, у которых есть опыт строительства на просадочных грунтах. Каждый элемент конструкции должен быть правильно просчитан, чтобы минимизировать негативное влияние просадки.

Просадочный грунт на участке можно выявить и самостоятельно. Обычно он имеет светло-коричневый или желтоватый цвет, состоит из пылеватых частиц, которые напоминают очень мелкий песок или грубую глину. Если залить водой небольшой участок, он проваливается.

Перед строительством здания на лёссовидном грунте необходимо провести его анализ. Специалисты точно определят степень просадочности и дадут рекомендации, как эффективно и выгодно решить проблему. Если этого не сделать, можно вложить деньги в дом, который разрушится еще до завершения строительства.

Выводы

Просадка грунта — частое явление на большей территории России, с которым не стоит затягивать, а лучше вовремя проводить меры борьбы еще на стадии начала работ (планировки участка, до заливки фундамента дома, теплицы), даже если эти мероприятия будут затратными.

Если эта проблема касается только грядок на дачном участке, конечно, это можно поправить в дальнейшем без особого труда. Но когда под угрозой постройки на фундаменте, даже небольшие, то при проседании грунта ремонт или усиление фундамента под постройками будет сделать сложнее.

Источник: furnilux.ru