Воздействие сил морозного пучения на различные типы винтовых свай

⇒ Выбор фундамента устойчивого к морозному пучению грунта ⇒ Несущая способность грунтов в основании фундамента

При определенной влажности грунты, промерзая в зимний период, увеличиваются в объеме, что приводит к подъему слоев грунта в пределах глубины его промерзания. Этот процесс называют морозным пучением грунта, а грунты — пучинистыми.

Рис.1. Действие сил морозного пучения грунта на фундамент.
В — выталкивающие силы морозного пучения грунта; К — касательные силы морозного пучения грунта; УПГ — уровень сезонного промерзания грунта.
Находящиеся в пучинистых грунтах фундаменты подвергаются выпучиванию, то есть перемещаются вверх, если действующие на них нагрузки не уравновешивают силы пучения. В результате таких деформаций грунта, в фундаменте могут возникать нагрузки, приводящие, например, к возникновению трещин в стенах здания и самом фундаменте.

Количественным показателем пучинистости грунта является относительная деформация пучения — Efh

.

Сказанное выше подчеркивает необходимость учета морозного пучения при устройстве фундаментов. Тем более, что пучинистые грунты, широко распространены на территории РФ.

Степень пучинистости грунта зависит от типа грунта (глинистый или песчаный), разновидности (гранулометрического состава) грунта и влажности грунта.

Какие бывают типы и разновидности грунтов читайте в статье «Грунты в основании фундаментов».

Грунт увлажняется поверхностными водами и подземными водами. Влажностное состояние обуславливает консистенцию грунта (показатель текучести).

По степени пучинистости грунты подразделяются на:

• Непучинистые грунты
  — грунты, которые не изменяют свой объем и свойства при промерзании-оттаивании. К ним относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, галька, гравий, щебень, пески гравелистые, крупные и средней крупности, крупно- и среднезернистые пески, а также их смеси не содержащие глинистых фракций, при любом уровне безнапорных подземных вод. Практически непучинистыми грунтами могут быть: мелкие и пылеватые пески и глинистые грунты твердой консистенции
  при глубоком залегании уровня грунтовых вод
  Относительная деформация пучения таких грунтов —
  Efh<0,01
  .
• Слабопучинистые грунты.
  Относительная деформация пучения:
  0,01fh
  <=0,035.
• Среднепучинистые грунты.
  Относительная деформация пучения:
  0,035fh
  <=0,07.
• Сильнопучинистые грунты.
  Относительная деформация пучения:
  Efh>0,07
  .
• Чрезмернопучинистые:
  глинистые грунты текучепластичной и текучей консистенции, заторфованные грунты и торфяники.

Вымораживание фундаментов.

Рассчитать силу морозного пучения можно с помощью этого файла:

Скачать

СКАЧАТЬ ФАЙЛ НА GOOGLE.ДИСК

СКАЧАТЬ ФАЙЛ НА ЯНДЕКС.ДИСК

Согласно СП 22.13330.2011:

6.8.6 Расчет устойчивости фундаментов на воздействие касательных сил морозного пучения, действующих вдоль боковой поверхности фундаментов, должен выполняться при заложении подошвы фундаментов ниже расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов.

Устойчивость фундаментов проверяют по формуле

(6.32)

где tfh — значение расчетной удельной касательной силы пучения, кПа, принимаемое по 6.8.7;

Аfh — площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины сезонного промерзания, м2;

F — расчетная постоянная нагрузка, кН, при коэффициенте надежности по нагрузке gf = 0,9;

Frf— расчетное значение силы, кН, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания;

gc — коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0;

gn — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1.

Распространение пучинистых грунтов на территории России

Так как песчаные и глинистые основания распространены повсеместно, то можно считать, что расположение грунтов с пучинистыми свойствами охватывает почти половину территории России. Сюда входят:

• западные области РФ: Калининградская, Псковская и Ленинградская области и Республика Карелия;
• средняя полоса РФ: Владимирская, Калужская, Ивановская, Костромская, Рязанская, Московская, Смоленская, Тверская, Тамбовская, Тульская, Ярославская, Белгородская, Брянская, Вологодская, Воронежская, Кировская, Курская, Липецкая, Орловская, Пензенская, Самарская, Саратовская, Ульяновская области, Чувашская Республика;
• южные части Архангельской и Мурманской областей, Хабаровского края, Республики Якутия, Красноярского края, Иркутской и Тюменской области, Республики Коми;
• Амурская, Читинская, Новосибирская, Омская, Кемеровская области, Республики Бурятия, Коми, Тыва, Алтай, Свердловская область, Республики Татарстан и Башкортостан, Волгоградская область, Ростовская область, Республика Калмыкия;
• северные части Краснодарского и Ставропольского краев.

Исключается зона вечной мерзлоты, которая охватывает большую часть территорий Якутии, Красноярского края, Тюменской и Архангельской области, Республики Коми. Зона вечной мерзлоты отличается тем, что грунт там промерзает на сотни метров вглубь, поэтому проблема пучинистых грунтов для этой зоны неактуальна.

Точно так же неактуальна проблема морозного вспучивания для регионов, где в основании зданий залегают в основном грунты скальные и крупнообломочные – это все северокавказские республики и южная часть Ставропольского края.

Кроме того, проблема пучинистости не имеет значения для территорий, где основания практически не промерзают – это южная часть Краснодарского края и Республика Дагестан.

Глубина промерзания наряду с уровнем расположения грунтовых вод является определяющими факторами, влияющими на величину возможного вспучивания основания. Например, в регионах, близких к Байкалу, где глубина промерзания может достигать 2,5 м, подъем поверхности при вспучивании может достигать 30-40 см, в Подмосковье при глубине промерзания 1,5 м подъем поверхности составляет 15-18 см.

Общие сведения к проектированию оснований, сложенных пучинистыми грунтами.

Согласно СП 22.13330.2011:

6.8 Пучинистые грунты

6.8.1 Основания, сложенные пучинистыми грунтами, должны проектироваться с учетом способности таких грунтов при сезонном или многолетнем промерзании увеличиваться в объеме, что сопровождается подъемом поверхности грунта и развитием сил морозного пучения, действующих на фундаменты и другие конструкции сооружений. При последующем оттаивании пучинистого грунта происходит его осадка.

6.8.2 К пучинистым грунтам относятся глинистые грунты, пески пылеватые и мелкие, а также крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, имеющие к началу промерзания влажность выше определенного уровня (ГОСТ 25100). При проектировании фундаментов на основаниях, сложенных пучинистыми грунтами, следует учитывать возможность повышения влажности грунта за счет подъема уровня подземных вод, инфильтрации поверхностных вод и экранирования поверхности.

6.8.3 Пучинистые грунты характеризуются:

абсолютной деформацией морозного пучения hf, представляющей подъем ненагруженной поверхности промерзающего грунта;

относительной деформацией (интенсивностью) морозного пучения efh — отношением hf к толщине промерзающего слоя df;

вертикальным давлением морозного пучения рfh,v, действующим нормально к подошве фундамента;

горизонтальным давлением морозного пучения рfh,h, действующим нормально к боковой поверхности фундамента;

удельным значением касательной силы морозного пучения tfh, действующей вдоль боковой поверхности фундамента.

Определение степени пучинистости грунтов

Наиболее достоверные данные о степени пучинистости грунтов могут быть получены на основе испытаний на площадке строительства.

При отсутствии опытных данных, степень пучинистости грунта в месте строительства допускается определять по физическим характеристикам грунтов, установленным при лабораторных испытаниях

— типу грунта и его разновидности, уровню подземных вод и пластичности грунта (показателю текучести).

При самостоятельной оценке

степени пучинистости грунта, во избежание ошибок в выборе конструкции фундамента, рекомендуется принимать наиболее неблагоприятные грунтовые условия.

Для этого используем следующий метод оценки:

1. В непосредственной близости от пятна застройки здания копаем один — два шурфа глубиной не менее 1,5 м. Визуально определяем тип грунта (песчаный или глинистый). Для определения типа грунта в домашних условиях можно порекомендовать такой простой тест: небольшую порцию грунта обильно смачивают водой, затем из полученной массы между ладоней рук скатывают жгут и загибают в кольцо. Из песка жгут скатать не получится. Кольцо из супеси рассыпается на мелкие фрагменты, из суглинка на 2 — 3 части, из глины — кольцо остается целым.

2. Осенью (не раньше августа) определяем уровень подземных вод (УПВ) следующими способами:

Узнаем, есть ли поблизости колодцы, скважины, котлованы и на какой глубине стоит вода в них. Как место расположения колодца, скважины соотносится по высоте с Вашим участком, выше или ниже его? Насколько? Простые вычисления могут позволить Вам определить этот УПВ.

Уточняем у соседей, если они есть по близости — есть ли у них подвалы, сухо ли там, если есть вода, то когда она появляется и как опять же это соотносится с вашим участком.

Для точного определения, можно просто откопать шурф глубиной 1,5-2 м. Если вода в шурфе не появилась, то на дне шурфа бурят скважину садовым буром еще на 1,5 м. Если появилась вода, замеряют расстояние от поверхности грунта до уровня залегания подземных вод. Это и будет УПВ.

3. Расчитываем Z — глубину залегания уровня грунтовых вод, считая от подошвы слоя сезонного промерзания грунта под фундаментом. Для этого из полученной величины УПВ вычитаем расчётную глубину промерзания грунта. Например: На участке УПВ=2,4 м. Расчетная глубина промерзания грунта под фундаментом дома — 0,7 м. (пример расчета здесь). Тогда, величина Z=2,4 м. — 0,7 м. = 1,7 м.

3. Определяем условия увлажнения грунтов по виду рельефа — таблица 1.

4. По таблице 1., зная степень влажности и величину Z, определяем степень пучинистости грунта на площадке строительства.

Таблица 1. Определение степени пучинистости грунта.

Увлажнение грунта		Значение Z, м		Степень пучинистости грунта
Условия увлажнения по виду рельефа	Степень влажности	Глинистый	Песчаный
Сухие участки — возвышенности, всхолмленные места, водораздельные плато.	Грунты сухие — увлажняются только за счет атмосферных осадков.	> 2	> 1	Слабо пучинистый
Сухие участки — слабо всхолмленные места, равнины, пологие склоны с затяжным уклоном.	Грунты влажные — увлажняются за счет атмосферных осадков и верховодки, частично подземными водами.	> 1,5	> 0,5	Средне пучинистый
Мокрые участки — пониженные равнины, котловины, межсклоновые низины, заболоченные места.	Грунты влагонасыщенные — увлажняются за счет атмосферных осадков и подземных вод, в том числе верховодки.	< 1,5	< 0,5	Сильно пучинистый

Степень пучинистости грунта определяется по худшему из двух показателей — степени влажности или значению Z.

Например, имеем на участке грунт глинистый, по условиям рельефа определяем степень влажности — грунты сухие. По этому показателю грунт вроде бы можно отнести к слабопучинистому. Но величина Z=1,7 м. (1,7>1,5), и по этому параметру грунт на участке следует отнести к среднепучинистому.

Товары для строительства и ремонта

⇆

В этих же условиях, но при Z=2,5 м. (>2) — этот же грунт будет слабопучинистым.

Эта оценка грунта будет весьма приблизительной

— степень пучинистости для некоторых разновидностей грунтов будет смещена в неблагоприятную сторону.

При залегании под подошвой фундамента (в пределах расчётной глубины промерзания) грунтов различной консистенции степень пучинистости этих грунтов в целом принимается по средневзвешенному значению.

Откуда берутся подземные воды и что такое верховодка читайте в статье «Подземные воды, верховодка и фундамент».

Способы снижения морозного пучения фундаментов.

В настоящее время известны следующие способы снижения морозного пучения фундаментов.

1. Замена пучинистого грунта в основании фундамента на непучинистый. Этот способ достаточно эффективен, но нецелесообразен по экономическим соображениям, поскольку связан с большим объемом земляных работ. Кроме того, он осуществим только при строительстве сооружения, но не после его возведения.
2. Снижение обводненности промерзающего массива грунта в основании фундамента. Этот способ достаточно эффективен, но требует проведения дорогостоящих работ по устройству дренажной системы для отвода поверхностных и грунтовых вод.
3. Увеличение глубины заложения свайных фундаментов с целью усиления защемления свай в грунте ниже глубины сезонного промерзания. Этот способ недостаточно эффективен, так как не обеспечивает достаточную величину удерживающих сил, а также нетехнологичен и неэкономичен.
4. Применение обмазок и покрытий фундаментов, предотвращающих их смерзание с грунтом. Практика показывает, что полезное действие их является временным и ненадежным, так как многократное замерзание и оттаивание пучинистого грунта, контактирующего с обмазками, вызывает быструю потерю свойств смазочного материала.
5. Замедление процесса промерзания грунтов в контактной зоне путем их засоления. Этот способ достаточно эффективен, но обладает кратковременностью положительного действия из-за быстрого опреснения под действием грунтовых и поверхностных вод [1].

Минимизация последствий пучения в частном строительстве

Если грунт на вашем участке подвержен сезонным подвижкам, то при строительстве на такой основе нужно позаботиться о дальнейшей безопасности целостности конструкций. Для этого нужно соблюдать несколько базовых правил:

• Необходимо знать тип грунта.
• Знать глубину промерзания для вашего региона.
• Заглублять основание ниже глубины промерзания для борьбы с выталкивающими силами.
• Минимизировать касательные боковые силы. Этого можно добиться обмазкой фундамента специальными составами или уменьшением площади бокового контакта (свайные фундаменты).
• Подбирать оптимальный тип фундамента исходя из проекта дома и свойств почвы на участке.
• Проводить дополнительные мероприятия по утеплению участков близлежащих к фундаменту. В данном случае утепляется грунт вокруг дома, что предотвращает промерзание.
• Бороться с искусственным переувлажнением почвы. Для этого сооружается отмостка для защиты основания дома от осадков. Можно также использовать дренажную систему (более дорогостоящее решение).

Любой из этих способов эффективен в борьбе с морозным пучением грунта. А их комбинация только усилит эффект. Начиная строительство дома, заранее позаботьтесь об этом и минимизируйте нежелательные последствий от возможных деформаций фундамента.

Что представляет собой мелкозаглубленный ленточный фундамент

Обычный ленточный фундамент погружают в грунт на глубину ниже уровня промерзания. Этот тип основания так и называется — заглубленный. Лента опирается на неподвижные и стабильные грунтовые слои, что исключает воздействия снизу на подошву основания.

При этом, боковые поверхности ленты имеют большую площадь, на которую воздействуют силы горизонтального пучения. Это создает высокую опасность для основания, поскольку боковые воздействия способны разрушить опорную конструкцию и представляют угрозу для постройки.

В наибольшей степени это опасно для малоэтажных небольших зданий, частных домов, вес которых не способен компенсировать нагрузки пучения.

Существует облегченный вариант — мелкозаглубленный ленточный фундамент (МЗЛФ). Он погружается в грунт на относительно небольшую глубину — от 0,5 до 1,5 м, что выше уровня промерзания грунта.

При такой конструкции возникает возможность появления вертикальных нагрузок пучения, воздействующих снизу, но значительно уменьшаются боковые воздействия.

Конструкция МЗЛФ практически полностью повторяет обычный заглубленный вариант, но с поправкой на меньшую глубину погружения. Несущая способность такого основания снижена и позволяет строить только относительно легкие малоэтажные здания, в основном, используется для частных жилых домов.

Что такое пучинистые грунты и чем они опасны

Пучение — это процесс увеличения объема грунта, вызванный расширением замерзшей воды. Пучинистые грунты содержат достаточное количество влаги, чтобы она смогла повлиять на их состояние в зимнее время.

Примечательно, что на территории России большинство участков обладают таким типом грунта, что выдвигает особые требования к технологии строительства.

Наличие влаги делает эти грунты нестабильными в холодное время года. Вода замерзает, расширяется и начинает выдавливать грунт вверх или в стороны наименьшего сопротивления.

При этом, величина нагрузок пропорциональна количеству влаги и в разных точках имеет собственные значения, которые постоянно меняются.

Рассчитываем сопротивление грунта по своим параметрам

Возвращаемся к величине R. Ее мы уже можем определить в зависимости от своих данных. В этом случае применима одна из формул:

• Если глубина заложения фундамента меньше 2 м, то используем формулу R=Ro * (1+k1*(b-100)/100) * ((d+200)/(2 * 200));
• Для фундамента глубиной более 2 м необходимо производить вычисления по формуле R=Ro * (1+k1*(b-100)/100) + (k2 * y’ll * (d-200).

Так как наш фундамент будет установлен на глубину 150 см, то применяем первую формулу, а остальные значения мы уже имеем. Получаем R = 2,5 x (1+0,05 x (30-100)/100) x ((150+200)/(2 x 200)) = 2,11 кг/см2. Так мы получаем показатели сопротивления грунта. Теперь имеем абсолютно все необходимые данные, чтобы рассчитать фундамент.

Рассчитываем площадь основания. Для этого достаточно умножить длину всех фундаментных лент на ширину. Получаем 39 м х 0,3 м = 11,7 м2 или 117000 см2. Чтобы определить, какое давление будет оказывать масса дома на грунт под ним, делим расчетную нагрузку (мы получили ее в процессе сбора нагрузок) на площадь фундамента. Получается 161280 кг / 117000 см2 = 1,38 кг/см2. Осталось только сравнить сопротивление грунта (2,11 кг/см2) с полученной величиной. Получилось, что показатели грунта выше, значит, он выдержит оказываемые нагрузки.

Рассчитываем вес дома

Расчет этого типа называется сбором нагрузок. Практически каждый крупный элемент дома имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Например, стена имеет высоту (h), толщину (b) и длину (L). Если умножить все эти показатели, то получится объем (V). Если мы знаем плотность материала (p) и объем стены, то не составит труда вычислить массу (M). Для этого нужно лишь умножить объем на плотность.

Например, подготовим план фундамента и срез будущего дома и попробуем рассчитать, какая нагрузка будет исходить от постройки. Допустим, основание решено было сделать ленточным монолитным. Фундамент будет выполнен с тремя перегородками по 9 м и двумя по 6 м. Умножаем 9 на 3 и 6 на 2 и складываем два полученных значения. Получаем общую длину ленты в 39 м.

Предположим, толщина ленты будет 0,3 м (b). При этом общая высота ленты и цоколя составляет 2,1 м (h). Плотность монолитного железобетона нам известна, она составляет 2500 кг/м3 (h). Остается только перемножить все величины (39 х 0,3 х 2,1 х 2500). Получаем 61 425 кг или 61,4 Т. Это и будет нагрузкой, которая исходит от фундамента дома.

Однако еще нужно учесть так называемый коэффициент надежности. Так как речь идет об обычной строительной площадке, то он составит 1,3. Поэтому дополнительно умножаем нагрузку на этот коэффициент и получаем более точную расчетную нагрузку, которая теперь составляет 79,85 Т.

По аналогичному принципу производится расчет прочих элементов постройки. То есть, зная высоту, ширину, дину и плотность стены нам не составит труда определить, какое давление она будет оказывать. Получив данные обо всех конструкциях, рекомендуется внести их в таблицу, которая и представляет собой сбор нагрузок, то есть данные о постоянных нагрузках (не меняются в процессе эксплуатации постройки) и временных (вес жильцов, мебели, оборудования, включая массу снега).

Получив суммы постоянных и временных нагрузок и учитывая коэффициент надежности, высчитываем конечную нагрузку, которая составит 161,28 Т. Это вес будущей постройки. Теперь нужно рассчитать, какое сопротивление будет оказывать грунт. А это напрямую зависит от его разновидности.

Структуры грунта и особенности

Изображение определения состава по цвету

Грунты можно подразделить на пять основных типов, и у каждого из них есть свои особенности. Например, хрящеватый грунт состоит с песка и глины, имеет каменистое основание. Благодаря малому содержанию просадочных пород, такой грунт оптимален для строительства, он не размывается водой, имеет небольшую глубину промерзания и обладает высокой прочностью.

Из-за разного состава почвы, хрящеватые грунты имеют хорошую фильтрацию, обладают отличными несущими свойствами и выдерживают значительные нагрузки. Существуют и другие виды:

1. Песчаный грунт достаточно легкий, быстро пропускает воду, и водные горизонты залегают глубоко. Как правило, промерзает на глубину до метра, на нем возводятся основания ленточного типа из железобетонных блоков или некоторые виды столбчатых конструкций. Содержание просадочных пород огромное, поэтому такие почвы склонны к горизонтальному и вертикальному смещению.
2. Скалистая почва считается одной из самых прочных, не подвержена пучению, глубина промерзания незначительная. При строительстве домов на таких почвах иногда даже не углубляют сильно подошву, поэтому и стоимость возведения дома незначительная, а содержание просадочных пород практически сведено к минимуму.
3. Свойства глинистых грунтов таковы, что они содержат много воды, поэтому даже под воздействием незначительных осадков сразу превращаются в жижу. Поэтому, не отличаются прочностью, склонны к пучению и имеют большую глубину промерзания, а также имеют высокое содержание просадочных пород. За счет проседания на неравномерных слоях грунта, часто возникает просадка основания в разных местах, которая неизбежно приведет к полному разрушению дома. Такая почва считается неблагоприятной для строительства, на ней практикуют использование ленточного блочного или бетонного монолитного фундамента, свойства которых позволяют нейтрализовать пучение.
4. Торфянистые грунты очень легкие, имеют огромное количество пор и не отличаются прочностью. Торфяник сильно насыщен влагой, грунтовые воды расположены высоко. Тут единственно правильный вариант – это устройство монолитной бетонной плиты или столбчато-ригельного основания. Такие грунты обладают свойством неравномерного пучения, они неустойчивые и содержат много просадочных пород.

Работы по укладке

Незаглубленный и мелкозаглубленный фундамент на пучинистом грунте должен быть возведен в соответствии с такими требованиями:

• копка траншей производится с учетом ширины основания, опалубки, утеплителя, гидроизоляции и декора; поверхность подушки выстилается гидрозащитным барьером, а боковые поверхности несущих конструкций обрабатывают гидроизолирующим материалом – пленкой или толью; утрамбка материала подушки осуществляется при помощи смачивания слоев материала водой насыпают песчаную подушку толщиной 20-30 см; установка опалубки осуществляется из доступных подручных материалов – фанеры, обрезной доски, элементы которой нужно скрепить между собой; стальной армирующий пояс укрепляется вдоль и поперек основания путем связывания специальной проволокой; заливка пояса бетонным уплотнителем производится за один прием с высоты не более 0,5 м; возможна закладка второго слоя армирующего пояса.

Примерно такой «пирог» должен получиться в результате после заливки мелкозаглубленного фундамента

Определяем глубину промерзания грунта и его сопротивление

В этом случае все зависит от конкретного региона. Поэтому достаточно найти в интернете таблицу глубины промерзания грунта по СНиП. В ней будет указан конкретный город или регион, типы преобладающего грунта и глубина их промерзания. Если в предыдущем тесте мы определили, что на участке под застройку преимущественно суглинки и глина, а дом нужно построить в Вологде, то глубина промерзания составит 1, 43 м.

Теперь нужно уточнить показатели расчетного сопротивления грунта (R). Она представляет собой показатели прочности грунта, расположенного под фундаментом, при превышении которых грунт начинает деформироваться, оказывая влияние на основание дома. То есть нужно понять, после какой нагрузки грунт определенного типа будет проседать.

Источник: furnilux.ru