Почва вспучивается, если жидкость в ней замерзает. Лед отличается меньшей плотностью, чем вода, и стремится занять больший объем. Расширение приводит к сдвигам частиц грунта и вздутию земельных слоев. Пучинистые грунты содержат большое количество влаги, поэтому возведение фундаментов в таких слоях становится рискованным, если не принять меры.
Особенности пучинистых грунтов
Пучинистый грунт расширяется при замерзании
Морозное пучение — это деформация влагонасыщенных почв внутри объема. Криогенное вздутие нескальных грунтов происходит из-за кристаллизации капель и разуплотнения органических компонентов. Ледяные вкрапления в нескальных породах получают форму поликристаллов, прослойков, линз. Пылевато-глинистые слои набухают от подъема влаги из ниже лежащих пластов к области промерзания.
Варианты пучения:
- если влага распределяется равномерно по вертикали почвы, пучение проявляется на уровне 3%,
- движение потоков или неравномерное промерзание ведет к увеличению набухания до 10-25%.
Конструкции фундаментов поднимаются от вздутия грунта, но весной при оттаивании не могут осаживаться вместе с землей в обратном направлении, возникает эффект выпучивания опор (столбов, монолитных и сборных лент). В торфяниках возникают долговременные бугры вспучивания, которые образовываются разными способами.
При зимней оттепели мигрируют водяные потоки, которые впоследствии замерзают. Такое явление повторяется многократно и ведет к появлению объемных ледяных шаров. Бугры растут со скоростью до 10 – 20 см за год. Рыхлые грунты зимой смерзаются с телом вкопанного фундамента, а весной поднимают его. Полость под опорой наполняется жидкостью или разжиженным грунтом. Процесс повторяется несколько лет и ведет к обрушению дома.
К непучинистой категории относят обломочные породы и скальные почвы. Осколочные фрагменты получаются при разрушении горношахтных пород, в группу попадает щебень, гравий и другие материалы с крупными зернами в составе. Сюда же относят пески средней и крупной фракции.
Увеличение структурных частиц ведет к уменьшению степени пучения. Фундаменты в таких слоях заглубляют независимо от отметки промерзания и уровня стояния почвенной жидкости.
Как определить тип почвы
Измеритель степени пучинистости грунта
Полевые изыскания грунта включают инструментальные исследования и наблюдения за поведением закрепленных глубинных маркеров (реперов). Применяют приборы (пучиномеры), которые содержат в конструкции термоизоляционный контейнер для почвы с образцом опоры и датчики измерения сдвига.
Склонность земельного слоя к вздутию называют степенью морозной пучинистости. Ее находят по формуле F = (R – r) / r, где:
- F — степень пучения,
- R — высота набухшего слоя,
- r — высота образца до замерзания.
К пучинистым относят почвы, показатели которых больше 0,01, такие породы увеличивают объем больше чем на 1 см при глубине промерзания 1 м.
Оценка заключается в исследовании опытного фундамента с анкерными элементами для противодействия пучению. Измерительный прибор имеет пружинистый элемент, деформации которого показывают уровень вздутия. Линейные размеры сдвига фиксируют датчики и детекторы.
Есть методы определения степени пучинистости без нарушения целостности образцов под действием сил деформации. Информативные датчики не вводят в землю, приборы не контактируют со слоем почвы.
К таким исследованиям относят:
- гаммаскопию,
- ультразвуковой рентген,
- лазерный способ.
Такие приборы фиксируют сдвиги и перемещения минеральных частиц при деформации на расстоянии, но для считывания и работы с показателями требуются специальные технические знания и умения.
При возведении частного дома заказывают лабораторное изучение образца земельного слоя на участке. Анализ занимает некоторое время, но в результате выдается официальное заключение и сертификат о составе и свойствах грунта в месте строительства.
Есть грубая оценка, которая по гранулометрическому строению заведомо определит непучинистый грунт. Среднее тестирование проводят по формулам. Точный результат получают по итогам полевого изыскания или лабораторного исследования.
Классификация грунтов по типу вспучивания
Степень пучинистости грунтов
Зимой вспучивание имеет такую мощность, что поднимает опорное основание вместе со зданием, при этом весной приподнятое строение не возвращается в привычное положение. Плотность ледяного вкрапления составляет 916 кг/м3, аналогичный показатель воды — 1000 кг/м3. Это говорит о том, что объем льда больше кубатуры воды на 9%, поэтому создается дополнительная нагрузка на структуру земляного слоя. Грунт движется под действием силы давления, но не может сдвинуть глубоко лежащие пласты, а поднимает верхнюю часть вместе с постройкой.
Классификация пучинистых грунтов:
- непучинистые,
- слабопучинистые,
- среднепучинистые,
- сильнопучинистые.
Перечень основывается на размере показателей текучести и коэффициента содержания влаги. Слаботекушие имеют предел текучести 0 – 0,25, коэффициент содержания воды — 0,6 – 0,8. В категорию попадают крупнообломочные породы с песчаным наполнителем, которого должно быть не больше 30% от массы.
К среднепучинистой группе относят глины, супеси со значением текучести 0,25 – 0,5, пылеватый и мелкий песок — текучесть 0,8 – 0,93 и обломки пород, в которых есть больше 30% песчаного заполнителя. Сильнопучинистые представлены грунтами с текучестью глины свыше 0,5, степенью пучинистости больше 0,07 и влагонасыщенными песками с коэффициентом воды свыше 0,95.
Мороз вспучивает больше всего глины, которые увеличивают объем до 15%. Пески, особенно скальных и каменистых пород, практически не вздуваются при заморозках. Разница состоит в том, что глина удерживает воду внутри структуры, а песок пропускает ее между мелкими частицами.
Склонность к вздутию зависит от химического и минерального состава. Каолинитовые породы менее подвижные, чем монториллонитовые почвы. Грунты с большим содержанием калия являются хорошим основанием под фундаменты.
Способы борьбы с пучением грунта
Сила пучения действует на подошву фундамента и его стенки (нормальная и касательная составляющие). Если увеличивают глубину заложения, первое значение снижается, но второй показатель повышается, т.к. становится больше боковая площадь опоры. Касательное пучение достигает силы 5 – 7 т/м². Этого показателя хватает, чтобы выдавить глубокий фундамент с домом из газо- или пенобетона.
Методы снижения влажности почвы, которые сохранят стабильность грунта и предупредят плохие последствия:
- укладка дренажных коллекторов для отвода земельной влаги,
- вертикальное планирование с уклоном стен не меньше 5% для ухода воды с поверхности,
- уменьшение отметки залегания опор заменой нестабильного основания прочным грунтом,
- устройство водостойких отмосток по периметру строения,
- регулярные мероприятия по снижению воды,
- уплотнение земли для обратной отсыпки фундаментных пазух,
- устранение угроз прорыва водопровода и канализации,
- удаленность фундамента от колодцев, водоемом, моечных станций, коммуникаций.
Имеет значение обезвоживание почвы в результате установки дренажной системы. Участок осушается при устройстве песчаной подушки и установке перфорированных труб. Дренаж устраивают по периметру, а недалеко от котлована (0,5 м) копают яму глубиной по отметке заложения. В канаву выводят изолированную трубу с уклоном и присыпают крупным гравием или песком.
Гладкая поверхность рубероида под подошвой фундамента сгладит вертикальное поднятие и вызовет эффект скольжения. Такое же действие оказывает сглаживание поверхности почвы под пятой фундамента. Нестабильную почву меняют прочным грунтом, например, гравелистым песком крупной фракции. Котлован роют ниже отметки промерзания, пучинистую землю убирают, а вместо нее насыпают и утрамбовывают новый слой. Это действенный метод, но он предполагает большую кубатуру земельных работ.
Как обезопасить фундамент постройки
Глубина заложения фундамента в зависимости от пучинистости грунта
Фундамент закладывают ниже отметки промерзания — так на основание не подействует давление от пучения. Что касается боковой поверхности, то частицы почвы будут примерзать к опоре и поднимать фундамент при вздутии. Поэтому глубокая закладка применяется только для тяжелых строений с железобетонными перекрытиями и со стенами из кирпича, бетона.
Утепление почвы используют как метод снижения влияния грунта при строительстве мелкозаглубленных опор под дом из легких материалов. Замерзание земли исключается, и влага не вспучивает почву. На землю укладывают утеплительный слой, ширина ленты соответствует высоте промерзания. Толщину изоляции принимают по расчету в зависимости от свойств материала и климата в регионе.
Фундамент защищают введением специальных добавок, например, делают засаливание почвы. Это временное воздействие используется в период возведения дома. Используют калия хлорид или технический хлорид натрия из расчета 30 кг на кубометр земли. Перемешивается с грунтом для обратной засыпки и вводится в пространство вокруг основания дома. Делается на глубине от 0,5 до 1,0 метра.
Землю пропитывают раствором на основе нефти. Делают два слоя на границе с боковой поверхностью фундамента при обратной отсыпке пазух. В состав входит битум, окись кальция, анионные активные компоненты, вода. Количество раствора принимают на уровне 5 – 10% от массы почвы. Используют полимерные модификаторы для смешивания с землей, которые замедляют обледенение.