Морозное пучение грунтов.

На большей территории России температура воздуха зимой опускается ниже 0° С и грунт промерзает в течение 2—9 месяцев. С наступлением отрицательной температуры воздуха каждый из элементарных слоев грунта находится последовательно в одной из следующих стадий.

Переход из одной стадии замерзания в другую происходит плавно. Каждой стадии охлаждения соответствуют вполне определенные физические процессы и связанные с ними изменения состояния и свойств грунта. Главную роль при этом играют процессы перемещения (миграции) и кристаллизации (замерзания) воды.

Одним из наиболее важных процессов, происходящих при промерзании грунта, требующих учета в проекте оснований и фундаментов, является увеличение его объема (как правило, неравномерное) и последующая осадка-просадка при оттаивании (также неравномерная), которые являются самой распространенной причиной деформаций различных зданий и сооружений (особенно малонагруженных) при производстве работ в зимнее время.

Морозное пучение грунта — это результат объемного расширения воды (примерно на 9%), находящейся в нем до промерзания и дополнительно мигрирующей к границе промерзания в процессе перехода воды из жидкого состояния в твердое (лед).

При замерзании даже всей поровой воды в грунте увеличение его объема не превышает 3...4% (закрытая система). В то же время в натуре объем грунта при его промерзании увеличивается на 10—50 и даже 100%. Рост объема грунта при промерзании (пучении) сопровождается резким увеличением влажности грунта с образованием в нем льда в виде линз и прослоек. Пучение грунта развивается вследствие притока (миграции) воды к фронту промерзания из нижележащих слоев (открытая система).

В природных условиях, и особенно в процессе строительства, вследствие неоднородности состава грунтов, распределения влаги, плотности, условий промерзания и ряда других факторов морозное пучение всегда бывает неравномерным, а поэтому опасным для сооружения, так как при этом возникают и неравномерные силы морозного пучения.

При положительной температуре грунты представляют собой обычно трехкомпонентную систему, состоящую из минеральных частиц, воды и воздуха (е). При отрицательной температуре грунты переходят в более сложную четырехкомпонентную систему. Лед в мерзлом грунте является цементирующим веществом между отдельными минеральными частицами. Кроме того, лед является заполнителем пор грунта и его разрыхлителем при промерзании (пучении).

Соотношение между свободной и связанной водой в грунтах различно и определяется, ее гидрофильностью (способностью минералов абсорбировать воду) и составом поровой воды. В пылевато-глинистых грунтах связанной воды гораздо больше по сравнению с грунтами, сложенными преимущественно частицами грубодисперсной фракции (крупнее 0,1 мм). В песках крупных и средних и крупнообломочных грунтах с заполнителем до 10% (по массе) этой воды немного и она не имеет практического значения.

Температурой начала замерзания считается наивысшая и наиболее устойчивая температура, наступающая вслед за температурным скачком и обусловленная кристаллизацией наименее связанной с минеральным скелетом воды в объеме грунта, охлажденного до температуры ниже нуля. Температура для разных грунтов различна (для песка 0° С, для глины —0,5...—1,5° С) и зависит в основном от влажности и наличия солей в растворенном виде. Так, температура начала замерзания суглинка при концентрации раствора солей и влажности 16% составляет —10°, при концентрации 23,1% — соответственно —21,1°, а незасоленного —1,0°. Эту особенность необходимо учитывать и принимать меры по понижению температуры начала замерзания грунта, находящегося вблизи фундамента или под ним.

Объем промерзающего грунта увеличивается в том случае, если его влажность превосходит расчетную «критическую» влажность, ниже значения которой прекращается перераспределение влаги в промерзающем грунте. Коэффициент водонасыщения грунта при его критической влажности равен примерно 0,90. Но эта зависимость выражает лишь предел влажности, характеризующей стабильное состояние грунта при его промерзании в условиях трехфазной системы, но не учитывает способность влаги к передвижению (миграции).

Интенсивность и глубина сезонного промерзания грунта в естественных условиях определяются большим количеством факторов: продолжительностью и суровостью зимнего периода (количество отрицательных градусо-дней), величиной снежного покрова, временем выпадения осадков (твердых и жидких), видом и составом грунта и его теплофизическими и влажностными характеристиками, естественной влажностью и ее динамикой во времени, наличием и характером растительного покрова, экспозицией местности, глубиной залегания подземных вод, рельефом местности и др. Многие из перечисленных факторов имеют региональное значение.

Такое большое количество определяющих факторов чрезвычайно затрудняет прогноз глубины промерзания и, следовательно, пучения грунта.

Во все время промерзания грунтов (основная стадия), особенно в области интенсивных фазовых переходов воды (при температуре от 0 до —5°), при некоторых условиях может происходить значительное перераспределение воды, содержащейся в грунте. Обычно в песках мелких и пылеватых, в пылевато-глинистых грунтах наблюдается подтягивание ее снизу вверх (миграция) к фронту охлаждения и промерзания.

Миграция воды в грунтах — явление очень сложное. На качественную сторону процесса миграции оказывают влияние многие факторы: гранулометрический и химико-минералогический состав грунтов; гидрофильность грунта; начальная влажность и наличие подтока воды извне к промерзающему грунту; плотность грунта; скорость и время промерзания; температура среды, при которой замерзает вода в грунте; величина приложенной нагрузки (давление); повторность циклов замерзания и оттаивания и др.

Миграция наблюдается только в гидрофильных (смачивающихся водой) замерзающих системах, Наиболее интенсивная миграция происходит в грунтах с малой скоростью промерзания и с высоким содержанием пылеватых фракций (размер частиц 0,05...0,005. Это объясняется тем, что грунты, содержащие в своем составе преобладающее количество (более 50%) пылеватых фракций, в природных условиях характеризуются высоким капиллярным поднятием и, следовательно, легкой отдачей воды и быстрым ее поглощением. Структурная связность этих грунтов очень слабая. Такие физические свойства грунтов создают наиболее благоприятные условия для льдовыделения в промерзающем грунте (пучение).

Наличие в глинистых грунтах большого количества коллоидных частиц сильно затрудняет передвижение воды по капиллярам, что резко ограничивает возможность большого накопления льда, образующегося за счет подтягивания воды по капиллярам из нижних слоев грунта к фронту промерзания. Кроме того, мелкодисперсные вшнистые грунты обладают большой удельной поверхностью частиц и за счет поверхностной энергии притягивают к себе воду; таким образом, эти грунты затрудняют кредвижение воды по тонким капиллярам к слою промерзания и, следовательно, уменьшают возможность накопления линз и прослоек льда.

В крупноскелетных промерзающих грунтах (крупнообломочные грунты с песчаным заполнением, пески крупные и средние) миграция практически отсутствует, что объясняется малой величиной удельной поверхности, наличием фильтрационных и других свойств (при любом положении уровня подземных вод). При промерзании таких грунтов происходит отжатые «поршневой эффект» воды из промерзающего слоя гидростатическими силами, развивающимися вследствие увеличения объема воды при замерзании, и не замерзшая еще вода перемещается от фронта промерзания — отжимается.

В свою очередь в крупноскелетных грунтах (супесчаных, суглинистых, глинистых моренах) при содержании в виде заполнителя частиц размером менее 0,1 мм более 10% по массе наблюдается интенсивная миграция влаги. В зависимости от положения уровня подземных вод эти грунты могут относиться к средне- и даже сильнопучинистым грунтам.

В песках мелких и пылеватых, в пылевато-глинистых грунтах (супесях, суглинках, глинах, особенно ленточных), промерзающих в условиях обводнения, наблюдается интенсивная миграция влаги. Перечисленные грунты при промерзании дают деформации до десятков сантиметров (например, ленточные глины Карелии — до 20 см на 1 метр промерзания) и причиняют значительные повреждения фундаментам зданий и сооружений. Надо помнить, что чем ближе уровень подземных вод к границе промерзания, тем большей степенью пучинистости обладают пылевато-глинистые грунты при прочих равных условиях.

Наиболее пучинистые грунты содержат пылеватых частиц от 30 до 80%. Дело в том, что подобные грунты имеют слабо выраженную текстуру и незначительное сцепление между цылеватыми частицами, поэтому при промерзании ледяные кристаллы в таких грунтах образуются внутри структурных элементов и вызывают значительные деформации морозного пучения. При увлажнении пылеватые грунты теряют сцепление между частицами, при промерзании в них образуется большое количество ледяных прослоек и линз.

На величину морозного пучения грунтов большое влияние оказывает плотность их сложения. Так, если грунты очень плотные, то при их промерзании наблюдается незначительное пучение (хотя все поры заполнены водой), поскольку такие грунты имеют малое количество воды и в них затруднена возможность ее передвижения при промерзании. В очень рыхлых грунтах много пор и пустот, которые обычно свободны от воды, и за счет этих пустот могут гаситься деформации пучения. Грунты средней плотности с полным заполнением всех пор водой при промерзании сильно увеличиваются в объеме, т. е. деформируются от морозного пучения.

Таким образом, решающим фактором, вызывающим пучинистость грунта, является его влажность перед промерзанием (предзимняя), с увеличением которой до определенного предела морозоопасность возрастает. При определении степени пучинистости грунта необходимо учитывать положение и возможное изменение уровня подземных вод. Степень пучинистости грунта в зоне капиллярного увлажнения (аэрации) зависит от вида грунта или заполнителя, его показателя текучести и ряда других факторов.

Следует помнить, что в условиях влажного климата Северо-Запада нарушение естественного сложения грунта при производстве земляных работ приводит к значительному дополнительному увлажнению оснований и обратных засыпок (пазух), а часто и к появлению «верховодки», не обнаруженной при изысканиях.

Незнание процессов, протекающих в грунте при промерзании — оттаивании, является причиной неправильного производства строительных работ нулевого цикла в зимнее время и как следствие этого — деформирования, как правило, малонагруженных (легких, законсервированных) зданий и сооружений.

Для прогнозирования характеристик пучения (относительной деформации пучения) грунтов необходимо установление ряда нормативных значений исходных показателей, к которым в первую очередь относятся:

Величина суммарных касательных сил морозного пучения, действующих на фундаменты

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

Главными факторами, обуславливающими величину нормальных сил морозного пучения, являются;

С ростом площади подошвы столбчатого фундамента увеличивается объем зоны, в которой действуют напряжения от передаваемой на основания нагрузки, которые противодействуют объемному расширению грунта при пучении. Поэтому при одинаковом удельном давлении на основание меньшему выпучиванию подвергаются фундаменты с большей площадью (шириной) подошвы. С увеличением же глубины под фундаментом промерзания влияние площади (ширины) подошвы уменьшается.

При постоянной скорости пучения грунта удельные нормальные силы морозного пучения пропорциональны подъему ненагруженного основания и зависят от отношения ширины подошвы фундамента к толщине слоя мерзлого грунта под ним, а для столбчатых фундаментов - также от площади подошвы.

Уменьшение удельных нормальных сил морозного пучения при подъеме фундаментов практически пропорционально подъему . Коэффициент пропорциональности зависит от скорости пучения и толщины слоя мерзлого грунта, а также от формы и площади подошвы столбчатых и ленточных фундаментов.

Морозное пучение грунтов

Морозное пучение грунтов, влияние оказываемое на фундаменты сооружений

1 400 рублей за метр. Подробнее
Почему стоит заказать именно у нас

Морозное пучение грунтов основания фундаента

Морозное пучение грунтов

Морозное пучение грунтов, влияние оказываемое на фундаменты сооружений

1 400 рублей за метр. Подробнее Почему стоит заказать именно у нас

Морозное пучение грунтов основания фундаента

1 400 рублей за метр. Подробнее
Почему стоит заказать именно у нас