А.Е.Сутягин©, 2010
1. Введение
Ввиду возросшего в последние годы строительства малоэтажных загородных домов, гаражей, сельхозпостроек стала актуальной проблема экономичных, но при этом, надежных фундаментов. Согласно классическим нормативным требованиям для одно-двух этажного здания требуется устройство фундамента на высоту еще одного этажа (в средней полосе России). Но даже для возведения Останкинской телебашни высотой 540м (инженер Н.В. Никитиным 1963-67г ) потребовался фундамент глубиной всего 4,6м т.е. менее 1% надземной части. Требование по устройству глубоких фундаментов (ниже глубины сезонного промерзания) обусловлено свойством грунтов, залегающих на большей части территории средней полосы - пучинистостью.
Пучинистость - свойство грунта увеличиваться в объеме (пучиться) при их промерзании (сезонном). Силы пучения делятся на нормальные - действующие на подошву фундамента и касательные - действующую на боковую поверхность (поверхности) фундамента. Последние, как раз и влияют на заглубленные фундаменты, при неправильном проектирование которых также возможны деформации здания, даже и при заложении фундамента ниже глубины промерзания.
Далее рассмотрим способы учета пучинистости грунта, а также расчётные и конструктивные факторы позволяющее уменьшить или устранить отрицательные факторы пучинистости на фундаменты и на все здание (сооружение) в целом.
В статье использованы материалы работ [1] и [2], а так же собственный опыт автора в данной области. Согласно [2] малозаглубленные фундаменты позволяют снизить: - расход бетона на 50-80% - трудозатраты на 40-70% - стоимость на 50% и более по сравнению с традиционными заглубленными фундаментами.
2. Факторы пучинистости
C точки зрения физико-механического строения - грунт представляет собой трех компонентную среду состоящую из минеральных частиц, воды (w) и пузырьков воздуха. При замораживании грунт переходит в более сложную, четырехкомпонентную, систему состоящую минеральных частиц, воды, пузырьков воздуха и льда, который в пылевато-глинистых грунтах может занимать до 50% объема грунта. С одной стороны, лед в мерзлом грунте служит "цементом” между отдельными минеральными частицами. С другой стороны, лед является заполнителем пор грунта и его разрыхлителем при промерзании (пучении).
Морозное пучение - это результат объемного расширения (примерно на 9%) воды, находящийся в нем до промерзания и дополнительной воды поступающей (мигрирующей) к границе промерзания в процессе перехода воды в лед. Таким образом на величину пучения наряду с собственно физико-механическими свойствами грунта влияет (в значительной степени) собственная влажность грунта, а также наличие свободной воды в нижележащих слоях, а также поверхностных вод. При возможности мигрирования свободной воды из нижележащих незамерших горизонтов увеличение объема грунта может значительно превышать 9% (до 20% и более). Это возможно при небольшой глубине уровня залегания подземных вод (УГВ).
Объем промерзающего грунта увеличивается если его влажность (w) превосходит расчетную критическую влажность (wcr), ниже значения которой прекращается перераспределение влаги в промерзающем грунте.
Далее наступает миграция влаги к фронту промерзания. Наиболее интенсивно это проявляется в грунтах с высоким содержанием пылеватых фракций (размер частиц d=0,05-0,005 мм). Это объясняется тем, что грунты содержащие в своем составе преобладающее количество (более 50%) пылеватых фракций, в природных условиях характеризуются высоким капиллярным поднятием (z) и, следовательно, легкой отдачей воды и быстрым ее поглощением. 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, мелкодисперстные глинистые грунты обладают большей удельной поверхностью частиц и за счет поверхностной энергии притягивают к себе воду: таким образом эти грунты (d <0,005) затрудняют передвижение воды по тонким капиллярам к слою промерзания, и следовательно уменьшают силу морозного пучения.
В крупноскелетных промерзающих грунтах (крупнообломочные грунты с песчаным заполнением, пески крупные и средние d>0,1мм) миграция практически отсутствуют ввиду малой удельной величиной поверхности, а также наличием фильтрационных свойств. При промерзании таких грунтов происходит отжатие ("поршневой эффект”) воды из промерзающего слоя гидростатическими силами. (При увеличении объема воды при замерзании незамершая вода "отжимается” от фронта промерзания.
В крупноскелетных грунтах при d<0,1 в количестве более 15% (супеси, суглинки, глинистые морены) наблюдается миграция влаги. В зависимости от положения уровня подземных вод эти грунты могут относится к средне- и даже сильнопучинистым грунтам.
В песках мелких и пылеватых, в пылевато-глинистых грунтах, супесях, суглинках, глинах (особенно ленточных), промерзающих в условиях обводнения (высоком УГВ), наблюдается интенсивная миграция влаги.
Таким образом наиболее пучинистые грунты содержат количество пылеватых частиц от 30% до 80%. Подобные грунты имеют слабовыраженную текстуру и незначительное сцепление между пылеватыми частицами, поэтому при промерзании происходит образование ледяных кристаллов внутри структуры грунта, что и приводит к значительному увеличение объема (пучению).
На величину морозного пучения большое влияние оказывает плотность их сложения. При плотных грунтах, доже при заполнении всех пор водой свойство пучения выражаются слабо, т.к. такие грунты содержат малое количество воды и в них затруднена возможность ее передвижения при промерзании.
Степень пучинистости грунта так же определятся его физико-механическими показателями, а именно: числом пластичности Ip и показателем текучести IL.
При определении степени пучинистости грунта необходимо учитывать УГВ, условия увлажнения площадки и высоту капиллярного поднятия.
Интенсивность и глубина сезонного промерзания грунта в естественных условиях (dfn) определяется:
- продолжительностью зимнего периода;
- количеством отрицательных градусо-дней;
- величиной снежного покрова;
- временем выпадения осадков (твердых и жидких);
- видом и составом грунта;
- теплофизическими и влажностными характеристиками;
- наличием и характером растительного покрова, экспозицией местности;
- уровнем подземных вод;
- рельефом местности.
По степени морозоопасности все пучинистые пылевато-глинистые грунты (по отношении к интенсивности пучения f) подразделяются на пять групп по параметру Rf:
Rf = 0,012 (w - 0,1) + w (w - wcr)2 / (wL wp √М0)
где
w - расчетная предзимняя влажность грунта (в десятичных долях) определяется по [1] формула (1) приложения 1;
wcr - расчетная критичная влажность (в десятичных долях) (рис.1);
wL - влажность на границе пластичности;
wp - влажностьна границе раскатывания;
M0- безразмерный коэффициент, численно равный абсолютному значению среднезимней температуры воздуха (∘С) по СНиП 2.02.01-82.
Табл.1. Классификация пылевато-глинистых грунтов по степени пучинистости
Табл.2. Условия увлажнения грунта
Табл.3. Наименьшее расстояние Z от границе промерзания (dfn) до уровня подземных вод (dw)
Согласно [1], [2] в зависимости от степени морозной пучинистости грунта на поверхность фундамента действуют следующие силы морозного пучения:
Табл.4. Нормативные касательные силы морозного пучения
Табл.5. Нормативные нормальные силы морозного пучения создаваемые 1см. промерзающего слоя грунта (по данным М.Ф. Киселева) в зависимости от подошвы фундамента (кгс/см²)
3. Общие конструктивные мероприятия по проектированию малоэтажных зданий на пучинистых грунтах.
Как показывает опыт проектирования зданий и сооружений на пучинистых грунтах, конструктивную схему здания следует принимать "жесткой”, при которой конструктивные элементы не должны иметь взаимных перемещений и деформаций. Деформации "пучение-осадка "должны происходить более или менее равномерно.
Протяженные здания следует разрезать по всей высоте на отдельные отсеки, длина которых принимается: для слабопунистых грунтов до 30м, среднепучинистых - до 25м, сильнопучинистых - до 20м, чрезмерно пучистых - до 15м.
При этом рекомендуется применять следующие конструктивные и технологические мероприятия:
● Утепление грунта по периметру здания, особенно углов здания;
● Устройство отмостки шириной не менее 1,2м, а также дренажных систем для отвода поверхностных и грунтовых вод от здания;
● Организация под фундаментами здания (сооружения) специальной подушки, выполненной из непучинистых материалов (песок, щебень, шлак и т.п.). так же необходимо предусмотреть мероприятия против "заиливания” материла подушки (прокладка геотектиля и т.п.).
● Расположение продольных и поперечных стен следует располагать симметрично относительно главных осей здания, шаг продольных и поперечных стен следует считать одинаковым;
● В пределах одного температурно-осадочного блока должен быть однородный тепловой режим;
● В пределах одного температурно-осадочного блока следует избегать изломов стен в плане и значительных перепадов по высоте;
● Следует избегать ослабления стен в виде ниш, каналов и т. п.
● Сборные элементы покрытий и перекрытий связывать между собой сваркой их закладных деталей и предусматривать анкеровку перекрытий и покрытий в капитальных стенах здания;
● Применять железобетонные и армокаменные пояса по всему периметру продольных и поперечных стен, а также по внутренним несущим стенам. Пояса располагать по обрезу фундамента и в уровне перекрытий этажей, дополнительно армировать простенки и углы здания;
● При близком расположении проемов совмещать надпроемные перемычки с монолитным поясам (пояс-балка);
● При устройстве столбчатых фундаментов необходимо предусматривать воздушный зазор между фундаментной балками и планировочной поверхностью грунта 15-20см.
4. Выбор конструктивных параметров незаглубленных и малозаглубленных фундаментов.
Особенностью незаглубленных и малозаглубленных (далее по тексту малозаглубленных) фундаментов является практически полное отсутствие касательных сил морозного пучения и, как следствие, отсутствие неравномерных деформаций при промерзании - оттаивании грунтов.
В [3] рекомендуется замена пучинистого грунта на всю глубину промерзания непучинистым. Однако, данное мероприятие по объему земляных работ эквивалентно устройству фундаментов на всю глубину промерзания, о чем говорилось в начале статью, и, что не является экономически целесообразным.
В нашем случае основным мероприятием по обеспечению устойчивости и эксплуатационной пригодности здания (сооружения) сводятся к подготовки грунтов основания для укладки на них фундамента с целью снижения деформаций от действия сил морозного пучения п приспособления конструкций фундаментов надфундаментной части к знакопеременным деформациям (поднятие-опускание).
В качестве подготовки основания общепринятым мероприятием является устройство подушки из непучинистых материалов минимально необходимой толщины.
Нормальные силы морозного пучения в большинстве случаев превышают вес надфундаментного строения малоэтажных зданий, и поэтому конструктивные мероприятия должны быть направлены на снижение деформаций выпучивания до предельно допустимых величин (см. табл.6). Практически это выполняется подбором толщины подушки таким образом, что бы деформации основания не превышали указанных значений либо "оставшиеся” силы пучения (см. табл.4) не превышали вес надфундаментной части здания (сооружения).
Табл.6. Предельные деформации малоэтажных зданий и сооружений
Табл.7. Предварительный подбор подушки для малонагруженных зданий и сооружений (по данным В.И.Федорова)
Толщина подушки под подошвой фундамента назначается в зависимости от пучинистости грунта основания и материала подсыпки. Подсыпка может устраиваться как в зараннее устроенных траншеях, так и в виде насыпи над дневной поверхностью грунта (после снятия растительного слоя). Подсыпка позволяет уменьшить глубину сезонного промерзания грунта, снизить температурные градиенты на поверхности, а также создать дополнительный пригруз за счет собственного веса. Эти факторы приводят к уменьшению абсолютных величин, скоростей и значений нормальных удельных сил морозного пучения.
В качестве подсыпки используется непучинистые материалы, в основном пески средне- и крупнозернистые, гравий (обычно в виде смеси с песком). так же возможно использование теплоизоляционных материалов: шлака, шунгезитового или керамзитового гравия и тп. В последнем случае высота подушки может быть уменьшена ввиду уменьшения глубины промерзания грунта. При применение искусственных насыпных материалов прочность подсыпки должна быть проверена расчетом на действие нагрузок под подошвой фундамента от веса (расчетных сил) надземной части здания.
Фундаментов на пучинистых грунтах , как правило, выполняются в виде железобетонной ленты или монолитного железобетонного пояса, входящего в состав конструкции сборных фундаментов.
Ширину железобетонных поясов для наружных стен принимают с выносом от наружной грани на 0,5 кирпича (> 120 мм) и с утеплением (для ликвидации промерзания); для внутренних стен ширина принимается по ширине стены. Пояса (ленты) устраиваются по расчету, шириной не менее 250 мм, высотой не менее 150 мм. Бетон - класса B15, Армирование двойное (сверху и снизу). Продольное армирование из 4 - 8 стержней диаметром 10 - 20мм. Хомуты из гладкой арматуры диаметром 8 мм с шагом не реже 3/4 высоты пояса и не реже 200 мм. (Минимальное армирование см. табл. ниже)
Армокаменные пояса устраиваются высотой не менее 300 мм на ширину кладки в количестве 4 - 10 стержней диаметром 12 мм в каждом шве кладки (армопояса). Марка раствора не ниже М75. Толщина швов кладки должна превышать диаметр арматуры не менее, чем на 4 мм. Минимальная площадь сечения продольной арматуры приведена в таблице.
Табл.8. Минимальная площадь сечения продольной арматуры
Ввиду того, что на практике учесть все факторы деформирования грунта при морозном пучении бывает достаточно сложно, то, по опыту проектирования расчет, поясов (лент) следует производить по следующей расчетной схеме. Принимается произвольная зона фундамента диаметром 6 м. где лента (система лент) может при морозном пучении (осадки) грунта оказаться в "висячем” состоянии, где расчет ведется как свободно-лежащей балки (системы балок) от нагрузки надфундаментонй части (с учетом веса фундамента). По углам здания такая область принимается как консольно-заделанная балка (система балок) вылетом 3 м. При устройстве малозаглубленной фундаментной плиты принимается аналогичная схема расчета.
На фото ниже показан процесс возведения малозаглубленного фундамента в условиях Московской области для одноэтажного производственного здания пролетом 24 м (без промежуточных опор).
 
* * *
Список литературы
1. Проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах. ВСН 29-85. Минсельстрой СССР. М., 1985.
2. Симагин В.Г. Эффективные фундаменты легких зданий на пучинистых грунтах. Учебное пособие. Петрозаводск. 2002г.
3. СНиП 2.02.01-83*. Основание зданий и сооружений.
* * *
| 
