Пучение грунта: причины, расчет, минимизация ущерба
Под термином "пучение грунта" скрывается довольно сложное явление природного происхождения, которое может привести к серьезным последствиям. В тот период, когда земля промерзает, фундамент вместе со всем строением поднимается. При оттаивании происходит наоборот – основание опускается. Но суть в том, что происходит это неравномерно.
В результате строения приходят в аварийное и порой угрожающее состояние. В некоторых случаях из-за такого явления здания и вовсе начинают разрушаться, причем полностью.
Особенность природного явления
Главная особенность процесса пучения заключается в значительном увеличении объема воды в грунте по причине зимнего промерзания. Согласно ГОСТ 25100-2011 различают 5 категорий, которые различаются между собой по степени пучения (в скобках указан уровень расширения почвы):
- Чрезмерно пучинистые грунты – больше чем 12 %.
- Сильнопучинистые грунты – не более 12 %.
- Среднепучинистые грунты – до 8 %.
- Слабопучинистые грунты – примерно 4 %.
- Непучинистые грунты – не превышает 4 %.
Однако последнюю категорию следует считать условной, поскольку в природе просто не существует почвы, где полностью отсутствует влага. К такому типу следует относить лишь гранит и крупнообломочные породы грунта. Однако в наших условиях такая разновидность почвы встречается довольно редко.
Стадии угрожающего явления
Территория Российской Федерации проходит по всей северной части Евразийского материка. По этой причине зимой всегда минусовая температура. В зависимости от конкретного региона, грунт может находиться в замершем состоянии в период от 2 до 9 месяцев.
При этом можно различить несколько стадий пучения грунта:
- I – предварительная. При этом грунт охлаждается до температуры, пока еще не равной для кристаллизации воды.
- II – основанная. В этом случае вода уже начинает переходить в иное свое агрегатное состояние, превращаясь в лед. Соответственно, происходит ее объемное расширение, что, как нам известно, не сулит ничего хорошего.
- III – переохлаждение. Здесь уже под воздействием мороза грунт сжимается. Впоследствии это приводит к резкому снижению температуры.
Только стоит учитывать, что перечисленные состояния носят условный характер, так как переход из одной стадии в другую происходит очень медленно. В то же время можно выделить еще один этап в процессе оттаивания грунта – его просадку.
Как правило, явление пучения наблюдается преимущественно в зимний период. По этой причине этот сезон не подходит для строительства, в особенности массового характера. Это обусловлено серьезной опасностью – очень высок риск, что возведенное строение будет разрушено очень быстро.
В особенности силу пучения грунта следует учитывать тем, кто проживает на Крайнем Севере. В этой местности нижние слои почвы промерзают намного сильнее, нежели в других широтах.
Главный провоцирующий фактор
На первый взгляд кажется, что ущерб от пучения может быть не таким огромным, но это только кажется. Чтобы осознать всю угрозу от такого природного явления, стоит ясно представлять себе, как происходит этот процесс.
Как мы теперь знаем, явление характеризуется неоднородностью, что главным образом обусловлено перепадом высоты поверхности земли. Как правило, это наблюдается весной – та сторона здания, которая находится на юге, хорошо обогревается. К тому же свою лепту вносит весенняя капель. С наступлением вечера в грунте скапливается большое количество талой воды, которая потом становится льдом.
Масса этого такого пласта может достигать нескольких центнеров, а этого уже вполне достаточно, чтобы поднять фундамент на определенную высоту. На данный процесс уходит вся ночь.
Днем же наблюдается обратная картина – с повышением температуры лед в земле начинает оттаивать. Соответственно, основание начинает проседать, и вместе с этим земля снова обогащается очередной порцией воды, которая потом снова кристаллизуется. Все это происходит изо дня в день, пока температурный режим не нормализуется.
В течение весеннего периода перепада уровня воды здание может опуститься на несколько сантиметров. Этого вполне хватает для вызова серьезных разрушений, исправить которые впоследствии будет очень сложно, если вообще это можно сделать.
Другие причины пучения грунтов
На интенсивность пучения могут оказывать влияние различные факторы, среди которых можно упомянуть и такие:
- Продолжительность зимнего периода и его интенсивность (суровость).
- Толщина снега.
- Характеристики грунта.
- Количество осадков за сезон.
- Уровень влажности воздуха.
- Характер рельефа местности.
- Растительность.
- Глубина залегания подземных вод.
- Расположение местности по отношению к южной стороне.
Поскольку строения могут получить очень серьезный урон от пучения, то возведение его фундамента должно производиться ниже глубины промерзания грунта. Данная величина находится в прямой зависимости от той местности, где планируется строительство домов.
Стоит отметить, что средиземная влажность грунта является основополагающим фактором, который в большей степени оказывает влияние на интенсивность пучения. В то же время не следует скидывать со счетов и плотность нижних слоев грунта. А ведь от этого параметра также многое зависит.
Чем плотнее почва, тем меньшей деформации будет подвергнуто здание. В противном случае морозное пучение грунтов будет происходить более интенсивно, что не сулит ничего хорошего.
Как определить степень пучения почвы?
Для этого стоит учитывать не только состав грунта, но и уровень залегания грунтовых вод. С необходимостью определения, насколько сильно почва пучиниста в местности частного участка, может столкнуться любой владелец загородной недвижимости. Для реализации поставленной цели необходимо выкопать шурф глубиной до 2 метров. Это такая специальная вертикальная выработка квадратной, круглой или прямоугольной формы сечения.
После этого следует выждать несколько суток. Если на дне вырытого небольшого котлована не показалась влага, нужно пробурить еще на 1,5 метра. Стоит только показаться воде, процесс можно остановить. Теперь остается замерить расстояние от уровня воды до поверхности.
Определить тип грунта можно визуальным осмотром. На основании этих данных можно сделать примерный вывод касательно степени расширения почвы в период холодов.
Обратимся к математическим расчетам
Расчет пучения грунта можно выполнить самостоятельно, посредством формулы E = (H-h)/h, где:
- E – коэффициент степени пучинистости почвы.
- H – высота пласта грунта после промерзания.
- h – высота пласта грунта до замерзания.
Соответственно, необходимо предварительно выполнить нужные замеры. Причем не только летом, но и зимой. Делать выводы касательно пучинистости почвы можно на основании изменения высоты. Если этот параметр составляет 10 мм или более на 1 метр промерзания, тогда коэффициент E будет равен 0,01, что уже свидетельствует о том, что следует принимать соответствующие меры во избежание серьезных последствий.
Стоит еще раз напомнить, что процессам пучения преимущественно подвержена почва, в которой присутствует большой уровень влаги. Обращаясь в лед, она заметно расширяется, увеличиваясь в объеме. Кто не замораживал воду в пластиковой бутылке, поместив ее в морозильную камеру холодильника в целях эксперимента или по нужде? Сразу можно представить себе всю силу водной стихии, собранной в ограниченном объеме.
В большей степени пучинистости подвержены глинистая порода почвы, суглинки и супеси. А глина благодаря наличию множества пор способна хорошо удерживать воду.
Способы минимизации ущерба
Теперь нам ясно, что величину пучения грунта не следует недооценивать. Но как избежать неприятных последствий, которые могут представлять серьезную угрозу для жизни людей? Для этого существует несколько способов. Но поскольку пучение почвы во многом связано с воздействием на фундамент, то большая их часть подразумевает способы его укрепления либо изоляции. Рассмотрим оптимальные варианты решения такой непростой проблемы.
Процедура замены грунта
Данный способ работает только при заложении фундамента – под основание укладывается песочная подушка. Причем она должна быть заметно шире самого фундамента здания. Затем она хорошо трамбуется и уплотняется. Благодаря такой подушке обеспечивается равномерное распределение всей нагрузки на основание. К тому же слой пучинистого грунта снижается, следовательно, и сила природного явления тоже становится слабее. Вдобавок песчаная подушка обладает амортизационными свойствами.
Ко всему прочему специалисты рекомендуют во избежание деформации от пучения грунта засыпать непучинистым грунтом область между опалубкой после ее снятия и почвой. Такая мера позволит избежать примерзания грунта к стенкам фундамента.
Только спустя какое-то время песок в обратной засыпке (включая подушку) может смешаться с глиняными частичками, теряя свои непучинистые свойства. Во избежание этого песчаная подушка и обратная засыпка должна быть отделена пленкой, рубероидом или фильтрующей тканью.
Возведение фундамента
Здесь имеется в виду оптимальный выбор типа основания, что актуально лишь на этапе строительства дома. Если же он уже возведен, то следует использовать другой способ решения проблемы. Касательно данной методики, можно выбирать между двумя типами основания – плитная конструкция или свайный фундамент.
Монолит
Формирование плитной конструкции позволит утяжелить здание, что, в свою очередь, позволит свести к минимуму воздействие грунта на фундамент. Конечно, полностью исключить влияние морозного пучения на монолитную плиту высотой более 200 мм, утопленной в землю, не получится. В то же время в результате пучения грунта основание будет просто равномерно подниматься на малую высоту в зимнее время. С потеплением фундамент вернется в исходное положение.
С технической точки зрения реализация плитного фундамента несложна. Определенные трудности обычно возникают при операции армирования. К тому же способ этот довольно затратный.
Сваи
Устройство свайного фундамента позволит обойтись малой кровью. Только такая конструкция применима лишь к строениям с малым весом (строительство по каркасной технологии, использование сип панелей и т. д.).
Для основания могут подойти такие варианты:
- Винтовые сваи – они вкручиваются в землю немного ниже ее уровня промерзания.
- Армированные конструкции – предварительно нужно подготовить несколько скважин, после чего установить в них стержни, завернутые в рубероид и обмотанные металлическим каркасом.
После того как сваи будут установлены, их следует соединить специальными балками или плитами для равномерного распределения нагрузки на фундамент.
Утепление периметра дома
Данный способ позволяет минимизировать или вовсе исключить промерзание грунта. За счет утепления почвы имеется возможность для возведения мелкозаглубленного основания благодаря уменьшению глубины промерзания.
Только такой вариант борьбы с пучением грунта актуален для районов с положительной среднегодовой температурой. Ширина укладываемого утеплителя должна равняться глубине промерзания почвы. Что касается толщины материала, то тут все зависит от теплоизоляционных свойств и характера климата.