Строительство домов

Пучинистые явления - коварные и бесцеремонные процессы, возникающие во влажных глинистых и мелкопесчаных и пылеватых грунтах при их сезонном промерзании. Не учитывать их нельзя, что понятно любому, даже слабо разбирающемуся в строительстве застройщику. Многие это поняли, обнаружив по весне трещину в кирпичной стене загородного дома или увидев перекошенные стены каркасной дачной постройки. Однако как происходят эти явления, не совсем понимают даже некоторые строители.
Морозное пучение, так называют это явление специалисты, связано с тем, что в процессе замерзания влажного грунта он увеличивается в объеме:
сильнопучинистпые грунты - почти на 10%;
слабопучинишые - меньше, чем на 5%.
Происходит это из-за того, что вода увеличивается в объеме при замерзании - на 10%. Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он более пучинистый. Так лес, стоящий на сильно пучинистых грунтах, зимой поднимается на 10 - 15 см относительно летнего уровня. Внешне это незаметно. Но если в грунт забита свая более чем на 3 м, то подъем грунта зимой можно отследить по отметкам, сделанным на этой свае. -
Сложность в оценке воздействия пучинистых явлений грунта на постройки обусловлена одновременным воздействием нескольких процессов, проявляющихся в различной степени. Чтобы лучше разобраться в этом, опишем несколько по- . нятий, связанных с этим явлением.
Степень пучинистости грунта определяется составом грунта, его пористостью, а также уровнем грунтовых вод. Так глинистые грунты, мелкие и пылеватые пески относятся к пу-чинистым грунтам, а крупнозернистые'песчаные и гравийные грунты - к непучинистым. С чем это связано?
Во-первых, в глинах или мелких песках влага достаточно высоко поднимается от уровня грунтовых вод за счет капиллярного эффекта и хорошо удерживается в таком грунте, как в губке. Здесь проявляются силы смачивания между водой и поверхностью пылевых частиц. В крупнозернистых же песках влага не поднимается, и грунт становится влажным только по уровню грунтовых вод. Т. е. чем тоньше структура грунта, тем выше поднимается влага, и он становится более пучи-нистым. Обращаем внимание на то, что смеси крупного песка или гравия с пылеватым песком или глиной, будут относиться к пучинистым грунтам в полной мере.
Во-вторых, процесс промерзания грунта происходит сверху вниз, при этом граница между влажным и мерзлым грунтом опускается с некоторой скоростью, определяемой, в основном, погодными условиями. Влага, превращаясь в лед, увеличивается в объеме, вытесняя сама себя в нижние слои грунта, сквозь его структуру. Так вот, пучинистость грунта определяется также тем, успеет ли выдавливаемая сверху влага просочиться через структуру грунта или нет. Если крупнозернистый песок не создает влаге никакого сопротивления, и она беспрепятственно уходит, то такой грунт не расширяется при замерзании.
Что касается глины, то сквозь неё влага уйти не успевает, -и такой грунт становится пучинистым. Кстати, грунт из крупнозернистого песка, помещенный в замкнутый объем, которым может оказаться, например, скважина в глине, поведет себя как пучинистый грунт.

Пучинистые явления - это не только большие деформации грунта, но и огромные усилия - в десятки тонн, способные привести к большим разрушениям, которых можно избежать, заложив фундамент ниже глубины промерзания грунта. Именно поэтому, перед началом строительства на пучинистых грунтах, необходимо выяснить расчетную глубину промерзания, принятую для данного региона (рис. 4.3).
Расчетная глубина промерзания принимается для наиболее холодного зимнего периода года в этом регионе, при максимальной влажности грунта и отсутствия снегового покрова.
Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Но на то она и расчетная, чтобы избежать возможных разрушений дома при самых неудачных сте-ченьях обстоятельств, предложенных погодой.
ПРИМЕЧАНИЕ:
- при постоянном проживании грунт ПОД домом зимой прогревается и расчетную глубину промерзания можно уменьшить на 15 - 20%;
- для мелких и пылеватых песков и супесей значение глубины промерзания следует увеличить в 1,2 раза.
Чем же обусловлено положение нижней границы промерзания? Она определяется противоборством холода, поступающего сверху, и тепла, идущего из недр земли. Если интенсивность последнего не зависит от времени года и суток, то на поступление холода сверху влияют температура воздуха и влажность грунта, толщина снегового покрова, его плотность, влажность, загрязненность и степень прогрева солнцем, застройка участка, архитектура сооружения и характер его сезонного использования (рис. 4.4).
Толстый слой снегового покрова, как одеяло, укрывает землю, и граница промерзания поднимается вверх. Днем граница промерзания выше, чем ночью. Разница особенно ощутима там, где снеговой покров мал или вовсе отсутствует, где повышенная влажность грунта. Наличие дома также влияет на глу- ' бину промерзания фунт, ведь дом является своего рода теплоизоляцией, даже если в нем и не живут. Правда, это в том случае, если окна вентиляции подпола (продухи) - закрыты на зиму.
Участок, на котором стоит дом, имеет весьма сложную картину промерзания.
Например, среднепучинистый грунт по внешнему периметру дома при промерзании на глубину 1,4 м может подняться почти на 10 см, тогда как более сухой и теплый грунт под средней частью дома останется практически на летней отметке (рис. 4.4). Кстати, холодный, но сухой фунт также не будет относиться к категории пучинистых.
Однако, реальная картина промерзания ещё более сложная. Неравномерность промерзания существует еще и по периметру дома. Ближе к весне фунт с южной стороны строения часто бывает более влажным, а слой снега над ним - более тонким, чем с северной стороны. Поэтому в отличие от северной стороны дома, грунт с южной стороны лучше прогревается днем и сильнее промерзает ночью.
Таким образом, неравномерность промерзания на участке проявляется не только в пространстве, но и во времени. Глубина промерзания подвержена сезонным и суточным изменениям в весьма больших пределах и может сильно меняться даже на небольших участках, особенно в местах застройки.
Расчищая большие площадки от снега в одном месте участка, и создавая сугробы - в другом месте, Вы существенным образом влияете на неравномерность промерзания фунта. Тогда как посадки кустарников вокруг дома задерживают снег, уменьшая в 2 - 3 раза глубину промерзания.
Расчистка дорожек от снега не идет в счет, так как они достаточно узкие и большого влияния на промерзание грунта не оказывают. Если же Вы около своего дома, с южной его стороны, решили залить каток, то можно ожидать, большую неравномерность в промерзании грунта под фундаментом дома в этой зоне.
Силы бокового сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента - другая сторона проявления пучинистых явлений. Эти силы весьма высоки и могут достигать 5...7 т на квадратный метр боковой поверхности фундамента. Эти силы достаточно велики, если поверхность столба неровная и не имеет гидроизолирующего покрытия. В таком случае на столб диаметром 25 см, заложенный на глубину 1,5 м, сила сцепления может достигнуть 8 т.

Выдавливание фундамента, заложенного выше глубины| промерзания, - наиболее ощутимая причина деформации! и разрушения фундамента. Чем это можно объяснить? Это! связано с тем, что если при действии сил сцепления столба с мерзлым грунтом подъем столба обязан сезонному движению границы промерзания, то в этом случае - суточному прохождению границы промерзания мимо нижней опорной плоскости фундамента, которое совершается значительно чаще.
Чтобы лучше понять природу этих сил, мерзлый грунт лучше представить в виде плиты. Дом или любое другое строение надежно вморожено в эту камнеподобную плиту.
Основные проявления этого процесса видны весной. У стороны дома, обращенной на юг, днем достаточно тепло (в безветрие можно даже загорать). Снеговой покров, стаял, а фунт -увлажнился весенней капелью. Темный грунт хорошо поглощает солнечные лучи и прогревается.
В звездную ночь ранней весной особенно холодно. Грунт под свесом крыши сильно промерзает. У плиты мерзлого грунта снизу возникает выступ. Этот выступ достаточно сильно уплотняет грунт под собой, за счет того, что влажный грунт при замерзании расширяется. Силы уплотнения фунта огромны.
Плита мерзлого грунта толщиной 1,5 м с размерами 10x1 Ом будет весить более 150 т. Примерно с таким усилием и будет уплотняться грунт под выступом. После подобного воздействия глина под выступом становится очень плотной и практически водонепроницаемой.
Наступил день. Темный грунт у дома особенно сильно про-февается солнцем. С повышением влажности увеличивается и его теплопроводность. Граница промерзания поднимается (под выступом это происходит особенно быстро). С оттаиванием грунта уменьшается и его объем, фунт под опорой разрыхляется и по мере оттаивания падает под собственным весом пластами. Образуется множество щелей в грунте, которые заполняются сверху водой и взвесью глинистых частиц (рис. 4.9). Дом удерживается в фунте силами сцепления фундамента с плитой мерзлого фунта и опорой по остальному периметру дома.
С наступлением ночи полости, заполненные водой, замер зают, увеличиваясь в объеме* превращаясь в так называемы "ледяные линзы". При амплитуде поднятия и опускания гра ницы промерзания за одни сутки в 30 - 40 см толщина полос ти увеличится на 3 - 4 см. Вместе с увеличением объема лин зы будет подниматься и наша опора. За несколько таких дней - ночей опора, если она не сильно загружена, поднимается порой на 10 - 15 см, как домкратом.
Возвращаясь к нашей плите, заметим, что ленточный фундамент нарушает целостность самой плиты. По боковой поверхности фундамента она разрезана, т. к. битумная обмазка, которой она покрывается, не создает хорошего сцепления фундамента с мерзлым грунтом. Плита мерзлого грунта, создавая своим выступом давление на грунт, сама начинает подниматься, а зона разлома плиты - раскрываться, заполняться влагой и частицами глины. Если лента заглублена ниже глубины промерзания, то плита поднимается, не беспокоя сам дом. Если же глубина заложения фундамента не соответствует глубине промерзания, то давление мерзлого фунта приходится и на фундамент, и тогда деформации и разрушение фундамента - неизбежны (рис. 4.10).
Интересно представить плиту мерзлого грунта, перевернув её вверх дном. Это - относительно ровная поверхность, на которой ночью в некоторых местах (где нет снега) вырастают холмы, а днем холмы превращаются в озера. Если же теперь вернуть плиту в исходное состояние, то там, где были холмы и создаются в грунте ледяные линзы. В этих местах фунт ниже глубины промерзания сильно уплотнен, а выше - наоборот разрыхлен. Это явление происходит не только на площадях застройки, но и в любом другом месте, под лесом или полем. Именно по такой схеме и возникают линзы изо льда в глинистых грунтах. Природа возникновения глинистых линз в песчаных фунтах такая же, но протекают эти процессы более продолжительное время.
Если рассмотреть поведение фундаментного столба, заложенного выше глубины промерзания, то его подъем мерзлым Фунтоэдобусловлен тем же процессом.

По глубине заложения фундаменты разделяются на: неза-глубленные, лежащие на поверхности земли; мелкозаглублен-ные, заложенные выше глубины промерзания; и заглубленные, лежащие ниже глубины промерзания. Работа их на пучинистых грунтах различна, как различна и их применимость.
Незагл убленный фундамент
Такой фундамент, уложенный непосредственно на поверхности грунта, опускается и поднимается только из-за расширения влажного мерзлого грунта. Фундамент "плавает" на его поверхности. Понятно, что если дом установлен на плите, яв-. ляющейся полом первого этажа, то грунт под ней не промерзает, особенно под средней частью дома (рис. 4.4). Из-за неравномерности промерзания под домом образуется провал грунта, который может достигать 10 - 15 см. Именно поэтому плита такого фундамента должна быть весьма жесткой на изгиб, и иметь толщину не менее 20 см. Этот тип фундамента не приемлем для дома с большими габаритами в плановой проекции, у которой плита будут слишком сильно загружена изгибом.
Из практики
В Скандинавских странах достаточно часто применяется технология, при которой между плитой и грунтом прокладывается слой утеплителя (пенополистирол толщиной 10-15см. Сам утеплитель укладывается на слой крупнозернистого песка толщиной 30 -40 см (рис. 4.12).
Такое решение позволяет не только уменьшить тепловые потери через пол первого этажа, но и практически исключить повал грунта под ним за счет выравнивания температурного поля под домом и около него.
Если дом стоит на отдельных столбиках - опорах, или же на балках, уложенных на грунте, даже с песчаной подсыпкой, а под полом сухо и тепло, то опоры под внутренними стенами вместе с каркасом, опертым на них, опустятся (рис. 4.13).
Что можно посоветовать именно в этом случае? Необходимо тщательно утеплить полы первого этажа и вентилировать подпол, не закрывая продухи. Грунт под домом будет промерзать также как и вокруг дома; пучинистые явления будут проявляться в меньшей степени.
Дополнительно к этому надо свести к минимуму увлажнение грунта вокруг дома, организовав и водоотвод с крыши, и снегозадержание вокруг дома.
Мелкозаглубленный фундамент.
Такой фундамент достаточно широко распространен
в практике индивидуального строительства благодаря своей низкой себестоимости. ;
Варианты его исполнения хорошо освещены в печати. '\ Один из них включает выборку траншеи глубиной 0,5 - 0,7 м, | подсыпку крупнозернистого песка толщиной в 0,4 - 0,5 м, на '| которой размещается железобетонная лента фундамента \ (рис. 4.14). Чтобы со временем структура песка не заиливалась, и песок не превратился в пучинистый грунт, боковые стенки траншеи устилаются гидроизоляцией (пергамин, толь, полиэтиленовая пленка).
Железобетонная лента вместе со стеной позволяют воспринимать неравномерную загрузку стен пучинистыми явлениями без своего разрушения.
А для чего делается подсыпка и крупнозернистого песка? Здесь возникает достаточно интересное объяснение.
Первое - очевидное: таким путем произведена частичная замена пучинистого грунта на непучинистый. Тем самым уменьшена общая степень его деформации при промерзании. В дополнение к этому есть еще одно объяснение.
Предположим, что грунтовые воды достаточно высоко, они присутствуют даже в самом песке, т. к. дренаж невозможно провести по тем или иным причинам. Мокрый песок в замкнутом объеме также будет подвержен пучинистым явлениям. При быстром неравномерном суточном перемещении границы промерзания фундамент мог бы деформироваться. Но этого не произойдет. Опускающийся фронт замерзающей воды будет разгонять воду равномерно по периметру дома, в горизонтальном направлении, благодаря хорошей водопроницаемости крупнозернистой песчаной подсыпки.
Нижняя часть траншеи мелкозаглубленного фундамента, приходящаяся почти на середину глубины промерзания, в процессе промерзания грунта подвержена вдвое меньшим перемещениям, чем основание незаглубленного фундамента. Провал пучинистого грунта в 5 - 7 см под серединой деревянного или щитового дома может быть приемлемым, но для каменных домов с размерами больше, чем б х б м эта величина может оказаться критической.
Устройство мелкозаглубленнго фундамента под каменным домом допускается при габаритах дома не больше б х б м. Обращаем внимание на то, что изгибную жесткость каменных домов можно повысить, хорошо армируя ленты фундаментов под внутренними стенами дома и сами стены, а также, создавая арматурные пояса по верху внешних стен дома.

Решившись на создание подвала, прежде всего, необходимо выяснить уровень грунтовых и паводковых вод в месте застройки. При необходимости, следует организовать дренаж.
В процессе создания подвала и его эксплуатации могут возникнуть различные проблемы, знать о которых лучше до начала проектирования и строительства. Вот некоторые из них.
— Планируя утепление и гидроизоляцию стен подвала снаружи, обращаем внимание на качественное выполнение их монтажа. Поверхность, контактируемая с мерзлым грунтом, должна быть ровной, а соединение их со стеной - надежное. Дело в том, что пучинистый грунт при своем расширении может захватить часть покрытия и разорвать его (рис. 4.18). Попадание влаги в стену будет неизбежно.
Силы сцепления грунта с утеплителем можно существенно; понизить, введя слой песка между грунтом и утеплителем. Песок не должен быть мелким, а грунт и песок лучше разделить толью или полиэтиленом.
Решившись на создание подвала, необходимо отдавать себе отчет в том, что его эксплуатация при высоком уровне грунтовых вод - очень сложная задача. Малейшая трещина в гидроизоляции стен, в полу или по месту их стыка, может создать сырость, не приемлемую для жилья.
Существует несколько схем прокладки гидроизолирующего слоя при создании подвала.
Конструктивное выполнение подвала и фундамента под него определяется в основном уровнем грунтовых вод, или же тем, к какой категории относится гидроизоляция подвала:
— наружная противо-напорная (рис. 4.19, а);
— внутренняя проти-вонапорная (рис. 4.19, б);
— гидроизоляция для защиты от капиллярной влаги (рис. 4.19, в).
При выполнении наружной противонапорной гидроизоляции, её верхний край должен быть выше предполагаемого уровня грунтовых вод не менее чем на 0,5 м. Давление от слоя гидроизоляции передается на силовые ограждающие элементы пола и стен, что делает её более предпочтительной. Горизонтальный участок гидроизоляции наносится по выровненной и гладкой бетонной подготовке до устройства днища подвала.
Вертикальные участки гидроизоляции наносятся на стены и защищаются снаружи кладкой в полкирпича, бетонными плитами или же слоем набрызга бетона.
Внутренняя противонапорная гидроизоляция устраивается, как правило, в уже существующих зданиях или при проведении ремонтных работ, связанных устранением протечки ограждающих конструкций подвала. Так как давление на отдельные участки стен внутреннего кессона может быть значительным, то для его восприятия требуются конструктивные усиления.
Гидроизоляция подвала от капиллярной влаги не требует высокого качества проведения работ, как этого требовалось при создании противонапорной гидроизоляции. Разумеется, эта схема гидроизоляции не подходит для защиты от напорных вод.
При напорах до 2 - 3 метров, что характерно для подвалов жилых домов, использование современных гидроизроляцион-ных штукатурных составов и мастик с высокой адгезией позволяет выполнять внутреннюю гидроизоляцию по второй схеме (рис. 4.19, б) без кессона, с передачей водной нагрузки на штукатурный раствор.
— Если слой герметизации не выдержал и произошла протечка, то устранение этого недостатка, даже засыпкой подвала грунтом, ни к чему хорошему не приведет, т. к. влаге очень сложно уйти из герметичного подвала. Постоянная сырость в подполе неизбежна и когда грунтовые воды уйдут далеко вниз. Правда, можно надеяться на современные гидроизолирующие покрытия, шпаклевки. Но если в подвале уже настелены полы, выполнены отделочные работы, то устранить подобные протечки будет не просто.
— При создании подвала, его перекрывают, как правило, бетонным перекрытием. Это связано с тем, что боковое давление грунта на стены подвала необходимо на что-то передать. Жесткие перекрытия позволяют замкнуть на себя нагрузки, приходящие на стены подвала со всех сторон. Эта расчетная схема рассматривает стену подвала, как набор вертикально расположенных балок, передающих нагрузку от грунта - на бетонный пол и на бетонное перекрытие (рис. 4.20).
Именно поэтому при строительстве подвала его стены загружают бетонным перекрытием в этот же сезон, не дожидаясь, давление грунта на стены подвала особенно высоки, когда идет монтаж дальних плит, наиболее удаленных от автокрана (рис. 4.21).
Чтобы не случилось подобного разрушения, расстояние от стены до края опорной площадки автокрана должно быть не меньше 0,8 м.
Начинать монтаж перекрытия следует с укладки ближних плит, которые смогут усилить устойчивость стен подвала.
При возведении стен подвала из готовых бетонных блоков выполняют горизонтальное армирование. В этом случае такая стена работает по другой расчетной схеме, при которой она рассматривается как набор горизонтально расположенных балок, передающих боковую нагрузку от грунта на внешние и внутренние стены подвала. Из-за большого пролета такой когда пучинистый грунт своим расширением уложит стены вовнутрь подвала.
Эта схема принята при возведении подвала по технологии ТИСЭ. Такие вертикальные балки создаются в каждом четвертом вертикальном канале стены после их заполнения арматурой и бетоном, Такая схема хорошо работает вне зависимости от габаритов подвала и разбивки внутренних его стен.