Одним из самых известных и распространенных опасных геологических процессов является #морозное пучение. С разной степенью интенсивности оно проявляется почти на всей территории России. О том, в каких грунтовых условиях оно возникает и как от него защититься, поговорим подробнее.
Механизм развития морозного пучения
Морозное пучение — это увеличение объема грунта при замерзании. Всем известно, что вода, замерзая, увеличивается в объеме приблизительно на 10%. Грунт пучит только тогда, когда в его порах успевает замерзнуть вода. При этом поры увеличиваются в размерах, нередко рвутся структурные связи внутри грунта, но это касается только тех пустот, которые заполнены водой более, чем на 90%.
Если вдаваться в детали, то окажется, что важное значение имеет размер пустот в грунте. Замерзает только та вода, которая удерживается в грунте (физически связанная), а свободная гравитационная легко утекает. Это только в морозильнике возможна шоковая заморозка, а в природе, с учетом огромной теплоемкости воды и низкой теплопроводности грунтов, процесс протекает медленно. Отсюда следует, что пучит только те грунты, которые способны физически связывать воду, т. е. имеющие капиллярный размер пор. Прежде всего, это глины и суглинки, в меньшей степени супеси и пылеватые пески, совсем немного пучению подвержены пески мелкие. Чем больше объем капилляров, заполненных водой, тем более пучинистым будет грунт. Интересный факт, что глина замерзает не при 0 градусов, а при слабом минусе (до -0,4 градуса). Это связано с тем, что вода находится под давлением (которая в капиллярах). Пески средней крупности и крупнее, крупнообломочные и скальные грунты не подвержены этому процессу. Даже если такой грунт насыщен водой, вся «лишняя» вода при продвижении фронта промерзания вытесняется растущими кристаллами льда, и увеличения объема породы не происходит.
Морозное пучение активнее всего развивается весной и осенью, когда температура часто перешагивает через нулевую отметку. Если вода в грунте замерзла и разорвала поры, то при оттаивании эти поры полностью заполняются водой. Многократное промерзание-оттаивание может привести к возникновению бугров пучения, правда этот процесс больше характерен для районов развития многолетнемерзлых пород.
Воздействие пучения на фундаменты
Морозное пучение воздействует на фундаменты по касательной (случай вечной мерзлоты сейчас не рассматриваем). Грунт, смерзаясь с бетоном, начинает тянуть его вверх. Это происходит всегда неравномерно, часто ступенчато. Нередко образовавшееся пространство под фундаментом заполняет вода, которая, при очередном переходе в лед, поднимает его еще выше. Весной фундамент может вернуться на место, но чаще опускается не полностью. 50-60 циклов промерзания-оттаивания способны снизить показатели прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов почти в 1,5 раза, что уж говорить про каменные конструкции.
Давление, возникающее при этом процессе, многократно превосходит нагрузки от частного дома, поэтому варианта «передавить» не существует.
Как избежать деформаций, вызванных морозным пучением
Для исключения развития любого процесса надо устранить причину или условия. Полностью осушить глинистый грунт с помощью дренажей не получится, все равно часть воды останется в порах, причем ее распределение будет неравномерным. Под подошвой фундамента за счет консолидации влажность снижается, в вот по бокам особых изменений не происходит. Поэтому вариант обезвоживания основания можно отмести, и остаются два основных. Случай заложения фундамента на глубину промерзания (расчетную) можно не рассматривать, т. к. это весьма дорого.
Замещение пучинистого грунта непучинистым
Примерно до середины 1990-х годов единственным способом было замещения глинистых грунтов на пески средней крупности, крупные или гравелистые. В некоторых районах, где в изобилии скальные породы — на щебень или гравий. Согласно рекомендациям в советских учебниках по механике грунтов, основаниям и фундаментам, минимальная толщина песчаной подушки должна быть 0,5 м. Обратная засыпка делается таким же материалом. Важно исключить непосредственный контакт пучинистого грунта с бетоном. Вместо обратной засыпки песком можно с таким же успехом сделать обмазочную гидроизоляцию фундамента.
Утепление грунтов и фундамента
Сейчас наибольшей популярностью пользуется утепление фундамента. Сам подход появился при освоении вечной мерзлоты, только там задача противоположная — не дать грунту оттаять. Поскольку утеплитель не создает тепло, а очень плохо его проводит (получается правильнее называть его теплоизолятор), идея благополучно прижилась и в относительно теплых регионах. Достаточно не допустить замерзания грунта вокруг фундамента и под ним, чтобы забыть о пучении. Минусом такой технологии является полное прекращение испарения воды из грунтов, поэтому в комплекте должен прилагаться дренаж.
Само собой разумеется, что мероприятия по недопущению морозного пучения нужны лишь там, где оно возможно.