Недавно я выпустил статью, посвященную описанию малозаглубленных ленточных фундаментов и их борьбе с морозным пучением грунтов. Статья предполагала наличие продолжения, но "поучающие" комментарии некоторых читателей, демонстрирующие крайне поверхностные знания по теме морозного пучения, заставили отложить написание второй части и приступить к созданию "спин-оффа", собственно, посвященного объяснению данного явления.
К сожалению для народных геокриологов, знание про замерзание воды в грунте с увеличением ее объема не делает их специалистами в вопросе, и даже не является показателем базовой осведомленности. Это далеко не краткое содержание истории про морозное пучение, в лучшем случае - ее начало. Строить на этой основе теории, делать выводы и давать советы - все равно что писать сочинение по "Войне и миру", зная только, что сказала Анна Павловна Шерер в июле 1805 года, встречая важного и чиновного князя Василия, первого приехавшего на ее вечер.
Одно лишь увеличение объема воды при замерзании делало бы все грунты в худшем случае слабопучинистыми. Опыты показали, что при замерзании всей поровой воды в закрытой системе грунты увеличиваются в объеме не более чем на 4%. Однако в природном залегании увеличение объема промерзающего грунта может оказаться даже больше, чем относительное увеличение объема свободной воды при ее переходе в твердое состояние. Также один лишь факт увеличения объема замерзающей воды не в состоянии объяснить, например, существования грунтов различной степени пучинистости и зависимости степени пучения от скорости промерзания.
Писать "Войну и мир и морозное пучение" я здесь, конечно, не буду, тем более, что это делали до меня не раз гораздо более погруженные в тему авторы, а лишь кратко изложу признанную наиболее вероятной гипотезу. Впрочем, все основные гипотезы сходятся на том, что не только и не столько увеличение объема замерзшей воды влияет на величину пучения, сколько миграция влаги к фронту замерзающей воды, причем эта миграция происходит как в промерзающих грунтах, так и уже мерзлых.
При замерзании воды в верхних слоях грунта, нарушается ее фазовое равновесие в толще основания, и вода начинает "искать" новое равновесное состояние. Проще говоря, происходит обезвоживание грунтов на нижней границе промерзания, куда "засасывается" влага из нижних слоев, что сопровождается скачкообразным ростом влажности грунта и образованием в нем льда в различном виде (линзы, прослойки, кристаллы и др.). Таким образом, способность того или иного грунта перемещать влагу внутри себя и определяет его потенциальную пучинистость. Собственно, разные гипотезы расходятся только в описании механизмов миграции воды и оценке значимости факторов, влияющих на качественную сторону этого процесса. Механизмы могут быть весьма различными, но в все они сводятся к действию молекулярных адсорбционно-пленочных, пленочно-кристаллизационных и подобных им сил на поверхности минеральных частиц и льда (немного об этих силах можно почитать здесь).
Миграция влаги наблюдается только в гидрофильных (смачивающихся водой) замерзающих системах. И наиболее интенсивное перемещение влаги по капиллярам происходит в грунтах с малой скоростью промерзания, и с высоким содержанием пылеватых и глинистых частиц (0,05…0,005 мм), которые в природных условиях характеризуются высоким капиллярным поднятием и, следовательно, легкой отдачей воды и быстрым ее поглощением при довольно слабых структурных связях. Такие физические свойства грунтов создают наиболее благоприятные условия для образования льда в промерзающем грунте и, соответственно, пучения.
Также важнейшим фактором, определяющим опасность пучения, является наличие подтока воды извне к промерзающему грунту. В полной мере пучение проявляется когда фронт промерзания достигает слоя капиллярного поднятия грунтовых вод – так называемой морозоопасной «каймы» над уровнем грунтовых вод, высота которой в зависимости от вида грунта меняется в пределах от 0,3 до 3,5 метра. Возможны и другие источники подтока воды, например прорыв водопровода.
Как видно, процесс морозного пучения грунтов весьма далек от бытовых представлений о нем. Поэтому и лабораторная установка по определению степени пучинистости грунтов несколько сложнее ванночки в мерными делениями в холодильнике:
... и она как раз моделирует описанный выше процесс миграции незамерзшей влаги к границе промерзания.
Стоит также отметить, что в естественных условиях невозможно добиться равномерного расширения (и последующего равномерного сжатия при оттаивании) грунтов из-за их неоднородности по глубине и площади, непредсказуемости формирования "дорожек" для мигрирующей влаги и неравномерности теплового режима грунтов даже на ограниченном участке вследствие неровностей земной поверхности, наличия сооружений с собственными тепловыделениями и пр. Именно в неравномерности деформаций заключается главная опасность морозного пучения. А как с ними справляются малозаглубленные ленточные фундаменты написано в упомянутой в начале статье, а в продолжении к ней дан более развернутый ответ. А продолжение к настоящей статье более подробно объяснит, какие именно грунты являются или нет пучинистыми и почему.
