В недавней статье я описал довольно сложный механизм морозного пучения грунта, который не сводится только к увеличению объема воды, содержащейся в порах грунта, при переходе ее в твердое состояние. Основная причина - это миграция дополнительной влаги в промерзающий грунт из нижележащих слоев.
Соответственно, на степень пучинистости грунтов влияет а) наличие подтока воды извне к промерзающему грунту (как, правило, подземных вод, которые не следует отождествлять с "собственной" влажностью грунта); б) способность грунта к организации миграции влаги в том числе вопреки действию силы тяжести. В зависимости от типа грунта максимальное поднятие воды над подземными водами может составлять от 0 до 3,5 метров
Миграция влаги в промерзающих грунтах — явление очень сложное и до конца не изученное, точнее - не выделен приоритетный по влиянию механизм миграции. Но сейчас уже ясна природа сил, вызывающих миграцию, и накоплен немалый опыт наблюдений за различными грунтами, чтобы определить зависимости между строением грунтов и степенью пучинистости.
Силы миграции (силы упругости водяного пара, капиллярные силы поровой воды; внешнее и внутренне давление; осмотические силы; силы кристаллизации льда; адсорбционные силы) проявляют себя когда в толще грунта нарушается фазовое равновесие из-за замерзания воды в верхних слоях и возникают различные градиенты: влажности, температуры, адсорбционно-пленочных, осмотических и других давлений. Несмотря на многочисленность сил миграции, в конце концов механизмы процесса сводятся во всех случаях к действию адсорбционно-пленочных, пленочно-кристаллизационных и подобных им молекулярных сил на поверхности минеральных частиц и льда. Проще говоря, все сводится к способности молекул воды "прилипать" к частицам грунта. (почему они прилипают - можно посмотреть здесь)
Пылеватые и глинистые частицы (0,05...0,005 мм) имеют большую суммарную площадь поверхности относительно объема грунта, поэтому грунты с большим содержанием таких частиц (супеси, суглинки) оказываются весьма гидрофильными. Расстояние между частицами при этом оптимальное для формирования большого количества капилляров, по которым мигрирует вода. Кроме того эти грунты обладают довольно низкой структурной связностью, благодаря чему в толще грунта могут возникать пустоты, заполняемые льдом (т.н. ледяные линзы, прослойки и т.п.). То есть промерзающая толща в этом случае будет "разбухать" не только за счет замерзания влаги в порах, но и за счет прибытия дополнительного объема воды. Поэтому нет ничего удивительного в том, что прирост объема пучинистых грунтов может составлять несколько десятков процентов, в то время как замерзающая вода увеличивается в объеме максимум на 9%.
Удельная поверхность коллоидных частиц в глинистых грунтах (размером менее 0,005 мм) еще больше, что за счет высокой поверхностной энергии обуславливает еще большую способность притягивать воду. Но, получается, вода притягивается настолько хорошо, что это сильно затрудняет ее передвижение по капиллярам и резко ограничивает возможность большого накопления льда, образующегося за счет подтягивания воды к фронту промерзания.
На величину морозного пучения грунтов большое влияние оказывает еще плотность их сложения. Очень плотные грунты(с малым количеством пор), содержат относительно малое количество воды и в них затруднена возможность ее передвижения при промерзании. Поэтому их пучение при промерзании невелико. В свою очередь пористые грунты имеют много пустот, слишком больших для капилляров, которые обычно свободны от воды. Эти пустоты при промерзании грунта и образовании льда могут сжиматься, также уменьшая деформации пучения. Таким образом, получается, что наиболее пучинистыми являются грунты средней плотности.
В крупнодисперсных грунтах (крупнообломочные грунты с песчаным заполнением, пески крупные и средней крупности) наблюдаются малая величина удельной поверхности и большое расстояние между частицами - слишком большое для капилляров. Миграция при промерзании таких грунтов практически отсутствует. Но даже если уровень подземных вод располагается выше глубины промерзания, пучения крупнодисперсных грунтов практически не наблюдается. При их промерзании происходит отжатие («поршневой эффект») воды из промерзающего слоя гидростатическими силами, развивающимися вследствие увеличения объема воды при замерзании, и незамерзшая еще вода перемещается от фронта промерзания вниз в талый грунт — отжимается. Однако при содержании в таких грунтах боле 10% заполнителя с размером частиц менее 0,1мм наблюдается интенсивная миграция влаги. В зависимости от положения уровня подземных вод эти грунты могут относиться к средне- и даже сильнопучинистым грунтам.
Таким образом, благодаря особенностям строения различные грунты проявляют различные свойства по части пучения, классификацию которых по данному признаку приведу вместо итоговых выводов.
Практически непучинистыми являются глинистые грунты при показателе текучести <0; пески гравелистые, крупные и средней крупности независимо от степени влажности; мелкие и пылеватые пески при степени влажности <0,6, крупнообломочные грунты с содержанием глинистого, мелкопесчаного и пылеватого заполнителя менее 10 %
Из них гарантированно непучинистыми являются гравелистые, крупные и средней крупности пески, а также крупнообломочные грунты. Другие могут сильно менять свои свойства в зависимости от увлажнения. Поэтому для оценки опасности морозного пучения площадки строительства желательно иметь данные о прогнозном изменении влажности грунтов (прежде всего - о возможном поднятии уровня грунтовых вод).
К слабопучинистым относят глинистые грунты при показателе текучести 0...0,25; мелкие и пылеватые пески при степени влажности 0,6...0,8, крупнообломочные грунты с мелкодисперсным заполнителем 10...30%.
Среднепучинистыми являются глинистые грунты с показателем текучести 0,25...0,5; мелкие и пылеватые пески при степени влажности 0,8...0,95, крупнообломочные грунты с мелкодисперсным заполнителем свыше 30%
Сильно- и чрезмерно пучинистыми являются глинистые грунты с показателем текучести свыше 0,5 и мелкие и пылеватые пески при степени влажности 0,8...0,95.
