Пучение - местная деформация поверхности грунта в результате его промерзания, набухания или выдавливания - выпирания.
Морозное пучение грунтов - процесс образования выпуклых форм (поднятия, вспучивания) на поверхности грунта, вызванный образованием и расширением промерзающего слоя (промерзанием грунта), при котором происходит увеличение объема и деформирование дисперсных грунтов под влиянием миграции влаги в период промерзания грунта или воздействия напорной воды, поступающей к промерзающему слою со стороны.
(О том, какие грунты являются дисперсными - см. ГОСТ 25100)
Морозное пучение может привести, например, к деформациям дорожного покрытия (растрескиванию и образованию выбоин), повреждению фундаментов зданий, вслед за которым может деформироваться всё строение - могут появиться трещины на стенах, щели в оконных коробах, перекосы дверных коробов и т. п.
Морозное пучение будет иметь место, если у вас в наличии два из трех факторов и все меры при проектировании и строительстве по защите от морозного пучения направлены на устранение этих факторов:
- температура ниже 0 °С
- вода в грунте
- пучинистый грунт
Что такое пучинистые грунты
Пучинистые грунты - грунты, которые изменяют свой объем и свойства при промерзании - оттаивании; грунты, которые склонны к значительному изменению объема при изменении их влажности.
Непучинистые грунты - грунты, которые не изменяют свой объем и свойства при промерзании-оттаивании.
В соответствии с СП 50-101-2004 п.6.8.2 к пучинистым грунтам относятся:
- глинистые грунты
- пески пылеватые и мелкие
- крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, имеющие к началу промерзания влажность выше определенного уровня (см. ГОСТ 25100)
Наиболее подвержены морозному пучению пучинистые грунты (например, пылеватые), хорошо проводящие и удерживающие влагу, при промерзании которых вследствие миграции влаги образуются сегрегационные подземные льды и происходит относительное иссушение минеральных агрегатов.
Мало склонны к пучению песчаные и более грубые дисперсные грунты без мелкозёма, включающие преимущественно свободную влагу. Их объём при полном водонасыщении увеличивается при промерзании не сильно (~не более чем на 9%). Почва, через которую проходит вода для формирования ледяных линз, должна быть достаточно пористой, чтобы обеспечить капиллярное действие, но не настолько пористой, чтобы нарушать непрерывность капилляров.
В тяжелых суглинках и глинах пучение идёт хуже, так как там меньше путей миграции (они более плотные). Каолиниты (группа глинистых минералов) создают большое число агрегатов и пор и, как следствие, возрастает количество связанной воды, которая замерзает при более низких температурах.
Как происходит морозное пучение
Промерзание начинается с переходом температуры воздуха от положительного значения к отрицательному, до установления постоянного снежного покрова, защищающего грунт от охлаждения.
При этом верхняя часть грунта промерзает, и частицы влаги (поровой воды), содержащиеся в грунте, превращаются в лёд.
В первые 1-2 месяца скорость сезонного промерзания близка к постоянной, затем она резко снижается. К весне глубина промерзания достигает максимума.
Оттаивание мёрзлого грунта начинается после схода снега и осуществляется сверху (основная часть) в результате аккумуляции солнечного тепла и снизу - за счёт притока тепла из глубжележащих слоёв грунта.
Морозное пучение в природных условиях подразделяется на сезонное (при промерзании ежегодно оттаивающих приповерхностных слоев грунта) и многолетнее (при новообразовании толщ мёрзлых пород).
Увеличение объема и деформирование дисперсных грунтов при промерзании происходит из-за образования и увеличения ледяных линз в результате расширения воды при переходе её в лёд и набухания содержащихся в грунте коллоидов, что сопровождается раздвиганием частиц скелета грунта.
При последующем оттаивании пучинистого грунта происходит его осадка.
Показатели пучения также зависят от:
- фильтрационных показателей грунта, его дисперсностью, гранулометрическим и минеральным составом, исходной влажностью и плотностью, составом обменных катионов, степени текучести грунта
- гидрогеологических условий, в т.ч. положения уровня грунтовых вод, наличия в нижерасположенных слоях грунта большого количества свободной воды
- региона, длительности зимнего периода, величины зимних температур
- скорости и глубины промерзания
- внешней нагрузки
Механизм влияния морозного пучения на сооружение:
При замерзании вода, превращаясь в лёд, расширяется и происходит расклинивание зерен грунта (увеличение пространства между зернами грунта), что создаёт давление на основание фундамента.
Плотность воды при замерзании - около 0,9982 т/м3, плотность льда - около 0,917 т/м3. То есть при одном и том же количестве вещества (равных массах) объём льда будет больше, чем объем воды.
Сила давления, возникающая при этом, велика и зачастую превышает силу давления сооружения на грунт.
Результатом воздействия морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений является возникновение сил выталкивания, касательных и перпендикулярных нагрузок, действующих на подземные части строений.
Таким образом, морозное пучение приводит к таким последствиям как:
- неравномерны осадки
- просадки
- повышенное давление на конструкции
- нарушение эксплуатационных свойств конструкций (появление трещин, разрыв гидроизоляции и замачивание конструкций и т. п.)
Проблема 1: неравномерные осадки
Как правило, морозное пучение протекает неравномерно, что может вызывать недопустимую разность осадок в различных частях фундамента. Например, один угол фундамента может поднять на 4 см, а другой на 9 см.
В результате фундамент деформируется, вслед за фундаментом может деформироваться всё строение (например, могут появиться трещины на стенах, щели в оконных коробах, перекосы дверных коробов).
Неравномерность морозного пучения может быть вызвана:
- различием состава грунта под строением
- тем что один угол получает много солнечного света и тепла, а противоположный наоборот пребывает дольше в тени
- может быть, что грунт под одним углом дома сильнее увлажняется, чем под другими углами в результате стока воды от дождей или из-за рельефа участка
Проблема 2: просадки
В весенний период структурные связи между частичками размягчаются, в результате чего меняются прочностные и деформационные характеристики грунта. Это причина того что в марте-апреле месяце у зданий могут наблюдаться трещины.
Также морозное пучение создаёт неблагоприятные условия при освоении территории: положительные формы рельефа морозного пучения быстро разрушаются при изменении условий теплообмена на их поверхности при освоении и не используются как основания сооружений. При сезонном или многолетнем промерзании пучинистые грунты увеличиваются в объеме, что сопровождается подъемом поверхности грунта и развитием сил морозного пучения, действующих на фундаменты и другие конструкции сооружений.
(При замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта происходят подъемы, осадки и просадки основания, что в свою очередь приводит к дополнительным давлениям на подпорные конструкции)
Действие сил морозного пучения на фундамент:
Силы морозного пучения действуют не только на подошву фундамента, но и на его боковые стенки, так как увеличение грунта в объёме происходит вокруг всего фундамента, а не только под его подошвой.
Поэтому, вся сила морозного пучения грунта раскладывается на две составляющие силы: нормальную и касательную силы морозного пучения грунта.
Нормальная (вертикальная) сила морозного пучения действует на горизонтальную подошву фундамента. Касательная сила морозного пучения действует на вертикальные стенки фундамента.
По мере заглубления фундамента нормальная (вертикальная) сила морозного пучения, действующая на горизонтальную подошву фундамента, уменьшается.
Одновременно с этим увеличивается в размерах боковая (вертикальная) стенка фундамента, что приводит к возрастанию действующей на неё касательной силы морозного пучения.
Поэтому заглубление фундамента малоэтажного дома на глубину ниже промерзания грунта, не гарантирует его устойчивость к силам морозного пучения: не будет вертикальной силы, действующей на подошву, зато многократно увеличится касательная сила, действующая на стенку.
Глубина сезонного промерзания грунта - глубина, на которую промерзает грунт за весь зимний сезон.
В инженерной практике определяют нормативную глубину промерзания, за которую принимают среднее из многолетних наблюдений значений глубины сезонного промерзания на открытой площадке, лишённой снежного и растительного покрова с глубоким залеганием уровня грунтовых вод.
Глубина сезонного промерзания и сезонного оттаивания зависит от:
- Свойств грунтов (влажность, теплоёмкость, теплопроводность)
Для различных грунтов глубина сезонного промерзания различна (для крупноскелетных грунтов - больше, чем для песчаных, супесчаных и суглинистых грунтов, глубина промерзания для которых больше, чем для торфянистых грунтов).
- Температуры и амплитуды колебаний температуры
При увеличении амплитуды колебаний мощность сезонно-талого слоя мёрзлого грунта увеличивается.
При этом увеличение промерзания нижнего слоя приводит к снижению степени его напряжённого состояния на уровне активного выделения льда (у фронта промерзания) и это приводит к уменьшению пучения грунта.
А факторы которые уменьшает скорость промерзания (например, снежный покров, падение температуры снизу вверх, градиент температуры) усиливают пучение. Это происходит потому, что при быстром промерзании значительная часть влаги замерзает на месте, а медленное промерзание даёт возможность большему количеству связанной воды постепенно достигать фронта промерзания.
В малоснежные зимы, при спуске водоёмов, сезонное промерзании может быть настолько значительным, что промёрзший слой не успевает за лето полностью оттаять.
Если потери тепла из грунта в атмосферу за холодный сезон из года в год превышают тепло-аккумуляцию, начинается многолетнее промерзании земной коры и образуется криолитозона.
О том, как учесть морозное пучение при строительстве и проектировании можно прочитать здесь: