Защита оснований от промерзания

Увеличение при промерзании объема грунта в основаниях зданий и сооружений может весьма отрицательно сказаться на их прочности и в определенных случаях привести к разрушению строительных конструкций. Промерзание проявляется в неравномерном поднятии грунта вследствие образования ледяных линз и прослоек, которые после протаивания провоцируют разуплотнение, неравномерные осадки и снижение прочности основания.

Классификация грунтов по степени опасности проявления морозного пучения и оценка возможной глубины промерзания регламентированы строительными нормами проектирования (СНиП 2.02.01-83 "Основания зданий и сооружений"). По указанной классификации к пучинистым грунтам отнесены все глинистые грунты, пески мелкие и пылеватые, а также обломочные грунты с пылевато-глинистым заполнением. В сухом же состоянии перечисленные грунты отнесены к практически непучинистым. Рекомендации СНиП сводятся к определению нормативной глубины промерзания в различных грунтах и назначению соответствующей отметки заложения подошвы фундамента.

Причинами развития неблагоприятного воздействия пучения на здания и сооружения могут быть:

• Избыточное увлажнение грунтов;
• Чрезмерное промерзание по глубине по сравнению с прогнозом;
• Способы производства работ по "нулевому" циклу;
• Условия эксплуатационного режима или периода строительства;
• Неэффективность мероприятий, направленных на устранение воздействия морозного пучения.

Указанные факторы воздействуют и совместно, и в различных сочетаниях. Часто причиной возникновения аварийных ситуаций становится проектирование фундаментов, основанное на материалах полевых инженерно-геологических изысканий в предположении неизменности свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений (без достаточно обоснованного прогноза).

Рис. 1.
Фундамент в виде поверхностной
железобетонной плиты:
1 – плита;
2 – песчаная подушка;
3 – набетонка;
4 – отмостка

Рис. 2.
Пример устройства фундамента:
1 – фундаментная монолитная
железобетонная балка;
2 – цокольный бетонный блок;
3 – отмостка;
4 – засыпка и подсыпка
из непучинистого грунта;
5 – дренажная труба;
6 – теплоизоляция
из плитного пенопласта;
7 – прикрытие от поверхностных вод (полиэтиленовая пленка)

Методы предупреждения промораживания

Наряду с традиционными методами предупреждения нарушений, возникающих при промораживании основания, в последнее время появились новые приемы противостояния этому отрицательному явлению природы. В большинстве случаев появление таких технических решений диктуется экономической целесообразностью, стремлением снизить трудоемкость и сроки возведения фундаментов.

При угрозе возникновения процессов морозного пучения проводят термохимические, инженерно-мелиоративные, строительно-конструктивные, технологические, теплоизоляционные, отопительные (обогревающие) и другие мероприятия. При выборе технических решений учитывают значимость сооружения или здания, а также технологические процессы и условия их эксплуатации. Предпочтение отдается таким мероприятиям, которые в данных условиях окажутся наиболее экономичными и эффективными. Так, например, при наличии достаточно дешевых инертных материалов (песка, гравия, щебня или другого балласта) возможна замена грунта в основании фундамента на 2/3 глубины промерзания подушкой и засыпка пазух с наружной стороны непучинистыми материалами.

При проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений на пучинистых грунтах следует предусматривать отвод поверхностных, атмосферных и производственных вод путем организации вертикальной планировки, ливнестоков, водоотводных канав или лотков. При высоком уровне грунтовых вод полезно устройство дренажа. Нельзя допускать застаивания воды в строительных котлованах, т. е. необходимо организовать систематическое ее удаление. Снижения неравномерного увлажнения грунтов в основании можно добиться устройством водонепроницаемой отмостки (рекомендуемый уклон от здания – 3%). На пучинистых грунтах недопустимо создание вблизи фундаментов прудов, водоемов или других гидротехнических сооружений. Расстояние до водопроводных колонок, моек и т. п. должно быть не менее 20 м.

Устойчивость кирпичных зданий высотой в два и более этажей при воздействии нормальных и касательных сил пучения для района Северо-Запада России может быть обеспечена в том случае, когда глубина заложения подошвы фундамента для наружных стен находится ниже границы промерзания, а внутренних – в половину меньше. Это подтверждает многолетний опыт строительства и эксплуатации таких зданий.

Для подобных зданий опасность сохраняется, когда фундаменты остаются на зимний период не полностью загруженными (например, здание еще не достроено и не утеплено). В таком случае должны быть предусмотрены специальные мероприятия по защите недостроенного здания или сооружения (устройство временного или постоянного утепления из опилок, шлака, снега и т. п.). В необходимых случаях можно организовать электропрогрев или внутреннее отопление недостроенного здания.

В практике строительства известны случаи возведения временных укрытий в виде тепляков с организацией отопления (калориферами, электронагревателями, металлическими печами и т. п.). Для разумного расходования энергоносителей организуется наблюдение за степенью промерзания грунта у фундаментов. Особое внимание следует обратить на утепление подвальных помещений.

Рис. 3.
Столбчатый фундамент
с использованием труб
для щитового деревянного дома:
1 – труба;
2 – бетонная подушка;
3 – анкер из полосовой стали;
4 – брус нижней обвязки;
5 – забирка;
6 – болты для подвески забирки и крепления анкеров

Уменьшение воздействия сил морозного пучения

Для малоэтажных зданий с малонагруженными фундаментами необходимо принимать меры, направленные на снижение сил морозного пучения. В целях уменьшения воздействия касательных сил пучения, возникающих при смерзании грунтов засыпки с поверхностью фундаментов, следует:

• Возводить фундаменты простейших форм с минимальной площадью поперечного сечения;
• Предпочтение отдавать столбчатым или свайным фундаментам с фундаментными балками;
• Уменьшать площадь смерзания грунта с фундаментами;
• Обеспечивать заанкеривание фундаментов в слое грунта ниже отметки сезонного промерзания;
• Снижать глубину промерзания грунта около фундаментов теплоизоляционными материалами;
• Применять обмазки и обертки;
• Проводить соответствующие мероприятия по увеличению нагрузок для компенсации касательных сил пучения;
• Производить полную или частичную замену пучинистого грунта непучинистым.

При строительстве малоэтажных зданий энергетического и сельскохозяйственного назначения (см. фундамент загородного дома) на пучинистых грунтах применяют железобетонные фундаменты в виде плит или лежней без заглубления. Этот способ значительно удешевляет строительство и, как показала экспериментальная проверка, обеспечивает эксплуатационную пригодность зданий и технологического оборудования. При этом полностью исключается воздействие касательных сил морозного пучения.

В качестве лежней можно использовать железобетонные балки, панели перекрытий, аэродромные и дорожные плиты, сваи и т. п. Лежни и плиты укладывают на выровненную песчаную подготовку толщиной 150-200 мм.

При монолитном исполнении подобных фундаментов рекомендуется перед бетонированием уложить на песчаную подготовку водонепроницаемую пленку для устранения утечки из бетона цементного молока. Обычно для армирования плит толщиной 150-200 мм, под жилой одноэтажный кирпичный дом требуется двойная арматура диаметром 10-12 мм с шагом 200-250 мм плюс армированный пояс в уровне низа перекрытия над первым этажом из 3-4 стержней диаметром 10 мм. (см. рис. 1).

Интересны решения по устройству конструкций "нулевого" цикла по финской технологии (например, фирмы PAROC) с теплоизоляцией основания из плитного пенопласта. Примером устройства таких фундаментов может служить один из коттеджей в г. Зеленогорске (Ленинградская обл.). Грунты основания здесь представлены пылеватыми песками (плывунами), уровень подземных вод примерно на 1 м ниже нулевой отметки. Нормативная глубина промерзания 1,4 м. Здание одноэтажное, с мансардным этажом. Стены из пенобетона толщиной 300 мм, перекрытия по деревянным балкам. В зимний период здание может находиться некоторое время без отопления. Здесь, с целью демонстрации различных приемов, условно изображено гораздо больше противопучинных мероприятий, чем в реальном проекте (см. рис. 2).

Заслуживает внимания решение для легких зданий (щитовых домиков), когда необходимо прорезать значительную толщу слабых водонасыщенных грунтов (см. рис. 3). Такие фундаменты имеют гладкую поверхность, что позволяет успешнее справляться с возникающими касательными силами пучения, и глубину заложения ниже отметки промерзания, что исключает влияние нормальных сил пучения. Снижение касательных сил пучения может быть достигнуто обмазками или заменой верхнего слоя на другой, менее активный при пучении грунт, т. е. возможны варианты.

Все вышеизложенное не претендует на абсолютную полноту информации по данной проблеме. Автор стремился вкратце напомнить о существовании методов и приемов, которые выработаны практикой проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений.