Пучинистый грунт – как делать фундамент?

Надёжным является фундамент, деформации которого (осадки, пучение) в течение всего срока эксплуатации не превышают значений, допустимых для конструкций дома.
Важнейшим условием надёжного устройства фундаментов в пучинистых грунтах является их устойчивость под действием касательных сил пучения. Деформации фундаментов должны быть равны нулю. Подошвы фундаментов не должны отрываться от основания, на которое они опираются. Это достижимо, когда нагрузки от дома равны или больше касательных сил пучения, возникающих по боковым граням заглублённых в грунт фундаментов (рис. 1).

Рис. 1. Условие надёжного устройства фундаментов в пучинистых грунтах: а - надежно устроенный фундамент; б - ненадёжно устроенный фундамент; gd - нагрузка от дома; τf - касательные силы пучения; df - расчётная глубина промерзания; hfr -величина пучения грунта; hfф - величина деформации пучения фундамента; 1 - фундамент; 2 - зазор (полость).

В действующих Строительных Нормах по проектированию оснований зданий и сооружений принято правило, по которому глубина заложения фундаментов в непучинистых грунтах назначается конструктивно независимо от глубины промерзания, в средне- и сильнопучинистых грунтах - должна быть не менее расчётной глубины промерзания, а в слабопучинистых грунтах глубина заложения фундаментов должна составлять не менее половины расчётной глубины промерзания (табл. 2, СНиП 2.02.01-83*).
При таком заглублении большие нормальные силы пучения, которые могли бы действовать на подошву фундаментов, в средне- и сильнопучинистых грунтах исключаются, а в слабопучинистых грунтах снижаются до незначительных величин. Касательные же силы пучения, действующие по боковой поверхности заглубленных фундаментов, должны быть задавлены весом сооружения. Это условие, как правило, выполнимо для тяжёлых объектов в промышленном, гражданском и многоэтажном жилищном строительстве. В малоэтажном же строительстве это условие не выполняется. Как показывает практика, нагрузки от малоэтажного дома в большинстве случаев значительно меньше касательных сил пучения.
Требование заложения фундаментов ниже расчётной глубины промерзания было введено в практику строительства в период, когда объёмы малоэтажного строительства с небольшими нагрузками на фундаменты были незначительными и не входили в номенклатуру важнейших объектов пятилеток. Поэтому для таких сооружений (без изменения общего правила заглубления) Нормами предусмотрен комплекс мероприятий, позволяющих обеспечить в пучинистых грунтах требования расчёта по устойчивости малонагруженных фундаментов. "Кроме возможности изменения глубины заложения фундаментов, следует рассмотреть необходимость применения мероприятий, уменьшающих силы и деформации морозного пучения, а также глубину промерзания" (п. 14.8., СНиП 2.02.01-83*).
Сюда можно отнести:
- введение дополнительных связей, ограничивающих перемещение фундаментов;
- применение других типов фундаментов;
- мероприятия, направленные на преобразование строительных свойств грунтов: уплотнение, полная или частичная замена грунтов с неудовлетворительными свойствами подушками из песка, гравия, щебня и т.п.;
- устройство насыпей;
- закрепление грунтов;
- введение в грунт специальных добавок (засоление, пропитка нефтепродуктами).

Все мероприятия по снижению или исключению деформаций, сил морозного пучения и глубины промерзания можно разделить на конструктивные, инженерно-мелиоративные, физико-химические и теплозащитные. Остановимся подробнее на важнейших из них.

Конструктивные мероприятия

1. При устройстве заглублённых фундаментов под сооружения с большими нагрузками, превышающими суммарные касательные силы пучения, возможно применение как сборных, так и монолитных конструкций.
При устройстве заглублённых фундаментов под малоэтажные дома с нагрузками, меньшими касательных сил пучения, при применении сборных фундаментов по мере промерзания грунта возможен последовательный отрыв верхних блоков от нижних. В пространство между блоками может попадать грунт обратной засыпки (рис. 2), что приводит к образованию и накоплению остаточных деформаций пучения. В этом случае необходим переход на вариант монолитных железобетонных фундаментов.

Рис. 2. Возможные деформации в пучинистых грунтах сборных фундаментов: gd - нагрузка от дома; τf - касательные силы пучения на границе "грунт - обратная засыпка"; τfр - касательные силы пучения на границе "обратная засыпка - фундамент"; df - расчётная глубина промерзания; dfi - текущая глубина промерзания; 1- фундаментный блок; 2 - зазор (полость); 3 - грунт обратной засыпки.

2. Под тяжёлыми объектами засыпка пазух траншей и котлованов после изготовления фундаментов возможна местным пучинистым грунтом. Под малоэтажными домами засыпка пазух непучинистым крупным или средней крупности песком позволяет снизить величину касательных сил пучения (рис. За).

Рис. 3. Засыпка пазух траншей и котлованов песком: а - ширина пазух, принятая из технологических условий производства работ; б - расчётная ширина пазух, принятая из условия устойчивости фундаментов; gd - нагрузка от дома; τf - касательные силы пучения на границе "грунт - обратная засыпка"; τfp - касательные силы пучения на границе "обратная засыпка - фундамент"; df - расчётная глубина промерзания; 1 - фундамент; 2 - пазуха, заполняемая песком.

Если ширина траншей или размеры котлованов, принятые из технологических соображений, недостаточны при засыпке пазух песком для обеспечения устойчивости фундаментов, можно увеличить их размеры в плане. Чем шире пазухи обратной засыпки непучинистым грунтом, тем меньше касательные силы пучения, действующие на границе с фундаментами (рис. 3б).
При некоторой ширине траншей остающиеся между фундаментами целики неразработанного грунта могут быть настолько малы, что становится целесообразной разработка котлована под всем домом с заменой пучинистого грунта на непучинистый.
3. При значительных объёмах земляных работ более рациональным может оказаться решение об изменении глубины заложения фундаментов. Например, заложение фундаментов на такую глубину, при которой силы трения непромерзающего грунта совместно с нагрузкой от дома превышают касательные силы пучения (рис. 4а). Правда, при таком варианте существенно возрастает расход железобетона.

Рис. 4. Варианты заглубления фундаментов: а - значительно ниже глубины промерзания; б - выше глубины промерзания; gd -нагрузка от дома; τf~ касательные силы пучения на границе "грунт - обратная засыпка"; τfр - касательные силы пучения на границе "обратная засыпка - фундамент"; τr - касательные силы трения талого грунта; df - расчётная глубина промерзания; 1 - фундамент; 2 - пазуха, заполняемая песком; 3 - пазуха, засыпаемая местным грунтом или песком; 4 - противопучинная песчаная подушка.

Значительно меньший расход железобетона достигается при заложении подошвы фундаментов выше расчётной глубины промерзания - при устройстве мелкозаглублённых фундаментов. В этом случае принимают такое заглубление, при котором касательные силы пучения не превышают нагрузок от дома (рис. 4б).
4. Более экономичное решение, чем заглубление фундаментов в талый грунт, может быть получено при увеличении поперечного сечения в нижней части фундамента (рис. 5а,б), размещаемого ниже глубины промерзания. В этом случае уширенная часть работает как анкер, препятствующий перемещению фундамента под действием касательных сил пучения.

Рис. 5. Анкерное устройство фундаментов: а - ленточный или столбчатый фундамент; б - буровая опора; df - расчётная глубина промерзания; dfmax- максимальная глубина промерзания, зафиксированная за время наблюдений; τf - касательные силы пучения на границе "грунт - обратная засыпка" или "грунт - буровая опора"; τfp - касательные силы пучения на границе "обратная засыпка - фундамент"; σ - реактивное давление промерзающего пучинистого грунта; 1 - столбчатый или ленточный фундамент; 2 - буровая опора.

Реактивное давление пучинистого грунта на анкер способствует устойчивости фундамента. При таком решении, также как и при заглублении в талый грунт, необходимо усиленное армирование фундаментов на разрыв, так как бетон имеет низкое сопротивление растягивающим усилиям.
Для обеспечения надёжного устройства таких фундаментов на весь срок эксплуатации дома заглубление анкерной части рекомендуется выполнять ниже максимально зафиксированной глубины промерзания в регионе строительства.
5. В процессе расчёта фундаментов на устойчивость может возникнуть необходимость перехода на другие типы фундаментов: вместо ленточных заглублённых использовать столбчатые заглублённые; вместо столбчатых заглублённых - мелкозаглублённые ленточные или столбчатые; взамен буровых опор - столбчатые в котлованах; вместо буровых цилиндрических опор - буровые с уширением и др.
6. Для снижения неравномерных деформаций пучения при применении мелкозаглублённых столбчатых фундаментов могут быть предусмотрены мероприятия по повышению прочности и пространственной жёсткости надфундаментных конструкций. Это может быть устройство железобетонных поясов жёсткости в уровне перекрытий, армирование кладки (кирпичной и из других штучных материалов) стен, устройство монолитных перекрытий. При применении ленточных мелкозаглублённых фундаментов возможно устройство монолитных железобетонных цоколей в единой конструкции с фундаментами.

Инженерно-мелиоративные мероприятия

1. Повышение общего уровня строительной площадки путём устройства отсыпки из непучинистого грунта (крупного или средней крупности песка) позволяет уменьшить глубину промерзания пучинистого основания. При этом степень пучинистости грунтов строительной площадки понижается. Подобное мероприятие особенно целесообразно при высоком уровне грунтовых вод.
2. С целью снижения степени пучинистости грунтов строительной площадки путём понижения уровня грунтовых вод может быть устроен глубинный дренаж. Однако это достаточно дорогое мероприятие в бесподвальных домах может быть малоэффективным. Например, при снижении уровня грунтовых вод с глубины 1 м от поверхности до 2 м в суглинках и глинах степень их пучинистости изменяется мало.
В домах с цокольным этажом или техническим подпольем устройство глубинного дренажа, как правило, необходимо выполнять с несколько иной целью - устранения возможности подтопления заглублённых помещений грунтовыми водами.
3. Можно достигнуть снижения пучинистости грунтов за счёт снижения их пористости уплотнением тяжёлыми трамбовками. Вытрамбовывание и выштамповывание траншей и котлованов под фундаменты малоэтажных домов применялось в экспериментальном порядке в 90-е годы в централизованном сельском строительстве. Однако в индивидуальном строительстве этот способ не получил распространения из-за высокой трудоёмкости и стоимости, а также из-за необходимости иметь мощные механизмы и оборудование, которые достаточно быстро выходят из строя.

Физико-химические мероприятия

1. Нормы предлагают мероприятия по снижению пучинистости грунтов введением в грунт специальных добавок. Засоление грунтов позволяет понижать температуру их замерзания. Пропитка слоя грунта нефтепродуктами существенно снижает его смерзание.
2. Для снижения смерзания пучинистых грунтов с фундаментами предлагается обмазка боковых поверхностей, находящихся в грунте, консистентными смазками или покрытие их полимерной плёнкой.
3. Существуют технологии связывания пучинистых грунтов различными способами: химическим, электрохимическим, буро-смесительным и др.

Теплозащитные мероприятия

Возможно полное или частичное исключение промерзания пучинистого грунта с боковой поверхностью заглублённых фундаментов при закладке вокруг них в грунт утеплителей. В сезонно отапливаемых домах утеплитель закладывают с двух сторон фундаментов, а в регулярно отапливаемых домах - только с внешней стороны (рис. 6).

Рис. 6. Применение утеплителей для исключения промерзания пучинистого грунта: а - в сезонно отапливаемом доме; б - в регулярно отапливаемом доме в зимний период; 1 - фундамент; 2 - утеплитель.

Следует использовать утеплители, которые не поглощают воду. Для этого годятся, в первую очередь, утеплители, изготавливаемые на основе экструдированного пенополистирола, например, "Пеноплэкс", Styrofoam, Styrodur, Primap1ех, Тер1ех, Теплоизоплит и др.

Анализ рекомендуемых мероприятий

1. Прежде всего обратим внимание, что необходимость применения многих мероприятий по обеспечению устойчивости заглублённых малонагруженных фундаментов в пучинистых грунтах возникает из-за отсутствия основного условия, на котором основано правило заглубления, - касательные силы пучения не задавливаются нагрузками от малоэтажного дома. Нагрузки от дома в средне- и сильнопучинистых грунтах в подавляющем большинстве случаев значительно меньше касательных сил пучения. Поэтому предлагаемые мероприятия представляются как спасательные меры при устройстве заглублённых малонагруженных фундаментов.
Можно согласиться с применением предложенных мер в виде исключения при небольших объёмах малоэтажного строительства. Однако при массовом строительстве малоэтажных домов проектирование фундаментов с применением спасательных мер противоречит логике строительного искусства.
2. Такие мероприятия, как заглубление фундаментов значительно ниже расчётной глубины промерзания, устройство анкерного уширения ниже глубины промерзания, замена всего пучинистого грунта на непучинистый, закладка утеплителей в грунт и др., ведут к существенному удорожанию строительства.
3. Мероприятия, связанные с засолением грунтов, пропиткой их нефтепродуктами, с покрытием поверхности фундаментов консистентными смазками, были предложены во времена, когда вопросы экологии не стояли так остро, как в настоящее время, и поэтому не принимались во внимание. Следует признать такие мероприятия вредными для окружающей среды и непригодными для применения в малоэтажном строительстве.
4. Ряд мероприятий: вытрамбовывание и выштамповывание траншей и котлованов, укрепление грунтов введением связывающих добавок, устройство глубинного дренажа под бесподвальными домами не нашли применения в практике строительства малоэтажных домов из-за их малой эффективности, нетехнологичности или отсутствия соответствующих механизмов и оборудования.
5. Всё же использование ряда мероприятий позволяет обеспечить устойчивость и, следовательно, надёжность фундаментов под малоэтажными домами, но это достигается значительным удорожанием строительства.
6. Применение в пучинистых грунтах заглублённых фундаментов при превышении касательных сил пучения над нагрузками от дома только усложняет и удорожает решение задачи по устройству надёжных фундаментов.
Наиболее перспективными по надёжности и экономичности возведения под бесподвальными малоэтажными домами в пучинистых грунтах являются монолитные железобетонные мелкозаглублённые фундаменты, устраиваемые на противопучинной песчаной подушке. Небольшие нагрузки от малоэтажного дома позволяют опирать фундаменты на грунты, находящиеся близко к поверхности. Можно применять незаглублённые и мелкозаглублённые фундаменты. В этом случае потребность во многих мероприятиях просто отпадает, а необходимые - проводят в гораздо меньших объёмах.
7. При заглублении фундаментов ниже расчётной глубины промерзания допустимы только деформации осадок. Деформации пучения не допускаются. При применении же мелкозаглублённых фундаментов допускаются как деформации осадок, так и в ограниченных размерах деформации пучения. Абсолютные значения деформаций для деревянных домов составляют 5,0 см, для деформации равны 0,002 и 0,0005 соответственно.
8. Надёжность мелкозаглубленных фундаментов при выбранной глубине заложения обеспечивают:
- расчётом необходимой площади опорной части с учётом нагрузок от дома и расчётного сопротивления грунтов;
- расчётом из условия устойчивости необходимой ширины траншей и котлованов, пазухи которых засыпают непучинистым грунтом - в зависимости от нагрузок от дома, выбранной глубины заложения и степени пучинистости грунтов;
- расчётом по допустимым деформациям пучения толщины противопучинной нагрузки.

В домах с цокольным этажом устойчивости заглублённых конструкций в пучинистых грунтах достигают устройством расчётной ширины пазух, засыпаемых непучинистым грунтом, при изготовлении монолитных железобетонных стен.
9. В 2005 году в развитие СНиП вышел Свод Правил (СП 50-101-2004), в котором изложены основные положения по проектированию мелкозаглублённых фундаментов на пучинистых грунтах в малоэтажном строительстве. Данные табл. 2 СНиП 2.02.01-83* не пригодны для применения при выборе глубины заложения фундаментов под малоэтажные дома в пучинистых грунтах.

© Л. Гинзбург, кандидат технических наук (тел.: (495) 353-55-75.) Журнал Советы профессионалов №2/2010 г.