Устройство фундамента на пучинистых грунтах

Устройство фундамента на пучинистых грунтах

Строительство на пучинистых грунтах всегда требует особого подхода к выбору фундамента. Силы пучения грунта способны разрушительно воздействовать на основание вашего дома, если оно построено неграмотно.

• Пучение грунта и его виды
• Виды фундаментов на пучинистых грунтах
• Ленточный фундамент на пучинистых грунтах
• Монолитный плитный фундамент на пучинистых грунтах
• Мероприятия, противодействующие касательным силам пучения
• Свайный фундамент на пучинистых грунтах

Устройство фундамента на пучинистых грунтах

Единственно правильное устройство оснований на глинистых почвах – это установка прочного тяжелого подножья ниже зоны промерзания на прочных слоях грунта. При этом устраняется воздействие нижних слоев на основание, но остаются небольшие боковые подвижки.

Поэтому, чтобы устранить практически все существующие воздействия на фундаменты, иногда приходится потратить много денег и времени, но при этом получится прочный надежный фундамент, способный выдержать даже сильные морозы.

Поэтому, все фундаменты на пучинистых грунтах отличаются своей конструкцией, способом монтажа и выбором строительных материалов. Существует три ключевых конструкции оснований, способных выдержать подвижки глинистых и песчаных почв с высоким уровнем грунтовых вод:

• Заглубленный фундамент. Это дорогая с технической и монтажной точки зрения конструкция, где монолитная или блочная подошва устанавливается на глубине ниже зоны промерзания почвы на плотные грунты.
• Мелкозаглубленное основание с увеличенной жесткостью на изгиб. Это специфический вид конструкции, часто применяется в промышленном и административном строительстве. Тут используются конструкции, которые могут независимо принимать неравномерные деформации основания и при этом сохранять целостность здания в целом.
• Использование столбчатых фундаментов с незаглубленными или мелкозаглубленными ростверками. Практикуются при возведении небольших жилых и хозяйственных сооружений, отличаются практичностью и быстротой сооружения.
• Теплоизоляционные фундаменты мелкого заложения. Это вариант ростверковых оснований, только вокруг столбов и ростверка сооружается специальная зона утепления, которая нейтрализует воздействие промерзлой почвы на основу.

Способы противостояния пучению

Схема взаимодействия правильно устроенных фундаментов с пучинистыми грунтами.

Если фундамент возводится на проблемном грунте, принимаются меры, среди которых необходимо выделить следующие. В некоторых случаях имеет смысл замена грунта, находящегося по основанием, на непучинистый. Под фундамент засыпают щебень и песок. Обратная отсыпка также выполняется из непучинистых материалов. Этот прием используется при необходимости снижения бокового пучения. Следующим методом является закладка фундамента с гладкими стеновыми конструкциями. Пучение грунта не нейтрализуется за счет слоя гидроизоляции на боковых стенах.

Для многих типов оснований подходит вариант обустройства фундамента, имеющего вид расширенного монолита. Прокладка теплоизоляции грунта относительно периметральной части постройки эффективно только при наличии системы отопления и нормально утепленного цокольного этажа. Дело в том, что при хорошем отоплении сооружения в комплексе с теплоизоляцией помогают уменьшить силы пучения.

Следует помнить, что чем ближе к поверхности залегают грунтовые воды, тем сильнее действуют пучинистые силы.

Исключением являются лишь непучинистые грунты. Высокое содержание воды в почве приводит к ее размытию. Иногда грунтовые воды содержат агрессивные вещества, способные разрушать армирующие изделия и бетонные конструкции. Эти проблемы можно решить с помощью гидроизоляции. Снизить пучение в районе фундамента помогает и устройство дренирующей системы.

Схема столбчатого фундамента.

Основным решением проблемы постройки надежного фундамента на пучинистых грунтах является достаточное заглубление основы, которая будет находиться ниже уровня замерзания почвы. При недостаточной прочности основания материал может быть смещен или деформирован. При закладке основы на большую глубину строительство потребует больших расходов на материалы. Как правило, хороший фундамент на пучинистых грунтах надежно сопротивляется воздействию пучения и равномерно распределяет деформационные явления всех элементов основания.

С такой проблемой помогает справиться мелкозаглубленный базис, характеризующийся небольшой глубиной закладки. Такая закладка помогает гасить касательные силы пучения грунта, так как фундамент представлен монолитным сооружением. Чтобы такая основа справлялась со своими функциями, под ней устраивают специальную подушку, состоящую из материалов, не подверженных пучению. Это может быть щебень средней фракции или песок. После заливки бетона внешнюю сторону фундамента прокладывают непучинистыми материалами и присыпают землей. Далее будет описаны основные типы фундаментов, возводимых на пучинистых грунтах.

2. Применение винтовых свай при высоком уровне грунтовых вод

При высоком уровне грунтовых вод (менее 1,5 м от поверхности) стоимость работ по устройству традиционного фундамента возрастает на 50-70%. Это связано с тем, что при рытье котлована, отметка дна которого расположена ниже глубины промерзания и ниже уровня установления грунтовых вод, необходимо выполнять работы по удалению воды из котлована и организации защиты от грунтовых вод. А расположение фундамента традиционного типа ниже расчетной глубины промерзания – обязательное требование действующих нормативных документов (СП22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП»).

Для иных типов фундаментов, например, буронабивных свай, также нужно проводить дополнительные мероприятия, повышающие цену строительства: во время работ необходимо укрепить стенки предварительно пробуренных скважин.

Наиболее рациональный способ решения проблемы высокого уровня грунтовых вод –винтовые сваи. Процесс их установки исключает проведение земляных работ. Готовое свайное поле допускается объединить монолитным ленточным ростверком, заглубленным не более чем на 0,5 м. Эта технология исключает работы, связанные с защитой фундаментов от подземных вод, как на этапе строительства, так и на этапе эксплуатации.

Цена устройства мелкозаглубленного фундамента на пучинистых грунтах

Как правило, расходы на строительство этого ленточного основания состоят из таких статей:

1. Стоимость используемых материалов;
2. Работы по подготовке участка и его планировке;
3. Земляные работы;
4. Установка опалубки;
5. Создание армкаркаса;
6. Заливка опалубки бетоном.

При ограниченных средствах на строительство застройщики закупают дешёвые материалы и оптовыми партиями. «Экономить ли на строительстве фундамента?» — вопрос сугубо индивидуален. Мнение специалистов – на основе здания экономить категорически нельзя.

Основные методы защиты

Используемые в процессе строительства методы защиты объекта от сил морозного пучения учитывают физику процесса и направлены на возможную минимизацию либо полное устранение причин, его вызывающих.

Существующие варианты защиты можно условно разделить на три группы:

• Предварительные;
• Технически реализуемые;
• Используемые в процессе эксплуатации объекта.

Методы защиты от морозного пучения, относящиеся к первой группе, включают обязательное предварительное проведение инженерно-геологических изысканий на требуемую глубину, благодаря которому проектировщики получают необходимую информацию:

• Тип грунта в месте предстоящего строительства и его склонность к пучению;
• Глубина промерзания;
• Уровень залегания подпочвенных вод;
• Среднемесячные температуры;
• Толщина снежного покрова;
• Оптимальная ориентация объекта по сторонам света.

Всё это позволяет ответить на вопрос о принципиальной возможности строительства проектируемого объекта на данном участке, выбрать нужный тип фундамента и оптимальные технологии защиты строения от негативного влияния сил, создаваемых морозным пучением.

Технические варианты защиты сваи от морозного пучения

При выполнении работ на грунтах с высокой вероятностью морозного пучения строящийся объект может защищаться с использованием одного или несколько вариантов, рассмотренных ниже.

1. Полная или частичная замена имеющегося грунта на непучинистый в месте выполнения строительных работ.

Полная замена на грунт, не поддающийся пучению, является весьма дорогостоящей процедурой и используется крайне редко (только если глубина заменяемого слоя не превышает 2 м). Гораздо чаще выполняется подушка под фундамент из непучинистых грунтов и обратная засыпка траншеи, отрытой под фундамент, после завершения монтажа последнего и удаления опалубки. Это также позволяет минимизировать негативное влияние сил пучения.

На начальном этапе фундаментных работ после отрывки траншеи на всю расчётную глубину, на её дне выполняется подушка, состоящая из смеси щебня и гравия с чистым промытым песком. Оптимальной (для частного дома) считается толщина

30 см. Ширина отсыпанного слоя должна быть на 20-30 см больше упомянутого размера фундамента.

• равномерно распределить на грунт общую массу строения;
• минимизировать отрицательное воздействие на его подошву вертикальных выталкивающих сил, возникающих в результате морозного пучения.

При этом следует понимать, что подушка снижает их величину не потому, что выполнена из непучинистых грунтов. Она просто уменьшает слой последнего.

Пример. Глубина промерзания на строительном участке 1,5 м. Фундамент заглублен на 1,0 м. Оставшийся слой пучинистого грунта составляет 50 см, что может привести к его увеличению до 5 см (

10%). Выполнив подушку толщиной в 30 см, мы сокращаем слой до 20 см и, автоматически, его возможное увеличение, до 2 см.

Весной и осенью уровень грунтовых вод (глубина) повышается. Это может привести к тому, что подушка, частично или полностью, окажется под их воздействием и может быть загрязнена (заилена) мелкими частицами, содержащимися в воде. Они мигрируют вместе с подпочвенными водами, засоряют выполненную подсыпку, доводят её до состояния пучинистого грунта. Поэтому через несколько лет она не сможет достаточно эффектно противостоять разрушающим силам, возникающим вследствие пучения.

Чтобы этого не произошло, как можно дольше применяется специальный материал, геотекстиль, прекрасно фильтрующий воду и задерживающий все твёрдые взвеси.

В целях минимизации воздействия перпендикулярных и касательных сил на возводимый фундамент (как вариант, на стены подвала), возникающих в результате морозного пучения, выполняют обратную засыпку с использованием непучинистых грунтов, которые также предварительно защищаются геотекстилём.

Подобное заполнение не будет примерзать к стенкам фундамента, что также снижает силу касательных нагрузок.

В качестве дополнительного технического решения, направленного на снижение негативного влияния перпендикулярных и касательных нагрузок (ПКН) на боковые стенки фундамента, может быть увеличение их гладкости.

Бетон, из которого чаще всего возводится фундамент, весьма пористый материал, что существенно повышает вероятность его смерзания в морозное время года с прилежащими слоями грунта. Для исключения или минимизации подобного явления внешнюю стену фундамента накрывают слоем гидроизоляционного материала (рубероид, толстая ПЭ плёнка и т.п.). Простейший вариант — грунтование поверхности с использованием отработанного масла.

2. Изготовление монолитного фундамента, имеющего уширение в нижней части конструкции.

Другим технологическим решением, защищающим фундамент от вероятного деформирования силами, возникающими из-за морозного пучения, является использование полноценного арматурного каркаса по всей его глубине (высоте) и длине. Это обеспечивает жёсткость и монолитность конструкции на всех участках.

Для предотвращения выдавливания силами пучения, действующими на основание фундамента, последнее выполняется в форме трапеции (с нижним уширением). То есть здесь формируется площадка – анкер, исключающая возникновение подобной ситуации.

Этот вариант гарантирует требуемую стабильность функционирования фундаментов. Однако использовать его можно только при обустройстве фундаментов из бетона.

Если конструкция изготавливается с использованием блоков, кирпича или натурального камня (что исключает её внутреннее армирование), то класть боковые стены фундамента изначально требуется под углом (конструкция сужается вверх).

3. Заглубление подошвы фундамента ниже уровня промерзания.

Подобное решение, чаще всего, принимается при возведении свайных и свайно-винтовых фундаментов и позволяет полностью исключить влияние выталкивающих сил морозного пучения, но существенно увеличивает поверхность, на которую влияют ПКН.

Способы устранения негативного влияния последних рассмотрены выше.

В случае промерзания грунта на всю глубину заложения фундамента, рассматриваемом в данном разделе, весьма высока вероятность того, что опоры, изменив за зиму своё положение, не примут исходного в тёплое время года. Чтобы избежать данной проблемы выполняется ростверковое соединение всех опор (свай).

В тех случаях, когда речь идёт об установке столбов для заборов, выполняется двойная жёсткая обвязка последних по верхнему и нижнему уровню. Это необходимо в силу существенных нагрузок вероятного пучения (морозного), величина которых может составлять ≤ 10 тонн.

Оптимальным считается решение смонтировать все столбы на едином ленточном монолитном фундаменте, с тщательным армированием последнего.

4. Выполнение дренажных работ.

Чем сильнее увлажнены пучинистые грунты, тем большее увеличение объёма наблюдается при их промерзании (плотность воды примерно на 10% выше плотности льда).

Это автоматически увеличивает вероятность возникновения деформаций и, соответственно, требует существенного повышения требований к выполнению работ, обеспечивающих безопасность возводимого объекта.

Удаление влаги будет способствовать снижению показателя пучинистости и, соответственно, величины сил, негативно влияющих на фундамент. Данную процедуру следует разделить на составляющие.

В первом случае, речь будет идти о защите грунта от попадания в него «верховодки» (атмосферные осадки, снеготаяние).

Решению данной задачи служит выполнение отмостков по всему периметру возводимого здания (бетон, асфальт). Их ширина должна минимум на 200-300 мм перекрывать зону обратной засыпки, чтобы исключить просачивание влаги к фундаменту.

Во втором для борьбы с обводнённостью грунтов, проводится дренаж фундамента. Это обеспечивает снижение уровня подпочвенных вод.

Классическое решение предусматривает укладку системы дренажных (перфорированных) труб в предварительно промытый и уложенный гравийный слой. Этот материал частично задерживает частицы грунта. Монтаж труб ведётся с незначительными уклонами на расчётной глубине, что позволяет собирать воду со значительной площади участка и самотёком направлять её в специальные колодцы, либо в канализационный коллектор.

Выбирая подобное решение, следует понимать, что чисто гравийный фильтр прослужит недолго и не гарантирует защиту дренажных отверстий, имеющихся в трубах, от засорения мелкими частичками грунта.

Их прочистка — весьма трудоёмкий и довольно сложный процесс, под который заблаговременно обустраиваются на участке специальные колодцы на нужную глубину.

Чтобы увеличить сроки между плановыми чистками, используют геотекстиль, которым обёртываются трубы. Наличие подобного фильтра позволяет отказаться от обустройства фильтра гравийного.

5. Обустройство плитного фундамента

Плитные фундаменты часто именуют «плавающими». При подвижках грунтов перемещается вся плита. Поэтому на строение, возведённое на подобном основании, разрушающие и деформационные нагрузки от морозного пучения влияния не оказывают.

Обычно это ж/б монолитная армированная плита, мелкозаглубленная либо уложенная поверх грунта (глубина погружения равна нулю).

6. Утяжеление возводимой постройки.

Одним из решений, позволяющих минимизировать или полностью обнулить негативное влияние пучения грунтов, является увеличение массы постройки до значений, которые нагружают фундамент с силой, превышающей выдавливающую, которую создают пучинистые грунты при замерзании.

Поэтому тяжёлые здания на подобных грунтах строить гораздо выгоднее.

7. Утепление свайного фундамента снаружи на пучинистых грунтах

В регионах с положительными среднегодовыми температурами допустимо использование такого варианта, как утепление грунта. Использование утеплителя, уложенного в грунт, существенно снижает уровень промерзания. А в отдельных случаях полностью его исключает.

Суть метода. По всему периметру строящегося здания проводится выемка грунта на расстоянии, равном глубине промерзания в месте ведения строительства. Глубина выбирается с таким расчётом, чтобы уложенный утеплитель можно было засыпать сверху слоем непучинистого грунта толщиной ≥ 200 мм. И выполнить под него песчаную подушку не менее 100 мм.

Толщина материала выбирается с учётом климатических особенностей и его теплоизоляционных характеристик. Чаще всего для решения задачи используются пенопласт, керамзит или шлак.

Оптимальным утеплителем является экструдированный пенополистирол. При плотности выбранной марки в 35 кг/м³, его коэффициент теплопроводности равен 0,32 Вт/м°С. При 50 кг/м³, соответственно 0,36 Вт/м°С.

Этот материал отличается повышенной прочностью к сжимающим нагрузкам (рекомендован для использования в дорожном строительстве).

Использование утеплителя позволяет строить здания на мелкозаглубленных (до 500 мм) фундаментах.

Как правило, поверх утеплителя обустраивается отмостка ≥ 100 мм.

Общая информация и особенности

Существуют определенные виды проблемных грунтов, которые оказывают на фундаменты, возводящихся на них, негативное внешнее воздействие, вследствие чего к основам выдвигаются дополнительные требования по крепости и надежности. Один из таких видов – пучинистый грунт.

Пучение грунта – это свойство почвы к увеличению своих объемов, которое проявляется исключительно в холодное время года, вследствие замерзания большого количества воды внутри грунта. Вода, которой пропитана почва, превращаясь в лед, увеличивает свою объемную часть, что неизбежно провоцирует деформацию почвы.

Пучение свойственно не всем видам грунта, а только тем, в которых содержится большое количество высоко залегающих грунтовых вод. Чем выше уровень потенциально возможного пучения почвы, тем глубже необходимо прокладывать фундамент, если говорить о мелкозаглубленных ленточных фундаментах на пучинистых грунтах, то они могут возводиться только с учетом ряда строгих технических требований, которые будут рассмотрены в данной статье.

В целом, общее правило, согласно которому можно построить надежный фундамент даже на самом проблемном пучинистом грунте своими руками следующее: «Фундамент должен залегать в почве ниже, чем глубина её промерзания зимой, и при этом, необходимо обеспечить необходимое укрепление основы посредством армирования, либо других доступных способов»

Влияние пучения грунтов на фундамент здания

Когда наступает холодное время года, почва, в которой располагается фундамент, начинает расширяться из-за замерзания в ней воды.

Вследствие увеличения объема почвы, которым сопровождается превращение жидкости в лед, основание здания может приподниматься вверх – это касается любых домов, даже кирпичных построек с очень большим весом.

Любая деформация, как вы понимаете, негативно сказывается на долговечности и крепости здания, однако основные проблемы начинаются не в момент замерзания почвы, а в момент её оттаивания.

Пучение грунта вследствие низких температур

Весной, когда влага оттаивает, происходит уменьшение объема почвы, вследствие чего несущая конструкция здания просаживается. Масла в огонь подливает то, что просадка происходит неравномерно, что провоцирует перекашивание здание и быстрое наступление аварийной ситуации, в которой эксплуатация постройки невозможна.

Если фундамент заложен согласно вышеуказанному правилу, ниже уровня промерзания почвы, то зимой он будет испытывать всё те же силы пучения, однако их влияние будет идти не снизу, выталкивая несущую конструкцию из грунта, а по касательной, с чем сделанный по всем правилам плитный, либо хороший ленточный фундамент справляются без особых проблем.

Особенности пучинистого грунта

Пучнистые земли представляют собой наличие в почве участка таких составляющих, которые склонны к скоплению большого количества воды. В результате в сезон морозов эта самая вода кристаллизуется (то есть замерзает), увеличиваясь от этого в объеме, а именно — в почве присутствует лёд, которому требуется место.

Особенно пучнистыми являются такие почвы:

• Мелкопесчаные с высоким уровнем грунтовых вод;
• Глинистые и суглинистые;
• Пылеватые почвы.

Грунт, насыщенный в зимнее время года льдом, начинает пучиться, отыскивая себе место. Таким образом происходит смещение фундамента под воздействием пучнистой земли. Причем в зависимости от степени заглубленности основания негативное воздействие грунта может оказываться как снизу, так и на стенки фундамента. То есть, если основание дома не углубляют ниже уровня промерзания почвы, то такой базис находится как бы на поверхности играющей лавы. Его постоянно деформирует, меняя соответственно и первоначальное положение дома. Если же фундамент углубляют ниже уровня промерзания грунта, то здесь пучинистая земля снизу не оказывает влияния на каркас дома, а вот на боковые его стенки изрядно давит. Стоит ли говорить о негативных последствиях для дома в результате такого влияния на фундамент.

Важно: уровень промерзания грунта в средней полосе России достигает отметки 1,5 метра. И углублять фундамент ниже этого уровня очень затратно. Поэтому стоит подобрать один из приведенных ниже типов фундамента, который отлично справится с нагрузкой, оказываемой на него и домом, и почвой.

Стоит отметить, что в момент промерзания и пучения почва может увеличиваться в объеме в диапазоне 4-12%. И объем увеличения полностью зависит от количества воды в грунте.

Профессионалы делят пучнистые земли по степени пучения на такие виды:

• Слабопучнистые почвы. Процент увеличения грунта в объеме не превышает 4%.
• Среднепучнистые. Здесь земля увеличивается в объеме до 8%.
• Сильнопучнистый грунт. Его объем может увеличиться до 12%.

При этом процент вспучивания почвы обусловлен дополнительными факторами, такими как:

• Уровень расположения подземных вод;
• Глубина промерзания почвы;
• Дисперсионные свойства грунта;
• Высота капиллярного смачивания слоёв земли на участке.

Мелкозаглубленные фундаменты на пучинистых грунтах

Неплохим вариантом на проблемных грунтах является использование мелкозаглубленного фундамента. Особенно популярно такое основание, при возведении небольших и легких построек. Характерная особенность мелкозаглубленного фундамента заключается в том, что по всему периметру постройки необходимо проложить теплоизоляцию. Она снизит риск промерзания почвы и обеспечит долговечность строения. Рекомендуется использовать в этом качестве плиты экструдированного пенополистирола, которые не пропускают влагу и не дают почве замерзать. Поверх утеплителя можно засыпать песок и соорудить бетонную отмостку.

Различают плитный и ленточный мелкозаглубленный бетонный фундамент. Ленточный вариант предполагает рытье неглубокого котлована, в который на песчаную подушку заливается бетонный раствор. Используется армирование металлическими прутками, стальной проволокой или арматурой.

Плитный фундамент является более надежным, но для его строительства потребуется много бетона. Можно самостоятельно залить бетонное основание или положить в вырытый котлован уже готовую плиту. Даже самый пучинистый грунт не нанесет вреда постройке, находящейся на мелкозаглубленной плите плавающего типа.

Мы убедились, что даже на пучинистых почвах возможно сооружать постройки без риска их разрушения. Самое главное — придерживаться существующей технологии, характерной для определенного типа фундамента.