Причины морозного пучения грунтов

Достаточно часто после окончания зимнего сезона на фасадах и цоколях коттеджей появляются трещины, перекашиваются дверные коробки или появляются щели в оконных рамах. Причиной этих неприятностей в большинстве случаев является подвижка оснований фундаментов, вызванная силами морозного пучения грунта, которые возникают в результате увеличения объема грунта при его замерзании.

Практически все грунты (кроме скальных) могут подвергаться морозному пучению, но в наибольшей степени этот недостаток присущ глинистым грунтам (суглинки, глины, супеси, мелкие и пылеватые пески), а также пескам, содержащим пылевато-глинистые частицы. Пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых частиц, считаются непучинистыми.

Как уже отмечалось, морозному пучению подвергаются грунты, содержащие мельчайшие пылеватые и глинистые частицы. По сравнению с крупными и средними песками, эти частицы очень хорошо связывают воду. При замерзании насыщенная водой масса значительно увеличивается в объеме, начинает давить на находящиеся в грунте конструкции и выталкивать их из земли.

Деформации морозного пучения - результат воздействия на конструкцию так называемых нормальных и касательных сил. Первые возникают под подошвой фундамента в результате замерзания и увеличения объема пучинистого грунта, вторые - из-за вертикального смещения грунта, примерзшего к боковым поверхностям фундамента или к стенам подвала. Кроме того, увеличившийся в объеме замерзший грунт начинает давить перпендикулярно поверхности стен подвалов, вызывая деформацию фундаментов в горизонтальном направлении.

Процесс пучения усиливается при увеличении влажности пучинистых грунтов в результате атмосферных осадков (в частности, обильных осенних дождей), при капиллярном поднятии влаги и повышении уровня грунтовых вод.

В Подмосковье 80% всех грунтов относится к категории пучинистых, а глубина их промерзания в зимнее время может достигать 1,4 м. Поэтому защита фундаментов, труб, проложенных под землей, площадок, покрытых асфальтом или плитками, а также подъездов к гаражам от деформаций, вызванных силами морозного пучения, является насущной необходимостью. Для уменьшения воздействия сил морозного пучения на подземные конструкции при строительстве и ремонте дома рекомендуется выполнить следующие мероприятия (табл. 1).

Таблица 1.

Причины, вызывающие деформации конструкций	Конструктивное решение
Воздействие нормальных сил морозного пучения на подошву фундамента	Устройство подсыпки (1) толщиной 100-200 мм под подошву фундамента из непучинистого грунта: гравелистого, крупного или средней крупности песка, гравия, щебня или песчано-щебеночной смеси (песок 40%, щебень 60%)
Воздействие касательных сил морозного пучения на боковые поверхности фундаментов и стен подвалов	устройство обмазки (2) боковой поверхности фундаментов и стен подвалов, уменьшающей их шероховатость и силы сцепления со смерзшимся пучащимся грунтом на глубину промерзания; обратная засыпка (3) пазух фундамента на всю глубину промерзания непучинистым грунтом; ширина засыпки по низу выемки должна быть не менее 0,5 м.
Увлажнение пучинистого грунта атмосферными осадками	Устройство отмостки (4) с уклоном 3-5 % в сторону от дома, ширина которой превышает ширину выемки для обратной засыпки
Увеличение влажности пучинистого грунта из-за повышения уровня грунтовых вод	Устройство дренажа (5) для понижения уровня грунтовых вод и их отвода от фундамента
Заиливание непучинистых грунтов пылевато-глинистыми частицами	Защита песчаной подсыпки от проникновения в нее частиц пучинистых грунтов специальными фильтрующими материалами (6)

При возведении зданий на пучинистых грунтах необходимо под основанием фундамента устроить подушку из промытого песка, гравия или гравелисто-щебеночную подсыпку. Основание из этих непучинистых материалов будет препятствовать воздействию на подошву фундамента нормальных (выталкивающих) сил морозного пучения.

Следует отметить, что при повышении уровня грунтовых вод (в осенний период, а также во время таяния снегового покрова) подсыпка оказывается окруженной водой, насыщенной частицами пылевато-глинистого грунта. Мигрируя вместе с водой, эти частицы проникают в подсыпку и засоряют ее, постепенно превращая непучинистый грунт в пучинистый.

В результате после нескольких лет эксплуатации фундамент вновь оказывается стоящим на грунте, деформирующемся при замерзании. Предотвратить заиливание подсыпки позволяет использование специальных фильтрующих материалов (стеклохолст, "Тайпар" и т.п.), хорошо пропускающих воду, но препятствующих проникновению мельчайших пылевато-глинистых частиц в песчаную подушку. 

Рис. 1

фундамент; обратная засыпка из непучинистого грунта; фильтрующий материал; существующий пучинистый грунт.

Для уменьшения воздействия на фундамент касательных сил пучинистый грунт, соприкасающийся с вертикальными поверхностями фундамента или со стенами подвала, рекомендуется заменить непучинистым. Обратную засыпку, которая выполняется по всему периметру здания, необходимо (как и в предыдущем случае) защитить слоем фильтрующего материала (рис. 1).

Значительное увлажнение пучинистых грунтов приводит к тому, что при замерзании они увеличиваются в объеме намного больше, чем грунты с меньшей влажностью. Это влечет за собой возрастание уровня деформаций, и, как следствие, - необходимость более серьезной защиты фундаментов от воздействия сил морозного пучения. Одним из путей уменьшения активности пучинистых грунтов является устройство дренажа, позволяющее понизить влажность грунта за счет снижения уровня грунтовых вод.

Традиционная конструкция представляет собой систему дренажных труб, размещенных в слое промытого гравия, задерживающего частицы грунта. Трубы укладывают с небольшим уклоном, обеспечивающим сток воды в специальный колодец или канализацию.

Несмотря на наличие гравийного фильтра, в процессе эксплуатации дренажной системы происходит постепенное засорение дренажных отверстий частицами грунта. Прочистка дренажа - процесс достаточно трудоемкий, требующий устройства специальных колодцев. Предотвратить засорение системы можно путем укладки вокруг дренажных труб фильтрующего материала ("Тайпар" или стеклохолст), не пропускающего самые мелкие частицы и обеспечивающего эффективную работу дренажной системы на протяжении длительного времени (рис. 2).

При наличии фильтрующего материала укладывать слой гравия вокруг дренажных трубок не обязательно, но рекомендуется для увеличения площади проникновения воды в дренажную систему.

 Рис. 2

1.  существующий фундамент; 2.  дренажные трубки;  3.  фльтрующий материал; 4. промытый гравий.

Утепление оснований фундаментов

Рис. 3

стена подвала; песчаная подсыпка толщиной 200 мм; экструдированный пенополистирол; песчано-гравийная засыпка толщиной 300 мм

Рассмотренные мероприятия дают возможность уменьшить воздействие сил морозного пучения, но не ликвидировать их причину. Исключить морозное пучение грунтов позволяет устройство теплоизоляции вокруг здания. Сущность этого способа заключается в том, что находящийся около здания грунт защищается теплоизоляционными материалами от промерзания и тем самым ликвидируется причина, вызывающая морозное пучение.

Для устройства теплоизоляции материала используют утеплители, способные сохранять необходимые теплозащитные качества во влажной среде и воспринимать нагрузки от расположенных над ними конструкций. Этим требованиям в наибольшей степени отвечает пенополиуретан (ППУ) и экструдированный пенополистирол (ЭПП) различных марок.

Пенополиуретан, является самым эффективным, как в пересчете на требуемую толщину теплоизоляции, так как обладает самым низким коэффициентом теплопроводности, так и по сроку службы, благодаря уникальной химической и биологической стойкости. ППУ бывает в плитах (в последнее время в силу широкого распространения ЭПП мало распространен) и в виде напыления.

Напыляемый ППУ имеет наибольшую эффективность утепления при использовании в водонасыщенных грунтах, поскольку, благодаря бесшовности, обеспечивает также дополнительную гидроизоляцию, что устраняет термодинамические конвенционные потоки влаги охлаждающие  фундаменты и цокольные этажи.

Напыляемый ППУ Пеноглас обладает самыми лучшими характеристиками по теплопроводности, прочности и долговечности, вследствие наиболее качественной микропористой структуре. Немаловажное значение имеет тот факт, что предлагаемая технология может быть реализована как при возведении новых домов, так и в процессе эксплуатации существующих построек, причем размещение теплоизоляционного материала по периметру здания позволяет не только защитить грунт от промерзания, но и утеплить подвальные помещения (рис. 3).

Грунт вокруг дома выкапывают на глубину 0,5-0,6 м. Размеры выемки должны обеспечить укладку утеплителя шириной не менее 1,2 м. После этого на дно траншеи насыпают слой промытого песка толщиной не менее 200 мм, устраивают небольшой уклон песчаной подушки в сторону от фундамента и тщательно утрамбовывают.

Таблица 2.

Рис. 4
	наружные стены дома; утепление из экструдированного пенополистирола по периметру дома; дополнительное утепление экструдированным пенополистиролом в зоне наружных углов.

Не следует забывать, что потери тепла через наружные углы здания значительно превышают потери через гладь стены, поэтому в зоне углов необходимо предусмотреть дополнительное утепление.

Затем утеплитель засыпают слоем песка или гравия толщиной не менее 300 мм до поверхности грунта. Такое утепление будет препятствовать промерзанию грунта и появлению сил морозного пучения.

Утепление основания крыльца

Рис. 5
	песчаная или гравийная подсыпка толщиной 400 мм; экструдированный пенополистирол; слой песка толщиной 50-100 мм; лестница.

Много неприятностей владельцам загородных домов доставляют сезонные деформации крыльца и лестницы при входе в дом.

Причиной этого является морозное пучение грунта, вызывающее выпирание относительно легкой конструкции лестницы. Кроме того, основание крыльца или лестницы находится на глубине меньшей, чем подошва фундамента, поэтому силы морозного пучения вызывают особенно сильные деформации этих конструкций.

Наиболее радикальным способом защиты крыльца от выпирания является защита его основания от промерзания (рис. 5). Для этого делают выемку на 700 мм глубже подошвы крыльца или лестницы. На дне выемки устраивают песчаную подсыпку толщиной не менее 400 мм из промытого песка или гравия. На уплотненное основание укладывают плиты ЭПП или ППУ, либо напыляют ППУ толщина которых принимается в соответствии с вышеприведенной таблицей. Поверх утеплителя насыпают слой песка не менее 50 мм, на который устанавливается лестничный марш или крыльцо. Для защиты основания от промерзания утеплитель должен выступать за границы крыльца на 1,2 м.

Рис. 6
	песчаная или гравийная подсыпка толщиной 100-200 мм; экструдированный пенополистирол; слой песка толщиной 50 мм; засыпка из песка и грунта; бортовой камень; покрытие дороги (асфальт, плиты); песчаная подсыпка толщиной 200 мм.

На подъезде к гаражу в результате морозного пучения грунтов могут появиться неровности, мешающие нормальному открыванию ворот.

Площадка перед гаражом постоянно очищается от снега, поэтому земля промерзает на большую глубину, что влечет за собой увеличение уровня деформаций грунта, вызванных силами морозного пучения. Предотвратить эти явления можно путем устройства теплоизоляции под дорогой, ведущей к гаражу. Для этого под площадкой или дорогой выкапывают небольшой котлован глубиной около 400 мм. Его ширина с каждой стороны должна быть на 1,2 м больше ширины дороги (рис. 6).

На дне котлована устраивают песчаную или гравийную подсыпку толщиной не менее 100-200 мм, на которую укладывают плиты из экструдированного пенополистирола требуемой толщины. Следует отметить, что, помимо способности сохранять высокие теплозащитные характеристики в грунтовой среде, экструдированный пенополистирол является материалом, способным воспринимать достаточно большие нагрузки, в частности от асфальтового покрытия дороги и машины, стоящей на нем.

Утеплитель, находящийся под полотном дороги, засыпают дополнительным слоем песка толщиной 200 мм, по которому укладывают покрытие из плит или асфальта. На песчаной подсыпке можно установить бортовой камень, заглубив его в песок приблизительно на 200 мм. Утеплитель, расположенный вне эксплуатируемого покрытия, засыпается слоем песка (20-30 мм), после чего выемка заполняется грунтом и выравнивается. 

Аналогичным образом утепляют пешеходные дорожки и площадки перед домом, покрытые плиткой. Не следует забывать, что выемка под утеплитель должна быть с каждой стороны на 1,2 м шире площадки или дорожки (рис. 7).

Рис. 7		Рис. 8
песчаная или гравийная подсыпка толщиной 200 мм; экструдированный пенополистирол; слой песка толщиной 30 мм; обратная засыпка песком и грунтом; покрытие площадки; песчаная подсыпка.		песчаная или гравийная подсыпка толщиной 100 мм; изолируемые трубы; гравийно-песчаная смесь толщиной 100 мм; экструдированный пенополистирол; засыпка песком, гравием или грунтом.

Защита трубопроводов от промерзания

Рис. 9

Как правило, трубопроводы инженерных коммуникаций (водопровод и канализация) прокладывают ниже уровня промерзания грунта. Однако на входе в дом участки трубопроводов поднимаются ближе к поверхности и оказываются на глубине промерзания, поэтому эту зону необходимо утеплить.

Устройство траншей глубиной 1,5-2 м для прокладки трубопроводов с последующей обратной засыпкой занимает много времени и является достаточно трудоемким процессом. Уменьшить глубину заложения коммуникаций можно путем устройства теплоизоляции, защищающей трубы и прилегающий к ним участок грунта от замерзания (рис. 8). Помимо этого, утепление трубопроводов в пучинистых грунтах, имеющих небольшую глубину заложения, позволит защитить трубы от деформаций грунта, вызванных силами морозного пучения.Следует отметить, что эти работы можно производить не только в процессе прокладки новой линии, но и во время функционирования существующей.

Таблица 3.

На дне отрытой траншеи устраивают утрамбованную песчаную или гравийную подсыпку толщиной около 100 мм, укладывают на нее изолируемые трубы и закрывают их слоем песка или гравия (не менее 100 мм), на который (после утрамбовки) кладут плиты экструдированного пенополистирола или напыляют ППУ. Сверху утеплитель засыпают песком или гравием (20-30 мм), а затем грунтом.

Существующие трубопроводы можно утеплить, расположив теплоизоляцию не только сверху, но и по бокам (рис. 10), а при прокладке новых инженерных коммуникаций их рекомендуется поместить в теплозащитный канал из ППУ (в настоящий момент в продаже имеются трубы с изоляцией ППУ) либо напылить на существующие трубопроводы пенополиуретан (рис. 11).

Рис. 10		Рис. 11
песчаная или гравийная подсыпка толщиной 100 мм; изолируемые трубы; гравийно-песчаная смесь толщиной 100 мм; экструдированный пенополистирол; засыпка песком, гравием или грунтом.