inSovet.RuИзвестно, что вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме примерно на 9%, что и вызывает пучение грунтов.
Как правило, грунтовые воды находятся на некоторой глубине и в течение года их уровень может значительно колебаться. Летом, если оно не особенно дождливое, за счет испарения уровень грунтовых вод понижается, осенью - повышается. Считается, что в Подмосковье в среднем уровень грунтовых вод колеблется в пределах 1 м. Если летом он составлял 1,5 м, то в осенне-пред-зимний период он может находиться на глубине 0,5 м от поверхности грунта. В засушливые годы, как, например, в 2002 г., уровень грунтовых вод может колебаться до 2,0-2,5 м. При определении степени пучинистости грунтов расчетным является уровень грунтовых вод в осенне-предзимний период.
Известно, что за счет поверхностного натяжения воды и смачиваемости грунта часть пор и капилляров в нем над уровнем грунтовых вод заполнены водой. Чем меньше диаметр пор, тем выше подъем воды. В табл. 1 приведены данные капиллярного подъема воды, принятые в строительстве для различных грунтов. Выше рассмотренного уровня поры содержат рыхлосвязанную воду в виде тончайших пленок вокруг частиц грунта и свободную воду, в той или иной степени заполняющую поры грунта. Часть объема пор занята воздухом, содержащим пары воды. Грунтовая масса находится в равновесном состоянии.
Летом при нагреве земли в верхней части грунтового слоя происходит испарение воды - влажность уменьшается. Нарушается равновесное состояние грунтового слоя. Как известно, природа не терпит пустоты. Поэтому пары воды и пленочная вода начинают перемещаться из нижних слоев к поверхности грунта и... испаряются. Садоводам известно, что уровень грунтовых вод летом понижается.
Сходное явление происходит при отрицательных температурах воздуха зимой. Все наблюдали образование инея при заморозках. Пары воды из воздуха и из поверхностного слоя почвы выпадают в виде мельчайших кристаллов льда. Сначала превращается в лед «своя» вода, содержащаяся в промерзающем слое.
Температура Температура Высота миграции замерзания прекращения влаги к фронту грунта,
новесного состояния грунтового слоя. Пары воды и, главным образом, пленочная вода перемещаются из нижних слоев к фронту промерзания и превращаются в лед вокруг ранее образованных центров кристаллизации. При достаточно близком расположении уровня грунтовых вод к поверхности (1 ...3,5 м - в зависимости от вида грунтов) процесс миграции влаги может продолжаться в течение всей зимы, например, для Московской области - в течение 4-5 месяцев.
Происходит объемное увеличение льда, который стремится раздвинуть грунт во все стороны. Но по горизонтали, рядом происходят те же процессы и силы пучения уравновешиваются. Перемещению грунта вниз до определенных давлений препятствует лежащий ниже грунт, обладающий определенной структурной прочностью. Поэтому деформации пучения направлены в сторону свободной поверхности.
В сильнопучинистых грунтах Московской области деформации пучения в течение зимы могут достигать 15-20 см.
Чем больше глубина промерзания грунта, тем больше деформации пучения.
За глубину промерзания грунтов принимают расстояние от дневной поверхности, в течение всей зимы регулярно очищаемой от снега, до подошвы твердомерзлого грунта. Переходный слой от твердомерзлого к талому, хотя в нем и присутствуют кристаллы льда, не отно-
Москвы и Московской области нормативная глубина промерзания, например, составляет 1,4 м.
Исследованиями установлено, что при понижении температуры грунта ниже некоторой величины процесс пучения прекращается. В табл. 1 приведены значения отрицательной температуры, при которой прекращается процесс пучения в разных грунтах. Следует отметить, что в глинистых грунтах не вся «своя» вода переходит в лед, а примерно 2/3, в песчаных - практически вся.
Изменение температуры воздуха и промерзание грунта в течение зимы: 1 - многолетняя среднемесячная температура воздуха по Московской области; 2 - средняя многолетняя глубина промерзания грунта на свободной от снега площадке МГУ
сится к мерзлому слою. Температуру на границе твердомерзлого слоя принимают за температуру замерзания грунта.
В табл. 1 приведены значения температуры замерзания разных грунтов. Так как температура замерзания песков близка к 0°С, а суглинков и глин равна -ГС, то ясно, почему при одинаковых условиях наибольшее промерзание наблюдается в песчаных грунтах, а наименьшее - в суглинках и глинах.
В разные годы на одной и той же площадке грунт промерзает на различную глубину. Например, в Москве, на площадке МГУ за 15 лет наблюдений глубина промерзания грунта изменялась от 0,85 до 1,95 м.
За нормативную глубину промерзания принимают среднее значение за период наблюдений не менее 10 лет. Для
пературой прекращения пучения. В зависимости от температуры на поверхности грунта в разные зимние месяцы высота активной зоны пучения может быть равной высоте промерзающего слоя или его части.
На рис. 1 изображен график изменения среднемесячной отрицательной температуры воздуха по Московской области в течение зимы, построенный на основе данных СНиП 23-01-99 (Строительная климатология). Среднемесячная температура верхнего слоя грунта, регулярно очищаемого от снега, практически равна среднемесячной температуре воздуха. Из графика видно, что в течение зимы температура грунта на поверхности существенно изменяется. Здесь же показаны значения средней многолетней глубины промерзания, наблюдавшейся на площадке обсерватории МГУ.
На основе приведенных графиков получены среднестатистические значения глубины промерзания и скорости промерзания по месяцам (табл. 2).
Распределение среднемесячной отрицательной температуры по глубине промерзающего слоя грунта
установлен характер изменения зоны активного пучения в течение зимы (рис. 2). Приведены данные для суглинка при температуре прекращения пучения -2,5°С.
Чем теплее зима, тем меньше глубина промерзания и деформации пучения. Однако прямой зависимости здесь не наблюдается. При высоких отрицательных температурах грунта увеличивается зона активного пучения и снижается скорость промерзания. Это приводит к накоплению в активной зоне пучения деформаций больших, чем при более низких отрицательных температурах и большей скорости промерзания. Поэтому периодическое потепление климата никого не должно вводить в заблуждение. В периоды потепления пучинистые грунты не становятся менее морозо-опасными.
Проанализировав графики промерзания грунтов по Московской области, отметим важное обстоятельство для практики строительства (см. рис. 1). Максимальное промерзание грунта достигается к середине марта. В тот же период начинается оттаивание грунта с поверхности. Последний слой мерзлого грунта оттаивает в первой декаде мая.
Для целостности надфундаментных конструкций дома не так страшны абсолютные значения деформаций пучения, как их неодинаковые величины в разных частях дома. Особенно чувствительны к неравномерным деформациям стены из кирпича, пенобетонных блоков и т.п.
Промерзание и пучение грунта вокруг дома может происходить с разной ин-
тенсивностью и неравномерно в зависимости от того, где больше намело снега, где его нет, а где его регулярно убирают. Весной с южной стороны снег тает быстрее, чем с северной. Вода, образовавшаяся в начале весны при таянии снега с южной стороны дома, при заморозках может подтягиваться под неотапливаемый дом, под которым из-за экранного эффекта самого дома грунт еще не оттаял и его ледяные включения продолжают оставаться центрами кристаллизации.
Установлено: чем мельче минеральные фракции грунта, тем с большей глубины от уровня грунтовых вод идет подпитка влагой процесса пучения. В табл. 1 приведены величины возмож-
ной миграции влаги к фронту промерзания в различных грунтах. Для глин высота ее достигает 3,5 м.
В строительстве грунты по степени пучинистости делят на практически не-пучинистые, слабо-, средне- и сильно-пучинистые. Реже встречаются чрезмерно пучинистые грунты.
К практически непучинистым грунтам относятся крупные и средней крупности пески. Остальные грунты относятся к по-тенциальнопучинистым.
Если расстояние от поверхности до уровня грунтовых вод в зимний период меньше или равно указанным в табл. 1, то подпитка грунта влагой происходит с самого начала промерзания. Такие грунты относят, как правило, к сильнопучинистым. Если уровень грунтовых вод находится на глубине большей, чем приведенные величины, и подпитка процесса пучения начинается с некоторой глубины промерзания (рис. 36), то такие грунты относят к сред-непучинистым.
Если уровень грунтовых вод значительно ниже указанных величин и подпитки процесса пучения влагой не происходит даже в конце промерзания (рис. Зв), то в лед переходит только «своя» вода, находящаяся в промерзающем и прилегающем слое. Наблюдается перераспределение влаги по высоте промерзающего слоя: увеличение влаги в верхних слоях и уменьшение - в нижних. Такие грунты относят к слабопучинистым грунтам.
Глины Московской области можно отнести к слабопучинистым грунтам при положении уровня грунтовых вод летом ниже 7 м, а в засушливые годы - ниже 8...9 м. Эти величины определяются
суммой составляющих: глубины промерзания (1,40...1,54 м), высоты миграции влаги к фронту промерзания (3,5 м), осеннего поднятия уровня грунтовых вод (1,0...2,5 м), капиллярного поднятия (1,0м).
Крупные и средней крупности влажные пески считаются практически непучинистыми. Наличие крупных пор (по сравнению с глинистыми грунтами), малая удельная поверхность частиц, не способных удерживать в достаточном количестве пленочную воду, и главное - прекращение пучения при температуре, близкой к температуре замерзания воды (активная зона пучения отсутствует или незначительна), не создают условий для миграции влаги к фронту промерзания. Замерзает только «своя» вода. Образующиеся кристаллы льда порой умещаются в пределах объема пор. Пучения не возникает или оно происходит в незначительных размерах. Даже водонасыщенный крупный песок при порах, составляющих, например, 35-40%, при замерзании дает увеличение объема грунта на 3,0-3,5%, что во много раз меньше, чем в пучинистых грунтах.
Для улучшения строительных свойств пучинистых грунтов используют песок.
Если он насыщается водой в верхней части промерзающего слоя, это свидетельствует о неправильно устроенных фундаментах и недостаточности конструктивных и мелиоративных мероприятий. Их предусматривают в проекте при привязке дома к конкретным условиям площадки строительства.
Таким образом, пучинистые грунты отличаются от практически непучинис-тыхтем, что в первых деформации пучения обусловлены замерзанием не только «своей» воды, но и воды, мигрирующей в толщу промерзающего грунта в течение всей зимы.
Отметим еще одну особенность промерзающих грунтов. Всем известно, как трудно колоть лед. В то же время мы знаем, что ледники в горах под действием собственного веса «текут». Это связано с тем, что мгновенная прочность льда под нагрузкой большая, а длительная - стремится кзначениям, близким к нулю. За4-5 месяцев зимнего периода в находящемся под нагрузкой от дома замерзшем песке происходит релаксация (снижение напряжений) за счет деформаций ползучести льда. Это явление сопровождается депла-нацией - искривлением слоев грунта. В результате деформации пучения песка под фундаментом и рядом с ним отсутствуют или значительно меньше, чем на границе песок - глинистый грунт. Чем больше расстояние от грани фундамента до пучинистого грунта, заполненное песком, тем большая деплана-ция наблюдается и тем меньше влияние пучинистого грунта на фундамент.
Это свойство песков широко используется при устройстве мелкозаглублен-ных фундаментов. В пучинистом же грунте, находящемся под нагрузкой, это явление не наблюдается, так как процесс пучения намного превышает процесс депланации.
Как правило, грунтовые воды находятся на некоторой глубине и в течение года их уровень может значительно колебаться. Летом, если оно не особенно дождливое, за счет испарения уровень грунтовых вод понижается, осенью - повышается. Считается, что в Подмосковье в среднем уровень грунтовых вод колеблется в пределах 1 м. Если летом он составлял 1,5 м, то в осенне-пред-зимний период он может находиться на глубине 0,5 м от поверхности грунта. В засушливые годы, как, например, в 2002 г., уровень грунтовых вод может колебаться до 2,0-2,5 м. При определении степени пучинистости грунтов расчетным является уровень грунтовых вод в осенне-предзимний период.
Известно, что за счет поверхностного натяжения воды и смачиваемости грунта часть пор и капилляров в нем над уровнем грунтовых вод заполнены водой. Чем меньше диаметр пор, тем выше подъем воды. В табл. 1 приведены данные капиллярного подъема воды, принятые в строительстве для различных грунтов. Выше рассмотренного уровня поры содержат рыхлосвязанную воду в виде тончайших пленок вокруг частиц грунта и свободную воду, в той или иной степени заполняющую поры грунта. Часть объема пор занята воздухом, содержащим пары воды. Грунтовая масса находится в равновесном состоянии.
Летом при нагреве земли в верхней части грунтового слоя происходит испарение воды - влажность уменьшается. Нарушается равновесное состояние грунтового слоя. Как известно, природа не терпит пустоты. Поэтому пары воды и пленочная вода начинают перемещаться из нижних слоев к поверхности грунта и... испаряются. Садоводам известно, что уровень грунтовых вод летом понижается.
Сходное явление происходит при отрицательных температурах воздуха зимой. Все наблюдали образование инея при заморозках. Пары воды из воздуха и из поверхностного слоя почвы выпадают в виде мельчайших кристаллов льда. Сначала превращается в лед «своя» вода, содержащаяся в промерзающем слое.
Температура Температура Высота миграции замерзания прекращения влаги к фронту грунта,
новесного состояния грунтового слоя. Пары воды и, главным образом, пленочная вода перемещаются из нижних слоев к фронту промерзания и превращаются в лед вокруг ранее образованных центров кристаллизации. При достаточно близком расположении уровня грунтовых вод к поверхности (1 ...3,5 м - в зависимости от вида грунтов) процесс миграции влаги может продолжаться в течение всей зимы, например, для Московской области - в течение 4-5 месяцев.
Происходит объемное увеличение льда, который стремится раздвинуть грунт во все стороны. Но по горизонтали, рядом происходят те же процессы и силы пучения уравновешиваются. Перемещению грунта вниз до определенных давлений препятствует лежащий ниже грунт, обладающий определенной структурной прочностью. Поэтому деформации пучения направлены в сторону свободной поверхности.
В сильнопучинистых грунтах Московской области деформации пучения в течение зимы могут достигать 15-20 см.
Чем больше глубина промерзания грунта, тем больше деформации пучения.
За глубину промерзания грунтов принимают расстояние от дневной поверхности, в течение всей зимы регулярно очищаемой от снега, до подошвы твердомерзлого грунта. Переходный слой от твердомерзлого к талому, хотя в нем и присутствуют кристаллы льда, не отно-
Москвы и Московской области нормативная глубина промерзания, например, составляет 1,4 м.
Исследованиями установлено, что при понижении температуры грунта ниже некоторой величины процесс пучения прекращается. В табл. 1 приведены значения отрицательной температуры, при которой прекращается процесс пучения в разных грунтах. Следует отметить, что в глинистых грунтах не вся «своя» вода переходит в лед, а примерно 2/3, в песчаных - практически вся.
Изменение температуры воздуха и промерзание грунта в течение зимы: 1 - многолетняя среднемесячная температура воздуха по Московской области; 2 - средняя многолетняя глубина промерзания грунта на свободной от снега площадке МГУ
сится к мерзлому слою. Температуру на границе твердомерзлого слоя принимают за температуру замерзания грунта.
В табл. 1 приведены значения температуры замерзания разных грунтов. Так как температура замерзания песков близка к 0°С, а суглинков и глин равна -ГС, то ясно, почему при одинаковых условиях наибольшее промерзание наблюдается в песчаных грунтах, а наименьшее - в суглинках и глинах.
В разные годы на одной и той же площадке грунт промерзает на различную глубину. Например, в Москве, на площадке МГУ за 15 лет наблюдений глубина промерзания грунта изменялась от 0,85 до 1,95 м.
За нормативную глубину промерзания принимают среднее значение за период наблюдений не менее 10 лет. Для
пературой прекращения пучения. В зависимости от температуры на поверхности грунта в разные зимние месяцы высота активной зоны пучения может быть равной высоте промерзающего слоя или его части.
На рис. 1 изображен график изменения среднемесячной отрицательной температуры воздуха по Московской области в течение зимы, построенный на основе данных СНиП 23-01-99 (Строительная климатология). Среднемесячная температура верхнего слоя грунта, регулярно очищаемого от снега, практически равна среднемесячной температуре воздуха. Из графика видно, что в течение зимы температура грунта на поверхности существенно изменяется. Здесь же показаны значения средней многолетней глубины промерзания, наблюдавшейся на площадке обсерватории МГУ.
На основе приведенных графиков получены среднестатистические значения глубины промерзания и скорости промерзания по месяцам (табл. 2).
Распределение среднемесячной отрицательной температуры по глубине промерзающего слоя грунта
установлен характер изменения зоны активного пучения в течение зимы (рис. 2). Приведены данные для суглинка при температуре прекращения пучения -2,5°С.
Чем теплее зима, тем меньше глубина промерзания и деформации пучения. Однако прямой зависимости здесь не наблюдается. При высоких отрицательных температурах грунта увеличивается зона активного пучения и снижается скорость промерзания. Это приводит к накоплению в активной зоне пучения деформаций больших, чем при более низких отрицательных температурах и большей скорости промерзания. Поэтому периодическое потепление климата никого не должно вводить в заблуждение. В периоды потепления пучинистые грунты не становятся менее морозо-опасными.
Проанализировав графики промерзания грунтов по Московской области, отметим важное обстоятельство для практики строительства (см. рис. 1). Максимальное промерзание грунта достигается к середине марта. В тот же период начинается оттаивание грунта с поверхности. Последний слой мерзлого грунта оттаивает в первой декаде мая.
Для целостности надфундаментных конструкций дома не так страшны абсолютные значения деформаций пучения, как их неодинаковые величины в разных частях дома. Особенно чувствительны к неравномерным деформациям стены из кирпича, пенобетонных блоков и т.п.
Промерзание и пучение грунта вокруг дома может происходить с разной ин-
тенсивностью и неравномерно в зависимости от того, где больше намело снега, где его нет, а где его регулярно убирают. Весной с южной стороны снег тает быстрее, чем с северной. Вода, образовавшаяся в начале весны при таянии снега с южной стороны дома, при заморозках может подтягиваться под неотапливаемый дом, под которым из-за экранного эффекта самого дома грунт еще не оттаял и его ледяные включения продолжают оставаться центрами кристаллизации.
Установлено: чем мельче минеральные фракции грунта, тем с большей глубины от уровня грунтовых вод идет подпитка влагой процесса пучения. В табл. 1 приведены величины возмож-
ной миграции влаги к фронту промерзания в различных грунтах. Для глин высота ее достигает 3,5 м.
В строительстве грунты по степени пучинистости делят на практически не-пучинистые, слабо-, средне- и сильно-пучинистые. Реже встречаются чрезмерно пучинистые грунты.
К практически непучинистым грунтам относятся крупные и средней крупности пески. Остальные грунты относятся к по-тенциальнопучинистым.
Если расстояние от поверхности до уровня грунтовых вод в зимний период меньше или равно указанным в табл. 1, то подпитка грунта влагой происходит с самого начала промерзания. Такие грунты относят, как правило, к сильнопучинистым. Если уровень грунтовых вод находится на глубине большей, чем приведенные величины, и подпитка процесса пучения начинается с некоторой глубины промерзания (рис. 36), то такие грунты относят к сред-непучинистым.
Если уровень грунтовых вод значительно ниже указанных величин и подпитки процесса пучения влагой не происходит даже в конце промерзания (рис. Зв), то в лед переходит только «своя» вода, находящаяся в промерзающем и прилегающем слое. Наблюдается перераспределение влаги по высоте промерзающего слоя: увеличение влаги в верхних слоях и уменьшение - в нижних. Такие грунты относят к слабопучинистым грунтам.
Глины Московской области можно отнести к слабопучинистым грунтам при положении уровня грунтовых вод летом ниже 7 м, а в засушливые годы - ниже 8...9 м. Эти величины определяются
суммой составляющих: глубины промерзания (1,40...1,54 м), высоты миграции влаги к фронту промерзания (3,5 м), осеннего поднятия уровня грунтовых вод (1,0...2,5 м), капиллярного поднятия (1,0м).
Крупные и средней крупности влажные пески считаются практически непучинистыми. Наличие крупных пор (по сравнению с глинистыми грунтами), малая удельная поверхность частиц, не способных удерживать в достаточном количестве пленочную воду, и главное - прекращение пучения при температуре, близкой к температуре замерзания воды (активная зона пучения отсутствует или незначительна), не создают условий для миграции влаги к фронту промерзания. Замерзает только «своя» вода. Образующиеся кристаллы льда порой умещаются в пределах объема пор. Пучения не возникает или оно происходит в незначительных размерах. Даже водонасыщенный крупный песок при порах, составляющих, например, 35-40%, при замерзании дает увеличение объема грунта на 3,0-3,5%, что во много раз меньше, чем в пучинистых грунтах.
Для улучшения строительных свойств пучинистых грунтов используют песок.
Если он насыщается водой в верхней части промерзающего слоя, это свидетельствует о неправильно устроенных фундаментах и недостаточности конструктивных и мелиоративных мероприятий. Их предусматривают в проекте при привязке дома к конкретным условиям площадки строительства.
Таким образом, пучинистые грунты отличаются от практически непучинис-тыхтем, что в первых деформации пучения обусловлены замерзанием не только «своей» воды, но и воды, мигрирующей в толщу промерзающего грунта в течение всей зимы.
Отметим еще одну особенность промерзающих грунтов. Всем известно, как трудно колоть лед. В то же время мы знаем, что ледники в горах под действием собственного веса «текут». Это связано с тем, что мгновенная прочность льда под нагрузкой большая, а длительная - стремится кзначениям, близким к нулю. За4-5 месяцев зимнего периода в находящемся под нагрузкой от дома замерзшем песке происходит релаксация (снижение напряжений) за счет деформаций ползучести льда. Это явление сопровождается депла-нацией - искривлением слоев грунта. В результате деформации пучения песка под фундаментом и рядом с ним отсутствуют или значительно меньше, чем на границе песок - глинистый грунт. Чем больше расстояние от грани фундамента до пучинистого грунта, заполненное песком, тем большая деплана-ция наблюдается и тем меньше влияние пучинистого грунта на фундамент.
Это свойство песков широко используется при устройстве мелкозаглублен-ных фундаментов. В пучинистом же грунте, находящемся под нагрузкой, это явление не наблюдается, так как процесс пучения намного превышает процесс депланации.
