Фундаменты на пучинистых грунтах: столбчатый, монолитный, свайный

Профессиональные строители достаточно часто сталкиваются с необходимостью возведения фундаментов на различных видах почв. Иногда им приходится работать в довольно сложных условиях, например, если необходимо построить фундаменты на пучинистых грунтах. На сегодняшний день строительные бригады справляются с такой задачей достаточно успешно, но, чтобы возвести на таком грунте надежный фундамент своими руками, следует знать о множественных опасностях, которые готовит такая почва для неопытного строителя. Во время проектирования такого фундамента очень важно учесть в расчетах как постоянные силы, которые будут воздействовать на фундамент, так и временные, которые будут особенно сильно заметны в холодное время года.

Схема фундамента на пучинистых грунтах.

Что такое пучинистый грунт?

Пучение - это одно из свойств грунтовых масс, суть которого состоит в увеличении объема почвы при замерзании. Такая особенность объясняется наличием в земле большого количества воды. Замерзая, вода превращается в лед и увеличивает объем почвы. Если в грунте содержится слишком много влаги, то вспучивания избежать не удастся. К пучинистым грунтам можно отнести все грунты, в которых преобладает глина (суглинок, супесь, и т. п.).

Некоторые грунты пучатся совсем немного, другие же могут вспучиваться очень заметно. Еще существуют и непучинистые грунты, для них глубина закладки фундамента не имеет принципиального значения.

Специалисты советуют заглублять фундамент на пучинистых грунтах так, чтобы его основание находилось ниже уровня замерзания земли.

В этом случае вероятность возникновения проблем во время эксплуатации здания становится значительно ниже.

Глубина и интенсивность сезонного замерзания грунта в условиях каждого определенного региона определяется:

Схема мелкозаглубленного экономичного ленточного фундамента для пучинистых грунтов (глины и суглинки).

длительностью зимнего периода;
количеством дней с отрицательной температурой;
количеством выпадающего снега и величиной снежного покрова;
сезонным временем выпадения жидких и твердых осадков;
составом и видом грунта;
влажностными и теплофизическими его характеристиками;
наличием растительного покрова, его характером и экспозицией местности;
уровнем грунтовых вод;
общим рельефом местности.

Чтобы самостоятельно выполнить расчет вспучиваемости грунта, следует воспользоваться формулой Е = (H-h)/h, где Е - это документированная степень вспучиваемости, h - высотная отметка не замерзшего грунта, а Н - высотная отметка грунта во вспученном состоянии. Воспользовавшись этой формулой, можно определить, на сколько изменяется объем грунта после его замораживания. Если эта величина превышает 0,01, то такой грунт уже считается пучинистым (такой коэффициент показывает, что при промерзании на 1 м грунт увеличит свой объем на 1 см).

Чем грозит вспучивание несущим конструкциям?

Схема деформации фундамента при пучении грунта.

Если фундамент на пучинистых грунтах был заложен приблизительно на уровне промерзания земли, то, когда почва во время холодов начнет расширяться, основание здания будет подниматься вверх, несмотря на то, что само здание имеет достаточно большой вес. Это может пагубно отразиться на долговечности сооружения.

Если же фундамент на пучинистых грунтах заложен ниже уровня замерзания, то само вспучивание во время холодов никуда не исчезнет, но оно будет воздействовать на фундамент по касательной. В этом случае основание тоже может приподниматься, поскольку грунтовые массы будут довольно сильно действовать на конструкции стен с боковых сторон.

Подъем может возникать и из-за слишком большой площади соединения основы с грунтом.

Схемы взаимодействия фундаментов с пучинистыми грунтами.

Чаще всего такие проблемы возникают с каркасными и древесными постройками, имеющими небольшую массу.

Однако их горизонтальные нагрузочные показатели у этих зданий не являются очень высокими, т.е. нагрузка не может компенсировать воздействие пучинистых сил с торцов здания.

Самые большие проблемы у фундаментов на пучинистых грунтах появляются, когда влага начинает таять. В это время вспученные грунтовые массы опускаются обратно, вызывая просадку несущих конструкций, причем этот процесс зачастую бывает неравномерным. От этого постройка заметно перекашивается, а со временем приходит в полную негодность. Неправильно построенный фундамент на пучинистых грунтах от вспучивания может просто разорвать.

Методы борьбы с вспучиванием

Если возникла необходимость возвести фундаменты на пучинистых грунтах, можно предпринять во время строительства такие меры:

Схема нарушения структуры грунта основания при промерзании за счёт сил пучения и при оттаивании за счёт снижения прочностных свойств из-за обильного водонасыщения основания.

полная смена грунта, находящегося под основанием, на непучинистый. В этом случае под несущую конструкцию засыпают щебенку и песок. Из непучинистых материалов выполняют обратную отсыпку, что позволяет снизить вспучивание с боковых сторон;
закладка фундамента, стеновые конструкции которого отличаются повышенной гладкостью. В этом случае проблемы, вызываемые вспучиванием, решаются за счет гидроизоляционных прослоек, которые выкладываются на боковых стенах. Эти прослойки снижают сцепку грунтовых масс с основой сооружения;
возведение основания с нижней частью, имеющей вид расширенного монолита. Этот способ подходит для очень многих видов несущих систем, например, для ленточных, столбчатых и свайных фундаментов;
прокладка горизонтальной теплоизоляции на грунтовые массы по всему периметру строения. Этот способ эффективно работает только в случае наличия отопительной системы и нормального утепления цокольного этажа. Под хорошо отапливаемым домом в комплексе с качественной тепловой изоляцией вспучивание земли происходит не сильно.

Схема замены пучинистого грунта песком.

Важно помнить, что воздействие вспучивающих сил ощущается тем сильнее, чем ближе к поверхности земли находится влага.

Излишнее количество влаги в земле может привести к ее размытию. В некоторых жидкостях могут содержаться вещества, отрицательно влияющие на бетонные конструкции и различные армирующие изделия. Эти проблемы тоже решаются при помощи гидроизоляционной прослойки.

В процессе разработки проекта необходимо учитывать сезонные изменения залегания грунтовых вод. В разных регионах жидкость может подниматься на разную высоту. С грунтовой влагой можно успешно бороться с помощью создания дренирующих систем, снижающих вспучивание в месте нахождения фундамента.

Способы возведения фундаментов на пучинистых грунтах

Наиболее распространенным решением этой проблемы является глубокое закладывание фундамента, основа которого в результате будет находиться ниже уровня замерзания грунта.

Материлы и инструменты для строительства фундамента на пучинистых грунтах:

Схема заглубленного столбчатого фундамента на пучинистом грунте.

цемент;
песок;
гравий;
щебень;
вода;
бетон;
арматура;
лопата;
бетономешалка.

Такое решение надежно предотвращает воздействие вспучивания в нижней части фундамента, но боковые стенки при этом не получат надежной защиты от деформационного воздействия. Если основание будет недостаточно прочным, его материал может быть смещен или деформирован.

При закладывании фундамента для пучинистых грунтов на большую глубину требуется большое количество материала, поэтому такой фундамент обходится достаточно дорого. Оптимально фундамент на пучинистом грунте должен хорошо сопротивляться воздействию вспучивания и равномерно распределять деформацию по всей поверхности основания, чтобы она меньше действовала на боковые поверхности.

С этой проблемой хорошо справляются мелкоуглубленные фундаменты, нивелирующие влияние проблемного грунта по касательным, поскольку основание в этом случае является монолитным. Чтобы такой фундамент для пучинистых грунтов лучше справлялся со своей работой, под ним необходимо устроить специальную подушку из материалов, не подверженных вспучиванию. Как правило, для этого используют щебень среднего размера или песок.

После заливки основания бетонной смесью следует проложить его внешнюю сторону до самой подушки непучинистыми материалами, после чего присыпать землей.

Столбчатый фундамент для пучинистых грунтов

Схема столбчатого фундамента.

Для малоэтажного частного строительства, выполняющегося в условиях пучинистых грунтов, столбчатый фундамент можно считать оптимальным. Грамотно возведенный столбчатый фундамент в этих условиях должен находиться ниже уровня промерзания почвы.

Такой способ является одним из самых экономных. Лучше всего использовать железобетонные столбы, поскольку они эффективно помогают избежать касательного напряжения.

Столбчатый фундамент для пучинистых грунтов из железобетонных конструкций может стать наилучшим решением для такого вида почвы. Технология их изготовления очень удобна и отличается высокой технологичностью. Эти фундаменты подходят для заболоченных областей, сырых участков и почв, где наблюдается высокий уровень залегания грунтовых вод.

На таких почвах столбчатые фундаменты могут иметь конструкции, при которых анкерная площадка, являющаяся опорой всего строения, жестко привязывается к опорному каркасу.

Несущими столбами для такого основания могут служить:

Схема столбчатого фундамента из блоков.

трубы из асбоцемента, заполненные бетоном и обладающие армированными внутренними стенками;
железобетонные столбы;
трубы из металла, которые с внутренней стороны защищены цементно-песчаным составом, а с внешней - эпоксидной смолой или металлом.

Вместо арматуры в этом случае используют проволоку диаметром от 7 до 11 мм и металлические стержни. Иногда применяются различные металлические отходы: уголки, газопроводные трубы или части водопровода.

Бетон для такого фундамента производят исключительно из цемента высоких марок. В качестве заполнителя могут быть использованы гранитный щебень или песок. Важно знать, что примесь глины, применение мелкого песка, битых кирпичей или известковой щебенки могут заметно снизить морозоустойчивость бетона. Оптимальный состав бетона для столбчатого фундамента - это 1 часть цемента, 3 части песка и 4 части щебня. Количество воды определяется отдельно для каждого конкретного случая: бетон должен быть достаточно пластичным, чтобы его было легко укладывать, но при этом раствор не должен литься. Этот раствор помещается в заранее подготовленную опалубку и немного утрамбовывается.

Как возводят ленточный монолитный фундамент на пучинистом грунте?

Схема устройства ленточного монолитного фундамента.

Для того чтобы грамотно возвести ленточный фундамент, необходимо соблюдать определенный порядок.

Сначала следует приготовить котлован глубиной 0,4-0,8 м. Когда он будет готов, его боковые откосы необходимо проложить материалами, имеющими гидроизоляционные свойства. Для этого обычно используют толь или полиэтилен. Затем яму необходимо засыпать песком, причем насыпку производят слоями. Толщина каждого слоя должна составлять 20-30 см, каждый слой необходимо тщательно утрамбовать.

Гидроизоляция успешно борется с заиливанием песка. На следующем этапе возведения фундамента для пучинистых грунтов проводятся работы по установке опалубки. Песочная подушка полностью укрывается гидроизоляционной прослойкой, а затем в опалубку устанавливают арматурные пруты, диаметр которых не должен превышать 1,2 см.

Применение фундаментов свайного типа

Свайные фундаменты.

Свайный фундамент в пучинистых грунтах несколько менее популярен в частном малоэтажном строительстве, чем ленточные и столбчатые. Это связано с повышенной трудоемкостью работ и необходимостью привлечения для их возведения специализированной техники. Обычно свайный фундамент в пучинистых грунтах применяют тогда, когда почва в регионе промерзает более чем на 1,5 м метра. Также целесообразно использовать свайный фундамент для пучинистых грунтов в случае, если возводится остов каркасного типа.

В частном строительстве обычно используют сваи глубиной не более 3-4 м. Чаще всего применяются забивные сваи из дерева, бетона или железобетона. Они бывают представлены следующими типами:

забивные железобетонные;
набивные железобетонные или бетонные;
винтовые.

При возведении свайного фундамента на пучинистом грунте важно следить, чтобы отвод воды был выполнен максимально качественно. Для этого применяются дренажные системы, а по обеим осям фундамента устраивается гидроизоляция.

Некоторые особенности неравномерной осадки фундаментов

Схема устройства свайного фундамента на склоне.

В холодное время года пучинистые грунтовые массы, в которых содержится влага, промерзают, их объем увеличивается, а грунт вследствие этого выпучивается. Пласты земли приподнимаются в рамках, которые определяются глубиной ее промерзания.

Все несущие конструкции, расположенные на таких участках, обязательно подвергаются неравномерной усадке. Деформационные силы, действующие на фундамент, вносят свой вклад в этот деструктивный процесс. Особенно серьезные проблемы возникают с постройками, периметр которых не противостоит вспучиванию.

Неравномерная осадка чаще всего возникает из-за того, что пучинистые силы неравномерно воздействуют на конструкцию. Подъем и следующее за ним опускание приводят к тому, что поверхность фундамента для пучинистых грунтов трескается. Это может впоследствии привести к его полному разрушению.

Чтобы эффективно противостоять осадке, следует учитывать тип конструкций стен возводимого здания. Стены могут быть легкими или тяжелыми. На пучинистом грунте довольно просто возвести постройки из дерева, бетона, кирпича или пеноблоков. Фундамент в пучинистых грунтах при этом должен учитывать комплексно все нагрузки, т.е. материал стен непосредственно влияет на закладку фундамента.

Инженерно-мелиоративные способы борьбы с пучением

Схема стадий формирования свай.

Поднятие общего уровня стройплощадки при помощи отсыпки из непучинистых грунтов (крупного или среднего песка). Это позволит уменьшить глубину замерзания пучинистого грунта и понизить общую степень его вспучивания. Особенно эффективен этот способ на грунтах, где очень высокий уровень грунтовых вод.
Устройство глубинного дренажа. В бесподвальных помещениях такой способ является малоэффективным, к тому же устройство такой системы будет довольно дорого стоить. Однако для домов с техническим подпольем или цокольным этажом такой дренаж будет не только снижать уровень пучинистости, но и предупреждать подтопление заглубленной части дома грунтовыми водами.
Снижение пучинистости грунта с помощью уплотнения тяжелой трамбовкой, снижающей его пористость. Для индивидуального строительства этот способ является довольно трудоемким и достаточно дорогим, поскольку требует применения мощных механизмов и оборудования.

Физико-химические способы борьбы с пучением

Существует возможность введения в грунт специальных добавок, предотвращающих его пучинистость. Засоление грунта позволяет значительно понижать температуру, при которой он начинает замерзать. Точно так же действует пропитывание верхнего слоя грунта нефтепродуктами.
Некоторые специалисты предлагают понижать степень замерзания пучинистого грунта при помощи обмазки боковых поверхностей фундамента, находящихся в нем, консистентной смазкой или покрытия их пленкой из полимеров. Эти мероприятия не являются достаточно экологичными, некоторые даже считают их вредными для окружающей среды.
Пучинистые грунты фундамент можно связывать при помощи химической, буросмесительной или электрохимической технологии.

Схема закладки свайного фундамента.

В первую очередь следует обратить внимание, что необходимость проведения разнообразных мероприятий возникает из-за того, что касательные силы вспучивания на задавлены нагрузкой от малоэтажного дома, которая в большинстве случаев существенно меньше, чем эти силы. Поэтому подавляющее большинство этих мероприятий следует рассматривать, как спасательные меры, принимаемые при устройстве малонагруженных, но достаточно заглубленных фундаментов.

Если обобщить все вышесказанное, то при возведении фундаментов рекомендуется использовать следующие методы:

утепление пучинистого грунта фундамента по всему периметру здания, особенно его углов;
устройство отмостки, имеющей ширину не менее 1,2 м, и обустройство дренажных систем для отвода от здания грунтовых и поверхностных вод;
организация под фундаментами для пучинистых грунтов специальных подушек из невспучиваемых материалов (например, песка, щебня или шлака), проведение профилактических мероприятий для предотвращения заиливания этих подушек (например, прокладывание геотекстиля);
расположение поперечных и продольных стен здания вдоль его главных осей, при этом шаг этих стен должен быть одинаковым;
соблюдение однородного теплового режима в пределах одного температурно-осадочного блока;
избегание излишних изломов стен на плане дома и значительных перепадов их высоты;
отсутствие излишнего ослабления стен (каналов, ниш и т. д.);
связывание элементов перекрытий и покрытий между собой посредством сварки их закладных деталей, обустройство анкеровки покрытий и перекрытий этажей, дополнительная армировка углов здания и простенков;
совмещение надпроемных перемычек с монолитными поясами, особенно если проемы должны будут располагаться близко друг к другу.