Способы борьбы с морозным пучением сезоннопромерзающих грунтов в основаниях фундаментов зданий и сооружений

Д.С. Скворцов, А.Н. Краев, А.Н. Краев, Жайсамбаев Е. А.

Строительство фундаментов мелкого заложения на сезоннопромерзающих грунтах сопровождается определенными сложностями в связи с неравномерными деформациями грунтового основания, вызванными морозным пучением, а заглубление фундаментов ниже глубины промерзания грунтов приводит к значительному увеличению стоимости фундамента. Как показывает практика строительства, расположение фундаментов мелкого заложения ниже глубины промерзания и, даже устройство фундаментов глубокого заложения (свайных), на пучинистых грунтах не всегда целесообразно, а именно, у зданий и сооружений с недостаточной нагрузкой на основание. Данную закономерность отмечали В.П. Марахтанов [1], В.В. Пазиняк [2]. В связи с этим, определение оптимальных способов снижения влияния пучинистости грунтов на конструкции зданий и сооружений становится актуальной задачей. На данный момент существующие способы уменьшения пучинистости грунтов можно условно разделить на следующие методы:

1. тепловая мелиорация;
2. гидромелиорация;
3. физико-химические мероприятия;
4. строительно-конструктивные мероприятия; армирование геосинтетическими материалами (частный случай строительноконструктивных мероприятий).
5. Тепловая мелиорация – мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения, путем регулирования температурного режима грунтового основания.

1. Тепловая мелиорация – мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения, путем регулирования температурного режима грунтового основания.

Одним из таких способов является устройство местной теплоизоляции грунтов оснований фундаментов. В качестве теплоизоляционных материалов выступают:

• пенопласт (λ = 0,037–0,049 Вт/м·С);
• экструдированный пенополистирол (λ = 0,029–0,030 Вт/м·С);
• стеклянная и каменная вата (λ = 0,030–0,053 Вт/м·С);
• пенополиуретан (λ = 0,020–0,041 Вт/м·С);
• пеноизол (λ = 0,047 Вт/м·С);
• керамзит (λ = 0,070–0,016 Вт/м·С);
• перлитовый песок (λ = 0,040–0,060 Вт/м·С);
• пеностекло (λ = 0,040–0,080 Вт/м·С);
• крупнозернистый керамзитобетон и пенобетон (λ = 0,011–0,029 Вт/м·С).

Эффективность способа заключается в уменьшении промерзания грунтового основания, и, как следствие, уменьшении объемной льдистости грунта. Исследования в этом направлении отражены в работах А.В. Мельникова [3], А.А. Дорофеева [4], И.В. Шестакова [5], С.В. Четкаревой [6], Е.Е. Нуховой [7]. Допустимость применения теплоизоляции малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах описана в СТО 36554501-012-2008 НИИОСП¹, где в качестве материала утеплителя рассматриваются плиты полистирольные вспененные экструзионные (см. рис. 1).

На схеме: 1 – фундамент; 2 – стена здания; 3 – пол здания; 4 – горизонтальная теплоизоляция; 5 – вертикальная теплоизоляция; 6 – защитное покрытие; 7 – песчаная подготовка под отмостку; 8 – асфальтовая или бетонная отмостка; 9 – непучинистый грунт; 10 – дренаж; L_c, D_h, δ_h – габаритные размеры теплоизоляционной юбки.

Достоинством данного способа является уменьшение глубины заложения фундаментов с сопутствующим снижением стоимости и трудозатрат по устройству нулевого цикла строительства за счет уменьшения объема земляных работ по откопке котлована.

К данной группе мероприятий так же относятся применение калориферных установок, прокладка вдоль контура фундаментов системы электропрогрева, инженерных сетей и коммуникаций, выделяющих теплоту, препятствующую промерзанию грунтов. Однако данные мероприятия приводят к значительному удорожанию строительства и увеличению эксплуатационных расходов.

2. Гидромелиорация – мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения, путем уменьшения влажности промерзающего основания фундамента. Эффективность метода заключается в уменьшении льдистости промерзшего массива грунта, и, как следствие, уменьшение морозного пучения. Наиболее распространенным мероприятием является устройство дренажных систем для отвода поверхностных и подземных вод. Одним из авторов, изучавших данный метод, является А.И. Ярмолинский, предложивший устройство водоотводящего фильтра типа «мягкой дрены» из нетканого иглопробивного геотекстильного материала, сложенный определенным образом и устроенный в грунтовом основании [8]. Данный метод хорошо зарекомендовал себя, однако работы по его выполнению достаточно трудоемки и дорогостоящи, поэтому данный способ не получил широкого распространения в строительстве. Применение дренажей при проектировании зданий и сооружений достаточно подробно отражено и обосновано расчетами в РМД 50-06-2009² (см. рис. 2).

На схеме: 1 – фундамент; 2 – стена здания; 3 – пол подвала здания; 4 – чистый пол 1 этажа здания; 5 – геокомпозит; 6 – обратная засыпка; 7 – проектная поверхность; 8 – существующая поверхность; 9 – песок с k_ф ≥ 5 м/с; 10 – дренажная труба; 11 – Щебень М1000-1200 фракции 3–10 мм.

3. Физико-химические мероприятия – мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения, путем изменения физикохимического состава грунтов. Основными способами данных мероприятий являются: пропитка грунтов раствором гидроксида натрия с добавкой негашеной извести, засоление грунтов, гидрофобизация грунтов вяжущим материалом при определенных гидротермических условиях.

Исследования А.Б. Самойленко и В.Н. Шестакова [9] показали, что пропитка грунта раствором гидроксида натрия с добавкой негашеной извести, позволяет снизить относительную деформацию морозного пучения грунта до трех раз.

Эффективность засоления грунтов заключается в уменьшении температуры замерзания грунтовой влаги, и, как следствие, в уменьшении объемной льдистости грунтов, что в свою очередь уменьшает их пучение.

Вопросом эффективности гидрофобизации (придание грунту водоотталкивающих свойств) занимались И.Н. Хаббибулина и М.Е. Бешенов [10]. В качестве вяжущего материала обычно используют: смолы, нефтяные битумы, древесные, торфяные и жидкие каменноугольные дегти. Данные способы достаточно сложны в устройстве, и к тому же имеют ряд серьезных недостатков, что мешает их повсеместному распространению:

• увеличение температуропроводности грунта;
• увеличение агрессивности pH среды для конструкций;
• непродолжительное действие (до 5–7 лет);
• возможность увеличения пучинистости грунта, после его опреснения (для гидрофобизации грунтов);
• высокая токсичность и огнеопасность (для гидрофобизации грунтов);
• сложность и необходимость переработки и утилизации грунта после прекращения действия добавок.

Перечисленные недостатки накладывают ограничения на использование данных мероприятий для улучшения свойств оснований фундаментов зданий и сооружений капитального строительства, однако не препятствуют использованию физико-химических мероприятий для улучшения свойств оснований фундаментов вспомогательных временных хозяйственно-бытовых сооружений в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах.

4. Строительно-конструктивные мероприятия – мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения, путем устройства различных конструктивных мероприятий, направленных на изменение работы системы основание-фундамент-сооружение.

Достаточно большое количество строительно-конструктивных мероприятий было предложено еще в XX веке, большая часть из которых отражена в руководстве по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах³ разработанном НИИОСП им. Герсеванова в 1979 г., а именно: анкеровка фундаментов и сооружений, устройство жестких подвижных оболочек вокруг фундаментов, снижение площади поперечного сечения и увеличение нагрузки на фундаменты, устройство наклонных боковых граней фундаментов, устройство обмазок и пленок по боковым поверхностям фундаментов. Перечисленные способы хорошо зарекомендовали себя, однако не были универсальными и не решали проблему строительства на пучинистых грунтах повсеместно, что привело к необходимости разработки новых мероприятий. Некоторые из данных мероприятий отражены на рис. 3.

Замена пучинистого грунта на непучинистый. Данный способ позволяет значительно снизить деформации морозного пучения грунтового основания оставляя их в допустимых значениях либо полностью их исключить при замене грунта на всю толщину промерзающего слоя. В качестве замены используют: песчаные грунты крупной и средней крупности [11], щебень, гравий, шлак [12], асбестовый балласт [13], пеностекольный щебень [14]. Недостатком данного способа является достаточно большой объем работ нулевого цикла.

Увеличение прочностных свойств грунтов цементными растворами. Исследованиями в данном направлении занимались Н.М. Красиникова, О.В. Хохряков и В.Г. Хозин, установившие в результате проведенных лабораторных экспериментов, что применение ЦНВ (цемента низкой водопотребности, 16 % от массы грунта при содержании ЦНВ-30 4,8 %) позволяет снизить деформации морозного пучения с чрезмерно пучинистого до непучинистого состояния [15]. Недостатком данного мероприятия является значительное увеличение стоимости работ за счет проведения цементации грунтов под давлением, и, следовательно, использование специализированной техники нагнетания раствора высокого давления.

Устройство свай фундаментов с обратным уклоном и переменным сечением. О.В. Третьякова и Б.С. Юшков разработали и предлагают использовать данные мероприятия для восприятия сил морозного пучения и снижения деформаций за счет статического потенциала сваи. В пределах наклонной поверхности возникает вертикальная составляющая сил морозного пучения, направленная вниз от дневной поверхности частично компенсируя касательные силы [16; 17]. Схема применения анкерных свай переменного сечения в конструкции подпорной стены представлена на рис. 4.

Устройство винтовых и винтовых конусно-спиральных свай. В.И. Аксенов с соавторами определили эффективность и возможность использования винтовых свай в мерзлых грунтах⁴.

И.В. Носков и А.В. Свиредских при проведении ряда лабораторных и натурных экспериментов установили, что применение винтовых конусно-спиральных свай (СВКС) с небольшой площадью соприкосновения сваи с грунтом не позволяет свае перемещаться даже при глубоком его промерзании. Причиной значительного уменьшения деформаций морозного пучения грунтов авторы считают уплотнение грунта в межветвевых промежутках и отжатие грунтовой воды [18]. Общий вид данных свай представлен на рис. 5.

Одним из новых направлений данной группы мероприятий является армирование оснований фундаментов геосинтетическими материалами, исследованиям работы которых в мерзлых грунтах на текущий момент посвящено небольшое количество работ.

5. Армирование геосинтетическими материалами – мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения, путем устройства в грунтовом основании армирующих элементов, обладающих высокой прочностью на растяжение. Данные мероприятия являются одним из эффективных методов улучшения свойств грунтов [19] и относятся к строительно-конструктивной группе.

В настоящее время синтетические материалы (геосинтетики) – быстроразвивающееся семейство материалов. Основными видами, из которых являются: геотекстиль, георешетки, геомембраны, геокомпозиты. Перечисленные геосинтетические материалы отражены на рис. 6.

Исследованиям применимости геосинтетических материалов в талых грунтах посвящено достаточно большое количество работ авторов: И.Т. Мирсаяпов и Р.А. Шарафутдинов [20]; Д.А. Татьянникова и А.Б. Пономарев [21]; Б.С. Юшков и О.А. Санникова [22]; Ан.Н. Краев [23; 24]; Ю.А. Новиков [25]; А.С. Гришина, А.В. Мащенко, А.Б. Пономарев [26], А.С. Кузнецова, В.Г. Офрихтер [27]. Авторами установлено, что применение армирующих материалов позволяет в несколько раз увеличить несущую способность грунтового основания в зависимости от расположения и количества армирующих элементов.

Вопросам применимости геосинтетиков в мерзлых грунтах посвящено значительно меньше исследований. А.В. Мащенко и А.Б. Пономарев установили недопустимость применения фиброармирования глинистых грунтов по причине значительного (до 2 раз) увеличения деформаций морозного пучения [28]. И.А. Чернышева и А.В. Мащенко определили, что армирование пучинистых грунтов тканным геотекстилем и геокомпозитом позволяет снизить деформаций морозного пучения грунтов до 25 % [29]. С.И. Сушков и А.С. Сергеева по результатам лабораторных экспериментов установили, что применение геосинтетической решетки и геотекстильного материала в конструкции дорожной одежды уменьшает накопление влаги и водонасыщение глинистого грунта на стыке с песком, что приводит к уменьшению морозного пучения грунтов [30].

Авторами было предложено и проведено экспериментальное исследование в лабораторных условиях песчаной армированной по контуру подушки в сезоннопромерзающих глинистых грунтах. По результатам проведенных экспериментов было установлено, что применение контурного армирования позволяет снизить деформации морозного пучения на 10 % и исключает процесс смерзания глинистого грунта с песком, снижает усадку грунтового основания в начальный период промерзания на 24 % и просадку грунта после оттаивания на 29 % по сравнению с песчаной подушкой без армирования [31]. Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 7.

Исследования конструкций из армированного грунта вышеперечисленными авторами и опыт их применения показали ряд преимуществ по сравнению с традиционными конструкциями и материалами: возможность использования местного грунта в качестве основного строительного материала, возможность строительства в любых условиях, невысокая стоимость при быстроте и простоте возведения, уменьшение затрат на устройство работ нулевого цикла строительства.

Обобщая вышесказанное, можно сделать следующие выводы:

1. На текущий момент не существует универсальных мероприятий, направленных на предотвращение или снижение влияния от сил морозного пучения на конструкции фундаментов зданий и сооружений.
2. Гидромелиорация и цементация грунтов являются эффективными способами позволяющие практически полностью исключить морозное пучение грунтов, однако достаточно дорогостоящи по сравнению с другими мероприятиями, вследствие чего не получили широкого применения на текущий момент.
3. Физико-химические мероприятия сложны в производстве и имеют большое количество недостатков при устройстве оснований фундаментов зданий и сооружений капитального строительства, однако данные недостатки не критичны для устройства оснований фундаментов временных хозяйственно-бытовых сооружений.
4. По совокупности факторов тепловая мелиорация и строительно-конструктивные мероприятия получили наибольшее распространение на текущий момент.
5. Использование геосинтетических армирующих материалов для улучшения свойств сезоннопромерзающих грунтов является перспективным направлением, требующим дальнейшего изучения.

Скворцов Д. С. и др. Способы борьбы с морозным пучением сезоннопромерзающих грунтов в основаниях фундаментов зданий и сооружений //Вестник евразийской науки. – 2019. – Т. 11. – №. 5. – С. 68.

Сноски

1. Применение теплоизоляции из плит полистирольных вспененных экструзионных ПЕНОПЛЭКС при проектировании и устройстве малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова; ООО «Пеноплекс СПб». – М.: ФГУП «НИЦ «Строительство», 2008.
2. Дренажи в проектировании зданий и сооружений / ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ»; СПбГАСУ; СПб.: ЗАО «Инженерная ассоциация «Ленстройинжсервис», 2009.
3. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. – М.: Стройиздат, 1979.
4. Аксенов, В.И. Работа винтовых свай в мерзлых грунтах / В.И. Аксенов, С.Г. Геворкян, А.В. Иоспа, Д.Н. Кривов, И.В. Шмелев // Пространство и время, 2016, т.11, вып. 1.

Литература

1. Марахтанов, В.П. Криогенные деформации свайного основания трубопроводов / В.П. Марахтанов // Трубопроводный транспорт: теория и практика, 2013, №5(39). – С. 18–22.
2. Пазиняк, В.В. Экспериментальные исследования устойчивости трубопроводов на крупномасштабной грунтовой модели / В.В. Пазиняк, Н.Б. Кутвицкая, М.А. Минкин // Криосфера земли. 2006. т. X. №1 – С. 51–55.
3. Мельников, А.В. Влияние теплоизоляции фундаментов на изменение температурного режима сезонно-промерзающего основания в районе глубокого сезонного промерзания / А.В. Мельников // Вестник гражданских инженеров. – Санкт-Петербург, 2012, № 6(35). – С. 77–83.
4. Дорофеев, А.А. Влияние использования теплоизоляционных материалов на пучинистые свойства грунтов основания дорог / А.А. Дорофеев, В.А. Крутиков // Техническое регулирование в транспортном строительстве. – 2016. – №2(16). – С. 51–56.
5. Шестаков, И.В. Исследование температурного режима пучинистых грунтов южных районов Дальнего Востока / И.В. Шестаков // Фундаментальные исследования. – 2016. – №11–2. – С. 328–332.
6. Четкарева, С.В. Способ защиты фундамента от морозной пучинистости заторфованного грунта с помощью пеноплекса / С.В. Четкарева, Е.Е. Нухова, И.Н. Чернышов, В.А. Крутиков, Т.М. Михалкина, Г.И. Яковлев // Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке. – 2015. – С. 830– 834.
7. Нухова, Е.Е. Эффективность использования керамзита в качестве теплоизоляционного материала при возведении фундамента на глинистом основании / Е.Е. Нухова, И.Н. Чернышов, С.В. Четкарев, В.А. Крутиков, Т.М. Михалкина, Г.И. Яковлев // Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке. – 2015, С. 964–969.
8. Ярмолинский, А.И. Использование геосинтетических материалов для улучшения водно-теплового режима автомобильных дорог / А.И. Ярмолинский, В.В. Лопашук, А.В. Лопашук, В.С. Светенок // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения, 2013. – С. 87–92.
9. Самойленко, А.Б. Влияние раствора гидроксида натрия на морозное пучение глинистого грунта / А.Б. Самойленко, В.Н. Шестаков // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: строительство и архитектура. – Челябинск 2010. – №33(209). – С. 29–31.
10. Хабибуллина, И.Н. Использование укрепленных грунтов для устройства противопучинистых слоев на автомобильных дорогах / И.Н. Хабибулина, М.Е. Бешенов, Т.И. Гелеверя // Известия КазГАСУ, 2011, №2(16). – С. 257–261.
11. Карлов, В.Д. Сезоннопромерзающие грунты как основания сооружений: дис. на соиск. уч. степ. д-ра. техн. наук (05.23.02) / Карлов Владислав Дмитриевич; СПбГАСУ. – Санкт-Петербург, 1998, 349 с.
12. Шорин, В.А. Научные разработки в области строительства сооружений на сезоннопромерзающих грунтах / В.А. Шорин, Г.Л. Каган, А.Ю. Вельсовский // Вестник Вологодского государственного университета. Серия: технические науки, 2018, №1(1). – С. 94–99.
13. Щепотин, Г.К. Повышение морозоустойчивости земляного полотна автомобильных дорог / Г.К. Щепотин, М.А. Машкин // Известия высших учебных заведений. Строительство, 2015, №3. – С. 85–91.
14. Мосолов, Г.В. Опытное применение пеностекольного щебня при строительстве объектов магистральных трубопроводов в сложных геокрилогических условиях / Г.В. Мосолов, В.А. Кумаллагов // Наука и технологии трубопроводного транспорта и нефтепродуктов, 2019, №2(9). – С. 174–180.
15. Красиникова, Н.М. Влияние цементов низкой водопотребности на степень пучинистости пылеватых грунтов / Н.М. Красиникова, О.В. Хохряков, В.Г. Хозин // Известия КГАСУ, 2012, №3(21). – С. 139–143.
16. Третьякова, О.В. Сваи с обратным уклоном поверхности для транспортных сооружений в сезонно промерзающих грунтах / О.В. Третьякова // Инновационные факторы развития транспорта. Теория и практика. Материалы международной научно-практической конференции. – Новосибирск 2017. – С. 207–214.
17. Третьякова, О.В. Вопросы оптимизации формы свай тонких подпорных стен / О.В. Третьякова, Б.С. Юшков // Материалы конференции. Экология и научнотехнический прогресс. Урбанистика. – Пермь 2015. – С. 522–533.
18. Носков, И.В. Работа свай винтовых конусно-спиральных в условиях морозного пучения грунтов / И.В. Носков, А.В. Свидерских // Вестник гражданских инженеров, 2019, №1(72). – С. 67–75.
19. Гришина, А.С. Результаты исследований прочностных характеристик глинистых грунтов, армированных различными геосинтетическими материалами / А.С. Гришина, А.В. Мащенко, А.Б. Пономарев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. – Пермь 2015. – №4. – С. 9–21.
20. Мирсаяпов, И.Т Несущая способность и осадки грунтового основания армированного вертикальными и горизонтальными элементами / И.Т. Мирсаяпов, Р.А. Шарафутдинов // Инженерно-геотехнические изыскания, проектирование и строительство оснований, фундаментов и подземных сооружений. Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции. – СПб 2017. – С. 169–174.
21. Татьянникова, Д.А. Модельные штамповые испытания по исследованию работы армированных фундаментных подушек под нагрузкой / Д.А. Татьянникова, А.Б. Пономарев // Инженерно-геотехнические изыскания, проектирование и строительство оснований, фундаментов и подземных сооружений. Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции. – СПб 2017. – С. 219– 223.
22. Юшков, Б.С. Устройство и разработка конструкции земляного полотна на слабых грунтах / Б.С. Юшков, О.А. Санникова // Транспортные сооружения, 2014, №4(4). – С. 1–8.
23. Краев, А.Н. Исследование работы песчаной армированной подушки с криволинейной подошвой в условиях слабых грунтов/ А.Н. Краев, В.Ф. Бай // Вестник гражданских инженеров. – Санкт-Петербург, 2014, № 3. – С. 107–110.
24. Краев, А.Н. Экспериментальные исследования работы слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой / А.Н. Краев // Научно-технический вестник Поволжья, 2013, № 5. – С. 221–224.
25. Новиков, Ю.А. Исследование работы песчаных армированных по контуру свай в слабых глинистых основаниях под ленточными фундаментами: дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук (05.23.02) / Новиков Юрий Александрович; ТюмГАСУ. – Тюмень, 2015, 140 с.
26. Гришина, А.С. Результаты исследований прочностных характеристик глинистых грунтов, армированных различными геосинтетическими материалами / А.С. Гришина, А.В. Мащенко, А.Б. Пономарев // Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика – Пермь 2015. – №4. – С. 9–21.
27. Кузнецова, А.С. Оценка прочности фиброармированного песка по результатам испытаний на трехосное сжатие / Вестник ПНИПУ. Геотехника – Пермь 2012. – №2. – С. 37–44.
28. Мащенко, А.В. Анализ влияния армирования фиброволокном на свойства глинистых грунтов в условиях сезонного промерзания и оттаивания / А.В. Мащенко, А.Б. Пономарев // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – Волгоград 2016. – №44–1(63). – С. 40–50.
29. Чернышева, И.А. Сравнение методов защиты от морозного пучения грунта / И.А. Чернышева, А.В. Мащенко // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. – Пермь 2016. – Том 4, №4. – С. 64–72.
30. Сушков, С.И. Экспериментальное сравнение двух конструкций дорожных одежд с применением георешеток, устраеваемых на склонах лесовозных дорог, в основании которых водонасыщенный глинистый грунт / С.И. Сушков, А.С. Сергеев // Лесотехнический журнал. – Воронеж 2017. – №1. – С. 126–136.
31. Скворцов, Д.С. Экспериментальные исследования песчаной подушки с контурным армированием в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах / Д.С. Скворцов, Ан.Н. Краев, Ал.Н. Краев, П.И. Васенин // Вестник гражданских инженеров. – Санкт-Петербург, 2017, № 5(64). – С. 98–102.