Сравнение методов защиты от морозного пучения грунта

И.А. Чернышева, А.В. Мащенко

Значительная территория нашей страны состоит из водонасыщенных дисперсных грунтов [1]. Как известно, водонасыщенные глинистые грунты относят к слабым категориям грунта ввиду особенностей их деформирования. Это и значительные объемные деформации, медленные процессы ползучести, небольшая прочность, медленная фильтрационная консолидация и т.д.

Одним из наиболее опасных видов деформации водонасыщенных грунтов является морозное пучение. Морозное пучение представляет собой процесс неравномерного увеличения объема
грунта, связанный с увеличением объема воды в порах грунта [2]. Это может происходить из-за замерзания частичек воды при понижении температуры, поступления воды из соседних не мерзлых зон или за счет комплекса процессов тепло-влагообмена (рис. 1). Поскольку большая часть территории России, а именно ее северная и центральная части, отличается значительными температурными колебаниями и сезонным промерзанием [3], то вопрос защиты от морозного пучения является одним из актуальных в геотехнике на сегодняшний день.

Целью данной работы стали обзор и анализ основных методов защиты грунта от сил морозного пучения.

При проектировании, расчете и строительстве зданий и сооружений, а также их реконструкции необходимо учитывать силы морозного пучения, действующие на фундамент и здание в целом. Нормальная составляющая силы действует непосредственно на подошву фундамента либо подстилающие слои линейных сооружений (например, железных или автомобильных дорог), в то время как касательная действует на боковую поверхность фундаментов. Кроме того, значения данных сил напрямую зависят от глубины заложения фундамента. Так, при увеличении глубины значения нормальных сил уменьшатся, однако увеличатся значения касательных сил вследствие увеличения и площади боковой поверхности фундамента. Силы морозного пучения, действующие на фундамент здания, изображены на рис. 2.

Морозное пучение может привести к значительным повреждениям зданий гражданского и промышленного назначения, линейных сооружений, транспортных коммуникаций, нарушению работы подземных инженерных сетей и т.д. Последствиями игнорирования морозного пучения являются неравномерное поднятие и опускание зданий и сооружений при оттаивании и замерзании грунта в разное время года (рис. 3) [4].

Методы борьбы с морозным пучением можно разделить на две группы: противопучинистая мелиорация грунтов (табл. 1) и противопучинистая стабилизация фундаментов [5–11].

Таблица 1. Методы противопучинистой мелиорации грунтов

Название метода	Суть	Подходящие типы грунтов	Достоинства	Недостатки
Тепловая мелиорация	Создание в грунте слоя теплоизоляции для исключения промерзания грунта; прокладка подземных коммуникаций взблизи фундамента для выделения в грунт тепла	Все грунты, на которых к зимнему периоду находятся незавершенные строительные объекты	Возможно регулирование теплообмена в грунтах и управление силовыми воздействиями и процессами пучения	Площадка должна быть тщательно утрамбована и спланирована перед прокладкой теплоизоляции
Гидромелиоративные мероприятия (утройство дренажей, иглофильтрация, устройство водосборных канав и т.д.)	Понижение уровня грунтовых вод, предотвращение перенасыщения грунтов поверхностными водами	Все виды грунтов	Относительно недорогой метод	Необходимо отапливать дренажные системы в слое промерзания; вертикальная планировка территории
Физико-химические мероприятия – гидрофобизация грунтов	Приобретение грунтами водоотталкивающих свойств путем их обработки вяжущими при определенных гидротермических условиях	Супеси и пылеватые пески с преобладанием фракций от 0,5 до 0,05 мм, карбонатные грунты (лессы, морены и пр.), глины, суглинки	Высокая водоустойчивость	Добавление поверхностноактивных веществ, кислот и фенолов в грунт, что пагубно влияет на окружающую среду; большие временные и трудовые затраты
Физико-химические мероприятия – засоление грунтов	Обработка поверхности грунта твердой солью или концентрированным раствором хлористого кальция	Грунты с малым коэффициентом фильтрации	Дешевый метод	Имеют временный характер, при неправильной технологии возможны повышение морозоопасности грунта, загрязнение почвы, ухудшение строительных материалов
Физические противопучинистые мероприятия	Стабилизация грунтов посредством компенсирования их пучения путем введения специальных добавок	—	Применение добавок позволяет компенсировать пучение грунта при его промерзании и просадочность при его оттаивании	—
Строительно-конструктивные мероприятия	Усиление эффективности работы конструкций фундаментов и сооружений в пучинистых грунтах	Все виды грунтов	Наиболее простой и распространенный способ	На малозагруженных фундаментах с опорноанкерными плитами нужно учитывать силы, препятствующие выпучиванию фундамента
Армирование геосинтетиками	Обеспечение надежности конструкции на слабых основаниях с помощью геосинтетиков	—	Прочный, экономичный, экологичный, взаимозаменяемый материал, может выполнять сразу несколько функций	Материал требует аккуратного хранения и эксплуатации; мало изучен и мало применяется в России

Противопучинистая стабилизация фундаментов заключается в проведении строительно-конструктивных мероприятий, позволяющих повысить эффективность работы конструкций зданий и сооружений в пучинистых грунтах. К таким мероприятиям относятся использование в фундаментах свай с уширенной пятой, конструкции кустовых свай, устройства наклонных боковых граней у фундаментов из железобетона, а также уменьшение сечения столбчатых свай. Кроме этого, необходимо устройство отмостки для предотвращения попадания поверхностных вод.

В наши дни широкое распространение получило использование геосинтетических материалов (рис. 4), так как геосинтетики повышают несущую способность грунта и уменьшают его деформации.

К особенностям армирования геосинтетическими материалами можно отнести то, что они обеспечивают надежность конструкции на слабых основаниях. Плюсы этого метода – в большой прочности геосинтетиков, их экологичности, взаимозаменяемости и способности выполнять сразу несколько функций. К минусам можно отнести появление дефектов на материале из-за неправильного хранения или эксплуатации материала. Метод использования геосинтетических материалов в качестве противопучинистых мероприятий изучен недостаточно хорошо. Однако проведен ряд лабораторных испытаний на специальных приборах (рис. 5) [12] для определения относительной деформации пучения грунта без армирования и при армировании некоторыми геосинтетическими материалами [13].

Исследования проводились для глинистых грунтов разной консистенции от тугопластичной до текучепластичной при IL = 0,4; 0,6; 0,8. В качестве армирования были выбраны следующие геосинтетические материалы: геотекстиль тканый «Геоспан ТН 50», геокомпозит Polyfelt Rock PEC, фиброволокно. Испытания проводились согласно ГОСТ 28622–2012 «Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистого грунта». При армировании слой геотекстиля и геокомпозита находился посередине образца (рис. 6), а фиброволокно смешивалось с грунтом в соотношении 1 % к массе сухого грунта [14].

После испытаний были посчитаны значения относительной деформации пучения грунтов ɛ_fh, которые представлены в табл. 2 [15].

Таблица 2. Значения относительной деформации пучения грунтов

По результатам исследований, представленных в табл. 2, можно сказать, что армирование грунтов геотекстилем тканым и геокомпозитом снижают деформации пучения глинистых грунтов до 25 %. При этом деформации пучения уменьшаются как за счет эффекта армирования, так и за счет уменьшения геосинтетическими материалами миграции влаги в грунте. Эффективность армирования глинистых грунтов также зависит от консистенции грунта. В текучепластичных глинах эффект армирования наиболее слабый. Внедрение в грунты отдельных фиброволокон, наоборот, увеличивает деформации пучения грунта более чем в 2 раза. Внедрение фиброволокна в грунты, подверженные морозному пучению, нецелесообразно [14]. Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие выводы:

1. Противопучинистые мероприятия являются важным аспектом в строительстве, так как большая часть территории России подвержена сезонным промерзаниям грунта.
2. Противопучинистые мероприятия выбираются исходя из рельефа местности, геологических особенностей грунта, типа источника увлажнения.
3. Физико-химический способ засоления грунтов – наиболее дешевый метод.
4. Одним из самых трудозатратных методов является гидрофобизация.
5. Строительный метод – самый распространенный на территории России.
6. Перспективный метод защиты – армирование пучинистых грунтов геосинтетиками. Актуально дальнейшее исследование влияния различных геосинтетических материалов на пучинистые свойства грунтов.

Чернышева И. А., Мащенко А. В. Сравнение методов защиты от морозного пучения грунта // Construction and Geotechnics. – 2016. – Т. 7. – №. 4. – С. 64-72.

Библиографический список

1. Анализ влияния различных типов армирования на деформационные характеристики глинистого грунта / А.Н. Богомолов, А.Б. Пономарев, А.В. Мащенко, А.С. Кузнецова // Интернет-вестник Волгоград. гос. арх.-строит. ун-та. Сер. Политематическая. – 2014. – Вып. 4 (35). – С. 1–9.
2. Rempel A.W. Formation of ice lenses and frost heave // Earth Surface. – 2007. – Vol. 498. – P. 70–76.
3. Хрусталев Л.Н. Рекомендации по применению способа стабилизации вечномерзлых грунтов в основании зданий / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. – М., 1985. – 44 с.
4. Brig itte Van Vliet-Lanoë. The significance of cryotubation phenomena in environmental reconstruction // Journal of Quaternary Science. – 1988. – № 13 (4). – P. 85–96.