Иванов П.В.
МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТОВ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЕГО СНИЖЕНИЮ *
Аннотация:
в сегодняшние дни строительство и выполнение срочных СМР зачастую невозможно в случае предаварийного или аварийного состояния малонагруженного объекта, вследствие специфики технологии производства и связано с необходимостью проведения земляных или огневых работ, или даже остановкой производства, что является невозможным в технологическом цикле для объектов топливо - энергетического и транспортного комплекса. В таких случаях применяют компенсационные мероприятия, направленные на стабилизацию технического состояния объекта, получившего иные повреждения. Сами компенсационные мероприятия эффективны только для надземной части зданий и сооружений. Работы для стабилизации технического состояния фундамента требуют проведения различных земляных работ.
Ключевые слова:
морозное пучение, грунт, деформация, перемещения, оттаивание, фундамент, промерзание
Введение.Сама актуальность темы исследования в том, что на значительную (не малую) часть территории застройки городов и производственных объектов составляют малонагруженные здания и сооружения: технологические эстакады, эстакады слива и налива топлива, трансформаторные подстанции открытые складские площадки объекта, станции весового контроля, открытые насосные станции и другие объекты. В основном, малонагруженные здания и сооружения относятся к вспомогательным объектам. От их технического состояния зависит безопасность основного производства на данной прилегающей территории.Морозное пучение грунтов – это свойство грунтов в условиях сезонного промерзания в процессе гидротермических реакций осуществлять повышение объема при этом происходит кристаллизация льда под фазовыми превращениями. Эти процессы сопровождаются неравномерным поднятием дневной поверхности из-за формирования и расширения ледяных включений.В самом процессе морозного пучения происходит контакт грунта (мерзлого) с боковой поверхностью, а также подошвой тела фундамента, что при повышении объема грунта осуществляет воздействие на тело фундамента в виде нормальных (через подошву) и касательных (по боковой поверхности) сил. Итогом вышеуказанных воздействий становятся серьезные деформации или даже полное разрушение строительных конструкций, что ставит под угрозу безопасность и надежность всего здания.Материал и методы исследований.В ходе проведенных изысканий исследователи смогли предположить несколько теорий явления морозного пучения, тем не менее явление морозного пучения было обусловлено сложностью своего процесса и не позволило считать ни одну из предложенных гипотез верной. При решении сложных инженерных задач необходимо учитывать множество факторов. Например, теплофизические, гидромеханические, физико-механические и другие аспекты тесно связаны между собой.Такой интегрированный подход обеспечивает более точные и эффективные решения, учитывающие все специфические особенности и нюансы системы. Деформации фундаментов, подобно волнам на море, возникают из-за промерзания грунта. Эти волны, усиливаясь, достигают самой глубины — подошвы фундамента, словно пытаясь достичь самого основания здания. Деформации, возникающие под воздействием морозного пучения, достигают значительных величин (от 1 до 15 см) и сопровождаются силами воздействия не менее 5 МПа. В отсутствие конструктивных элементов, обеспечивающих жёсткость, такие деформации приводят к образованию трещин в зонах оконных и дверных проёмов под влиянием максимальных нагрузок. Здания и сооружения, не имеющие жёстких связей между элементами конструкции, особенно в одной или двух плоскостях, подвержены высокому риску разрушения из-за морозного пучения и последующей деформации фундамента. [4]Перемещение и деформация фундаментов, а также меры по минимизации негативного влияния морозного пучения на конструкции с низкой нагрузкой. Для обеспечения надежной и безаварийной эксплуатации зданий и сооружений, включая фундаменты в пучинистых грунтах, необходимо обеспечить их устойчивость к морозному пучению. Это достигается, когда деформации фундаментов равны нулю. Данное условие реализуется при условии, что нагрузки от надфундаментных конструкций превышают или равны силам морозного пучения, воздействующим на фундамент.Сезонные вертикальные смещения фундаментов, вызванные морозным пучением или промерзанием грунта, оказывают значительное влияние на их деформацию. Эти процессы могут привести к затруднениям в эксплуатации как отдельных строительных конструкций, так и зданий и сооружений в целом. [3]Перемещения фундаментов обусловлены процессами, связанными с цементацией при промерзании грунта. Это происходит из-за взаимодействия боковой поверхности фундамента с касательными силами, возникающими при смерзании грунта, а также из-за воздействия пучинистого грунта под подошвой фундамента. Для минимизации этих воздействий рекомендуется изолировать боковую поверхность фундамента и заменить пучинистый грунт на непучинистый под его нижней частью. Это предотвращает воздействие нормальных сил и снижает деформации. Эти меры особенно эффективны для малопучинистых грунтов с низкой интенсивностью морозного пучения или при установке анкеров в опорной части фундамента.Вторым важным фактором, влияющим на вертикальные перемещения фундаментов, являются осадки, происходящие при сезонном оттаивании грунта. В этом случае описанные выше меры могут быть недостаточно эффективными. В таких условиях целесообразно использовать анкеры в опорной части фундамента и заменять пучинистый грунт на непучинистый.На рис. 1 указаны вертикальные перемещения фундаментов (деформации) при морозном пучении грунтов.Рис. 1. Вертикальные перемещения фундаментов при морозном пучении грунтов.Рис. 2. Вертикальные перемещения фундаментов (деформации) при сезонном оттаивании грунта.На рис. 2 указаны вертикальные перемещения (деформации) фундаментов при сезонном оттаивании грунта.При циклическом характере процессов промерзания и морозного пучения могут наблюдаться не только вертикальные перемещения фундаментов, вызванные их деформацией, но и их разрушение. В частности, это может проявляться в виде разрывов в зонах с максимальными напряжениями и наименьшей сопротивляемостью воздействию возникающих усилий. Пример такого явления представлен выше и на (рис 3).Рис. 3 Деформации фундаментов. Деформации фундамента, включая перечисленные выше, чаще всего наблюдаются у отдельно стоящих фундаментов с небольшими поперечными сечениями. Тем не менее, вероятность возникновения сдвиговых деформаций существует и для массивных отдельно стоящих фундаментов (рис. 4).Рис. 4. Сдвиг массивных отдельно стоящих фундаментов.Практика устройства фундаментов ниже уровня промерзания грунта была распространена в период строительства, характеризующийся малыми объемами возведения малонагруженных зданий и сооружений. В современных нормативных документах, таких как СП 22.13330.2016, предусмотрены комплексные меры для обеспечения устойчивости фундаментов таких объектов. Пункт 14.8 данного свода правил указывает на необходимость рассмотрения возможности изменения глубины заложения фундаментов, а также применения мероприятий, направленных на снижение деформаций и сил морозного пучения, а также на уменьшение глубины промерзания грунта. [3]Для предотвращения деформаций, вызванных морозным пучением, применяются инженерно-мелиоративные, конструктивные, теплозащитные и физико-химические мероприятия.Необходимость обеспечения устойчивости фундаментов малонагруженных зданий и сооружений обусловлена нарушением основного условия, на котором базируется принцип заглубления фундамента. Это условие заключается в том, что нагрузки от здания должны быть достаточными для уравновешивания сил морозного пучения. Однако в случае малонагруженных конструкций, нагрузки от здания оказываются значительно меньше, чем воздействие сил морозного пучения. В результате устройство фундамента ниже глубины промерзания не обеспечивает его устойчивости. [1]Результаты и проблематика.Эффективным способом защиты от деформации (сдвигов) малонагруженных зданий и сооружений в пучинистых грунтах является применение утепления фундаментов и их уязвимых частей с применением в качестве утеплителя экструдированного пенополистирола в уровне дневной поверхности грунта или заглубленные под ростверк. Использование утеплителей уже доказали свою эффективность в экстремальных климатических условиях, в том числе на Севере. Не плохо зарекомендовали себя в Скандинавских странах и на Аляске, при строительстве и реконструкции объектов БАМ. В данном случае целесообразным является изолировать грунт, а не сам фундамент. При этом температура грунта вокруг фундамента не должна опуститься до температур, при которых возможно морозное пучение.Заключение.Применение таких мероприятий, как замена пучинистого грунта на непучинистый, связано с увеличением объемов строительно-монтажных работ и сложностями при проведении ремонтов и реконструкции. Методы засоления грунта, пропитка его нефтепродуктами и использование консистентных смазок на боковых поверхностях фундаментов представляют экологические риски и могут вызывать коррозию бетона. Ряд мероприятий, таких как устройство дренажей под бес подвальные объекты, укрепление грунтов с введением связующих добавок, а также вытрамбовывание и выштампование траншей (выштампование траншей — процесс уплотнения грунта с помощью специальных штампов), не получили широкого распространения в строительстве и капитальном ремонте из-за значительных затрат и трудоемкости.Морозное пучение представляет серьезную угрозу для малонагруженных зданий и сооружений. Для минимизации его воздействия необходим регулярный мониторинг состояния фундаментов и применение эффективных защитных мер. Комплексный подход, включающий теплоизоляцию, дренаж, использование противопучинистых материалов и конструктивные решения, значительно снижает риск деформаций и обеспечивает долговечность зданий и сооружений.Рис. 5. Применяемость защитных мероприятий.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 2
Ссылка для цитирования:
Иванов П.В. МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТОВ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЕГО СНИЖЕНИЮ // Вестник науки №5 (86) том 2. С. 1039 - 1046. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/22955 (дата обращения: 20.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+