Определение пучения грунта

Под морозным пучением грунтов подразумевается их свойство при определенном сочетании гидротермических условий в пределах сезонного промерзания увеличиваться в объеме под действием сил кристаллизации льда при фазовых превращениях, содержащейся в грунте дополнительно воды к кристаллам льда.
Действующая классификация грунтов по степени морозной пучинистости основана на влиянии деформаций замерзающего грунта на устойчивость фундаментов зданий и сооружений. По этой классификации грунты в их природном сложении подразделялись на непучинистые, малопучинистые, среднепучинистые и очень пучинистые. Классификация относилась только к грунтам при полном их водонасыщении, но, как известно, все виды грунтов в сухом или малоувлажненном состоянии при промерзании не обнаруживают внешних признаков морозного пучения, и поэтому возникла потребность ориентироваться при классификации грунтов на их природную влажность перед промерзанием и условия увлажнения.
В зависимости от гранулометрического состава, природной влажности, глубины залегания уровня грунтовых вод и расчетной глубины промерзания грунтов грунты подразделяются на пять разновидностей: сильнопучинистые, среднепучинистые, слабопучинистые, условно непучинистые и непучинистые. Так, пылеватые супеси, суглинки и пылеватые глины пластичной консистенции при расположении уровня грунтовых вод в слое сезонного промерзания или ниже нормативной глубины промерзания в супесях не более чем на 0,5 м, а в суглинках и глинах не более 1 м относятся к наиболее морозоопасным сильнопучинистым грунтам.
К среднепучинистым относятся пески пылевые, супеси, суглинки и глины с природной влажностью, превышающей показатель консистенции 0,5, при стоянии уровня грунтовых вод, превышающем нормативную глубину промерзания в пылеватых песках не более чем на 0,6 м, в супесях – не более чем на 1 м, в суглинках – не более чем на 1,5 м и в глинах – не более чем на 2 м, по степени морозной пучинистости.
К группе слабопучинистых грунтов относятся пески мелкие и пылеватые, супеси, суглинки и глины тугопластичной консистенции, а также крупноблочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем при стоянии уровня грунтовых вод, превышающем нормативную глубину промерзания: в пылеватых и мелкозернистых песках не более чем на 1 м, в супесях – не более чем на 1,5 м, в суглинках (с числом пластичности меньше 0,12) – не более чем на 2 м, в суглинках (с числом пластичности более 0,12) – не более 2,5 м и в глинах (с числом пластичности меньше 0,28) – не более чем на 3 м.
К практически непучинистым относятся: крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые и все виды глинистых грунтов твердой консистенции с природной влажностью в период промерзания меньшей, чем влажность на границе раскатывания при уровне грунтовых вод ниже нормативной глубины промерзания: в крупнообломочных, пылеватых и мелкозернистых песках более чем на 1 м, в супесях - более чем на 1,5 м, в суглинках (с числом пластичности меньше 0,12) – более чем на 2 м, в суглинках (с числом пластичности более 0,12) на 2,5 м и в глинах с числом пластичности меньше 0,28 – более чем на 3 м. Эта классификация грунтов по степени морозной пучинистости включена встандарт для проверки устойчивости фундаментов на действие сил морозного пученния грунтов оснований.
При определении степени морозной пучинистости грунтов следует в основном ориентироваться на их природную влажность и положение уровня стояния грунтовой воды на период, соответствующий началу промерзания грунта.
Скальные, крупнообломочные грунты, содержащие менее 30 % по массе частиц диаметром < 0,1 мм, пески гравелистые крупные и средней крупности независимо от их природной влажности и уровня залегания грунтовой воды относятся к непучинистым грунтам.
Оценка факторов влияющих на процесс морозного пучения грунтов
Процесс морозного пучения грунтов определяется рядом климатических, геологических и техногенных факторов, которые необходимо учитывать при проектировании и строительстве зданий. Во-первых, на степень пучения оказывают влияние поземные воды, в частности водонасыщенность грунта и уровень капиллярного поднятия вод.
Во-вторых, глубина и скорость промерзания грунтов, зависящих от значений отрицательной температуры наружного воздуха, от величины снегового покрова, теплоизоляции грунта, наличия покрытий, солнечной радиации, от смен холодной погоды на оттепели.
Подземные воды не всегда имеют стабильный уровень стояния. Например, в аллювиальных отложениях речных долин уровень стояния подземной воды зависит от колебания уреза воды в реке. Весенний подъем уреза воды в реке не составляет большой угрозы для фундаментов, так как уровень подземной воды понижается со спадом воды в реке.
Если грунты перед промерзанием оказываются водонасыщенными, это может привести к значительному пучению. Находясь близко к слою промерзающего грунта, верховодка и подземная вода по капиллярам увлажняют промерзающий грунт, создавая при этом наиболее благоприятные условия для миграции влаги к фронту промерзания и образования в грунте избыточного накопления льда в виде прослоек и линз.
За толщину слоя капиллярного поднятия воды принимается расстояние от уровня подземной воды до горизонта, где влажность глинистого грунта не превышает влажности на границе раскатывания. Толщину слоя капиллярного поднятия называют морозоопасной «каймой» над уровнем подземной воды. Эта кайма зависит от состава и сложения грунта в природных условиях, и толщина ее колеблется в пределах от 0,3 до 3,5 м в зависимости от степени дисперсности грунта.
Капиллярное поднятие воды в грунтах происходит под действием поверхностной энергии минеральных частиц грунта и, следовательно, зависит от их удельной поверхности. Например, в песках круглых и средней крупности удельная поверхность частиц сравнительно небольшая, поэтому в этих песках почти не наблюдается капиллярного поднятия воды и вследствие этого отсутствуют деформации морозного пучения (они относятся к непучинистым грунтам).
Пески мелкие и пылеватые имеют большую дисперсность по сравнению с песком крупным, и вследствие взаимодействия удельной поверхности минеральных частиц с водой капиллярное поднятие в природных условиях наблюдается на высоту от 0,3 до 0,5 м. В супесях высота капиллярного поднятия достигает от 0,5 до 1 м, в суглинах – до 1,5 и глинах – до 3 м.
На основании визуальных наблюдений за высотой капиллярного поднятия над уровнем грунтовых вод по разрезам и по данным распределения природной влажности грунта в этой зоне установлены зависимости его высоты от физических характеристик пучинистых грунтов. При наличии этих характеристик можно рассчитать высоту капиллярного поднятия, которая и служит основным показателем в классификации степени пучинистости грунтов.
Изменение стояния уровня грунтовых вод рекомендуется прогнозировать с зависимости от гидрогеологических условий строительной площадки, особенностей возводимых зданий и сооружений, способов производства строительных работ по нулевому циклу и условий эксплуатации.
Положение зоны капиллярного поднятия воды в грунтах находится в зависимости от сезонных и многолетних колебаний стояния уровня грунтовых вод, поэтому возможность изменения природной влажности грунтов в слое сезонного промерзания следует определять по материалам гидрогеологических изысканий и прогнозов, выполняемых на основе специальных расчетов.
Локально водонасыщаемые промышленными водами грунты при промерзании неравномерно вспучиваются, что вызывает серьезные повреждения зданий и сооружений. При проектировании фундаментов и сооружений с мокрым технологическим процессом следует предусматривать мероприятия, исключающие или уменьшающие последствия водонасыщения грунтов.
Глубина и скорость промерзания грунтов являются важными факторами в процессе их морозного пучения, зависят от вида грунтов и их природной влажности, значений отрицательной температуры наружного воздуха и продолжительности холодного периода года.
Наблюдениями за глубиной промерзания грунтов установлено, что влажные глины и суглинки промерзают примерно на 20 % меньше, чем супеси, пески мелкие и пылеватые, а пески крупные и крупнообломочные грунты промерзают еще больше, чем супеси и пылеватые пески.
Глубина промерзания грунтов в пределах Москвы и области колеблется в пределах – от 1,2 до 1,5 м. Глубина промерзания зависит также от снегового покрова, теплоизоляции грунта, наличия покрытий.
Величина глубины промерзания грунтов оказывает большое влияние на вспучивание дневной поверхности грунта. Например, в Московской области вспучается на 15 см при глубине промерзания на 1,5 м.
Значения морозного пучения грунтов зависят от скорости промерзания, а скорость, в свою очередь, зависит от значений отрицательной температуры наружного воздуха. Экспериментально установлено, что чем меньше скорость промерзания, тем больше величина пучения и, наоборот, при больших скоростях промерзания величина вспучивания грунта меньше. На величину вспучивания оказывает влияние коэффициент фильтрации глинистого грунта, которой обусловливает подток количества влаги к фронту промерзания. В образцах, замерзающих при большой скорости промерзания, визуально не наблюдается образования ледяных включений в виде прослоек и линз, следовательно, грунт незначительно ухудшает свои физические свойства при оттаивании.
При малой скорости промерзания грунта происходит формирование льдистой текстуры, сопровождающееся повышенным накоплением ледяных включений в нем за счет миграции воды из нижележащих слоев талого грунта. Такие грунты при оттаивании резко ухудшают свои физические свойства. Иногда грунты, имеющие твердую или пластичную консистенцию до промерзания, превращаются в текучее состояние после промерзания и оттаивания.
Наибольшее количество льда в грунтах природного сложения скапливается при промерзании грунта на глубину до 1-1,2 м, т. е. там, где больше сказывается колебание отрицательной температуры наружного воздуха, например, при смене холодной погоды на оттепели.