Пучинистая почва что это такое: Пучение грунта

Содержание

Пучение грунта

«Здравствуйте, уважаемые инженеры. Планирую построить небольшой двухэтажный коттедж из пенобетона (6*6 м). Столкнулся с проблемой пучинистой почвы — как говорят соседи, фундаменты своих домов им приходилось неоднократно укреплять, чтобы устранить деформации от выталкивающих нагрузок. Помогите пожалуйста разобраться, на каком фундаменте лучше строить здание на такой почве и чем вообще грозит фундаменту пучинистый грунт. Заранее спасибо»


Вы узнаете что такое пучение грунта, какие почвы склонны к пучению, а так же подробно о негативном влиянии пучения на грунт и как его уменьшить. Подробно о пучении грунтов на странице.

Пучение грунта — что это

Пучение — это  сезонное увеличение объема грунта, спровоцированное заледенением грунтовых вод, которыми он пропитан.

В результате воздействия сил пучения на основание дома происходит выталкивание постройки из грунта, что становится причиной деформации стен — перекашивания дверных и оконных проемов, их растрескивание, разрушение цокольного перекрытия и самого фундамента.

Важно: исходя из научной точки зрения склонность к почвы к пучению объясняется тем, что в жидком состоянии плотность воды равна 1 тонне на м3, тогда как при переходе в замерзшее состояние ее плотность уменьшается до 0,917 т/м3.


Рис. 1.1: Пучение грунта

При промерзании грунтовых вод влага, не меняя своего удельного веса, увеличивается в объемах на 2-9.5%, вместе с ней расширяется и грунт. Поскольку глубинные пласты почвы имеют высокую плотность, и под воздействием давления они не сжимаются, единственный способ расширения для пучинистого пласта грунта — движение вверх. Под воздействием такого расширения фундамент, если силы пучения не уравновешиваются массой самого здания, попросту выжимается из грунта.


Рис. 1.2: Последствия пучения грунта

Все нагрузки от пучения почвы, которые переносит фундамент, в зависимости от характера воздействий классифицируются на две группы:

  • Вертикальные нагрузки — передаются на опорную подошву фундамента от расположенного под ней пласта почвы;
  • Касательные нагрузки — передаются на боковые стенки фундамента от соприкасающейся почвы.

Важно: наибольшее деструктивное воздействие на основание оказывают вертикальные нагрузки, их сила значительно превышает воздействия бокового пучения.


Рис. 1.3: Направления воздействия сил пучения на фундамент

Какие виды почвы имеют склонность к пучению

К почве, подверженной морозному пучению, относятся все виды грунта, в составе которых содержатся мелкие пылеватые частицы, склонные к связыванию и удерживанию грунтовой либо поверхностной влаги. В целом, чем более водонасыщенным является грунт, тем сильнее будет его пучение.

Представляется вашему вниманию классификацию пучинистости почвы в соответствии с ГОСТ №25100:

Группа пучинистости почвы Тип почвы
Непучинистые грунты (расширение не более 1% от исходного объема) ·         Высокоплотный глинистый грунт;

·         Сухие гравелистые породы;

·         Песчаная почва средних и крупных фракций;

·         Почва с большим количеством каменистых вкраплений.

Слабопучинистые грунты (расширение в пределах 1-4%) ·         Среднеплотный глинистый грунт;

·         Мелкофракционная песчаная почва;

·         Глинистый пылеватый грунт с каменистыми вкраплениями 15-30% от общей массы;

Среднепучинистые грунты (расширение в пределах 4-7%) ·         Низкоплотный глинистый грунт;

·         Супесь;

·         Суглинистая почва.

Сильнопучинистая почва (расширение свыше 7%) ·         Мягкопластичный глинистые породы;

·         Пылеватый песчаный грунт насыщенный водой.

Важно: в Московском регионе более 85% всех типов почвы относятся к категории средне и сильнопучинистого грунта.

Отметим, что силы пучения могут быть дополнительно увеличены сторонними факторами, такими как сезонное поднятие грунтовых вод либо обильные атмосферные осадки в осеннее время, в результате которых влагой пропитывается более толстый пласт почвы.

Негативные влияния пучения грунта на фундамент

Деструктивное воздействие на основание дома оказывают не только выталкивающие нагрузки, провоцируемые морозным пучением, но и возвращение грунта к своим первоначальным объемам, которым сопровождается оттаивание влаги.


Рис. 1.4: Последствие неравномерного пучения грунта

При наступлении холодов содержащаяся в почве влага замерзает и увеличивает свой объем, что приводит к выталкиванию фундамента на поверхность и его деформации. Когда морозы заканчиваются вода оттаивает, плотность почвы уменьшается и она сседается до объемов, на 1-2% меньше первоначальных, из-за чего здание дополнительно просаживается.

Важно: проблема пучения также может усугубляться неравномерным промерзанием грунта, причиной которого является отличающаяся толщина снегового покрова по периметру здания. Снег выступает в качестве теплоизолятора — чем он тоньше, тем глубже будет промерзать грунт, и наоборот.

Производя уборку участка никогда не формируйте насыпи снега под одной из стен дома.

Как уменьшить влияние пучения на фундамент дома

Зная , что на отведенном под строительство участке доминирует пучинистый грунт, крайне важно правильно подойти к выбору фундамента. Как уже было сказано, наибольшее деструктивное воздействие на основание дома оказывают вертикальные силы пучения, которые передаются на опорную подошву фундамента от расположенных под ней пластов почвы.

Пучению подвергается поверхностный шар грунта, промерзающий в зимний сезон. Для каждого региона глубина промерзания почвы будет разной, как правило она не превышает 1.5-2 м. Чтобы свести к нулю воздействие вертикального пучения на основание, опорную подошву фундамента необходимо закладывать ниже промерзающего пласта грунта.


Рис. 1.5: Карта промерзания почвы на территории России
В таком случае на фундамент дома будут действовать лишь касательные силы, которые уравновешиваются нагрузкой, исходящей от массы самого здания.

Проблема в том, что закладка ленточного либо плитного фундамента ниже глубины промерзания почвы — крайне затратный в финансовом плане процесс, поскольку на ленту высотой в 2 метра требуется огромное количество расходных материалов — бетона и арматуры.

Важно: решением проблемы является обустройство фундамента на железобетонных сваях, итоговая стоимость которого получается значительно меньшей, а несущие характеристики, устойчивость в грунте и долговечность превосходят аналогичные свойства как ленточного, так и плитного фундамента.

В низко и среднепучинистых грунтах допустимо закладывать фундаменты ленточного и плитного типа, однако их обустройство должно в обязательном порядке сопровождаться формированием под опорной подошвой основания уплотняющей подушки из песка и гравия.

Данная подсыпка заменяет пласт пучинистой почвы на грунт, не склонный к увеличению своего объема, что уменьшает силы действующего на фундамент вертикального пучения. Толщина подсыпки подбирается исходя из степени пучинистости почвы, она может варьироваться в пределах от 20 до 50 см.


Рис. 1.6: Песчано-гравийная подушка под фундамент

Чтобы уменьшить касательные нагрузки на фундамент в сильнопучинистом грунте, расширение которого превышает 7% от первоначального объема,  производится замена почвы по контуру стенок фундамента на песок. Ширина заменяемого пласта — от 50 до 100 см. При этом стенки и дно котлована, в который засыпается песок, устилаются гидроизоляционным материалом — стеклохолстом либо геотекстилем, что предотвращает пропитывание подсыпки грунтовой влагой.


Рис. 1.7: Замена пучинистого грунта песком и обустройство дренажной системы

Полезные материалы

 

Несущая способность грунта

Такое свойство грунта как его несущая способность — это первоочередная информация, которую необходимо выяснить на подготовительном этапе строительства фундамента.

 

 

 

 

Фундаменты на пучинистых грунтах — какой вариант для строительства будет оптимальным?

Пучинистым считается грунт, который вследствие замерзания имеющейся в нем влаги расширяется, приподнимая находящийся в нем фундамент.

Любая конструкция в результате такого движения подвергается воздействию сил, направленных на ее разрушение. Особенно опасно оттаивание такого грунта, при котором здание опускается вниз.

На стенах постройки могут появиться трещины вследствие неравномерного смещения основания. Особенно подвержены разрушениям тяжелые строения. Фундаменты на пучинистых грунтах должны обеспечивать целостность зданий, не допуская возникновения трещин на стенах и в основании.

Какими методами предотвращают влияние пучения почвы?

Эффект пучения почвы вполне преодолим, для этого используются некоторые строительные приемы, которые сейчас будут перечислены:

  • Основание бетонного фундамента выполняется расширенным, в форме трапеции. Помимо повышенной устойчивости, снижается влияние на такой фундамент касательных сил пучения.
  • Стенки траншеи в случае использования заглубленного и мелкозаглубленного фундамента обкладываются гидроизоляционным материалом. Это изолирует фундаментные стенки от прилегающего грунта.
  • Ширину фундамента увеличивают. За счет этого пучинистость почвы нивелируется.
  • Снизу и сбоку фундамента производят замену пучинистого грунта. Выполняют песчаную или гравийную засыпку.
  • Прокладка теплоизоляции по внешнему периметру строения. Под теплоизоляционным слоем почва не промерзает в зимний период, поэтому пучинистость грунта не проявляется.
  • Фундамент заглубляют настолько, чтобы он не был подвержен влиянию замерзшего грунта. Однако это влечет за собой перерасход стройматериалов.

Столбчатый фундамент на пучинистых грунтах

Основание столбчатого типа предполагает закладку столбов на глубину, расположенную ниже уровня промерзания почвы.

Для этого используются преимущественно железобетонные столбы. Также в виде опор могут применяться металлические и асбестоцементные трубы, заполненные внутри бетонным раствором. В нижней части опор обычно крепится якорный элемент в виде площадки. Это гарантирует дополнительную устойчивость и фиксацию опор в почве.

Столбы закапывают в землю, после чего устанавливается опалубка и происходит заливка бетонного фундамента, связывающего все опоры между собой бетонной лентой. Обязательно используется металлическая арматура, которая перевязывается стальной проволокой. Высота столбчатого фундамента может быть различной. Бетонная лента может идти поверх уровня почвы, либо быть заглубленной в нее.

В любом случае, проектирование и строительство фундамента на пучинистых грунтахстолбчатого типа сводит практически к нулю эффект пучинистости почвы. Поэтому данный вид фундамента считается наиболее надежным для пучинистого грунта.

Обустройство ленточного фундамента

Ленточный фундамент относится к числу наиболее популярных оснований, которые можно изготовить самостоятельно. Ленточный фундамент на пучинистый грунтимеет свои особенности.

Он может быть мелкозаглубленным (речь о нем пойдет ниже) или заглубленным. Рассмотрим второй вариант. Обязательным условием является расположение бетонной заливки на глубине, превышающей уровень промерзания грунта для данной местности. Для различных климатических зон глубина залегания основания может меняться.

Выкапывается котлован, на дно которого засыпается слой щебня, а затем слой песка толщиной около 20 см. Это ограждает фундамент снизу. Для нейтрализации боковых воздействий со стороны грунта стенки котлована ограждаются слоем гидроизоляции. В котловане располагаются отрезки арматуры, связанные между собой, после чего производится заливка раствора бетона. Поверх уровня почвы заливка производится в подготовленную опалубку.

Свайный фундамент для пучинистого грунта

Для проблемных грунтов свайный фундамент является прекрасным вариантом.

Причем, независимо от размеров и массы возводимого сооружения. Устройство фундамента на пучинистых грунтах свайного типа заключается в завинчивании винтовых металлических свай в землю, ниже уровня промерзания почвы. Такой фундамент используется на песчаных, рыхлых, пучинистых, торфяных и заболоченных почвах. Сваи можно завернуть достаточно глубоко, до достижения ими твердого грунта.

Дом на свайном фундаменте можно построить практически в любом месте, даже на склоне горы, не занимаясь земляными работами.

Долговечность такой постройки исчисляется сотнями лет. Обеспечивается небольшая площадь контакта с пучинистым грунтом, поэтому его влияния на строение не происходит.

Одной из разновидностей свайного фундамента является так называемый буронабивной фундамент. Вместо металлических свай используется бетон. В определенных местах в почве бурятся отверстия, в которые заливается бетонный раствор. Предварительно все скважины армируются. Глубина заливки зависит от глубины промерзания почвы. Бетонные сваи должны быть ниже этого уровня, как минимум на 30 см. Поверх бетонных свай сооружается железобетонный ростверк, связывающий все сваи в единую конструкцию.

Мелкозаглубленные фундаменты на пучинистых грунтах

Неплохим вариантом на проблемных грунтах является использование мелкозаглубленного фундамента. Особенно популярно такое основание, при возведении небольших и легких построек. Характерная особенность мелкозаглубленного фундамента заключается в том, что по всему периметру постройки необходимо проложить теплоизоляцию. Она снизит риск промерзания почвы и обеспечит долговечность строения. Рекомендуется использовать в этом качестве плиты экструдированного пенополистирола, которые не пропускают влагу и не дают почве замерзать. Поверх утеплителя можно засыпать песок и соорудить бетонную отмостку.

Различают плитный и ленточный мелкозаглубленный бетонный фундамент. Ленточный вариант предполагает рытье неглубокого котлована, в который на песчаную подушку заливается бетонный раствор. Используется армирование металлическими прутками, стальной проволокой или арматурой.

Плитный фундамент является более надежным, но для его строительства потребуется много бетона. Можно самостоятельно залить бетонное основание или положить в вырытый котлован уже готовую плиту. Даже самый пучинистый грунт не нанесет вреда постройке, находящейся на мелкозаглубленной плите плавающего типа.

Мы убедились, что даже на пучинистых почвах возможно сооружать постройки без риска их разрушения. Самое главное — придерживаться существующей технологии, характерной для определенного типа фундамента.

что это такое, как определить и классификация

Фундамент – основная часть любого строения, обеспечивающая прочность и устойчивость сооружений. Если работы осуществляют самостоятельно, то перед началом надо провести гидрогеологические исследования почвы. Чтобы с приходом морозов поверхность под конструкцией не увеличивалась в размерах, возведение проводят на непучинистом грунте. Существуют показатели, помогающие определить безопасный и устойчивый участок.

Основные понятия

Пучение – сезонное увеличение объема почвы, которое происходит после замерзания подземных источников. Под воздействием сил лед оказывает большое давление на фундамент, что приводит к изменению положения. Процессы выталкивания провоцируют растрескивание стен, грозящие перекашиванием дверей и окон. Если влага попала в основу здания, то постепенно разрушит цокольное перекрытие.

Замерзшая вода увеличивается в объеме, что усиливает расширение грунта на 9%. Из-за высокой плотности подземные слои не могут сжаться, поэтому движутся вверх. Если силы пучения не уравновешиваются, то фундамент под давлением «выжимают» из почвы. Регулярные сезонные колебания негативно отражаются на целостности основы и здания.

Проблемы при возведении фундаментаИсточник svaimania.ru

Скорость и глубина промерзания зависят от температуры, продолжительности холодных дней и плотности снежного покрова. В зависимости от региона, грунт может находиться в ледяном состоянии от 3 до 9 месяцев. Через рыхлую землю проходит вода, не задерживаясь и не твердея. Пучинистые виды постепенно поглощают влагу, которая проникает на глубину 1,5 м. При устойчивых морозах капли замерзают и расширяются. 

Чем опасен пучинистый грунт Источник monolit-60. ru

В южных регионах земля почти не мерзнет, поэтому проблемы нет. В северных областях почва твердеет на 2,4 м, что приводит к деформации фундамента. Близкое залегание подземных вод способно кардинально изменить характеристики непучинистого грунта. Если строение возводят на склоне, то рельеф спровоцирует появление нестабильных участков в отдельных местах. 

Классификация и виды

Любая почва при увлажнении уплотняется и проседает. Обилие влаги на глубине промерзает, что приводит к деформации. При самостоятельном возведении конструкции надо провести гидрогеологические исследования, которые помогут определить тип грунта.

Вид почвы уточняют по ГОСТУ. По степени пучения делят на 5 групп:

  • Непучинистые. Включает твердые и песчаные (пылеватые) грунты, крупный гравий.
  • Слабопучинистые. Полутвердая глинистая земля с мелкими песчаными включениями. Участки расположены на холмах и возвышенностях, увлажнение происходит за счет атмосферных осадков.
  • Среднепучинистые. Тугопластичная глина и насыщенные влагой пылеватые почвы встречается в равнинах с затяжными склонами. Орошение осуществляется дождями, таянием снега и притоком подземных источников.
  • Сильнопучинистые. Участки на болоте, в тундре и вся земля, напитанная влагой
  • Чрезмернопучинистые. Мягкий пластичный грунт, который находится в окружении воды.

Непучинистый грунт не изменяет объем и характеристики при замерзании и оттаивании. К категории относят почву, в которой нет влаги или присутствует незначительное включение воды. Монолитные скалистые породы не трансформируются на холоде, поэтому при возведении конструкций не возникнет проблем. Массивы не впитывают воду, не проседают и выдерживают вес габаритных строений. Часто состоят из крупных горных кусков, смешанных с песком.

Пучинистые и непучинистые почвыИсточник gidfundament.ru

Сквозь хрящеватые (насыпные) виды жидкость проходит быстро, не задерживаясь и не изменяясь. Благодаря содержанию гравия и крупных частиц плохо размывается. При правильной подготовке участка масса обеспечит устойчивость к пучению.

Глинистые виды состоят из крохотных элементов, которые сильно впитывают воду. Строения на таких поверхностях быстро просаживаются, а при замерзании влага превращается в лед. В чистом виде сырье очень пластичное и мягкое. Суглинок на 20-30% состоит из основного вещества, супесь – 10%, остальное – добавки.

Песчаные виды классифицируют по размеру частиц. Из-за высокой капиллярной активности мелкого песка вода хорошо поднимается и сохраняется, как в промокашке. На уровень влияют не только подземные воды, но и тающий снег и дождь. Материал может удерживать влагу на глубине от 1,5 до 5 м, что при сильном холоде приводит к промерзанию и пучению.

Опасными считают плывуны, которые не подходят для возведения зданий любой сложности. Из-за высокой насыщенности водой участок быстро леденеет и вспучивается. После наступления теплой погоды почва размокает. Виды встречаются в заболоченных областях. 

Проблемный участок под строительствоИсточник gidfundament.ru
Планировка участка в 30 соток

Процесс затвердения грунта осуществляется сверху вниз. Скорость опускания границы между мокрой и замерзшей землей зависит от погоды. Проникшая в глину жидкость леденеет, выдавливая себя в верхние ярусы почвы. Крупнозернистые виды гальки и песка не сопротивляются, поэтому вода легко уходит и не провоцирует вытеснение.

Пучинистые явления часто уменьшают от веса конструкции. Основание фундамента сильно давит на грунтовый слой, что приводит к уплотнению и снижению удерживающих свойств. Чем крупнее строение, тем больше плотность и меньше степень оледенения.

Как определить характеристики

Степень пучинистости грунтов получают после гидрогеологического исследования. Если нет возможности провести замеры, то можно определить по физическим параметрам земли на участке. Самостоятельно получится узнать вид почвы, уровень подземных вод и показатель текучести.

Рядом с предполагаемой стройкой выкапывают две вертикальные узкие ямы, глубиной 1,5-2 м. Непучинистые крупный гравий и скальный монолит определяют визуально. Из среза шурфа берут пробу грунта для установления типа. Небольшое количество смачивают в жидкости. После увлажнения массу в ладонях скатывают в колбаску и загибают в кольцо. Материал из песка не получится собрать, супесь рассыпается на мелкие части. Держит форму глина, а суглинка распадается на 3 куска.

Узнать тип грунтаИсточник k-dom74.ru

Уровень залегания подземных вод можно вычислить самостоятельно. Если через сутки в шурфе не появилась жидкость, то скважину буром увеличивают еще на 1,5 м. Просочившаяся влага на поверхности грунта станет показателем глубины залегания. Минимальные параметры для слабопучинистых глины и песка – 2 м. 

Типы фундамента

Непучинистый грунт – отличный вариант при строительстве здания. При любом промерзании и влажности не нужна глубокая заливка. Неподвижная основа позволит возвести несущие конструкции с минимальными затратами сил и финансовых вложений.

Непучинистый грунт из габаритных скальных осколков или крупной гальки помогает создать крепкий и надежный фундамент. Снимают верхний растительный слой, вырывают неглубокую канавку (до 20 см), которую заливают строительным бетоном. После затвердения массы можно приступать к возведению строения.

Как обустроить основуИсточник sdelai-lestnicu.ru

Заглубленный фундамент для непучинистого грунта подойдет для дачного дома. На участке создают траншею, глубиной в 70 см. Яму наполняют крупным песком, тщательно утрамбовывают. Рассыпчатое сырье укладывают слоями, каждый из которых обильно орошают водой. Основу заливают бетоном, после высыхания приступают к возведению цоколя и стен.

Если грунт пучинистый сухой или подземные источники расположены ниже 2 м, то можно уменьшить расход стройматериалов, используя в котловане песок или гальку. На поверхности почвы ставят опалубку, в траншею высыпают рассыпчатые компоненты, потом выливают бетон.

При близком прилегании подземных источников пучинистого грунта придется создавать надежную конструкцию. Часто используют сваи (железные, винтовые), которые вбивают на уровень промерзания почвы. Для хозяйственных построек применяют столбчатый метод, для домов – бетонный ленточный.

Варианты исправления

Из-за высокой силы пучения промерзшая земля может поднять крупное сооружение. Чтобы предупредить деформацию фундамента, надо минимизировать возможность расширения основания. Существуют методы, которые позволяют превратить проблемный грунт в непучинистый. 

Изоляция

Процедура защищает фундамент от разрушительного воздействия воды, создает между почвой и бетоном промежуточный ярус. Из-за дополнительной конструкции ухудшается сцепление, грунт соскальзывает с поверхности основы, что снижает давление и уменьшает пучение. 

Улучшение характеристик основыИсточник sdelai-lestnicu. ru
Планировка участка на даче: 30 вариантов и идей

Неутепленный цоколь – хороший проводник холода от фундамента в почву. Утеплительный материал укладывают вокруг и под основой. Ширина сырья должна совпадать с уровнем промерзания грунта. Вариант подходит для невысоких дачных домиков и легких хозяйственных строений. В коттеджах цокольный этаж тщательно утепляют, иначе конструкцию после замерзания поведет.

Дренаж

Система водоотвода уменьшает негативное влияние близко пролегающих подземных источников. Дренаж поможет не только снизить содержание влаги в почве, но и частично перенаправить жидкость. Трубы монтируют на уровне глубины заливки фундамента. Конструкция должна быть в пределах утепления, иначе после промерзания разорвет сооружение. 

Как обустроить водоотводИсточник stroykarecept.ru

На расстоянии 50 см от основания выкапывают канаву, в которую под углом кладут трубу с перфорацией. Нижнюю часть выводят за пределы строения, в отдельный колодец. Яму засыпают крупным песком. Дренажные отверстия в скважине можно выполнить на расстоянии 2 м друг от друга. Процедура улучшит отток жидкости, уменьшая промерзание в холода.

Увеличение веса

Массивное строение оказывает давление на почву, что приводит к уплотнению. Чем тяжелее конструкция, тем меньше проявляются признаки пучинистого грунта. За счет замены строительных материалов здание надежно стоит, не двигается от промерзания и оттаивания земли. К минусам метода относят хлопотность способа и удорожание возведения. 

Плитный и конический фундамент

Для больших и многоэтажных сооружений уместно создание монолитного основания. Конструкцию закапывают в землю, а сверху начинают возводить цоколь со стенами. Морозное пучение давит на плиту, толщина которой 20 см. Грунт приподнимается зимой и возвращается в исходное положение весной. За счет массивности движения не оказывают негативного влияния на фундамент. К минусам способа относят большие финансовые затраты.

Вариант из плитИсточник rantac.ru

Основа конической формы помогает минимизировать нагрузку в холода. Конструкцию в виде усеченной геометрической фигуры с верхним сужением устанавливают ниже линии промерзания. В морозы затвердевшая земля поднимается, но из-за плохого сцепления с фундаментом осыпается. Технология защищает сооружение от искривления стен и растрескивания бетонных заливок.

Замена грунта

Трудоемкий и хлопотный метод позволяет полностью минимизировать проблему, сделав грунт непучинистым. Под основание вырывают котлован, глубина которого должна быть ниже уровня промерзания. Остатки земли вывозят, а яму заполняют сырьем с низким сцеплением. В качестве засыпки можно использовать

  • крупный песок;
  • гальку;
  • щебень;
  • осколки скальных пород.

Поэтапная планировка участка 10 соток

Материал укладывают слоями, плотно утрамбовывают и проливают водой. Метод обеспечивает отличные несущие характеристики, не задерживает влагу и не промерзает. Вокруг строения обустраивают дренажную систему, которая создает двойную защиту от поступления жидкости. Технология подойдет при возведении невысоких домов и хозяйственных построек. 

Изменение параметров почвыИсточник framehouse16.ru

Толщина проблемной части не должна превышать 2 м. Если пучинистый грунт расположен на глубине более 2,5 м, то придется перераспределить нагрузку. Перед процедурой проводят точные расчеты участка в вертикальной и горизонтальной плоскости. Неравномерная просадка дома грозит разрушением конструкции.

Засыпка после замены грунтаИсточник dombeton.ru

Термическое усиление

Если почву не относят к непучинистым типам, то улучшить характеристики поможет усиление. Технологию используют для укрепления фундамента на глубину в 15 м. В землю монтируют трубы или выкапывают скважины. В отверстия нагнетают горячий воздух, температура которого в пределах 600 С. 

Вариант для укрепления пучинистого грунтаИсточник undergroundexpert.info

После воздействия жара участок твердеет, теряет влагопоглощающие и выталкивающие свойства. Проблемная поверхность готова к возведению сооружения. Усиление по расходам обходится в 2 раза дешевле, чем полная замена грунта на гравий или песок. 

Силикатизация

Близкое расположение подземных вод делает участок непригодным к строительству. Стабилизация помогает увеличить прочность и уменьшает сжимаемость, не нарушая структуры покрова. Чтобы укрепить грунт, в землю нагнетают химическое вещество.

Для пылеватых видов используют однорастворную силикатизацию. В почву подают жидкое стекло, которое смешали с фосфорной или серной кислотой. В результате реакции возникает гель, заполняющий, обволакивающий поры. После застывания участок становится более твердым и стабильным. На поверхности разрешают возводить здания и крупные конструкции. Двухрастворная силикатизация – скоростная технология подготовки места застройки, проходящая в 2 этапа. Вначале в грунт нагнетают стекло жидкое, потом – хлористый кальций. Из-за химической реакции появляется гель кремниевой кислоты. Активное затвердение проходит в течение 24 часов, но полностью завершается через 2 месяца.

Усиленный пучинистый грунтИсточник stroidomsk.ru

Силикатизация позволяет укрепить пучинистый грунт в большом радиусе от начальной точки. При процедуре не нужно использовать сложное оборудование. Метод помогает улучшить несущую способность почвы под основаниями строений и усилит котлованные откосы. Минус технологии – высокая стоимость химических реактивов .


Продуманная планировка участка в 15 соток

Заключение

Непучинистый грунт – идеальный вариант при создании фундамента. При строительстве не придется усложнять проект и подыскивать подходящее решение под требования участка. Определить характеристики почвы можно как при помощи гидрогеологических исследований, так и самостоятельно. Негативные качества проблемных мест минимизируют укреплением.

Как правильно заложить фундамент на пучинистом грунте?

При возведении фундамента на пучинистом грунте, необходимо учитывать постоянные и временные воздействия на почву. В зимний период почва влияет на грунт с удвоенной силой, а связано это с пучением. Современные технологии позволяют обойти пучение, и возвести надёжное основание.

Пучинистый грунт, его свойства и особенности

Пучение грунта — это увеличение объема почвы при переходе из  талого состояния в мерзлое и резкое уменьшение объема при таянии мерзлой почвы. Пучение зависит от состава грунта, уровня грунтовых вод и пористости почвы. При замерзании вода в почве увеличивается на 10-14 %, грунт пучинится и может поднять здание.

К пучинистым грунтам относят мелкие и пылеватые пески, все виды мягкопластичных почв (супеси, суглинки). Уровень грунтовых вод  открыто влияет на пучинистость почвы. Если вода находится ближе к поверхности, то воздействие пучинистых сил на строение в 2-3 раза сильнее. Чем мельче структура почвы, тем быстрее грунт станет влажным.

Фундамент, заложенный на уровне промерзания грунта, может сильно пострадать. Даже при значительном весе постройки, она может подняться при пучении почвы. В момент оттаивания почвы грунт опускается, и конструкция неравномерно проседает. Стены начинают перекашиваться, а через 5-7 лет основа фундамента придет в полное несоответствие строительным нормам.

Способы борьбы с пучением грунта

  1. Замена пучинистого грунта. Данный способ самый эффективный. При заложении фундамента грунт на глубину 50-70 см убирается, а на его место засыпают щебень и песчаную подушку.
  2. Удаление влаги с почвы. Для ограждения грунта от обильных осадков по всему периметру фундамента конструируют отмостку. Ширина отмостки должна быть шире обратной засыпки, чтобы вода не проникала под фундамент.
  3. Утепление грунта. Для борьбы с пучением можно утеплить грунт возле фундамента. Если грунт промерзает на 1,5 метра, то и утепляют полосой шириной 1,5 метра вокруг периметра дома.

При возведении фундамента на пучинистой почве учитывайте изменение грунтовых вод в разные сезоны. В различных регионах вода поднимается на разную высоту.

Варианты заложения фундамента на пучинистом грунте

При выборе фундамента необходимо учитывать силы воздействия грунта, рассчитать массу здания, чтобы фундамент не треснул.

  1. Ленточный заглубленный фундамент на пучинистых почвах используют редко. Глубина закладки такого фундамента не должна быть выше 1,5 метра, иначе силы пучения будут напрямую действовать на основу. Данный тип фундамента закладывают под тяжёлыми каменными и кирпичными домами. Если строение предполагает  использование бетонных  блоков и дерева, то заглубленный ленточный фундамент на пучинистой почве может повести себя непредсказуемо, например, поднятие здания и перекашивание стен.
  2. Мелкозаглубленный ленточный фундамент широко применяется на пучинистых почвах, так как закладывается выше глубины промерзания. Данный тип подходит для домов из бруса, бревна и бетонных блоков. Монтирование такого фундамента производят в промерзающем слое грунта. Этот фундамент отличается высокой надежностью и прочностью для зданий с небольшим весом.
  3. Свайных фундамент на пучинистом грунте применяют, если глубина промерзания почвы не более 1,5 метра, и используется каркасный тип остова. Величина свай составляет от 3 до 4 метров. Такой фундамент является устойчивым основанием, но для его закладки потребуется специальная техника. В частном строительстве используют винтовые сваи, которые вкручиваются в грунт.
  4. Столбчатый фундамент оптимален для пучинистого грунта. Его простота закладки и экономичность являются главными критериями выбора. Закладывают столбчатый фундамент в промерзающем слое грунта, используя столбы. Расстояние между столбами не должно превышать 2 метров.

Фундамент нельзя оставлять на простой, его сразу нагружают, распределяя нагрузку на опоры вертикально, используя уровень. Укладывают столбы на стяжку из песка и цемента.

Используя в качестве столбов железобетонные конструкции можно производить закладку основания на грунт:

  • с высоким уровнем влаги;
  • сырой и сильно увлажненный;
  • заболоченный.

Осадка фундамента

Осаждению здания может способствовать неравномерное распределение нагрузки на основание. Если в одной части дома глухие стены, а в другой только арочные, то вес давит на фундамент с разной силой, в основании появляются трещины, а конструкция перекашивается.

Некоторые особенности возведения здания также влияют на осадку. Часть дома, выстроенная летом, просядет меньше части, достроенной зимой. Чтобы избежать неравномерной осадки, здание лучше строить в одно время года, или зимой использовать легкие виды материалов.

Строительство на пучинистом грунте — процесс сложный, не допускающий ошибок. Соблюдение мер по защите от действия пучинистых сил сохранит здание от разрушения и перекашивания конструкции.

DOM.RIA – Типы почв в строительстве дома: какой фундамент выбрать

При выборе земельного участка под жилой дом важно обратить внимание, подходит ли тип почвы для определенной технологии строительства. Глубина промерзания грунта, возможность противостоять статическим и динамическим нагрузкам, уровень грунтовых вод являются решающими факторами при определении параметров фундамента.

Каким должен быть грунт под фундамент

Соответствие технологии строительства особенностям почвы обеспечивает устойчивость несущих конструкций дома, безопасность и надежность жилья в целом. Если фундамент подобран неправильно, даже при проведении работ по его укреплению есть большая вероятность, что здание станет аварийным через несколько лет эксплуатации: накренится, просядет, в стенах появятся трещины, что в конечном итоге может привести к обрушению. В идеале основание под фундамент должно отличаться такими качествами:

  • равномерной и незначительной сжимаемостью за счет чего исключается проседание дома;
  • стойкостью к грунтовым водам, что убережет фундамент от влияния влаги;
  • неподвижностью и хорошей несущей способностью для обеспечения устойчивости дома;
  • противостоянию вспучиванию (способность увеличиваться в объеме при промерзании и уменьшаться в плюсовую температуру), которое может повлечь деформацию и разрушение фундамента.


Как выбрать земельный участок под строительство дома


Полным перечнем этих качеств практически не отличается ни один грунт на территории Украины. Поэтому чтобы использовать почву в качестве основания для фундамента прибегают к специальным технологиям строительства и вспомогательным мерам по усилению и защите конструкций. Основные положения проектирования фундаментов на разных грунтах описаны в ДБН В. 2.1-10-2009.

Виды фундаментов

В жилищном строительстве популярностью пользуются следующие технологии закладывании основания для сооружения:

Ленточный фундамент

Ленточный фундамент – это железобетонная конструкция в виде замкнутого контура, расположенная под всеми несущими стенами дома. Отличается хорошими эксплуатационными качествами, оптимальной трудоемкостью и затратностью. Может сооружаться из готовых железобетонных блоков или заливаться раствором на месте строительства. Для усиления конструкции используют стержни арматуры.

Столбчатый фундамент

Столбчатый фундамент представляет собой опорные конструкции в виде столбов, которые устанавливаются под несущими стенами, под их пересечениями и на углах. По сравнению с предыдущей технологией обходится дешевле, но применяется для сравнительно легких зданий без подвалов, сооружаемых на качественной, устойчивой почве.

Плитный (монолитный) фундамент

В качестве основания дома используют цельную площадку из железобетона. К этой технологии относится утепленная шведская плита – малозаглубленная конструкция со слоем утеплителя. Монолит сравнительно простой в монтаже, но затратный из-за большого расхода материала. Этот фундамент еще называют плавающим, так как он, располагаясь практически сверху грунта, опускается, поднимается и перемещается вместе с почвой.

Свайный фундамент

Свайный фундамент – это набивные, забивные или винтовые опоры, установленные вглубь грунта, на которых крепится дом. В качестве опорных конструкций могут использоваться железобетонные, железные и деревянные изделия. Конструкция напоминает столбчатый фундамент, но сваи устанавливаются на глубину нескольких метров, поэтому применяются в местности с неустойчивыми грунтами.

Комбинированный фундамент

Комбинированный фундамент сочетает в себе разные технологии строительства. Сооружается такой фундамент с целью создания прочного основания, оптимизировав затраты. Объединение нескольких технологий находит широкое применение при строительстве домов в нестандартных условиях, например, на склонах или на неустойчивых почвах.

Какой фундамент выбрать, учитывая тип почвы

Все почвы можно разделить на пять разновидностей, в зависимости от которых предстоит останавливаться на определенной технологии строительства.

Скалистые грунты

Такой тип природного основания, как скалистые грунты, представляет собой не грунт, а каменную горную породу. Она не подвержена влиянию грунтовых вод, поэтому не вспучивается при морозах, не меняет эксплуатационные свойства под влиянием влаги. Камень не деформируется даже при сильных нагрузках, поэтому не дает усадку. Строить фундамент здесь можно практически без заглубления, применяя такие технологии:

  • мелкозаглубленный ленточный фундамент;
  • мелкозаглубленный столбчатый фундамент.

Но этот тип местности подходит исключительно для наземных сооружений, так как построить в таких условиях подвальное помещение затруднительно.

Валунно-галечные, обломочные или хрящеватые почвы

Грунты, состоящие в основном из камней, обломков, гравия и щебня, отличаются хорошими эксплуатационными качествами: практически не промерзают, не вспучиваются, выдерживают большие нагрузки. За счет этого они также хорошо подходят для устройства фундамента без дополнительных работ по его усилению. В таких условиях оптимально использовать два тех же типа фундаментов:

  • мелкозаглубленный ленточный;
  • мелкозаглубленный столбчатый.

Конструкцию рекомендуется устанавливать на глубину 30-50 см. За счет наличия большого количества камней и валунов рыть котлован под фундамент – тяжелая и трудоемкая задача. Поэтому при желании соорудить подвальное помещение, учтите, что здесь эти работы обойдутся достаточно дорого, а фундамент придется делать глубокозаглубленным.

Глинистые почвы в строительстве

Глинистые почвы состоят из очень мелких частиц – глинистых минералов, которые дополнены кварцевыми, карбонатными и прочими примесями. За счет пористой структуры такая почва хорошо удерживают влагу. Эта особенность является причиной весомого недостатка грунтов – пучинистости.


Что выгоднее: земля под застройку или участок с домом


Пучинистость провоцирует разрушение фундамента. Но при качественном комплексном подходе к строительству, проведении дренажных и гидроизоляционных работ, недостаток удается исключить, а фундамент получается прочным и выносливым.

Перечень необходимых мер и технологии строительства определяются с учетом типа глинистой почвы. Она делится на такие разновидности:

Глина

Глина – не менее чем на треть состоит из мелких глинистых частиц. В утрамбованном состоянии и при глубоком залегании грунтовых вод она отличается хорошей несущей способностью. Глина пучинистая. На территории Украины она способна промерзать на глубину 1,5 м. Из-за таких особенностей на этой почве широко используют следующие фундаменты:

  • глубокозаглубленные ленточные;
  • плавающие плитные на гравийной или песчаной подушке;
  • свайные;
  • столбчатые.
Суглинки

Суглинки – смесь песка и глины с долей глинистых частиц 10-30%. При глубоком залегании грунтовых вод и однородной структуре отличаются высокой надежностью. По эксплуатационным качествам похожи на глину, но промерзают несколько меньше. Подходят такие фундаменты:

  • глубокозаглубленный ленточный;
  • мелкозаглубленный ленточный с качественной дренажной системой и утеплением;
  • свайный;
  • ленточно-свайный;
  • монолитный плавающий, утепленная шведская плита.
Супеси

Супеси – содержат долю глины около 5-10%, а в остальном представляют собой песчаную почву. Такая особенность делает их менее пучинистыми, но пористость здесь все равно присутствует. Это слабые грунты, предрасположенные к плывучести, поэтому рекомендуется устанавливать дом на такие основания:

  • утепленную шведскую плиту;
  • буроинъекционные, винтовые или буронабивные сваи в обсадных трубах.

Свайные и монолитные плавающие фундаменты применяются на глинистых грунтах при условии неоднородности почвы, близкого расположения грунтовых вод.

В Украине глинистый тип почв представлен лессовидными породами – суглинки или супеси с пылеватыми частицами. Они занимают около ? территории страны, поэтому в основном при строительстве приходится сталкиваться именно с ними.

Из-за рыхлой структуры у лессов есть еще одна особенность – они проседают при повышении влажности. Поэтому фундамент на такой почве требует качественной гидроизоляции и укрепления. Здесь актуальны уширенные фундаменты и сплошные плиты.

Но при существенных недостатках лессовидных пород, которые усложняют процесс строительства, влияют на повышение стоимости фундамента и объем работ, они подходят для сооружения подвальных и цокольных этажей.

Шар чернозема, образовавшийся на лессовидной почве, абсолютно не пригоден для строительства, поэтому перед началом работ его снимают.

Песчаные грунты

Порода, состоящая в основном из крупных песчаных зерен, хорошо пропускает воду, поэтому практически не подвержена пучению. Песок дает быструю усадку, после чего остается в стабильном состоянии и имеет хорошую несущую способность. За счет таких особенностей этот тип почвы хорошо подходит для строительства.

Чем крупнее зерна песка в грунте, и чем больше их доля, тем лучше несущая способность грунта. Гравелистый песчаный грунт, в котором не менее четверти объема занимают частицы размером около 2мм – идеальный вариант для строительства любого типа фундамента. Среднезернистая основа (размер частиц 0,25-0,5 мм) также пригодна для всех видов конструкций. Оптимальными в плане эффективности и затратности здесь можно считать фундаменты таких типов:

  • мелкозаглубленный ленточный;
  • мелкозаглубленный столбчатый.

Характеристики пылевых и мелкозернистых песков несколько иные, они уже подвержены пучению. Кроме того здесь может возникать опасность плывунов, поэтому пригодными становятся абсолютно другие типы фундаментов:

  • свайные;
  • ленточно-свайные;
  • плитные плавающие.

Конструктивные особенности фундамента также зависят от того, будете ли вы сооружать подвальный или цокольный этаж и есть ли возможность здесь его построить. Если да, то без глубокозаглубленной конструкции не обойтись даже при идеальном состоянии песчаной основы.

Торфяные и болотистые почвы

Торфяная основа одна из самых ненадежных, и в ходе обследования участка может оказаться, что строить здесь нельзя или невыгодно. Торф впитывает влагу и вспучивается при морозах, имеет малую несущую способность и дает сильную длительную усадку.

Традиционные технологии строительства здесь возможны только в случае замены торфа на непучинистые материалы или его извлечения. Но выполнять это есть смысл, если толщина торфяного слоя не превышает полтора метра, а под ним находится устойчивая, надежная почва. В ином случае на торфяной, болотистой местности применяют исключительно такие конструкции:

  • свайно-винтовой фундамент;
  • забивные железобетонные сваи;
  • буронабивные сваи.

И то их строительство невозможно, если не удастся пробурить до устойчивых грунтов.

Это только основные рекомендации по подбору фундамента с учетом почвы. Индивидуальные условия на участке могут повлиять на тип конструкции, который вам подойдет.

Кроме того, выбор фундамента не ограничивается определением типа почвы. Важно также учесть саму технологию строительства дома. Под здания из кирпича часто закладывают глубокозаглубленный ленточный, плитный или железобетонный свайный фундамент. Эти основания способны выдерживать большую нагрузку от дома из кирпича или камня.


Как построить дом: пошаговая инструкция


Мелкозаглубленный ленточный, столбчатый, свайно-винтовой фундамент актуален для зданий из бруса, панелей, газобетона. В этом случае также подойдет плитная или ленточно-свайная конструкция. Поэтому к подбору технологии строительства нужно подходить комплексно.

Как определить тип почвы самостоятельно

Для определения типа почвы и ее основных характеристик на участке проводятся инженерно-геологические изыскания. Но при выборе участка для строительства можно предварительно оценить состояние местности и без специалистов.

Скалистые или торфяные породы легко распознать по внешнему виду. В первом случае это практически сплошной камень, во втором – рыхлая почва на болотистой местности. Обломочные грунты соответственно в составе имеют большое количество камня, щебня и обломков горных пород.

В остальных случаях для определения грунта проведите простое исследование. Размочите горсть породы в воде, попробуйте скатать из нее шарик, раскатайте или раздавите его на ровной поверхности, согните, проверив на эластичность. Результаты таких действий говорят о следующем:

  • грунт легко скатывается, раскатывается и лепится, не трескаясь – перед вами глина;
  • порода скатывается и раскатывается, а при сгибании или расплескивании на ней появляются трещины или она ломается – это суглинок;
  • шар скатывается, но при попытке раскатать его, он ломается – супесь;
  • почву не получается скатать – в составе преобладает песок.

Кроме того, обратите внимание, пачкает ли почва руки. После работы с песчаным грунтом они остаются практически чистыми. Чем больше в почве глины, тем сильнее вы об нее испачкаетесь. Максимально точно определить физико-механические характеристики грунта и геологические особенности участка можно в ходе специализированных изысканий.

что это за грунт, его характеристики, состав, свойства

Глинистый грунт — рыхлая почва, состоящая из песка и глины. Содержание глины в суглинке — от 30 до 50 %. Определить принадлежность природного материала к глинистым почвам просто — влажная земля хорошо комкуется. Суглинистая почва обладает рядом характеристик, которые делают ее пригодной для садоводства, но вызывают сложности при устройстве фундамента.

Характеристики и свойства

Образование суглинка происходит в результате дробления и оседания горных пород с высоким содержанием кварца. Природный материал распространен больше, чем чистая глина. Чаще всего образование происходит у подножья холмов, в поймах рек и ручьев.

Добыча производится открытым способом, непосредственно с поверхности земли. Из-за легкости разрушения этой породы способ добычи предельно прост — достаточно собрать грунт с помощью строительной техники. Нередки ситуации, когда суглинок является побочным продуктом при разработке и добыче другого природного материала.

Песчаные примеси существенно изменили свойство суглинистого грунта:

  • Гранулометрический состав — зависит от размера частиц. Выделяют глинистые, песчаные и пылевые;
  • Плотность — соотношение массы и объема грунта (кг/м3, г/см3). Включает показатели: общая плотность, плотность твердой фазы и скелета. Плотность твердой фазы — стабильный показатель, который не зависит от влажности и показателей воздуха. Он составляет 2690-2730 кг/мʒ. Изменения параметра происходят в сторону увеличения при увеличении процентной доли каменистых вкраплений (щебня, валунов, гальки). При увеличении органики плотность снижается;
  • Пористость — соотношение объемов пор в грунте к общему объему взятого образца. Для суглинков этот показатель находится в рамках 0,5-1 (доли единицы). Пористость может выражаться в процентах. При увеличении в составе органики увеличивается и пористость. В верхних рыхлых слоях суглинка она выше. Это одно из важнейших свойств суглинка, именно от пористости зависит усадка материала;
  • Пластичность — способность к изменению форму под влиянием физического воздействия и дальнейшее ее сохранение. Это одна из отличительных черт суглинистых грунтов. Испытания проводят с влажным материалом. Измеряется пластичность в процентах или долях единицы;
  • Текучесть — способность к разжижению при перенасыщении влагой. В этом состоянии материал теряет возможность принимать и сохранять определенную форму. Очень важно определить тот предел, при котором начинается текучесть грунта. Строительство фундаментов на таких почвах затруднено;
  • Устойчивость к деформации — не отличаются особой прочность. Суглинки склонны к пластичной деформации, но не быстрому разрушению;
  • Способность набухать — способность изменять объем при насыщении влагой. Чем больше в суглинке монтмориллонита, тем лучше он набухает. Если в составе преобладает кварц — набухаемость снижается;
  • Усадка — низкопористые плотные суглинки менее склонны к усадке, чем те, которые содержат больше органики;
  • Пучинистость – способность изменять объем при замерзании воды, которая расширяется в порах грунта при замерзании. Суглинки — пучинистые грунты. Более выражено это свойство в верхних более рыхлых слоях, которые содержат больше органики;
  • Липкость — свойство, присущее суглинистой почве при увлажнении. В определенный момент показатель не повышается, а падает из-за разрушения связи воды, грунта и поверхности. Суглинки относятся к липким материалам;
  • Водопроницаемость — способность пропускать воду. Для суглинков показатель 0,5 м/сут — низкая водопроницаемость;
  • Водопрочность — быстро размокают и размываются;
  • Несущая способность — чем суше грунт, тем выше его несущая способность.

Состав суглинистой почвы

В состав суглинка входит:

  • глина — около 60 %;
  • кварцевый песок различной фракции – 40 %.

Цвет суглинка обусловлен его составом — от желтого до темно-коричневого. В отличие от глины этот материал более зернистый. Вкрапления кварца заметны не только зрительно, но и тактильно. Относится к мелкозернистым грунтам: почти половина частиц имеет размер меньше 0,01 мм, около 30 % – до 0,005 мм.

Отличие от супеси, песка и глины

По своим характеристикам суглинистый грунт занимает промежуточное положением между глиной и супесью.

Супесь

В отличие от суглинка, супесь содержит больший процент песка (до 70 %), глинистых соединений — не больше 5-10 %. Наличие большого количества песка снижает пластичность материала, повышает его водопроницаемость (до 3 м/сутки). Супеси практически не подвержены пучению, в отличие от суглинка. Несущая способность супеси увеличивается при уплотнении и понижается от увлажнения.

Супесь

Песок

Песок — мелкообломочная рыхлая порода, образуемая в результате выветривания горных пород. Содержание глинистых частиц ничтожно (до 5 %). В отличие от суглинка, песок непластичен, не способен удерживать воду в порах, не имеет достаточной плотности. Несущая способность зависит от уплотнения. Высокая способность к фильтрации — до 10 м/сутки.

Песок

Глина

Осадочная порода – в сухом состоянии пылевидная, при намокании превращается в пластичную массу. Минимальное содержание кварца, малый размер частиц в отличие от суглинка. При раскатывании шнура или придания другой формы материал не образует трещин.

Глина

Классификация суглинистой почвы

Основная классификация суглинков проводится в зависимости от показателя плотности почвы. Именно от плотности зависит важный строительный показатель грунта — несущая способность. Зависит от количества каменистых или органических составляющих:

  • легкосуглинистая порода — содержание песка около 40 %, пластичность 5-12 %. Легкий суглинок содержит всего треть глинистой составляющей и по свои характеристикам приближен к супеси;
  • среднесуглинистая почва — содержит более 40 % глины. Почва относится к тугопластичным, полутвердым;
  • тяжелосуглинистый грунт — глина составляет более половины объема почвы. Характеристики тяжелого суглинка приближены к глине, с той разницей, что материал является менее пористым и плотным.

Другое деление суглинков на виды в зависимости от вида примесей в составе:

  • валунные — суглинки, имеющие в составе обломки скальных пород различного диаметра — от 10 см. Это может быть щебень, галька, гравий, валуны и др.;
  • лессовидная порода — суглинистые почвы, в состав которых включены мелкодисперсные частички и карбонаты. Как и другие лёссы, порода окрашена в желтые тона. Желтые суглинки имеют меньшую пористость и менее склонны к усадке.

Месторождение суглинистой почвы

Суглинок добывается из одного карьера с другими родственными породами. Они идут слоями по степени содержания каолиновых частиц. Суглинок располагается выше глиняного слоя. Во время извлечения суглинистых почв, каждый из них разрабатывается отдельно, поскольку обладает разным набором полезных свойств.

Суглинки — одна из самых распространенных почв в мире. Ее добывает большинство стран. Это объясняется простотой извлечения и широкой сферой применения природного материала.

Процесс добычи и транспортировки

Прежде чем начать разработку месторождения, проводят разведку залегания пород с целью определить их характеристики и предполагаемые объемы залегания. После разведывательных мероприятий проводится расчистка территории от ненужных слоев земли и растительности.

Сам процесс добычи не требует специальной сложной техники. Достаточно экскаватора. После извлечения из места естественного залегания грунт транспортируется на переработку. Часто предприятие располагается близко от карьера. На заводе:

  • измельчение;
  • просев;
  • смешивание с химическими реактивами в зависимости от дальнейшего использования.

Сферы применения суглинка

Суглинистые почвы нашли широкое применение:

  • Дорожное строительство;
  • Жилищное строительство;
  • Производство строительных смесей;
  • Сельское хозяйство — производство искусственных растительных почвенных смесей;
  • Строительство сложных инженерных сооружений — изоляционные свойства почвы позволяют применять ее в строительстве дамб, плотин, укрепление речных береговых линий;
  • Благоустройство территории — чаще всего суглинки применяются для устройства естественных бассейнов, свалок;
  • Химическая промышленность. Например, создание инертной посуды, устойчивой к воздействию агрессивных химических соединений;
  • Медицина — изготовление сорбентов, косметических препаратов.

Способы определения суглинка на своем участке

Определить состав почвы на глаз достаточно сложно. А ведь именно от этого показателя зависит возможность выращивания тех или иных растений. Выполнение того или иного вида фундаментного основания. Существует несколько способов определить вид почвы на участке.

Почему нельзя определить грунт по цвету

Попытка определить суглинок по цвету часто приводит к ошибкам. При таком способе сложно определить количество глинистых частиц в составе. Цвет почвы говорит не только о процентном содержании глины, но и особенности минералогического состава. Например, на цвет земли особе влияние оказывает доля содержащегося в ней железа или алюминия.

Переувлажнение приводит к образованию глеевого горизонта, который имеет сизую окраску. Такой цвет — результат реакции железа и глинистых минералов. Ржавую окраску дает соединение железа и марганца. Такой цвет не говорит о наличии большого количества глины и делает почву ядовитой для растений.

Супесь часто повторяет окраску суглинистого грунта, но сам материал обладает совершенно другими характеристиками.

Скатывание в шнур или кольцо

Простой способ, который может использовать каждый владелец участка. Основан на определении особенности материала — пластичности. Алгоритм определения:

  • взять небольшое количество грунта в руку;
  • увлажнить его с помощью пульверизатора, чтобы достичь тестообразного состояния;
  • попытаться скатать полученную массу в шнур;
  • попытаться свернуть шнур в колечко.

Вывод — если масса раскатывается в шнур, который удается свернуть в колечко — это суглинок. В зависимости от вида суглинистой почвы, колечко будет непрочным (легкая) или плотным, но с трещинами (тяжелая).

Если полученное кольцо не имеет по краям трещин — на участке преобладает глина.

Проверка на ощупь

Менее информативный способ. Понадобится смочить руку водой и перетереть некоторое количество земли между двумя пальцами. Особенная маслянистость почвы говорит о том, что это глина. Практически одни песчинки говорят о том, что на участке преобладает супесь.

Суглинок — маслянистая масса с заметными вкраплениями кварцевого песка.

Лабораторный способ

Наиболее информативный и точный метод исследования. Понадобится:

  • мерный цилиндр, в который добавляется часть почвы;
  • разбавить водой и тщательно взболтать.

Вывод — повышенная мутность взвеси говорит о наличии глинистых частиц в составе. В случае с суглинком на дно осядет песчаная составляющая грунта. В случае с супесью мутность практически отсутствует, почти вся земля быстро опадает в осадок.

Методы улучшения суглинистой почвы

Для улучшения плодородности суглинка рекомендуется проводить профилактические мероприятия по изменению структуры, увеличению рыхлости. Каждую очень и весну рекомендуется перекапывать почву, добавляя разного рода разрыхлители: песка, торфа, прелых опилок лиственных деревьев, компоста. Можно не ждать, пока опилки перепреют, а вымочить их в мочевине. Не стоит использовать для разрыхления суглинистой почвы красноватый торф, это повысит содержание железа в почве. Осенью можно использовать навоз, лучше всего подходит конский или овечий. Разрыхлитель вносят на глубину от 10 до 15 см, ежегодно углубляясь.

Разрыхлять почву можно компостом

Суглинки — почвы, которые хорошо увлажняются и плохо просыхают. В результате происходит закисление. В качестве раскислителей используют опилки, навоз или солому. Отлично подойдет доломитовая мука — раз в четыре года, не более 500 грамм на 1 квадратный метр.

Нюансы возведения фундамента на суглинке

Основное свойство, которое учитывают при устройстве фундамента — пучинистость грунта. Сложилась практика, при которой на суглинке устраивают типы оснований:

  • армированная плита;
  • свайный тип;
  • ленточный.

Перечисленные фундаменты монтируются как выше, так и ниже линии промерзания. Тип основания выбирают после проведенных изысканий. Лучше доверить изыскательные работы специалисту.

Какие грунты залегают на территории Ленинградской области и Санкт-Петербурга?

Затевая на своём загородном участке строительство какого-либо серьёзного объекта, будь то дом, гараж, баня, забор или иная массивная постройка, Вы неизбежно столкнётесь с необходимостью устройства фундамента. Надёжный фундамент — та основа, которая обеспечит Вам практичную и безопасную эксплуатацию возведённой постройки. Основание принимает на себя нагрузку от массивных конструкций и равномерно распределяет его по своей площади, обеспечивая устойчивость.Один из важных факторов, который учитывается при проектировании и устройстве основания — это грунты, залегающие на участке строительства. Другими параметрами, которые обязательно следует принять в расчёт — это наличие перепадов высот в пятне застройки и уровень грунтовых вод. Но об этом мы расскажем в отдельных статьях.

 

КАКАЯ ПОЧВА ЛУЧШЕ ПОДХОДИТ ДЛЯ ФУНДАМЕНТА?

Различные грунты обладают разной несущей способностью, сезонной пучинистостью, глубиной промерзания и рядом иных параметров, влияющих на тип конструкции основания.

В Ленинградской области традиционно выделяют четыре агроклиматических района, имеющих различный состав поверхностных почв. Районы эти — северный, северо-восточный, южный и центрально-западный. В целом, можно говорить о характерных для всех зон факторах: влажность повышенная, выпадает большое количество осадков, а испаряется — малое. Как следствие — через поверхность почвы в грунтовые воды проходит излишняя влага.

Характерные черты северной части области — раннее наступление холодов, более затяжной зимний сезон и заметное снижение отрицательных температур в холодный период в сравнении с югом. Естественно, что этими данными нельзя пренебрегать при проектировании объектов на расположенных в этой зоне участках. Теплотехнический расчёт и огромный опыт строительной компании «Фундамент-СПб» способствуют выбору целесообразных материалов для теплоизоляции, положительно влияющих на уровень теплозащиты дома или коттеджа.

Повышенная влажность, что оказывает своё влияние как на внутренние, так и на наружные стены дома, диктует меры по гидроизоляции. Гидрогеологические условия оставят след на устройстве горизонтальной и вертикальной защиты от влаги. Обилие в этой зоне пучинистых грунтов говорит о благоразумности выбора в пользу ленточного фундамента мелкого заложения.

Юг и юго-восток региона в основном демонстрируют тёплый и сухой климат. При проектировании это окажет своё влияние на конструктивные, объёмно-планировочные и инженерные решения. Выбор подходящей толщины ограждающих конструкций и сопротивления теплопередаче осуществляется с оглядкой на нормативы, санитарно-гигиенические условия и зимние температурные значения.

Региональные особенности в значительной мере определяют климат в черте Петербурга. Повышение температур на 3-4°C в сравнении с областью обеспечено здесь техногенными факторами: значительная площадь застройки; прохождение магистралей теплотрасс; промышленные и транспортные выбросы и др.

Всё это ведёт к изменению в биологии и физико-химии грунтов и расположенных в них строительных материалов, а значит вызывает необходимость использования ряда конструктивно-строительных мер для увеличения эксплуатационных характеристик фундаментов.

 

ГРУНТЫ ЛЕН. ОБЛАСТИ И ГЛУБИНА ЗАЛОЖЕНИЯ ФУНДАМЕНТА

Целесообразность выбора решений при создании проекта и дальнейшей его реализации определяется по результатам проведения инженерных изысканий, исследований по гидродинамике, анализу грунта участка и его несущей возможности, а также климатические факторы на конкретной территории города или области. Такой взвешенный комплексный подход ко всему спектру возникших задач обеспечивает комфортное и надёжное проживание в будущем доме на многие десятилетия.


Господствующие породы, образующими почву, на территории региона — это глина, суглинок, песок и торф. Также, в Лен. обл. встречаются супеси и скалистые грунты, характеризующиеся высокой несущей способностью. В черте Петербурга почва, как правило, заболочена, исключая участки на северо-востоке и юго-западе города.

Песчаные грунты отлично уплотняются, не пропускают влагу и сравнительно слабо подвержены промерзанию. Кроме того, фундаменты возведённые на таком грунте слабо подвержен замоканию. Каждый случай индивидуален, учитывать необходимо не только данные инженерных изысканий, но и материал, из которого будет возведена постройка. Однако, в общем случае, можно говорить о том, что хорошим вариантом для таких грунтов будут ленточные основания мелкого заложения. Возможная глубина устройства — от 50 до 100 см, главное условие: заглубить ленту ниже слоя зимнего промерзания почвы.

Не самым оптимальным вариантом для возведения дома будет глинистый грунт. Здесь всё дело в том, что обильные осадки оказывают на него сильное негативное воздействие — он легко подвергается разжижению и размыванию. Для данного типа свойственна большая глубина промерзания. В период крепких долгосрочных морозов она составит от 150 см и более. Для таких участков рекомендуется строить лёгкие каркасные дома на монолитной плите.

О супесях и суглинках можно сказать, что представляют они собой смесь из глины и песка. Для того, чтобы точнее определить подходящий конструктив на конкретном участке, необходимо понимать, в каких пропорциях эти компоненты смешаны — это и определит поведение, а также свойства грунта. Промерзает такая почва очень глубоко, равно как и следующий тип — торфяник.

Торфяник — суть осушенное болото, высохшее естественным образом или же искусственно осушенное. Надёжность дома, возведённого на таком грунте, определяется правильностью подхода, точностью расчётов и способностью проектировщиков заранее предусмотреть все потенциальные трудности. Под лёгкий дом устраивается столбчатое или монолитное основание на ровной поверхности.

Каменистые и скалистые грунты уже сами по себе практически готовые основания, ведь их основу составляет твёрдый камень. Конечно же, он не будет подвержен негативным факторам вроде влаги и мороза, а значит фундаменту мало что угрожает. Такая поверхность будет требовать лишь незначительной подготовки.

Глубина промерзания грунтов в СПб и Ленинградской области:

глинасупесьпесоккрупнооблом
СПб и ЛО1,11,41,51,7

 

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ГРУНТА

Ещё одним важным параметром, влияющим на возводимые постройки является несущая способность грунта. Данное значение наглядно демонстрирует нагрузку, которую безопасно может нести на себе грунт. От этого параметра будет зависеть опорная площадь основания — из расчёта, чем слабее почва, тем больше будет площадь фундамента.

Несущая способность зависит от:

  • типов грунтов;
  • уровня уплотнённости;
  • насыщенности грунта влагой.

Из таблицы характеристики грунтов ниже Вы можете почерпнуть сведения о несущих возможностях различных типов грунтов в кг/см2 в различном состоянии.

ГрунтПлотныйСредней плотности
Крупный гравелистый песок65
Песок средней крупности54
Мелкий маловлажный песок43
Мелкий песок, насыщенный влагой32
Супеси сухие32,5
Супеси насыщенные влагой (пластичные)2,52
Суглинки сухие32
 Суглинки, насыщенные влагой (пластичные)31
Глины сухие62,5
Глины насыщенные влагой (пластичные)41

Увлажнение грунта приведёт к уменьшению его несущих способностей в разы. Своих свойств от избытка влаги не изменят исключительно крупные пески и пески средней крупности. Один из факторов, который может влиять на повышение влажности — уровень грунтовых вод. Подробнее об УГВ Вы сможете позднее прочитать в отдельных статьях на нашем сайте.

Frost Action и Frost Heave

Само пучение вызвано образованием ледяных линз в грунте под дорожным покрытием. При замерзании вода расширяется на 9% по объему. Размер ледяной линзы зависит от количества свободной воды, доступной в почве и на уровне грунтовых вод, а также от времени. Когда почва замерзает, свободная вода замерзает и расширяется. Однажды начавшись, ледяные линзы продолжают расти до тех пор, пока доступен источник свободной воды. Свободная вода мигрирует через почву к формирующейся ледяной линзе за счет капиллярного действия (сродни затеканию).Эта миграция воды может достигать 20 футов для некоторых восприимчивых к морозу почв.

Образование ледяной линзы и ледяного пучения

Исключить подачу воды в грунт под тротуар практически невозможно. Однако хороший дренаж может частично уменьшить количество воды, доступной для питания ледяной линзы, и вызвать морозное пучение. Большая часть этой подачи воды снизу может быть отрезана комбинацией песчаных покрытий и водостоков из плитки.

Некоторые почвы более подвержены образованию ледяных линз, чем другие. Илы или илисто-глинистые почвы считаются одними из наиболее восприимчивых к морозу. Ил, из-за чрезвычайно малого размера его частиц или градации, позволяет и способствует потоку воды за счет капиллярного действия через свои поры. Следовательно, илы поставляют воду, необходимую для формирования ледяных линз в зоне промерзания. Другие почвы, считающиеся восприимчивыми к морозам, включают мелкий песок, глинистый гравий и каменную муку.Умеренно морозоустойчивые почвы включают грязные пески и гравий, а также ледниковые пахоты.

Единственными почвами, которые можно считать незамерзающими, являются очень чистые смеси песка и гравия. Эти почвы свободно дренируются самотеком и не создают капиллярного движения влаги.

Морозное пучение чаще всего встречается в следующих местах:

  • Переходы от выемки к насыпи
  • Там, где канавы недостаточны или отсутствуют
  • Водопропускные трубы
  • Рядом с дорогами, перекрывающими придорожные канавы и/или собирающими воду
  • Везде, где происходит резкое изменение материала земляного полотна

Не всякое морозное пучение вредно для дорожного покрытия.Равномерное вздымание, скорее всего, не будет заметно ни для глаз, ни для пассажиров транспортного средства. Кочек и неровностей нет, вся дорога вздымается равномерно, поэтому проблем с обслуживанием не возникает. Пучение разрушительно и неприятно только в фазе промерзания или промерзания, когда оно резко меняется, вызывая неравномерную поддержку дорожной одежды.

Для предотвращения морозного пучения сильно восприимчивые грунты следует заменить или стабилизировать. Морозные пучины должны быть осушены плиточными стоками и/или канавы должны содержаться в чистоте и не иметь загромождений, препятствующих оттоку воды от дорожного покрытия.

Морозное пучение

Морозное пучение может заставить растения подняться из земли, как это сделали эти куры и цыплята ( Sempervivum ).

Холодостойкие многолетники могут быть повреждены зимней погодой. Морозное пучение является обычным виновником. Сильные колебания температуры с повторяющимися циклами замерзания и оттаивания заставляют воду в почве расширяться и сжиматься.Эти повторяющиеся расширения и сжатия толкают и поворачивают растения и их корни. Результат — пучнение коронок. Они выталкиваются из почвы, ломая одни корни и обнажая другие корни над уровнем почвы. Приподнятые кроны и корни подвергаются воздействию холода и иссушающих ветров. Они могут быть серьезно повреждены, чахлые или убиты.

Многолетники с неглубокой корневой системой (земляника, гейхера, скабиоза, леукантема, галлардия, бадан) или те, которые были недавно посажены и не успели сформировать достаточную корневую систему, склонны к морозному пучению.

Комплексные стратегии борьбы с вредителями

1. Борьба с морозным пучением начинается с хорошо дренированных посадочных грядок . Как поверхностный, так и подземный дренаж необходим для предотвращения скопления воды в грядках с растениями. Влажная земля будет неоднократно замерзать и оттаивать, а восприимчивые растения будут вздыматься. Добавление органического материала при подготовке грядки помогает разрыхлить почву и способствует хорошему дренажу почвы.

2. Сажать ранней осенью .Посадка многолетников как минимум за 6 недель до даты первых осенних заморозков дает растениям время для создания достаточной корневой системы, чтобы закрепиться.

3. Мульча . Мульчирование органическим материалом (компост, измельченные листья, солома или сосновые иголки) поможет смягчить температуру почвы, уменьшая вздутие корневой системы. Мульчу следует наносить после сильного мороза и на глубину 4 дюйма. Избыток мульчи может привести к заболачиванию почвы и заражению грызунами. Избегайте закапывания кроны растения во время укладки мульчи.

4. Следить за растениями . Внимательно следите за восприимчивыми растениями. Мульча может скрыть открытую вздутую крону. Когда проблема обнаружена, закройте открытые корни слоем почвы и повторно нанесите мульчу.

Органические стратегии

Все рекомендуемые стратегии IPM являются строго органическими подходами.

Больше изображений

Морозное пучение луковиц лилий ( Lilium )

Морозное пучение — Как работает морозное пучение

В большинстве районов севера Соединенных Штатов в зимние месяцы земля промерзает на несколько футов. Такое промерзание грунта может привести к пучению зданий, расположенных над ним или примыкающих к нему. Действующие силы могут быть очень разрушительными для слабонагруженных конструкций и вызывать серьезные проблемы в крупных.

Как работает Морозное пучение

Увеличение объема, которое происходит, когда вода превращается в лед, сначала считалось причиной морозного пучения, но теперь признано, что явление, известное как сегрегация льда, является основным механизмом.

Найти подрядчиков по плитам и фундаментам рядом со мной

Вода вытягивается из незамерзшей почвы в зону промерзания, где она прикрепляется, образуя слои льда, раздвигая частицы почвы и вызывая пучение поверхности почвы.Без физического сдерживания нет видимого предела возможному вздутию живота. (Были зарегистрированы перемещения более 4 дюймов под цокольным этажом всего за три недели.)

Там, где присутствует ограничение в виде строительной нагрузки, давление пучения может преодолеть или не преодолеть ограничение, но оно может быть очень высоким: было измерено 19 тонн/кв. Было замечено, что плотный фундамент поднялся более чем на 2 дюйма.

Другая форма воздействия мороза, называемая «примерзание», возникает, когда грунт примерзает к поверхности фундамента. Давление пучения, развивающееся в основании зоны промерзания, передается через смерзающую связь на фундамент, создавая подъемные силы, способные к заметным вертикальным смещениям. При строительстве из бетонных блоков стена подвала может разрушиться при растяжении и расколоться в горизонтальном растворном шве вблизи глубины промерзания.

Контролирующие факторы

Для возникновения заморозков должны быть выполнены три основных условия: почва должна быть морозоустойчивой; вода должна быть доступна в достаточном количестве; а условия охлаждения должны вызывать замерзание почвы и воды.Если одно из этих условий удастся устранить, морозного пучения не произойдет.

Восприимчивость к заморозкам связана с распределением частиц почвы по размерам. Как правило, крупнозернистые почвы, такие как пески и гравий, не пучинисты, тогда как глины, ил и очень мелкие пески будут способствовать росту линз льда, даже если они присутствуют в небольших количествах в грубых почвах. Если морозоустойчивые грунты, расположенные там, где они будут воздействовать на фундаменты, удалить и заменить более грубым материалом, морозного пучения не произойдет.

В незамерзшей почве должна быть вода для движения к плоскости промерзания, где происходит рост ледяных линз. Таким образом, высокий уровень грунтовых вод по отношению к расположению ледяных линз будет способствовать действию мороза. Там, где предписан надлежащий дренаж, можно предотвратить попадание воды в зону промерзания в чувствительных к морозам почвах.

Глубина промерзания во многом определяется скоростью потери тепла с поверхности почвы. Помимо тепловых свойств почвы, эти потери тепла зависят от таких климатических переменных, как солнечная радиация, снежный покров, ветер и температура воздуха, что является наиболее существенным.Если потерю тепла можно предотвратить или уменьшить, морозоустойчивые почвы могут не испытывать отрицательных температур.

Индекс промерзания и глубина промерзания

Записи о температуре воздуха можно использовать для оценки степени промерзания грунта с помощью концепции градусо-дня. (Если среднесуточная температура воздуха составляет 31 F, это будет один градусо-день.) «Индекс замерзания» — это просто накопленное общее количество градусо-дней замерзания для данной зимы.

Frost Action и фундаменты

Традиционный подход к проектированию фундаментов для предотвращения повреждений от мороза заключается в размещении фундамента за пределами глубины ожидаемого максимального промерзания, чтобы грунт под несущей поверхностью не промерзал.Однако сама по себе эта мера не обязательно предотвращает повреждения от мороза; если котлован будет засыпан морозоустойчивым грунтом, это может привести к повреждению от наледи. Глубина, на которой следует закладывать фундамент, обычно определяется местным опытом, как указано в строительных нормах, но при отсутствии такой информации можно использовать корреляцию, показанную на предыдущей диаграмме.

По самой своей природе морозоустойчивые почвы плохо дренируются, и хотя приток грунтовых вод может быть предотвращен, количества воды, имеющейся в незамерзшей почве, часто бывает достаточно, чтобы вызвать значительное пучение. Там, где это возможно, хорошей практикой является удаление восприимчивой к морозу почвы и замена ее крупнозернистым материалом, который легко дренируется. Следует также соблюдать надлежащую практику дренажа, включая установку дренажной плитки по периметру фундамента.

Важность дренажа

Хороший дренаж важен для любого фундамента, и FPSF не является исключением. Изоляция работает лучше в более сухих почвенных условиях.

Убедитесь, что изоляция грунта надлежащим образом защищена от чрезмерной влаги с помощью правильных методов дренажа, таких как наклон уклона в сторону от здания.Изоляция всегда должна располагаться выше уровня грунтовых вод. Слой гравия, песка или подобного материала рекомендуется для улучшения дренажа, а также для обеспечения гладкой поверхности для размещения любой изоляции горизонтального крыла. Для ненагреваемых конструкций FPSF требуется дренажный слой толщиной не менее 6 дюймов. Помимо минимальной глубины фундамента в 12 дюймов, требуемой строительными нормами и правилами, дополнительная глубина фундамента, требуемая конструкцией FPSF, может состоять из уплотненного, не восприимчивого к морозу насыпного материала, такого как гравий, песок или щебень. Кроме того, добавление обратной засыпки со свободным дренажем помогает свести к минимуму или устранить возможность морозного пучения

Возврат к защищенным от мороза мелководным основаниям

Frost Heave — как это работает, эффекты и предотвращение

🕑 Время чтения: 1 минута

Морозное пучение – это вздутие почвы вверх из-за образования льда в условиях замерзания. Обычно это происходит, когда температура замерзания проникает в почву и превращает имеющуюся влагу в лед, тем самым вызывая движение почвы вверх.

Размер ледяной массы увеличивается из-за непрерывного поступления влаги за счет капиллярного действия. Вес почвы может ограничивать влияние льда и образовывать ледяные линзы. Тем не менее ледяные линзы могут перемещать почвенный слой вверх.

Морозное пучение наносит значительный ущерб дорогам, каналам, фундаментам и впоследствии надстройкам. Чтобы предотвратить пагубные последствия морозного пучения, необходимо понять, как оно работает, и определить основные элементы, которые приводят к его возникновению. После этого можно принять соответствующие меры для предотвращения этого.

Как это работает?

Когда температура замерзания проникает в почву, она превращает почвенную влагу в лед. Когда влага в зоне промерзания затвердевает, вода из других частей почвы будет перемещаться в зону промерзания за счет капиллярного действия. Это приводит к увеличению размеров ледяной массы. Вес грунта и другие объекты наверху будут сдерживать рост размеров льда, в результате чего образуются ледяные линзы.

Рис. 1: Ледяные линзы и капиллярный подъем воды

Когда температура замерзания проникает дальше в почву, она оставляет после себя ледяные линзы. Эти ледяные линзы продолжают расти по направлению к области, которая теряет температуру, то есть к поверхности почвы.

Ледяные линзы способны выталкивать слой грунта вверх. Он создает трещины в почве и вызывает повреждения фундамента, а затем и надстройки. Сообщается, что когда влага превращается в лед, его размер увеличивается на 9%.

Рис. 2: Как работает морозное пучение

Мелкозернистая морозоустойчивая почва, влага, непрерывно питающая ледяные линзы, и температура замерзания являются основными элементами действия морозного пучения.

При понижении температуры лед тает, и конструкция опускается на прежнее место под его тяжестью. При заморозке и процесс оттаивания повторяется, он сильно испортится и, возможно, разрушится.

Эффекты
  1. Разрушение каналов в морозный период.
  2. Снижение несущей способности земляного полотна.
  3. Неровности и значительные повреждения покрытия
  4. Поврежденные фундаменты и плиты.
Рис. 3: Влияние морозного пучения на здания Рис. 4: Бетон, поврежденный морозным пучением Рис. 5: Трещины дорожного покрытия из-за морозного пучения

Профилактика

Как правило, морозное пучение можно предотвратить, устранив один из его основных элементов, к которым относятся мелкозернистая почва, морозная температура и вода. Существует несколько мер, которые можно принять во внимание, чтобы избежать морозного пучения:

  1. Предоставление систем предотвращения морозного пучения, таких как водяная система отопления.
  2. Удлинение фундамента, например опор, ниже линии промерзания.
  3. Используйте материалы для обратной засыпки, такие как гравий, вокруг фундамента, чтобы способствовать дренажу воды.
  4.  Используйте втулку, чтобы предотвратить сцепление льда с бетоном.
  5. Фундамент, выдерживающий движение вверх.
  6. При строительстве дорог замените мелкозернистый чувствительный к морозу грунт крупнозернистым грунтом.
  7. Используйте капиллярный прерыватель, чтобы предотвратить движение воды к фронту замерзания и, следовательно, снизить влияние морозного пучения.
  8. Стабилизация почвы.

Морозное пучение на JSTOR

Абстрактный

В статье описывается лабораторное исследование проблем, связанных с морозным пучением. Разработанные принципы находят применение в геологии, физиологии растений и технике. Эффекты давления, сопровождающие промерзание грунтов, связаны с ростом кристаллов льда, а не с изменением их объема.Давление развивается в направлении роста кристалла, что определяется главным образом направлением охлаждения. Вздутие часто больше, чем можно объяснить расширением. Это происходит из-за сегрегации воды при замерзании, когда молекулярная когезия захватывает больше воды. Основными факторами, контролирующими сегрегацию и чрезмерное пучение, являются: размер частиц почвы, количество доступной воды, размер и процент пустот, а также скорость охлаждения. Развиваемое давление ограничено пределом прочности воды на растяжение.За счет сегрегации льда с последующим оттаиванием на поверхности почвы может быть сосредоточено больше воды, чем каким-либо другим способом. Сегрегация вызывает усадочные трещины внизу, если подача воды ограничена или почва очень непроницаема. Дифференциальное пучение обусловлено главным образом различиями в механическом составе почвы и количеством доступной воды, но факторами также являются различия в виде и количестве почвенного покрова.

Информация о журнале

Текущие выпуски теперь доступны на веб-сайте Chicago Journals.Прочтите последний выпуск. Один из старейших журналов по геологии, The Journal of Geology (JG) с 1893 года продвигает систематическое философское и фундаментальное изучение геологии. JG публикует оригинальные исследования в широком диапазоне областей геологии, включая геофизику, геохимию, седиментологию, геоморфологию, петрологию, тектонику плит, вулканологию, структурную геологию, минералогию и планетарные науки. Многие из его статей имеют широкую привлекательность для геологов, представляют актуальные исследования и предлагают новые геологические идеи за счет применения инновационных подходов и методов.

Информация об издателе

С момента своего основания в 1890 году в качестве одного из трех основных подразделений Чикагского университета издательство University of Chicago Press взяло на себя обязательство распространять научные знания самого высокого уровня и публиковать серьезные работы, которые способствуют образованию, способствуют общественному пониманию. и обогатить культурную жизнь. Сегодня Отдел журналов издает более 70 журналов и периодических изданий в твердом переплете по широкому кругу академических дисциплин, включая социальные науки, гуманитарные науки, образование, биологические и медицинские науки, а также физические науки.

Экспериментальные исследования характеристик морозного пучения гравийного грунта и прогнозирование многофакторной регрессии

Гравийный грунт обычно считается нечувствительным к морозному пучению. Однако многочисленные деформации морозного пучения фундамента в районе сезонной мерзлоты указывают на то, что гравийный грунт также может вызывать морозное пучение при определенных особых условиях. Чтобы получить более глубокое представление о характеристиках морозного пучения гравийного грунта, была проведена серия лабораторных экспериментов по одномерному морозному пучению в условиях пополнения открытой и закрытой воды с использованием усовершенствованного экспериментального оборудования. Проанализировано влияние различных факторов, в том числе исходной влажности, глинистости, плотности, перекрывающей нагрузки и водопополнения на коэффициент пучения гравийного грунта. Были проанализированы основные характеристики морозного пучения, включая величину морозного пучения, скорость промерзания, глубину промерзания, скорость промерзания и распределение влажности после промерзания в образце гравийного грунта. Обсуждались и соответствующие механизмы. Результаты показали, что в условиях пополнения открытой воды существует линейная зависимость между начальным содержанием влаги, перекрывающей нагрузкой и коэффициентом пучения и квадратичная полиномиальная зависимость между содержанием глины, плотностью и коэффициентом пучения.Установлено, что коэффициент пучения в условиях пополнения открытой воды увеличивается более чем в три раза по сравнению с условиями пополнения закрытой водой. Методом множественного регрессионного анализа была получена эмпирическая формула многофакторной регрессии для прогнозирования коэффициента морозного пучения гравийного грунта при определенном сочетании факторов и уровней в условиях замкнутого водопополнения. Значительное влияние на коэффициент морозного пучения оказывалось следующим образом: пополнение водой > исходное содержание влаги > содержание глины > плотность > перекрывающая нагрузка.

1. Введение

Крупнозернистые грунты, которые могут демонстрировать выдающиеся характеристики по уплотнению, интенсивности сдвига, водопроницаемости и разжижению при динамической нагрузке, а также обладают преимуществами богатых запасов, легкого доступа и экономичности, широко используются в качестве природные фундаментные материалы в инженерных сооружениях фундаментов, таких как автомагистрали, железные дороги, аэропорты, плотины и земляные работы. Традиционно крупнозернистые грунты обычно идентифицируют как материалы, нечувствительные к морозному пучению, из-за большого размера зерен, малой поверхностной энергии зерен, слабой гидрофильности, малой пленочной воды, большой пористости, неявной капиллярности и слабой миграции воды, а также легкости водоотведения. вмерзают в лед на месте [1–4]. Однако, основываясь на наблюдениях за морозным пучением земляного полотна высокоскоростной железной дороги Харбин-Далянь на северо-востоке Китая и фундаментом дорожной одежды аэропорта Гуолуо, расположенного в аэропорту Цинхай, Китай, Лю и др. [5, 6], Zhang [7] и Liu et al. [8] установили, что крупнозернистые грунты также могут давать явные явления морозного пучения при сочетании определенной глинистости (массовая доля частиц диаметром менее 0,075  мм), исходной влажности и температуры в сезонномерзлой области. .Таким образом, важно комплексное исследование характеристик морозного пучения крупнозернистого грунта для эффективного предотвращения пучинистых деформаций крупнозернистого грунтового основания.

Исследования характеристик морозного пучения почвы всегда были в центре внимания. С тех пор, как Эверетт [9] предложил первую теорию мороза, а Миллер [10] выдвинул вторую теорию мороза, было проведено много исследований [11–19] механизма пучения и были достигнуты определенные результаты. По мере углубления представлений о механизме пучения в вечной мерзлоте изучаются также заполнители морозного пучения, особенно характеристики пучения крупнозернистого грунта. После этого в 1988 г. экспериментальные исследования Chen et al. [20] показали, что в условиях пополнения открытой воды коэффициент пучения песчано-гравийного песка увеличивается с уменьшением скорости промерзания как функция мощности, поскольку это способствует криовсасыванию [21, 22]. Кроме того, поскольку небольшое количество порошкообразной глины было смешано с песчано-гравийным песком, чувствительность гравия к морозному пучению в условиях пополнения открытой воды увеличивается с увеличением вязкости частиц.Винсон и др. [23] и Чен и Ван [24] обнаружили, что увеличение содержания мелкозернистой почвы и содержания глинистых минералов увеличивает чувствительность крупнозернистой почвы к морозному пучению. Среди них Винсон и др. [23] дополнительно изучили влияние размера мелких частиц на морозопучинистость крупнозернистого грунта, установили корреляцию между коэффициентом пучения и сегрегационным потенциалом, а затем указали, что чем меньше размер частиц, тем больше корреляция коэффициент. С помощью лабораторного эксперимента Сюй [25] указал, что при содержании порошка и глины в гранулированном грунте менее 12 %, даже в условиях полного водонасыщения коэффициент морозопучения составляет не более 2 %. При содержании порошка и глины более 12 % коэффициент пучения мороза явно возрастает. Викландер [26] установил, что пористость является важным фактором, влияющим на морозное пучение при исследовании характеристик морозного пучения горных пород в цикле замерзания-оттаивания. Конрад и Лемье [27, 28] считают, что при содержании мелкозернистого грунта в крупнозернистом менее 7 % морозное пучение крупнозернистого грунта относительно невелико, а количество подпитки водой весьма очевидно. , а коэффициент пучения мороза 1% является стандартом для определения чувствительности крупнозернистого грунта к морозному пучению с помощью лабораторных испытаний на замораживание.Аренсон и Сего [29] определили положение пленки незамерзшей воды в процессе промерзания крупнозернистого грунта методом флуориметрической трассировки. В соответствии с классификационными характеристиками материала наполнителя железнодорожного полотна и критерием содержания железнодорожного пути Ye et al. [30] указали, что гравий с содержанием мелких зерен менее 15 % относится к материалам, нечувствительным к морозному пучению, и может использоваться для устройства незамерзающего слоя земляного полотна. Лай и др. [31] изучали характеристики морозного пучения и оттаивания насыпи нового типа и крупнозернистой насыпи.В ходе эксперимента с морозным пучением в помещении Nie et al. [32] указали, что на характеристики морозного пучения сортового щебня в качестве наполнителя на поверхности основания фундамента влияли влажность, пористость и содержание мелких частиц, а содержание влаги было доминирующим фактором, влияющим на морозное пучение щебня. фракционный щебень. С помощью ортогонального эксперимента и серого корреляционного анализа градации щебня в холодном регионе Чжао и др. [33] и Wang et al.[34] указали, что основным фактором, влияющим на коэффициент морозного пучения сортового щебня, была влажность, за которой следовали содержание мелких частиц, плотность и температура холодного конца, причем степень корреляции между ними была незначительной.

Подводя итог, можно сказать, что сочетание некоторых факторов и уровней крупнозернистости почвы также вызывает определенное морозное пучение. К факторам, влияющим на морозное пучение крупнозернистого грунта, относятся следующие аспекты: градация почвенных частиц, содержание мелких частиц и их минеральный состав, влажность, плотность, коэффициент водопроницаемости, капиллярное действие, внешняя нагрузка [35–37]. ].Однако результаты исследований закономерностей воздействия различных факторов на морозное пучение крупнозернистых грунтов и их интерпретация сильно различаются. В частности, недостаточно ясно представление о характеристиках морозного пучения при различных факторах. Необходимы дальнейшие исследования взаимодействия и корреляции между различными факторами коэффициента пучения крупнозернистого грунта. Взаимосвязь между результатами исследований и фактической инженерией должна быть усилена. Поэтому необходимо систематически исследовать характеристики морозного пучения крупнозернистых грунтов. Исследовательская группа в течение многих лет посвятила изучению повреждений от мороза в сезонномерзлых районах Цинхай-Тибетского нагорья, особенно систематическому и постоянному мониторингу морозного пучения гравийного грунта основания дорожного покрытия аэропорта Гуолуо [8, 38]. Поэтому в качестве репрезентативного объекта исследований для изучения характеристик морозного пучения крупнозернистых грунтов был выбран гравийный грунт в районе сезонной мерзлоты Цинхай-Тибетского нагорья. Исходя из уникальных климатических и почвенных характеристик местности (см.1 раздел подробно), была проведена серия лабораторных экспериментов по коэффициенту морозного пучения гравийного грунта в условиях пополнения открытой и закрытой воды с использованием усовершенствованной экспериментальной установки для систематического исследования характеристик морозного пучения. Обобщены и обсуждены закономерности влияния таких факторов, как исходная влажность, глинистость, плотность, перекрывающая нагрузка и водопополнение на коэффициент пучения. Были проанализированы и обсуждены основные характеристики морозного пучения, включая величину морозного пучения, скорость морозного пучения, глубину промерзания, скорость промерзания и распределение влажности после промерзания в образце гравийного грунта.Для прогнозирования коэффициента пучинистости гравийного грунта при определенном сочетании факторов и уровней в условиях замкнутого водопополнения методом множественного регрессионного анализа была получена эмпирическая формула многофакторной регрессии. Наконец, были выдвинуты эффективные предложения по предотвращению морозного пучения и борьбе с крупнозернистой почвой в сезонномерзлых районах.

2. Материалы и методы
2.1. Подготовка образцов почвы

Аэропорт Гуолуо, расположенный в регионе сезонной мерзлоты на Цинхай-Тибетском нагорье, был выбран в качестве фона исследования и прототипа в этой статье [39].Климат аэропорта Гуолуо характеризуется низкой температурой воздуха (среднегодовая температура около −4°C), обильными осадками (снег) (среднегодовое количество осадков 400–760 мм, годовое количество дней с осадками 118–175 дней). ), длительный отрицательный температурный период (даже более 8 месяцев), большая глубина промерзания (максимальная глубина промерзания около 2,5 м), малая скорость охлаждения и длительное время сохранения фронтов промерзания в почве. Соответственно, такие региональные климатические условия склонны к усилению миграции влаги и морозного пучения.Все образцы почвы были взяты в секции полевых экспериментов в аэропорту Цинхай Гуолуо. Секция заполнения аэропорта Гуолуо была в основном заполнена естественным гравийным грунтом, но, как обычно в процессе строительства, может быть примешано некоторое количество поверхностного ила, что приводит к неравномерному распределению содержания глины. Поскольку были некоторые трудности с отбором, транспортировкой и сохранением образцов ненарушенной почвы, в этом исследовании было принято изменение формы нарушенной почвы путем упаковки в мешки, перевозки, фильтрации примесей и воздушной сушки.Мы выбрали естественный гравийный грунт в качестве основного объекта эксперимента и выбрали поверхностный ил в качестве эталонного объекта. По результатам скринингового теста содержание глины в природном гравийном грунте составляет 6,9%, а содержание глины в поверхностном иле — 50%. Среднее содержание глины в грунтовом основании дорожного покрытия аэропорта Гуолуо составило 9,7%, содержание глины в некоторых измеренных точках достигало даже около 20%. Поэтому мы выбрали четыре вида содержания глины 10%, 15%, 20%, 25% для изучения влияния содержания глины на характеристики морозного пучения гравийного грунта и выбрали 45% в качестве группы сравнения.Пять видов образцов почвы с содержанием глины 10%, 15%, 20%, 25% и 45% были получены путем однородного смешивания двух образцов почвы (природный гравий и поверхностный ил) в различных пропорциях.

2.2. Испытание физических характеристик гравийного грунта

В соответствии с требованиями испытаний (Методы испытаний грунтов для дорожного строительства) кривая классификации двух вышеуказанных образцов грунта была получена с помощью анализа гранулометрического анализа, показанного на рисунке 1. Известно Из рис. 1 видно, что в природном гравийном грунте содержание мелких частиц меньше, а в поверхностном иле больше.Кроме того, можно было получить, что коэффициент неравномерности и кривизна природного гравийного грунта (значения 47 и 2,1) все больше, чем у поверхностного ила (значения 25 и 1,4). Коэффициент неравномерности поверхностного ила не менее 5, а кривизна от 1 до 3, что свидетельствует о хорошей градации поверхностного ила. Однако коэффициент неравномерности природного гравийного грунта слишком велик, что свидетельствует об отсутствии промежуточных частиц и плохой градации.В фактическом процессе строительства поверхностный ил имеет тенденцию проникать в природный гравийный грунт и не только увеличивает содержание глины в грунтовом основании, но и в некоторой степени заполняет недостающий средний диаметр природного гравийного грунта. Этот эффект усугубляет явление морозного пучения грунтового основания.


В соответствии с методами, описанными в разделе «Подготовка образцов почвы», были подготовлены пять типов образцов почвы, содержащих 10%, 15%, 20%, 25% и 45% ила соответственно, и результаты представлены в таблице 1. Из таблицы 1 можно сделать вывод, что оптимальное начальное содержание влаги увеличивалось с увеличением содержания глины, в то время как стандартная максимальная плотность в сухом состоянии уменьшалась с увеличением содержания глины.

3 10
Clay Content (%) Стандартная максимальная сухая плотность (г / см 3 ) Оптимальный начальный содержание влаги (%)
2,36 6,69
15 2.33 7,00
20 2,29 7,66
25 2,25 8,27
45 2 13,02

Относительная плотность двух типов образцов почвы составила 2,71, что указывает на то, что влияние зернового состава на относительную плотность зерна почвы было очень небольшим, и все виды содержания глины в гравийной почве могут использовать одно и то же значение (2,71). 71). Относительная плотность образца почвы с содержанием глины 10 % измерялась банкой, а образца почвы с содержанием глины 45 % измерялась пикнометром.

2.3. Принцип эксперимента

Величина морозного пучения и коэффициент морозного пучения являются основными параметрами для измерения свойств морозного пучения грунта. Величина морозного пучения представляет собой вертикальное смещение грунта, вызванное промерзанием грунта. В то время как более поздний (также известный как коэффициент морозного пучения) представляет собой отношение приращения продольной высоты к исходной высоте образца в условиях непоперечной деформации и одномерного замораживания.Коэффициент пучения мороза обычно выражается следующим образом: где — коэффициент пучения мороза, — величина пучения мороза в конце промерзания (мм), — глубина промерзания (см) (Методика испытаний грунтов для дорожного строительства). ).

Глубина промерзания может быть определена по уравнению (2). где глубина промерзания, расстояние между элементами измерения температуры (= 2,0  см), номер слоя элемента измерения температуры от поверхности для расчета, абсолютная значение отрицательной температуры уровня , а – абсолютное значение положительной температуры уровня , а расчетная диаграмма указана на рисунке 2.


2.4. Усовершенствование экспериментального оборудования

В соответствии с Методикой испытаний грунтов для дорожного строительства JTG E40-2007 [40] традиционное экспериментальное оборудование для морозного пучения состоит из ящика для образцов грунта, системы давления, системы пополнения водой, системы контроля смещения, система контроля температуры и калориметр. Схематическая диаграмма традиционного экспериментального устройства для морозного пучения показана на рисунке 3.


Однако из-за небольшого размера устройства стандартное правило применимо только к грунту небольшого размера, такому как связный грунт и песчаный грунт, но не подходит для определения коэффициента морозного пучения гравийного грунта с более крупным размером частиц.Кроме того, традиционная аппаратура для экспериментов по коэффициенту морозного пучения также имеет некоторые недостатки; поэтому были сделаны следующие улучшения. (1) Размер ящика для образцов почвы был увеличен. По принципу подобия внутренний диаметр увеличен с 10 см до 15 см, высота увеличена с 10 см до 16 см, расстояние между датчиками температуры увеличено с 1 см до 2 см. (2) В эксперименте использовалась модифицированная система давления. Давление веса было заменено давлением воздушного баллона, а диапазон давления был увеличен, чтобы сделать регулировку более удобной.Новая напорная система состоит из воздушного компрессора, клапанов регулировки давления, воздушного цилиндра и соединительной трубы. (3) Улучшена система сбора данных. Стрелочный индикатор с точностью 0,05 мм был заменен датчиком перемещения с точностью 0,001 мм для наблюдения за изменением величины морозного пучения. Все датчики могли автоматически собирать сигналы смещения и температуры, а сигналы записывались и автоматически сохранялись компьютером. (4) Система холодной ванны была улучшена.В традиционном экспериментальном аппарате для определения отношения мороза к пучине система холодной ванны устанавливала только фиксированную температуру замерзания, что не соответствовало фактическому закону атмосферного охлаждения. Поэтому была принята система холодной ванны с функцией автоматического охлаждения, чтобы температура замерзания соответствовала реальной ситуации. Кроме того, холодная сторона была установлена ​​​​внизу в традиционном экспериментальном аппарате с коэффициентом пучения, что не соответствует фактическому охлаждению фундамента сверху вниз.В экспериментальном приборе с улучшенным коэффициентом пучения холодная сторона была установлена ​​вверху в соответствии с реальной ситуацией. (5) Улучшена система пополнения водой. Бутылка для пополнения воды Maddox использовалась для поддержания постоянного уровня воды, а импорт воды взимался сверху вниз для адаптации к фактическому пополнению грунтовых вод. Датчик перемещения, автоматически собирающий и сохраняющий данные, использовался для наблюдения за изменением уровня воды в системе пополнения воды. После усовершенствования новый экспериментальный аппарат для морозного пучения состоит из ящика для образцов грунта, среды с постоянной температурой в ящике и системы контроля температуры, системы контроля температуры, системы контроля блока сбора данных о смещении, блока сбора данных, системы давления и системы пополнения водой. как показано на рисунках 4 и 5.



Датчик температуры, датчик смещения и терминал сбора данных, используемые в эксперименте, были высокоточным оборудованием. Все экспериментальные установки были откалиброваны до начала эксперимента, что обеспечило точность результатов эксперимента. В то же время верхняя и нижняя стороны стенки цилиндра были затянуты, чтобы уменьшить ошибку, вызванную деформацией самого цилиндра с образцом. Ящик для образцов почвы был окружен теплоизоляционным материалом для предотвращения потери температуры.Сверху и снизу образца почвы укладывали по две фильтровальные бумаги для предотвращения потери влаги в ходе эксперимента. Кроме того, для проверки надежности усовершенствованной экспериментальной установки по морозному пучению было проведено несколько групп испытаний по сравнению с традиционной экспериментальной установкой по морозному пучению.

В частности, лабораторные испытания по одномерному морозному пучению проводились на традиционной экспериментальной установке и усовершенствованной экспериментальной установке соответственно в условиях одного и того же образца грунта (содержание глины 45%), одного и того же коэффициента испытания ( компактность 95%, перекрывающая нагрузка 20 кПа) и такая же среда охлаждения. Результаты контрастных испытаний показаны на рис. 6. Видно, что результаты двух групп результатов испытаний почти совпадают, что подтверждает надежность усовершенствованной экспериментальной установки морозного пучения. Следовательно, усовершенствованный экспериментальный аппарат по морозному пучению можно использовать для проверки коэффициента морозного пучения крупнозернистых грунтов.


2.5. Программа и процедуры эксперимента

В качестве 4 факторов были выбраны начальное содержание воды, содержание глины, плотность и вышележащая нагрузка, и был выполнен многофакторный план эксперимента.Исходная влажность рассчитывалась исходя из оптимальной исходной влажности для вышеуказанных 5 видов почвенной глинистости в размере 3–18 %, соответствующих 3–5 уровням. Учитывая, что компактность фактического основания аэропорта обычно контролировалась на уровне 90–98 %, мы выбрали 85 %, 90 %, 95 % и 100 % в качестве индексов уплотнения. Вышележащая нагрузка была выбрана из 4 уровней, таких как 10 кПа, 20 кПа, 30 кПа и 40 кПа. С целью изучения порядка влияния различных факторов на коэффициент пучения и получения эмпирической формулы многофакторной регрессии для прогнозирования коэффициента пучения гравийных грунтов при определенном сочетании факторов и уровней проведен многофакторный анализ на основе результатов однофакторного тестирования.

Температуру охлаждающей бани и калорифера устанавливали на 1°C на 6 часов, чтобы убедиться, что внутренняя температура образца достигла 1°C, после чего начался процесс замораживания. В процессе замораживания температура охлаждающей ванны снижалась с 1°С со скоростью 0,2°С/ч в течение примерно 72 ч до стабилизации деформации, чтобы имитировать закон атмосферного охлаждения [41]. После замораживания образец сразу извлекали из ящика для образцов почвы, а затем поровну делили на 7 частей срезами.Распределение влаги в образце измеряли методом сушки.

3. Результаты и анализ
3.1. Влияние различных факторов на коэффициент пучения
3.1.1. Начальная влажность

Влияние различной начальной влажности на коэффициент пучения мороза показано в таблице 2. Коэффициент пучения мороза увеличивается с увеличением исходной влажности, когда содержание глины остается неизменным. Причина видится в следующем: увеличение влажности делает связь воды в образце почвы более плотной, а непрерывное движение воды более очевидным.Как видно из подгоночных кривых, коэффициент морозного пучения и начальная влагоемкость имеют прямолинейную зависимость. Порядок величины наклона аппроксимирующей кривой: 25% > 45% > 15%. Это может быть связано с тем, что плотность в сухом состоянии образца почвы с содержанием глины 45% была наименьшей среди трех (см. результаты стандартного испытания на уплотнение). Чем рыхлее структура почвы, тем крупнее поры почвы, тем больше вмещает льда и тем меньше коэффициент пучения мороза. Сухая плотность образца почвы с содержанием глины 25% больше, чем у образца с содержанием глины 45%, и миграция влаги была более очевидной из-за меньшего количества пор почвы.Сухая плотность и сила сцепления между частицами почвы в образцах почвы с содержанием глины 15% являются самыми большими среди трех. Поэтому наиболее вероятно образование перекрывающейся и утолщающейся комбинированной водной пленки, что приводит к уменьшению водопроницаемости почвы и сужению канала миграции воды.

2 8 y = 0.244

Номер теста Компактность (%) Ошибка нагрузки глиняный контент (%) начальный содержание влаги (%) соотношение заморозки (%) фитинга Curve R

1 95 20 15 3 0.43 у = 0,093 х + 0,137 0,952
2 5 0,62
3 7 0,71
4 9 1,02
5 6 25 6.43 6. 43 0.81 6
6 0.967 6 0.961
6 7.35 0.99
7 8.27 1,28
8 9,19 1,46
9 45 10 0,88 у = 0,173 х — 0,802 0,995
10 12 1,32
11 14 1,64
12 16 1,98
13 18 2,28

3.1.2. Глинистость

Влияние различных содержаний глины на коэффициент пучения представлено в таблице 3. Как видно из подгоночных кривых, коэффициент пучения увеличивается с содержанием глины, что соответствует полиномиальной функции, когда степень насыщения остается неизменной . Причина рассматривается в следующем: увеличение содержания глины приводит к увеличению общей площади поверхности и поверхностной энергии частиц почвы, а увеличение поверхностной энергии заставляет частицы почвы поглощать больше водной пленки.Водяная пленка между почвенными частицами соединена между собой, образуя тонкопленочный канал, способствующий непрерывной миграции влаги. Поскольку содержание глины фиксировано, коэффициент морозного пучения увеличивается с увеличением насыщения. Причина рассматривается в следующем: кроме того, что начальная влажность увеличивается с увеличением насыщения, объем почвенной поры уменьшается с увеличением насыщения, и пора легче заполняется мерзлым льдом, что скорее всего, вызовет морозное пучение частиц почвы.Сравнивая коэффициенты трех подгоночных кривых в таблице 3, известно, что коэффициент морозного пучения и содержание глины находятся в нелинейной возрастающей зависимости, а скорость роста постепенно снижается. При малом содержании глины коэффициент морозного пучения быстро увеличивается. При большом содержании глины скорость роста коэффициента пучинистости постепенно замедляется.

Плотность

Влияние различной плотности на коэффициент пучения показано в табл. 4. Коэффициент пучения сначала увеличивался, а затем уменьшался с увеличением компактности в виде полиномиальной функции и приближался к своему максимуму при компактности 95%, при перекрывающей нагрузке исходная влажность и глинистость остаются неизменными. При плотности менее 95 % сплошность пленки незамерзшей влаги увеличивается с увеличением плотности, что способствует миграции и промерзанию влаги и приводит к увеличению интенсивности морозного пучения. Когда плотность достигает некоторого критического значения, при котором тонкопленочный канал наименьший, интенсивность морозного пучения приближается к своему максимуму. Однако с увеличением плотности морозопучинистость грунта снижается. Это связано с уменьшением объема пор в почве и увеличением эффективной площади контакта между почвенными частицами, что приводит к наложению водяной пленки на периферию и затруднению миграции влаги при промерзании.

8 R 2 8 8 y = -0.0025 x 2 + 0.1589 x — 1.1395

Номер теста Компактность (%) Окорривая нагрузка (KPA) Насыщенность Насыщенность Коэффициент глины (%) Коэффициент замороженности (%) Подходящая кривая
1 95 20 0.8 10 10 0.10 0.10 9 = -0.0012 x 2 + 0.1012 x — 0,791 6 1
2 15 0.46
3 20 0.75
4 25 0.99
5
5 6 0,9 10 0. 19 6
0,9972
6 15 0,71
7 20 1,01
8 25 1,28
9 1 10 0.28 y 9 = -0.0042 x 9 — 1.559 6 1 6 1 6 10 15 15
11 20 1.28
12 25 1,46

8

9 20

0,9871 2,21 2,28

Номер теста Околаживающая нагрузка (KPA) Первоначальный содержание влаги (%) Clay Content (%) Компактность (%) Коэффициент замороженности (%) Подходящая кривая R 2
1
1 7 15 85 85 0. 51 6 y = -0.0022 х 2 + 0,4158 х — 18,939 0,9991
2 90 0,66
3 95 0,71
4 100 0,64
5 8.27 25 85 0,98 у = -0,0031 х 2 + 0,5869 х — 26,515
6 90 1.18
7 95 1,28
8 100 1,17
9 18 45 85 2,08 у = -0.0023 х 2 + 0,4329 х 18,105 0,9707
10 90
11 95
12 100 2. 18

3.1.4. Вышележащая нагрузка

Влияние различного начального содержания влаги на коэффициент пучения показано в таблице 5. Коэффициент пучения уменьшается с увеличением вышележащей нагрузки, что указывает на то, что вышележащая нагрузка оказывает тормозящее влияние на коэффициент пучения. По трем подгоночным кривым в Таблице 5 установлено, что отношение морозного пучения плавно линейно уменьшается с увеличением вышележащей нагрузки.

8 8 0,68 0,9323

Номер теста Compactness (%) начальный содержание влаги (%) глиняный контент (%) Околомальная нагрузка (KPA) соотношение заморозки (%) фитинга кривая R 2
1
1 95 6. 69 10 10 0.22 0.22 y = -0.0021 x + 0,235 0,8909
2 20 0,19
3 30 0,16
4 40 0,16
5 7 15 10 0.76 0.76 6 Y = -0.0022 x + 0,775 6
6
20 20 0.71
7 30 0.73
40
9 7,66 20 10 1,07 у = -0,0034 х + 1,095
10 20 20 1.01
11 30 1 12 12 40 40 0,96
4
9009 3. 1.5. Пополнение водой

Зависимость между коэффициентом пучения и пополнением водой показана на рис. 7. В отличие от условий пополнения закрытой и открытой воды, можно обнаружить, что коэффициент пучения в условиях пополнения открытой воды увеличивается в несколько раз. больше, чем в закрытом состоянии пополнения воды. Это может быть связано с тем, что поровое давление, которое формируется за счет миграции влаги, подгоняющей воду к лобовой поверхности мерзлоты, а затем нарастающей линзе льда, вызвало резкое увеличение коэффициента пучения мороза.Полностью показано, что внешнее водопополнение является основным фактором, вызывающим морозное пучение гравийного грунтового основания. В мерах по предотвращению и борьбе с морозным пучением предотвращение пополнения запасов воды более важно, чем другие факторы.


3.2. Основные характеристики типичного процесса морозного пучения
3.2.1. Величина морозного пучения и скорость морозного пучения

Для более глубокого понимания основных закономерностей типичного процесса морозного пучения гравийного грунта из всех экспериментальных результатов был выбран набор типичных процессов морозного пучения. В нашем эксперименте образец (исходная влажность 9 %, заиленность 15 %, плотность 95 %, перекрывающая нагрузка 20 кПа) был выбран в качестве группы типовых образцов. Изменение величины морозного пучения во времени показано на рис. 8, а зависимость между скоростью морозного пучения и временем промерзания — на рис. 9. видно, что есть примерно четыре фазы. (i) Фаза морозного пучения: величина морозного пучения и скорость морозного пучения были очень малы и развивались медленно, даже отображались как отрицательные значения.Величина морозного пучения не только не увеличилась, но и уменьшилась за счет усадки частиц грунта при низкой температуре. (ii) Фаза быстрого нарастания: по мере продолжения периода замерзания величина морозного пучения быстро увеличивалась. Скорость морозного пучения быстро возрастала и достигла пика из-за интенсивной сегрегации льда в этот период, что свидетельствовало о быстром увеличении деформаций морозного пучения грунта. (iii) Фаза медленного нарастания: со временем скорость морозного пучения постепенно уменьшалась, а величина морозного пучения медленно увеличивалась. Это может быть связано с тем, что миграция влаги в ледяную линзу уменьшится из-за недостаточной влагообеспеченности в условиях замкнутого водопополнения, а также низкой проницаемости мерзлой оторочки [34]. Медленный рост толщины ледяной линзы и степени сукцессии приводит к уменьшению скорости роста величины морозного пучения. (iv) Относительно стабильная фаза: во время этой фазы скорость морозного пучения достигла 0 и продолжалась до конца экспериментов. Хотя и были колебания, которые могут быть вызваны нестабильностью напряжения, скорость морозного пучения изменялась в достаточно узких пределах, чем в фазах (2) и (3) [42].Количество незамерзшей влаги уменьшилось, что привело к уменьшению миграции влаги и прекращению роста ледяной линзы. Миграция влаги в основном обусловлена ​​разницей в потенциале влажности почвы вокруг фронта мороза в условиях замкнутого водопополнения [34]. Соответственно, величина морозного пучения уменьшилась, в конечном итоге достигнув почти постоянного значения.

3.
2.2. Глубина замораживания и скорость замораживания

Соотношение между глубиной замораживания и временем во время замораживания показано на рисунке 10.Наблюдалось постепенное смещение глубины промерзания вниз от верхней части образца (исходное содержание влаги 9%, содержание глины 15%, плотность 95% и перекрывающая нагрузка 20 кПа) в начале процесса замораживания при применении охлаждения. По мере того, как время замерзания продолжается, градиент изменения глубины промерзания становится все меньше и меньше. Через определенный промежуток времени образец грунта достиг фазы стабилизации с небольшим изменением глубины промерзания. Установлено, что скорость продвижения фронта инея и максимальная глубина промерзания зависят от исходной влажности, теплопроводности и температуры охлаждения [43].


Соотношение между скоростью замораживания и временем во время замораживания показано на рисунке 11. Скорость замораживания была значительно выше во время фаз (1) и (2), чем в фазах (3) и (4). С течением времени замораживания скорость замораживания постепенно снижается. Считается, что скорость промерзания является одним из основных факторов, влияющих на развитие морозного пучения [42]. Сравнивая рисунки 8 и 11, скорость промерзания в фазе (1), где скорость морозного пучения была отрицательной, была меньше, чем в фазе (2) из-за явления морозостойкости.Морозное пучение быстро увеличивалось из-за большей скорости морозного пучения и скорости промерзания в фазе (2). По мере уменьшения скорости морозного пучения и скорости промерзания скорость развития морозного пучения в фазе (3) замедлилась и достигла минимума до последней фазы. Отмечено, что тенденция изменения скорости морозного пучения и скорости промерзания одинакова; это согласуется с выводом Zhou et al. [18].


3.2.3. Распределение содержания влаги в почве после замораживания

После замораживания в течение различной продолжительности мы разрезаем образец почвы на срезы, а затем измеряем содержание влаги в срезах методом высушивания. Зависимость между распределением содержания влаги и временем после замораживания показана на рис. 12 для того же образца. Предполагалось, что начальное содержание влаги в образце распределено равномерно (кривая 9 % на рис. 12). Глубина 0 на рисунке 10 указывает на холодную сторону, а глубина 14 см указывает на теплую сторону. Влажность на холодной стороне была значительно выше, чем на теплой, что свидетельствовало о миграции влаги при промерзании в образце гравийного грунта.Влажность замороженного участка также была значительно выше исходной. Наоборот, содержание влаги в незамерзшем участке было значительно ниже, чем исходное содержание влаги. Было обнаружено, что распределение влаги после разного времени замораживания (4 часа, 12 часов, 36 часов и 72 часа) имеет сходную тенденцию и имеет S-образную форму. Различная глубина промерзания (2 см, 6 см, 10 см и 12 см) после соответствующего времени промерзания ((4 ч, 12 ч, 36 ч и 72 ч) (см. линия между мерзлым и незамерзшим участками, различающая увеличение и уменьшение влажности. Прирост влажности на холодной стороне и максимальная глубина промерзания были больше по сравнению с другими позициями в образце. Это может быть связано с большей пористостью гравийного грунта, а потенциал влажности почвы, создаваемый градиентом температуры, приводил к миграции влаги вблизи фронта мороза к ледяной линзе в начале промерзания. С течением времени наблюдалось увеличение толщины промерзания и уменьшение влажности вблизи фронта мерзлоты, что привело к уменьшению проницаемости фронта мерзлоты и сокращению миграции влаги.Влага перемещалась вверх к фронту промерзания из-за уменьшения миграции влаги вблизи теплой стороны в начале промерзания, что приводило к большему приросту влажности вблизи максимальной глубины промерзания [34]. Приращение влаги между холодной и теплой сторонами было небольшим из-за минимальной миграции влаги в гравийном грунте в условиях замкнутого водопополнения. С течением времени содержание влаги вблизи фронта промерзания заметно увеличивалось, в то время как содержание влаги в зоне промерзания вдали от фронта промерзания изменялось незначительно.


3.3. Многофакторный регрессионный анализ

Уравнение многофакторной регрессии было построено с исходной влажностью, содержанием глины, плотностью и перекрывающей нагрузкой в ​​качестве независимых переменных и коэффициентом морозного пучения в качестве зависимой переменной на основе MATLAB.

Корректирующая точность соответствия R 2 = 0,99, F -критерий, инфективность уравнения регрессии вместе с коэффициентом регрессии представляли собой отчетливость по тестированию значимости.Точность подгонки высокая. Это говорит о том, что в условиях замкнутого водопополнения порядок важности факторов следующий: начальная влажность > содержание глины > плотность > перекрывающая нагрузка. Областью применения формулы прогнозирования регрессии являются начальная влажность (3%, 18%), содержание глины (10%, 45%), плотность (85%, 100%) и нагрузка на вскрышные породы (10 кПа, 40 кПа). Подходящие значения были получены с помощью уравнения многофакторной регрессии, а затем сравнены с подходящими значениями, как показано на рисунке 13. Из рисунка 13 видно, что степень соответствия формулы (3) высока, что указывает на высокую точность и определенную достоверность модели. Применение данной регрессионной модели позволяет прогнозировать коэффициент морозного пучения при комплексном воздействии различных факторов и имеет определенное прикладное значение при расчете противоморозного пучения в строительстве.


4. Обсуждение

Коэффициент пучинистости гравийных грунтов линейно возрастает с увеличением влажности, что подтверждено многими исследованиями [44].В качестве критерия для определения чувствительности крупнозернистого грунта к морозному пучению рассматривается коэффициент пучения 1 % [27, 28]. Грунты грубозернистые с содержанием глины менее 15 % обычно считаются нечувствительными к морозному пучению. При содержании глины более 15 % морозное пучение крупнообломочных грунтов более выражено [30]. Результаты эксперимента в этой статье согласуются с этими выводами. При содержании глины 15 %, даже при оптимальной влажности 7 % (табл. 1), морозопучинистость гравийного грунта все же меньше 1 %.При содержании глины 10 % морозопучинистость не превышает 0,3 %, даже при насыщении 1. При содержании глины 25 % пучинистость гравийного грунта составляет почти 1 %. Поэтому можно считать, что гравийный грунт с содержанием глины менее 15 % относится к нечувствительным к морозному пучению грунтам. Предлагается использовать 15% содержания глины в качестве контрольного стандарта коэффициента морозопучения гравийного грунта в реальном проекте.

Согласно исследованиям Xu [25]; содержание порошкообразной глины в сыпучем грунте менее 12 %, коэффициент пучинистости не более 2 % даже при достаточном водонасыщении.При содержании порошкообразной глины более 12 % коэффициент пучения мороза явно увеличивается. Из таблицы 3 видно, что морозопучинистость не превышает 0,3 % даже при насыщении 1 при содержании глины 10 %. При содержании глины более 15 % даже в ненасыщенных условиях коэффициент морозного пучения все же превышает 0,5 %. Это в полной мере отражает значительное влияние содержания глины на коэффициент морозного пучения и подтверждает применимость контрольного стандарта с содержанием глины 15%.

Чен и др. [20] показывают, что в условиях пополнения открытой воды коэффициент пучения песчано-гравийного песка экспоненциально увеличивается с увеличением содержания мелкозернистой почвы. В условиях замкнутого водопополнения данного исследования коэффициент пучинистости гравийного грунта увеличивается с увеличением содержания глины в нелинейной возрастающей зависимости (табл. 3). В дополнение к причинам пополнения запасов воды, общая тенденция этих двух факторов согласуется, за исключением разной скорости роста и изменения.В условиях пополнения открытой воды коэффициент пучения мороза легко восполняется большим количеством влаги, когда содержание глины велико, что приводит к значительному увеличению коэффициента пучения мороза. В условиях замкнутого водопополнения скорость роста коэффициента морозного пучения снижается при ограниченной водности.

Результаты этой работы показывают, что 95% уплотнения является максимальным порогом коэффициента морозопучения гравийного грунта, что аналогично результатам, полученным в результате соответствующих исследований [45]. При строительстве основания дорожного покрытия в аэропортах уплотнение обычно контролируется в пределах 95-98%. Основываясь на пороге 95%, полученном по результатам эксперимента, мы предлагаем увеличить плотность конструкции до 98%, чтобы уменьшить коэффициент пучения.

Результаты исследований Li и Zhu [44] и Bao et al. [46] подтвердили подавляющее влияние вышележащей нагрузки на морозное пучение. Бао и др. [46] считает, что ингибирование связано с миграцией воды, вызванной консолидацией, дренированием и промерзанием.В этом эксперименте вышележащая нагрузка приводит к уплотнению и дренажу почвы сверху вниз. Холодная сторона наверху вызывает тенденцию миграции влаги снизу вверх почвы. Эти два эффекта компенсируют друг друга, что приводит к торможению нагрузки вскрышных пород на коэффициент пучения. Путем подгонки кривой данных трех групп можно обнаружить, что коэффициент морозного пучения уменьшается с вышележащей нагрузкой в ​​отрицательной экспоненциальной форме.Исследуя наклон аппроксимирующей кривой коэффициента пучения и изменения вышележащей нагрузки (Таблица 5), мы обнаружили, что с увеличением вышележащей нагрузки уменьшение коэффициента пучения относительно небольшое, что указывает на то, что этот ингибирующий эффект меньше. Это может быть связано с тем, что внешняя нагрузка намного меньше, чем огромная сила морозного пучения, создаваемая морозным пучением внутри грунта, поэтому сдерживающее влияние вышележащей нагрузки на коэффициент морозного пучения очень мало.

Документально подтверждено, что основной процесс морозного пучения мелкозернистых грунтов также разделялся на четыре фазы [42].Однако из-за различных физических характеристик крупнозернистого и мелкозернистого грунта основные характеристики морозного пучения двух основных процессов морозного пучения различны. Как видно из рис. 8–12, линия раздела между четырьмя стадиями основного процесса морозного пучения гравийного грунта была иной, чем у мелкозернистого грунта. Величина морозного пучения и скорость морозного пучения гравийного грунта также отличались от таковых для мелкозернистого грунта. Для основного процесса морозного пучения гравийного грунта величина морозного пучения и скорость морозного пучения четырех фаз различны.Рассчитав среднюю скорость морозного пучения на каждой ступени, можно получить порядок скорости морозного пучения по четырем стадиям, второй фазе, третьей фазе, первой фазе и четвертой фазе, что соответствует фактической морозостойкости. тяжелый процесс. Скорость морозного пучения в каждой фазе существенно отражает интенсивность миграции влаги в почве, а также тесно связана с градиентом температуры [34]. В ранний период промерзания под влиянием градиента температуры миграция влаги очевидна под действием более сильного градиента температуры; таким образом, создается больший прирост морозного пучения.В период среднего и позднего замерзания, когда ограниченное количество воды в условиях закрытого пополнения воды уменьшается, миграция влаги, очевидно, ослабевает даже при большем температурном градиенте, а величина морозного пучения постепенно становится слабой. Мы считаем, что для эффективного лечения возникающей деформации морозного пучения, принимая во внимание различные стадии процесса морозного пучения различных образцов грунта, следует выбирать подходящие моменты времени, исходя из основных характеристик различных морозных пучений грунта и внешнего воздействия. Подача воды должна быть прекращена, насколько это возможно, чтобы уменьшить миграцию воды в почве.

Формула регрессионного прогноза показывает, что исходная влажность оказывает наиболее существенное влияние на коэффициент пучения песчаного и гравийного грунта. Результаты исследования Nie et al. [32] по характеристикам морозного пучения сортового щебня также подтвердили, что содержание воды является доминирующим фактором, влияющим на морозное пучение сортового щебня. Ван и др. [34] и другие исследователи указали, что основными факторами, влияющими на коэффициент морозного пучения фракционированного щебня, были влажность, содержание мелких частиц, плотность и температура холодного конца.Регрессионный анализ показывает, что существенным порядком влияния на коэффициент морозопучения гравийного грунта являются влажность, глинистость, плотность и перекрывающая нагрузка. Это поможет нам лучше понять факторы, влияющие на морозное пучение гравийного грунта, и дать рекомендации по противоморозному пучению инженерного основания.

5. Выводы

Выводы этого исследования резюмируются следующим образом: (1) В условиях замкнутого водного пополнения коэффициент морозопучения увеличивался с исходным содержанием влаги линейно, увеличивался с содержанием глины, соответствующим полиномиальной функции, плавно уменьшалась линейно с увеличением вышележащей нагрузки, сначала увеличивалась, а затем уменьшалась с увеличением компактности в виде полиномиальной функции и приближалась к своему максимуму при компактности 95%. В условиях пополнения открытой водой можно обнаружить, что коэффициент морозного пучения гравийного грунта увеличивается в несколько раз больше, чем в условиях пополнения закрытого водоема. (2) Из процесса морозного пучения гравийного грунта видно, что существует примерно четыре фазы: фаза замороженной усадки, фаза быстрого роста, фаза медленного роста и относительно стабильная фаза. Скорость морозного пучения и скорость промерзания каждой фазы тесно связаны между собой. Распределение влажности после промерзания свидетельствовало о том, что миграция влаги при промерзании происходила в образце гравийного грунта.Влажность на участке фронта промерзания значительно превышала исходную влажность, что свидетельствует о миграции влаги к фронту промерзания в процессе промерзания. (3) Формула многофакторного регрессионного прогноза получена методом многофакторного регрессионного анализа. Видно, что исходная влажность и глинистость оказывают большое влияние на коэффициент пучинистости гравийного грунта в условиях замкнутого водопополнения. Применение данной регрессионной модели позволяет прогнозировать коэффициент морозного пучения при комплексном воздействии различных факторов и имеет определенное инженерно-прикладное значение.(4) Влияние различных факторов на коэффициент морозного пучения: водопополнение > начальная влажность > содержание глины > плотность > перекрывающая нагрузка. Поэтому в инженерной практике контроль водоподпитки, исходной обводненности и глинистости является ключевым методом проведения расчета антифриза. Мы предлагаем контролировать содержание глины в грунтовом основании ниже 15%, а плотность контролировать выше 98%, чтобы уменьшить деформацию гравийного грунта от морозного пучения.

Доступность данных

Данные, использованные для поддержки результатов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Мы заявляем, что у авторов нет конфликта интересов или других интересов, которые могут быть восприняты как влияющие на результаты и/или обсуждение, представленное в этой статье.

Вклад авторов

Xiaoyong Long и Guoping Cen задумали и разработали исследование. Сяоюн Лун и Лянцай Цай провели эксперимент и проанализировали его результаты.Сяоюн Лун и Юэ Чен написали рукопись. Xiaoyong Long, Guoping Cen, Liangcai Cai и Yue Chen рассмотрели и отредактировали рукопись. Все авторы прочитали и одобрили рукопись.

Благодарности

Это исследование было проведено при поддержке Исследовательского проекта Управления гражданской авиации Китая (MHRD20140216).

Серия блогов по солнечной инженерии с Марио Колеккиа: Frost Heave

Все, что вы хотели знать о Frost Heave, но боялись спросить

 

Введение

Фундамент солнечного трекера Array Technologies, как и любого другого фундамента, должен быть спроектирован таким образом, чтобы выдерживать разумно вероятные нагрузки, которые могут быть к нему применены.Наиболее распространенными нагрузками, действующими на трекер Array, являются его собственный вес; скопление снега на модулях; и ветер, действующий как вертикально, так и горизонтально на трекер. В более холодном климате может потребоваться проектирование фундаментов с учетом морозного пучения. Все типы фундаментов подвержены морозному пучению. Однако мы ограничим это обсуждение глубокими фундаментами, такими как забивные сваи, поскольку они являются наиболее распространенными типами фундаментов для трекеров Array.

 

Что такое морозное пучение?

Морозное пучение — это явление, при котором мерзлый грунт прилипает к элементу фундамента, подобно свае, и оказывает восходящее давление на фундамент, когда он расширяется.Если элемент фундамента не может противостоять восходящему давлению, он смещается вместе с грунтом. Когда почва оттает, она может вернуться в исходное положение. Однако фундамент может не вернуться в исходное положение. Если это происходит в течение нескольких циклов, фундамент может подняться из-под земли.

 

Что вызывает морозное пучение?

Обычно для возникновения морозного пучения необходимы три фактора: отрицательная температура, восприимчивая к морозу почва и неглубокие грунтовые воды. Первый ингредиент очевиден; без него не было бы мерзлой почвы. Морозостойкая почва содержит большое количество ила. Ил – это мелкозернистая почва, что-то среднее между песком и глиной. Пустоты между крупинками ила достаточно велики, чтобы содержать воду, но достаточно малы, чтобы вода могла мигрировать вверх в почве за счет капиллярного действия, подобно тому, как фитиль втягивает масло в фонаре. Когда вода в почве замерзает, она образует ледяные линзы и расширяется. Вода в почве замерзает от поверхности земли вниз, когда сохраняется отрицательная температура.Чтобы замерзало больше воды, должен быть подвод воды снизу; поверхностные воды не могут проникнуть в уже промерзшую почву. Крупнозернистая почва, такая как песок и гравий, также содержит пустоты, которые могут содержать воду. Однако пустоты слишком велики, чтобы позволить капиллярному действию вытянуть дополнительную воду снизу. Частицы глинистого грунта чрезвычайно малы с чрезвычайно малыми пустотами между ними. Это затрудняет миграцию воды через глину. (Хорошо, иначе глиняные горшки никогда не подойдут.) Следует отметить, что наличие на участке всех трех компонентов, необходимых для морозного пучения, не гарантирует, что произойдет морозное пучение. Точно так же участок, в котором отсутствует один из ингредиентов, не обязательно застрахован от морозного пучения. Есть только степени восприимчивости.

 

Что говорят строительные нормы и правила о морозном пучении?

Удивительно мало. Большинство строительных норм предполагают или требуют, чтобы фундаменты заканчивались ниже линии промерзания. Но это требование предназначено для мелкозаглубленных фундаментов типа ленточных.Забивная свая всегда будет располагаться ниже линии промерзания. Проблема в том, что строительные нормы и правила разрабатывались в первую очередь для зданий. Для таких конструкций нет проблем с устройством фундамента ниже линии промерзания. Итак, на этом обсуждение морозного пучения можно закончить. Из-за этого, а может быть, несмотря на это, строительные нормы и правила не содержат указаний по подходящей или приемлемой силе морозного пучения, которая должна быть приложена к забивным сваям. Для фундаментов степлера нам необходимо разработать нагрузки, которые мы считаем разумными или вероятными.Несколько исследований, которые были проведены в отношении замерзания (связь, которая образуется между мерзлым грунтом и стальными сваями), предполагают, что связь может варьироваться от всего лишь 5 фунтов на квадратный дюйм до целых 45 фунтов на квадратный дюйм. Эти значения могут показаться небольшими, но они эквивалентны от 700 до 6500 фунтов на квадратный фут. Чтобы представить это в перспективе, типичные значения сцепления между немерзлым грунтом и забивной сваей (кожуховое трение) варьируются примерно от 25 до 700 фунтов на квадратный фут.

 

Насколько велика сила морозного пучения?

Рассчитать подъемную силу сваи из-за морозного пучения довольно просто.Это просто напряжение от замерзания, умноженное на площадь поверхности сваи, контактирующей с мерзлым грунтом. К сожалению, в этом простом уравнении много неизвестных. Должны ли мы рассматривать нагрузку от замерзания 5 фунтов на квадратный дюйм, или 45 фунтов на квадратный дюйм, или что-то среднее? Какова разумная глубина промерзания? Большинство местных строительных норм указывают эту глубину. Но обычно она глубже фактической глубины мерзлого грунта. Для фундамента здания эта точная глубина не имеет значения. Но для небольшой кучи это имеет большое значение. Кроме того, вся глубина промерзания не промерзает сразу.Могут потребоваться недели отрицательных температур, чтобы мороз проник на 3 фута или более. Как это влияет на величину силы морозного пучения? Мы можем рассчитать нижнюю и верхнюю границы силы морозного пучения, взглянув на экстремумы. Если мы предположим давление промерзания 5 фунтов на квадратный дюйм, глубину промерзания 12 дюймов и сваю W6x9, мы получим силу пучения при промерзании около 1700 фунтов в качестве нижней границы. С другой стороны, если мы предположим давление промерзания 45 фунтов на квадратный дюйм, глубину промерзания 48 дюймов и сваю W6x15, мы получим силу морозного пучения более 77 000 фунтов в качестве верхней границы.Более типичное значение напряжения от промерзания, предлагаемое во многих геотехнических отчетах, составляет 15 фунтов на квадратный дюйм (из канадских норм проектирования). Если мы предположим, что глубина промерзания составляет 36 дюймов и свая W6x9, мы получим типичную силу морозного пучения 15 000 фунтов.

 

Как учесть морозное пучение при проектировании фундамента?

Если грунт прилипает к свае, а если грунт вздымается, то свая вздымается вместе с ней. Одним из решений для предотвращения этого пучения является закрепление сваи в земле ниже линии промерзания, чтобы развить подъемную силу, превышающую подъемную силу от морозного пучения.Для забивной сваи эта подъемная сила достигается за счет связи, которая возникает между грунтом и сваей (трение о поверхность), и заделки сваи ниже линии промерзания. Это решение обычно предполагает глубину заделки более 20 футов. Существуют и другие элементы глубокого фундамента, которые могут развивать большую несущую способность при меньшем заглублении, например, винтовые сваи и винтовые сваи.

 

Какие существуют альтернативы противодействию морозному пучению?

Как было сказано выше, « если грунт прилипает к свае…» Ну, а если мы препятствуем прилипанию грунта к свае, то неважно, если грунт вздымается; он не сможет взять с собой стопку. Наш предпочтительный метод разрыва связи между грунтом и сваей заключается в предварительном бурении большого отверстия в глубине промерзания в каждом месте сваи и засыпке его чистым крупнозернистым песком перед забивкой сваи. Песок действует как шарикоподшипники между естественной почвой и сваей. Несмотря на то, что песок разрушает связь между сваей и грунтом по вертикали, он по-прежнему поддерживает сваю в поперечном направлении, поэтому производительность фундамента не ухудшается. Конечно, эта альтернатива требует затрат как на материалы, так и на время установки.Таким образом, другой альтернативой является признание того, что существует некоторый риск, связанный с фундаментами в регионах, подверженных морозам, и принятие этого. Вместо того, чтобы тратить деньги на более дорогие фундаменты, используйте эти деньги для обслуживания и ремонта фундаментов, если и когда это необходимо.

 

Заключение

Морозное пучение может быть сложным явлением для прогнозирования, количественной оценки и оплаты.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.