Пучение грунта

Даже, если гидроизоляция фундамента была сделана на «Пять баллов» жидкой резиной, но при определенных обстоятельствах этого может оказаться недостаточно.

Идеально исполненное из бетона подземное основание здания предполагает не только качественную гидроизоляцию фундамента, но и целый комплекс сопутствующих мероприятий:

• Защита гидроизоляционного покрытия утеплителем (листы экструдированного пенополистирола либо напыление пенополиуретана).
• Устройство пристенного дренажа. Если необходимо, то следует организовать и дренаж на участке, но в таком случае следует задуматься, чтобы строить на другом месте.
• Устройство широкой утепленной отмостки.

Всё вышеперечисленное, во многом следует выполнить потому, что имеет место такое природное явление, как пучение грунта при промерзании.

Пучение грунта на глубину промерзания

Зимой почва промерзает на определенную глубину, соответственно грунт может пучить. Вода, содержащаяся в почве переходит в твердое состояние, при этом объем грунта увеличивается и оказывается механическое воздействие на стены фундамента. Эта сила может достигать нескольких десятков тонн на 1 квадратный метр поверхности фундамента. Это явление называется — морозное пучение грунтов.

Причем силы действую неравномерно, в какой-то части фундамента больше, в какой-то меньше. Это приводит к перекосу фундаментной плиты или движению фундамента. Как результат, — возрастают нагрузки на стены, перекрытия, кровлю. Появятся трещины, усадка и пр.

Чтобы уменьшить воздействие со стороны вспучивающегося грунта на фундамент, его основание делают более широким, а в верхней части стенки фундамента сужаются.

Также рекомендуется сделать фундаментные стены скользящими. Раньше для этого использовался полиэтилен или отработанное машинное масло. В этом случае грунт при вспучивании скользит вдоль стены, и сила воздействующая на фундамент уменьшается. Современное решение данной проблемы — использование фундаментной пленки (дренажной мембраны) со скользящим слоем.

Влияние морозного пучения на свайный фундамент

Если здание располагается не на бетонном фундаменте (плита или лента), а на сваях, то гидроизоляция не требуется, но морозное пучение следует учитывать и устанавливать сваи на безопасную глубину. 

В случае свайного фундамента силы морозного пучения создают выдёргивающие и боковые усилия. Вследствие чего сваи расшатываются и сдвигаются вверх. Если сила пучения воздействует лишь на одну сваю, то она компенсируется массой конструкции, установленной на ростверк и негативных последствий для дома не будет.

Но, если силы морозного пучения воздействуют на несколько свай, то внешнее усилие будет передано на здание. Перекосит окна, заклинит двери, поднимется пол, деформирует стеновые панели, потрескается штукатурка и т.д. Подобное может иметь место, если, например:

• сваи недостаточно заглубили, например, выбрали короткие опоры, так как не провели геологическую разведку участка и не знали, что грунт пучинистый и нужно глубже проходить через него.
• малая масса конструкции не компенсирует силу, направленную снизу вверх. Например, дом с крыльцом на винтовых сваях. С домом может быть всё в порядке (он весит много), а лёгкое крыльцо приподнимется.

Вдвойне ошибочно будет построить лёгкое здание на большом количестве свай, если их плохо заглубить. То есть масса конструкции не сможет «передавить» силы морозного пучения, приложенные через сваи снизу — вверх. И тогда здание поднимется, а т.к. это возвышение будет неравномерным, то его и перекосит и деформирует.

Чтобы избежать, а точнее, — нивелировать пучение грунта, при проектировании свайного фундамента следует правильно выбрать диаметра и длину свай, правильно рассчитать нагрузки на опоры свайного поля. Такой фундамент можно устроить, даже в пучинистом грунте, но при условии, что стержни опустятся ниже опасной зоны.

В конструкции современных стальных свай заложены элементы, чтобы сопротивляться выдёргивающему усилию при пучении грунтов, в частности:

1. Лопасти на наконечнике винтовой сваи позволяют зацепиться за плотный грунт. Это, как якорь, который удерживает сваю, когда силы морозного пучения, «сжимающие» стержень, и направленные вверх, пытаются вытянуть опору из земли.
2. Спираль у сваи-шурупа надёжно фиксирует опору в почве, при условии, что она имеет плоскую форму и большое количество витков и находится в плотном грунте. В таком случае имеет место достаточная по площади поверхность, расположенная перпендикулярно вектору выдёргивающего усилия. Соответственно возникает сила, направленная в противоположную сторону.
3. Крестообразный наконечник забивной сваи СОМ выполняет ту же функцию: обеспечивает жёсткую фиксацию в плотном грунте и удерживает сваю при выдёргивающих усилиях морозного пучения.

Но для всех трёх типов свай, упомянутых выше, сопротивление морозному пучению возможно лишь в случае, если и лопасть, и спираль и крестовик находятся ниже глубины промерзания. В таком случае происходит зацепление сваи с твёрдым грунтом и возникает сила, направленная перпендикулярно вниз при попытке выдернуть опору.

Если же эти элементы окажутся в пучинистом грунте, то они, наоборот, будут способствовать выдавливанию сваи из земли, так как и лопасть и спираль и крестовик формируют дополнительную поверхность, к которой прилагается сила, направленная уже снизу — вверх, что будет способствовать выползанию сваи на поверхность..

Причина морозного пучения в аномалии воды

Силы морозного пучения возникают потому, что замерзающая в грунте вода увеличивается по объему, примерно на 10%. И так как в промокшем пространстве нет свободного места для увеличения объема, то грунт начинает подниматься кверху, двигаться в бок. Причем сила при этом может достигать до 40тонн на 1м2. И если с противоположной стороны (нагрузка на фундамент от дома) эта сила не компенсируется, то может произойти то, что показано на фото выше на этой странице сайта b2bb2c.ru.

Но почему же вода, охлаждаясь, увеличивается в объеме? Как известно, во всяком случае, это сложившийся стереотип, что тела расширяются при нагреве, а сжимаются при охлаждении. Причем, жидкие тела подвержены этому правилу даже в большей степени, чем твердые.

Но, дело в том, что вода в этом правиле — исключение. Это называется "аномалия воды". Суть этой аномалии в том, что максимальная плотность у воды при температуре +4град.С.

Это значит, что при охлаждении воды до +4градС она уменьшается в объеме и при +4град.С ее объем — минимальный. А при ее плавлении (когда лёд тает) происходит уменьшение объема, вместо расширения. Чтобы было лучше понятно, ниже приведены данные по плотности воды при различных температурах.

• При +20градС составляет 998,23кг/м3.
• При +10град.С составляет 999,73кг/м3.
• При +4град.С составляет 1000кг/м3.
• При +2градС составляет 999,97кг/м3.
• При +1град.С составляет 999,93кг/м3.
• При 0град.С составляет 999,87кг/м3.
• При -1град.С составляет 999,79кг/м3.
• При -2град.С составляет 999,70кг/м3.
• При -3град.С составляет 999,58кг/м3.
• При -4град.С составляет 999,45кг/м3.
• При -5град.С составляет 999,30кг/м3.
• При -10град.С составляет 998,15кг/м3.

Поэтому, если температура воды опускается ниже +4градС, то она меняет свое состояние на твёрдое (становится льдом) при этом уменьшается плотность, но увеличивается объем.

Это несложно понять, если вспомнить, что масса тела m [кг] исчисляется, как плотность ρ [кг/м³] умноженная на объем V [м³]. Масса тела — неизменна при любой температуре, т.е. m = ρ x V = const.

Если при уменьшении температуры ниже +4град.С уменьшается плотность тела, то каким образом может быть обеспечена постоянная масса тела? Очевидно, что только при увеличении объема, т.е. значения V.

Теперь представим, что имеется стеклянная бутылка, объемом 1 литр, в которую залили при +4град.С. Вспоминаем, что написано выше, поэтому знаем, что именно при +4град.С масса 1 литра воды составляет 1кг. Т.е. бутылка заполнена "по самое не балуйся", сиречь — полностью.

Ставим такую бутылку в 12-00 в морозильную камеру домашнего холодильника. Если холодильник хороший, то  градусов 12…18 ниже нуля он обеспечит. В 22-00 открываем "fridge" и обнаруживаем разорванную бутылку. Аналогичным образом рвутся зимой металлические трубы, если в них осталась и замерзла вода.

Этим и объясняется, что при промерзании грунта, если в нем находится вода, особенно, если это связанные грунты, которые состоят из суглинка и глины, где нет свободного пространства для увеличения воды в объеме, имеет место пучение грунта.

У воды имеются и другие аномалии, касающиеся летучести, теплоты плавления и удельной теплоемкости. Но к задаче, в рассматриваемом контексте, гидроизоляция фундамента, это отношения не имеет.

Глубина промерзания при морозном пучении грунтов

Но самое лучшее, что можно сделать, чтобы силы морозного пучения грунтов не могли сдвинуть фундамент, это расположить основание фундамента ниже глубины промерзания. При этом глубина промерзания должна быть выше, чем уровень грунтовых вод. Т.е., если уровень грунтовых вод  — 1,8м, а глубина промерзания — 1,2м, то основание фундамента следует расположить на глубине от 1,3м до 1,7м.

Глубина промерзания грунта зависит от географического расположения, очевидно, что в Ставрополе и Новосибирске она отличается. Также глубина промерзания зависит от типа почвы. Глинистые грунты промерзают на меньшую глубину, чем песчаные. Учитывая просторы России, средний уровень промерзания грунта в различных городах сильно отличается, например:

• для Курска и Смоленска — 1,2м;
• для Москвы и Нижнего Новгорода — 1,4м;
• для Пензы и Саратова — 1,5м;
• для Новосибирска и Томска — 2,3м;
• для Ставрополя и Нальчика — 0,6м

Чтобы уменьшить силу морозного пучения грунтов, следует предусмотреть меры по отводу воды от фундамента. Для этого в комплексе с гидроизоляцией фундамента организуется система дренажа вокруг здания. Под домом грунт может вообще не промерзать, если дом отапливается круглый год. Глубину промерзания грунта можно существенно уменьшить, если по всему периметру здания выложить утеплитель, шириной 1,5-2 метра.

Результаты пучения неутепленного грунта можно наблюдать на фото ниже. Поэтому, чтобы не было разрушений дорог и дорожек вокруг здания, гидроизоляция фундамента которого выполнена, необходимо утеплять грунт, прежде, чем укладывать асфальт или тротуарную плитку или иное дорожное покрытие.

Кстати, снег также является хорошим теплоизолятором. Поэтому, если вокруг Вашего коттеджа проложены дорожки, вымощенные плиткой, а грунт под ними не утеплен, лучше не особо усердствовать, убирая зимой снег.

Как защитить гидроизоляцию фундамента от морозного пучения

Если выполнить и дренаж фундамента и утепление грунта под отмосткой вокруг здания, то можно будет заложить мелкозаглубленный фундамент, что важно, если строится небольшой дом на 2-3 этажа. Тем не менее, на гидроизоляцию фундамента воздействуют внешние силы и гидроизоляция должна быть готова выдержать нагрузки в случае деформации или движения фундамента.

Даже, если сделать качественную гидроизоляцию фундамента жидкой резиной, она не поможет против морозного пучения. Задача водонепроницаемой мембраны «отбивать атаки» воды. Но, если возможны механические повреждения или повышенные физические нагрузки на покрытие, то его следует дополнительно защитить.

Поэтому гидроизоляцию фундамента следует решать в комплексе с другими мероприятиями, такими, как дренаж фундамента или дренаж всего участка, где построен дом, защита гидроизоляции фундаментыми пленками, создание скользящего слоя между гидроизоляцией и защитной пленкой, устройство отмостки, утепление отмостки, утепление грунта по периметру дома, утепление фундамента, заглубление фундамента ниже уровня глубины промерзания грунта.

Но, конечно же, все эти дополнительные мероприятия по гидроизоляции фундамента работают и имеют смысл, если сама гидроизоляция фундамента выполнена правильно, с использованием качественных, современных водонепроницаемых материалов, таких, как жидкая резина.

Но жидкую резину нужно уметь правильно применить, нужно знать и понимать технологию бесшовной холодной гидроизоляции битумно-полимерной эмульсией. Что касается фундамента, работа начинается иногда задолго до того, как на объект завозится оборудование и сырьё жидкая резина. Сначала требуется подготовка фундамента.