Что такое морозное пучение по ГОСТ 25100-2020
По ГОСТ 25100-2020 пучинистый грунт увеличивается в объёме при промерзании вследствие кристаллизации поровой и мигрирующей воды. Главное слово — мигрирующей: расширение поровой воды при замерзании примерно на 9 % поднимает грунт немного, основной подъём дают прослойки льда из влаги, которая подтягивается к фронту промерзания.
Раздел М. Н. Царапова в пособии МГУ 2018 года из научной базы компании перечисляет факторы пучения: состав грунта, влажность и подток воды, скорость и глубина промерзания, нагрузка.
Какие грунты пучат
Степень пучинистости задаёт относительная деформация εfh — отношение подъёма поверхности к глубине промерзания.
| Степень пучинистости | εfh | На 1 м промерзания |
|---|---|---|
| Непучинистый | менее 0,01 | до 1 см |
| Слабопучинистый | 0,01–0,035 | 1–3,5 см |
| Среднепучинистый | 0,035–0,07 | 3,5–7 см |
| Сильнопучинистый | 0,07–0,10 | 7–10 см |
| Чрезмерно пучинистый | от 0,10 | от 10 см |
По СП 22.13330 в группе риска супеси, суглинки, глины, мелкие и пылеватые пески; гравий и чистые пески — крупные и средней крупности — практически не пучат. Степень пучинистости определяют в лаборатории по ГОСТ 28622, касательные силы в поле — по ГОСТ 27217.
Силы морозного пучения: касательные и нормальные
Нормальные силы давят на подошву снизу вверх, а также на наклонные грани фундамента. Касательные — по боковой поверхности: промерзающий грунт смерзается с бетоном или металлом и при подъёме тянет конструкцию за собой. Касательные силы в расчётах принимают равными предельному сопротивлению смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента.
| Грунт в слое промерзания | τfh, кПа, при промерзании 1 м | 2 м | 3 м |
|---|---|---|---|
| Пылевато-глинистые при IL > 0,5; пески мелкие и пылеватые при Sr > 0,95 | 130 | 110 | 90 |
| Пылевато-глинистые при 0,25 < IL ≤ 0,5; пески мелкие и пылеватые при 0,8 < Sr ≤ 0,95 | 100 | 90 | 70 |
| Пылевато-глинистые при IL ≤ 0,25; пески мелкие и пылеватые при 0,6 < Sr ≤ 0,8 | 80 | 70 | 50 |
Единицы: 1 кПа — это 1 кН на 1 м², поэтому τfh = 130 кПа означает 130 кН на каждый квадратный метр боковой поверхности сваи в слое промерзания. Сила на сваю — это τfh, умноженное на площадь этой поверхности Afh. Значения — для бетонной поверхности по таблице удельных касательных сил СП 25.13330; та же таблица есть в пособии МГУ 2018 года (Роман, Царапов и др.). Для металла вводят коэффициент 0,7; значения и границы групп при проектировании сверяйте с действующей редакцией СП. Нормальные силы могут намного превышать давление от сооружения, поэтому фундаменты заглубляют ниже глубины промерзания либо предусматривают противопучинные меры.
Как пучение действует на сваю и почему «ниже промерзания» — не гарантия
Конец сваи ниже глубины промерзания, но верхний участок зимой оказывается в промерзающем слое: грунт смерзается с боковой поверхностью и тянет вверх с силой τfh на каждый квадратный метр. Удерживают сваю нагрузка сверху и участок ниже промерзания — смерзанием с вечномёрзлым грунтом или трением в талом. Где именно конец, для выпучивающей силы безразлично.
Группа риска — лёгкие и недогруженные конструкции: свайное поле без ростверка, опоры эстакад и ограждений. Нагрузка сверху мала, а площадь смерзания та же. Весной свая опускается не до конца: нижняя часть зажата, а зазор под приподнятым концом за это время заполняют грунт и вода. За несколько зим набегают сантиметры, заметные по перекосу ростверка. Причину устанавливают до ремонта: просадку от выпучивания отличают нивелировка по маркам и температура грунта в скважинах, а меры против них разные. Обе проверки входят в геокриологический аудит существующего объекта.
Проверка сваи на выпучивание по СП 25.13330
Раздел 7.4 СП 25.13330 — расчёт устойчивости фундаментов на действие касательных сил морозного пучения. Смысл: выпучивающая сила не должна превышать сумму удерживающих.
τfh · Afh − F ≤ (γc / γn) · Fr
| τfh | удельная касательная сила пучения — по таблице СП 25.13330 или полевым испытаниям |
|---|---|
| Afh | площадь боковой поверхности смерзания в слое сезонного промерзания |
| F | расчётная нагрузка на сваю по наиболее невыгодному сочетанию |
| Fr | сила, удерживающая сваю смерзанием с вечномёрзлым грунтом ниже деятельного слоя; в талых грунтах — трением |
| γc, γn | коэффициенты условий работы и надёжности по назначению сооружения — по тексту СП 25.13330 |
Значения коэффициентов и правила сбора нагрузки берут по тексту СП 25.13330; в талых грунтах свайные фундаменты считают по СП 24.13330. Для проектировщика формула — три рычага: уменьшить τfh · Afh (смазка, оболочка, обсыпка), увеличить F (пригруз, ранняя загрузка), увеличить Fr (заглубление, уширение, анкер).
Глубина промерзания: как считать по СП 22.13330
Нормативная глубина промерзания по СП 22.13330: dfn = d0 · √Mt, где Mt — сумма абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму, d0 — коэффициент по виду грунта. Расчётная df = kh · dfn; kh учитывает тепловой режим сооружения, для наружных фундаментов неотапливаемых сооружений он равен 1,1.
| Грунт | d0, м |
|---|---|
| Суглинки и глины | 0,23 |
| Супеси, пески мелкие и пылеватые | 0,28 |
| Пески гравелистые, крупные и средней крупности | 0,30 |
| Крупнообломочные грунты | 0,34 |
Одной цифры «глубина промерзания по области» нет: она меняется с грунтом, зимой и режимом сооружения, а для сваи напрямую задаёт Afh.
Особенности в криолитозоне
На вечной мерзлоте Afh задаёт не dfn, а мощность сезонно-талого слоя из изысканий. СП 25.13330 в п. 7.4.1 прямо требует противопучинные смазки. Fr здесь — смерзание с вечномёрзлым грунтом, и оно держит, пока основание холодное. Как его сохраняют — на странице термостабилизации грунтов: СОУ и термосваи и в статье о строительстве на вечной мерзлоте.
Как защитить сваи и фундамент от морозного пучения
| Мера | На что действует | Где уместна | Ограничение |
|---|---|---|---|
| Заглубление ниже деятельного слоя с запасом | Fr | Базовое решение | Растёт длина сваи |
| Уширение или анкер у нижнего конца | Fr | Лёгкие конструкции | Нужен контроль исполнения |
| Пригруз, ранняя загрузка | F | Свайные поля на зиму | Зависит от графика монтажа |
| Противопучинная смазка, оболочка | τfh | Слой промерзания; в криолитозоне — требование СП 25 | Срок службы покрытия |
| Обсыпка непучинистым грунтом | τfh, εfh | Отдельные опоры | Заиливание обсыпки |
| Термостабилизация: СОУ, термосваи | Fr через температуру | Криолитозона, основание надо сохранить мёрзлым | Нужен теплотехнический расчёт по СП 25.13330 |
Термостабилизация не универсальна: если проект допускает оттаивание основания, задача решается другими средствами. Отдельно — водоотвод, он убирает подток влаги к фронту промерзания. Как работает СОУ без электричества — в статье как устроен термосифон.
Что прислать для проверки основания
Регион и тип объекта; геология, льдистость и температура грунтов, если есть изыскания; проект свай или длина, диаметр и материал; признаки деформаций — фото, нивелировка по маркам. Первичный ответ — в течение 24 часов; аудит не заменяет изыскания. Объект уже деформируется — геокриологический аудит объекта; надо удержать мерзлоту под сваями — термостабилизация грунтов. Заявка — в форме ниже.
Частые вопросы
Почему сваю выдавливает, если её конец ниже глубины промерзания?
Выпучивающую силу собирает только участок сваи в промерзающем слое: грунт смерзается с ним и при подъёме тянет сваю вверх, а глубина нижнего конца на эту силу не влияет. Противостоят ей нагрузка сверху и нижний участок — смерзанием с вечномёрзлым грунтом или трением в талом. При коротком нижнем участке и лёгкой конструкции сваю поднимет.
Сколько составляют касательные силы морозного пучения?
По таблице СП 25.13330 и пособию МГУ 2018 года (Роман, Царапов и др.) для бетонной поверхности — от 50 до 130 кПа (кН на 1 м² боковой поверхности сваи) в зависимости от грунта и глубины промерзания: сильнее всего у пылевато-глинистых грунтов с IL > 0,5, мелких и пылеватых песков с Sr > 0,95 при промерзании на 1 м (130 кПа); для металлических поверхностей вводят коэффициент 0,7.
Какие грунты считаются пучинистыми?
По ГОСТ 25100-2020 — по относительной деформации пучения: до 0,01 непучинистый, 0,01–0,035 слабо-, 0,035–0,07 средне-, 0,07–0,10 сильно-, от 0,10 чрезмерно пучинистый. В группе риска супеси, суглинки, глины, мелкие и пылеватые пески; гравий и чистые крупные пески практически не пучат.
Как рассчитать глубину промерзания?
По СП 22.13330: нормативная глубина — коэффициент d0 по виду грунта, умноженный на корень из суммы среднемесячных отрицательных температур за зиму; расчётная — с поправкой на тепловой режим сооружения. Одной цифры на регион нет. В криолитозоне вместо неё работает мощность сезонно-талого слоя из изысканий.
Как защитить сваи от морозного пучения?
Снизить касательные силы в промерзающем слое (противопучинная смазка, оболочка, обсыпка непучинистым грунтом), увеличить удерживающие силы (заглубление ниже деятельного слоя с запасом, уширение или анкер, пригруз), отвести воду от фундамента. На мерзлоте — удержать основание холодным термостабилизацией: с потеплением грунта сопротивление смерзанию падает.