Универсальный фундамент Технология ТИСЭ

1.2. ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ

Грунтовые воды — это подземные воды первого от поверхности земли постоянного водоносного горизонта. Они образуются за счет насыщения атмосферными осадками, водами рек и озер, притоком поверхностных вод. Из всех видов грунтовых вод особое место занимает так называемая "верховодка" — сезонное скопление вод в верхнем водонасыщенном слое грунта над водоупорными глинистыми или суглинистыми породами (рис. 8).

Рис. 8. Схема грунтовых вод: 1 — водонасыщенный слой; 2 — водонепроницаемый грунт; 3 — водонесущий слой; 4 — осадки

Уровень грунтовых вод определяется весной, когда он наиболее высокий, когда таяние снега, выпадавшего всю зиму, происходит очень интенсивно. Высокий уровень грунтовых вод может возникнуть и осенью, во время затяжных дождей. Уровень грунтовых вод определяется замером расстояния от поверхности грунта до зеркала воды в ближайших колодцах или в скважинах.

В отличие от верховодки, в толще грунта, значительно глубже, существуют водоносные слои (межпластовые воды), до которых доходят при рытье колодцев. Водоносные слои располагаются между непроницаемыми пластами, и при бурении скважины на воду их может быть несколько. Те, кто занимается водоснабжением участков, знают, что качество и состав воды, а также мощность водоносных слоев на разных глубинах могут сильно отличаться друг от друга. В отдельных случаях, когда подпор воды в водоносных слоях большой, то на поверхность она выходит в виде ключей, питающих верхний водонасыщенный слой грунта.

На заметку застройщику

В зависимости от уровня межпластовых вод пучинистые явления проявляются в течение сезона в разной степени. Если водонасыщенные слои находятся высоко, то пучинистые явления проявляются и зимой, и весной. В этом случае низкие зимние температуры и повышенная влажность грунта усилят пучение грунта. Если же грунтовые воды залегают глубоко, то увлажнение верхних слоев грунта "верховодкой" возникнет только при таянии снега весной, когда температура воздуха не такая низкая, как зимой. При таких условиях пучение грунта не будет столь значительным.

Те, кто занимается строительством, в большей степени интересуются именно верховодкой. Высокий уровень грунтовых вод — весьма нежелательная характеристика грунта. Это ограничивает возможности застройщиков в выборе фундамента, в принятии решения о наличии подвала или цокольного этажа, в назначении сроков начала строительства. Устройство погреба и септика канализационной системы также напрямую связаны с уровнем грунтовых вод.

Дорожная распутица — извечная проблема российских дорог — в большей степени также обязана верховодке.

Высокий уровень грунтовых вод мешает и обустройству участка, его озеленению. Грядки приходится поднимать, фруктовые деревья — высаживать на возвышении.

Высокий уровень грунтовых вод мешает строительству и эксплуатации сооружений. Если подошва фундамента находится ниже уровня грунтовых вод, то в процессе выемки грунта он начинает размываться, теряя свою несущую способность. При высоком уровне грунтовых вод кессоны погребов или подвалов загружаются силами гидростатического давления, и весьма значительными. От этих сил стенки и под кессонов могут разрушиться, потеряв свою герметичность. Кроме того, если вода в грунте стоит высоко, то Архимедовы выталкивающие силы могут поднять герметичный кессон погреба, особенно, если он легкий.

Как возникают грунтовые воды, какова геология (гидрогеология) их появления?

Об осадках, о появлении воды в грунте всем всё ясно и понятно. Но как возникает расслоение глинистого грунта? Главный зодчий такого процесса — пучение грунта. Верхние увлажненные слои глинистого грунта (выше границы промерзания) в процессе промерзания увеличиваются в объеме до 10%. Весной этот слой оттаивает, становясь пористым. Грунт ниже границы промерзания уплотняется десятки и сотни лет весьма сильно, становясь водонепроницаемым. Неравномерность промерзания грунта значительно усиливает уплотнение грунта (см. раздел "Динамика пучинистых явлений"). Именно поэтому возникли водоупорный и водонасыщенный слои и сама верховодка.

Ближе к лету верховодка уходит или через структуру грунта — вниз, сквозь водоупорный слой, либо — по уклону водоупорного слоя. Часть влаги поднимается и уходит через растительный слой, испаряясь и насыщая растительность влагой. В тех местах, где грунтовые воды залегают неглубоко, как правило, зеленая растительность бывает сочнее и ярче, чем в других местах. Строители, стремящиеся начать строительство как можно раньше, пытаются побыстрее освободить грунт от верховодки. В отличие от строителей, хлеборобы, заинтересованные в том, чтобы верховодка как можно дольше сохранялась в верхнем водонасыщенном слое, делают снегозадержание, собирая снег в высокие гряды, которые тают значительно дольше, чем ровный снеговой наст.

Если грунт песчаный, то проблем с верховодкой не возникнет — её просто не существует. Другое дело, если дом строится на низком берегу реки или водохранилища. Тогда и песчаный грунт не поможет. Вам придется считаться с законом сообщающихся сосудов, который создаст под домом уровень грунтовых вод, соответствующий уровню водоема.

Как бороться с высоким уровнем грунтовых вод, как увести их подальше от своего участка и дома?

Дренаж, дренаж и еще раз — дренаж

Да, только дренаж может спасти наш участок от верховодки. Существует несколько способов его устройства, зависящих от геологии и рельефа местности, а также от тех задач, которые стоят перед застройщиком (дренаж постоянный или на время строительства).

Дренажная система, как правило, закладывается уже при централизованном обустройстве участков застройки. Она выполняется одновременно с укладкой дорожного полотна. Традиционная централизованная дренажная система сел, деревень и дачных поселков включает кюветы, проложенные вдоль дорог, и связанные с ними дренажные канавы, проходящие по границам участков (рис. 9).

Рис. 9. Выход дренажа с участка в дорожный кювет: 1 — дорожное полотно; 2 — кювет; 3 — дренаж участка

Организация подобной дренажной системы тщательно прорабатывается и привязывается к рельефу местности. Скрупулезно выполненная топография места застройки даст возможность создать эффективную дренажную систему, что особенно важно при застройке на равнинной местности. Следует заметить, что основные дренажные каналы стараются ориентировать поперек склона, чтобы лучше перехватывать естественный сток осадков или паводковых вод. Если эти каналы ориентировать вдоль склонов, то со временем от летних ливней и весеннего снеготаяния они превратятся в промоину, а потом — и в овраг, да и отвод верховодки с участков не будет столь эффективным.

При прокладке дренажа необходимо обеспечить уклон в сторону понижения не более чем 1:2000 (на 10 м — 5 см). В придорожный кювет выход дренажной системы с участка должен быть выше не менее чем на 15 см от дна траншеи. Там, где ширина дороги не позволяет располагать кювет, приходится водосток загонять в дренажную трубу. Диаметр придорожных дренажных труб должен быть не менее 20 см.

Через 20…25 м подобная закрытая дренажная система должна иметь смотровые колодцы, через которые можно выполнять профилактическую чистку дренажа.

Дренажная система непосредственно на участке выполняется силами застройщика. Она сводится к созданию дренажных каналов (дрены), собирающих верховодку участка и направляющих её в придорожные кюветы. Конструктивно дрены выполняют в виде водоотводов открытого типа (траншеи, лотки) (рис. 10, а, б) или закрытого типа (трубы, связки прутьев, гравийно–песчаный фильтр) (рис. 10, в, г, д).

Рис. 10. Дренажные каналы участка: А — канава; Б — желоб; В — труба; Г — ветки; Д — щебень; 1 — труба с пропилами или отверстиями; 2 — щебень; 3 — гидроизоляция; 4 — песок; 5 — связка веток и сучьев; 6 — жесткие строительные отходы; 7 — желоб; 8 — дерн

Устройство открытых дрен проще, их легче эксплуатировать, но они мешают при обустройстве участка, сокращают полезную площадь земли. Тем не менее, это наиболее распространенный вариант дренажа. Глубина дрен определяется топографией участка и согласуется с глубиной придорожного кювета. Для создания необходимого уклона дренажные каналы можно выполнить с применением гидроуровня (резиновый шланг с водой и с прозрачными трубочками на концах). Рытье траншей на участке начинают от придорожного кювета, вверх по уклону. Если эту работу проводить в обратном направлении, то присутствие воды в траншеях будет сильной помехой. Дно каналов, чтобы их не размывало, желательно проложить лепешками жирной глины и внедрить в неё щебень или гравий. На строительном рынке для этой цели реализуются готовые желоба, выполненные из бетона или пластика, которые сверху могут быть закрыты специальной решеткой.

Дрены закрытого типа незаметны на участке, но срок их службы ограничен: они относительно быстро заиливаются. В качестве элементов закрытой дренажной системы можно использовать различные материалы, уложенные в щебень или крупный песок:

— асбоцементные трубы 10…15 см в диаметре, у которых снизу сверлят отверстия диаметром 10… 15 мм (на метр длины — 20 отверстий), или делают пазы шириной около 7…10 мм на треть окружности с шагом 10…15 см;

— ветки, прутья и сучья без листвы, уложенные в траншею слоем в 30…40 см;

— жесткие строительные отходы (штукатурка, кирпичный бой, остатки раствора). Чтобы заиливание дренирующих элементов происходило не так быстро, сверху и сбоку их отделяют от грунта прочной гидроизоляцией (толь, рубероид, отслуживший линолеум…). Гидроизоляцию прижимают слоем песка, на который укладывают дерн. В настоящее время на строительном рынке появились пластиковые трубы из ПВХ диаметром 50… 120 мм специально для устройства дренажа. Они выполнены гофрированными и поставляются в бухтах. Снаружи эти трубы могут иметь оболочку из нетканого водопроницаемого материала.

Отвод дренируемой воды с участка может выполняться не только в кювет, но и в овраг, в искусственный или естественный водоём или в колодец. Если на участке создается водосборный бассейн, то в некоторых случаях, при удачной геологии места, под водоупорным слоем может оказаться водонесущий слой, куда можно отводить верховодку. Для этой цели на участке устраивают колодец или бурят скважины диаметром 25…30 см до этого водоносного слоя и засыпают их щебнем (рис. 11, а). Расстояние между скважинами — около 15…20 м. Как правило, подобные удачные участки находятся на некотором возвышении.

Если же участок находится во впадине, то возможно, что из пробуренной скважины ударит ключ, и воды на участке только прибавится (рис. 11,6). Тогда скважину придется тщательно забить жирной глиной и больше о таком способе понижения грунтовых вод не думать.

Рис. 11. Варианты связи верховодки с водонесущим слоем: А — дренаж; Б — ключ; 1 — водонасыщенный слой; 2 — водоупорный слой; 3 — водонесущий слой; 4 — скважина; 5 — водяной поток

Эх. дороги…

Коснувшись верховодки, нельзя не упомянуть о дорогах, на которые она воздействует весьма агрессивно.

Устройство дороги на глинистой или суглинистой почве приходится выполнять с оглядкой на грунтовые воды. Если грунт песчаный, то его только выравнивают и утрамбовывают. В остальных случаях проводят специальную подготовку. Чтобы вода не задерживалась на грунте, дорожкам и дорогам придают выпуклую форму или уклон в 2…3%. По обе стороны дороги роют кюветы–каналы с уклоном в сторону водоотвода. Располагают кюветы на расстоянии 40…50 см от дорог, их глубина — не менее 70 см от планируемого уровня полотна дороги.

Подготовка дорожек предполагает укладку и уплотнение грунта, извлеченного при рытье кюветов. Глинистый слой на дороге должен быть уложен с уклонами в сторону кюветов. Это требуется для того, чтобы дождевая вода, просочившись сквозь песок и щебень дорожного полотна, не застаивалась на глине, уменьшая её прочность, а уходила бы в кювет. После этого насыпают слой крупного гравия или щебня толщиной 7… 10 см, трамбуют и насыпают слой более мелкого гравия или щебня толщиной около 5…7 см, трамбуют его, а на него — слой песка толщиной 2…5 см, который также трамбуют.

Следует заметить, что если при весенней или осенней распутице по дороге проедет тяжелая машина, то она через слои гравия и песка продавит увлажненную глину. После этого в глинистом слое дороги образуется яма, которая даже после засыпки её щебнем не исчезнет. От дождей в ней всегда будет стоять лужа, которая всё время будет провоцировать продавливание дороги в этом месте. Со временем дорога может превратиться в классическое бездорожье. К такому же результату придет дорога, если кювет будет слабо справляться со своими дренирующими функциями, если он обмельчает или будет засорен, отчего уровень грунтовых вод поднимется и несущая способность дорожной глины также упадет.

Исходя из последнего замечания, можно предложить и технологию ремонта: выбрать до глины подсыпку, углубить кюветы (глиной заполнить яму) и восстановить щебеночные и песчаные слои дороги, но с меньшей толщиной (рис. 12).

Рис. 12. Состояние дороги: А — начало эксплуатации; Б — через 50 лет; В — после восстановления; 1 — песок + щебнь; 2 — кювет; 3 — начальный уровень дорожного полотна; 4 — уровень грунтовых вод; 5 — песок + щебень+ глина

На российском рынке стройматериалов появился нетканый материал из спрессованных пенопропиленовых волокон (геотекстиль), который эффективно работает как разделитель слоев дорожной подготовки. Этот рулонный материал укладывается на грунт, под щебеночный слой. Его высокая прочность и стойкость к различным климатическим крайностям существенно продлевают срок службы дорожного покрытия.

Из дачной жизни

Дачному поселку больше полувека. Наги участок расположен у центральной дороги, которая после дождя без сапог трудно проходима. Кубометры щебня, маскирующие ямы, спасали ненадолго и тонули в толще сырой глины безвозвратно.

Разобравшись в причине такого состояния дорог, принялся за расчистку кювета и за восстановление дренажной системы вдоль своего участка. Тогда, представьте, нашёлся знаток мелиорации, который по ночам устраивал запруды в дренажной системе (не хотел, чтобы мимо его участка текла вода соседей, которые расположены выше по течению). Простые объяснения физики устройства дренажа и причин плохого состояния дороги еле–еле были услышаны.

1.3. РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТА

Приступая к выбору фундамента, следует определиться с терминами и параметрами, характеризующими сам фундамент и грунт–основание под ним (рис. 13, а).

Рис. 13. Схема фундамента и основания: А — без подсыпки грунта; Б — с подсыпкой грунта; 1 — фундамент; 2 — граница промерзания грунта; 3 — уровень грунтовых вод; 4 — сжимаемая толща грунта; 5 — насыпной грунт

Фундамент — это подземная часть здания, которая предназначена для передачи нагрузки от здания на грунт, залегающий на определенной глубине и являющийся основанием фундамента.

Глубина заложения фундамента (Нf) — расстояние от подошвы фундамента до поверхности земли.

Подстилающий слой грунта (основание) — слой грунта, на который опирается подошва фундамента.

Расчетная глубина промерзания (hi) — положение границы промерзания относительно уровня грунта, принятое в качестве расчетной величины, узаконенной нормативными документами (нормами СНиП).

Вопрос застройщика

Если вокруг дома сделана подсыпка, то из чего следует исходить при назначении глубины заложения фундамента?

Разумеется, грунт будет промерзать с учетом подсыпанного грунта. Поэтому и глубину заложения фундамента в этом случае следует определять от поверхности подсыпки (рис. 13, б).

Глубина промерзания в большей степени определяется климатическими условиями данного региона и соответствует наибольшей величине промерзания влажного глинистого грунта без снегового покрова в период наиболее низких возможных температур. В пределах Европейской и Сибирской части России граница промерзания меняется в широком диапазоне (рис. 14).

Рис. 14. Карта расчетной глубины промерзания глинистых и суглинистых грунтов части Российской Федерации.

Глубина промерзания по городам России и ближнего зарубежья:

70 см — Краснодар, Калининград, Львов.

90 см — Ростов–на–Дону, Астрахань, Киев, Минск, Рига.

100 см — Таллинн, Харьков, Вильнюс.

120 см — Великие Луки, Волгоград, Курск, Псков, Смоленск.

140 см — Воронеж, Тверь, Санкт–Петербург, Москва, Новгород.

150 см — Вологда, Нижний Новгород, Кострома, Пенза, Саратов.

170 см — Ижевск, Казань, Котлас, Самара, Вятка, Ульяновск, Ярославль, Иваново.

180 см — Уфа, Караганда, Актюбинск.

190 см — Екатеринбург, Челябинск, Сыктывкар, Пермь.

210 см — Тобольск, Кустанай, Барнаул.

220 см — Омск, Новосибирск.

Это следует учитывать

— при постоянном проживании грунт под домом зимой прогревается и расчетную глубину промерзания можно уменьшить на 15…20%;

— для мелких и пылеватых песков и супесей значение глубины промерзания следует увеличить в 1,2 раза.

Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Но на то она и расчетная, чтобы избежать возможных разрушений дома при самых неудачных стечениях обстоятельств, предложенных погодой.

Всемирное потепление и глубина промерзания

Застройщики, решившие учесть общее потепление климата и на этом основании смягчить требования к заглублению фундамента и к утеплению стен, не совсем правы.

Крещенские морозы, накрывшие всю территорию России в январе 2006 г., держали температуру на 15…20°С ниже среднестатистической отметки, напрягая энергетиков и владельцев частных домов.

Технология ТИСЭ возведения столбчато–ленточного фундамента и трехслойных стен без "мостков холода" дает возможность сохранить высокие эксплуатационные характеристики индивидуального жилья в подобных климатических условиях.

Уровень грунтовых вод (hw) — положение зеркала грунтовых вод относительно уровня грунта в условно отрытом котловане (скважине).

Сжимаемая толща грунта — деформируемая часть грунта, воспринимающая нагрузку от фундамента.

Очевидно, что чем меньше глубина заложения фундамента, тем меньше стоимость строительства. Желание снизить затраты на возведение фундамента ведет к стремлению поднять подошву фундамента к поверхности грунта. Вместе с тем верхние слои грунта не всегда могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к основанию сооружения: они имеют недостаточную и неравномерную прочность, подвержены пучинистым явлениям, чем способны вызвать разрушение фундамента и самого строения.

Проектирование фундамента связано не только с выбором его конструкции и глубины заложения, но и с определением его геометрических параметров, главным из которых является площадь подошвы фундамента. Именно этот параметр окажет решающее влияние на "поведение" строения в процессе его эксплуатации. Недостаточная площадь опоры приведет к недопустимой просадке сооружения, а неравномерность просадки под ним — к разрушению возведенного строения. Излишне большая площадь подошвы напрямую ведет к увеличению расхода материалов и затрат, расходуемых на возведение фундамента.

Определиться с требуемой площадью подошвы фундамента можно через проведение проектировочных расчетов. В строительной практике предусмотрено выполнение расчетов фундамента по двум группам предельных состояний: по несущей способности основания и по допустимым деформациям сооружений. Если первый расчет позволяет определить площадь подошвы фундамента, то второй даст возможность избежать разрушения самого дома от неравномерности в осадке фундамента.

Расчет фундамента по несущей способности основания (информация для любознательных застройщиков)

Целью расчета оснований по несущей способности является оценка прочности и устойчивости грунта–основания под подошвой фундамента от воздействия эксплуатационных нагрузок.

Восприятие нагрузки фундаментом сопровождается его осадкой, которая обусловлена уплотнением грунта и потерей его устойчивости, характеризуемой деформационными сдвигами слоев. Величина осадки (δ) зависит не только от прочностных характеристик грунта, но и от значения прилагаемого усилия (F) (рис. 15), как у пружины, величина сжатия которой зависит от её жесткости и от приложенной силы.

Рис. 15. График зависимости осадки фундамента от нагрузки