Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 1, стр. 86-92

ВВЕДЕНИЕ

При разработке проектов строительства гражданских зданий в г. Москве, как правило, не учитывается сезонность выполнения работ. Во многих проектах разработка котлованов предусматривается в весенне-осенний период года при положительной температуре воздуха. Но это не всегда возможно, как правило, работы нулевого цикла выполняются в холодный период года при отрицательных температурах. При этом очень важно не допустить промерзание грунта, так как это может привести к возникновению морозного пучения, под которым понимается процесс увеличения объема грунта при его замерзании из-за кристаллизации поровой и мигрирующей воды с образованием кристаллов и линз льда. Чаще морозному пучению подвержены глинистые грунты.

В работах [3, 8–10, 12, 14, 15] авторы отмечают, что при строительстве на мерзлотных грунтах, возникает необходимость учитывать морозное пучение и принимать меры по минимизации его негативного влияния: на строящийся объект [10, 3 ], при эксплуатации автомобильных [8, 9] и железных дорог [14, 12 ], а также нефтепроводов [15]. В работе [12] авторы приводят результаты геодезических наблюдений за процессом морозного пучения на железных дорогах и отмечают, что данные наблюдения позволяют контролировать процессы морозного пучения, вовремя принимать меры по их минимизации и предотвращению возникновения аварийных ситуации на железнодорожном транспорте. Морозное пучение может встречаться не только в мерзлых и многолетнемерзлых грунтах, но и при сезонном промерзании грунтов. В работе [1] описан процесс влияния морозного пучения грунтов на уже построенные здания, при этом обращается внимание на возникновение морозного пучения в грунтах основания еще недостроенного здания и негативное последствие этого процесса в виде возникновения трещин в несущих конструкциях здания, а также приводятся мероприятия по размораживанию грунтов и улучшению их свойств путем дополнительного цементирования. В инженерной практике автора статьи [1] встречались случаи устройства фундаментов на замещенном песчаном грунте в зимнее время при окружающей температуре минус 28°C.

Исследуя в лабораторных условиях различные виды глинистых грунтов, разные авторы сходятся во мнении, что процесс пучения может начинаться уже при температуре –0.35°C, и продолжаться до температур ниже –10°C [2]. Отмечается потеря грунтами начальных свойств после их оттаивания и зависимость пучения грунтов от степени их увлажненности [12]. Согласно п. 8.9 СП 45.13330.2012 “Земляные сооружения, основания и фундаменты” (актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87) “в зимнее время поверхность дна котлована, уплотненного основания следует предохранять от промерзания, а перед устройством фундаментов ростверком убирать снег, лед, промерзший разрыхленный грунт”. Но зачастую эти требования не выполняются при ведении работ нулевого цикла в период отрицательных температур [5]. В связи с чем высока вероятность промораживания грунтов и, как следствие, возникает необходимость принимать дополнительные меры по устранению последствий морозного пучения грунтов основания [6]. Поэтому тема морозного пучения при строительстве гражданских зданий является актуальной и малоизученной [7, 13].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Так процесс морозного пучения наблюдался при строительстве жилого здания с подземной стоянкой в г. Москве. Возводимое жилое здание имеет сложную форму в виде буквы П с размерами в плане 92 × 82 м. Высота надземной части здания 7–11 этажей (до 41 м). Разработка котлована велась открытым способом в сентябре–ноябре 2018 г. Глубина котлована – 5 м, в качестве фундамента проектом предусматривалось устройство монолитной железобетонной плиты. После откопки котлована была выполнена гидроизоляция, и устроена защитная стяжка. Также были выполнены исполнительные геодезические съемки фактического планово-высотного положения защитной стяжки на 29.11.2018 (табл. 1, 2). При ведении работ по армированию фундаментной плиты было замечено повышение ее уровня. После чего были выполнены повторные геодезические исполнительные съемки на 18.12.18 г. и 26.12.18 г., результаты которых представлены на рис. 1 и в табл. 1, 2.

Рис. 1.

Схема участка с номерами измеряемых точек.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Согласно исполнительным съемкам было зафиксировано неравномерное поднятие стяжки от 9 до 65 мм. Анализ погодных условий показал (рис. 2), что в течение периода выполнения работ по устройству фундамента, среднесуточная температура воздуха была минус 6°С, при этом отмечаются периоды, когда температура воздуха была 0° и выше (5 и 10–12 декабря), а также наличие осадков в виде снега. При этом никаких дополнительных мероприятий по утеплению грунтов основания фундамента не проводилось. Можно предположить, что произошло их промораживание.

Рис. 2.

График температур с 20.11.18 г. по 26.12.18 г.

Из инженерно-геологического разреза (рис. 3) видно, что в основании фундамента находятся грунты ИГЭ-4 и ИГЭ-5, относящиеся к отложениям морены московского оледенения ($g{\text{Q}}_{{{\text{II}}}}^{{{\text{ms}}}}$):

Рис. 3.

Инженерно-геологический разрез.

− ИГЭ-4 – суглинок красновато-коричневый, слабо песчанистый, с включениями дресвы и щебня, с тонкими прослоями и гнездами песка, насыщенного водой, тугопластичной консистенции, мощностью 1.0–3.9 м;

− ИГЭ-5 – суглинок красновато-коричневый, слабо песчанистый, с включениями дресвы, щебня и гравия, с тонкими прослоями и гнездами песка, полутвердой консистенции, мощностью 0.0–3.5 м.

В толще и по подошве моренных отложений отмечаются прослои мелкого глинистого песка, насыщенного водой мощностью до 0.3 м. Общая мощность отложений московской морены изменяется в пределах от 2.0 до 5.1 м.

Морозное пучение может быть обусловлено следующими причинами:

1. Подтекание воды под фундамент с последующим ее промерзанием в зимний период.

2. Наличие пучинистого грунта в основании фундамента.

В основании рассматриваемого нами фундамента располагаются суглинки, которые относятся к глинистым грунтам. Моренные суглинки хоть и облают значительной водопрочностью, но все же размокают и размываются водой. При размокании особенно в соприкосновении со стоячей водой они разрушаются с потерей в той или иной степени несущей способности. Поэтому продолжение строительства без принятия мер по устранению морозного пучения в данном случае не представляется возможным, так как фактические характеристики грунтов основания могут оказаться хуже, чем учтенные проектом. Для того чтобы определить отклонения фактических характеристик грунтов от проектных, необходимо разморозить грунты основания, провести дополнительные исследования прочностных характеристик размороженного грунта. Для выбора мероприятий по укреплению грунтов основания необходимо определить глубину промерзания грунта. К таким мероприятиям могут относиться:

1. Замещение пучинистого грунта непучинистым, например, песчаным. Для этого необходимо вынуть весь промерзший грунт и отсыпать песчаным грунтом до проектной отметки с послойной трамбовкой до достижения коэффициента уплотнения К = 0.95. При использовании данного способа на стыке песчаного и глинистого грунта возможно образование нового водоносного горизонта, наличие которого впоследствии может привести к разуплотнению грунтов основания и неравномерным деформациям здания.

2. Механическое уплотнение размороженного грунта. Однако не все существующие методы механического уплотнения грунтов (укатка, вибрирование, вибротрамбование, трамбование и др.) могут быть использованы при уплотнении глинистых грунтов. Для эффективного уплотнения глинистых грунтов наиболее подходят ударные методы, требующие специального оборудования и технологий. При этом согласно п. 17.1 СП 45.13330.2012 необходимо проводить опытное трамбование на небольших участках с целью проверки технологии трамбования для получения заданных характеристик грунта. При использовании этого вида закрепления грунтов основания фундаментов возникает необходимость в демонтаже арматурного каркаса и бетонной подготовки.

3. Закрепление грунтов основания. Согласно п. 16.3 СП 45.13330.2012 для глинистых грунтов в качестве закрепления грунтов может быть выбран один из способов цементации: цементация грунтов инъекцией в режиме гидроразрыва или цементация грунтов по струйной технологии [11]. Последний способ наиболее предпочтителен, так как может быть выполнен без демонтажа конструкций фундамента. Этот метод наиболее надежен, но потребуется изменение первоначального проекта и значительное удорожание объекта строительства.

ВЫВОДЫ

При устройстве котлованов в зимнее время может наблюдаться морозное пучение грунтов основания фундамента. Очень часто в проектах производства работ предусматривается откопка котлована только в весенне-летний период. Вследствие чего не предусматриваются защитные мероприятия по предохранению грунтов основания от возможного промораживания. При этом в нормативной документации нет подробных рекомендаций как защитить котлован от промерзания в осенне-зимний период.

1. Промораживание грунтов основания негативно сказывается на несущих конструкциях здания. Из-за неравномерности деформаций вызванных морозном пучением в конструкциях возникают трещины, снижающие несущую способность сооружения в целом.

2. Следует отметить, что процесс промерзания грунтов может продолжаться и после устройства бетонной подготовки и фундамента, если их суммарная толщина не превышает значение максимальной нормативной глубины сезонного промерзания грунтов. Поэтому очень важно после устройства бетонной подготовки, а также во время проведения работ по устройству фундаментов, предусматривать дополнительные защитные мероприятия от промерзания грунтов основания, используя, например, специальные утепляющие маты или так называемые “тепляки”.

3. В случае заморозки грунтов основания, строительство следует временно остановить, провести работы по его оттаиванию, при этом грунт после оттаивания, как правило, теряет свои свойства, поэтому необходимо выполнить повторное освидетельствование грунтов с целью определения их физико-механических свойств и возможности их использования в качестве естественного основания.

4. В случае изменения свойств необходимо предусмотреть мероприятия по улучшению строительных свойств грунтов основания.