Морозное пучение — одна из основных причин деформации и разрушения водоотводных лотков и трубопроводов в климатических условиях РФ. По данным НИИОСП им. Герсеванова, до 40% деформаций подземных инженерных сетей в Центральной России обусловлены морозным пучением, а затраты на ликвидацию последствий ежегодно составляют 12-18 млрд рублей. Физический механизм пучения основан на трёх факторах: наличие пучинистого грунта (суглинок, глина, пылеватый песок), его водонасыщение (УГВ выше глубины промерзания или инфильтрация дождевых вод) и отрицательные температуры. При замерзании вода в порах грунта увеличивается в объёме на 9%, создавая давление до 200 МПа, достаточное для вертикального перемещения лотка на 10-50 мм, что полностью разрушает продольный профиль. В статье рассмотрена методика расчёта глубины промерзания, оценка пучинистости грунта по ГОСТ 25100-2020 и комплекс конструктивных мер защиты.
1. Расчёт глубины промерзания грунта
Нормативная глубина промерзания по СП 131.13330.2020
df = d0 × √Mt, где:
d0 — коэффициент, зависящий от типа грунта: 0,23 — для песков гравелистых и крупных; 0,28 — для песков средних и мелких; 0,30 — для супесей; 0,34 — для суглинков и глин. Mt — безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму (по СП 131.13330.2020, табл. 3.1). Для Московской обл.: Mt = 7,8+7,1+2,5+2,4+6,8 = 26,6; для суглинка (d0=0,34): df = 0,34×√26,6 = 1,75 м. Для песка (d0=0,28): df = 0,28×√26,6 = 1,44 м.
Фактическая глубина промерзания под сооружением
Под бетонной обоймой лотка глубина промерзания уменьшается за счёт теплового потока из земли и теплоизоляционного эффекта бетона. Фактическая глубина df,факт = kтепл × df, где kтепл = 0,7-0,8 для бетонных покрытий; 0,5-0,6 для асфальтобетона (тёмный — больше солнечного тепла); 0,3-0,4 для утеплённых конструкций (XPS под обоймой). Для лотка с бетонной обоймой на суглинке (df=1,75 м, kтепл=0,75): df,факт = 1,75×0,75 = 1,31 м. При глубине заложения лотка 0,8-1,0 м требуется замена грунта под основанием на глубину 1,31-0,8 = 0,51 м (принимается 0,6 м).
2. Классификация пучинистости грунта по ГОСТ 25100-2020
| Степень пучинистости | Относительная деформация εfh, % | Тип грунта | Подъём лотка при Hпром=1,0 м, мм | Замена грунта под лотком? |
|---|---|---|---|---|
| Непучинистый | <1,0 | Песок гравелистый, крупный, средней крупности при содержании пылевато-глинистых частиц <2% | <10 | Не требуется |
| Слабопучинистый | 1,0-3,5 | Песок мелкий, пылеватый. Супесь лёгкая | 10-35 | На глубину 0,3-0,5 м |
| Среднепучинистый | 3,5-7,0 | Супесь пылеватая, суглинок лёгкий. Содержание частиц <0,05 мм — 15-50% | 35-70 | На глубину 0,5-0,7 м |
| Сильнопучинистый | 7,0-12,0 | Суглинок тяжёлый, глина. Содержание частиц <0,05 мм — >50% | 70-120 | На ВСЮ глубину промерзания (1,3-1,8 м) или утепление XPS |
| Чрезмерно пучинистый | >12,0 | Глина жирная, ил, торф. Водонасыщенные грунты | >120 | Полная замена на ВСЮ глубину промерзания. Без замены — строительство не допускается |
Лабораторное определение пучинистости (ГОСТ 28622-2012)
Образец грунта ненарушенной структуры замораживается в одометре (прибор для измерения деформаций при заморозке). Измеряется вертикальная деформация при охлаждении от +4 до −10 °C со скоростью 1 °C/ч. Относительная деформация εfh = Δh/h0 × 100%. Стоимость испытания — 3 000-5 000 ₽ за образец (необходимо 3 образца с глубины заложения лотка).
3. Конструктивные меры защиты лотков от морозного пучения
| Мера | Принцип действия | Эффективность | Стоимость, ₽/п.м. | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Замена пучинистого грунта на песок | Песок не удерживает капиллярную воду — отсутствует миграция влаги к фронту промерзания. Степень пучинистости: <1% | 95-100% | 800-1 500 | Все классы. Обязательно для сильнопучинистых грунтов |
| Теплоизоляция XPS | Снижение глубины промерзания под лотком в 1,5-2 раза. Для ЦФО XPS 80 мм уменьшает df,факт до 0,3-0,5 м | 80-90% | 600-900 | ЦФО и севернее. Комбинируется с заменой грунта (экономия на глубине замены) |
| Дренаж основания | Отвод воды из-под лотка (осушение) исключает водонасыщение — необходимое условие пучения | 60-80% (при наличии воды) | 300-600 | Все классы. Обязательно при УГВ <2 м от основания лотка |
| Обойма увеличенной жёсткости | Армированная бетонная обойма высотой на 0,3-0,5 м ниже лотка воспринимает силы пучения как единая конструкция, предотвращая локальный подъём | 50-70% | 500-1 000 | Классы D400+. Альтернатива замене грунта при невозможности глубокой замены |
Нормативная база
- ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация»
- ГОСТ 28622-2012 «Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости»
- СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» (раздел 6 — морозное пучение)
- СП 131.13330.2020 «Строительная климатология»
- СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения»