Конструкцию фундамента во многом определяют характеристики грунта, возводится на котором, он будет. Грунт в основании должен отличаться прочностью и иметь низкую степень сжимаемости и пучинистости. Но не всем грунтам свойственны такие качества, что является следствием индивидуальности структуры каждого из них. К примеру, торфяные грунты подвергаются сильному сжатию под нагрузкой, а некоторым грунтам относящимся к группе глинистых, свойственно при замачивании давать дополнительную осадку под нагрузкой или же, наоборот набухать, то есть подниматься. Строительство фундаментов на таких видах грунта требует организации всевозможного рода мероприятий, которые связанны с осушением участка, который подлежит застройке и предотвращением увлажнения в основании фундамента.
Особого внимания, заслуживает такая разновидность грунта, как песчаный. Он обладает сыпучестью в сухом состоянии и ему не свойственна пластичность в увлажнённом состоянии. Для песчаного грунта характерно содержание меньше 50% относительно массы, частиц обладающих размером более 2 – ух миллиметров. Песчаные грунты классифицируются в зависимости от величины частиц, а также их количества на пять различных видов. К ним относятся: песок гравелистый, крупный песок, обладающий средней крупностью, мелкий песок, а также песок пылеватый.
По значению коэффициента плотности или пористости, песчаные грунты классифицируются на плотные, со средней плотностью и рыхлые. По показателям влажности существуют, маловлажные, заполняемые водой на 50% пор, чрезвычайно влажные, в которых данный показатель находится в рамках 50 – 80 %, а также насыщенные, где уровень насыщения влагой достигает свыше 80%. Данные показатели необходимы для произведения расчётов несущей способности, что весьма важно при закладке фундамента. Отличительным свойством песчаных грунтов , является способность проседать под действием нагрузки, то есть уплотняться. Возрастание плотности оснований из песка, будет повышаться с увеличением объёма частиц. Для песков средней плотности характерно незначительное проседание под воздействием нагрузки, и так же, как и в случае с крупным песком слабая реакция на увлажнение.
Что касается, мелкого песка, то он под воздействием влаги в значительной степени утрачивает свою несущую способность. Для этих грунтов свойственно фильтрование воды и промерзание без пучения.
В зависимости от крупности песка и его чистоты, увеличивается уровень нагрузки, которую он способен нести. В случае достаточной толщины слоя и равномерно распределенной плотности песчаные грунты, являются качественным основанием для различных построек, это позволяет с незначительными исключениями, возводить фундаменты любого уровня сложности. При работе с песчаными грунтами рекомендованная глубина закладки основания колеблется в районе 40 – 70 сантиметров.
Процесс осадки здания построенного на качественном песке происходит довольно равномерными темпами и в течение незначительного временного периода. Песчаное основание, которое обладает крупной структурой, не способствует задерживанию влаги и им несвойственно расширение при понижении температур ниже минусовой отметки, что в свою очередь не приводит к негативным воздействиям на фундамент. Плотным принято считать песчаное основание, находящееся на глубине более полутора метров при искусственном уплотнении. В результате можно определить, что наилучшим вариантом песчаного грунта служащим для возведения на нём фундамента, является крупный песок или же, гравелистый песок, обладающие наиболее приемлемыми свойствами.
Для выбора фундамента необходимо знать, что за грунты слагают основание участка, какая у них несущая способность и свойства – просадка, пучинистость, возможность плывуна под верхними слоями грунта. Все это и еще – все, что возможно, о грунтовой воде, ее высоте, агрессивности к бетону, напорная она или более выражена как фильтрационная, как меняется по сезонам. Для получения полной информации нужны исследование – геологические и гидрологические.
Механические свойства грунта верхнего слоя можно определить и своими руками, и хозяева участков отлично знают свои грунты. Способы определения свойств по морфологии образца грунта несложные.
Песчаные грунты, их состав и свойства
Пески – это мелкодисперсные грунты, состоящие главным образом из частиц размерами от 0,25 мм до 2 мм. Это наиболее часто встречающиеся пески на планете. Чтобы рассмотреть песчинки, микроскоп не нужен, и на первый взгляд, они все одинаковы. Но это не так, пески из различных мест и их свойства очень сильно отличаются. В пустынных песках, иногда на речном и морском берегу, песок состоит из окатанных, сглаженных и округлых частиц. Нередко встречаются практически идеальные «шары».
У подножий горных склонов песок будет совершенно другой – песчинки неокатанные, остроребристые, «колючие», с четкими очертаниями кристаллов. В песочке с пляжа вероятнее всего можно будет увидеть в микроскоп и слабоокатанные и кристаллические зерна.
Основной минерал в составе песков – кварц, материал исключительной твердости и прочности. Полевой шпат и слюда в составе песков имеет меньший процент. Состав песка обусловлен его образованием. Скальные грунты – граниты, гнейсы и др. выветриваются в результате многовековых колебаний температур, солнечной радиации, мороза, ветра, прорастания корней растений, воды и влаги и еще многих природных факторов.
Наиболее стойкий минерал – кварц, и в результате миллионов лет геологических процессов и выветривания кварц остается основным составом песков, но даже кварц разрушает всесильное время. Поверхность кварцевых песчинок покрывается слоем силикатов или глинистых минералов. При миграциях с дождями, ветрами, в реках и т.п, попадая на морское дно, песок за тысячи лет превращается в песчаник, затем опять выветривается, и процессы эти бесконечны.
К чему все эти сказки? Да просто к тому, что недостаточно определить свой грунт на своем участке – это песок. У песков очень большой диапазон свойств! И поведут себя пески различной крупности и рыхлости под фундаментами и в дренажных подушках очень по-разному.
Песок имеет особые свойства, невозможные для других грунтов. Форма и размеры песчинок при отсыпке слоев обуславливает их рыхлую, «воздушную» укладку. Плотным слой песка станет только если применить вибрационное воздействие и уплотнить его механически. Песчинки укладываются компактно, слой становится значительно тоньше – может «сесть» на четверть высоты и более и приобретает несущие качества.
Также можно уплотнить песок, пропуская через него воду. Песчинки мгновенно перераспределяются, «переориентируются» в водной массе и образуют плотный массив. Они упаковываются компактно и плотно, в результате активная пористость песка снижается. Это явление известно всем, кто ходил по пляжу, иногда по песочку возле прибоя можно бегать, как по асфальту.
Прием уплотнения песков способом пропускания через него воды в строительстве применяется редко. В некоторых случаях нормы прямо запрещают уплотнение проливкой, одна из причин – большое количество воды размывает нижележащие грунты, может нарушить их структуру на участке под будущей конструкцией, и в результате снизить их несущую способность. Еще у песка есть «неприятное» свойство, хорошо знакомое строителям, да и дачникам тоже – песок способен с водой просачиваться сквозь слои даже плотных глин и при этом утягивать часть глины с собой. Особенно этим отличаются речные пески. В конструкциях пирогов отсыпок, отмосток и пр. эти свойства песка и глин обязательно учитывают.
Слагать основание участка могут как плотные, так и рыхлые пески, и разница для выбора фундамента огромная. Зачастую для усиления оснований приходится применять меры – уплотнение не только механическое, но и различные виды цементаций, силикатизаций и многие другие. Притчи и выражения вида «построить домик на песке» относятся именно к рыхлым сухим песчаным грунтам. Строить на этих грунтах – рискованно.
Песчаные грунты разнообразны по составу, их свойства зависят от условий образования, климатических условий местности и от минералогического состава, от вида горных пород, которые в составе песка. Пески делят на следующие виды – гравелистый, крупный, средней крупности и мелкий, причем в одном отложении песок может быть всех видов сразу. Минералы, входящие в состав песка — до 70% кварца, до 8% полевых шпатов, до 3% кальцита, соли и железо. Чаще всего встречаются песок кварцевый и кварцево-полевошпатовый.
Классифицируют пески по ГОСТу, исходя из размера зерен и процента содержания частиц разного размера в массе пробы, то есть по гранулометрическому составу:
- Пески гравелистые. По содержанию – более 25% частиц размером более 2мм
- Пески крупные. По содержанию – более 50% частиц размером более 0,5 мм
- Пески средней крупности, или средние. По содержанию – более 50% частиц размером более 0,25 мм
- Пески мелкие. По содержанию – более и равное 75 % по массе число частиц размером более 0,1 мм
- Пески пылеватые. По содержанию – до 75% частиц более 0,1 мм
По плотности и несущей способности песчаные грунты подразделяют на пески плотной и средней плотности. Плотные пески, как правило, расположены глубже 1,5 м, и спрессовались под давлением от расположенных выше слоев грунта. Такие пески являются хорошим основанием для фундаментов.
Пески средней плотности – те, что находятся на глубине до 1,5 или отсыпаны и уплотнялись искусственно. Эти пески имеют несущую способность похуже, и подвержены значительной осадке под фундаментом.
Понятна взаимосвязь между плотностью и несущей способностью песчаных грунтов. Для гравелистых песков средней плотности предел нагрузки до 5 кгс/см2, у плотных – больше 6 кгс/см2. Средние пески плотные имеют предел несущей способности до 4-5 кгс/см2, среднеплотные – до 3-4 кгс/см2. Мелкие пылеватые пески в плотном состоянии максимально несут нагрузку в 3кгс/см2, при средней плотности – до 2кгс/см2. Водонасыщенные пески резко снижают свою несущую способность до 2 кгс/см2.
Эта особенность песчаных грунтов связана с их способностью резко терять прочность и переходить в «текучее» состояние при насыщении водой и вибрациях. На крайнем полюсе этого явления – зыбучие пески. Разжижение водонасыщенных песков связано с процессами разрушения их структуры при заводнении, а затем новом уплотнении и уменьшении прочности. Причем в текучее состояние переходят не только пески пылеватые, имеющие в составе тонкие глинистые частицы и коллоидные примеси, увеличивающие тиксотропию (разжижение при механическом воздействии). Неожиданно потерять прочность могут и слои чистых крупных песков.
Характеристики прочности связаны с другой характеристикой песка – пористостью. Пористость – это отношение воздушных пор в объеме грунта к его общему объему, и измеряется в процентах. У гранита и базальта пористость составляет десятые доли процента, у глин – до 80%. У песков пористость меньше, чем у глин – 30-38%, у крупных гравелистых песков до 50%, но пески в отличие от глин отлично пропускают воду, являются дренирующими грунтами. А глины, имея пористость от 35 до 80%, практически водонепроницаемые. Объяснение – в структуре грунтов. У песка поры крупные, до 0,01 мм, так как частицы песка имеют размеры от 0,1 до 2,5 мм, а глинистые грунты содержат тонкие частицы от 0,0001 до 0,005 мм и менее, и поэтому имеют тонкопористую структуру, где вода начинает испытывать силы капиллярного притяжения. Тонкие поры глин воду не пропускают и делают слой уплотненной глины отличным водоупором, несмотря на высокий процент пористости. Пески, особенно гравелистые, фильтруют воду с большой скоростью, это отлично видно при дожде, когда участок сложен крупными песками. Луж не будет даже после ливня.
Другое дело – если грунт сжать. Крупные поры песков разрушатся очень быстро, а тонкие поры глин могут сохраняться долгое время при нагружении грунта. Поры размером более 0,01 мм называют активными, а структуры грунтов оценивают еще одной важной характеристикой – активной пористостью.
На прочность слоя песчаного грунта в основании участка их пористость влияет в огромной степени, причем абсолютно по-разному на крупные и мелкие пылеватые пески. Вода уходит через поры крупных песков, а нагрузки воспринимает скелет грунта. Поэтому песок с низкой пористостью влагу держит плохо, и практически не подвержен морозному пучению. Чем меньше влажность песка и выше его плотность, тем больше несущая способность данного основания.
Самый лучший вид песчаного грунта для устройства фундамента – крупные и гравелистые пески. Фундамент можно выбирать практически любого типа, в зависимости от веса, архитектурного плана здания и нагрузок. Эти пески практически не насыщаются водой, а фильтруют ее без изменений своей структуры, и вода не может влиять на их плотность. Хороший дренаж – как следствие малая степень пучинистости, и в итоге — не будет подвижек грунта. Вследствие этого крупные и гравелистые пески отличаются наибольшей несущей способностью.
Мелкий и пылеватый песок отличаются тем, что воду не фильтруют, а впитывают и удерживают. Образуется, простыми словами, грязь, которая при замерзании значительно увеличивается в объеме, и происходит процесс под названием морозное пучение, способный вытолкнуть дом из земли, повредить дорожное покрытие и т. далее. Пылеватые пески – основание, склонное к сильному пучению, и этот фактор ограничивает выбор видов фундамента и требует расчета глубины заложения.
Фундаменты на гравелистых, крупных и средних песках можно устраивать ленточные или ленточно-столбчатые, заглубляя подошву на 30-70 см. Эти пески под действием нагрузок быстро уплотняются, мало промерзают, их поведение в основаниях довольно стабильно. В отличие от крупных, пылеватые мелкие пески зачастую испытывают просадку под фундаментами многие годы, отличаются невысокой прочностью и "держат", а не фильтруют воду. Если УГВ высокий, то фундамент на пылеватых песках следует закладывать ниже глубины промерзания грунта.
При необходимости строительства на мелких пылеватых песках необходимо особое внимание уделять связи их свойств с возможным высоким уровнем грунтовых вод. Одна из особенностей пылеватых песков с примесями глины – образовывать плывуны при насыщении водой. Если в основании участка мелкие и пылеватые пески, и близко есть (или был) водоем, болото или заболоченное место, исследование геологии участка – практичное решение.
Особенность песчаных грунтов состоит в том, что в нем преобладают частицы, состоящие из одного минерала, их размер варьируется от 0,05 до 2 миллиметров. Содержание частиц глины в песчаном грунте составляет не более пяти процентов. При отсутствии влаги они, по сути, характеризуются как обычные сыпучие тело, а если становятся влажными, то образуют низкий уровень связности. Некоторые виды песков, если в них попадет вода, будут обладать гидрофильными свойствами, т.е. слабо отдавать воду. Они называются плывунами.
Основные отличия песков с инженерно-геологической точки зрения (сопротивление сдвигам и способность к пропусканию воды) могут широко варьироваться в зависимости от отсутствия или наличия в них частиц пыли и гравийно-галечниковых крупиц, а помимо этого, он величины самих частиц песка. Так что характеристики, отличающие одни виды песчаных грунтов от других, используются для того, чтобы разделить их на виды, благодаря чему разделены чистые, пылевые и гравелистые пески. Помимо этого, к песчаным грунтам можно отнести легкие супеси, которые отличаются преобладанием крупиц песка, а количество глинистой фракции равняется трем-пяти процентам.
Песок распространен практически везде. Пользуясь данными исследователей, участки, в которых наличествуют супесчаные грунты и пески, в Российской федерации образуют площадь практически в два миллиона квадратных километров, из которых около полумиллиона находятся в центральной части России. Песочные массивы в Казахстане составляют площадь в миллион квадратных километров.
Структура песков
Структура гранул песка в высшей степени многообразна. Его отличия зависят от положения тектонических плит, строения веществ, входящих в состав песка, природно-климатическими условиями, от минералогического состава. Пески крупной формы, среднекрупные, гравелистые, имеют широкое распространение в районах складок гор, где они находятся в разрезах отложений разного генезиса. Такие пески в большом количестве представлены в районах движения устойчивых блоков континентальной земной коры и в метаморфических частях фундамента платформ. Среди старых плит, но в большей степени среды молодых блоков земной коры, наибольшее распространение получили более рассеянные виды песков – мелкодисперсные, пылеватые, а также имеющие средний размер песчинок. В данной местности пески по составу обладают большей грубостью, и располагаются в моренных и флювиогляциальных отложениях, и образованных благодаря ним аллювиальным размывам, и озерным и морским образованиям. В толще отложений, формирующихся постоянными водными потоками (аллювиальных отложениях) такие виды песков часто находятся в самом низу разреза (т.н. фации перлювия), а верхние слои составляют более однородные мелкие, пылевые и средние пески (т.н. русловая фация, а также пойменная фация.)
То, из чего состоят гранулы песков, зависит от их генезиса, что наглядно показывается в аккумуляции и пределах единой области сноса. Например, во многих областях, которые подверглись в четвертичный геологический период оледенению, самыми грубыми по свойствам будут водно-ледниковые пески. Пески, имеющие более молодой возраст (аллювиальные), образованные в результате переотложений и размываний реками более старых флювиоглянцевых песков, представляют собой ярко выраженную дисперсную гомогенную структуру. Пески, сформировавшиеся в месте дельт рек (прибрежно-морские), состоят из еще более мелких частиц.
Процент однородности относительного содержания частиц в песке может широко варьироваться, причем даже внутри одной толщи песка (а также в разрезе). Большее единообразие приходится на морские пески, и те, которые содержатся в эоловых отложениях, так что они являются в равной мере монодисперсными. Песок с таким составом также может встречаться в отложениях, сформировавшихся постоянными водными потоками рек, находящихся в равнинах.
Полидисперсные виды песков присутствуют в слоях разных отложений, которые сформированы в горных районах.
Для нескольких видов песчаных грунтов, которые образовались благодаря водным потокам, свойственно повышение уровня дисперсности в зависимости от того, насколько они далеко находятся от источника снова. Характерный пример – аллювиальные пески.
Минеральный состав песков
Минеральный состав песков тоже разнороден, в нем присутствуют многие минералы, но стоит выделить несколько, количество которых значимо в процентном соотношении: хлориты – 1%, доломит – 3%, кальцит – 7%, полевые шпаты 8%, кварц (который, кстати, является самым распространенным минералом на Земле) – 70%, на долю других минералов приходится 11%. Эта статистика показывает, что песок состоит в основном из кварца и полевых шпатов, из этого следует, что такие пески наиболее широко распространены.
В Российской федерации в подавляющей части мест в песчаных грунтах содержится относительно мало солей (легкорастворимых и среднерастворимых), их содержание не превышает одной сотой процента. Хотя в районах, находящихся на юге страны, пески с высоким содержанием соли (более 0,3% легкорастворимых солей) встречаются довольно часто, и представлены в основном морскими и континентальными образованиями. В слоях пролювиальных, аллювиальных, и прочих видах песков большое количество соли получилось благодаря континентальным засолениям, вызванным увеличением уровня подземных вод (ввиду антропогенных или естественных причин).
Стоит отметить, что во многих случаях в песках в различном процентном отношении содержится железо (до нескольких процентов). Железо в составе песков будет либо первичным (появившимся в результате разрушения метаморфических и магматических пород), либо вторичным (образованным в результате почвообразования и выветривания), оно присутствует в закисной и окисной форме.
Также в песках центрального и северных регионов страны могут быть остатки растительного происхождения (в основном не более 3%, но может доходить до 10% и даже больше, в таком случае к названию песка добавляется «с примесью растительных остатков»).
Содержание воды в песках
Уровень влаги в песках разнится от одного-двух процентов до тридцати. Верхние слои песка содержат мало влаги, в районе 1-5%. При капиллярном увлажнении содержание влаги сильно увеличивается, плоть до 30% на уровне подземных вод. Обычно влага в песках не содержит солей, однако в аридных районах воды часто насыщены минералами. Кроме того, высокое содержание минералов характерно для подземных вод, находящихся среди песков, что характерно, например, для морских берегов. По физическому состоянию вода, присутствующая в песках, а также легких супесях, может быть отнесена к гравитационной и капиллярной.
