Геологическое исследование грунта под фундамент технология

Основание здания представляет собой ключевую несущую часть, определяющую как долговечность всей постройки, так и удобство проживания в ней. Нереально создать качественную опору, полагаясь лишь на интуицию или случайный выбор, без учета специфики, физико-механических показателей и структуры залегания почв, а также расположения подземных вод. Именно по этой причине до начала проектирования серьезных объектов всегда проводят детальное изучение земельного участка. О том, от чего зависят результаты изысканий, как проходит этот процесс и сколько стоят работы, пойдёт речь в статье...

Зачем проводят анализ почвы под фундамент?

Инженерно-геологические изыскания выполняются ещё на стадии подготовки проекта, поскольку именно полученные данные, дающие полную картину строительных условий, служат базой для определения конструкции фундамента. Главная задача такого анализа заключается в обнаружении потенциально опасных явлений (риск оползней, затопления территории или суффозии).

Помимо этого, чтобы верно вычислить прочность как самой почвы, так и опорной части строения, необходимо детально исследовать геологическую структуру участка, физико-механические свойства земли, а также уровень её влажности и агрессивности по отношению к материалам. Собранная информация даёт возможность подобрать такую конструкцию, которая станет наилучшим решением, обеспечивая надёжность перед лицом любых угроз и одновременно с этим будучи выгодной с финансовой точки зрения.

Создание проекта фундамента без изучения состава почвы и глубокого анализа гидрогеологической обстановки чревато серьезными последствиями. Это может спровоцировать не только проседание грунта, из-за которого появятся разломы на несущих элементах и повредятся инженерные сети, но и привести к критическим разрушениям, исправить которые с помощью ремонтных работ будет технически невозможно.

После проведения инженерно-геологических изысканий компания предоставляет следующий перечень услуг, который также влияет на итоговую стоимость работ:

• Оценивается техническая возможность возведения постройки на выбранной территории, а также подтверждается финансовая рентабельность проекта;
• Определяется наиболее подходящее место для размещения будущего строения;
• Разрабатывается схема использования всей площади надела, а не только под отдельное здание;
• Осуществляются вычисления параметров прочности грунтовых основ;
• Организуется контроль за соблюдением технологий при выполнении подготовительных и земляных работ нулевого цикла.

В процессе проведения исследований устанавливается перечень мероприятий, необходимых для сбора максимально достоверных данных об участке. В рамках этих работ осуществляется выбор конкретных методов тестирования образцов почвы и проведение геофизических замеров, что требует закладки скважин нужной глубины в необходимом количестве.

Ключевая цель подобных проверок заключается в оценке устойчивости будущего сооружения к воздействиям динамического характера. К подобным факторам относятся самые разные силы – от колебаний, создаваемых строительной техникой, до возможных сдвигов земной коры в сейсмически активных зонах.

Методика проведения геологических изысканий

Регламент проведения исследований грунта для проектирования новых зданий строго регламентируется специальным нормативным документом (СП 11-105-97). Именно этот свод правил диктует, какой объем работ необходимо выполнить, какие именно методики использовать и какие технологии применять в процессе. Данный стандарт служит основным ориентиром для профильных компаний и частных специалистов, оказывающих услуги по анализу почвы в зоне будущего фундамента.

Структура изысканий

В отдельной главе нормативного акта закреплены базовые требования к структуре работ, включающие следующие пункты:

• При наличии исторической информации о местности, результаты прошлых лет подлежат обязательному анализу и учету. Это касается как архивных технических заключений по уже возведенным сооружениям, так и сведений, полученных в ходе региональных сейсмологических или иных изысканий.
• В качестве отправной точки часто используют материалы ранее выполненных аэрофотосъёмок – они позволяют упростить процесс оценки рельефа и специфики геологического строения местности.
• Разведочное обследование территории с применением методов визуального осмотра. Подобная процедура подразумевает детальный осмотр зоны предполагаемого возведения объекта, а также фиксацию характеристик открытых грунтовых выходов, таких как разработанные карьеры или временно законсервированные котлованы. Кроме того, производится анализ мест выхода грунтовых вод в сопоставлении с окружающей растительностью, которая служит надежным природным маркером состояния гидрогеологической среды.

• Сведения, собираемые в процессе создания буровых скважин и изучения разреза почвенных слоев. Приоритет отдается проблемным зонам, отличающимся высоким уровнем грунтовых вод, пестротой геологического строения или нестандартными характеристиками пород, а также сложным рельефом местности. В обязательном порядке проводится инвентаризация планировочных недостатков района, определяются признаки грунтовых просадок как в границах самого надела, так и на прилегающих территориях, выявляются участки заболачивания и риски возможного затопления.
• Геофизические изыскания грунта проводятся как в условиях лаборатории, так и непосредственно на местности. Основная задача этих работ – детализация геологического строения участка, поиск водоносных слоев и выявление поверхностных аномалий. В рамках данного процесса выполняется отбор проб почвы для последующего анализа ее характеристик и химического состава. Исследования на местности позволяют оценить склонность земли к пространственным изменениям и подобрать наиболее эффективный метод и глубину забивания свай.
• Анализ гидрогеологической ситуации включает в себя фиксацию уровня грунтовых вод, выявление верховодки и плывунов. В лаборатории тестируется степень агрессивности подземных вод по отношению к материалам, а также делается прогноз возможных изменений водоносного режима в будущем. В случае обнаружения насыщенных влагой почв проводится проверка их стабильности.

Анализ почвы в лабораторных условиях позволяет определить:

• Вид грунта (классификационную группу и подгруппу) согласно требованиям норматива ГОСТ 25100;
• Физико-механические свойства, а также химический состав породы;
• Уровень вариативности структуры пласта в разрезе и по площади;
• Нормативные значения и расчетные показатели для проектирования;
• Прогноз трансформации свойств грунта после завершения строительства и в период эксплуатации.

Каждая характеристика верифицируется тремя независимыми замерами, при этом расчетным считается усредненный статистический показатель. Забор образцов осуществляется в шурфах и скважинах послойно. Доставка в лабораторию выполняется двумя способами: в виде рыхлого материала или в форме монолита 200х200х200 мм, сохранившего природное сложение и естественную влажность. В процессе исследований устанавливается гранулометрический состав, удельный вес и влажность, а в соответствии с ГОСТ 17245 вычисляется предел прочности на сжатие.

• Основным видом исследования является определение деформационных характеристик грунтов при сжатии. Данный параметр определяется по нескольким методикам, при этом эталонным считается штамповое испытание. Оно используется для изучения нескальных грунтов путём проведения испытаний непосредственно на дне шурфа или в забое скважины. В указанном месте устанавливается штамп, и посредством пригруженной платформы или домкрата создаётся статическая нагрузка. Шурф обычно разрабатывается на глубине ниже предполагаемого уровня расположения подошвы фундамента. Нагружение на грунт поддерживается до достижения стадии стабилизации деформации, после чего измерение осадки производится с использованием прогибометра.

• Дополнительными методами анализа уплотняющего воздействия грунта являются полевые методы зондирования и прессиометрии, а также лабораторные испытания стабилометром и компрессионным методом. Эти данные должны быть выполнены и согласованы с результатами штамповых испытаний.
• Выбор методики испытаний существенно обусловлен типом грунта, обнаруженного на участке. В случае глинистых грунтов, например, исследования проводятся с использованием прессиометра – цилиндрической резиновой камеры, которую удобно вводить в забой скважины. Внутрь этой камеры подаётся газ или жидкость, вызывающие расширение камеры и, соответственно, создание давления на стенки скважины. Для определения модуля деформации грунта и его прочностных показателей измеряются радиальные смещения стенок забоя при заданном давлении.
• Для стратификации толщи грунта на отдельные слои применяется метод быстрого зондирования (пенетрации). Данная процедура реализуется с помощью зонда, оснащённого стальным конусообразным наконечником: при динамическом зондировании конус забивается в грунт, а при статическом – плавно вдавливается. Этот подход позволяет установить плотность и изменчивость слоёв по глубине до двадцати метров, при условии отсутствия каменных включений в грунте.

Основное применение данной методики охватывает исследование глинистых, болотистых (органогенных) и песчаных грунтов, поскольку она предоставляет возможность не только рассчитать модуль деформации пластов, но и определить их плотность и консистенцию.

Изменения параметров грунта

Любая физическая субстанция обладает свойством сжиматься под воздействием нагрузки, и грунт не является исключением. Под весом возводимого сооружения он претерпевает вертикальное смещение, что влечет за собой перемещение и фундамента, опирающегося на данный пласт. Разница отметок между первоначальным и конечным положением в строительной практике именуется осадкой.

Величина этой осадки определяется следующими параметрами:

• Характеристиками грунта, залегающего на глубину, равную удвоенной ширине фундамента;
• Площадью опорной части фундамента (подошвы);
• Совокупной величиной нагрузок, передаваемых наземными и подземными конструкциями здания.

Помимо неоднородности грунта, на процесс оседания влияют и иные факторы. Задача проектировщика заключается в подборе типа и габаритов фундамента таким образом, чтобы оседание грунта под всеми зонами сооружения происходило равномерно. Именно неравномерная осадка порождает основную проблему трещинообразования и потенциального разрушения каркаса здания, что делает ошибки в проектировании фундамента наиболее дорогостоящим просчетом.

Равномерная по площади оседание верхнего слоя грунта может по-разному восприниматься зданиями с различной конструкцией каркаса. В строительной практике фиксировались случаи, когда на стенах зданий, не имеющих каркаса, не наблюдалось видимых повреждений, тогда как в ограждающих конструкциях каркасных сооружений образовались значительные трещины. Причина кроется в нагрузке, поскольку несущая способность грунта определяется усилием, вызывающим вертикальное смещение.

В своде правил 22.13330 приведены нормативные значения расчётного сопротивления различных типов грунтов давлению, которые позволяют провести предварительные расчёты; однако максимальную точность они будут иметь при использовании фактических показателей, полученных в ходе инженерно-геологических изысканий на данном участке.

Чем опасно морозное пучение грунта?

Опасность морозного пучения заключается в следующем: при проектировании фундаментов необходимо учитывать не только показатели усадки грунта. Хотя усадка вызывает определённые сложности, она поддаётся прогнозированию и может быть нивелирована расчётами. Гораздо более разрушительным и зачастую непредсказуемым является поведение грунта при естественном изменении условий температуры и влажности, особенно при переходе минусовых температур в положительный диапазон:

• С наступлением холодов поверхностные слои грунта промерзают: вода, содержащаяся в нём, кристаллизуется и увеличивается в объёме. Возникший объём льда начинает выталкивать частицы грунта, не содержащие влаги (включая фундамент), и это явление именуется морозным пучением.
• Устройство ленточных фундаментов и столбов на глубине ниже отметки УГВ обусловлено необходимостью предотвращения контакта подошвы фундамента со вспучивающимися грунтами. В случае мелкозаглубленных фундаментов данная проблема решается заменой пучинистых грунтов в траншее или котловане на непучинистые материалы, такие как песок, ПГС или щебень. Кроме того, существуют географические регионы, где глубина промерзания грунта не превышает 55-60 см.
• Давление в грунте, возникающее вследствие его пучения, именуется силами морозного пучения. Эти силы могут вызвать значительные разрушения, поскольку их воздействие иногда сопоставимо с весом трехэтажного строения. Лицам, которые пренебрегают проектными нормами и выполняют заливку фундамента без расчёта, приходится сталкиваться с разрушительным эффектом этого явления.

• Её воздействие ограничено приповерхностным слоем грунта, который формируется в регионах в зависимости от зимних температур. Именно этот промерзающий пласт подвержен морозному пучению, а максимальная глубина этого промерзания обозначается уровнем промерзания грунта (УПГ).
• Данный показатель определяется не только климатическими условиями территории, но и типом грунта. Так, в Подмосковье глинистые отложения промерзают на глубину 1,35 м, мелкие пески – на 1,64 м, крупные пески – на 1,76 м, а крупнообломочные грунты – на 1,99 м. Наблюдается существенная вариативность, что обусловливает необходимость максимально точного определения состава грунтов.
• Учитывая, что влажность выступает ключевым фактором, вызывающим пучение, критически важно определить уровень грунтовых вод. Наиболее неблагоприятная для возведения зданий обстановка возникает, когда уровень грунтовых вод превышает уровень промерзания, что приводит к пересечению этих слоев и образованию сплошного льда в грунте.
• В подобных обстоятельствах настоятельно рекомендуется возводить конструкции исключительно на железобетонных сваях, исключая металлические. При этом первостепенное значение имеет точное определение длины свай, поскольку силы пучения могут оказаться достаточно мощными, чтобы разрушить даже забивные железобетонные элементы. Чаще всего такая ситуация наблюдается, когда котлован, в основании которого установлены сваи, оставляется на зимний период без надлежащей консервации и приложения нагрузки.

• Наименьшую подверженность морозному пучению демонстрируют каменистые, гравелистые грунты и пески с высокой фильтрационной проницаемостью. Сухие глинистые грунты в целом менее склонны к промерзанию, однако вследствие их высокой потенциальной разжижаемости, при повышенной влажности они представляют собой наиболее уязвимый тип грунта.
• Архиважным инженерно-геологическим параметром является уровень грунтовых вод, поскольку от него напрямую зависит степень пучинистости грунта. Чем ближе уровень воды к поверхности, тем выше будут затраты на возведение фундамента, поскольку такое расположение существенно усложняет и замедляет выполнение земляных работ, что зачастую требует дополнительных мероприятий по понижению уровня грунтовых вод.

Кроме того, грунтовые воды неизбежно содержат множество примесей, многие из которых негативно сказываются на материале фундамента. Для минимизации риска пучения грунта вблизи и непосредственно под фундаментом проектирование конструкций нулевого цикла должно сопровождаться разработкой дренажных систем. Трубопроводы этих систем могут быть предусмотрены как для контурного отвода воды под отмосткой, так и для прокладки непосредственно под полом первого этажа.

Стоимость проведения исследования грунта

Если вы планируете строительные работы и не уверены, как и где заказать подобное обследование, существует несколько вариантов:

• Можно обратиться в специализированную геологическую компанию. Такой подход является наиболее точным и всеобъемлющим, хотя и более затратным. Инженеры проводят анализ рельефа, изучают сезонные колебания, определяют в лаборатории механические свойства грунта на сжатие и сдвиг, включая расчеты при максимальных нагрузках. Отбираются пробы грунта и грунтовых вод в нескольких точках; чем крупнее объект, тем более детальными должны быть расчеты. Некоторые фирмы предлагают исследование всей территории с использованием метода электромагнитного профилирования (аналог рентгена), что позволяет оценить весь массив грунта участка, а не только отдельные точки, предотвращая упущение плывунов или иных аномалий.
• Альтернативно, можно заказать исследование у буровых подрядчиков, что будет несколько менее дорого. В этом случае объем испытаний будет ограниченным, и цена, как правило, определяется количеством и глубиной буровых скважин. Например, три скважины глубиной 8 метров обойдутся в 36 000 рублей, а пять скважин глубиной 12 метров – в 90 000 рублей.
• Проведение геологических изысканий возможно с привлечением частных специалистов, однако уровень их квалификации не всегда гарантирован. Как правило, стоимость таких работ определяется исходя из этажности сооружения и площади застройки.

Распространено заблуждение, что достаточно провести визуальный осмотр грунта. Тем не менее, необходимо исследовать не только поверхностные слои, но и более глубокие пласты, поскольку под слоем твёрдого суглинка может находиться текучий глинистый грунт. Кроме того, существует риск обнаружения неустойчивых образований, таких как плывуны или просадочные грунты, которые могут вызвать серьёзные проблемы при некорректном проектировании фундамента. Следовательно, минимальный комплекс лабораторных исследований является обязательным условием.

Стоимость этих изысканий представляет собой незначительные затраты, предотвращающие потенциальные и дорогостоящие ремонты в будущем, включая устранение трещин в стенах и фундаменте, герметизацию кровельных покрытий и замену оконных и дверных блоков.