Непучинистый грунт это: что это такое, как определить и классификация

Воздействие морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений: что это такое и как избежать

Содержание:

1. Что такое пучение
2. Основные методы защиты
3. Методы, реализуемые в процессе эксплуатации

Что такое пучение 

При замерзании в морозные зимы вода превращается в лёд, объём которого превышает занимаемый ей в жидком состоянии. В результате возникают разнонаправленные нагрузки на грунт, имеющие максимальные значения в направлениях, минимально противодействующих им сил (вверх и в стороны).

Результатом воздействия морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений является возникновение сил выталкивания, касательных и перпендикулярных нагрузок, действующих на подземные части строений, и приводящих к их деформации (разрушению).

Если не учесть эти процессы ещё на стадии проектирования, последствия могут быть плачевными.

Наивысших значений они достигают в грунтах, максимально удерживающих влагу и обладающих минимальной пористостью по всей глубине пласта.

Основные методы защиты

Используемые в процессе строительства методы защиты объекта от сил морозного пучения учитывают физику процесса и направлены на возможную минимизацию либо полное устранение причин, его вызывающих.

Существующие варианты защиты можно условно разделить на три группы:

• Предварительные;
• Технически реализуемые;
• Используемые в процессе эксплуатации объекта.

Методы защиты от морозного пучения, относящиеся к первой группе, включают обязательное предварительное проведение инженерно-геологических изысканий на требуемую глубину, благодаря которому проектировщики получают необходимую информацию:

• Тип грунта в месте предстоящего строительства и его склонность к пучению;
• Глубина промерзания;
• Уровень залегания подпочвенных вод;
• Среднемесячные температуры;
• Толщина снежного покрова;
• Оптимальная ориентация объекта по сторонам света.

Всё это позволяет ответить на вопрос о принципиальной возможности строительства проектируемого объекта на данном участке, выбрать нужный тип фундамента и оптимальные технологии защиты строения от негативного влияния сил, создаваемых морозным пучением.

Технические варианты защиты сваи от морозного пучения

При выполнении работ на грунтах с высокой вероятностью морозного пучения строящийся объект может защищаться с использованием одного или несколько вариантов, рассмотренных ниже.

1. Полная или частичная замена имеющегося грунта на непучинистый в месте выполнения строительных работ.

Полная замена на грунт, не поддающийся пучению, является весьма дорогостоящей процедурой и используется крайне редко (только если глубина заменяемого слоя не превышает 2 м). Гораздо чаще выполняется подушка под фундамент из непучинистых грунтов и обратная засыпка траншеи, отрытой под фундамент, после завершения монтажа последнего и удаления опалубки. Это также позволяет минимизировать негативное влияние сил пучения.

На начальном этапе фундаментных работ после отрывки траншеи на всю расчётную глубину, на её дне выполняется подушка, состоящая из смеси щебня и гравия с чистым промытым песком. Оптимальной (для частного дома) считается толщина ~ 30 см. Ширина отсыпанного слоя должна быть на 20-30 см больше упомянутого размера фундамента.

Это позволяет:

• равномерно распределить на грунт общую массу строения;
• минимизировать отрицательное воздействие на его подошву вертикальных выталкивающих сил, возникающих в результате морозного пучения.

При этом следует понимать, что подушка снижает их величину не потому, что выполнена из непучинистых грунтов. Она просто уменьшает слой последнего.

Пример. Глубина промерзания на строительном участке 1,5 м. Фундамент заглублен на 1,0 м. Оставшийся слой пучинистого грунта составляет 50 см, что может привести к его увеличению до 5 см (~ 10%). Выполнив подушку толщиной в 30 см, мы сокращаем слой до 20 см и, автоматически, его возможное увеличение, до 2 см.

Весной и осенью уровень грунтовых вод (глубина) повышается. Это может привести к тому, что подушка, частично или полностью, окажется под их воздействием и может быть загрязнена (заилена) мелкими частицами, содержащимися в воде. Они мигрируют вместе с подпочвенными водами, засоряют выполненную подсыпку, доводят её до состояния пучинистого грунта. Поэтому через несколько лет она не сможет достаточно эффектно противостоять разрушающим силам, возникающим вследствие пучения.

Чтобы этого не произошло, как можно дольше применяется специальный материал, геотекстиль, прекрасно фильтрующий воду и задерживающий все твёрдые взвеси.

В целях минимизации воздействия перпендикулярных и касательных сил на возводимый фундамент (как вариант, на стены подвала), возникающих в результате морозного пучения, выполняют обратную засыпку с использованием непучинистых грунтов, которые также предварительно защищаются геотекстилём.

Подобное заполнение не будет примерзать к стенкам фундамента, что также снижает силу касательных нагрузок.

В качестве дополнительного технического решения, направленного на снижение негативного влияния перпендикулярных и касательных нагрузок (ПКН) на боковые стенки фундамента, может быть увеличение их гладкости.

Бетон, из которого чаще всего возводится фундамент, весьма пористый материал, что существенно повышает вероятность его смерзания в морозное время года с прилежащими слоями грунта. Для исключения или минимизации подобного явления внешнюю стену фундамента накрывают слоем гидроизоляционного материала (рубероид, толстая ПЭ плёнка и т.п.). Простейший вариант — грунтование поверхности с использованием отработанного масла.

2. Изготовление монолитного фундамента, имеющего уширение в нижней части конструкции.

Другим технологическим решением, защищающим фундамент от вероятного деформирования силами, возникающими из-за морозного пучения, является использование полноценного арматурного каркаса по всей его глубине (высоте) и длине. Это обеспечивает жёсткость и монолитность конструкции на всех участках.

Для предотвращения выдавливания силами пучения, действующими на основание фундамента, последнее выполняется в форме трапеции (с нижним уширением). То есть здесь формируется площадка – анкер, исключающая возникновение подобной ситуации.

Этот вариант гарантирует требуемую стабильность функционирования фундаментов. Однако использовать его можно только при обустройстве фундаментов из бетона.

Если конструкция изготавливается с использованием блоков, кирпича или натурального камня (что исключает её внутреннее армирование), то класть боковые стены фундамента изначально требуется под углом (конструкция сужается вверх).

3. Заглубление подошвы фундамента ниже уровня промерзания.

Подобное решение, чаще всего, принимается при возведении свайных и свайно-винтовых фундаментов и позволяет полностью исключить влияние выталкивающих сил морозного пучения, но существенно увеличивает поверхность, на которую влияют ПКН.

Способы устранения негативного влияния последних рассмотрены выше.

В случае промерзания грунта на всю глубину заложения фундамента, рассматриваемом в данном разделе, весьма высока вероятность того, что опоры, изменив за зиму своё положение, не примут исходного в тёплое время года. Чтобы избежать данной проблемы выполняется ростверковое соединение всех опор (свай).

В тех случаях, когда речь идёт об установке столбов для заборов, выполняется двойная жёсткая обвязка последних по верхнему и нижнему уровню. Это необходимо в силу существенных нагрузок вероятного пучения (морозного), величина которых может составлять ≤ 10 тонн.

Оптимальным считается решение смонтировать все столбы на едином ленточном монолитном фундаменте, с тщательным армированием последнего.

4. Выполнение дренажных работ.

Чем сильнее увлажнены пучинистые грунты, тем большее увеличение объёма наблюдается при их промерзании (плотность воды примерно на 10% выше плотности льда).

Это автоматически увеличивает вероятность возникновения деформаций и, соответственно, требует существенного повышения требований к выполнению работ, обеспечивающих безопасность возводимого объекта.

Удаление влаги будет способствовать снижению показателя пучинистости и, соответственно, величины сил, негативно влияющих на фундамент. Данную процедуру следует разделить на составляющие.

В первом случае, речь будет идти о защите грунта от попадания в него «верховодки» (атмосферные осадки, снеготаяние).

Решению данной задачи служит выполнение отмостков по всему периметру возводимого здания (бетон, асфальт). Их ширина должна минимум на 200-300 мм перекрывать зону обратной засыпки, чтобы исключить просачивание влаги к фундаменту.

Во втором для борьбы с обводнённостью грунтов, проводится дренаж фундамента. Это обеспечивает снижение уровня подпочвенных вод.

Классическое решение предусматривает укладку системы дренажных (перфорированных) труб в предварительно промытый и уложенный гравийный слой. Этот материал частично задерживает частицы грунта. Монтаж труб ведётся с незначительными уклонами на расчётной глубине, что позволяет собирать воду со значительной площади участка и самотёком направлять её в специальные колодцы, либо в канализационный коллектор.

Выбирая подобное решение, следует понимать, что чисто гравийный фильтр прослужит недолго и не гарантирует защиту дренажных отверстий, имеющихся в трубах, от засорения мелкими частичками грунта.

Их прочистка — весьма трудоёмкий и довольно сложный процесс, под который заблаговременно обустраиваются на участке специальные колодцы на нужную глубину.

Чтобы увеличить сроки между плановыми чистками, используют геотекстиль, которым обёртываются трубы. Наличие подобного фильтра позволяет отказаться от обустройства фильтра гравийного.

5. Обустройство плитного фундамента

Плитные фундаменты часто именуют «плавающими». При подвижках грунтов перемещается вся плита. Поэтому на строение, возведённое на подобном основании, разрушающие и деформационные нагрузки от морозного пучения влияния не оказывают.

Обычно это ж/б монолитная армированная плита, мелкозаглубленная либо уложенная поверх грунта (глубина погружения равна нулю).

6. Утяжеление возводимой постройки.

Одним из решений, позволяющих минимизировать или полностью обнулить негативное влияние пучения грунтов, является увеличение массы постройки до значений, которые нагружают фундамент с силой, превышающей выдавливающую, которую создают пучинистые грунты при замерзании.

Поэтому тяжёлые здания на подобных грунтах строить гораздо выгоднее. 

7. Утепление свайного фундамента снаружи на пучинистых грунтах

В регионах с положительными среднегодовыми температурами допустимо использование такого варианта, как утепление грунта. Использование утеплителя, уложенного в грунт, существенно снижает уровень промерзания. А в отдельных случаях полностью его исключает.  

Суть метода. По всему периметру строящегося здания проводится выемка грунта на расстоянии, равном глубине промерзания в месте ведения строительства. Глубина выбирается с таким расчётом, чтобы уложенный утеплитель можно было засыпать сверху слоем непучинистого грунта толщиной ≥ 200 мм. И выполнить под него песчаную подушку не менее 100 мм.

Толщина материала выбирается с учётом климатических особенностей и его теплоизоляционных характеристик. Чаще всего для решения задачи используются пенопласт, керамзит или шлак.

Оптимальным утеплителем является экструдированный пенополистирол. При плотности выбранной марки в 35 кг/м³, его коэффициент теплопроводности равен 0,32 Вт/м°С. При 50 кг/м³, соответственно 0,36 Вт/м°С.

Этот материал отличается повышенной прочностью к сжимающим нагрузкам (рекомендован для использования в дорожном строительстве).

Использование утеплителя позволяет строить здания на мелкозаглубленных (до 500 мм) фундаментах.

Как правило, поверх утеплителя обустраивается отмостка ≥ 100 мм.

Методы, реализуемые в процессе эксплуатации

Круглогодичное отопление объекта

Средние температуры грунта под отапливаемым зданием ~ на 20% выше фиксируемых под неотапливаемым объектом, что способствует значительному снижению показателя пучинистости.

В качестве дополнительного способа может применяться рыхление грунта на глубину свыше 350 мм, с его последующим боронованием на 150 мм. Теплоизоляционные свойства такого грунта повышаются. В качестве дополнительного слоя утепления можно учитывать снеговой покров.

Сохранение основания в постоянно промёрзшем состоянии

При строительстве в зоне вечной мерзлоты принимаются меры для сохранения грунта в замороженном состоянии на протяжении всего периода эксплуатации. Для этого строительство ведётся на свайных фундаментах.

Виды грунтов для строительства, новости рынка инертных материалов

Глинистые грунты (чаще всего это смесь песка и глины) состоят из достаточно мелких частиц (размер меньше 0,005 мм) и имеют чешуйчатую форму, а так же тонкие многочисленные капилляры, которые с легкостью всасывают воду с поверхности. Глинистый грунт имеет высокую пластичность и продолжительную осадку под действием нагрузки.

Поры – это расстояния между частицами, которые в глинистых грунтах чаще всего заполнены водой, так как глина отлично удерживает воду. Сами частички глины воду не пропускают.

Высокое соотношение объема пор к объему грунта определяет высокую пористость таких грунтов. Глинистый грунт хорошо впитывает и удерживает воду, никогда не отдавая ее, даже при высыхании. При промерзании глины вода в порах расширяется, увеличивая объем грунта. От  величины содержания глины в грунте зависит степень проявления морозного пучения.

— Супесь является глинистым грунтом, содержание глинистых частиц в котором составляет не более 10 %, остальное приходится на песок. Супесь имеет низкую пластичность по сравнению с другими видами глинистых грунтов: при ее растирании между пальцами ощущаются песчинки.

Достаточно высокое содержание песка в супеси указывает на ее низкую пористость, следовательно, она впитывает меньше воды и имеет меньшую подверженность пучению.

— Суглинком называется глинистый грунт, содержание глины в котором составляет от 10 до 30 процентов. Суглинок весьма пластичен, при растирании его между пальцами не ощущаются отдельные песчинки. Значение пористости у суглинка несколько выше, чем супеси и колеблется от 0,5 до 1. Такие значения указывают на достаточно высокую впитываемость воды и на высокую подверженность пучению.

Непучинистые грунты

— Песчаные грунты это грунты, в состав которых входит более 50 процентов частиц песка шарообразной формы, размер которых не превышает 5 мм.

В песчаных грунтах пространство между песчинками так же называется порами и заполнено воздухом и водой. Пористость песчаных грунтов ниже глинистых и составляет от 0,2 до 0,5, что указывает на низкую способность удерживать в себе влагу. Это связано с тем, что размер пор у песчаных грунтов весьма большой для того, чтобы капиллярные силы не могли связывать частицы грунта между собой. Песчаный грунт часто называют несвязным, так как он рассыпается, в сухом состоянии не удерживая форму. Мокрый песок способен удерживать форму, но при небольшом усилии теряет форму и рассыпается.

Основным достоинством песчаных грунтов является неподверженность морозному пучению в связи с малой удерживаемостью влаги. При строительстве на песчаных грунтах глубина промерзания не имеет особого значения, даже мелкозаглубленный фундамент будет устойчивым.

Главной характеристикой песчаного грунта можно считать его несущую способность, которая зависит от содержания в нем влаги и степени уплотнения. Высокая степень уплотнения и низкое содержание влаги делают его великолепным грунтом для основания фундамента.

Песчаный грунт быстро уплотняется под действием нагрузки, осадка происходит очень быстро. Можно разделить такие грунты на плотные и средней плотности.

Плотный песчаный грунт это грунт, находящийся на глубине 1,5м, хорошо уплотненный под давлением вышележащих слоев грунта. Плотный песчаный грунт является идеальным основанием для фундамента.

Песчаный грунт средней плотности – это грунт, лежащий на глубине меньше 1,5 м, уплотненный искусственным способом. Такой грунт имеет меньшую несущую способность и несколько больше подвержен осадке.

Лучшим основанием для фундамента среди песчаных грунтов можно считать гравелистый или крупный песок, не теряющий своих свойств при увлажнении, низкую осадку, а так же имеющий высокую несущую способность.

Независимо от стояния грунтовых вод и глубины промерзания на непучинистых песчаных грунтах, фундамент следует закладывать на небольшую глубину, не превышающую 0,5 м от уровня поверхности грунта.

При строительстве на песчаных грунтах высокой влажности, при условии высокой мощности грунтовых вод следует тщательно продумывать дренажную систему для уменьшения вымывания грунта под фундаментомю
Теги: Виды грунтов для строительства, грунт, пучинистые грунты, пучинистый грунт, непучинистый грунт, песчанный грунт, супесь, суглинок, глина, песок

Лабораторные исследования морозного пучения грунтов

Испытания велись без нагрузки на образцы по открытой схеме, т.е. в процессе испытаний обеспечивался свободный приток воды к границе промерзания.

Перед заполнением грунтом, металлическая форма, размерами 100х150(h) обмазывалась фторопластовым лаком для исключения влияния сил трения и смерзания грунта со стенками.

Перемещения вследствие морозного пучения измерялись индикаторами часового типа с точностью 0.01 мм.

Результаты определения физико-механических характеристик испытываемых грунтов приведены в таблице 1.

Грунты(по ГОСТ 25100-95)	Влажность, %	Число пластичности, Ip	Показатель текучести, IL	Плотность грунта, г/см3			Пористость, %	Коэффициент пористости
				природная	сухого	частиц
Суглинок элювиальный(монолит)	0.30	9.3	0.64	1.82	1.7	2.71	37	0.59
Суглинок элювиальный(нарушенной структуры)	0.28	0.28	0.64	1.95	1.7	2.70	37	0.77
Глина делювиальная твердая	0.2	19.8	-0.30	1.78	1.47	2.60	43	0.77
Глина делювиальная полутвердая	0.27	18.1	0.149	1.87	1.48	2.50	40	0.69
Глина делювиальная мягкопластичная	0.31	21.1	0.67	1.9	1.5	2.74	45	0.82

Таблица 1 — Физико-механические характеристики испытываемых грунтов

Классификация и оценка пучинистых свойств грунтов выполнялась по величине — относительной деформации морозного пучения согласно ГОСТ 28622-90.

, где — фактическая толщина промерзшего образца, — вертикальная деформация образца грунта в конце испытания (с точностью до 0.01 мм).

Результаты обработки лабораторных исследований морозного пучения делювиальной глины от консистенции (величине ) приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 — Кривые относительной деформации пучения: 1 – глины полутвердой, 2 – глины мягкопластичной, 3 – глины твердой консистенции.

Наибольшая величина пучения ( =0.73) наблюдалась у глины мягкопластичной консистенции. По степени пучинистости данный образец глины относится к сильнопучинистым грунтам.

Рисунок 2 — Экспериментальная зависимость деформаций морозного пучения от структуры грунта: а – монолитная, б – нарушенная структура.

На рисунке 2 отображены кривые пучения суглинка элювиального.

Исследовалось два образца, первый – монолит, второй – нарушенной структуры.

По кривым пучения образцов видно, что наибольшая величина пучения достигается в образце монолитной структуры =0.72, грунт сильнопучинистый, относительная деформация морозного пучения второго образца =0.52, грунт среднепучинистый.

По степени пучинистости данные образцы суглинка – сильнопучинистые.

Также в процессе лабораторных исследований определяли миграционное водонакопление для этих грунтов. Результаты изменения влажности образцов приведены в таблице 2.

Образцы грунта	Суглинок (монолит)	Суглинок(нарушен.)	Глина твердая	Глина полутвердая	Глина мягкопластичная
Влажность до испытаний	0.28	0.30	0.20	0.27	0.31
Влажность после испытаний	0.34	0.35	0.23	0.44	0.38

Таблица 2 — Изменения влажности образцов 

Так, для мягкопластичной глины природная влажность до промораживания составила W =0,31 , после промерзания влажность составила W =0,38, т.е. его влажность увеличилась на 22,5 %, а для твердой глины влажность возросла на 15%.

В дальнейшем предполагается исследование зависимостей миграционного водонакопления и деформации пучения от давления на грунт.

Для образцов суглинка мороженной структуры были проведены компрессионные испытания при оттаивании в сравнении с испытаниями образцов суглинка в естественных условиях.

Результаты, полученные в ходе испытаний образцов суглинка приведены в таблице 3.

Характеристики	Мороженая структура	Естественная структура
Влажность	0.35	0.23
Коэффициент пористости е (до опыта)	0.790	0.831
Коэффициент пористости е (после компрессии) при р=0.3МПа	0.674	0.694
Компрессионный модуль деформации Е, МПа	5.2	2.8

Таблица 3 — Результаты компрессионных испытаний образцов суглинка

Графическая интерпретация полученных результатов испытания грунтов на сжатие приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Графическая интерпретация результатов испытаний образцов суглинка элювиального на сжатие: 1 –  образец естественной структуры, 2 –  образец после промораживания, е –  коэффициент пористости,^–  относительная осадка образца

По графику изменения относительной осадки во времени видно, что при промораживании суглинка его осадка при оттаивании значительно превышает величину морозного пучения, а время оттаивания в несколько раз меньше, чем длительность морозного пучения. Это приводит к неравномерным деформациям системы «основание – здание» и повреждению сооружения.

Подобные исследования приведены в работах [8,10,11] и хорошо согласуются с нашими исследованиями в этой области.

Замена грунта на непучинистый

Утяжеление здания

Чем меньше вес постройки, тем больше вероятность того, что на нее будет оказывать давление земля, разбухающая в холодное время года. Чтобы этого не происходило, рекомендуется возводить более массивные постройки. Однако, это также ведет к серьезным финансовым затратам.

Возведение плитного фундамента

Придать дополнительный вес зданию и предотвратить давление грунта можно установив в качестве основания для дома плитный фундамент. Цельная монолитная плита высотой более 20 см, заглубленная в землю будет подвергаться силам морозного пучения, однако в этом случае она просто равномерно приподнимется зимой и займет исходное положение, когда температура воздуха повысится.

Технически построить плитный фундамент не сложно (трудности могут возникнуть только на этапе армирования), тем не менее, такая основа тоже обойдется недешево.

Установка свайного фундамента

Если вы хотите обойтись малой кровью, то дешевле всего будет установить свайный фундамент. Однако стоит учитывать, что подобные конструкции подходят только для домов небольшого веса (каркасных, сооружений из сип-панелей и так далее).

В качестве фундаментального основания подойдут:

• винтовые сваи, которые вкручиваются в почву чуть ниже уровня промерзания;
• армированные конструкции (в этом случае необходимо подготовить скважины и установить в них стержни, обмотанные рубероидом и металлическим каркасом).

После установки свай, элементы соединяются при помощи распределяющих нагрузку плит или балок (ростверка), которые укладываются по периметру будущей постройки и утепляются пенопластом или пенополистиролом.

Некоторые строители возводят на пучинистых почвах кирпичные столбчатые конструкции высотой до 60 см и заглубляют их примерно на 15 см, однако такие основания подходят только для беседок, летних кухонь и прочих сооружений, не предназначенных для проживания.

Постоянное отопление дома

Если сравнивать температуру почвы, расположенной под отапливаемым и неотапливаемым домом, то в первом случае она будет выше почти на 20%. Соответственно, если в здании круглогодично будут проживать люди и постройка будет отапливаемой, то сила пучения сведется к минимуму.

Дренаж грунта

Чтобы предотвратить распирание почвы, можно снизить содержание воды в земле. Для этого необходимо соорудить дренажный колодец, который будет находиться на некотором отдалении от постройки. Чтобы построить такую систему необходимо:

• Вырыть траншею вокруг дома.
• Заложить в нее трубы с небольшими отверстиями по бокам. Чтобы вода от дома отводилась самотеком, необходимо укладывать трубы под небольшим уклоном по направлению к дренажному колодцу. Соответственно, чем ближе к колодцу расположен трубопровод, тем глубже он закладывается.
• Обсыпать трубы гравием и покрыть геотекстилем.

Теплоизоляция грунта

Чтобы снизить пучинистость грунта, можно возвести отмостку. Обычно такая конструкция изготавливается по периметру постройки для того, чтобы защищать фундаментальное основание от дождевых вод. Но, если произвести более мощную теплоизоляцию отмостки, можно будет снизить уровень расширения земли в зимний период.

Чтобы изготовить утепленную отмостку, необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

• Ширина отмостки должны быть на 1-1,5 м больше ширины промерзания грунта.
• В качестве основы для отмостки рекомендуется использовать песок, который тщательно трамбуется и проливается водой.
• На песок укладывается пенополистирол или любой другой утеплитель слоем около 10 см.
• Сверху укладывается гидроизоляция (рубероид).
• На гидроизоляционный слой укладывается щебень и все заливается бетоном.
• Перед бетонированием рекомендуется выполнить армирование стальной сеткой диаметром 4 мм и размером ячеек 15 х 15 мм.

В заключении

Зная какие грунты преобладают на участке, можно вычислить уровень их пучения, соответственно можно подобрать лучший вариант обустройства фундаментального основания или снизить объем влаги в почве. Некоторые строители дополнительно утепляют фундамент, так как это также позволяет понизить уровень влияния влаги на бетонную основу дома.

Само по себе строительство домов на пучинистом грунте достаточно часто встречается в российских регионах, которые по большей своей части холодные и сырые. Такое строительство всегда имеет ряд особенностей, которые обязательно стоит учитывать. Рассмотрим более подробно эти особенности.

Что из себя представляет пучинистый грунт?

Под пучинистым грунтом можно понимать любой грунт, который обладает функцией пучения. Пучение — это процесс , при котором влага в грунте, превратившаяся в лед расширяется за счет меньшей плотности льда относительно воды и, соответственно, увеличивает объем всего грунта.

Получается, такой грунт как бы вспучивается. Отсюда и название данного процесса. Очевидно, что пучение характерно для всех грунтов, но проявляться оно будет в разной степени.

Основные закомонерности здесь следующие. Во-первых, чем больше воды в грунте, чем сильнее возможное пучение. Во-вторых, чем больше грунт способен удерживать влаги внутри себя, тем больше его пучинистость.

»

Типы грунтов, наиболее подверженных действию пучения.

Несмотря на то, что, строго говоря, абсолютно любой грунт в той или иной степени склонен к пучинистости, в строительстве принято выделять ряд грунтов, которые наиболее сильно подвержены процессу пучения.

Относятся к таким грунтам главным образом все грунты, содержащие глинистые частицы в своем составе. Причем, чем больше глины в грунте, тем более сильно он подвержен пучению.

Условно непучинистыми грунтами принято считать следующие: скальные обломочные горные породы, крупнозернистые пески без примесей глинистых частиц, среднезернистый песок, гравелистые пески. К пучинистым же можно смело отнести мелкие пески содержащие в большом количестве глину.

Чем пучинистый грунт опасен для здания?

При наступлении морозов вода в грунте под фундаментом и рядом с ним превращается в лед. Плотность грунта в целом уменьшается, а объем возрастает. Соответственно, грунт под зданием и рядом с ним начинает вспучиваться.

Силы морозного пучения, которые будут действовать на здание в этом случае можно условно разделить на два типа. Во-первых, силы, действующие вертикально снизу вверх, в направлении поверхности земли. Такие силы способны поднять все здание или его часть.

Во-вторых, касательные силы пучения, которые действуют на боковую поверхность фундамента. Такие силы способны повернуть, сдвинуть здание.

Весной же, когда наступает оттепель и лед снова превращается в воду, происходит обратный процесс — плотность грунта под зданием возрастает, объем уменьшается, здание, соответственно, упускается. Движения здания могут привести к появлению деформаций, трещин и даже разрушению всего здания.

Подходы к решению проблемы пучинистости.

Можно выделить несколько ключевых для решения проблем пучинистости моментов.

Факторы, способствующие снижению пучинистости грунта следующие:

1. Исключение (удаление) глины из песка: глина способна удерживать воду в грунте.

2. Укрупнение песка: в таком грунте не происходит застой воды; вода не задерживаясь быстро уходит в слои грунта, расположенные ниже.

3. Пучинистость возможна лишь в пределах глубины, на которую промерзает под зданием грунт.

4. Под круглогодично отапливаемым зданием температура грунта всегда выше и глубина, на которую будет промерзать грунт в районе фундамента такого здания будет минимальной.

5. Если грунтовые воды достаточно низко залегают, то снижается вероятность пучения, поскольку первый водоносный слой будет находиться ниже глубины, на которую промерзает грунт.

Методы решения проблемы пучинистости.

В настоящее время известно много хорошо зарекомендававших себя в строительной практике способов решения проблем строительства на пучинистом грунте. Перечислим и проанализируем их.

1. Полная замена пучинистого грунта грунтом непучинистым.

Этот способ, как видно из названия, требует для своей реализации большого объема земельных работ. Пучинистый грунт в месте, выделенном для строительства полностью удаляется и на его место укладывается непучинистый грунт, главным образом, крупно- или среднезернистый песок.

Этот метод полностью решает проблему пучинистости, поскольку в таком грунте вода не будет застаиваться и сразу будет уходить в нижележащие слои грунта, при том, конечно, что глубина, на которой залегают подземные воды достаточно большая — больше, чем глубина, до которой промерзает грунт в зимний период.

2. Дренаж грунта.

Метод может быть выполнен как самостоятельно, так и в комбинации с другими методами. Суть сводится к осушению грунта, расположенного под и в районе фундамента здания.

Для этого вдоль всего периметра здания роется траншея, в которую укладываются перфорированные (содержашие отверстия на своих поверхностях) дренажные трубы, соединенные друг с другом в единую сливную систему.

Трубы окутываются в геотекстиль и со всех сторон присыпаются галькой или щебнем. Это нужно для того, чтобы в такую трубу поступала только вода из грунта, а сам грунт в нее не проникал.

На небольшом расстоянии от такой трубопроводной системы роется дренажный колодец, который затем соединяется с трубопроводной системой. Функция колодца — сбор воды, из дренажной системы.

Чтобы вода поступала из грунта в колодец самотеком трубы укладываются с неким уклоном, то есть наиболее отдаленные от колодца трубы располагаются несколько выше, чем трубы, которые непосредственно примыкают к колодцу.

Сделать такой уклон можно легко, если траншею перед укладкой в нее дренажных труб засыпать на разном уровне щебнем: вблизи колодца минимальным слоем, а в самих далеких точках дренажной системы максимальным слоем.

Глубина закладки дренажных труб зависит от той глубины, на которой расположена подошва фундамента и от глубины нахождения подземных вод в данной местности и обычно составляет примерно 0,5 м.

3. Выбор соответствующего фундамента под пучинистый грунт.

От грамотного выбора того или иного вида фундамента зависит очень многое. На пучинистых грунтах наиболее приемлемыми могут быть свайные и монолитные. Рассмотрим более подробно их.

Идея строительства свайного фундамента состоит в том, что свая заглубляется ниже глубины, на которую способен промерзать под зданием грунт и, таким образом, не будет подвержена вертикальному морозному пучению — наиболее опасному для здания.

Типичный свайный фундамент, использующий промышленные, заводские сваи требует для строительства использование сваезабивной машины и считается дорогим и сложным в исполнении.

Поэтому в малоэтажном коттеджном строительстве получил распространение его бюджетный вариант — свайно-винтовой фундамент, основанный на винтовых сваях, которые ввинчиваются, вкручиваются в грунт без использования сваезабивной машины и другой сложной техники.

Другой вариант — использование плитного монолитного фундамента. Этот фундамент считается дорогим по затратам. Суть его в том, что на заранее подготовленной песчаной подушке сооружается монолитный плитный фундамент, на основе которого затем уже строится здание.

Таким образом, фундамент будет располагаться выше уровня, до которого промерзает грунт под зданием и такой фундамент будет подвержен пучению, однако монолитный фундамент представляет из себя жесткую железобетонную структуру, способную подниматься и опускаться при пучении без каких-либо деформаций и разрушений.

Плитный фундамент требует проведения многочисленных земляных работ, а также большого количества бетонной смеси, однако считается хорошей защитой от негативных влияний пучинистого грунта.

4. Устройство отмостки и ливневой канализации.

Ливневая канализация позволяет собирать воду, выпадающую в виде атмосферных осадков в определенные емкости и, тем самым, предохраняет грунт, примыкающий непосредственно к зданию от переувлажнения. Той же цели служит и отмостка, отводя воду на некоторое расстояние от здания.

Отмостку сооружают по периметру здания, обычно используя бетон или другой подобный стройматериал, не пропускающий воду. Ширина отмостки должна составлять не менее 1 метра и она должна иметь небольшой уклон в сторону, противоположную стороне расположения стены (цоколя, фундамента) здания, к которой такая отмостка примыкает.

5. Утяжеление здания.

Очевидно, что чем больше масса здания, приходящаяся на единицу поверхности грунта, тем менее вероятным становится процесс подъема или сдвига здания при пучении.

Отсюда вытекает и данный метод: если позволяет проект, то массу здания намеренно увеличивают, в том числе как средство борьбы против пучения.

6. Утепление фундамента.

Идея метода — подъем температуры грунта, прилегающего непосредственно к зданию выше отрицательных значений. Таким образом, грунт, находящийся в районе фундамента и не промерзает и пучения не происходит. Этому же способствует и постоянное отопление подвала и дома в целом в зимний период.

Выбор того или иного метода в первую очередь должен опираться на проект здания, геологию грунта и климат в месте строительства. Немаловажным является и факт расхода сил, времени и денег на реализацию того или иного метода. Все это следует предусмотреть еще на этапе проектирования здания, до начала строительства.

При возведении фундамента на пучинистом грунте, необходимо учитывать постоянные и временные воздействия на почву. В зимний период почва влияет на грунт с удвоенной силой, а связано это с пучением. Современные технологии позволяют обойти пучение, и возвести надёжное основание.

Пучинистый грунт, его свойства и особенности

Пучение грунта — это увеличение объема почвы при переходе из талого состояния в мерзлое и резкое уменьшение объема при таянии мерзлой почвы. Пучение зависит от состава грунта, уровня грунтовых вод и пористости почвы. При замерзании вода в почве увеличивается на 10-14 %, грунт пучинится и может поднять здание.

К пучинистым грунтам относят мелкие и пылеватые пески, все виды мягкопластичных почв (супеси, суглинки). Уровень грунтовых вод открыто влияет на пучинистость почвы. Если вода находится ближе к поверхности, то воздействие пучинистых сил на строение в 2-3 раза сильнее. Чем мельче структура почвы, тем быстрее грунт станет влажным.

Фундамент, заложенный на уровне промерзания грунта, может сильно пострадать. Даже при значительном весе постройки, она может подняться при пучении почвы. В момент оттаивания почвы грунт опускается, и конструкция неравномерно проседает. Стены начинают перекашиваться, а через 5-7 лет основа фундамента придет в полное несоответствие строительным нормам.

Способы борьбы с пучением грунта

1. Замена пучинистого грунта. Данный способ самый эффективный. При заложении фундамента грунт на глубину 50-70 см убирается, а на его место засыпают щебень и песчаную подушку.
2. Удаление влаги с почвы. Для ограждения грунта от обильных осадков по всему периметру фундамента конструируют отмостку. Ширина отмостки должна быть шире обратной засыпки, чтобы вода не проникала под фундамент.
3. Утепление грунта. Для борьбы с пучением можно утеплить грунт возле фундамента. Если грунт промерзает на 1,5 метра, то и утепляют полосой шириной 1,5 метра вокруг периметра дома.

Варианты заложения фундамента на пучинистом грунте

При выборе фундамента необходимо учитывать силы воздействия грунта, рассчитать массу здания, чтобы фундамент не треснул.

1. Ленточный заглубленный фундамент на пучинистых почвах используют редко. Глубина закладки такого фундамента не должна быть выше 1,5 метра, иначе силы пучения будут напрямую действовать на основу. Данный тип фундамента закладывают под тяжёлыми каменными и кирпичными домами. Если строение предполагает использование бетонных блоков и дерева, то заглубленный ленточный фундамент на пучинистой почве может повести себя непредсказуемо, например, поднятие здания и перекашивание стен.
2. Мелкозаглубленный ленточный фундамент широко применяется на пучинистых почвах, так как закладывается выше глубины промерзания. Данный тип подходит для домов из бруса, бревна и бетонных блоков. Монтирование такого фундамента производят в промерзающем слое грунта. Этот фундамент отличается высокой надежностью и прочностью для зданий с небольшим весом.
3. Свайных фундамент на пучинистом грунте применяют, если глубина промерзания почвы не более 1,5 метра, и используется каркасный тип остова. Величина свай составляет от 3 до 4 метров. Такой фундамент является устойчивым основанием, но для его закладки потребуется специальная техника. В частном строительстве используют винтовые сваи, которые вкручиваются в грунт.
4. Столбчатый фундамент оптимален для пучинистого грунта. Его простота закладки и экономичность являются главными критериями выбора. Закладывают столбчатый фундамент в промерзающем слое грунта, используя столбы. Расстояние между столбами не должно превышать 2 метров.

Используя в качестве столбов железобетонные конструкции можно производить закладку основания на грунт:

• с высоким уровнем влаги;
• сырой и сильно увлажненный;
• заболоченный.

Осадка фундамента

Осаждению здания может способствовать неравномерное распределение нагрузки на основание. Если в одной части дома глухие стены, а в другой только арочные, то вес давит на фундамент с разной силой, в основании появляются трещины, а конструкция перекашивается.

Некоторые особенности возведения здания также влияют на осадку. Часть дома, выстроенная летом, просядет меньше части, достроенной зимой. Чтобы избежать неравномерной осадки, здание лучше строить в одно время года, или зимой использовать легкие виды материалов.

Строительство на пучинистом грунте — процесс сложный, не допускающий ошибок. Соблюдение мер по защите от действия пучинистых сил сохранит здание от разрушения и перекашивания конструкции.

>

Пучинистость грунтов и фундамент

Глава из книги «Малозаглубленный ленточный фундамент»

Пучинистость грунтов, вызывания способностью грунта удерживать воду в своей структуре,  является серьезным врагом ленточных фундаментов. Особенно критична неравномерная пучинистость подлежащих грунтов, приводящая к неравномерным нагрузкам на фундамент.  Чаще всего неравномерная пучинистость грунтов может быть вызвана наличием разнородных подлежащих грунтов под малозаглубленным ленточным фундаментом. Также неравномерная пучинистость может быть вызвана неравномерным прогревом почвы от солнца, разницей в утеплении грунта (в том числе при неравномерном укрытии грунта рядом с домом снегом), наличием отапливаемых и неотапливаемых помещений на одном фундаменте. Кроме глинистых грунтов, к пучинистым грунтам относятся пылеватые и мелкие пески, а также крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, имеющие к началу сезона промерзания влажность выше определенного уровня.

Перечень пучинистых грунтов по ГОСТ 25100-95 приведен в таблице: 

Таблица. Пучинистость грунтов.

Степень пучинистости грунта   (ГОСТ 25100-95) / % расширения	Пример грунта требует исследований для принятия решения о классификации)
Практически непучинистые грунты < 1%	Твердые глинистые грунты, мало водонасыщенные гравелистые, крупные и средние пески, мелкие и пылеватые пески, а также пески мелкие и пылеватые, содержащие менее 15 % по массе частиц мельче 0,05 мм. Крупнообломочные грунты с заполнителем до 10 %
Слабопучинистые грунты <1-3,5 %	Полутвердые глинистые грунты, средне водонасыщенные  пылеватые и мелкие пески, крупнообломочные грунты с заполнителем (глинистым, песком мелким и пылеватым) от 10 до 30 % по массе
Среднепучинистые грунты <  3,5-7 %	Тугопластичные глинистые грунты. Насыщенные водой  пылеватые и мелкие пески. Крупнообломочные грунты с заполнителем (глинистым, песком пылеватым и мелким) более 30 % по массе
Сильнопучинистые и чрезмернопучинистые грунты > 7%	Мягкопластичные глинистые грунты. Насыщенные водой пылеватые и мелкие пески.

Для обзора важнейших свойств грунтов и их пригодности для строительства мы предлагаем обратиться  к сводной таблице: 

Таблица. Характеристики грунтов (Таблица адаптирована из раздела R406.1 Международного строительного кода для жилых домов International Residential Code — 2006)

Грунт	Дренажные возможности грунтов	Потенциал подъема уровня грунта при замерзании. (Вертикальные и касательные составляющие сил морозного пучения)	Потенциал расширения грунта при замерзании.   (Горизонтальные  составляющие сил морозного пучения)
Валунный, галечниковый, щебенистый, гравийный, дресвяный. Песок гравелистый и крупный.	Хорошие	Незначительный	Незначительный
Илистый гравий, илистые пески	Хорошие	Средний	Незначительный
Глинистый гравий,  песчано-глинистая гравийная смесь,  глинистые пески	Средние	Средний	Незначительный
Пылеватый и мелкий песок, мелкий глинистый песок,  неорганический ил, глинистый суглинок с умеренной пластичностью	Средние	Высокий	Незначительный
Низко-  и средне пластичные глины, гравелистые глины, илистые глины, песчанистые  глины, тощие глины	Средние	Средний	От незначительного к среднему
Пластичные и жирные глины	Плохие	Средний	Высокий
Неорганические илистые грунты, мелкие слюдянистые пески	Плохие	Высокий	Высокий
Органические непластичные илистые грунты, илистая тугопластичная глина	Плохие	Средние	Средние
Глина и илистая глина средней и высокой пластичности, пластичные илистые грунты, торф, сапропель.	Неудовлетворительные	Средние	Высокие

Пучинистость грунта определяется его составом, пористостью, а также уровнем грунтовых вод (УГВ). Чем выше стоят грунтовые воды, тем больше будет расширяться грунт при замерзании. Способность удерживать и «подсасывать» воду из нижележащих слоев обеспечивается наличием в структуре грунта капилляр и подсосом ими воды. Грунт при расширении замерзающей водой (льдом) начинает увеличиваться в объеме.
Происходит это из-за того, что вода увеличивается в объеме при замерзании на 9-12%. Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он более пучинистый. Также выше пучинстость у грунтов с плохими дренажными характеристиками. При промерзании грунта сверху (от уровня земли или планировки) еще незамерзшая вода отжимается льдом в нижележащие слои грунта.
Если дренажные свойства грунта недостаточные, то вода задерживается и быстро промерзает, вызывая дополнительное расширение грунта. На границе раздела положительных и отрицательных температур могут намораживаться линзы льда, вызывая дополнительных подъем грунта.  Чем больше плотность грунта, тем меньше в нем капилляров и пустот (пор) где может задерживаться вода и, следовательно, меньше потенциал расширения при замерзании.
Малозаглубленный ленточный фундамент по определению закладывается на глубины сезоннопромерзающего слоя грунта. При замерзании грунта и начале его движения на фундамент начинает действовать сила, вектор которой приложен перпендикулярно к подошве фундамента (при условии, что подошва лежит в горизонте).
Под действием этой силы, приложение которой зачастую бывает  неравномерным по длине фундамента, фундамент и само здание может подвергаться также неравномерным перемещениям.   Кроме давления вверх, пучинистый грунт при замерзании может оказывать давление и по горизонтали, и по касательной к вертикальной плоскости ленты фундамента.

Сила морозного пучения зависит и от величины отрицательных температур и от продолжительности их действия. Максимальное морозное пучение грунта в России приходится на конец февраля –март.  Если вы строите ленточный малозаглубленный фундамент на сильнопучинстом грунте, вам придется думать, как снизить воздействие не только касательных составляющих сил морозного пучения, но также и их горизонтальных составляющих. Примерзающий к фундаменту грунт способен не только обеспечить боковое сжатие фундамента, но и его защемление силами бокового сцепления и подъем, что может вызвать деформацию фундамента (особенно критично для сборных ленточных  фундамент из блоков).  
Поэтому, если вы решаетесь строить малозаглубленный ленточный фундамент на сильно- или чрезмернопучинистом грунте, вам лучше выбрать в качестве фундамента жесткую монолитную железобетонную раму, а не сборный ленточный фундамент из блоков. К тому же придется повести ряд мероприятий по снижению силы трения между фундаментом и грунтом, и теплотехнические мероприятия для снижения сил морозного пучения.

Таблица. Нормативная глубина сезонного промерзания грунтов, м.

Город		Суглинки, глины	Мелкие пески	Средние и крупные пески	Каменистый грунт
Москва		1,35	1,64	1,76	2,00
Владимир		1,44	1,75	1,87	2,12
Тверь		1,37	1,67	1,79	2,03
Калуга, Тула		1,34	1,63	1,75	1,98
Рязань		1,41	1,72	1,84	2,09
Ярославль		1,48	1,80	1,93	2,19
Вологда		1,50	1,82	1,95	2,21
Нижний Новгород, Самара		1,49	1,81	1,94	2,20
Санкт Петербург. Псков		1,16	1,41	1,51	1,71
Новгород		1,22	1,49	1,60	1,82
Ижевск, Казань, Ульяновск		1,70		1,76
Тобольск, Петропавловск		2,10		2,20
Уфа, Оренбург		1,80		1,98
Ростов-на- Дону, Астрахань		0,8		0,88
Пенза		1,40		1,54
Брянск, Орел		1,00		1,10
Екатеринбург		1,80		1,98
Липецк		1,20		1,32
Новосибирск		2,20		2,42
Омск		2,00		2,20
Сургут		2,40		2,64
Тюмень		1,80		1,98

Что можно сделать для уменьшения воздействия сил морозного пучения грунта на фундамент:

• Устроить хороший дренаж сезоннопромерзающего грунта вблизи фундамента.
• Обеспечить водоотведение ливневых и талых вод с помощью твердой или мягкой отмостки.
• Утеплить поверхность промерзающего грунта вблизи фундамента.
• Рассмотреть возможность засоления грунтов веществами, не вызывающими коррозии бетона и арматуры.

Самым простым и недорогим способом является горизонтальное утепление грунта  вокруг здания (о котором мы поговорим подробно ниже)  и вертикальное утепление ленточного фундамента.  Кроме снижения теплопотерь дома  (от 10 до 20%), утепление пенополистиролом подземной части фундамента играет еще и важную роль в снижении трения между грунтом и фундаментом при пучении и компенсации расширения грунта.

Важную роль в снижении пучинистости грунтов играет правильное дренирование. Для снижения сил морозного пучения требуется как можно сильнее обезводить грунт в непосредственной близости к малозаглубленному ленточному фундаменту. Для этого траншеи  для ленточного фундамента выкладываются геотекстилем, после отливки фундамента и выполнения гидроизоляции и утепления фундамента, на дно укладываются дренажные трубы кольцевого дренажа вокруг всего дома, и засыпаются дренажной смесью из песка и керамзита, либо просто песком.  Пристеночная дренажная мембрана также помогает отводить воду вглубь – к дренажным трубам.
В особо тяжелых грунтовых условиях можно прибегнуть к полной или частичной замене грунта, подлежащего и прилегающего к малозаглубленному ленточному фундаменту.

В отечественной строительной литературе вообще не рассматривается роль крупных лиственных деревьев в подвижках пучинистых грунтов. Между тем лиственные деревья способны серьезно влиять на режим водонасыщения грунтов.

Основные типы грунтов в строительстве и их особенности

Перед тем как приступить к строительству дома, первое, что нужно учесть – это качество грунта на вашем участке. Видов грунтов несколько, и не каждый из них оптимален для строительства. Однако существует несколько способов улучшить физические характеристики грунтов и сделать их пригодными для закладки фундамента. Можно также грунт купить с доставкой. О видах грунтов и их классификации вы сможете прочесть на этой странице.

 

Выбрать оптимальный тип фундамента невозможно, не имея данных о грунтах, расположенных на участке, и их свойствах. Безграмотно сделанный фундамент в конечном итоге может привести к разрушению всего строения. Связь здесь прямая: чем прочнее основание, тем долговечнее сооружение.

В зависимости от места расположения земельного участка основанием для вашего дома будет служить один из верхних слоев земли: скальная порода или грунт. Говоря о фундаменте и типе грунта, скальные породы, используемые в качестве основания, также можно считать грунтом.

Основание строения может быть как естественным, так и искусственным. Естественным основанием может служить грунт, залегающий под фундаментом дома, имеющий в своем природном состоянии достаточно хорошую несущую способность для обеспечения устойчивости здания и допустимую по величине и равномерности осадку. Такие характеристики физических свойств грунтов встречаются крайне редко, поэтому требуется дополнительное укрепление почвы, то есть создание искусственного основания.

Классификация основных видов грунтов для строительства фундамента

Основные виды грунтов — это скальные, крупнообломочные, песчаные, глинистые и торфяники.

 

Скальные грунты являются наиболее надежным основанием для строения. Они представляют собой изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами (спаянные и сцементированные), залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива. Поэтому такие типы и виды прочны, не проседают, не размываются и не вспучиваются. Дом на таком грунте можно возводить непосредственно на поверхности, без какого-либо вскрытия или заглубления.

 

Крупнообломочные грунты не имеют цельной структуры и содержат прожилины гравия, обломки кристаллических и осадочных пород. В состав этих грунтов входит (по весу) более 50 % частиц с размерами более 2 мм. Основные свойства таких видов грунтов заключаются в слабом сжимании и низкой разламываемости.

В зависимости от крупности частиц крупнообломочные типы грунтов подразделяются на: валунные или глыбовые (вес частиц крупнее 200 мм — более 50 %), галечниковые или щебенистые (вес частиц крупнее 10 мм — более 50 %) и гравейные (вес частиц крупнее 2 мм — более 50 %).

По степени влажности крупнообломочные виды грунтов для фундамента подразделяются на: насыщенные водой (коэффициент влажности — более 0,8), влажные (от 0,5 до 0,8) и маловажные (не более 0,5).

Опорой для дома, построенного на таком грунте, может служить фундамент с заглублением не более полуметра.

 

Один из основных типов грунтов – песчаный — содержит (по весу) менее 50 % частиц крупнее 2 мм. Особенность этого типа грунта – сыпучесть и отсутствие пластичности. Увлажняясь, они могут сильно уплотняться под нагрузкой — проседать. Эти грунты не задерживают воду и незначительно промерзают.

По степени влажности песчаные грунты подразделяются на три группы: насыщенные водой (коэффициент влажности — более 0,8), влажные (от 0,5 до 0,8) и маловажные (не более 0,5).

В зависимости от крупности частиц песчаные виды грунта для строительства подразделяются на: песок гравелистый (вес частиц крупнее 2 мм — более 25 %), песок крупный (вес частиц крупнее 0,5 мм — более 50 %), песок средней крупности (вес частиц крупнее 0,25 мм — более 50 %), песок мелкий (вес частиц крупнее 0,1 мм — более 75 %) и песок пылеватый (вес частиц крупнее 0,1 мм — менее 75 %).

Наличие в грунте пылеватых частиц ухудшает его строительные качества и снижает его несущую способность. Чем крупнее и чище песок, тем большую нагрузку он может воспринять. Кроме того, пески гравелистые, крупные и средней крупности имеют значительную водонепроницаемость и поэтому при замерзании не вспучиваются. В таких грунтах допускается закладка фундамента на глубине до 1 м.

 

Неблагоприятный тип грунта для фундамента

Глинистые грунты наиболее неблагоприятны для закладки фундамента: они могут сжиматься при высыхании, размываться при паводках, а при замерзании вспучиваться. Эти свойства обусловлены тем, что глинистые грунты состоят из мельчайших частиц, имеющих в основном чешуйчатую форму, и большого количества тонких капилляров. Через них вода заполняет все поры глины и обволакивает частицы грунта. Созданное взаимное притяжение обеспечивает вязкость глинистого грунта. Поскольку поры глины в большинстве случаев заполнены водой, то при ее промерзании объем увеличивается и начинается процесс набухания (пучения). В зависимости от величины относительного набухания без нагрузки глинистые грунты подразделяются на: сильно-набухающие (коэффициент — более 1.2), средненабухающие (от 0,08 до 1,2) и слабонабухающие (менее 0,08).

 

Таким образом, несущая способность этой разновидности грунта во многом зависит от его влажности. В пластичном и разжиженном состоянии она очень мала, в то время как сухая глина способна выдерживать значительную нагрузку. Поэтому, если такая земля находится во влажном климате, то необходимо закладывать фундамент в расчете на глубину промерзания грунта.

К глинистым основам часто относят суглинки. По физическим свойствам эти грунты они занимают промежуточное положение между песчаными и глинистыми грунтами. В зависимости от содержания глины выделяют сами суглинки (содержание глины от 10 до 30 %) и супесь (содержание глины от 3 до 10 %).

Супеси, сильно разжиженные водой, становятся настолько подвижными, что текут подобно жидкости и поэтому носят название «плывуны». Вследствие своей подвижности и незначительной несущей способности плывуны малопригодны для использования в качестве оснований.

 

В состав торфяников входит большое количество растительных осадков. По их относительному содержанию различают: слабозаторфованные (относительное содержание растительных осадков — менее 0,25), среднезаторфованные (от 0,25 до 0,4), сильнозаторфованые (от 0,4 до 0,6) и торфы (свыше 0,6). Торфяники, как правило, сильно увлажнены и отличаются значительной неравномерной сжимаемостью. Они практически не пригодны для создания надежной опоры. В ходе строительства они заменяются на более эффективные (например, на песчаные).

Какие виды воды находятся в грунте

Кроме неравномерной сжимаемости грунта у фундамента есть еще несколько «врагов» — вода и мороз. Основные виды вод в грунтах, какие находятся в грунте и представляют опасность для опоры вашего будущего дома, — это почвенные и грунтовые.

Почвенные воды — это влага, выпавшая в виде осадков, образовавшаяся в результате таяния снегов или являющаяся компонентой болотных и илистых почв. Грунтовые воды залегают в грунте постоянно. Именно они оказывают значительное влияние на структуру, физическое состояние и механические свойства грунта и снижают несущую способность основания.

Грунтовые воды существуют практически повсеместно, только в разных местах на разной глубине. Если они находятся очень глубоко и даже в период таяния снегов не поднимаются на поверхность, то в доме, расположенном на таком участке, можно даже оборудовать подвал, не беспокоясь, что весной он будет затоплен. Но если этот вид вод в грунтах залегает близко к поверхности земли, то фундамент потребует обустройства надежной гидроизоляции, а от подвала лучше отказаться.

В холодный период года некоторые виды грунта начинают увеличиваться в объеме, вздуваться, пучиться. Этот процесс обусловлен тем, что вода, которую грунт удерживает в своих порах, превращаясь в лед, занимает больший объем. Причем, вследствие капиллярного эффекта, из нижних слоев грунта она поднимается в зону промерзания.

Глубина промерзания грунта различна и зависит от географического места расположения вашего участка. Оптимальными для будущего фундамента считаются условия, когда глубина промерзания грунта меньше глубины грунтовых вод. И, наоборот, тяжелыми считаются условия, когда глубина промерзания больше глубины грунтовых вод. Ведь когда холод достигнет уровня подземных грунтовых вод, начнется их превращение в лед, а вместе с этим и вспучивание грунта. Впрочем, если бы этот процесс шея равномерно, то особой проблемы не возникало бы: зимой дом равномерно приподнялся, а весной равномерно опустился. Однако вспучивание практически никогда не бывает равномерным, что приводит к перекосу фундамента, перераспределению нагрузок в нем и во всем строении. В результате могут появиться трещины, как в самом фундаменте, так и в стенах дома.

Согласно положениям СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» к пучинистым относятся все находящиеся во влажном состоянии глинистые грунты, мелкие и пылеватые пески, а также крупнообломочные грунты, имеющие фрагменты с пылевато-глинистые заполнением. В сухом же состоянии перечисленные грунты отнесены к практически непучинистым. Поэтому при повышенной влажности грунта фундамент дома рекомендуется закладывать не выше глубины промерзания. Кроме того, необходимо учитывать, что глубина промерзания влажных грунтов у фундамента зависит от основного теплового режима дома. Так, например, эта глубина под отапливаемым зданием уменьшается на 30—50 % от нормативно-расчетного показателя. В ходе геологических изысканий были получены характеристики грунта вашего участка. Неплохо, если фундамент будет опираться на крупнообломочный грунт природного происхождения. Не следует волноваться и в том случае, если на вашем участке преимущественно однородные песчаные грунты, состоящие из крупнозернистого песка. Правильно рассчитанный и заложенный фундамент даст равномерную осадку и в дальнейшем, как правило, не будет перекашиваться, и испытывать от грунта сильных нагрузок

Как улучшить характеристики физических свойств разновидностей грунтов

Не стоит расстраиваться, и тем более отказываться от строительства, в том случае, если в результате геологических изысканий обнаружилось, что грунт на вашем участке глинистый, или мелкозернистый и пылевидный песок, или даже торфянистый. Существует множество способов, как улучшить физические характеристики разновидностей грунтов, правда, они приводят к дополнительным финансовым затратам, размер которых лучше оценить заранее.

Мелкозернистый и пылевидный песок, а также глинистые грунты обеспечивают приемлемые характеристики только в сухом состоянии. При обилии влаги они становятся текучими, а в зимнее время, промерзая, пучинятся. Чтобы этого не происходило, проводят специальные мероприятия, например, заглубляют подошвы фундамента ниже глубины промерзания почвы. Кроме того, как советуют некоторые специалисты, на таких грунтах желательно ставить тяжелый дом, со стенами из кирпича или блоков, поскольку легкую конструкцию при зимнем пучении грунт выдавит.

Хороший результат дает искусственно созданное для фундамента песчаное основание, так называемая песчаная подушка. Ее часто устраивают под ленточный фундамент при строительстве загородных домов без подвала. Толщина «подушки» может достигать половины всей высоты фундамента, а так как песок дешевле, чем бетон и арматура, это дает неплохую экономию финансов. Да и сама процедура весьма проста: средне- или крупнозернистый песок засыпают в траншею или котлован слоями по 150—200 мм, тщательно утрамбовывают и каждый слой проливают водой.

Если вам достался участок на торфянике, следует просто убрать весь торф и засыпать образовавшийся котлован песком, сделав песчаную подушку.

В том случае, если уровень грунтовых вод на вашем участке высок и их захватывает глубина промерзания, то необходимо провести работы, направленные на понижение этого уровня (осушение, прокладка глубоко расположенных дренажных канав и т. д). Особое внимание следует уделить и отводу поверхностных, атмосферных и производственных вод путем организации вертикальной планировки, ливнестоков, водоотводных канав или лотков.

Необходимо предпринять меры, направленные на снижение сил морозного пучения. Для этого следует возводить фундаменты простейших форм с минимальной площадью поперечного сечения, например столбчатые или свайные, и снижать глубину промерзания грунта около фундаментов теплоизоляционными материалами.

Морозное пучение

Теория

    Морозное пучение – это увеличение объема влажного грунта вследствие его промерзания. Увеличение плотности воды при охлаждении объясняется тем, что молекулы воды замедляют свое движение, но это справедливо лишь до температуры 4° С, при которой вода имеет наибольшую плотность. В диапазоне температур от 4 до 0° С в молекуле воды происходит перестройка водородно-кислородных связей и возникает иная молекулярная структура. Новый вид межмолекулярной связи образует менее плотную упаковку молекул, так что объем воды увеличивается. Такой перестройкой молекулярной структуры и объясняется расширение воды при замерзании (кстати, кроме воды, таким свойством обладают сурьма, висмут, галлий, германий и некоторые соединения и смеси). Плотность воды составляет 1000 кг/м.куб., плотность льда 916 кг/м.куб., это значит, что при одинаковой массе лед будет занимать больший объем, нежели вода примерно на 9%. Зимой вода, содержащаяся в грунте, превращается в лед, увеличиваясь в объеме, и тем самым создает давление на грунт. Под действием этого давления грунт начинает двигаться. Это давление не может продавить глубоко залегающие нижние плотные слои грунта, поэтому выдавливает грунт вверх, а вместе с ним и фундамент дома.

    Грунты по степени пучинистости подразделяют на следующие типы:

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

    Больше всего морозному пучению подвержены глинистые грунты (объем грунта может увеличиваться на 10-15%, то есть при глубине промерзания 1м поверхность грунта может подняться на 10-15 см). Песчаные грунты подвержены пучению гораздо меньше; каменистые и скальные – практически не подвержены. В глинах или мелких песках влага может достаточно высоко подниматься от уровня грунтовых вод за счёт капилярного эффекта. А между частицами крупнозернистого песка или гравия вода просачивается и уходит в нижележащие слои, а та влага, которая и содержится в песчаном грунте, распределяется в нем равномерно, поэтому пучение такого грунта происходит равномерно. Чем тоньше структура грунта, тем выше поднимается влага, тем более пучинистым будет грунт. Поднятие воды в грунте за счёт капилярного эффекта для суглинков может достигать 4 — 5м, в супесях — 1 — 1,5м, в пылеватых песках вода может подниматься на 0,5 — 1м. 

    Таким образом, степень пучинистости зависит не только от глубины промерзания грунта, но и от уровня грунтовых или паводковых вод, от зернового состава грунта. То есть, если у вас грунт — сплошная глина, но уровень грунтовых вод за 3 метра, глубина промерзания 1 метр и вы хорошо сделали дренаж — вы имеете в общем-то слабопучинистый грунт. Но если у вас та же глина в том же климате, но уровень грунтовых вод около 1 метра, да ещё и дренаж не сделали — грунт будет чрезмернопучинистым и нужно приложить максимум усилий для компенсации пучинистых явлений.

Воздействие сил морозного пучения на фундамент

     Зимой сила пучения достаточно велика, чтобы поднять фундамент вместе с домом, при этом нет никакой гарантии, что приподнятый дом весной вернется в исходное положение. Это было бы не так страшно, если бы дом поднимался и опускался равномерно, но это не так. В результате в доме возникают перекосы стен, дверных проемов и окон. В наибольшей степени это относится к каркасным или щитовым домам, в меньшей степени к домам сложенным из бруса, так как они сами по себе представляют жесткую конструкцию. Стены кирпичного дома при пучении могут потрескаться из-за того, что фундамент поднимается неравномерно — с одной стороны больше, с другой меньше. Например, под отапливаемым домом земля не промерзает и часть фундамента под внутренними стенами дома не испытывает действия пучения, в то время как вокруг дома за внешними стенами фундамента промерзание есть. Осенью с северной стороны дома земля начинает промерзать быстрее, чем с южной: с одной стороны дома есть пучение, с другой — нет.

    Силы морозного пучения действуют не только на основание фундамента, но и на его боковые стенки, ведь грунт увеличивается в объеме не только под основанием фундамента, но и вокруг него. Грунт, находящийся вокруг фундамента, зимой примерзает к его стенкам и при движении тянет его за собой. Таким образом, всю силу пучения можно разложить на две составляющие: одна действует на основание (нормальная составляющая), вторая на стенки (касательная составляющая). Чем глубже закладывается фундамент, тем меньше сила пучения, которая действует на основание фундамента. Но, вместе с тем, боковая поверхность увеличивается и с ней увеличивается суммарная касательная сила, действующая на стенки фундамента. Воздействие касательного пучения может быть очень значительным – до 5-7 т/м.кв. Этого хватит, чтобы выдавить из грунта глубоко заглубленный фундамент, на котором возведен легкий каркасный дом, вес которого не способен уравновесить действие пучения. Поэтому заглубление фундамента на глубину ниже глубины промерзания совсем не гарантирует его устойчивость к пучению. Например, столбчатый фундамент деревянного каркасного дома, заглубленный на два метра, будет выталкиваться вверх касательными силами морозного пучения, основания столбиков фундамента будут отрываться от слоя грунта, на который они опирались, грунт будет сыпаться в образовавшийся зазор и заполнит его. Весной, когда земля оттает, столбику некуда будет опускаться, он так и останется в «приподнятом» состоянии, а на следующий год история повторится.

Существует две крайности:

• Глубоко заглубленный фундамент: на его основание не действуют силы пучения, зато на его боковую стенку их воздействие максимально. Заглубленные фундаменты применяются для строительства кирпичных, каменных и бетонных домов, вес которых должен уравновесить действие касательных сил пучения.

• Мелко заглубленный фундамент: на его основание силы пучения действуют в полной мере, но зато минимально их касательное воздействие на боковые стенки. Такие фундаменты применяются для строительства каркасных, щитовых и деревянных домов.

Как бороться с силами пучения?

      Для защиты от морозного пучения существует три основных способа:

• замена грунта на непучинистый;

• удаление влаги из грунта;

• утепление грунта;

• придание гладкой и ровной поверхности фундаменту.

      Замена грунта на непучинистый (т.е. на песчаный), пожалуй, самая распространённая практика при возведении фундамента. Под его основание укладывают подушку из  утрамбованного  песка  высотой  около  30 см  и  шириной  на 20 см больше, чем ширина фундамента. Смысл этой подушки в том, чтобы, во-первых, равномернее распределить нагрузку от фундамента, во-вторых, уменьшить действие нормальной составляющей сил пучения на мелкозаглубленный фундамент, в-третьих, равномерно распределить возможную влагу вокруг фундамента (если вокруг глина, она не пропускает воду и может создавать области по разному увлажнённые, из за чего морозное пучение будет по разному действовать в разных местах). Здесь надо понимать, что песчаная подушка снижает действие пучения не за счет того, что песок непучинистый грунт, а за счет уменьшения слоя пучинистого грунта. Если при глубине промерзания 1,5 м укладывать фундамент на глубину 1 м, то слой пучинистого грунта составит 50 см а его возможное увеличение до 5 см. Если под тот же фундамент делать песчаную подушку 30 см, то слой пучинистого грунта составит уже не 50 см а 30 см, и его возможное увеличение будет не больше 3 см. Непучинистый грунт также рекомендуется использовать для обратной засыпки после того, как фундамент залит и опалубка с него снята. Так в непосредственном контакте с фундаментом будет находиться непучинистый грунт, не содержащий влаги, который не будет примерзать к его стенкам. Со временем (через несколько лет) песок в обратной засыпке и в подушке может заилиться: частички глины из окружающего грунта будут попадать в него, и он потеряет свои непучинистые свойства. Для защиты от заиливания песчаную подушку и обратную засыпку нужно отделить от остального грунта пленкой или фильтрующей тканью. И ещё, эту подушку из песка, если возможно, следует соединить с дренажной системой, отводящей верховодку и паводковые воды из под фундамента.

    Другая мера по борьбе против пучения — это удаление влаги. В свою очередь эту меру можно разделить на две составляющих — защита от попадания влаги с атмосферными осадками и удаление уже имеющейся влаги. Чтобы оградить грунт вокруг фундамента от осадков в виде дождя и тающего снега по всему периметру дома нужно делать отмостку. Ее ширина должна быть больше ширины обратной засыпки, чтобы вода отводилась подальше от фундамента, а лучше продумать систему ливневой канализации. Если уровень грунтовых вод на участке высок, и глина не даёт ей уходить в землю — необходимо провести мелиорационные работы, прокопать дренажные каналы или уложить дренажные трубы (дрены).

   Утепление грунта вокруг дома позволяет уменьшить или вообще исключить промерзание земли. Благодаря утеплению грунта становится возможно строительство мелкозаглубленных фундаментов за счет искусственного уменьшения глубины промерзания. Однако это возможно только в областях, где среднегодовая температура положительная. Ширина полосы утеплителя должна соответствовать глубине промерзания: если земля промерзает на 1 м, то утеплять надо вокруг дома полосу шириной 1 м. Толщина утеплителя зависит от его теплоизоляционных свойств и от климатических условий. Обычно закладывают экструзионный пенопласт толщиной 3 — 5 см.

    Еще одна мера по защите фундамента от морозного пучения, применяемая при строительстве любых видов фундаментов, — это сделать его поверхность более гладкой. Сам по себе бетон — пористый материал, и с его поверхностью грунт хорошо смерзается и при пучении сильно воздействует на него. Самый простой способ устранить это — прокладывать рубероид между поверхностью фундамента и грунтом. Рубероид более гладкий материал, и движущийся грунт будет по нему скользить, и касательная составляющая силы пучения значительно снижается.

       Кстати, есть ещё один специфический способ — повышенное давление. Наличие давления от веса строения также сказывается на пучинистых явлениях. Если слой грунта под подошвой фундамента сильно уплотнить, то степень пучинистости его так-же уменьшится из за уменьшения капилярного эффекта. Причём, чем больше давление, тем меньше величина пучения.

Что означает пористая почва? | Home Guides

Автор: SF Gate Contributor Обновлено 3 декабря 2020 г.

Пористые почвы включают крупные частицы, которые оставляют большие промежутки, известные как поры. Пространства между частицами глины, ила и песка, составляющими структуру почвы, удерживают воздух и воду. Размер и количество пор в почве влияет на то, сколько воды она может удерживать и как быстро вода вытекает из почвы.

Совет

Пористая почва — это пустоты или поры между частицами в почве.

Определение пористой почвы

Государственный колледж сельскохозяйственных наук Пенсильвании описывает почву как тонкий слой природных материалов, в основном битых горных пород, минералов и разлагающегося и разлагающегося органического материала, который покрывает Землю. Когда в почве содержится оптимальное количество воздуха и воды, она обеспечивает растениям поддержку и питательные вещества.

Почва содержит четыре основных материала согласно электронной библиотеке растений и почвоведения Университета Небраски. Четыре компонента — это воздух, вода, минеральные частицы и органические вещества.Идеальная почва содержит около 50 процентов воздуха и воды, удерживаемых в поровых пространствах между органическим материалом и минеральными частицами. Органический материал, живые существа и остатки живых существ составляют от одного до пяти процентов идеальной почвы, в то время как минеральные частицы, куски камней и минералов составляют от 45 до 49 процентов почвы.

Пористость означает пустоты или зазоры в материалах согласно Департаменту качества окружающей среды штата Луизиана. Крупные частицы и частицы, которые слипаются вместе, оставляют относительно небольшое количество больших промежутков, которые позволяют воздуху и воде легче перемещаться через почву, в то время как мелкие частицы оставляют в почве больше промежутков меньшего размера, которые увеличивают общее пространство, которое могут воздух и вода. занимать.Частицы глины самые маленькие, их средний диаметр составляет 0,002 миллиметра. Размер частиц ила составляет от 0,002 до 0,05 мм, в то время как песок — это любая частица, которая больше ила и меньше 2 мм в диаметре, как объяснил Департамент охраны окружающей среды штата Нью-Йорк.

Проницаемость и пористость

Проницаемость описывает соединенные поры, которые позволяют воздуху и воде проходить через почву. Пористость — это зазоры или пустоты в материале. Грунт или скальный материал могут иметь высокую пористость, но если пустоты не соединены, жидкость не может перемещаться из одной поры в другую.Капиллярная пористость в почве, означающая, что вода поднимается вверх от насыщенной зоны, выше в более мелкозернистых почвах.

Пористые почвы имеют низкую удерживающую способность для воды и быстро насыщаются. Большие поры позволяют воде быстро стекать через почву, а пористая почва часто содержит меньше питательных веществ, чем другие почвы. Частицы глины и органических веществ помогают удерживать питательные вещества в почве. Соотношение органических веществ и частиц глины определяет плодородие почвы.

Орошение и пористость

Пористость и проницаемость влияют на то, как поливная вода проходит через почву.В песчаных почвах с большими порами вода находится под сильным влиянием силы тяжести. Пористость песка и других крупных почв позволяет воде стечь прямо с поверхности. В глинистых почвах с небольшими порами вода движется медленно и распространяется наружу от того места, где она наносится, за счет капиллярного действия.

В песчаной почве поливная вода может проникать на глубину 72 дюймов под поверхностью в течение 24 часов после нанесения. В почвах с высоким содержанием глины вода проникает только на глубину примерно 36 дюймов за 24 часа.Корневая система растений обычно растет по направлению к воде в почве. В пористых почвах корневая система обычно проникает глубже, чем в тяжелых глинистых почвах, где вода остается ближе к поверхности.

Растения, растущие в пористой почве, используют такое же количество воды, как и растения, растущие в глине, но нуждаются в частом поливе для поддержания постоянного водоснабжения корневой зоны растений. Лучший способ поливать растения, растущие в пористой почве, — чаще поливать меньшим количеством воды.Характеристики быстрого дренажа пористых почв позволяют питательным веществам быстро вымываться из почвы, ограничивая эффективность удобрений на пористой почве. Вы можете возделывать компост или другую форму органического вещества в пористую почву, чтобы улучшить ее водоудерживающую способность и плодородие.

Как получить пористый грунт в саду

Изучая потребности растений, часто рекомендуется сажать их в богатую, хорошо дренированную почву. В этих инструкциях очень редко подробно описывается, что именно означает «богатый и хорошо дренирующий».«Когда мы рассматриваем качество нашей почвы, мы обычно ориентируемся на текстуру твердых частиц. Например, они песчаные, суглинистые или глинистые? Однако именно промежутки между этими частицами почвы, пустоты или поры чаще всего определяют качество самой почвы. Так что же делает почву пористой? Щелкните здесь для получения информации о пористости почвы.

Информация о пористости почвы

Пористость почвы или поровое пространство почвы — это небольшие пустоты между частицами почвы. В вересковой почве эти поры достаточно велики и многочисленны, чтобы удерживать воду, кислород и питательные вещества, необходимые растениям для поглощения их корнями.Пористость почвы обычно подразделяется на три категории: микропоры, макропоры или биопоры.

Эти три категории описывают размер пор и помогают нам понять проницаемость почвы и водоудерживающую способность. Например, вода и питательные вещества в макропорах будут потеряны под действием силы тяжести быстрее, в то время как очень маленькие пространства микропор не так подвержены влиянию силы тяжести и дольше задерживают воду и питательные вещества.

Пористость почвы зависит от текстуры частиц почвы, структуры почвы, уплотнения почвы и количества органического материала.Почва с мелкой текстурой способна удерживать больше воды, чем почва с крупной текстурой. Например, ил и глинистые почвы имеют более мелкую структуру и субмикропористость; следовательно, они способны удерживать больше воды, чем грубые песчаные почвы, которые имеют более крупные макропоры.

Как мелкозернистые почвы с микропорами, так и грубые почвы с макропорами могут также содержать большие пустоты, известные как биопоры. Биопоры — это промежутки между частицами почвы, созданные дождевыми червями, другими насекомыми или разлагающимися корнями растений.Эти более крупные пустоты могут увеличить скорость, с которой вода и питательные вещества проникают в почву.

Что делает почву пористой?

Хотя маленькие микропоры глинистой почвы могут удерживать воду и питательные вещества дольше, чем песчаная почва, сами поры часто слишком малы, чтобы корни растений могли должным образом их поглощать. Кислород, который является еще одним важным элементом, необходимым в порах почвы для правильного роста растений, также может иметь проблемы с проникновением в глинистые почвы. Кроме того, в уплотненных почвах уменьшилось поровое пространство, чтобы удерживать необходимую воду, кислород и питательные вещества, необходимые для развития растений.

Поэтому важно знать, как получить пористую почву в саду, если вы хотите более здоровый рост растений. Итак, как мы можем создать здоровую пористую почву, если мы оказываемся с глинистой или уплотненной почвой? Обычно это так же просто, как тщательно перемешать органический материал, такой как торфяной мох или садовый гипс, для увеличения пористости почвы.

При смешивании с глинистой почвой, например, садовый гипс или другие разрыхляющие органические материалы могут открывать поровое пространство между частицами почвы, высвобождая воду и питательные вещества, которые застряли в мелких микропорах, и позволяя кислороду проникать в почву.

Porous Soil — обзор

10.2.1 Модели с физическими утечками

Есть только два способа, которыми человек собирается обнаружить утечку без помощи технологии обнаружения утечек. Один из способов состоит в том, чтобы контроллер независимо заметил (через входы системы SCADA), что существует дисбаланс потоков или какой-то необычный переходный процесс, возможно, некоторый набор сигналов тревоги устройства, который, возможно, указывает на утечку. Мы не обсуждаем здесь эту возможность, не потому, что она не важна.Скорее, это связано с тем, что мыслительные процессы, используемые контроллером, будут в значительной степени дублировать средства, с помощью которых внутренний LDS обнаружит утечку.

Другой способ — наблюдать за самим товаром после того, как он вышел из трубы. Это прямое наблюдение. Такое обнаружение автоматически помещает людей в особые случаи внешних систем обнаружения утечек (см. Главу 7: Типы внешних и прерывистых систем обнаружения утечек). Чтобы понять, насколько эффективно это может работать, нам необходимо разработать простые иллюстративные или пояснительные физические модели, которые в общих чертах описывают, как товар ведет себя от начала утечки до момента, когда она будет обнаружена.В главе 7 отмечалось, что миграция разлитого жидкого товара является сложной проблемой; поэтому, чтобы справиться с проблемами, которые влияют на прямое наблюдение, в этом разделе мы анализируем только два типа упрощенных выпусков. Первый тип — это жидкий товар с низким расходом и низким давлением пара, проливаемый на землю из надземной трубы или других компонентов. Второй — низковольтный продукт с низким расходом, выпущенный из источника высокого давления в однородный грунт из заглубленной трубы. Эти случаи с низким расходом особенно сложны для подходов к внутренней технологии обнаружения утечек, таких как баланс массы, RTTM или подходы с волнами разрежения (или, если на то пошло, контроллер трубопровода, ограниченный данными, доступными только через систему SCADA).

Мы не рассматриваем более сложные выбросы, связанные со сложной геометрией подземного грунта, разливы, связанные с жидкостями HVP, или выбросы газообразных продуктов. Частично это связано с тем, что в ограниченном пространстве, доступном для этой книги, невозможно рассмотреть все возможные случаи потерь, которые могут возникнуть. Мы также не рассматриваем распространение нефтяных пятен на воде (опять же, потому что это довольно большая тема), за исключением того, что отметим, что разливы воды имеют тенденцию быстро распространяться и рассеиваться, и, следовательно, они имеют тенденцию к большему загрязнению.Они также имеют тенденцию воздействовать на несколько отдельных сторон одновременно. Обнаружение HVP и газовых товаров часто ускоряется тем фактом, что эти жидкости часто легковоспламеняющиеся (яркие!) Или взрывоопасные (громкие!), Что часто приводит к их быстрому обнаружению на значительных расстояниях… людьми.

Прежде чем мы начнем, давайте вспомним, что мы ищем физические описания, консервативные в отношении открытий. То есть нам нужны модели, которые будут стремиться минимизировать вероятность или частоту обнаружения со стороны наблюдателей на месте, оставаясь при этом физически разумными.

Давайте начнем с рассмотрения разлива жидких углеводородов непосредственно на твердую почву. Земля может быть непроницаемой (например, бетонная площадка) или проницаемой (почва, песок или гравий). Решение уравнений, описывающих вязкие гравитационные токи, связанные с расширением бассейна из-за продолжающейся утечки потока, q _Leak , на горизонтальной непроницаемой поверхности, приведено в [7]:

Уравнение 10.1. Радиус разлива жидкости на непроницаемую поверхность

, где R _Разлив — это радиус разлива пролитого товара на земле, т, — время после начала утечки, г, — ускорение свободного падения и υ. — кинематическая вязкость товара.Поскольку мы предполагаем, что утечка происходит из надземной трубы или компонента, мы можем предположить, что скорость потенциально может быть рассчитана на основе диаметра выпускного отверстия и коэффициента отверстия, если известно внутреннее давление трубы. Обратите внимание, что уравнение. (10.1) не включает эффекты испарения, которые предположительно могут ограничить размер разлива и ограничить его полезность для товаров HVP. Если разлив находится на проницаемой поверхности с константой насыщенной проницаемости k _Грунт (единицы расстояния в квадрате) для пористой почвы, то разлитый товарный бассейн перейдет к дренированию и стабилизируется на время т > т _T [8], где:

Уравнение 10.2. Переход к режиму слива при разливе

Если t > t _T , то радиус разлива постоянный. Обратите внимание, что k _Почва сильно зависит от типа почвы. Постоянное максимальное значение радиуса дается формулой. (10.1), при т установить равным т _т . Обратите внимание, что как только радиус разлива стабилизируется перед лицом продолжающейся утечки, это означает, что весь поток протекающего продукта теперь стекает в непрерывно расширяющуюся луковицу почвы под источником разлива, где размер загрязненной луковицы почвы является функцией фракции пористости грунта ε _Грунт .Это означает, что при данных обстоятельствах может потребоваться восстановление значительного количества почвы.

Теперь рассмотрим утечку из трубы, проложенной в сухой почве. Такая утечка может возникнуть из-за разрыва трубы или неисправного коррозионного дефекта. Как обсуждалось в главе 7 «Типы систем обнаружения внешних и прерывистых утечек», поток материала в почву будет зависеть от давления источника и размера отверстия в трубе. Маленькие отверстия обычно связаны с нисходящими гравитационными потоками, тогда как более крупные утечки в высокопроницаемый грунт имеют тенденцию иметь более сферические фронты проникновения и минимальное гравитационное искажение.Рассмотрим модель последнего. Если грунт хорошо уплотнен вокруг трубы и однороден по свойствам и протяженности, то мы имеем условие потока Дарси, при котором локальная составляющая скорости подземного товарного потока u _DF в координатном направлении i под поверхностью почва определяется по формуле:

Уравнение 10.3. Скорость потока жидкого товара по Дарси из скрытого источника утечки

В этом уравнении μ — это вязкость товара, а p — местное давление товара.Если рассматривать переходную ситуацию, то можно использовать нестационарное уравнение Ричардса [9]. Это уравнение выражается в нескольких формах, одна из которых — матричная форма заголовка:

Уравнение 10.4. Уравнение Ричардса для диффузионного потока Дарси

, где ψ _C — это жидкая товарная матрица или натяжная головка (единицы длины), z — координата расстояния по вертикали, а K _S — гидравлическая проводимость ( длина / время):

Уравнение 10.5. Гидравлическая проводимость по уравнению Ричардса

Параметр µ _C — это вязкость товара, а C _S — это скорость изменения насыщения относительно функции гидравлического напора (1 / длина):

Уравнение 10.6. Функция насыщения по уравнению Ричардса

Здесь θ _C — это безразмерная товарная фракция, B _C — модуль объемной упругости товара, а ε _Soil — пористость почвы.Если почва полностью насыщена товаром, то матричный напор положительный и эквивалентен напору. Однако, если почва не насыщена (т. Е. Имеет некоторое оставшееся поровое пространство, все еще содержащее воздух), то напор может быть отрицательным, в первую очередь из-за капиллярного всасывания, возникающего в результате притяжения между товаром и почвой. Это всасывание увеличивается (т. Е. Напор становится более отрицательным) по мере того, как почва становится менее насыщенной товаром.

Это уравнение также предполагает, что почва сухая; он не учитывает воздействие воды в среде, окружающей трубу.Таким образом, он не подходит для любого анализа утечки товаров в водонасыщенную почву, как в случае, если труба находится ниже уровня грунтовых вод. В этих условиях потребуются более сложные многокомпонентные уравнения, и на форму уравнений будет влиять то, смешиваются ли вода и товар.

Если напор матрицы очень высок, как в случае утечки из подземной трубы, работающей под давлением, то мы можем пренебречь производной по вертикали на проводимости почвы, или:

Уравнение 10.7. Уравнение Ричардса для диффузионного потока Дарси (без учета силы тяжести)

Это уравнение сильно нелинейно и обычно требует численного решения. У него также есть раздвоение личности. Предполагается, что для данной комбинации грунта и товара относительная функция товарной емкости и удельная электропроводность грунта являются функциями натяжного напора, и, как следует из этих соотношений, эти параметры резко меняются при переходе масла из ненасыщенного в насыщенное состояния. Ранее мы отмечали, что, когда напор матрицы низкий и почва не насыщена, поры почвы не заполняются, и жидкость перемещается с большим сопротивлением, поскольку она будет двигаться в виде очень тонких пленок на частицах почвы.Это означает, что ненасыщенная жидкость будет иметь высокую доступную емкость и очень низкую проницаемость по сравнению с ситуацией, когда почва насыщена. Следовательно, жидкости трудно продвигаться в сухую почву из источника высокого давления, такого как протекающая труба. Когда это произойдет, поровые пространства должны полностью заполниться, чтобы занять больший объем, и он будет медленно продвигаться в почву с очень четким фронтом насыщенной жидкости.

Для точечного источника в бесконечной среде был представлен анализ расширяющегося полусферического насыщенного фронта инфильтрации в пористой среде [10], который мы адаптируем здесь для рассмотрения полностью сферического фронта инфильтрации.Мы предполагаем следующее: (1) отверстие для утечки жидкости достаточно мало, чтобы его можно было рассматривать как точечный источник, и геометрия трубы не влияет на раствор; (2) форма продвигающегося фронта жидкости, таким образом, представляет собой расширяющуюся сферу с отчетливым скачком концентрации поперек фронта; (3) жидкость течет радиально от источника к переднему фронту, и радиальная скорость равномерна вдоль переднего фронта; (4) градиент давления радиальный; (5) гравитационными эффектами можно пренебречь; (6) сопротивление грунта высокое, а утечка относительно небольшая, поэтому мы можем пренебречь эффектами отверстия в отверстии; и (7) мы пренебрегаем поверхностными эффектами испарения и растекания, когда фронт выходит за пределы поверхности (подробнее об этом позже).

См. Рис. 10.3. Мы видим источник утечки, возникший в момент времени t ₀ и погребенный на глубине d _B , с серией последовательных сфер вторжения и прогрессивными временами t ₁ , t ₂ и т ₃ . Давайте сначала рассмотрим время до того, как сфера вторжения достигнет поверхности. Поскольку объем внутри любой конкретной сферы проникновения радиусом r _INT насыщен, мы можем определить скорость потока утечки как:

Рисунок 10.3. Фронт сферической инфильтрации от утечки заглубленного трубопровода.

Уравнение 10.8. Скорость утечки из подземного источника под давлением

, где u _INT — это радиальная скорость, которая, согласно закону Дарси, позволяет нам выразить градиент давления как:

Уравнение 10.9. Градиент давления для сферически расширяющегося подземного источника сырья

Параметр µ снова является вязкостью товара. Пренебрегая перепадом давления на отверстии утечки, мы предполагаем, что давление в заглубленном источнике ( r _INT = r _S , радиус отверстия утечки) является рабочим давлением трубопровода p _PL и что давление при r _NT равно атмосферному давлению p _ATM .Интегрируя обе части этого уравнения и предполагая, что q _LEAK ( t ) постоянна как функция радиуса, получаем:

Уравнение 10.10. Интегрированное уравнение градиента давления (сфера инфильтрации Дарси)

Мы можем объединить уравнение. (10.8) с формулой. (10.10), чтобы получить:

Уравнение 10.11. Уравнение градиента давления инфильтрационной сферы

Интегрирование этого дает:

Уравнение 10.12. Радиус сферы инфильтрации vs.Время

За длительные периоды времени это упрощается до:

Уравнение 10.13. Упрощенное решение для зависимости радиуса сферы инфильтрации от времени

Если мы теперь снова подставим это в уравнение. (10.8), то мы находим, что временные компоненты радиального и скоростного членов сокращаются. Следовательно, в течение длительных периодов поток должен быть относительно постоянным или:

Уравнение 10.14. Скорость потока инфильтрационной сферы

Теперь мы можем объединить два последних уравнения, чтобы определить время прорыва, t _BT , которое требуется вторгающейся сфере, чтобы достичь поверхности земли:

Уравнение 10.15. Время прорыва инфильтрационной сферы

Наше упражнение предоставило модель, которая согласуется с теориями потока насыщенных и ненасыщенных жидких продуктов в проницаемых средах, обеспечивая при этом разумную оценку времени, необходимого для того, чтобы небольшая подземная утечка достигла поверхности. Теперь вернемся к рис. 10.3 и рассмотрим, что произойдет после того, как сфера вторжения достигнет поверхности. Давайте представим, что сфера вторжения просто игнорирует неоднородность поверхности земли и движется через нее.В этом случае мы можем использовать геометрию и уравнения. (10.13 и 10.14) для описания пересекающейся окружности на земле, определяющей наблюдаемый увлажненный бассейн товара с радиусом r _SI , определяемым по:

Уравнение 10.16. Радиус смоченного над землей бассейна из-за небольшой подземной утечки

Экспериментальная проверка модели фронта инфильтрации представлена ​​в [10], а для аналогичного двумерного цилиндрического линейного источника инфильтрации — в [11].

В действительности область проникновения в грунт, конечно, перестанет быть сферической, как только радиус сферы проникновения пересечет профиль грунта при t = t _BT .Одна из причин этого заключается в том, что эффективный градиент давления будет ограничиваться расстоянием между заглубленным источником утечки и землей, вызывая изгиб радиальных линий тока вверх, тем самым увеличивая фактический радиус смоченного бассейна r _P . Другая причина заключается в том, что если испарение ограничено, то вытекший продукт на земле будет накапливаться и течь радиально от центра бассейна. Несмотря на то, что разбрасываемый товар будет иметь тенденцию повторно проникать в почву из-за воздействия гравитационного течения, чистый эффект будет заключаться в увеличении размера бассейна.Фактически, практически все реальные эффекты будут иметь тенденцию к увеличению размера пула, так что r _SI < r _P . Это означает, что с точки зрения обнаружения утечек только человеком, r _SI должно быть достаточно в качестве консервативно небольшой оценки наблюдаемого размера разливной лужи.

На рис. 10.4 показаны расчетные диаметры разливов с использованием наших очень простых моделей для относительно небольшой утечки при 0,5% от номинального расхода 15 000 баррелей в сутки на основе утечек из наземных и заглубленных труб.Мы видим, что для надземных утечек разливы на непроницаемой поверхности, такой как бетонная подушка, приводят к разливу значительного диаметра, который, как ожидается, будет быстро идентифицирован, если вокруг есть наблюдатель, который его обнаружит. Однако, если разлив происходит на проницаемой среде, такой как хорошо отсортированный песок или гравий с низкой проницаемостью в диапазоне от 10 ⁻⁵ до 10 ⁻⁶ , то мы можем видеть, что разлив будет ограничен очень небольшие диаметры, потому что они будут впитываться в почву.Обратите внимание, что небольшой диаметр может вовсе не указывать на очень большой объем загрязненной почвы под наблюдаемым бассейном разлива.

Рисунок 10.4. Расчетный диаметр бассейна в зависимости от времени для утечки 0,5% номинального потока из трубопровода 15 000 баррелей в сутки.

Утечка из заглубленной трубы имеет несколько иную проблему обнаружения, заключающуюся в том, что при отсутствии обнаружения каким-либо другим механизмом (например, технологией обнаружения утечек) утечка перекрывается или скрывается до тех пор, пока инфильтрационная сфера не достигнет поверхности или не вызовет значительное изменение растительности над разливом.Даже в этом случае наша консервативная оценка диаметра бассейна растет медленно и, опять же, может не указывать на потенциально большой объем загрязненной почвы внутри покрывающей сферы.

Диффузия Дарси в почве — лишь одно из средств, с помощью которых может происходить масляное затмение. Другие возможности включают разливы, которые направляются к дренажным канавам, оврагам и ливневым стокам, перекрытие нефти из-за непроницаемого барьера (например, стоянки) наверху трубопровода, предпочтительный поток через почвы с низкой проницаемостью под поверхностью, преимущественная миграция нефти масло по трубе и (конечно) поток товара в воду.Также обратите внимание, что если утечка находится ниже или чуть выше уровня грунтовых вод, то поток товаров будет либо преимущественно внутри воды (если товар полярный), либо выше / ниже ее (если неполярный). Наконец, утечка под высоким давлением такого размера из неглубокого заглубления в верхней части трубы имеет явную вероятность нарушения целостности почвы над трубой, что приведет к растрескиванию или разрыву почвы и последующему короткому замыканию вытечь на поверхность. В этом случае утечка будет больше похожа на поверхностную утечку.Важно помнить, что все эти случаи в конечном итоге и качественно ведут себя как наши упрощенные модели: в конечном итоге они становятся обнаруживаемыми наблюдателями с некоторым запаздыванием.

Пористость почвы — обзор

Стабильность почвы

Стабильность агрегатов может влиять на широкий спектр свойств почвы, включая стабилизацию органического углерода, пористость почвы, инфильтрацию воды, аэрацию, уплотняемость, удержание воды, гидравлическую проводимость, сопротивление эрозии водой и сухопутный поток.Поддержание высокой стабильности почвенного агрегата необходимо для сохранения продуктивности почвы, минимизации эрозии и деградации почвы и, таким образом, минимизации загрязнения окружающей среды (Six et al., 2000).

OM способствует образованию агрегатов почвы (Verchot et al., 2011) и, таким образом, влияет на структуру и стабильность почвы посредством таких механизмов, как содействие связыванию минеральных частиц почвы, снижение смачиваемости агрегатов и влияние на механическую прочность агрегатов почвы, что является мерой когерентности межчастичных связей (Zinn et al., 2007). Стабилизация ОВ в почвенных агрегатах является основным механизмом длительного связывания органического углерода в ПОВ (Mohammadi and Motaghian, 2011). Гипотеза о том, что водная эрозия почвы может стать источником атмосферного углерода, в значительной степени основана на предположении, что водная эрозия ускоряет минерализацию SOC в основном из-за разрушения агрегатов. Согласно Лалу (2003), он может представлять собой значительный источник атмосферного CO ₂ 0,8–1,2 Пг C ^–1 в год.

В то время как увеличение ПОВ обычно связано с увеличением количества макроагрегатов, богатых органическим углеродом, долгосрочное связывание зависит от стабилизации органического углерода в микроагрегатах (Six et al., 2000). Более крупная фракция заполнителя была наиболее реактивной к изменениям в землепользовании, а совокупное нарушение, вызванное обработкой почвы, коррелировало с потерями органического углерода, ухудшением физических свойств почвы и качества почвы (Bronick and Lal, 2005; Six and Paustian, 2014). Ayoubi et al. (2012) обнаружили, что самый высокий процент из двух крупных агрегатов (т.е., 2,00–4,75 и 0,25–2,00 мм) в естественной лесной почве, а наибольший процент микроагрегатов (0,053–0,25 мм) — в окультуренных и нарушенных лесных почвах. Mikha и Rice (2004) показали, что агрегаты размером более 2,00 мм и 0,25–2,00 мм были выше в почве с нулевой вспашкой, чем в обычной плиточной почве. Однако наибольший процент мелких агрегатов (т. Е. 0,053–0,25 и 0,02–0,053 мм) имел место в почве, обработанной традиционным способом. Многие системы долгосрочного земледелия привели к снижению агрегации и стабильности макроагрегатов (Mikha, Rice, 2004).Уменьшение количества крупных агрегатов в обрабатываемой почве, вероятно, связано с деградацией молодого и относительно нестабильного ОВ, включая гифы грибов и корни растений крупных агрегатов, тогда как старое и более стабильное ОВ находилось в небольших агрегатах (Bronick and Lal, 2005; Wright and С отличием, 2005).

Увеличение содержания SOC в результате высокого поверхностного покрытия остатками и отсутствия нарушения почвы обычно сопровождается увеличением приповерхностной агрегации почвы, а также увеличением инфильтрации воды (Quintero and Comerford, 2013).Накопление SOC с одновременным увеличением биологической активности почвы может улучшить агрегацию почвы и создать макропоры, способные быстро направлять воду по профилю почвы (Shipitalo et al., 2000).

Растительность регулирует эрозию почвы и тем самым вносит важный вклад в устойчивость средиземноморской агролесоводческой системы (Olesen et al., 2011). Эрозия почвы наносит ущерб сельскохозяйственным экосистемам из-за потери ПОВ, питательных веществ и обработки почвы, но также наносит ущерб соседним экосистемам из-за переноса и осаждения отложений, питательных веществ и агрохимикатов (см. Главу 9 García et al.(2016) в этой книге).

An et al. (2009) показали, что вырубка лесов сильно повлияла на параметры качества почвы. Снижение качества почвы на участках с различной культурой также показывает важность сохранения естественной растительности на эродированных землях. Снижение эрозии почвы может быть достигнуто за счет соответствующего землепользования, например, облесения и естественной сукцессии на эродированных землях. An et al. (2010) сообщили, что совокупная стабильность почвы под лесными почвами была чрезвычайно высокой по сравнению с незащищенными залежами и пахотными почвами.

В окультуренных почвах структура почвы разрушается плугом, и стабилизирующее действие корневых волокон становится незначительным, поскольку корни измельчаются в результате обработки почвы и последующего микробного разложения (An et al., 2010). Поскольку поровое пространство увеличивалось из-за механического культивирования, воздухообмен увеличивал доступность кислорода для микробного разложения ОВ. Этот фактор в сочетании с ускоренной эрозией может быстро истощить ПОВ в пахотном слое и ослабить агрегативную устойчивость почвы (Six et al., 2000). Почвы пастбищ показали более высокую агрегативную стабильность, чем культивируемые почвы, благодаря обширному укоренению трав, более высокому содержанию SOC, постоянному покрытию растений и более высокой сохранности почвы (Bronick and Lal, 2005). Balabane и Plante (2004) сообщили, что более стабильные макроагрегаты в пастбищных почвах могут быть связаны с большим количеством микробной биомассы, растительных остатков, корней растений, полисахаридов и гуминовых материалов в макроагрегатах этих почв. Gol (2009) сообщил о значительно более крупных водостабильных агрегатах, содержании SOC и общем количестве азота в лесных и пастбищных почвах, чем в культурных почвах.

Садовые путеводители | Пористость различных типов почв

Структура почвы — один из важнейших аспектов выращивания здорового сада. Многие садоводы десятилетиями работают над созданием садовой почвы, богатой минеральными и органическими соединениями. Внимание к структуре почвы имеет решающее значение для достижения хорошей пористости почвы. Взгляд на несколько основных типов почвы поможет садовнику понять важность пористости.

Определение

Садовая почва состоит из нескольких основных частей: минерального состава и органических материалов.Основная масса минералов состоит из глины, ила и песка, из которых глина является самым мелким. Промежутки между минералами и органическими материалами в почве указывают на пористость. Вода и воздух сообщаются через почву в результате пористости.

• Структура почвы — один из важнейших аспектов выращивания здорового сада.
  
• Многие садоводы десятилетиями работают над созданием садовой почвы, богатой минеральными и органическими соединениями.

Важность

Пористость почвы влияет на дренаж, позволяя почве удерживать воду для потребления растениями и истощая лишнюю воду.Пористые почвы оставляют в почве пустоты, создавая аэрацию, которая важна для здоровья корней. Аэрация также способствует росту полезных микроорганизмов в почве. Низкая пористость способствует эрозии почвы, поскольку дождевая вода смывает частицы с поверхности, а не проникает в почву.

Глина и ил

Глина и ил имеют тенденцию слипаться, не позволяя воде и воздуху проникать в структуру почвы. Они обладают плохой пористостью почвы и не пропускают воду. На этих непористых, заболоченных почвах наблюдается плохая аэрация, и многие растения деградируют и погибают.

• Пористость почвы влияет на дренаж, позволяя почве удерживать воду для потребления растениями и выводя излишки воды.
  
• Глинистые и илистые почвы имеют тенденцию слипаться, не позволяя воде и воздуху проникать в структуру почвы.

Песок

С другой стороны, песчаные почвы хорошо дренируются и имеют довольно приличную пористость, хотя промежутки между частицами небольшие. Сильно песчаная почва не удерживает воду, а избыток воздуха в почве может быстро высушить корни во время засухи.

Суглинок

Садовые почвы с лучшей пористостью представляют собой суглинистые почвы, которые представляют собой смесь глины, ила и песка с органическими веществами. Суглинок удерживает воду и питательные вещества, передает их корням растений и выводит излишки воды. Их пористая природа позволяет проникать дождевой воде, уменьшая сток питательных веществ и минералов.

Улучшение почвы

Органическое вещество улучшает дренаж и пористость во всех трех типах почв. К глинистым и илистым почвам добавляется песок для улучшения дренажа.Песок выигрывает от небольшого количества добавленной глины или ила для улучшения удержания воды и питательных веществ. У супесей более крупные поры, чем у чистого песка.

• С другой стороны, песчаные почвы хорошо дренируются и имеют довольно приличную пористость, хотя промежутки между частицами небольшие.
  
• Садовые почвы с лучшей пористостью представляют собой суглинистые почвы, которые представляют собой смесь глины, ила и песка с органическими веществами.

Почва | Почему важна пористость почвы?

Пористое пространство в почве, также известное как пористость почвы, описывает количество отрицательного пространства между частицами почвы.Поры или поровые пространства образуются, когда корни растений, насекомые и земляные черви проходят через почву. Пористое пространство также создается, когда подземные жидкости выделяют газ и удобряемые материалы проникают в почву. В этой статье мы обсудим, почему пористость почвы важна, и методы, которые фермеры могут использовать для увеличения порового пространства.

Почему растениям нужно поровое пространство?

Одна из основных причин, по которой растениям нужно поровое пространство, заключается в том, что кислород накапливается в порах. Слишком плотно уплотненная почва не пропускает достаточное количество кислорода к корневой системе.

Растения более эффективно поглощают воду, когда почва аэрируется.

Важность аэрации и порового пространства зависит от рассматриваемой почвы, и обычно почвы бывают трех разных типов:

• Глина, эти частицы особенно мелкие и делают почву чрезвычайно плотной при добавлении воды.
• Песок, он содержит самые крупные частицы почвы с отдельными частицами, доступными невооруженному глазу.
• Ил, он имеет немного более крупные частицы, но опять же, когда к нему добавляют воду, частицы связываются так, что не способствует росту растений.

Майские почвы состоят из трех различных разновидностей.

Чем плотнее конкретный участок почвы, тем больше усилий нужно будет приложить от имени фермера для создания порового пространства, которое обеспечит движение воды, хранение кислорода и легкий рост корней.

Какие продукты могут увеличить поровое пространство?

Мы в Pro-Soil Ag Solutions посвятили свою карьеру лучшему пониманию почвы, чтобы максимизировать урожайность. Наша основная область исследований — это методы биологического земледелия.Одним из решений, которые мы предлагаем фермерам, является активация питательных веществ почвы с помощью биостимуляторов под землей. Эти продукты предназначены для раскрытия потенциала, уже присутствующего в вашей почве.

Мы также предлагаем IPS-100 , продукт, предназначенный для улучшения порового пространства в маргинальных и проблемных почвах. IPS-100 ™ действует как кондиционер почвы. Этот почвенный кондиционер борется с уплотнением, которое возникает при использовании тяжелой сельскохозяйственной техники, чтобы уменьшить ручной труд, необходимый для ведения сельского хозяйства.Уплотнение — один из основных факторов, ограничивающих выброс питательных веществ в почву.

IPS-100 увеличивает поровое пространство вокруг ризосферы растения. Поскольку плотная, уплотненная почва не может эффективно пропускать воду через себя, рост сельскохозяйственных культур замедляется. IPS-100, полностью культивируемый ферментный биостимулятор, обеспечивает исключительный дренаж почвы и способствует сохранению биоразнообразия.

чтений: пористость и проницаемость | Геология

Рисунок 1.Источник, выходящий из сланца возле Ред-Крик. Да, эта вода черная! (Фото: Мэтт Ирод)

Как мы узнали, грунтовые воды — это просто подземные воды. Однако до сих пор существует множество неправильных представлений о том, как люди представляют себе грунтовые воды. Многие представляют себе большие подземные озера и реки, и хотя они действительно существуют, они составляют бесконечно малый процент всех подземных вод. Вообще говоря, грунтовые воды существуют в поровых пространствах между зернами почвы и горными породами.Представьте себе губку, наполненную водой. Все отверстия в губке заполнены водой. Сжимая эту губку, мы вытесняем воду, точно так же, накачивая водоносный горизонт, мы вытесняем воду из порового пространства.

В гидрогеологии существует множество терминов, большинство из которых очень простые, но важные. Вот несколько из них и их значение.

Пористость

Пористость — неотъемлемое свойство каждого материала. Это относится к количеству пустого пространства в данном материале.В почве или скале существует пористость (пустое пространство) между зернами минералов. В таком материале, как гравий, зерна крупные, и между ними много пустого пространства, поскольку они не очень хорошо сочетаются друг с другом. Однако в таких материалах, как смесь гравия, песка и глины, пористость намного меньше, поскольку более мелкие зерна заполняют пустоты. Количество воды, которое может удерживать материал, напрямую связано с пористостью, поскольку вода будет пытаться заполнить пустоты в материале. Мы измеряем пористость по проценту пустого пространства, которое существует в определенной пористой среде.

Рис. 2. Пористость в двух разных средах. Изображение слева аналогично гравию, тогда как справа более мелкие частицы заполняют некоторые поры и вытесняют воду. Следовательно, влажность материала справа меньше. (Источник: Википедия)

Проницаемость

Рис. 3. Видео, показывающее, как соединенные поры обладают высокой проницаемостью и легко переносят воду. Обратите внимание, что некоторые поры изолированы и не могут транспортировать воду, захваченную в них.

Проницаемость — еще одно неотъемлемое свойство всех материалов, которое тесно связано с пористостью. Проницаемость означает, насколько поровые пространства связаны друг с другом. Если материал имеет высокую проницаемость, то поровые пространства соединены друг с другом, позволяя воде перетекать от одного к другому, однако, если имеется низкая проницаемость, поровые пространства изолируются, и вода задерживается внутри них. Например, в гравии все поры хорошо соединены друг с другом, позволяя воде течь через них, однако в глине большая часть поровых пространств заблокирована, что означает, что вода не может легко проходить через них.

Водоносный горизонт

Водоносный горизонт — это термин, обозначающий тип почвы или породы, способный удерживать и переносить воду, полностью насыщенную водой. Это означает, что все это просто слой почвы или породы, который имеет достаточно высокую пористость и проницаемость, что позволяет ему содержать воду и относительно быстро переносить ее из поры в пору, и все поровые пространства заполнены водой. Хорошими примерами водоносных горизонтов являются ледниковые тиллы или песчаные почвы, которые обладают как высокой пористостью, так и высокой проницаемостью.Водоносные горизонты позволяют нам быстро и легко восстанавливать грунтовые воды путем откачки. Однако перекачка может легко уменьшить количество воды в водоносном горизонте и вызвать его высыхание. Водоносные горизонты пополняются, когда поверхностная вода просачивается через землю и заполняет поровые пространства в водоносном горизонте. Этот процесс называется перезарядкой. Особенно важно следить за тем, чтобы подпитка была чистой и незагрязненной, иначе весь водоносный горизонт может быть загрязнен. Есть два основных типа водоносных горизонтов. Безнапорный водоносный горизонт — это водоносный горизонт, над которым нет водоносного горизонта, но обычно имеется под ним.

Когда водоносная порода легко передает воду к колодцам и источникам, она называется водоносным горизонтом. В водоносные горизонты можно пробурить скважины и откачивать воду. Осадки в конечном итоге добавляют воду (подпитывают) пористую породу водоносного горизонта. Однако скорость подпитки не одинакова для всех водоносных горизонтов, и это необходимо учитывать при откачке воды из колодца. Слишком высокая перекачка слишком большого количества воды приводит к опусканию воды в водоносный горизонт и, в конечном итоге, приводит к тому, что скважина дает все меньше и меньше воды и даже становится сухой.На самом деле, слишком быстрая откачка колодца может даже привести к высыханию колодца вашего соседа, если вы оба откачиваете воду из одного и того же водоносного горизонта.

На схеме ниже вы можете увидеть, как земля под уровнем грунтовых вод (синяя область) пропитана водой. «Ненасыщенная зона» над уровнем грунтовых вод (зеленоватая область) все еще содержит воду (в конце концов, в этой области обитают корни растений), но она не полностью насыщена водой. Вы можете увидеть это на двух рисунках в нижней части диаграммы, которые крупным планом показывают, как вода хранится между частицами подземных горных пород.

Рисунок 2.

Иногда слои пористой породы наклоняются в земле. Как над, так и под пористым слоем может быть ограничивающий слой из менее пористой породы. Это пример замкнутого водоносного горизонта. В этом случае породы, окружающие водоносный горизонт, ограничивают давление в пористой породе и ее воде. Если в этот «герметичный» водоносный горизонт пробурена скважина, внутреннего давления может быть (в зависимости от способности породы переносить воду) достаточно, чтобы протолкнуть воду вверх по скважине и на поверхность без помощи насоса, иногда полностью из колодца.Этот тип колодца называется артезианским. Напор воды из артезианской скважины может быть довольно большим.

Связь между водоносной способностью горных пород и глубиной, на которой они обнаружены, не обязательно существует. Очень плотный гранит, который не будет давать воды в колодец, может быть обнажен на поверхности земли. И наоборот, пористый песчаник, такой как упомянутый ранее песчаник Дакота, может лежать на сотни или тысячи футов ниже поверхности земли и может давать сотни галлонов воды в минуту.Скалы, дающие пресную воду, были обнаружены на глубине более 6000 футов, а соленая вода поступала из нефтяных скважин на глубине более 30 000 футов. Однако в среднем пористость и проницаемость горных пород уменьшаются по мере увеличения их глубины под земной поверхностью; поры и трещины в породах на больших глубинах закрываются или сильно уменьшаются в размерах из-за веса вышележащих пород.

Движение воды в водоносных горизонтах

Движение воды в водоносных горизонтах сильно зависит от проницаемости материала водоносного горизонта.Проницаемый материал содержит взаимосвязанные трещины или пространства, которые достаточно многочисленны и достаточно велики, чтобы вода могла свободно перемещаться. В некоторых проницаемых материалах грунтовые воды могут перемещаться на несколько метров за день; в других местах он перемещается всего на несколько сантиметров за столетие. Подземные воды движутся очень медленно через относительно непроницаемые материалы, такие как глина и сланец.

После входа в водоносный горизонт вода медленно движется к более низким местам и в конечном итоге выходит из водоносного горизонта из источников, просачивается в ручьи или выводится из грунта колодцами.Подземные воды в водоносных горизонтах между слоями плохо проницаемой породы, такой как глина или сланец, могут удерживаться под давлением. Если такой замкнутый водоносный горизонт выкачивается из скважины, вода поднимется над верхней частью водоносного горизонта и может даже вытекать из колодца на поверхность земли. Вода, удерживаемая таким образом, называется артезианским давлением, а водоносный горизонт называется артезианским водоносным горизонтом.

Визуализация артезианского давления

Вот небольшой эксперимент, чтобы показать вам, как работает артезианское давление.Наполните пластиковый пакет для сэндвичей водой, вставьте соломинку в отверстие, заклейте отверстие лентой вокруг соломинки, направьте соломинку , а не на учителя или родителей, а затем сожмите пакет. Через соломинку выталкивается артезианская вода.

Aquitard

Другой тип — это замкнутый водоносный горизонт, имеющий водоносный горизонт выше и ниже него. Водоносный горизонт — это в основном противоположность водоносному горизонту с одним ключевым исключением. Аквитарды имеют очень низкую проницаемость и вообще плохо переносят воду.Фактически, в земле они часто служат барьером для потока воды и разделяют два водоносных горизонта. Единственным ключевым исключением является то, что водоемы могут иметь высокую пористость и удерживать много воды, однако из-за своей низкой проницаемости они не могут передавать ее из поры в пору, и поэтому вода не может хорошо течь внутри водоема. Хороший пример водоема — слой глины. Глина часто имеет высокую пористость, но почти не проницаемость, что означает, что это, по сути, барьер, через который вода не может протекать, и вода внутри него задерживается.Тем не менее, поток воды в водоёмах всё ещё ограничен из-за других процессов, в которые я сейчас не буду вдаваться.