ЕКСПЕРТНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ГЛИБИНИ ПРОМЕРЗАННЯ ҐРУНТУ

Морозне пучіння ґрунтів — це складний фізико-геологічний процес, що характеризується збільшенням об’єму ґрунту при замерзанні води, яка міститься в його порах. Цей феномен є однією з головних причин деформації фундаментів та інженерних споруд у зонах сезонного промерзання. Основними передумовами для розвитку пучіння є наявність дрібнодисперсних ґрунтів (суглинки, глини, пилуваті піски) з високим вмістом вологи, температура ґрунту нижче 0°C та постійний притік води до фронту промерзання.

Механізм пучіння полягає у формуванні лінз льоду (кріоструктур) у тілі ґрунту. Коли вода в порах ґрунту замерзає, вона розширюється приблизно на 9%, що саме по собі викликає незначне підняття. Однак основний вплив пучіння відбувається через міграцію капілярної вологи з глибинних, незамерзаючих шарів до фронту промерзання. Ця вода накопичується і замерзає, утворюючи великі лінзи льоду, які значно збільшують об’єм ґрунту, піднімаючи його. Тиск, що виникає при цьому, може досягати 0.2-0.5 МПа (200-500 тонн на квадратний метр), що перевищує несучу здатність багатьох фундаментів.

Згідно з ДБН В.2.1-10:2018 ‘Основи та фундаменти споруд. Основні положення’, ґрунти за ступенем пучинистості класифікуються на: слабопучиністі (приріст об’єму до 3%), середньопучиністі (3-7%), сильнопучиністі (понад 7%) та непучиністі (менше 1%). Наслідки морозного пучіння можуть бути катастрофічними: нерівномірні осідання та підняття фундаментів, тріщини в стінах, деформація віконних і дверних прорізів, порушення цілісності інженерних комунікацій. Тому точне визначення глибини промерзання та розробка адекватних інженерних рішень є критично важливими для довговічності будь-якої будівлі.

Для детальнішого розуміння способів уникнення проблем з ділянкою, рекомендуємо ознайомитися зі статтею ‘Як вибрати ділянку’.

Нормативна глибина промерзання ґрунту (НПГ) — це усереднене багаторічне значення максимальної глибини, на яку ґрунт промерзає за умови відсутності снігового покриву та інших теплових впливів. В Україні цей показник регламентується ДБН В.2.1-10:2018 ‘Основи та фундаменти споруд. Основні положення’, який встановлює як загальні нормативні значення для різних регіонів країни, так і методи їх розрахунку.

Розрахункова глибина промерзання фундаменту (d_f) визначається за формулою:

d_f = k * d_0

Де:

• d_f – розрахункова глибина промерзання ґрунту, м;
• k – коефіцієнт, що враховує тепловий вплив будівлі, особливості ґрунту та інші фактори. Залежить від типу ґрунту та конструкції фундаменту. Для піщаних і глинистих ґрунтів значення k може варіюватися від 1.0 до 1.4, а для скельних ґрунтів він може бути меншим;
• d_0 – нормативна глибина промерзання ґрунту, м. Цей показник для конкретного регіону України можна знайти у додатках до ДБН В.2.1-10:2018 або на спеціалізованих кліматичних картах. Наприклад, для Київської області нормативна глибина промерзання може коливатися в межах 0.9–1.2 м залежно від місцевості та мікроклімату.

Важливо розуміти, що d_0 – це лише відправна точка. Фактична розрахункова глибина закладання фундаменту повинна враховувати не тільки температурний режим, а й геологічні характеристики ділянки, рівень ґрунтових вод, а також конструктивні особливості самої будівлі. Для маловідповідальних споруд допускається використання усереднених карт, але для капітальних будівель обов’язковими є інженерно-геологічні вишукування.

Недостатня глибина закладання фундаменту може призвести до циклічних підйомів та опускань конструкції, що викликає руйнування. Навпаки, надмірне заглиблення — це необґрунтовані витрати на земляні роботи та матеріали. Оптимальне проєктування вимагає ретельного аналізу всіх вихідних даних.

Для точного визначення глибини промерзання ґрунту та прогнозування поведінки основи будівлі, проведення комплексних інженерно-геологічних вишукувань є невід’ємною частиною проєктування. Цей етап дозволяє отримати об’єктивні дані про склад, стан та фізико-механічні властивості ґрунтів на конкретній ділянці, що є критично важливим для коректного розрахунку глибини закладання фундаменту та протидії морозному пучінню.

Процес гео-розвідки включає кілька ключових етапів:

• Буріння свердловин: Виконується для відбору зразків ґрунту з різних глибин. Кількість та глибина свердловин залежить від розмірів ділянки, складності геологічної будови та типу майбутньої споруди. Зазвичай, мінімальна глибина буріння повинна перевищувати передбачувану глибину промерзання та глибину стисливої товщі ґрунту.
• Статичне та динамічне зондування: Методи, що дозволяють оцінити щільність, опір ґрунту та його деформаційні характеристики безпосередньо на місці, що особливо важливо для визначення однорідності ґрунтового масиву.
• Лабораторні дослідження зразків ґрунту: Відібрані зразки аналізуються на вміст вологи, гранулометричний склад, коефіцієнт пучинистості, межі пластичності та інші параметри. Ці дані є основою для класифікації ґрунтів і визначення їхньої схильності до морозного пучіння.
• Визначення рівня ґрунтових вод (РҐВ): Один з найважливіших показників, оскільки наявність високого РҐВ значно підвищує ризик морозного пучіння. Моніторинг РҐВ проводиться у свердловинах протягом тривалого часу, щоб зафіксувати сезонні коливання.

На основі отриманих даних інженери-геологи складають технічний звіт, що містить рекомендації щодо типу фундаменту, глибини його закладання, необхідності проведення дренажних робіт (детальніше про дренаж) та інших заходів із захисту від пучіння. Ігнорування або спрощення етапу гео-розвідки – це прямий шлях до непередбачених витрат та потенційних проблем з експлуатацією будівлі. Наприклад, для об’єкта площею 100 м² та бюджетом 150 000 USD, вартість вишукувань у 1000-2000 USD становить менше 1.5%, але економить десятки тисяч на ремонті майбутніх деформацій.

Стрічковий фундамент є одним з найпоширеніших типів фундаментів, який успішно застосовується для більшості типів будівель. Однак, його проєктування в умовах морозного пучіння вимагає особливої уваги до глибини закладання та комплексу захисних заходів. Ключове правило: підошва фундаменту повинна розташовуватися нижче розрахункової глибини промерзання (d_f), щоб уникнути дії пучиністих сил, що діють знизу.

Детальний розбір вузла стрічкового фундаменту, захищеного від промерзання, включає:

• Глибина закладання: Визначається за формулою d_f = k * d_0, де d_0 береться з ДБН В.2.1-10:2018, а k — коефіцієнт, що враховує тепловий режим будівлі. Наприклад, для малоповерхових будівель у глинистих ґрунтах, глибина може складати 1.2-1.4 м для регіонів з d_0 = 1.0 м.
• Піщана подушка: На дно траншеї укладається шар піску (15-30 см), який виконує роль дренажного та непучинистого прошарку. Це запобігає прямому контакту пучинистого ґрунту з підошвою фундаменту.
• Дренажна система: Для зниження рівня ґрунтових вод і відведення сезонних опадів навколо фундаменту влаштовується кільцевий дренаж. Це мінімізує водонасичення ґрунту, що є основним фактором пучіння.
• Утеплення цоколя та вимощення: Горизонтальне утеплення вимощення з ЕППС (екструдований пінополістирол) та вертикальне утеплення цокольної частини фундаменту значно змінюють температурний режим ґрунту навколо. Шар ЕППС товщиною 50-100 мм і шириною 1.0-1.2 м від стіни може зменшити фактичну глибину промерзання ґрунту біля фундаменту на 20-30%, дозволяючи закласти фундамент на меншу глибину (при відповідному розрахунковому обґрунтуванні згідно ДСТУ Б В.2.6-189:2013). Це рішення особливо ефективне на ділянках зі складними ґрунтами.
• Армування: Арматурний каркас стрічкового фундаменту розраховується таким чином, щоб сприймати розтягувальні та стискаючі зусилля, що можуть виникнути при локальному пучінні або осіданні.

Прикладом типової помилки є закладання фундаменту на недостатню глибину без належного утеплення або дренажу. Це призводить до нерівномірних деформацій, які проявляються у вигляді тріщин у стінах, перекосів віконних і дверних прорізів. Комплексний підхід до проєктування стрічкових фундаментів з урахуванням місцевих умов та нормативів є запорукою їхньої надійності. Додатково, інформацію про будівництво та проєктування фундаментів можна знайти на сторінці ‘Фундамент’.

Утеплена Шведська Плита (УШП) є сучасною технологією фундаментобудування, що особливо ефективна на ділянках зі складними ґрунтами, схильними до морозного пучіння. Цей тип фундаменту поєднує в собі несучу плиту, утеплення, системи опалення та каналізації, інтегровані в єдину конструкцію, що значно підвищує його стійкість до несприятливих ґрунтових умов.

Принципова відмінність УШП полягає в тому, що плита лежить на поверхні ґрунту або мінімально заглиблена, а промерзання ґрунту під нею запобігається за рахунок комплексного утеплення. Під усією площею плити укладається шар високоміцного екструдованого пінополістиролу (ЕППС), товщина якого зазвичай становить 100-200 мм (в залежності від кліматичної зони та розрахункового R-значення). По периметру плити влаштовується так звана ‘теплова спідниця’ — додатковий шар ЕППС, що заходить у ґрунт горизонтально на 1.0-1.5 м і вертикально на 0.5-0.8 м. Ця конструкція відводить ізотерму 0°C від підошви фундаменту, ефективно запобігаючи морозному пучінню.

Переваги УШП для пучинистих ґрунтів:

• Зниження ризику пучіння: Ефективна теплоізоляція створює теплу подушку під плитою, що мінімізує глибину промерзання або повністю виключає її під фундаментом.
• Рівномірний розподіл навантажень: Плитний фундамент рівномірно розподіляє навантаження від будівлі на велику площу, що знижує питомий тиск на ґрунт і зменшує ризик нерівномірних деформацій.
• Інтеграція комунікацій: Системи теплої підлоги (зазвичай водяні, що підключаються до інженерних систем вентиляції та опалення) та каналізації монтуються безпосередньо в тілі плити, що спрощує будівництво та знижує загальну вартість.
• Висока енергоефективність: Утеплення фундаменту значно зменшує тепловтрати через підлогу, сприяючи високій енергоефективності будівлі в цілому. Розрахункове значення термічного опору (R-value) для основи УШП має бути не менше 4.0 (м²·К)/Вт для центральних регіонів України згідно з ДСТУ Б В.2.6-189:2013.

Незважаючи на вищу початкову вартість порівняно зі звичайними стрічковими фундаментами, УШП часто є більш економічно вигідним рішенням у довгостроковій перспективі завдяки меншим експлуатаційним витратам на опалення та відсутності проблем з деформаціями.

У сучасній будівельній практиці теплотехнічні розрахунки відіграють ключову роль у проєктуванні фундаментів, особливо в контексті оптимізації глибини закладання та мінімізації впливу морозного пучіння. Можливість зниження глибини закладання фундаменту без шкоди для його надійності досягається за рахунок цілеспрямованої зміни температурного режиму ґрунту навколо основи за допомогою ефективної теплоізоляції.

Основний принцип полягає в тому, щоб перемістити ізотерму 0°C глибше від підошви фундаменту або повністю виключити її вплив на пучинистий ґрунт. Для цього застосовують теплоізоляційні матеріали з високим опором теплопередачі, такі як екструдований пінополістирол (ЕППС), який має низький коефіцієнт теплопровідності (0.029-0.034 Вт/(м·К)) і низьке водопоглинання.

Методи теплотехнічного розрахунку, визначені ДСТУ Б В.2.6-189:2013 ‘Методи розрахунку теплопередачі’, дозволяють моделювати температурні поля в ґрунті. Враховуються такі параметри:

• Товщина та тип теплоізоляції: Визначається необхідна товщина ЕППС для досягнення розрахункового опору теплопередачі.
• Геометрія утеплення: Горизонтальне утеплення вимощення та вертикальне утеплення цоколя створюють «тепловий зонт», що відводить ізотерму 0°C. Ширина горизонтального утеплення зазвичай становить 0.8–1.5 м від стіни будівлі.
• Тепловий потік з будівлі: Наявність опалення в будівлі також впливає на температурний режим ґрунту під фундаментом, створюючи додаткове джерело тепла.
• Кліматичні дані регіону: Середньомісячні температури повітря, тривалість опалювального періоду, нормативна глибина промерзання (d_0).

Згідно з розрахунками, застосування утеплення фундаменту та вимощення може зменшити розрахункову глибину промерзання на 20-40% для більшості ґрунтів, що дозволяє закладати стрічковий фундамент на меншу глибину (наприклад, не на 1.2 м, а на 0.8-0.9 м при належному утепленні). Це не тільки скорочує об’єм земляних робіт та витрати на бетон, але й підвищує енергоефективність будівлі, знижуючи тепловтрати через підлогу та стіни цоколя. Такий підхід вимагає кваліфікованого інженерного проєктування та точного виконання робіт на будівельному майданчику.

У сучасному будівництві контроль за температурним режимом ґрунту та ефективністю заходів проти морозного пучіння не обмежується лише розрахунками. Застосування передових технологій моніторингу дозволяє здійснювати безперервний контроль та адаптувати інженерні рішення в реальному часі, підвищуючи надійність та довговічність споруд.

До основних технологій моніторингу належать:

• Термісторні коси (термометри опору): Це система датчиків температури, які встановлюються у свердловини на різних глибинах навколо або під фундаментом. Датчики можуть бути підключені до системи автоматичного збору даних, що дозволяє відстежувати динаміку промерзання ґрунту протягом усього зимового періоду. Отримані дані дають змогу оцінити ефективність утеплення, визначити фактичну глибину ізотерми 0°C і, за необхідності, внести корективи в експлуатаційні режими (наприклад, регулювати температуру теплої підлоги в УШП).
• Георадар (GPR): Ця технологія дозволяє неінвазивно досліджувати підземні шари. Георадар використовує електромагнітні хвилі для виявлення різних шарів ґрунту, наявності льоду або води, а також для візуалізації підземних комунікацій. Хоча він не дає прямих показників температури, GPR може бути використаний для виявлення аномалій у ґрунтовому масиві, пов’язаних з нерівномірним промерзанням або наявністю прихованих лінз льоду.
• Датчики деформації: Встановлюються на фундаменті та в несучих конструкціях будівлі для вимірювання мікропереміщень. Ці датчики дозволяють виявити найменші ознаки деформації, викликані морозним пучінням, на ранніх стадіях, коли ще можливо вжити заходів для усунення проблеми.

Адаптивні рішення, засновані на даних моніторингу, можуть включати:

• Системи активного теплового захисту: Наприклад, прокладка низькотемпературних кабелів або труб з теплоносієм навколо фундаменту для підтримки температури ґрунту вище 0°C у критичних зонах.
• Коригування дренажних систем: За результатами моніторингу рівня ґрунтових вод можна оптимізувати роботу дренажних насосів або розширити мережу дренажу.

Економічна доцільність впровадження систем моніторингу є очевидною для великих або відповідальних об’єктів. Запобігання потенційним деформаціям, вартість ремонту яких може в десятки разів перевищувати вартість моніторингового обладнання, робить ці технології необхідним елементом сучасного інженерного підходу.

Україна, завдяки своїй значній території, характеризується різноманітністю кліматичних зон, що безпосередньо впливає на нормативну глибину промерзання ґрунту. Розуміння цих регіональних особливостей є критично важливим для коректного проєктування фундаментів і мінімізації ризиків, пов’язаних з морозним пучінням. ДБН В.2.1-10:2018 містить картографічні додатки, які ілюструють нормативні глибини промерзання для різних областей, але також необхідно враховувати мікроклімат конкретної ділянки.

Специфіка кліматичних зон:

• Південні регіони (Одеська, Херсонська, Миколаївська області): Характеризуються найменшою нормативною глибиною промерзання, зазвичай у межах 0.8–0.9 м. Тут ризики морозного пучіння нижчі, але все ще існують для дрібнодисперсних ґрунтів з високим рівнем ґрунтових вод.
• Центральні та східні регіони (Київська, Полтавська, Харківська області): Нормативна глибина промерзання коливається в межах 0.9–1.2 м. Це зони підвищеного ризику, де належне врахування типу ґрунту та ефективне утеплення фундаментів є вкрай важливими.
• Північні та західні регіони (Чернігівська, Сумська, Волинська, Карпати): Тут спостерігаються найбільші нормативні глибини промерзання, які можуть досягати 1.2–1.4 м і більше, особливо в гірських районах. У цих регіонах застосування утеплених фундаментів (УШП) або глибоко закладених стрічкових фундаментів з комплексним захистом є обов’язковим.

Практичні рекомендації:

• Індивідуальні вишукування: Навіть якщо нормативні карти показують низьку глибину промерзання, завжди проводьте інженерно-геологічні вишукування, оскільки локальні умови (склад ґрунту, РҐВ) можуть значно відрізнятися.
• Комплексне рішення: Не покладайтеся лише на глибину закладання. Завжди комбінуйте її з дренажем, утепленням вимощення та цоколя, а також при необхідності — з непучинистими подушками під фундаментом.
• Консультація з фахівцями: Залучайте кваліфікованих інженерів-проєктувальників, які мають досвід роботи у вашому регіоні. Вони допоможуть коректно інтерпретувати дані вишукувань та обрати оптимальний тип фундаменту.
• Матеріали: Використовуйте якісні будівельні та теплоізоляційні матеріали, що відповідають вимогам ДСТУ та ДБН.

Ретельний підхід до визначення глибини промерзання та врахування регіональних особливостей є інвестицією у довговічність та безпеку вашої будівлі.