In den meisten Teilen des Nordens der Vereinigten Staaten gefriert der Boden während der Wintermonate bis zu einer Tiefe von mehreren Fuß. Ein solches Einfrieren des Bodens kann zum Heben von darüber oder angrenzenden Gebäuden führen. Die beteiligten Kräfte können für leicht belastete Strukturen sehr zerstörerisch sein und bei größeren ernsthafte Probleme verursachen.
Wie Frost Heave funktioniert
Die Volumenvergrößerung, die auftritt, wenn sich Wasser in Eis verwandelt, wurde zunächst als Ursache für Frostschübe angesehen, aber es ist jetzt bekannt, dass das als Eissegregation bekannte Phänomen der Grundmechanismus ist.
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Wasser wird aus nicht gefrorenem Boden in die Gefrierzone gezogen, wo es sich unter Bildung von Eisschichten festsetzt, wodurch Bodenpartikel auseinandergedrückt werden und sich die Bodenoberfläche hebt. Ohne körperliche Zurückhaltung gibt es keine offensichtliche Grenze für das Ausmaß des Auftretens, das auftreten kann. (Bewegungen von mehr als 4 Zoll, die sich in nur drei Wochen unter den Kellergeschossen entwickelten, wurden aufgezeichnet.)
Wenn eine Zurückhaltung in Form einer Gebäudelast vorhanden ist, kann der Hebedruck die Zurückhaltung überwinden oder nicht, aber sie kann sehr hoch sein: 19 Tonnen / Quadratfuß wurden gemessen und ein siebenstöckiges Stahlbetonrahmengebäude auf einem Floß Es wurde beobachtet, dass das Fundament mehr als 2 Zoll hochhob.
Eine andere Form der Frostwirkung, die als 'Gefrieren' bezeichnet wird, tritt auf, wenn der Boden an der Oberfläche eines Fundaments gefriert. An der Basis der Gefrierzone entstehende Hebedrücke werden durch die Gefrierverbindung auf das Fundament übertragen, wodurch Auftriebskräfte erzeugt werden, die zu nennenswerten vertikalen Verschiebungen führen können. Wenn eine Kellerwand aus Betonblock besteht, kann sie unter Spannung versagen und sich an einer horizontalen Mörtelfuge in der Nähe der Frosttiefe trennen.
Kontrollfaktoren
Damit eine Frostwirkung auftreten kann, müssen drei Grundbedingungen erfüllt sein: Der Boden muss frostempfindlich sein. Wasser muss in ausreichenden Mengen verfügbar sein und die Kühlbedingungen müssen dazu führen, dass Boden und Wasser gefrieren. Wenn eine dieser Bedingungen beseitigt werden kann, tritt kein Frost auf.
Die Frostanfälligkeit hängt mit der Größenverteilung der Bodenpartikel zusammen. Grobkörnige Böden wie Sand und Kies heben sich im Allgemeinen nicht ab, wohingegen Tone, Schlick und sehr feiner Sand das Wachstum von Eislinsen unterstützen, selbst wenn sie in groben Böden in geringen Anteilen vorhanden sind. Wenn frostempfindliche Böden, die sich dort befinden, wo sie das Fundament beeinträchtigen, entfernt und durch gröberes Material ersetzt werden können, tritt kein Frost auf.
Wasser muss im nicht gefrorenen Boden verfügbar sein, damit es in die Gefrierebene gelangen kann, in der Eislinsen wachsen. Ein hoher Grundwasserspiegel in Bezug auf die Position der Eislinsen begünstigt daher die Frostwirkung. Wenn eine ordnungsgemäße Entwässerung vorgeschrieben ist, kann verhindert werden, dass Wasser in frostempfindlichen Böden die Gefrierzone erreicht.
Die Gefriertiefe wird weitgehend durch die Wärmeverlustrate von der Bodenoberfläche bestimmt. Neben den thermischen Eigenschaften des Bodens hängt dieser Wärmeverlust von Klimavariablen wie Sonneneinstrahlung, Schneedecke, Wind und Lufttemperatur ab, die am bedeutendsten sind. Wenn ein Wärmeverlust verhindert oder verringert werden kann, können frostempfindliche Böden keine Gefriertemperaturen aufweisen.
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Gefrierindex und Frosttiefe
Lufttemperaturaufzeichnungen können verwendet werden, um die Schwere des Bodengefrierens unter Verwendung des Grad-Tag-Konzepts zu messen. (Wenn die durchschnittliche tägliche Lufttemperatur 31F beträgt, ist dies ein Grad-Tag.) Der 'Gefrierindex' ist einfach die kumulierte Summe der Grad-Gefriertage für einen bestimmten Winter.
Frost Action und Fundamente
Der herkömmliche Ansatz für die Gestaltung von Fundamenten zur Verhinderung von Frostschäden besteht darin, das Fundament über die Tiefe der erwarteten maximalen Frostdurchdringung hinaus zu platzieren, damit der Boden unter der Auflagefläche nicht gefriert. Diese Maßnahme allein verhindert jedoch nicht unbedingt Frostschäden, wenn die Baugrube mit frostempfindlichem Boden verfüllt wird, was zu Schäden durch Gefrieren führen kann. Die Tiefen, in denen Fundamente gelegt werden sollten, werden normalerweise durch lokale Erfahrungen bestimmt, wie sie in den Bauvorschriften enthalten sind. In Ermangelung solcher Informationen kann jedoch die in der vorhergehenden Tabelle gezeigte Korrelation verwendet werden.
Von Natur aus entwässern frostempfindliche Böden nicht gut ab, und obwohl das Einströmen von Grundwasser verhindert werden kann, reicht die im nicht gefrorenen Boden verfügbare Wassermenge häufig aus, um eine signifikante Hebung zu erzeugen. Wenn möglich, empfiehlt es sich, frostempfindliche Verschmutzungen zu entfernen und durch grobkörniges Material zu ersetzen, das leicht abtropfen lässt. Es sollte auch eine gute Entwässerungspraxis befolgt werden, einschließlich der Bereitstellung von Entwässerungskacheln um den Umfang der Fundamente.
Bedeutung der Entwässerung
Eine gute Entwässerung ist bei jedem Fundament wichtig und FPSF ist keine Ausnahme. Die Isolierung ist bei trockeneren Bodenbedingungen besser.
Stellen Sie sicher, dass die Bodenisolierung durch Schallentwässerungspraktiken, z. B. durch Abfallen des Gefälles vom Gebäude, angemessen vor übermäßiger Feuchtigkeit geschützt ist. Die Isolierung sollte immer über dem Grundwasserspiegel erfolgen. Eine Schicht aus Kies, Sand oder ähnlichem Material wird empfohlen, um die Entwässerung zu verbessern und eine glatte Oberfläche für die Platzierung einer horizontalen Flügelisolierung bereitzustellen. Für unbeheizte FPSF-Designs ist eine Drainageschicht von mindestens 6 Zoll erforderlich. Über die in den Bauvorschriften vorgeschriebene Mindestgrundtiefe von 12 Zoll hinaus kann die zusätzliche Fundamenttiefe, die für ein FPSF-Design erforderlich ist, aus verdichtetem, nicht frostempfindlichem Füllmaterial wie Kies, Sand oder Schotter bestehen. Darüber hinaus hilft das Hinzufügen einer frei abfließenden Verfüllung dabei, das Frosthubpotential zu minimieren oder zu eliminieren
