книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

С.Б. Ухов, В. В. Семенов, В. В. Знаменский,

3.Г. Тер-Мартиросян, С. Н. Чернышев

МЕХАНИКА

ГРУНТОВ,

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Под редакцией чл.-корр. МИА, заел, деятеля науки и техники РФ,

профессора, д-ра техн. наук, С. Б. Ухова

Допущено Государственным Комитетом Российской Федерации по высшему образованию в качестве учебника для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по специальности

«Промышленное и гражданское строительство»

Издательство АСВ Москва 1994

ПРЕДИСЛОВИЕ

Любое здание или сооружение строится на грунтовом основа­ нии, возводится из грунта как строительного материала или рас­ полагается в толще грунта. Его прочность, устойчивость и нормаль­ ная эксплуатация определяются не только конструктивными осо­ бенностями сооружения, но и свойствами грунта, условиями вза­ имодействия сооружения и основания.

Стоимость фундаментов составляет в среднем 12% от стоимо­ сти сооружений, трудозатраты нередко достигают 15% и более от общих затрат труда, а продолжительность работ по возведению фундаментов доходит до 20% срока строительства сооружения. В сложных грунтовых условиях эти показатели значительно увели­ чиваются. Следовательно, совершенствование проектных и техно­ логических решений в области фундаментостроения приведет к бо­ льшой экономии материальных и трудовых ресурсов, сокращению сроков строительства зданий и сооружений.

В проектировании фундаментов непосредственно принимают участие 10...15 тыс. специалистов, а с учетом многопрофильности труда проектировщика — значительно больше. Десятки тысяч ин­ женеров заняты в изысканиях для строительства, на работах, свя­ занных с подготовкой оснований, строительством фундаментов, подземных и заглубленных сооружений. Наконец, каждый инженерстроитель, независимо от профиля его деятельности, должен отчет­ ливо представлять себе взаимосвязь сооружений и оснований, уметь надежно оценивать их взаимное влияние друг на друга.

Сказанное позволяет сделать вывод о важности изучения про­ блем, связаных с фундаментостроением, при подготовке инженеровсгроителей. Авторы стремились отразить в настоящем учебнике современные положения механики грунтов и методы фундаментост­ роения, обеспечивающие будущим специалистам необходимые зна­ ния для их практической деятельности.

Учебник составлен в сответствии с программой курса «Механика грунтов, основания и фундаменты» для высших учебных заведений по специальности 2903 «Промышленное и гражданское строительство». Он может быть использован и студентами других строительных специальностей, а также будет полезен инженерно-техническим, науч­ ным работникам и аспирантам, специализирующимся в этой области.

з

ВВЕДЕНИЕ

Особенности курса. Механика грунтов, основания и фундамен­ ты вместе с инженерной геологией и охраной природной среды составляют особый цикл строительных дисциплин. Предметом его изучения являются материалы, как правило, природного происхож­ дения — грунты и их взаимодействие с сооружениями. Если конст­ рукционные материалы приготавливаются технологами так, чтобы они обладали заданными строительными свойствами, то грунты каждой строительной площадки имеют самостоятельную историю образования; Состав, строение и свойства грунтов разных стро­ ительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения.

Поведение грунтов под нагрузками сопровождается сложными процессами, во многом отличающимися от поведения конструкци­ онных материалов. Это потребовало разработки специальных экс­ периментальных методов и теоретического аппарата механики гру­ нтов для описания процессов их деформирована и разрушения.

Прочность грунтов обычно в сотни раз меньше, а деформиру­ емость в тысячи раз больше, чем конструкционных материалов. Недоиспользование несущей способности грунтов основания приво­ дит к удорожанию строительства. С другой стороны, ошибочная оценка поведения грунтов основания часто бывает причиной аварий сооружений. Поэтому необходимо уметь не только правильно оце­ нить прочностные и деформационные свойства грунтова но и раз­ работать оптимальные конструктивные решения передачи нагрузок от сооружения на основание, а в ряде случаев и способы улучшения строительных свойств грунтов основания. Эти вопросы относятся к разделу «Основания и фундаменты».

Таким образом, «Механика грунтов, основания и фундаменты» является комплексной дисциплиной, изучающей как особенности поведения грунтов под нагрузками, так и способы передачи нагру­ зок от сооружений на основание.

При этом методы изучения строительных свойств грунтов, спо­ собы расчетов взаимодействия сооружений и оснований, конструк­ тивные решенця подземных частей зданий и технология их возведе­ ния во многом отличаются от принятых в других дисциплинах строительного цикла.

5

предварительной подготовки, и искусственные, представленные уплотненными или закреплен­ ными грунтами природного происхождения, а также образованные твердыми отходами производственной и хозяйственной деятель­ ности человека.

Грунты, залегающие непосредственно вблизи земной поверхно­ сти, подвержены климатическим, метеорологическим и другим воз­ действиям и, как правило, не могут служить надежным основанием. Поэтому часть сооружения обычно заглубляется ниже поверхности земли. Подземную часть сооружения, предназначенную главным образом для передачи нагрузки от сооружения на основание, назы­ вают фундаментом. Нижнюю поверхность фундамента называют подошвой, расстояние от поверхности планировки грунта до подо­ швы фундамента — глубиной залож ения фундамента.

В случае слоистого напластования грунтов различают несущий слой грунта, на который непосредственно опирается фундамент, и подстилаю щ ие слои.

Иногда приходится рассматривать грунт как среду, вмещающую инженерные сооружения (подпорные стенки, заглубленные и под­ земные сооружения, трубопроводы, коллекторы и т. п.), и прини­ мать во внимание при проектировании не только воздействие со­ оружения на грунт, но и воздействие грунта на сооружение.

Многие сооружения (дорожные насыпи, ограждающие дамбы, земляные плотины и т. п.) полностью или в значительной мере возводятся из грунта как строительного материала, взаимодействуя в то же время с основаниями из грунта естественного происхожде­ ния.

Таким образом грунты рассматриваются как основания соору-

б

жений, строительный материал или среда, вмещающая сооружения, что находит отражение в способах исследования их свойств и мето­ дах расчетов.

Важно иметь в виду, что здания и сооружения существуют не сами по себе, а как комплекс городской или промышленной за­ стройки. В этих условиях они строятся вблизи или в примыкании друг к другу, оказывают совместное воздействие на основание и вмещающую среду и, таким образом, могут воздействовать друг на друга. Хозяйственная деятельность комплексов городской и про­ мышленной застройки, использование подземного пространства го­ родов и промышленных зон приводят к активизации дополнитель­ ных процессов в основаниях, что важно учитывать при проектирова­ нии и строительстве.

Цель, состав и задачи курса. Нормальная эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько правильно запроектировано и осуществлено его взаимодействие с основанием. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки строитель­ ства.

Поэтому цель настоящего курса — научить будущих инженеровстроителей обоснованию и принятию оптимальных решений по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений промы­ шленного и гражданского назначения в различных инженерно-гео­ логических условиях.

Курс состоит из двух частей.

В первой части «М еханика грунтов» изучаются физические • и механические свойства грунтов, методы расчета напряженного состояния и деформаций оснований, оценки устойчивостигрунтовых массивов, давления грунта на сооружения. Основное внимание здесь уделено методам решения задач, наиболее часто встречающихся в практике промышленного и гражданского строительства.

Во второй части «Основания и фундаменты» рассматрива­ ются вопросы проектирована оснований и фундаментов в разнооб­ разных грунтовых условиях. Материал этой части имеет сугубо прикладную направленность и является основным для формирова­ ния инженера-строителя. Однако уверенное владение этим материа­ лом, умение в конкретных условиях строительства выбрать, рас­ считать и запроектировать оптимальный вариант основания и фун­ даментов здания или сооружения невозможны без глубокого пони­ мания материалов первой части.

Преследуя прежде всего достижение указаной выше цели, насто­ ящий курс ставит также задачу подготовить будущего инженерастроителя самостоятельно совершенствовать свои знания в области современной механики грунтов и фундаментостроения с помощью научно-технической литературы.

Связь курса с другими дисциплинами. Механика грунтов, основа­ ния и фундаменты неразрывно связаны с инженерной геологией, изучающей верхнюю часть земной коры как среду инженерной

7

М. Леви, немецкий специалист Л. Прандтль и другие создают ос­ новы современной теории предельного равновесия сыпучих сред.

В конце 20-х — начале 30-х годов XX в. формируются научные основы современной механики грунтов. В 1925 г. на немецком языке выходит фундаментальный труд проф. К. Терцаги «Стро­ ительная механика грунтов», в 1925 — 1933 гг. проф. Н. М. Герсеванов публикует классический цикл «Основы динамики грунтовой массы». Приблизительно в это же время трудами акад. Ф. П. Саваренского и проф. К. Терцаги независимо друг от друга созда­ ются основы новой отрасли науки — инженерной геологии. В 1934 г. выходят в свет первые курсы Н. А. Цытовича «Основы механики грунтов», Н. Н. Иванова и В. В. Охотина «Дорожное почвоведение и механика грунтов», в 1934 — 1936 гг.— серия фундаментальных работ Н. Н. Маслова и В. А. Флорина.

Большое влияние на формирование механики грунтов как учеб­ ной дисциплины оказал II. А. Цытович, классический учебник кото­ рого неоднократно переиздавался в период 1934 — 1983 гг. Широ­ кой известностью пользовались учебники по курсу «Основаия и фу­ ндаменты» Б. Д. Васильева, Н. Н. Богословского, Н. А. Цытовича с соавторами. В настоящее время заслуженно признаны учебники Б. И. Далматова «Механика грунтов, основания и фундаменты» (1981, 1988) и П. Л. Иванова «Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов» (1991). Значительным событием явилось издание в 1985 г. под редакцией Е. А. Сорочана и Ю. Г. Трофименкова «Справочника проектировщика. Основания, фунда­ менты и подземные сооружения».

В настоящее время «Механика грунтов, основания и фундамен­ ты» представляет собой область строительной науки с развитым экспериментально-теоретическим аппаратом и обширным комплек­ сом проектно-технологических решений.

Значение механики грунтов, оснований и фундаментов в современ­ ном строительстве. В настоящее время наметилась тенденция к по­ вышению этажности зданий, увеличению габаритов сооружений и массы технологического оборудования, что связано с увеличением нагрузок на основания. Одновременно возросли требования к каче­ ству строительства, сокращению его материалоемкости, стоимости и продолжительности работ. Это повышает значение правильной оценки несущей способности грунтов оснований, выбора оптималь­ ных типов фундаментов и проектирования их конструкций, обес­ печивающих нормальную эксплуатацию сооружений.

Уплотнение городской и промышленной застройки, интенсивное использование подземного пространства требуют надеждой,оценки влияния строительных работ на существующие здания, обоснова­ ния безопасных технологий строительства. Сложные проблемы воз­ никают в связи с резким увеличением объемов работ по реконструк­ ции зданий и сооружений.

В экономически развитых районах и условиях сложившейся го­