М. Л. Зоценко, В. І. Коваленко, А. В. Яковлєв, О. О. Петраков, В. Б. Швець, О. В. Школа, С. В. Біда, Ю. Л. Винников

ІНЖЕНЕРНА ГЕОЛОГІЯ. МЕХАНІКА ГРУНТІВ, ОСНОВИ ТА ФУНДАМЕНТИ

Видання друге перероблене і доповнене

Під редагуванням дійсного члена АБ України, професора, доктора технічних наук М.Л. Зоценко

Затверджено Міністерством освіти і науки України як підручник для студентів вузів, які навчаються за спеціальністю “Промислове та цивільне будівництво”

Полтава 2003

БВК 38.58я73

1.62

УДК 624.131.1(075.8)

Р е ц е н з е н т и: кафедра “Основи та фундаменти” Харківської державної академії міського господарства (завідувач кафедри професор, д-р техн. наук В. Г. Таранов; професор, д-р техн. наук Г. І. Черний (Науково дослідний інститут будівельних конструкцій, НДІБК, м. Київ).

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Редактор Н. В. Жигилій

Інженерна геологія. Механіка ґрунтів, основи і фундаменти: Підруч-

ник / М. Л. Зоценко, В. І. Коваленко, А. В. Яковлєв, О. О. Петраков, В. Б. Швець, О. В. Школа, С. В. Біда, Ю. Л. Винников. – Полтава: ПНТУ,

2003. – 446 с.: іл.

ISBN 5-11-003835-X

У книзі подано основні поняття з геотехніки, пов’язані з проблемами будівництва. Викладено загальні закономірності традиційної механіки ґрунтів, розглянуто положення нелінійної механіки і реології ґрунтів. З урахуванням сучасних досягнень будівельної науки у галузі фундаментобудування наведено методи розрахунку основ та фундаментів за граничними станами, правила конструювання фундаментів, особливості влаштування основ і фундаментів у звичайних і складних інженерно-геологічних умовах.

Для студентів вузів, які навчаються за спеціальністю “Промислове і цивільне будівництво”.

ВІДОМОСТІ ПРО АВТОРІВ

ЗОЦЕНКО МИКОЛА ЛЕОНІДОВИЧ

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності – вдосконалення технології, розрахунків і конструювання фундаментів, які споруджують без виймання грунту.

Автор понад 250 опублікованих робіт, у т. ч. підручника, навчальних посібників, нормативних документів, понад 25 винаходів.

КОВАЛЕНКО ВОЛОДИМИР ІЛЛІЧ

Кандидат технічних наук, доцент, Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності - дослідження ущільнення грунтів. Автор близько 80 опублікованих робіт, у т. ч. підручника, довідника та

навчальних посібників.

ЯКОВЛЄВ АРКАДІЙ ВІКТОРОВИЧ

Кандидат технічних наук, доцент, доцент Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності – дослідження фізико-механічних властивостей лесових грунтів, у т. ч. швидкісними методами; інженерні вишукування; обстеження та проектування фундаментів при реконструкції будівель.

Автор більше 120 опублікованих робіт і винаходів, у т. ч. підручника, навчальних посібників і довідкового посібника.

ПЕТРАКОВ ОЛЕКСАНДР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Донбаської державної академії будівництва та архітектури, заступник директора з наукової роботи Донецького “ПромбудНДІпроету”.

Основні напрямки наукової діяльності – Автор

ШВЕЦ ВІКТОР БОРИСОВИЧ

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.

Основні напрямки наукової діяльності – дослідження грунтових основ, механіка грунтів, основи та фундаменти в регіональних умовах.

Автор понад 360 опублікованих робіт, у т. ч. монографій, книг, брошур, нормативних документів, 25 винаходів.

ШКОЛА ОЛЕКСАНДР ВІКТОРОВИЧ

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Одеської державної академії будівництва та архітектури.

3

Основні напрямки наукової діяльності – розвиток теоретичних моделей і розрахункових методів механіки грунтів з урахуванням імовірнісної трактування параметрів, реологічних характеристик, неоднорідності та анізотропності грунтового середовища; проектування морських гідротехнічних споруд.

Автор понад 130 опублікованих робіт, у т. ч. монографії та 30 науковометодичних робіт.

БІДА СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

Кандидат технічних наук, доцент, доцент Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності – інженерні вишукування; проектування будівель і споруд на зсувонебезпечних територіях; числові методи розрахунку фундаментів ущільнення.

Автор близько 60 опублікованих робіт, у т. ч. винаходів.

ВИННИКОВ ЮРІЙ ЛЕОНІДОВИЧ

Кандидат технічних наук, доцент, докторант Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності – дослідження, розрахунок і проектування основ і фундаментів з ущільненням грунту, в т. ч. з реалізацією числових методів; обстеження та проектування фундаментів при реконструкції.

Автор понад 200 опублікованих робіт, у т. ч. навчальних посібників, нормативних документів і 40 винаходів.

4

Присвячено пам’яті Вчителя Євгена Володимировича Платонова

і Однодумця Віталія Гавриловича Хілобока

ПЕРЕДМОВА

Кожна будівля чи споруда зводиться і експлуатується у певних природних умовах і безпосередньо пов’язана своїм фундаментом з верхнім шаром літосфери Землі. Гірські породи сприймають навантаження від будівель і споруд, при цьому їх називають ґрунтами. Від їх міцності і деформативності залежить забезпечення нормальних умов експлуатації житлових та цивільних будинків, промислових будівель, лінійних споруд тощо. На територіях де розташоване будівництво діють геологічні процеси (рух поверхневої і підземної води, землетруси тощо), які в свою чергу можуть порушити нормальні умови експлуатації об’єктів і навіть зруйнувати їх. Будівництво і подальша експлуатація будівель і споруд впливають на геологічні процеси, підсилюють їх, викликають до дії нові, так звані, техногенні процеси (підтоплення територій, осідання склепінь шахт і тунелів метро, зсуви тощо). Тобто, не тільки від конструктивних особливостей будівель і споруд залежать їх експлуатаційні якості. Велика доля у цьому плані належить забезпеченню надійної основи кожної будівлі і споруди.

Науковець, проектувальник, виробничник – усі вони повинні володіти знаннями і навиками з оцінки основи, вміти передбачати ті зміни, які можуть з нею статися в процесі будівництва та експлуатації будівель і споруд, нарешті, створювати для них такі конструкції фундаментів і штучних основ, які забезпечать їх нормативний термін експлуатації.

Слід звернути увагу ще й на те, що усі ці дані необхідно розглядати з економічної точки зору. Чим складніше умови будівництва, тим більша його вартість. Так, для звичайних інженерно-геологічних умов вартість витрат на пристосування до них будівель і споруд складає 10-15 % загальної вартості бу- дівельно-монтажних робіт. У складних умовах ця частина може досягати 80 % і навіть більше.

Урозділі “Інженерна геологія” на основі вивчення будови земної кори та

їїдинаміки розглядаються питання оцінки умов будівництва і прогнозування їх зміни у часі. У “Механіці ґрунтів” розглядається поведінка дисперсних ґрунтів під навантаженням, науково обґрунтовуються методики кількісного оцінювання міцності і деформування основи. “Основи і фундаменти” – практична частина курсу, направлена на розробку методів використання природних і створення штучних основ, конструювання фундаментів і пристосування їх до конкретної основи, загального проектування основ і фундаментів будівель і споруд в зви-

5

чайних і особливих інженерно-геологічних умовах з використанням високих ресурсозберігаючих і екологічно чистих технологій їх спорудження.

Усі ці розділи об’єднуються одною назвою – фундаментобудування – науку про теорію і практику здійснення розумного контакту між штучним і природним; конструкцією, що є рукотворним виробом, і історично утвореним геологічним середовищем; про стикування людського і Божого.

З цієї науки можна довідатися, як зробити так, щоб будівлі і споруди з одного боку були надійними для людини, а з другого боку - не наносили шкоди оточуючому геологічному середовищу. Якщо зроблено буде саме так, тоді можна вважати, що Природа не спричинить руйнувань будівлям чи спорудам у разі стихійного лиха.

Про це свідчить і Біблійне пророцтво (Євангеліє від Луки, 6.46-6.49. “Скажу вам, до кого подібний усякий, хто до Мене приходить та слів Моїх слухає і виконує їх: 48. Той подібний тому чоловікові, що, будуючи дім, він глибоко викопав, і основу на камінь поклав. Коли ж злива настала, вода кинулася на той дім: - та однак не змогла захитати його, бо збудований добре він був! 49. А хто слухає та не виконує, той подібний тому чоловікові, що свій дім збудував на землі без основи. І наперла на нього ріка, - і зараз упав він, і велика була тому дому руїна”.

Особливістю підручника є використання оригінальної класифікації сучасних фундаментів і штучних основ, а також наявність багатьох прикладів фундаментобудування, які належать до практики будівництва на Україні.

При підготовці рукопису у кожний розділ підручника внесено зміни і доповнення відповідно до сучасних уявлень питань, що розглядаються. Введено нові розділи, присвячені нелінійній механіці і теорії ущільнення ґрунтів. Внесені зміни у класифікацію фундаментів і штучних основ. Розширено розділ з будівництва в складних інженерно-геологічних умовах.

Під час роботи над підручником автори використовували свій досвід викладання дисциплін у Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка і Придніпровській академії будівництва і архітектури. Методичною базою для складання частини розділів були підручники А. М. Дранникова “Інженерна геологія”, М. О. Цитовича “Механіка ґрунтів”, Б. І. Далматова “Механіка ґрунтів, основи і фундаменти”, С. Б. Ухова “Механіка ґрунтів, основи та фундаменти”.

Вступ, розділи 1, 2, 12, 14 крім п.14.4, 19 перероблені М. Л. Зоценком (п.12.3 і 14.3 за участю, а п.19.1-19.3 спільно з Ю. Л. Винниковим); розділи 3 і 5

– С. В. Бідою; розділи 4, 6, 10 і п.14.4 – Ю. Л. Винниковим (п.4.7 і 4.12 за участю В. Б. Швеця); розділи 7, 8, 11 – В. І. Коваленком; розділ 9 – О. В. Школою; розділи 13, 15, 16 – А. В. Яковлєвим (розділ 15 спільно з М. Л. Зоценком); розділ 17 – В. Б. Швецем; розділ 18 – О. О. Петраковим.

Графічний матеріал у редакторі Word виконано С. В. Бідою. Автори вдячні В. В. Козаку за роботу, яка пов’язана з добором матеріалів до частини “Інженерна геологія”.

6

ВСТУП

Відповідно до світової статистики 80 % усіх порушень нормальних умов експлуатації будівель і споруд відбувається внаслідок недоліків та помилок при проектуванні, будівництві і експлуатації основ та фундаментів. Витрати на усунення цих негативних явищ можливо порівняти лише з початковою вартістю будівництва. Виходячи з наведених фактів можна стверджувати, що при вирішенні задач фундаментобудування необхідно шукати рішення між двома протиріччями: з однієї сторони основи і фундаменти повинні бути надійними, тобто, забезпечувати нормальні умови експлуатації будівель і споруд весь нормативний термін їх існування; а з другої – необхідно знижувати їх вартість і матеріаломісткість на основі сучасних теоретичних і технічних досягнень.

Теорія і практика поставлених задач розглядається в курсах “Інженерна геологія” та “Механіка ґрунтів, основи і фундаменти” які в тому чи іншому обсязі входять до навчальних програм підготовки бакалаврів, спеціалістів і магістрів будівельників. Об’єднання курсів в одному підручнику дозволяє тісніше пов’язати їх між собою, а також зменшити загальний обсяг матеріалу за рахунок виключення деяких, необхідних для роздільного видання, повторень.

Реалізувати переваги такого видання підручника краще усього, коли ці курси викладаються студентам послідовно за семестрами. Матеріал у підручнику складено так, що студенти до вивчення “Механіки ґрунтів, основ та фундаментів” повинні бути ознайомленими з курсами “Будівельна механіка”, “Архітектурні конструкції будівель і споруд”, “Будівельні конструкції”. Необхідно також враховувати, що при проектуванні будівель і споруд робочий проект основ і фундаментів виконується після розробки відповідного проекту надземної їх частини.

І н ж е н е р н а г е о л о г і я – додаток геології до інженерно-будівельної справи. Користуючись методами геології, вона вивчає напластування, властивості ґрунтів і явища, які відбуваються у межах району будівництва. При цьому застосовується геологічний метод досліджень, тобто, метод природноісторичного аналізу для якісної оцінки району. Вважають, що особливості ін- женерно-геологічних умов району є результатом довготривалої спільної дії внутрішніх і зовнішніх геологічних процесів. В наслідок будівництва виникають нові процеси, які називаються інженерно-геологічними. Вони проявляються у формі геологічних процесів, але зумовлені результатами інженерної діяльності людини. Для кількісної оцінки різних факторів у інженерній геології користуються експериментальним і розрахунково-теоретичним методами.

7

Як наука інженерна геологія сформувалася в ХVІІІ-ХІХ ст. У період інтенсивного розвитку промисловості. Біля джерел геологічної науки стояли М. В. Ломоносов, англієць Б. Гетто, німець А. Вернер. Сучасна Українська школа інженерної геології формувалася у складі радянської, її представниками слід вважати А. М. Драннікова, М. М. Алексєєва, В. Ф. Краєва та ін.

М е х а н і к а г р у н і в – теоретична основа фундаментобудування. Це наука про закономірності, що виникають у ґрунтах внаслідок їх навантаження. На відміну від механіки суцільних середовищ, механіка ґрунтів розглядає дисперсні (подрібнені) тіла. Ґрунт складається з твердих частинок і пор, частково або повністю заповнених водою. Механіка ґрунтів використовує закони теоретичної механіки для суцільних абсолютно жорстких матеріалів, які далі розвинути у будівельній механіці для суцільних тіл кінцевої жорсткості. Але на підставі цих законів у механіці ґрунтів використовуються нові закони, які враховують роздрібненість ґрунтів. Основи механіки ґрунтів були закладені працями Ш. Кулона, Ж. Бусінеска, К. Терцагі та ін. З радянських вчених – засновників

розрахунку, конструювання і спорудження фундаментів залежно від властивостей основ.

Інженерно-геологічні умови України досить різноманітні. В її межах можна зустріти прояви багатьох складних інженерно-геологічних умов. Значна частина території вкрита лесовими посадочними ґрунтами. Найбільшу товщину ці ґрунти мають у Запорізькій, Дніпропетровській, Миколаївський і Херсонській областях. Саме в цих умовах побудовані й успішно експлуатуються складні інженерні споруди (доменні печі, промислові будівлі, висотні споруди тощо).

Для підгірних і гірських районів України (Крим, Карпати) характерні землетруси, зсуви, карсти, суфозія тощо. На півдні і сході поширені підроблюванні території (Кривий Ріг, Донбас).

Рукотворні моря і канали на Дніпрі зумовили виникнення таких інжене- нерно-геологічних процесів, як переробка берегів, підтоплення і затоплення територій. Для Керченського півострова характерні так звані набухаючі ґрунти.

Усе це вимагає високої спеціальної підготовки інженерів проектувальників, будівельників і експлуатаційників у галузі геотехніки і фундаментобудування.

Серед учених, працівників наукових і учбових організацій України широко відомі імена спеціалістів І. П. Бойка, М. Н. Гольштейна, В. М. Голубкова, С. М. Клєпікова, І. М. Литвинова, М. С. Метелюка, Ю. М. Молюшицького, Є. В. Платонова, А. М. Рижова, С. А. Слюсаренко, Г. І. Черного та ін.

Загальна мета дисципліни, яку ми розглядаємо, – якісна оцінка основ для повнішого використання їх властивостей при створенні нових надійних і економічних конструкцій і прогресивних технологій влаштування основ і фундаментів.

8