Б.И. Долматов Механика грунтов, основания и фундаменты
ВВЕДЕНИЕ
1. Основные понятия и определения. Всякое сооружение передает действующие на него нагрузки, включая собственный вес, на основание. Основание — это напластование грунтов, воспринимающее давление от сооружения (рисунок). Различают основания естественные, сложенные природными грунтами и искусственно улучшенные.
Располагать сооружение непосредственно на поверхности земли (на дневной поверхности) можно в редких случаях. Этому препятствуют особенности верхних слоев грунта:
их малая несущая способность;
возможность вертикального перемещения под воздействием метеорологических факторов (пучение при промерзании, просадка при оттаивании, набухание при увлажнении, усадка при высыхании);
возможность разрушения землероями, выветриванием и корнями растений.
По указанным причинам необходимо устройство фундамента — подземной конструкции, предназначаемой главным образом для передачи давления на грунты, лежащие на некоторой глубине.
Фундамент 1 (см. рисунок) чаще всего располагают ниже поверхности земли 2. Надземные конструкции 3 опираются на верхнюю плоскость фундамента — его обрез 4. Нижнюю плоскость фундамента называют подошвой 5. В основании различают несущий слой грунта 6, на который
передается давление от фундамента, и подстилающие с л о и 7.
Высота фундамента hf обычно несколько меньше глубины его заложения d, поскольку обрез фундамента располагают, как правило, ниже планировочной отметки поверхности земли около фундамента.
Схема фундамента с основанием
Грунтами называют горные породы коры выветривания литосферы. Различают грунты скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые, органогенные и техногенные.
2. Состав курса и его связь с другими дисциплинами. Курс
состоит из трех разделов.
В первом разделе «Спецкурс по инженерной геологии» рассматриваются свойства грунтов, инженерно-геологические изыскания и геодинамические процессы.
Во втором разделе «Механика грунтов» освещаются вопросы распределения напряжений в грунтах, деформации и условия устойчивости массивов грунтов.
В третьем разделе «Основания и фундаменты» рассматриваются вопросы проектирования и устройства фундаментов в различных грунтовых условиях.
Для усвоения курса необходимо знать следующие дисциплины: инженерную геологию, сопротивление материалов, теорию упругости, строительную механику, строительные конструкции, технологию строительного производства, технику безопасности и экономику. В то же время надземные конструкции невозможно рационально спроектировать без оценки деформаций грунтов основания, так как от этих деформаций зависят усилия, возникающие в конструкциях, а иногда и сохранность конструкций.
3. Основные задачи курса. Грунты основания обычно обладают в тысячи раз большей деформативностью и в сотни раз меньшей прочностью, чем материалы, из которых возводятся сооружения, поэтому надежное существование последних в значительной степени зависит от величины неравномерности деформаций грунтов оснований. Следствием неправильной оценки характера напластований и строительных качеств грунтов часто являются большие деформации конструкций сооружений и даже их разрушение.
Деформации грунтов в основании в значительной степени зависят от нагрузки по подошве фундаментов. В связи с этим при проектировании фундаментов конструкции и размеры их в плане требуется выбирать, с учетом совместной работы грунтов в основании и конструкций сооружения, при которой обеспечивались бы нормальные условия эксплуатации последних.
Поскольку деформации несущего слоя основания зависят от характера нарушения их природного состояния, необходимо во время строительства стремиться сохранять структуру грунтов основания.
При глубоком изучении предлагаемого курса выпускники вузов будут уметь:
правильно оценивать возможные геодинамические процессы, свойства грунтов, возможность их деформации и потери устойчивости под действием нагрузок:
разрабатывать меры по уменьшению или исключению воздействия геодинамических процессов на возводимые сооружения;
улучшать в случае необходимости строительные качества грунтов для возможности использования их в основании;
определять рациональные размеры фундаментов и вид подземных конструкций сооружений;
выбирать методы устройства фундаментов, при которых не нарушилась бы структура грунтов в основании в период строительства.
Стоимость работ по подготовке оснований и устройству фундаментов обычно составляет 5... 10 % от общей стоимости здания, при сложных грунтовых условиях она может превысить 20%. Это свидетельствует о важности изучения перечисленных основных задач курса.
4. Роль отечественных ученых в развитии науки инженерной геологии, механики грунтов, оснований и фундаментов. Еще в I в. до н. э. римский архитектор и инженер Витрувий в трактате «Десять книг об архитектуре» подчеркивал важность устройства надежных фундаментов, включая свайные. По мере увеличения веса. возводимых сооружений строители стали уделять, вопросам фундаментрстроения и оценке деформации грунтов в основании все большее внимание. Первой капитальной теоретической работой по механике грунтов следует считать теорию Кулона (1773 г.) о давлении грунтов на подпорные стенки. В современной постановке теория предельного равновесия грунтов развита советскими исследователями В. В, Соколовским, В. Г. Березанцевым, М. В. Малышевым и др.
Большой вклад в развитие инженерной геологии сделали В. Д. Ломтадзе, В. В. Охотин, В. А. Приклонский, Ф. П. Саваренский, Е. М. Сергеев, М. И. Сумгин и др.
Разработка вопросов оценки деформаций грунтов и расчета осадки фундаментов, начатая за рубежом К. Терцаги, получила в нашей стране в связи с огромным строительством значительное развитие в трудах Н. М. Герсеванова, Н. А. Цытовича, В. А. Флорина, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, К. Е. Егорова, Б. И. Далматова и многих других отечественных ученых. Исследования ползучести грунтов освещены в работах С. С. Вялова, С. Р. Месчана, Ю. К. Зарецкого, А. Я. Будима и др.
Выполнено много работ по оценке свойств и деформируемости структурно неустойчивых грунтов. Деформациям вечно-мерзлых грунтов посвящены работы Н. А. Цытовича, С. С. Вялова и др.; лессовых грунтов — работы Ю. М. Абелева, Н. Я. Денисова, А. К. Ларионова и др.; торфянистых грунтов — работы Л, С, Аморяна, Н. Н. Морарескула и др. Деформируемость грунтов при динамических воздействиях исследовалось Д. Д. Барканом, П. Л. Ивановым, Н. Н. Масловым и др.
В области расчета фундаментных балок и плит на упругом основании заслуживают внимания работы М. И. Горбунова-Посадова, И. А. Симвулиди, Б. Н. Жемочкина, А. П. Синицина и др.
Многочисленные исследования посвящены оценке совместной работы несущих конструкций сооружений с деформируемым основанием. Этим вопросом, в частности, занимались Б. Д. Васильев, С. И. Клепиков, Д. Е. Польшин, А. Б. Фадеев и др.
Эти и многие другие работы, выполненные советскими учеными, послужили основой для создания теории расчета и норм проектирования оснований по предельным состояниям.
За последние 30 лет фундаменты на естественном оснований во многих случаях вытеснены свайными фундаментами. Большой вклад в развитие расчетов и применения свайных фундаментов внесли А. А. Бартоломей, Б. В. Бахолдин, Н. М. Герсеванов, В. Н. Голубков, Б. И. Далматов, Ф. К. Лапшин, А. В. Паталеев, Ю. В. Россихин, Ю. Г. Трофименков и др. В последнее время все шире применяются сваи, изготовляемые в грунте (набивные). Этому способствовали исследования, проведенные Е. Л. Хлебниковым, А. А. Лугой, Ф. К. Лапшиным Е. М. Перлеем и др.
5. Значение науки механики грунтов, оснований и фундаментов в век технического прогресса. В настоящее время возводятся все более высокие здания и тяжелые сооружения. Кроме того, в промышленных зданиях часто устанавливается уникальное оборудование, не допускающее сколько-нибудь ощутимых взаимных смещений. То и другое заставляет предъявлять особые требования к основаниям и фундаментам, что обусловливает удорожание строительства, так как нагрузку от фундаментов приходится передавать на более плотные грунты. Однако при правильном прогнозе совместной деформации грунтов и конструкций возводимого сооружения можно найти решение, обеспечивающее требуемую надежность. Поэтому перед специалистами стоят задачи разработки методов прогноза с требуемой точностью совместной деформации надземных конструкций и основания.
Наиболее сложно решаются вопросы передачи нагрузки на основание при реконструкции зданий и предприятий.
Строителям все чаще приходится заглублять различное оборудование в грунт и даже устраивать подземные этажи. В таких случаях грунты не только воспринимают давление от сооружений, но и сами создают нагрузку на боковые поверхности заглубленных в грунт конструкций, т. е. являются средой, в которой приходится возводить такие конструкции. Это расширяет задачи, решаемые при устройстве подземных частей сооружений.
Таким образом, при проектировании и возведении фундаментов и заглубленных в грунт частей сооружений инженер-строитель должен правильно оценивать инженерно-геологические условия площадки строительства, уметь решать задачи не только с позиции совместной работы сооружений с основаниями, но и в части оценки грунтов как среды, в которой возводятся конструкции.