книги / Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу Механика грунтов )

мент строения. При таком взгляде на эту науку грунтовое основание любого строения является его составной и неотъемлемой частью. К сожалению, при существующем подходе к решению вопросов расчета оснований и фундаментов приступают после того, как проектировщик составил расчетную схему надземного строения и определил нагрузки на фундаменты. В результате расчет системы «основание – фундамент» выглядит как изолированное действие, чаще всего не в полной мере связанное с расчетом надземной конструкции. Особенность такого расчета – изолированного действия – в том, что здание рассчитывается как бы на столе, на несжимаемом основании. Между тем любое основание сжимаемо, а отдельные его части, по-разному нагруженные, получают разные осадки. И как результат – рассчитываемое знание оказывается расположенным не на столе, а на неровном, прогнутом основании (проф. В.М. Улицкий довольно удачно назвал его «гамаком»). Соответственно конструкции на периметре «гамака» оказываются более нагруженными, чем по расчету на столе.

Сейчас ситуация медленно, но неуклонно меняется в сторону понимания необходимости только совместного расчета всей системы «основание – фундамент – надземное – и/или подземное строение». Это становится возможным в связи с появлением мощных расчетных компьютерных комплексов (более простых – LIRA, более сложных и более приближенных к грунтам – PLAXIS, MIDAS, SCAD, ANSIS и др.),

спомощью которых можно рассчитать эту сложную систему.

Втаких расчетах пока много сложностей и неопределенностей, а поступая формально, можно получить практически любой внешне эффектный результат. Но этот результат требует обязательной проверки здравым смыслом, расчетами по другим подобным программам, а по Ф.С. Ясинскому, даже «чисто практическими приблизительными приемами расчетов», которыми обязан владеть инженер. И, конечно, постоянной проверкой на основе натурных наблюдений за поведением объектов, анализом случаев деформаций зданий и сооружений, собственного положительного и неудачного опыта расчетов и строительства в целом.

Огромный интерес и информативность представляют крупные аварии зданий, сооружений и грунтовых массивов, которые происходят в результате землетрясений, оползней, селей, а часто в результате ошибок в проектировании и/или ошибок в общей оценке состояния и назначении расчетных характеристик грунтовых массивов. С одной стороны, любая авария – это разной тяжести бедствие для людей и экономики, но с другой, она часто определяет ту границу риска, которая ранее была неизвестна.

Здесь уместна такая сентенция о пользе аварий: «Авария, катастрофа – это беда, бедствие, часто с неисчислимыми материальными и людскими потерями для жителей дома, города, даже для целой страны.

11

Но в авариях, катастрофах есть и нечто иное – созидательное. Они учат, как не повторить то, что произошло. А это невозможно сделать без того, чтобы не докопаться до причин аварий. Так постепенно рождается новое знание, часто новое направление науки».

Авария всегда вызывает острую реакцию общественности и административных органов, но в то же время заставляет те же административные органы выделять средства, как минимум, на расследование причин аварий, а как максимум, на дальнейшее изучение неизвестного ранее явления, приведшего к аварии. Говоря другими, образными словами: авария – это, по-своему, двигатель науки, побуждение к действиям на продление отмеченной выше грани риска дальше, за пределы сегодняшних знаний.

Учитывая высокую ответственность комплекса наук, включающих механику грунтов, основания и фундаменты, существует тенденция к изменению их статуса и даже названия, преобразования в геотехни-

ку – науку о принятии геотехнических решений. Эта наука должна быть встроена в строительный цикл «Изыскания – проектирование – строительство», причем раздел «Принятие геотехнических решений» должен находиться на начальных этапах проектирования, когда формируется расчетная схема проектируемого объекта.

Не случайно во многих ведущих строительных университетах и институтах кафедры оснований и фундаментов стали переименовывать в кафедры геотехники. Сейчас функции «Принятие геотехнических решений» часто берут на себя геологи, ведущие инженерно-геоло- гические изыскания: в их отчетах можно встретить такие фразы, как «рекомендуется применение свайных фундаментов», «насыпные грунты не рекомендуется использовать в качестве основания» и др. Между тем это не геологов компетенция – они не умеют должным образом считать даже нагрузки. Но такие «пассажи», будучи включенными в официальный документ (отчет об изысканиях), часто приобретают юридическое значение…

Заканчивая самую общую характеристику науки об основаниях

ифундаментах (и о ранее входившей в ее состав механике грунтов), следует отметить, что название этой научной специальности по общероссийскому Классификатору научных дисциплин неоднократно менялось. Сначала она называлась «Основания и фундаменты», затем «Основания, фундаменты и подземные сооружения», затем «Подземные сооружения, основания и фундаменты», затем снова «Основания

ифундаменты» и, наконец, последнее название – «Основания и фундаменты, подземные сооружения»; по упомянутому Классификатору она имеет номер 05.23.02. Разумеется, в состав этого курса ранее входила и механика грунтов.

12

Интересно отметить, что дисциплина «Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород» ранее тоже была в Классификаторе под номером 01.02.07, но позднее ее из него исключили.

Но зато сама дисциплина механика грунтов в ряде вузов перешла

вразряд общенаучных дисциплин. В таких вузах она включена в программы вузовского образования как самостоятельная дисциплина почти для всех специальностей строительного профиля, даже для тех, где сами основания и фундаменты не изучаются и, таким образом, формально как бы выведена из состава науки об основаниях и фундаментах (но, разумеется, это по существу не так).

Адисциплина под бывшим номером 01.02.07 перестала быть научной? Как и знаменитый сопромат, который таким никогда не был и даже «не имел своего номера»! Странно!

Возможная причина – сопромат в отличие от классической механики содержат ряд допущений (см. приложение А в 1-й лекции). В результате чего в нем широко, но не вполне строго используется принцип суперпозиции – независимости действия сил. В механике грунтов подобных допущений гораздо больше, и далее они будут обсуждаться при решении конкретных задач.

Следует отметить еще одно очень важное обстоятельство. Все-таки сопромат – это некоторое упрощенное представление теории упругости, которое позволяет достаточно просто решать многие инженерные задачи, иногда почти не прибегая к вычислительной технике. Но жизнь становится другой: компьютерная техника вместе со множестовом программ для расчетов, использующих решения той же теории упругости, уверенно входит в мир инженера-проектировщика, и упрощения сопромата становятся как бы ненужными. Например, академик РАН, ректор Сколковского института науки и технологий А.П. Кулешов говорит, что

вЕвропе такого понятия, как сопромат, нет, эта дисциплина фактически исчезла как не имеющая практической ценности.

Но ведь нельзя забывать и про «здравый смысл». Сопромат, пусть даже с его небольшими упрощениями, и есть воплощение здравого смысла, который позволяет оценивать часто неподдающиеся проверке компьютерные решения упомянутыми выше «чисто практическими приблизительными приемами расчетов». Почему бы его не сохранить, например, как раздел теории упругости, но без его допущений и упрощений? А в теории упругости ввести опции, которые позволили бы подобно сопромату вести проверки «чисто практическими приблизительными приемами расчетов», но с указанием возможных погрешностей. А сопромат сохранить хотя бы как название, пока живы поколения строителей и механиков.

Ау механики грунтов, содержащей гораздо больше допущений, многиеизкоторыхпоканеподкрепленыпрактикой,впередиещедолгаяжизнь.

13

Теперь в Классификаторе из близких по профилю научных дисциплин есть только «Теоретическая механика» (01.02.01), «Механика деформируемого твердого тела» (01.02.04) и «Строительная механика» (05.23.17). К механике грунтов примыкают другие науки, направленные на более тонкое изучение происхождения и свойств грунтовых оснований: «Грунтоведение», «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», «Механика горных пород», «Геоэкология», «Гидротехническое строительство» и др.

Предлагаемые вниманию лекции предназначены для студентов (бакалавров и магистров) по направлению «Строительство», как предшествующие изучению именно курса оснований и фундаментов, а также пытливым аспирантам. Вместе с дисциплинами «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Строительная механика» они призваны формировать кругозор любого инженера-строителя.

** *

Вэтой книге авторы попытаются простым языком осветить проблемы, связанные с происхождением грунтов, их свойствами, работой под нагрузками и др., по возможности не прибегая к сложным расчетам.

Аесли они появятся, соответствующие разделы можно без ущерба пропустить, не теряя при этом общей линии повествования.

При написании авторы руководствовались рядом принципов, которые известны многим пишущим. Таких принципов как минимум три:

1. Пишущий или читающий лекцию на любую тему должен помнить, как он сам воспринимал тот или иной материал, когда сам был слушателем-студентом. Многое было понятно сразу. Другое было непонятно, но заставляло задуматься о своем «небрежении и окаянстве» и попытаться восполнить непонятое. Третье было совсем непонятно, без надежды понять, причем не обязательно в силу «небрежения и окаянства», а, например, из-за недостатка математических знаний в это время. И уж если взялся писать об этом, приходится снова и снова учиться, и только потом – учить, писать.

2. Надо помнить, что любое обучение, любое узнавание требует, особенно на первых порах, определенного напряжения, даже – насилия над собой. Не надо бояться этого! Скоро, если слушателя-читателя действительно заинтересует проблема, это напряжение, это на первых порах неприятие сменится на интерес, если, конечно, книга, излагающая проблему, написана хорошо и профессионально, если автор умеет изложить сложную проблему простым и доступным языком, но в то же время не упрощая, не огрубляя ее содержания.

3. Не надо давать читателю думать, что авторы книги знают все. Глубочайшее заблуждение многих из нас! Гораздо правильнее и педаго-

14

гичнее честно сказать, что авторы здесь не могут дать верного ответа («…писал бо не ангел Божий!»), поскольку еще сами не знают его (или, как педагогический прием, делают вид, что не знают). Одни думают так, другие – так. Но, может быть, у слушателей-читателей найдется верный ответ, если ему правильно рассказать об имеющихся точках зрения на ту или иную проблему.

В заключение: Н.Н. Никонов в эпиграфе к первой, вступительной лекции назвал свою книгу сборником непрочитанных лекций по курсу МГСУ (прочитать же эти лекции Николаю Николаевичу так и неудалось).

Один из авторов этой книги – В.В. Лушников, около 30 лет преподававший курс оснований и фундаментов в Уральском политехническом институте и уже в какой-то мере освоивший этот курс, но в силу ряда причин изменивший направление деятельности в сторону практической работы в этой же области, предлагает считать эту книгу сборником недочитанных лекций, а главы ее – отдельными лекциями или группами лекций по одной из актуальных тем в области строительства.

* * *

Книга включает настоящую (вводную) главу и 10 лекций-глав по самым важным разделам курса сопротивления грунтов (механики грунтов), которые лектору предстоит прочитать, а слушателям – освоить. Курс рассчитан на изучение бакалаврами в течение 18 учебных недель 4-го семестра и предусматривает 16 часов лабораторных работ и 54 часа самостоятельной работы (изучение теоретического материала, аудиторные занятия, подготовка отчетов по лабораторным работам и их защите). Вид контроля по курсу – зачет. А курс «Основания и фундаменты» предусмотрен в 5-м семестре с таким же 17-недельным циклом обучения и контролем по нему в виде экзамена. Хотя построение курса может варьироваться в зависимости от учебных планов того или иного университета.

Почти каждая лекция включает обязательные и необязательные приложения, которые могут полезными, но могут быть и пропущены без какого-либо ущерба, либо они могут быть использованы для более глубокого изучения ряда вопросов в магистратуре.

В каждой лекции ведется своя нумерация рисунков, таблиц, формул и литературных источников.

15

Лекция первая ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУНТАХ И ФУНДАМЕНТАХ

Введение

Название книги «Сопротивление грунтов», что очевидно, заимствует часть названия знаменитой науки, которую знают даже неспециалисты в области строительства и механики – «Сопротивление материалов» и которую все называют короче и звонче – «Сопромат».

Эта наука занимается вопросами прочности, деформаций и устойчивости строительных элементов и деталей машин, которые делают из самых разных материалов – металла, камня, дерева, пластика, композитов. Она преемствует достижения других не менее знаменитых наук – «Теории упругости» и «Теоретической механики», но в отличие от них учитывает реальные, а не идеализированные свойства материалов, такие как их деформируемость. Также рассматривает поведение материалов при силовых воздействиях, при высоких и низких температурах, при вибрациях, рассчитывает релаксацию напряжений, ползучесть материалов и множество других проявлений работы материалов. Но, как отмечалось во вводной лекции, сопромат, в отличие от этих наук, содержит ряд допущений, упрощающих решения задач.

Сопромат – это начало настоящего инженерного образования строителей и механиков. Раньше существовало правило: «Сопромат сдал – жениться можешь!». Это означает, что, овладев основными правилами и терминологией сопромата (изгибающий или крутящий момент, нормальная и поперечная сила, момент инерции, момент сопротивления) и освоив несколько основных формул для вычисления таких характеристик, как изгибающий момент в балке в середине пролета, поперечная сила вблизи ее опоры и др., специалист мог рассчитать не только простейшие, но и серьезные строительные конструкции. Раньше, когда не было компьютерных программ, специалист, освоивший азы сопромата, мог, вооружившись справочниками и логарифмической линейкой, ехать куда угодно, вплоть до необитаемого острова. Многие студенты строительного факультета УПИ, попавшие на Великую Отечественную войну (но уже освоившие основы сопромата), могли легко, фактически в уме, рассчитать, например, какое сечение и сколько деревянных бревен нужно положить через речку, чтобы через нее мог проехать танк…

Считается, что эта наука развивается, начиная с трудов Галилео Галилея (Galileo Galilei, 1564–1642). Однако, скорее всего, истоки этой

16

науки нужно искать гораздо раньше – в Риме, Древней Греции, даже в Египте и Индии. Там строились уникальные инженерные сооружения, которые без знания основ сопромата просто невозможно было построить.

Например, можно проследить, как со временем изменялось сечение классической колонны, начиная с дорического, тосканского, далее – ионического, коринфского ордеров. В Египте (например, в Карнаке) огромные по сечению колонны ставили просто так – вплотную друг к другу, причем часто они не несли никакой нагрузки, кроме своего веса (но и его уже нужно было знать!). В Греции и Риме колонны уже выполняли серьезные несущие функции – они поддерживали поставленные на них конструкции – стены, карнизы, балки фронтонов и проч. По-видимому, на основании каких-то опытов по испытаниям камней на прочность, с течением времени сечения колонн от ордера к ордеру постепенно уменьшались, а пролеты между колоннами увеличивались. Постепенно строения достигли совершенных пропорций, в идеале – знаменитого «золотого сечения» (соотношения двух величин b и a, a > b, когда справедливо a/b = (a + b) / a), пропорций, которые до сих пор служат образцами для архитекторов. Для этого нужно было еще знать и предельную прочность камня на изгиб, поскольку железобетона тогда не было, а металл для этой цели по разным причинам не годился.

Сопротивление грунтов по форме не отличается от сопротивления других строительных материалов – те же воздействия нагрузок, те же, но другие, гораздо меньшие пределы прочности и гораздо бóльшие деформации в грунтах. Очевидно, что сильнейшее влияние на свойства грунтов оказывает вода, отрицательная температура и др. Но главное отличие в том, что грунт – это тоже материал, но созданный не человеком, а самой природой. Этот материал, имеющий историю многих миллионов (миллиардов) лет, чрезвычайно разнообразен по свойствам.

Любое строительство считается опасным, поскольку своим весом любой сооруженный объект создает силовое воздействие на грунты, которые ранее такого воздействия никогда не испытывали. Даже если раньше, в доисторические времена, на этом месте был ледник или высокие горы, за время, когда они исчезли, грунты уже плохо или совсем «не помнят» о них.

Другая особенность – в большинстве случаев грунты, созданные природой, крайне не однородны. Чтобы строить на неоднородном грунте, нужно научиться «смотреть в глубь Земли» – смотреть путем проходки шурфов, бурения скважин, знать методы геофизики.

Но самое главное – если неоднородный грунт встретился на площадке строительства, его, в отличие от материалов для зданий, нельзя отбраковать или заменить (хотя в строительстве есть и такие решения).

17

Часто приходилось строить «именно здесь», а не где-нибудь в другом месте. Обычно это культовое место либо престижный участок, либо блажь хозяина… Очень редко удавалось убедить заказчика передвинуть стройку на другое место.

Считается, что наука о сопротивлении материалов и грунтов формировалась начиная с конца XVII в. (работами Р. Гука, Т. Юнга, Ш.-О. Кулона, Ж. Буссинеска, А. Фламана) и далее к концу ХIХ – середине ХХ в. Основателями современной науки называют К. Терцаги (1883–1963), А. Казагранде, Д. Тейлора, у нас – Н.М. Герсеванова (1879–1950) и ряда других ученых и практиков.

Но так же, как и с сопроматом, это не так. Наука о сопротивлении грунтов (точнее – практика) появилась гораздо раньше. Уже в глубокой древности было построено множество уникальных надземных и подземных сооружений, мостов, дорог, которые без знания хотя бы простейших представлений о несущей способности и деформациях грунтов и построить было просто невозможно. Можно допустить, что соорудить фундамент для храма в Древней Греции было относительно просто: храмы обычно ставили на высоких местах, чаще всего на скале. А как сделать подземное сооружение или храм на берегу реки Инд или Ганг в Древней Индии, на десятки метров ниже уровня рек, в самых слабых грунтах, какие только можно себе представить. В воинском уставе Цезаря были указания о том, как и сколько нужно забивать свай для опор мостов (например, через Рейн с его быстрым течением).

Или взять дома, храмы и крепости в Санкт-Петербурге, которые построены на месте с самыми слабыми грунтами – отложениями Невы и мо-

ря. Как мог Огюст Монферран (Henri Louis Auguste Ricard de Montferrand, 1786–1858) построить Исаакиевский собор на коротких 6-, 7-, 10-метровых сваях из бревен, не зная правил оценки несущей способности и свай в грунтах? Или как можно было построить капитальные дома Невского проспекта без применения свай, в то время как сейчас там для новых домов погружают 20–30-метровые сваи!?

Наука о грунтах, действительно, в те годы не сформировалась, но секреты строительства фундаментов и подземных строений, основанные на накоплении своего или чужого положительного или отрицательного опыта, передавались из поколения в поколение.

Сейчас наука о сопротивлении грунтов изучается в разных дисциплинах. Как ранее отмечалось, это «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», «Механика грунтов», «Механика горных пород», «Основания и фундаменты, подземные сооружения», «Геоэкология», «Гидротехническое строительство» и др. Важно, что «взгляд» на грунты различается в зависимости от того, кто и как их понимает – геолог или строитель. Первый, как правило, делает акцент на проис-

18

хождение грунтов, на изменчивость их свойств, а второй – на строительные аспекты, связанные со свойствами грунтов и их влиянием на проектируемые объекты.

Также следует отметить, что те же законы, которые характеризуют свойства грунтов, целиком относятся и к другим сыпучим материалам: зерну, насыпным продуктам типа лука и свеклы, руде, раздробленным горным породам, стеклянным и стальным шарам, дроби…

Но есть еще и науки так называемого более высокого уровня: «Теория упругости», «Теория пластичности», «Механика деформируемого твердого тела», «Механика сплошной среды», еще более высокого – «Математическая теория упругости», «Реология и ползучесть». Даже понять эти проблемы без специальной предварительной подготовки,

атем более использовать в практических целях, очень трудно.

Впредлагаемой читателю книге авторы намерены в максимально простой форме изложить свои представления о происхождении грунтов, об истории появления термина «фундамент», основных свойствах грунтов, способах расчета, проектирования и строительства фундаментов зданий и сооружений, включая уникальные и относительно простые – индивидуальные малоэтажные дома.

Изложение сути проблем опирается на материалы многолетних исследований и наблюдений автора, живущего и работающего на Среднем Урале, в регионе, где имеются самые разнообразные грунты, исключая, пожалуй, только вечную мерзлоту. Здесь достаточно суровый климат и соответственно довольно большая глубина промерзания, от которой зависит конструкция и, в первую очередь, глубина заложения фундаментов. В других регионах страны условия могут отличаться от уральских, но, на наш взгляд, эти материалы исследований будут полезны и там, поскольку почти каждый строитель сталкивается со всеми обсуждаемыми здесь проблемами устройства оснований и фундаментов.

Урал отличается своим геологическим строением: здесь почти на каждом участке можно встретить самые разные грунты – от скалы до болотистой почвы. На примере Урала можно хорошо проследить все разнообразие грунтов, которое в других регионах «менее представительно». Например, в Санкт-Петербурге и его окрестностях преобладают более слабые грунты – это результат геологической деятельности рек, морей, ранее существовавших ледников (морены). Очевидно, здесь меньше глубина промерзания, но зато больше болот. В других местах другая ситуация. Но повторимся, для строительства не имеет большого значения, промерзает грунт на 1.2–1.5 м (как в Санкт-Петербурге) или на 1.5–2.5 м (как на Урале). Важно то, что грунт промерзает, и это имеет самое важное значение для всех без исключения строений.

19

1 Что такое фундамент

Фундамент – важная часть строения, которую образно можно оценить как конструкцию, стоящую на границе естественной (природный грунт) и искусственной (надземное строение) субстанций. Если в надземном строении проектировщик определяет применяемые материалы и их качества (по справочникам или интуитивно, пользуясь здравым смыслом) и при необходимости отбраковывает негодные, то возможности его в выборе основания ограничены. Можно немного подвинуть будущий дом в ту или другую сторону, чтобы «поискать» грунты «получше», но, как правило, это невозможно и не меняет существа проблемы. Скорее всего, приходится строить там, где надо,

имириться с тем, что «Бог послал». И для этого надо знать, где и какие фундаменты можно применить.

Рассмотрим некоторые «находки» природы, примеры адаптивного поведения, которые человек заимствует в строительстве при устройстве фундаментов и которые можно назвать примерами адаптив-

ного управления.

Заметим, что адаптивное управление (поведение) следует считать основополагающим принципом развития и существования жизни на Земле. Любое живое и неживое существо в процессе эволюции так

ииначе адаптируется к объективным и часто меняющимся условиям существования. И далее продолжает адаптироваться, но уже в процессе своей жизни – также в зависимости от постоянно меняющихся условий окружающей среды, в частности, грунтов в среде их обитания.

За многовековую историю в природе созданы опоры живых и неживых творений – ног самого человека или животных, корней растений. На вопрос, как и почему появилась та или иная форма опор, их размеры, как они изменяются, адаптируются к изменениям окружающей среды за время существования творения, можно ответить: это результат эволюции и постепенной адаптации «всего и вся» к постоянно меняющимся условиям существования.

Далее рассматриваются только примеры, когда природа для человека, животного или дерева создает опору – прототип, прообраз фундамента. Но можно привести и другие уникальные примеры адаптации без образования опоры. Например, некоторые пауки могут ходить по воде, используя эффект мениска натяжения воды; некотрые водные животные, предварительно ударяя лапами по воде, образуют пузырьки воздуха и, используя восходящие пузырьки как опору, тоже могут передвигаться по воде…

Рассмотрим, как формировались известные типы фундаментов.

20