книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1
.pdfМЕХАНИКА
ГРУНТОВ,
ОСНОВАНИЯ
И ФУНДАМЕНТЫ
Под редакцией академика РИА, заел, деятеля науки
и техники РФ , доктора техн. наук, профессора С.Б. Ухова
Издание четвертое, стереотипное
Допущено Международной Ассоциацией строительных вузов в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки
дипломированных специалистов— «Строительство»
Москва «Высшая школа»
2007
УДК 624.15 ББК 38.58 М55
А в т о р ы :
Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н.
Р е ц е н з е н т :
кафедра строительныхконструкций и сооружений Российского университета дружбы народов (зав. кафедрой — д-р техн. наук, проф. Б.И. Дидух)
Механика 1рунтов, основания и фундаменты: Учеб, пособие М55 для строит, спец. вузов/С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский и др.; Под ред. С.Б. Ухова. — 4-е изд., стер. — М.: Высш. шк.,
2007. - 566 с.: ил.
ISBN 978-5-06-003868-2
В учебном пособии даны основные сведения о природе грунтов и показате лях их физических свойств. Рассмотрены механические свойства, напряжен но-деформированное состояние и закономерности поведения грунтов под нагрузками и при воздействиях.
Приведены типы и конструкции фундаментов зданий и сооружений, при меняемых в промышленном и гражданском строительстве, и методы их расче тов. Широко освещены вопросы реконструкции и усиления фундаментов, а так же строительства в условиях стесненной городской застройки.
Для студентов строительных специальностей вузов. Может быть полезно ин женерно-техническим, научным работникам и аспирантам, специализирующимся в этой области.
уцк 624.15 ББК 38.58
ISBN 978-5-06-003868-2 © ОАО «Издательство «Высшая школа», 2007
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Выс шая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запрещается.
Посвящается светлой памяти учителя —
Николая Александровича
Цытовича
(1900 — 1984)
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 стои мости сооружений, трудозатраты нередко достигают 15% и бо лее от общих затрат труда, а продолжительность работ по возве дению фундаментов доходит до 20% срока строительства со оружения. При возведении заглубленных частей здания, а также при строительстве в сложных грунтовых условиях эти показатели значительно увеличиваются. Следовательно, совершенствование проектных и технологических решений в области фундаментостроения приводит к большой экономии материальных и трудо вых ресурсов, сокращению сроков строительства зданий и соору жений.
В проектировании фундаментов непосредственно принимают участие 10...15 тыс. специалистов, а с учетом многопрофильности труда проектировщиков — значительно больше. Десятки тысяч инженеров заняты в изысканиях для строительства, на работах, связанных 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 оценивать их влияние друг на друга.
Сказанное позволяет сделать вывод о важности изучения про блем, связанных с фундаментостроением, при подготовке инже- неров-строителей. Авторы стремились отразить в настоящем уче бном пособии современные положения механики грунтов и методы
з
фундаментосгроения, обеспечивающие будущим специалистам не обходимые знания для их практической деятельности.
В1994 г. вышел в свет учебник «Механика грунтов, основания
ифундаменты», созданный коллективом сотрудников Московского
государственного строительного университета под общим руковод ством и редакцией акад. РИА, д-ра техн. наук, проф. С. Б. Ухова и допущенный Государственным комитетом Российской Федерации по высшему образованию в качестве учебника для студентов вы сших учебных заведений, обучающихся по специальности «Промы шленное и гражданское строительство». Выпуск учебника был осущетвлен издательством АСВ.
Втечение последующих лет авторы провели работу по пересмот ру содержания учебника с целью усовершенствования методологии изложения, развития разделов, требующих освещения современных теоретических и экспериментальных основ механики грунтов, рас четно-конструктивной базы и элементов технологии в области фундаментостроения и подземного строительства, и готовили второе издание учебника.
Всоответствии с введенным в 1999 г. Министерством образова ния Российской Федерации Государственным образовательным ста
ндартом высшего профессионального образования ранее сущест вовавшая дисциплина «Механика грунтов, основания и фундамен ты» распределена на два блока: «Механика грунтов» — блок обще профессиональных дисциплин; «Основания и фундаменты» — блок дисциплин специальности. Указанное обстоятельство поставило формальный барьер для второго издания труда в качестве учебника
страдиционным названием. Настоящая редакция труда выходит
всвет в качестве учебного пособия.
Учебное пособие составлено в соответствии с Примерными про граммами курсов «Механика грунтов» и «Основания и фундамен ты» для высших учебных заведений по специальности 2903 «Промы шленное и гражданское строительство».
Пособие может быть использовано студентами других стро ительных специальностей, -а также будет полезно инженерно-тех ническим, научным работникам и аспирантам, специализирующим ся в этой области.
Учебное пособие подготовлено коллективом авторов под руко водством д-ра техн. наук, проф. С. Б. Ухова. Им же написаны введение, главы 4, 9, 17. Главы 1 и 2 написаны д-ром геолог.- минералог. наук, проф. С. Н. Чернышевым и проф. С. Б. Уховым совместно; главы 6, 12, 15 — канд. техн. наук, проф. В. В. Семено вым; главы 8 и 16 — В. В. Семеновым и С. Б. Уховым совместно; главы 10, 11, 13, 14 — канд. техн. наук, проф. В. В. Знаменским; гл. 18 — В. В. Знаменским и С. Б. Уховым совместно; главы 3, 5, 7 и § 4.5 — д-ром техн. наук, проф. 3. Г. Тер-Мартиросяном со вместно с проф. С. Б. Уховым.
4
Авторы благодарны д-ру техн, наук, проф. М. Ю. Абелеву н д-ру техн. наук, проф. М. В. Малышеву за полезные советы при подго товке настоящего издания.
Авторы выражают искреннюю признательность рецензентам: сотрудникам кафедры строительных конструкций и сооружений Российского университета дружбы народов н особенно - - заведу ющему кафедрой д-ру техн. наук, проф. Б. И. Дидуху за ценные замечания, которые были учтены при переработке книги.
Особую симпатию и благодарность коллектив авторов выража ет редактору издательства «Высшая школа» Т. Ф. Мельниковой, без творческого участия которой выход в свет этой работы был бы невозможен.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Особенности курсов. 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 сложны ми процессами, во многом отличающимися от поведения конструк ционных материалов. Это потребовало разработки специальных экспериментальных методов и теоретического аппарата механи ки грунтов для описания процессов их деформирования и разруше ния.
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 грунтов, но и раз работать оптимальные конструктивные решения передачи нагрузок от сооружения на основание, а в ряде случаев и способы улучшения строительных свойств грунтов основания.
Таким образом, механика грунтов, основания и фундаменты представляют комплекс дисциплин, изучающих 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 решения подземных частей зданий и технология их возведе ния во многом отличаются от принятых в других дисциплинах строительного цикла.
6
взаимодействуя в то же время с основаниями из грунта естественного происхождения.
Таким образом грунты рассматриваются как основания соору 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 курсов. Нормальная эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько правильно запроектировано и осуществлено его взаимодействие с основанием. Это же в значителной мере влияет на стоимость и сроки строитель ства. '
Поэтому цель настоящего учебного пособия — научить будущих инженеров-строителей обоснованию и принятию оптимальных ре шений по устройству оснований и фундаментов зданий и сооруже ний промышленного и гражданского назначения в различных ин
женерно-геологических условиях. |
|
Учебное пособие, состоит из двух частей. |
|
В первой части «М еханика грунтов» |
изучаются физические |
и механические свойства грунтов, методы |
расчета напряженно |
го состояния и деформаций оснований, оценки устойчивости грун товых массивов, давления грунта на сооружения. Основное вни мание здесь уделено методам решения задач, наиболее часто встре чающихся в практике промышленного и гражданского стро ительства.
Во второй части «О снования и фундаменты » рассматрива ются вопросы проектирования 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.
8
Преследуя прежде всего достижение указанной выше цели, авто ры учебного пособия ставили также задачу подготовить будущего инженера-строителя самостоятельно совершенствовать свои знания в области современной механики грунтов и фундаментостроения с помощью научно-технической литературы.
Связь курсов с другими дисциплинами. Механика грунтов, ос нования и фундаменты неразрывно связаны с инженерной геологи ей, изучающей верхнюю часть земной коры как среду инженерной деятельности человека. Для понимания механики грунтов необхо димо знать дисциплины механико-математического цикла: сопро тивление материалов, теорию упругостит пластичности и ползуче сти, строительную механику, владеть методами математического анализа. Проектирование оснований и фундаментов требует также знания строительных конструкций, технологии строительного про изводства, техники безопасности, экономики и организации стро ительства. Развитие автоматизированного проектирования фунда ментов связано с умением специалистов работать с современными ЭВМ, прежце всего с персональными компьютерами. Наконец, любое строительство, тем более связанное с грунтами основания, изменяет природную обстановку в массиве грунтов, поэтому важ нейшей составляющей цикла дисциплин является строительная эко логия.
Краткий исторически очерк развития паук о фундаментостроеннн. В течение многих веков в основе строительства лежал только чело веческий опыт. Попытки обобщить этот опыт предпринимались уже давно. Например, выдающийся архитектор древности (I в. до н. э.) Витрувий писал: «Для закладки фундаментов храмовых зданий следует рыть до глубины твердых пород... и закладывать фун дамент на твердых пластах на глубине, сообразно с величиной сооружения...» Однако строительство долго оставалось скорее ис кусством, чем наукой («строительное искусство», «зодчество»). Еще в начале XIX в. французский ученый Л. Навье отмечал: «Большин ство конструкторов устанавливают размеры частей машин и соору жений по образу осуществленных конструкций».
Промышленная революция конца ЗОЛИ — начала XIX в., вы звавшая бурное развитие техники, транспорта, горнодобываю щей и других отраслей промышленности, привела к усложнению конструкций сооружений в условиях резко возросших объемов стро ительства. В свою очередь это повлекло за собой значительное увеличение числа аварий, сопровождавшихся человеческими жерт вами и крупными материальными потерями. Возникла необходи мость формирования научного подхода ко всем отраслям стро ительства.
9
Базой' для этого послужили фундаментальные исследования в области механико-математических наук, достигшие значительного развития к концу XVIII в. В это же время возникла новая наука — геология, оказавшая впоследствии огромное влияние на строитель ное дело. Появляются ставшие классическими работы о закономер ностях поведения грунтов: о давлении грунта на подпорные стенки (Ш. Кулон, 1773); о движении воды в грунтах (Г. Дарси, 1856);
освязи между давлением и осадкой (Б. Винклер, 1867) и др.
В1869 г. русским профессором В. М. Карловичем публикуется первый в мире курс «Основания и фундаменты», положивший нача ло возникновению нового направления строительной науки и раз витый дальше трудами В. И. Курдюмова, П. А. Миняева и др.
В 1885 г. французский математик Ж. Буссинеск получает решение задачи о распределении напряжений в полупространстве от дейст вия сосредоточенной силы, заложившее основы теории распределе ния напряжений в грунте. Во второй половине прошлого и начале настоящего столетия русский инженер Г. Е. Паукер, французский ученый М. Леви, немецкий специалист Л. Прандтль и другие созда ют основы 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 «Строительная 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 труд от друга создаются основы новой отрасли науки — инженерной геологии. В 1934 г. выходят
всвет 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 Н. А. Цытович, классический учебник которого неоднократно переиздавался в период 1934 — 1983 гг. Широкой известностью пользовались учебники по курсу «Осно вания и фундаменты» 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). Значи тельным событием явилось издание в 1985 г. под редакцией Е. А. Сорочана и Ю. Г. Трофименкова «Справочника проекти ровщика. Основания, фундаменты и подземные сооружения». По-
ю