Костерин Э. В. - Основания и фундаменты. Учебник для автомобильно-дорожных вузов

Э. В. КОСТЕРИН

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

ИЗДАНИЕ 2-е, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов автомобильно-дорожных специальностей высших учебных заведений

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1978

6С8 К72 УДК 624.15(075.8)

Рецензент:

кафедра строительных конструкций и мостов Киевского автомобильно-дорожного института

Костерин Э. В.

К72       Основания и фундаменты. Учебник для автомобильно-дорожных   вузов.   Изд.   2-е,   перераб.   и   доп., .М.,

«Высш. школа», 1978. 375 с. с ил.

В книге изложены вопросы расчета, проектирования и возведения фундаментов опор мостов и других сооружений на автомобильных дорогах. Рассмотрены фундаменты мелкого заложения, свайиые, столбчатые и массивные глубокого заложения, а также фундаменты в особых условиях. Освещены вопросы оценки прочности основании, методы определения осадок фундаментоа и способы укрепления грунтов. Приведена методика проектирования различных фундаментов, рассмотрены особенности производства работ по строительству фундаментов как на суше, так и на акваториях.

©   Издательство «Высшая школа», 1978

ПРЕДИСЛОВИЕ

В автомобильно-дорожных институтах изучение научных дисциплин «Инженерная геология», «Грунтоведение и механика грунтов» предшествует курсу «Основания и фундаменты». Вследствие этого, приступая к изучению настоящего курса, студент уже должен иметь необходимые знания по инженерной геологии, грунтоведению и механике грунтов. Научные сведения по указанным дисциплинам в учебнике «Основания и фундаменты» рассматриваются лишь в том объеме, и каком они необходимы для понимания содержания материала, без соответствующих подробных обоснований.

Учитывая, что учебник предназначен для автомобильно-дорожных институтов, основное внимание в нем уделено основаниям и фундаментам искусственных сооружений на автомобильных дорогах и, главным образом, основаниям и фундаментам опор мостов.

Значительную часть книги занимают материалы о свайных и столбчатых фундаментах. Такие фундаменты, являясь экономичными и надежными, в настоящее время широко распространены в мостостроении.

Автор стремился создать такой учебник, чтобы студенты могли его использовать на всех стадиях изучения курса «Основания и фундаменты» в институте: при изучении теоретической части курса, в курсовом и дипломном проектировании. Для этого в учебнике наряду с описанием различных видов фундаментов, методов их постройки и подробным изложением теоретических основ расчета фундаментов и оснований изложена методика проектирования фундаментов, имеются необходимые расчетные таблицы и дополнительные формулы, приведены характеристики основного строительного оборудования и кратко описана методика его выбора для разработки способов сооружения фундаментов. В учебнике приведены примеры проектирования различных фундаментов и расчетов оснований.

В новом издании учебника в основном сохранены те же главы, что и в первом издании. Но в них внесены изменения и дополнения, отражающие новейшие достижения науки и техники в области фундаментостроения за последнее десятилетие.

Единицы измерения величин приведены в Международной системе единиц (СИ).

Книга может быть полезной для инженеров-проектировщиков и производственников, работающих в области дорожного фундаментостроения.

Автор благодарит сотрудников кафедры строительных конструкций и мостов КАДИ, заведующего кафедрой докт. техн. наук проф. Я- Д. Лившица, канд. техн. наук доц. С. Н. Коваленко и других за ценные замечания, способствовавшие улучшению содержания настоящего учебника.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Основания и фундаменты» охватывает круг вопросов, связанных с проектированием и постройкой фундаментов инженерных сооружений.

Фундаментом называется подземная или подводная часть сооружения (рис.  В.1),  которая передает нагрузку от  сооружения грунту основания и распределяет ее, как правило, на большую площадь.

Основанием считают слои грунта, залегающие ниже подошвы фундамента и в стороны от него, влияющие на устойчивость фундамента и его перемещения.

Нижнюю плоскость, которой фундамент опирается на грунт, называют подошвой. Верхняя граница между фундаментом и телом сооружения называется плоскостью обрезов или просто обрезом фундамента. Расстояние по вертикали от обреза до подошвы составляет высоту фундамента hф.

Под глубиной заложения фундамента h понимают расстояние от самого низкого, в период эксплуатации сооружения, уровня поверхности грунта до подошвы фундамента. В общем случае высота фундамента и глубина его заложения могут быть различными (рис. В.1). Необходимость заглубления фундамента диктуется рядом условий. Верхние слои грунта обычно имеют низкую несущую способность. Устройством фундамента и заглублением его до прочных грунтов обеспечивают надежное существование сооружения как во время строительства, так и в период его эксплуатации.

Заглублением фундаментов ниже уровней размыва предохраняются гидротехнические сооружения и опоры мостов от потери устойчивости и обрушения в результате подмыва грунта основания текущей водой.

Многие грунты подвержены пучению при промерзании. Заглубление фундаментов ниже зоны пучения предохраняет сооружение от воздействия нормальных сил пучения, которые могут вызвать его деформации.

Второе назначение фундаментов — распределять нагрузку на большую площадь — вытекает из сопоставления прочности материала надфундаментной части сооружения и прочности грунта. Прочность грунта обычно значительно меньше прочности материала сооружения. Поэтому подошва фундамента имеет размеры большие, чем размеры сооружения.

Фундамент может служить и ограждающей конструкцией, например, в зданиях, имеющих подвалы.

Различают следующие виды фундаментов: 1) мелкого заложения; 2) глубокого заложения, к которым относятся свайные и столбчатые, а также массивные фундаменты в виде опускных колодцев и кессонов.

Фундаменты глубокого заложения отличаются от фундаментов мелкого заложения значительно большей глубиной заложения, особенностями конструкции, постройки и характером работы в грунте. По боковым поверхностям фундаментов глубокого заложения возникают значительные реактивные составляющие давлений грунта, которые учитывают при расчетах этих фундаментов.

Схема фундамента мелкого заложения показана на рис. В.1. Свайный фундамент состоит из несущих элементов — свай и плиты ростверка (рис. В.2). Ростверк объединяет сваи в одну конструкцию и распределяет на них нагрузку от сооружения. Столбчатый фундамент по сравнению со свайным имеет большие размеры несущих элементов-столбов. Массивный фундамент глубокого заложения (рис. В.З) отличается от свайного и столбчатого конструкцией, большими размерами, особенностями погружения.

Основания могут быть естественными и искусственными. Если фундамент возводится на грунте с сохранением его природных качеств, то такое основание называют естественным. Если грунты перед возведением фундамента укрепляют тем или иным способом, то основание называют искусственным.

Вследствие многообразия условии возведения фундаментов требуется внимательно подходить к их проектированию. Очень часто для одного и того же сооружения можно наметить несколько технически обоснованных типов фундаментов. Задача инженера заключается не только в том, чтобы правильно запроектировать и построить тот или иной фундамент, который удовлетворял бы требованиям прочности, устойчивости, деформативности, долговечности и обеспечивал надежную эксплуатацию сооружения, но и в том, чтобы из всех возможных вариантов на основе технико-экономического анализа выбрать наиболее целесообразный.

В курсе «Основания и фундаменты» изучаются не только вопросы проектирования фундаментов и оснований, но и особенности производства работ по постройке фундаментов. Методы производства работ в значительной степени влияют на конструкции фундаментов, их стоимость и несущую способность грунтов основания. Поэтому проектировать фундаменты нужно совместно с разработкой методов производства работ.

Курс «Основания и фундаменты» тесно связан с такими дисциплинами, как «Механика грунтов», «Инженерная геология», «Мосты», «Строительная механика» и «Строительные конструкции».

Наука о фундаментах и основаниях, как самостоятельная, оформилась в прошлом веке. Первая книга по основаниям и фундаментам в России была опубликована проф. В. И. Карловичем в 1869 г. За рубежом подобное руководство вышло спустя 10 лет.

Большой вклад в дело развития фундаментостроения внес профессор Петербургского института инженеров путей сообщения В. И. Курдюмов, который опубликовал в 1889 г. результаты своих исследований в работе «О сопротивлении естественных оснований». Эта работа послужила основой современных представлений о характере разрушения грунтов под фундаментами.

До середины прошлого столетия при постройке сооружений применяли фундаменты мелкого заложения на естественном основании, свайные и фундаменты в виде опускных колодцев. В 1841 г. французский инженер Тр иже изобрел кессонный способ работ для проходки шахт в водонасыщенных грунтах. С этого периода кессонные фундаменты стали использовать и в мостостроении. В 1899 г. киевский инженер . Э. Страус изобрел и внедрил в практику набивные бетонные сваи, которые получили широкое распространение не только в России, но и за рубежом. В 1914 г. проф. Н. И. Герсевановым был впервые разработан метод расчета свайных фундаментов с высокими жесткими ростверками. Этот метод, значительно усовершенствованный в последующем, применяется при расчете фундаментов опор мостов и в настоящее время.

Развитие науки о фундаментах неразрывно связано с развитием механики грунтов. В 1885 г. французский академик И. Буссинеск опубликовал решение задачи о распределении напряжений и перемещений внутри упругого полупространства, на поверхности которого приложена вертикальная сосредоточенная сила. Это решение широко используется и в настоящее время при определении напряжений в грунтах и перемещений- фундаментов.

Следует отметить исследования проф. П. А. Миняева (1912—1916), который показал применимость к сыпучим грунтам теории упругости, и проф. Н. П. Пузыревского, который в работе «Расчеты фундаментов» (1923) и в курсе «Фундаменты» (1934) использовал в расчетах теорию упругости и теорию балок на упругом основании. Решение И. П. Пузыревского о краевой нагрузке и в настоящее время   применяют при расчете оснований сооружений.

Серьезные исследования в области механики грунтов и фундаментов начались в 20-х годах. В 1925 г. за рубежом вышла книга проф. К. Терцаги «Строительная механика грунтов», которая сыграла большую роль в развитии механики грунтов. Позднее им были опубликованы «Теоретическая механика грунтов» (1942) и совместно с Р. Пеком «Механика грунтов в инженерной практике» (1948). В 1934 г. вышел первый учебник по механике грунтов, написанный проф. Н. А. Цытовичем. Теория напряженного состояния и деформирования оснований получила дальнейшее развитие в трудах советских ученых Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина, М. И. Горбунова-Посадова, В. Н. Жсмочкина, Н. Н. Маслова, К. Е. Егорова и др.

Работы проф. В. В. Соколовского в области предельного равновесия грунтов для случая плоской задачи создали базу для расчета прочности (устойчивости) оснований сооружений.

Широкие опытные и теоретические исследования устойчивости оснований проведены коллективом ученых по главе с проф. В. Г. Березанцевым. Следует отметить большую работу по совершенствованию методов расчета свайных и столбчатых фундаментов опор мостом, проделанную научными сотрудниками Центрального научно-исследовательского института транспортного строительства (ЦНИИС) А. А. Луга, Г. С, Шпиро, К. С Завриевым, К. С. Силиным, Н. М. Глотовым и др.

Методы закрепления слабых грунтов отражены в трудах проф. Б. А. Ржаницына, II В. Асколонова и др.

Вопросы проектирования и строительства сооружений на вечномерзлых грунтах иперные были разработаны в СССР. Они получили освещение в трудах проф. М. И. Сумгина, Н. А. Цытовича, А. В. Ливеровского, И. И. Салтыкова, С. С. Вялова, Б. И. Долматова и др.

Задача о расчете фундаментов под машины на колебания была впервые в мировой практике решена в исследованиях проф. Н. П. Павлюка (1938). Исследования условий строительства на просадочных грунтах нашли отражение в трудах профессоров К). М. Абелева, Н. Я. Денисова и др.

В Советском Союзе впервые был освоен и внедрен в практику строительства вибрационный метод погружения шпунта, свай и оболочек. Инициатива в развитии этого метода принадлежит Д. Д. Баркану. Успешно работают в этом направлении советские ученые О. А. Савинов, В. П. Татарников и многие другие.

Советскими инженерами за последние два десятилетия разработаны и внедрены и практику строительства мостов фундаменты из сборных железобетонных оболочек и буровых свай, которые во многих случаях оказались эффективнее кессонных фундаментов.

Исследования оснований и фундаментов за рубежом отражены в трудах К. Терцаги, Р. Пека, Д. Тейлора, Г. П. Чеботарева, Д. А. Леонардса и других ученых.

Большое значение для развития фундаментостроения имеет деятельность международных конгрессов по механике грунтов и фундаментостроению, созываемых через 4—5 лет. Восьмой конгресс проходил в Москве в 1973 г. Новейшие достижения в механике грунтов и фундаментостроении публикуются в трудах конгрессов.

ГЛАВА   1 ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ОСНОВАНИЙ

§ 1. О ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ ОСНОВАНИЙ

Анализ причин аварий инженерных сооружений, возводимых на нескальных грунтах, показывает, что в большинстве случаев нарушение нормальной эксплуатации сооружения происходило вследствие потери устойчивости оснований или в результате развития больших и неравномерных осадок фундаментов.

Как известно из механики грунтов, нарушение прочности (устойчивости) основания связано с образованием в грунте поверхностей скольжения и сдвигом значительных объемов грунта. Этот процесс сопровождается быстро протекающей осадкой и креном фундамента, что приводит к потере устойчивости всего сооружения. При этом в случае небольшой глубины заложения фундамента около него с одной ИЛИ с двух сторон образуется вал выпирания грунта.

Классическим примером аварии подобного типа является авария элеватора в Норс-Трансконе (Канада), происшедшая в 1913 г. Вследствие потери прочности основания силосное сооружение получило крен 27°. Одна его сторона осела на 8,8 м, а другая приподнялась на 1,5 м (рис. 1.1).

Несмотря на строго соблюдаемую равномерную загрузку элеватора зерном крен сооружения был вызван уменьшением толщины сжимаемого слоя глины под одной стороной фундаментной плиты из-за наличия в этом месте гряды валунов. Недостаточная прочность водонасыщенного глинистого грунта, особенно в нижней части основания, не была установлена при изысканиях. В какой-то степени на снижение прочности глины повлияла незавершенная консолидация грунта. Влияние последнего фактора можно было бы уменьшить более низкими темпами загрузки элеватора.

Впоследствии силосное здание выровняли при помощи гидравлических домкратов и подвели новые столбчатые фундаменты. Столбы были доведены до скального грунта.

Значительно чаще сохранность и нормальная эксплуатация сооружений нарушаются в результате больших и неравномерных осадок фундаментов при нагрузках меньших, чем нагрузки, соответствующие потери устойчивости грунтов основания.

Примером аварий этого типа может служить авария автодорожного моста через реку Казанку (рис. 1.2). Большие и неравномерные осадки фундаментов моста, особенно правого устоя, были обусловлены целым рядом причин. При инженерно-геологических исследованиях не был обнаружен слой торфа под правым устоем, сжимаемость которого оказалась очень большой. При проектировании было неправильно принято неравномерное размещение вертикальных свай в фундаменте и не учтено влияние примыкающей насыпи, высота которой с правой стороны достигала 18 м, а с левой 10 м. Ввиду того, что напряжения в грунте от нагрузок, передаваемыми сваями и от веса насыпи, под шли ими гранями устоев оказались значительно больше, чем под передними, задние грани фундаментов (со стороны насыпи) осели больше. Полная осадка задней грани правого устоя равнялась 205,8 см, А осадка пяты арки — 100 см. Отсыпка высокой насыпи была сделана после сооружения устоя, в то время как для уменьшения осадки устоя ее следовало бы выполнить до его постройки, т. е. предварительно обжать основание.

Приведенные примеры аварий относятся к катастрофическим. Нарушение нормальной эксплуатации сооружений происходит и при значительно меньших деформациях оснований.