Ухов С. Б., Семенов В. В., Знаменский В. В., Тер-Мартиросян 3. Г., Чернышев С. Н - Механика грунтов, основания и фундаменты

С. Б. Ухов, В. В. Семенов, В. В. Знаменский, 3. Г. Тер-Мартиросян, С. Н. Чернышев

МЕХАНИКА ГРУНТОВ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Под редакцией чл.-корр. МИА, засл. деятеля науки и техники РФ, профессора, д-ра техн. наук, С. Б. Ухова

Допущено Государственным Комитетом Российской Федерации по высшему образованию в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство»

Издательство АСВ Москва 1994

УДК 624.04

ISBN 5—87829—003—0

Ухов С. Б., Семенов В. В., Знаменский В. В., Тер-Мартиросян 3. Г., Чернышев С. Н

Рецензенты:

кафедра оснований, фундаментов и мостов

Пермского технического университета

(зав. кафедрой — д-р техн. наук, проф. А. А. Бартоломей);

д-р техн. наук, проф. С. Н. Сотников

(зав. кафедрой оснований, фундаментов и механики грунтов

Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета

Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник/ М55 С. Б. Ухов и др., М., 1994., стр. 527, илл.

В учебнике даны основные сведения о природе грунтов и показателях их физических свойств. Рассмотрены механические свойства и напряженное состояние грунтов.

Дан расчет и приведены типы и конструкции фундаментов зданий и сооружений, применяемых в промышленном и гражданском строительстве. Изложены основные положения САПР в фундаментостроении.

Для студентов строительных специальностей вузов.

Издательство АСВ, 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26 Типография № 4, 129041, Москва, ул. Переяславская, 46

© Издательство АСВ, 1994 г.

ISBN 5—87829—003—0          

© Ухов С. Б., 1994 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Любое здание или сооружение строится на грунтовом основании, возводится из грунта как строительного материала или располагается в толще грунта. Его прочность, устойчивость и нормальная эксплуатация определяются не только конструктивными особенностями сооружения, но и свойствами грунта, условиями взаимодействия сооружения и основания.

Стоимость фундаментов составляет в среднем 12% от стоимости сооружений, трудозатраты нередко достигают 15% и более от общих затрат труда, а продолжительность работ по возведению фундаментов доходит до 20% срока строительства сооружения. В сложных грунтовых условиях эти показатели значительно увеличиваются. Следовательно, совершенствование проектных и технологических решений в области фундаментостроения приведет к большой экономии материальных и трудовых ресурсов, сокращению сроков строительства зданий и сооружений.

В проектировании фундаментов непосредственно принимают участие 10...15 тыс. специалистов, а с учетом многопрофильное™ труда проектировщика — значительно больше. Десятки тысяч инженеров заняты в изысканиях для строительства, на работах, связанных с подготовкой оснований, строительством фундаментов, подземных и заглубленных сооружений. Наконец, каждый инженер-строитель, независимо от профиля его деятельности, должен отчетливо представлять себе взаимосвязь сооружений и оснований, уметь надежно оценивать их взаимное влияние друг на друга.

Сказанное позволяет сделать вывод о важности изучения проблем, связанных с фундаментостроением, при подготовке инженеров-строителей. Авторы стремились отразить в настоящем учебнике современные положения механики грунтов и методы фундаментостроения, обеспечивающие будущим специалистам необходимые знания для их практической деятельности.

Учебник составлен в соответствии с программой курса «Механика грунтов, основания и фундаменты» для высших учебных заведений по специальности 2903 «Промышленное и гражданское строительство». Он может быть использован и студентами других строительных специальностей, а также будет полезен инженерно-техническим, научным работникам и аспирантам, специализирующимся в этой области.

Учебник подготовлен коллективом авторов под руководством д-ра техн. наук, проф. С. Б. Ухова. Им же написаны введение, главы 4, 9,17 — 19. 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. Семеновым, а главы 8 и 16 совместно с проф. С. Б. Уховым; главы 10,11,13, 14 — канд. техн. наук, доц. В. В. Знаменским: главы 3, 5 и 7 — д-ром техн. наук, проф. 3. Г. Тер-Мартиросяном совместно с проф. С. Б. Уховым.

Авторы благодарны д-ру техн. наук, проф. М. Ю. Абелеву и д-ру техд. наук, проф. М. В. Малышеву за полезные советы при обсуждении разделов рукописи, канд. техн. наук, доц. А. А. Музафарову и канд. техн. наук, доц. Е. В. Щербине за подготовку материалов к главам 17 и 19 и инж. Е. Е. Прохоровой за помощь при оформлении рукописи.

Авторы выражают искреннюю признательность рецензентам: чл.-корр. Российской Академии наук и академику Инженерной Академии РФ, д-ру техн. наук, проф. А. А. Бартоломею, д-ру техн. наук, проф. С. Н. Сотникову и сотрудникам кафедры оснований, фундаментов и мостов Пермского технического университета за ценные замечания, которые были учтены при доработке рукописи учебника.

Выходу в свет этой книги во многом способствовало содействие и спонсорская помощь генерального директора ТОО КПДКС-МИСИ канд. техн. наук, доц. М. В. Королева и гл. инж. этой организации канд. техн. наук, научн. сотр. Г. Е. Скрылева.

ВВЕДЕНИЕ

Особенности курса. Механика грунтов, основания и фундаменты вместе с инженерной геологией и охраной природной среды составляют особый цикл строительных дисциплин. Предметом его изучения являются материалы, как правило, природного происхождения — грунты и их взаимодействие с сооружениями. Если конструкционные 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 строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения.

Поведение грунтов под нагрузками сопровождается сложными процессами, во многом отличающимися от поведения конструкционных материалов. Это потребовало разработки специальных экспериментальных методов и теоретического аппарата механики грунтов для описания процессов их деформирования и разрушения.

Прочность грунтов обычно в сотни раз меньше, а деформируемость в тысячи раз больше, чем конструкционных материалов. Недоиспользование несущей способности грунтов основания приводит к удорожанию строительства. С другой стороны, ошибочная оценка поведения грунтов основания часто бывает причиной аварий сооружений. Поэтому необходимо уметь не только правильно оценить прочностные и деформационные свойства грунтов, но и разработать оптимальные конструктивные решения передачи нагрузок от сооружения на основание, а в ряде случаев и способы улучшения строительных свойств грунтов основания. Эти вопросы относятся к разделу «Основания и фундаменты».

Таким образом, «Механика грунтов, основания и фундаменты» является комплексной дисциплиной, изучающей как особенности поведения грунтов под нагрузками, так и способы передачи нагрузок от сооружений на Основание.

При этом методы изучения строительных свойств грунтов; способы расчетов взаимодействия сооружений и оснований, конструктивные решения подземных частей зданий и технология их возведения во многом отличаются от принятых в других дисциплинах строительного цикла.

Основные понятия и определения. Всякое сооружение передает действующие на него нагрузки на основание (рис. В.1).

Основанием называют толщу грунтов, на которых возводится сооружение. Основание воспринимает от сооружения нагрузки, деформируясь под действием этих нагрузок. При чрезмерных деформациях основания возникают деформации сооружения, препятствующие нормальной его эксплуатации, и даже аварии, сопровождающиеся разрушением сооружения.

Различают естественные основания,   сложенные  природными грунтами без специальной их предварительной подготовки, и искусственные, представленные уплотненными или закрепленными грунтами природного происхождения, а также образованные твердыми отходами производственной и хозяйственной деятельности человека.

Грунты, залегающие непосредственно вблизи земной поверхности, подвержены климатическим, метеорологическим и другим воздействиям и, как правило, не могут служить надежным основанием. Поэтому часть сооружения обычно заглубляется ниже поверхности земли. Подземную часть сооружения, предназначенную главным образом для передачи нагрузки от сооружения на основание, называют фундаментом. Нижнюю поверхность фундамента называют подошв ой, расстояние от поверхности планировки грунта до подошвы фундамента — глубиной заложения фундамента.

В случае слоистого напластования грунтов различают несущий слой грунта, на который непосредственно опирается фундамент, и подстилающие слои.

Иногда приходится рассматривать грунт как среду, вмещающую инженерные сооружения (подпорные стенки, заглубленные и подземные сооружения, трубопроводы, коллекторы и т. п.), и принимать во внимание при проектировании не только воздействие сооружения на грунт, но и воздействие грунта на сооружение.

Многие сооружения (дорожные насыпи, ограждающие дамбы, земляные плотины и т. п.) полностью или в значительной мере возводятся из грунта как строительного материала, взаимодействуя в то же время с основаниями из грунта естественного происхождения.

Таким образом грунты рассматриваются как основания сооружений, строительный материал или среда, вмещающая сооружения, что находит отражение в способах исследования их свойств и методах расчетов.

Важно иметь в виду, что здания и сооружения существуют не сами по себе, а как комплекс городской или промышленной застройки. 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 промышленной застройки, использование подземного пространства городов и промышленных зон приводят к активизации дополнительных процессов в основаниях, что важно учитывать при проектировании и строительстве.

Цель, состав и задачи курса. Нормальная эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько правильно запроектировано и осуществлено его взаимодействие с основанием. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки строительства.

Поэтому цель настоящего курса — научить будущих инженеров-строителей обоснованию и принятию оптимальных решений по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения в различных инженерно-геологических условиях.

Курс состоит из двух частей.

В первой части «Механика грунтов» изучаются физические и механические свойства грунтов, методы расчета напряженного состояния и деформаций оснований, оценки устойчивости грунтовых массивов, давления грунта на сооружения. Основное внимание здесь уделено методам решения задач, наиболее часто встречающихся в практике промышленного и гражданского строительства.

Во второй части «Основания и фундаменты» рассматриваются вопросы проектироваия оснований и фундаментов в разнообразных грунтовых условиях. Материал этой части имеет сугубо прикладную направленность и является основным для формирования инженера-строителя. Однако уверенное владение этим материалом, умение в конкретных условиях строительства выбрать, рассчитать и запроектировать оптимальный вариант основания и фундаментов здания или сооружения невозможны без глубокого понимания материалов первой части.

Преследуя прежде всего достижение указанной выше цели, настоящий курс ставит также задачу подготовить будущего инженера-строителя самостоятельно совершенствовать свои знания в области современной механики грунтов и фундаментостроения с помощью научно-технической литературы.

Связь курса с другими дисциплинами. Механика грунтов, основания и фундаменты неразрывно связаны с инженерной геологией, изучающей верхнюю часть земной коры как среду инженерной деятельности человека. Для понимания механики грунтов необходимо знать дисциплины механико-математического цикла: сопротивление материалов, теорию упругости, пластичности и ползучести, строительную механику, владеть методами математического анализа. Проектирование оснований и фундаментов требует также знания строительных конструкций, технологии строительного производства, техники безопасности, экономики и организации строительства. Развитие автоматизированного проектирования фундаментов связано с умением специалистов работать с современными ЭВМ, прежде всего с персональными компьютерами.

Краткий исторический очерк развития наук о фундаментостроении. В течение многих веков в основе строительства лежал только человеческий 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 фундамент на твердых пластах на глубине, сообразно с величиной сооружения...». Однако строительство долго оставалось скорее искусством, чем наукой («строительное искусство», «зодчество»). Еще в начале XIX в. французский ученый Л. Навье отмечал: «Большинство конструкторов устанавливают размеры частей машин и сооружений по образу осуществленных конструкций».

Промышленная революция конца XVIII — начала XIX вв., вызвавшая бурное развитие техники, транспорта, горнодобывающей и других отраслей промышленности, привела к усложнению конструкций сооружений в условиях резко возросших объемов строительства. В свою очередь это повлекло за собой значительное увеличение числа аварий, сопровождавшихся человеческими жертвами и крупными материальными потерями. Возникла необходимость формирования научного подхода ко всем отраслям строительства.

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 строительное дело. Появляются ставшие классическими работы о закономерностях поведения грунтов: о давлении грунта на подпорные стенки (Ш. Кулон, 1773); о движении воды в грунтах (Г. Дарси, 1856); о связи между давлением и осадкой (Е. Винклер, 1867) и др.

В 1869 г. русским профессором В. М. Карловичем публикуется первый в мире курс «Основания и фундаменты», положивший начало возникновению нового направления строительной науки и развитый 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 действия сосредоточенной силы, заложившее основы теории распределения 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 создают 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. Гер-севанов публикует классический цикл «Основы динамики грунтовой массы». Приблизительно в это же время трудами акад. Ф. П. Саваренского и проф. К. Терцаги независимо друг от друга создаются основы новой отрасли науки — инженерной геологии. В 1934 г. выходят в свет 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 учебной дисциплины оказал Н. А. Цытович, классический учебник которого неоднократно переиздавался в период 1934 — 1983 гг. Широкой известностью пользовались учебники по курсу «Основания 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). Значительным событием явилось издание в 1985 г. под редакцией Е. А. Сорочана и Ю. Г. Трофименкова «Справочника проектировщика. Основания, фундаменты и подземные сооружения».

В настоящее время «Механика грунтов, основания и фундаменты» представляет собой область строительной науки с развитым экспериментально-теоретическим аппаратом и обширным комплексом проектно-технологических решений.

Значение механики грунтов, оснований и фундаментов в современном строительстве. В настоящее время наметилась тенденция к повышению этажности зданий, увеличению габаритов сооружений и массы технологического оборудования, что связано с увеличением нагрузок на основания. Одновременно возросли требования к качеству строительства, сокращению его материалоемкости, стоимости и продолжительности работ. Это повышает значение правильной оценки несущей способности грунтов оснований, выбора оптимальных типов фундаментов и проектирования их конструкций, обеспечивающих нормальную эксплуатацию сооружений.

Уплотнение городской и промышленной застройки, интенсивное использование подземного пространства требуют надежной оценки влияния строительных работ на существующие здания, обоснования безопасных технологий строительства. Сложные проблемы возникают в связи с резким увеличением объемов работ по реконструкции зданий и сооружений.

В экономически развитых районах и условиях сложившейся городской застройки ощущается нехватка территорий с благоприятными грунтовыми условиями и приходится застраивать площадки, ранее считавшиеся непригодными (речные поймы, болота, овраги, свалки, места складирования промышленных отходов и т. п.). Все в большей степени строительство смещается в районы с суровым климатом и сложными грунтовыми условиями (вечная мерзлота, территории, сложенные лессовыми просадочными, глинистыми набухающими грунтами, слабыми водонасыщенными и заторфованными грунтами и т. п.). Поэтому особое значение приобретают методы улучшения строительных свойств грунтов и специальные способы строительства в особых грунтовых условиях. Очень важной проблемой является также надежное строительство зданий и сооружений в сейсмически активных районах.

Важно иметь в виду, что многообразие инженерно-геологических условий различных строительных площадок и широкий диапазон конструктивно-технологических типов зданий и сооружений, возводимых на этих площадках, требуют при проектировании оснований и фундаментов творческого подхода и тщательного анализа всего комплекса исходных данных. Зачастую проектирование и устройство фундаментов ответственных сооружений в сложных грунтовых условиях представляют собой научно-техническую задачу, для решения которой приходится производить специальные исследования.

Часть 1

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

ГЛАВА 1

СОСТАВ, СТРОЕНИЕ

И СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ

1.1. Грунтовые основания. Происхождение грунтов

Всякое сооружение покоится на грунтовом основании. В зависимости от геологического строения участка застройки строение основания даже расположенных вблизи сооружений может быть различным (рис. 1.1). Обычно основание состоит из нескольких типов грунтов, которые определенным образом сочетаются в пространстве (сооружения А, В, Г, Д на рис. 1.1). В частном случае основание может состоять из грунта одного типа (сооружение Б на рис. 1.1).

Сооружение и основание составляют единую систему. Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузками от сооружения во многом определяют прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию сооружения. Поэтому инженер-строитель должен хорошо понимать, что представляют собой грунты, каковы их особенности по сравнению с другими конструкционными материалами (бетон, железобетон, металл, кирпич и т. п.), каким образом залегают грунты в основании сооружений, что определяет свойства грунтов и грунтовых оснований.

Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводится, или материала для сооружения.

Горной породой называют закономерно построенную совокупность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой.

Под составом подразумевают перечень минералов, составляющих породу. Структура — это размер, форма и количественное соотношение слагающих породу частиц. Текстура — пространственное расположение элементов грунта, определяющее его строение.

Термин «грунт» широко применяют в строительстве, заменяя более широкий термин «горная порода», который используется в геологии, географии, горном и геолого-разведочном деле. В инженерной геологии термин «горная порода» применяется при описании геологической среды за пределами основания и на допроектных стадиях исследований.

Горная порода, а, следовательно, и грунт представляют собой не случайное скопление минералов, а закономерную определенным образом построенную совокупность. Это имеет исключительно большое значение для строительства. Действительно, случайных совокупностей минералов может быть много. Закономерно построенных совокупностей горных пород в природе выделяется большое, но ограниченное количество. Инженерная геология изучает закономерности образования и свойства горных пород как грунтов. Наличие в природе однотипных грунтов, широко распространенных в разных частях Земли, служит основанием для разработки стандартных приемов строительства и применения типовых конструкций фундаментов. Так, существование слабых водонасыщенных грунтов — илов — уже в древности привело к идее устройства свайных фундаментов; особые свойства не менее широко распространенного лессового грунта потребовали разработки специальных способов строительства и т. п. В связи с этим, прежде чем рассматривать методы расчета и проектирования оснований и фундаментов, необходимо изучить основные типы грунтов, их физические свойства, особенности строения оснований.

Закономерности состава и строения грунтов теснейшим образом связаны с условиями их происхождения. В инженерной геологии, происхождение грунтов детально изучено для разных условий. Происхождение положено в основу классификации грунтов (ГОСТ 25100-82).

Все грунты разделяются на естественные — магматические, осадочные, метаморфические — и искусственные — уплотненные, закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.

Магматические (изверженные) горные породы образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов магмы в верхних слоях земной коры (интрузивные" или глубинные, породы — граниты, диориты, габбро и др.), а также при быстром остывании излившегося на поверхность земли расплава (эффузивные, или излившиеся,— базальты, порфиры и др.).

Осадочные горные породы образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от степени упрочнения различают сцементированные (песчаники, доломиты, алевролиты и т. п.) и несцементированные осадочные породы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лёссы, илы, торфы, почвы и т. п.).

Метаморфические горные породы образуются в недрах из осадочных, магматических или метаморфических пород путем их перекристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные метаморфические горные породы — сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

Горные породы магматического, метаморфического происхождения и сцементированные осадочные породы обладают жесткими связями между частицами и агрегатами и относятся к классу скальных грунтов. Осадочные несцементированные породы не имеют жестких связей и относятся к классу нескальных грунтов. В самых верхних слоях земной коры, называемых зоной современного выветривания, под влиянием колебаний температуры, изменения состояния и химического состава воды, газов, деятельности растительных и животных организмов и т. п. развиваются процессы выветривания — физического, химического, органического разрушения минералов и горных пород. Продукты разрушения верхних зон коры выветривания могут перемещаться водой или воздухом, переноситься на большие расстояния и вновь откладываться на новых территориях. Различие условий происхождения и дальнейшего изменения являются причиной разнообразия строения, состава, состояния и условий залегания грунтов в верхних слоях земной коры.

К искусственным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные материалами, приводящими к возникновению жестких связей (цементные и глинисто-силикатные растворы, жидкое стекло и т. п.). К классу нескальных искусственных грунтов относятся несцементированные осадочные породы, подвергнутые специальному уплотнению в природном залегании, насыпные, намывные грунты, а также твердые промышленные отходы (шлаки, золы и т. п.).

1.2. Состав грунтов

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В связи с этим он достаточно хорошо изучен в разделе инженерной геологии — грунтоведении.

В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонент: твердой, жидкой и газообразной (рис. 1.2).

Иногда в грунте выделяют биоту — живое вещество. Это оправдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воздействие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бактерий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, и мы будем рассматривать грунт как трехкомпонентную систему.