Денисов - Основания и фундаменты промышленных и гражданских зданий

О. Г. ДЕНИСОВ
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ И ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ (С ЭЛЕМЕНТАМИ ГРУНТОВЕДЕНИЯ И МЕХАНИКИ ГРУНТОВ)
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования РСФСР в качестве учебного пособия для студентов строительных вузов и факультетов
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА» М ос кв а— I

Книга написана применительно к программе курса «Механика грунтов, основания и  фундаменты» по специальности «Промышленное и  гражданское строительство». В ней содержатся основные положения грунтоведения, механики грунтов, приводятся исследования грунтов, рассматриваются естественные и искусственные основания, дается расчет фундаментов при статических и динамических нагрузках, а также рассматривается строительство зданий и сооружений в особых грунтовых условиях и другие вопросы.

Книга предназначается в качестве учебного пособия для студентов заочных и очных  инженерно-строительных вузов и факультетов и может быть использована инженерами-проектировщиками.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Основания и  фундаменты промышленных и гражданских  зданий с элементами грунтоведения и механики грунтов» написано в соответствии с программой для специальности «Промышленное и гражданское строительство».

В книге на современном материале приведены основные теоретические положения грунтоведения, исследования грунтов,  элементы механики грунтов, необходимые для полного усвоения курса, а также даны расчеты естественных и искусственных  оснований.

Кроме этого, подробно рассматриваются фундаменты при статических и динамических нагрузках, строительство зданий и сооружений в особых грунтовых условиях, проектирование и методы возведения  оснований и фундаментов и другие вопросы, связанные с фундаментостроением.

Пособие рассчитано для студентов  строительных вузов и факультетов, а также  может быть полезным и для  инженерно-технических работников.

ВВЕДЕНИЕ

Всякое промышленное или гражданское сооружение имеет  фундамент, опирающийся на основание. Основанием сооружения называется грунт, несущий все нагрузки от сооружения как в строительный, так и в эксплуатационный  период времени.

Основания могут быть естественными, если грунты обладают достаточной прочностью, устойчивостью, не дают недопустимых  деформаций и не требуют специальных мероприятий для их  укрепления, и искусственными, если грунты слабые и необходимо принять меры по их укреплению (рис. 1).

Сооружение оказывает влияние на основание в пределах  некоторой области (активной зоны), размеры которой зависят от площади подошвы фундамента, величины нагрузки и ряда других  факторов.

Фундаментом называется конструктивная часть сооружения, которая располагается обычно ниже дневной поверхности земли и передает нагрузки от сооружения на основание. Фундамент должен рассматриваться в сочетании с основанием и с вышележащими  конструкциями сооружения. Одной из основных задач будущего инженера-строителя является тщательное и всестороннее изучение законов взаимодействия между грунтами основания и конструкциями фундаментов на основе  достижений науки и техники фундаментостроения. При проектировании оснований и фундаментов необходимо знать:

1) инженер но-геологические и гидрогеологические особенности строительной площадки, а также физические, физико-химические и механические свойства грунтов;

2) методы расчета оснований, их деформативность, прочность и устойчивость;

3) конструктивно-комплексную систему «сооружение — фундамент— основание», находящуюся в грунтовой и водной, в некоторых случаях агрессивной среде;

4) методы расчета и конструирования фундаментов со  статическими и динамическими нагрузками;

5) методы производства работ по устройству оснований и фундаментов;

6) правила эксплуатации фундаментов сооружений.

Стоимость оснований и фундаментов в промышленных и  гражданских зданиях колеблется в пределах от 6 до 12% стоимости всего здания. Если же проектируются сооружения типа плотин, шлюзов, мостовых устоев, башен, подпорных стен, резервуаров и других  сооружений, то стоимость устройства фундамента и основания возрастает до 40—60%. Поэтому очень важно правильно выбрать основание, а также конструкцию и размеры фундамента.

Теоретические основы науки «Основания и фундаменты» в  России были опубликованы путейским инженером Матвеем  Степановичем Волковым в его двух работах: в 1835 г.— «Об исследованиях грунтов земли, производимых в строительном искусстве» и в 1840 г.— «Об основаниях каменных зданий».

В 1869 г. петербургским проф. В. М. Карловичем была  опубликована работа «Основания и фундаменты», послужившая  дальнейшим толчком в развитии данной науки. В 1889 г. проф. В. И. Курдюмовым опубликован труд «О  сопротивлении естественных оснований», где указывались особые пути науки о сопротивлении грунтов оснований в отличие от изучения обычных строительных конструкций. Он писал, что при разработке теории оснований необходимо обращать внимание на то  обстоятельство, что условия, при которых работает материал в основании, и способ его разрушения совершенно иные, чем в том случае, когда тот же материал работает в какой-либо части сооружения.

Проф. В. И. Курдюмов обращал внимание на то, что в элементах конструкций мы имеем дело с ограниченными размерами  материала — со стержнями, кусками материала, в то время как основание представляет собой полупространство неограниченных размеров.

Сам материал — грунт, заполняющий это полупространство,—  обладает особыми свойствами. Грунт является продуктом длительных геологических процессов и носит на себе отпечаток генезиса — это естественно сложившееся тело. Протекающие при его образовании процессы отличаются медлительностью; искусственное ускорение и изменение этих процессов (например, сжатие) изменяют его свойства. Эти положения, выдвинутые проф. В. И. Курдюмовым, были  обобщены в его книге «Краткий курс оснований и фундаментов»,  изданной в 1894 г.

Большой вклад в разработку теории прочности сыпучих песчаных грунтов внес русский инженер Г. Е. Паукер, который в 1856 г.  теоретически доказал, что можно строить сооружения не только на  плотных глинистых и скальных грунтах, но и на песчаных основаниях. В 1910 г. проф. С. И. Белзецким и другими были опубликованы исследования по устойчивости грунтов. Но, несмотря на ценность вышеназванных работ, это были только начальные и отдельные представления о грунтах, которые положили предел интуитивному подходу к работе грунта. Вопросами прочности и устойчивости грунтов занимались также исследователи за рубежом.

Все эти работы, как отечественных ученых, так и ученых за  рубежом, послужили началом формирования новой отрасли науки — «Строительная механика грунтов» или просто «Механика грунтов». В 1925 г. вышла в свет книга проф. К. Терцаги «Строительная механика грунтов», сыгравшая положительную роль в деле  дальнейшего развития данной науки. Большой научный вклад внесли отечественные ученые: проф. Н. М. Герсеванов и его ученики Ю. М. Абелев, Д. Е. Полыпин и др.; проф. Н. А. Цытович, а также Н. П. Пузыревский, П. А. Миняев, И. В. Яропольский, М. И.  Горбунов-Посадов, К.Е. Егоров и многие другие, проводившие  исследования оснований под нагрузкой.

В 1942 г. вышел труд чл.-корр. АН СССР проф. В. В.  Соколовского «Статика сыпучей среды», в котором впервые решены  многие вопросы устойчивости грунтов в свете теории предельного  равновесия.

За границей, кроме К. Терцаги, проводили исследования по механике грунтов Ф. Шлейхер, Л. Прандтль, Рейсснер, Како, Г. Крей, Кейль, Казагранде и др.

В настоящее время механика грунтов дает теоретические основы для правильного подхода к проектированию оснований и  фундаментов и является научным базисом для данной дисциплины. Для объяснения физических и физико-химических явлений в грунтах ученые рассматривают законы физики, физической химии, в частности фильтрационные, капиллярные и коллоидные явления, и на их основе развивают теорию связности и деформативности грунтов. Появилось понятие о грунтовой массе, которое разработано Н. М. Герсевановым в его трудах «Динамика грунтовой массы» и «Теоретические основы динамики грунтовой массы и ее практические приложения», а также в трудах проф. К. Терцаги.

Проф. Н. М. Герсевановым, Г. И. Покровским, К. Терцаги  достаточно подробно разработана капиллярная теория связности  грунтов и на ее основе получены количественные характеристики для расчета оснований.

За последние годы советскими учеными даны общие решения  плоской и пространственной задач уплотнения грунтов с учетом  переменной проницаемости, наличия воздуха в порах грунта,  деформации ползучести пленочной воды (проф. В. А. Флорин и др.); предложена строгая и точная теория предельного равновесия грунтов (В. В. Соколовский, В. Г. Березанцев и др.), с успехом применяемая для расчетов устойчивости грунтов в основаниях сооружений и откосах; разработаны практические методы расчета осадки сооружений на сжимаемых грунтах (В. А. Флорин, С. А. Роза, Н. А. Цытович).

Для решения большинства задач механики грунтов  используются уравнения теории упругости и сопротивления материалов, так как с некоторыми допущениями грунт рассматривается как сплошное, изотропное, линейно деформируемое тело. Большая часть грунтов представляет собой скопление мелких частиц, между которыми имеются поры. Во многих случаях  последние заполнены водой, существенно влияющей на характер связей между частицами. Поэтому процессы, протекающие в грунтах под воздействием нагрузки, принципиально отличаются от процессов, протекающих в сплошных телах.

Физической химией разработаны основные проблемы  поверхностных слоев коллоидных систем и влияние поверхностных адсорбционных слоев на свойства и поведение коллоидных дисперсных систем. Академиком П. А. Ребиндером изучаются механические свойства коллоидных систем. Работы академиков Дерягина и Ребиндера дали новое направление в изучении поверхностных явлений с учетом «расклинивающего давления воды», которое проявляется в тонких слоях жидкости, и показали его значение для грунтовых коллоидных систем. Учитывая то обстоятельство, что грунты являются  полидисперсными системами с тонкой фракцией типа коллоидных частиц, можно констатировать, что эти достижения советской физико - химии начинают находить отражение в изучении протекающих в грунтах процессов, обусловливающих изменение их физико-механических свойств, и поведения под нагрузкой. В частности, законами коллоидной химии объясняется основной вопрос механики грунтов — природа деформаций и связности глинистых грунтов, осадка сооружений.

Это доказано, например, доктором геолого-минералогических наук проф. Н. Я. Денисовым при оценке просадочных свойств лёссовых грунтов и создании теории связности глинистых грунтов. За последнее время с помощью изотопов изучают плотность грунтов и другие их физико-технические свойства. Механика грунтов изучает три основных вопроса: а) прочность основания; б) осадку сооружений; в) устойчивость естественных оснований и располагающихся на них сооружений.

В СССР созданы специализированные  научно-исследовательские институты фундаментостроения и гидротехники, а также лаборатории по исследованию грунтов с современным  оборудованием.

При исследовании грунтов необходимо отбирать их образцы с ненарушенной структурой для определения компрессионных свойств, модуля деформации, коэффициента сжимаемости и других  механических характеристик.

На основе теоретических и экспериментальных исследований в СССР разработаны нормы проектирования естественных оснований промышленных и гражданских зданий и сооружений, которые периодически перерабатываются.

Значительное место в курсе «Основания и фундаменты»  уделяется методам и приемам проектирования и расчета фундаментов промышленных и гражданских зданий.

При конструировании фундаментов проектировщик должен учитывать ряд специфических факторов: инженерно-геологические особенности грунтов, их промерзаемость, агрессивное воздействие грунтовой или поверхностной воды на материал фундамента. Совершенно необходимо также принимать во внимание  производственные особенности возведения фундаментов. Иногда приходится применять искусственные основания. От правильного выбора системы основания зависит экономичность сооружения и его устойчивость.

Фундаменты могут передавать не только статические, но и  динамические нагрузки. Проф. Н. П. Павлюк разработал теорию расчета таких фундаментов. Развитием этой теории занимались докт. техн. наук проф. Д. Д. Баркан («Динамика оснований и  фундаментов»), докт. техн. наук О. А. Савинов и др. В СССР составлены «Технические условия по проектированию фундаментов под машины с динамическими нагрузками» (СН 18—58), которые обобщают накопленный опыт работы в производственных условиях и  теоретические исследования.

Так как районы с вечномерзлыми грунтами занимают до 40% всей территории Советского Союза, в нашей стране вопросу  освоения этих районов придается большое значение. При Академии Наук СССР организован институт мерзлотоведения, который занимается исследованиями механики мерзлых грунтов. Имеются также  технические условия проектирования оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах (СН 91—60).

Большая территория в СССР занята лёссовидными просадочными грунтами, которые обладают свойством сильно деформироваться и давать просадки при замачивании, поэтому строительство на лёссовых грунтах требует особо тщательного подхода к  проектированию и строительству на них. Нормами и техническими  условиями допускаются только незначительные и равномерные осадки. В СССР проводится большая научно-исследовательская работа по определению свойств просадочных грунтов и возведению сооружений на них. Достаточно указать на работы проф. Н. Я. Денисова «О природе просадочных явлений в лёссовых суглинках», проф. Ю. М. Абелева «Основы проектирования и строительства на  макропористых грунтах» и др.

Проф. Н. Я. Денисов в 1943 г. разработал новую теорию  связности глинистых грунтов на основании законов коллоидной и физической химии. В настоящее время имеются разработанные канд. техн. наук Д. Е. Польшиным основы механики илистых грунтов. Наука в области механики грунтов и оснований и фундаментов продолжает развиваться и совершенствоваться на базе научного метода материалистической диалектики.

Грандиозные задачи строительства, которые стоят перед советским народом, заставляют решать часто весьма сложные и большие по объему вопросы в области фундаментостроения. Технический прогресс в области фундаментостроения  неотделим от общего процесса развития всего социалистического производства и прогрессивной науки в других странах. В соответствии с этим могут быть намечены следующие основные его направления на современном этапе:

1) коренное усовершенствование организации и технологии выполнения работ;

2) широкое внедрение сборного железобетона и крупных бетонных блоков;

3) внедрение комплексной механизации фундаментостроительных работ;

4) внедрение новых, более совершенных технических решений по устройству фундаментов и оснований (глубинные сваи, виброоболочки, химическое закрепление грунтов и т. д.);

5) разработка и внедрение в практику проектирования новых методов расчета.

Дальнейшее разрешение поставленных задач поможет сэкономить значительные средства и ускорить строительство надежных долговечных сооружений.

РАЗДЕЛ I

ГРУНТОВЕДЕНИЕ

Глава 1

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

В настоящее время ни одно строительство не производится без предварительного исследования физических свойств грунтов, служащих основанием для промышленных и гражданских зданий и сооружений.

К числу физических свойств, характеризующих грунты как основания зданий и сооружений и дающих возможность определить номенклатуру (наименование) грунтов, относятся:

1) для крупнообломочных грунтов — гранулометрический  состав;

2) для песчаных грунтов — гранулометрический состав, пористость и коэффициент пористости, объемный вес и удельный вес, влажность и степень влажности, плотность и степень плотности;

3) для глинистых грунтов — пластичность, консистенция и все вышеуказанные свойства, кроме плотности.

Для некоторых видов грунтов необходимо знать капиллярность, коэффициент фильтрации, структуру и связность. Все эти характеристики можно определить в лаборатории (или в полевых условиях) с помощью специальных приборов. Расчетные показатели (пористость, степень пористости, плотность и др.) можно определить по формулам. Для определения полного комплекса физических свойств  используются образцы с ненарушенной структурой в виде монолитов размерами 15x15x15 см.

Состав, структура и связность грунтов. Грунты являются  продуктом механического, химического, физико-химического и  биохимического процессов, происходящих в коре выветривания. В условиях естественного залегания грунты представляют собой сложную систему твердых, жидких и газообразных компонентов. Твердые частицы состоят из первичных (кварц, полевые шпаты, слюды, магниево-железистые соли, кремниевые кислоты, кальцит, доломит и др.) и вторичных минералов (каолинит, монтмориллонит, окислы и гидраты окислов алюминия и железа, кремнезем и др.), а также из органической части грунтовых частиц (гумуса, торфа, иловатых частиц и др.).

Во всех грунтах, кроме скальных, твердые частицы  представляют собой систему минеральных зерен величиной от нескольких сантиметров до мельчайших частиц, измеряемых сотыми и  тысячными долями миллиметра.

Основными составляющими большинства грунтов являются: в песках — зерна округлой или неправильной формы с той или иной степенью угловатости с примесью некоторого количества  гибких упругих листочков слюды, хлоритов и других минералов; в глинах — листоватые чрезвычайно мелкие частицы, гибкие и упругие (каолинит) и губчатые скопления мельчайших частиц (коагели) с примесью пылеватых и песчаных частиц. Вода и воздух заполняют пространство между минеральными частицами.

Грунт может состоять из двух компонентов или фаз (твердые частицы + вода, твердые частицы + воздух) и из трех компонентов (твердые частицы + вода + воздух).

Под структурой грунтов подразумевается их состояние, определяемое величиной, формой и характером поверхности слагающих породу элементов; взаимным расположением и соотношением тех же элементов; наличием и характером внутренних связей между твердыми частицами.

Структура грунта формируется в процессе отложения  минеральных частиц и в условиях их дальнейшего существования. При сочетании отдельных частичек между собой создается микроструктура грунта. Если же в грунте рассматривается строение и сочетание  агрегатов элементарных частиц, то это сочетание называется макроструктурой. Большинство физических и механических свойств грунтов связано с их структурой. Поэтому изучение макроструктуры и микроструктуры представляет собой основную задачу грунтоведения.

Для строительных целей необходимо выделить следующие виды структур грунтов:

1. Зернистая структура (рыхлая и плотная), формирующаяся при образовании осадка песчаных частиц.

2. Сотообразная (губчатая), образующаяся при формировании пылевато-глинистых частиц осадка с адсорбированной водной  пленкой на частицах грунта.

3. Хлопьевидная структура грунта, образующаяся при  формировании грунтового массива из частиц коллоидного размера. Так как природные грунты почти всегда имеют сочетание вышеуказанных фракций, то в естественных грунтовых массивах структура будет иметь более сложный вид.

Названные структуры грунтов обусловлены связностью частиц грунтового тела между собой. По характеру связности грунты можно разделить на три группы: 1) грунты с жесткой связью между частицами (скальные, полускальные); 2) грунты со связью  водно-коллоидного типа (глинистые, илистые, торфяные); 3) грунты, у которых отсутствует связь между частицами (пески, гравий, щебень и др.).

В настоящее время в строительном грунтоведении и механике грунтов распространена физико-химическая теория связности грунтов.

По этой теории сцепление, а значит и характер связности, разделяются на два вида: сцепление первичное и сцепление упрочнения. Первичное сцепление возникает под воздействием между частичками грунта молекулярных ван-дер-ваальсовских сил, зависит от характера частиц, расстояния между ними и возрастает вместе со сближением частиц и увеличением числа их контактов, а также площади контактов.

Сцепление упрочнения возникает без изменения плотности грунтового осадка и отображает влияние среды, окружавшей или окружающей частицы грунта.

В природе сцепления имеют решающее значение коллоидные частицы, которые могут адсорбироваться на поверхности более крупных частиц, в результате чего создаются пленки-гели, способные также к взаимному прилипанию — коагуляции. Пленки-гели, гидратированные водой, при коагуляции между собой создают структурный каркас породы. При этом коллоидные частицы соприкасаются своей поверхностью, а частицы более крупных размеров связываются между собой при помощи покрывающих их гидратированных пленок- гелей.

На основе физико-химической теории связности можно  предположить, что глинистый грунт имеет три вида связей:

1) кристаллические связи, возникающие в результате соединения частиц общей кристаллической структурой;

2) кристаллизационные связи, возникающие под влиянием кристаллизации растворенных веществ;

3) связи от аморфного водно-коллоидного комплекса грунта.

Гранулометрический и минералогический состав. Мелкозернистые грунты, обладающие развитой поверхностью раздела, представляют собой дисперсные системы. В этих системах дисперсной фазой являются твердые частички грунта, а дисперсионной средой — вода или воздух, заполняющие промежутки (поры) между частицами грунта.

Естественные грунты состоят из частиц различной формы и величины и относятся к полидисперсным системам. Свойства полидисперсных систем весьма сложны, так как они суммируют свойства входящих в них частиц различной крупности. Особенно  значительное влияние оказывает наличие в них коллоидных частиц. Поэтому крайне важно знать количество частиц в грунте различной крупности. Относительное содержание в грунте частиц различной крупности, выраженное в процентах от общего веса абсолютно сухого грунта, называется гранулометрическим составом грунта. Гранулометрический состав является одной из важнейших характеристик, определяющих физические свойства грунта и его поведение под нагрузкой. Для суждения о гранулометрическом  составе необходимо твердую фазу грунта разделить на отдельные зерна (гранулы) или гранулометрические фракции, каждая из которых включает все частицы между установленными для данной фракции минимальными и максимальными размерами.

Имеется несколько методов определения гранулометрического состава грунтов: просеивание на ситах — для песчано-гравелистых грунтов; метод проф. Сабанина А. Н.— для пылеватых, иловатых и глинистых грунтов; пипеточный метод проф. Робинзона Г. В.— для пылеватых и глинистых грунтов; полевой метод проф. Рутковского С. И. и ареометрический метод — для песчаных, пылеватых и глинистых грунтов.

По гранулометрическому составу грунтов составлена их  классификация, которая дает представление о качественно отличных  компонентах гранулометрического состава (песок, пыль, глина), о фильтрационной способности грунта и в некоторой степени о  главнейших физических его свойствах. Свойства песчаных, глинистых и других дисперсных грунтов определяются не только их гранулометрическим, но и  минералогическим составом, который является одним из важных факторов, определяющих физико-механические свойства грунтов.

Удельным весом называется вес 1 см3 частиц скелета грунта в абсолютно плотном состоянии, выраженный в граммах, или  отношение твердой части грунта, высушенного при 378° К A05° С) до постоянного веса, к объему вытесненной частицей грунта жидкости. Определяется удельный вес в пикнометре емкостью 100 см3.Для грунтов, содержащих нерастворимые частицы, при определении удельного веса применяют дистиллированную воду; для грунтов с растворимыми в воде солями (солончаки, грунты морского происхождения), а также с активными коллоидами (жирные глины) воду заменяют нейтральной жидкостью (керосин, бензин, бензол, толуол и др.).