Веселов - Проектирование оснований и фундаментов

В. А. ВЕСЕЛОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ (ОСНОВЫ ТЕОРИИ и ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА)
Издание второе, переработанное и дополненное
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов
строительных специальностей высших учебных заведений
МОСКВА СТРОЙИЗДАТ 1978 

Изложены основы теории и даны примеры проектирования  оснований и фундаментов промышленных и гражданских зданий и  сооружений. Большое внимание уделено проектированию оснований по предельным состояниям. Рассмотрены теоретические предпосылки  рекомендуемых методов расчета. Во 2-м издании приведены новые  нормативы и справочные данные, ГОСТы, добавлен новый материал по фундаментам глубокого заложения и условиям производства работ.

Пособие предназначено для студентов строительных  специальностей вузов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книга является дополненным и (Переработанным изданием учебного пособия «Расчет фундаментов и оснований». После  выпуска первого издания появились новые публикации и данные по проектированию оснований и фундаментов, утверждены  новые ГОСТы, Строительные нормы и правила. Технические  условия и рекомендации. Эти материалы, связанные с фундаменто - строением, внесены во второе издание.

В книгу включены новые материалы: глава  «Проектирование котлованов» и раздел «Фундаменты глубокого заложения», что потребовало, сохраняя общее направление и построение первого издания, дополнить и откорректировать содержание  существующих глав, а также уточнить название пособия.

В разделе «Фундаменты глубокого заложения»  рассмотрены только свайные фундаменты и глубокие опоры небольших диаметров, поскольку традиционные фундаменты глубокого  заложения — массивные опускные колодцы и кессоны — в промышленном и гражданском строительстве сейчас применяются крайне редко.

В пособии освещено проектирование фундаментов только па естественных грунтовых основаниях. Прочность и  деформируемость скальных пород несравнимо выше грунтов, и  возведение на них большинства промышленных и гражданских  зданий и сооружений не вызывает затруднений. Условия работы скальных пород в основании крупных инженерных сооружений с большими горизонтальными нагрузками имеют специфические особенности, требующие постановки специальных исследований, изучения их геоморфологических и физико-механических свойств и показателей, которые рассматриваются в курсе «Механика скальных пород».

Книга является учебным пособием по курсу «Основания и фундаменты», поэтому в ней изложены преимущественно  общепринятые методы расчета и проектирования. Она составлена с учетом новой программы по курсу применительно к  учебникам «Механика грунтов» Н. А. Цытовича (изд. 1973 г.) и  «Основания и фундаменты» (под ред. Н. А. Цытовича; изд. 1970 г.).

ВВЕДЕНИЕ

Снижение стоимости и обеспечение необходимой надежности сооружений являются одними из важнейших направлений в области капитального строительства, предусмотренных  решениями XXV съезда КПСС. Затраты на устройство оснований и фундаментов иногда достигают 20% и более стоимости  сооружения. При намеченных в нашей стране грандиозных объемах строительства уменьшение этих затрат даст весьма ощутимый эффект.

Наше государство в соответствии с потребностями общества обеспечивает планомерное развитие науки и подготовку  научных кадров, организует внедрение результатов научных  исследований в народное хозяйство (статья 26 Конституции СССР). Совершенствование фундаментостроения обеспечит  дальнейшее повышение качества возведения жилых и промышленных зданий и сооружений. Важность этих мероприятий отмечена в материалах по итогам поездки Генерального секретаря ЦК КПСС, Председателя Президиума Верховного Совета СССР товарища Л. И. Брежнева по районам Сибири и Дальнего  Востока.

Уменьшение стоимости и обеспечение необходимой  надежности сооружений находятся в прямой зависимости от  правильной оценки свойств горных пород, обоснованно выбранного типа основания, рационально запроектированных и качественно возведенных фундаментов.

Основание, фундамент и надземная конструкция неразрывно связаны между собой, взаимно влияют друг на друга и по  существу должны рассматриваться как одна система.  Деформация и устойчивость горных пород основания зависят от  приложенной нагрузки, основных размеров и конструкций  фундамента, а также от всего сооружения. В свою очередь,  основные размеры, конструкция фундамента и конструктивная схема сооружения назначаются в зависимости от напластования  горных пород, их сжимаемости и давления, которое они могут воспринять.

При проектировании оснований должны быть определены основные размеры (глубина заложения, размеры и форма подошвы) и при необходимости предварительно подобраны  сечения фундаментов сооружения. Обычно основания, фундаменты, надземные конструкции проектируют раздельно. Последовательными расчетами  устанавливают размеры и конструкции фундаментов, которые  отвечают предъявляемым требованиям. Проектирование фундаментов состоит из двух этапов.  Первый включает в себя выбор конструкции и назначение основных размеров фундамента, определение интенсивности и характера распределения давления по его подошве, второй — расчет и конструирование фундамента сооружения. В соответствии с учебными программами материалы  первого этапа проектирования освещаются в курсе оснований и  фундаментов, а второго — в курсе строительных конструкций. Здесь рассматриваются только вопросы проектирования оснований и наиболее тесно связанный с ними первый этап проектирования фундаментов.

Проектирование оснований ведется по предельным  состояниям. Этот метод позволяет учесть особенности взаимной  работы основания и сооружения и, не снижая надежности, более экономично их запроектировать. Основные положения  проектирования конструкций и оснований по предельным  состояниям были сформулированы Н. С. Стрелецким. Заслуги  дальнейшего развития и разработки этого метода всецело  принадлежат советским ученым и инженерам. В книге рассмотрены теоретические предпосылки и особенности проектирования по предельным состояниям, приведена последовательность  проектирования, указаны требования, которые необходимо  соблюдать на каждом этапе проектирования, приведены  необходимые для проектирования материалы и примеры расчетов.

Раздел I. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ

Глава I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВАНИЯХ И ФУНДАМЕНТАХ

§ I. Основные понятия и определения

Основанием называют толщу массивных (скальных или раздробленных горных пород) грунтов, на которых возводят сооружения. Основания воспринимают от сооружений  нагрузку и в свою очередь оказывают влияние на их прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию. Грунты состоят из отдельных различных по форме и  крупности минеральных частиц. Эти частицы, неплотно прилегая друг к другу, образуют пустоты — поры, заполненные водой или водой и воздухом. В несвязном грунте (песчаные грунты) связи (сцепление) между минеральными частицами ничтожно малы, в связных грунтах (глинистых) прочность этих связей значительно больше, но она во много раз меньше прочности  самих частиц.

Грунты обладают большой сжимаемостью и малой  прочностью, что необходимо учитывать при возведении на них сооружений. Грунтовые основания делятся на естественные и  искусственно улучшенные. В первом случае они используются в условиях природного залегания или после несложной предварительной подготовки, во втором случае их улучшают различными  способами.

Фундаментом называют подземную часть сооружения, расположенную ниже поверхности земли, которая  воспринимает нагрузку от надземной части и передает ее на основание (рис. 1.1). Поверхность фундамента, на которую опирается конструкция, и поверхности уступов называют обрезами;  поверхность опирания фундамента на основание — подошвой; расстояние от спланированной отметки земли до подошвы — глубиной заложения фундамента. Объем грунта, который воспринимает нагрузку от  фундамента и при этом деформируется, является рабочей частью основания. Этот объем непостоянен. Он зависит от условий нагружения (величины, направления, глубины приложения и изменения во времени действующих нагрузок), размеров и формы площади, через которую передаются нагрузки, свойств и напластования грунтов, их напряженного состояния и деформируемости. Объем грунта, который входит в рабочую часть основания, устанавливают применительно к каждому конкретному случаю для всего сооружения, отдельного или группы фундаментов, если они оказывают влияние друг на друга и их основания сливаются.

При проектировании по деформациям (осадкам) за  основание принимают ту часть грунта, в которой развиваются  напряжения 0 и деформации е, влияющие на его работу (на рис. 1.1 эта часть ограничена пунктиром). Напряжения и  деформации в грунтах учитываются в расчетах только в  пределах этого объема. Расстояние от подошвы фундамента до  низа основания — плоскость называют мощностью  сжимаемой толщи, а плоскости и  ее верхней и  нижней границами. Если в пределах сжимаемой толщи залегает скала, то мощность сжимаемой толщи ограничивается  поверхностью скалы.

При проектировании по устойчивости за основание  принимают объем грунта, который перемещается относительно  неподвижного массива — выдавливается из-под сооружения. На рис. 1.2 этот объем грунта заштрихован.Основание, состоящее из одного грунта, называют  однородным, а из нескольких пластов — слоистым. Слой, на котором возводят фундамент, называют несущим, а слои, расположенные ниже, — подстилающими. Прочность основания  обусловливается прочностью несущего и подстилающих слоев грунта.

Фундаменты делятся на фундаменты глубокого и  неглубокого заложения (рис. 1.3). В основу такого деления положены не столько глубина их погружения в грунт, сколько  особенности возведения, условия работы и передачи нагрузки на  основание. Неглубокими называются фундаменты, возводимые в  открытых котлованах; они окружены насыпным грунтом  (засыпка пазух) и практически передают нагрузку на основание только по подошве.

Глубокими называют конструкции фундаментов,  формируемые или погружаемые в грунт с поверхности земли или  неглубокого котлована с помощью специальных приспособлений и устройств. Они защемлены в грунте и передают нагрузку на  основание по подошве и частично, за счет трения, по боковой поверхности.

В некоторых инженерных сооружениях фундамент  составляет одно целое с сооружением и не может быть выделен в самостоятельную конструкцию (например, подпорные стены). В этих случаях основание проектируется для всего сооружения.

§ 2. Строительные свойства грунтов

Грунты обладают большой сжимаемостью. Их сжимаемость в 500—1000 раз больше сжимаемости камня, бетона и других строительных материалов. Прочность грунтов примерно во столько же раз меньше прочности указанных материалов грунты практически не работают на растяжение и  сопротивляются только сжимающим и сдвигающим усилиям.

Прочность грунтов оценивается сопротивлением их  сдвигу—силами трения и сцепления между минеральными  частицами и агрегатами из них. Показатели сдвига зависят от  напряженного состояния грунта и, кроме того, от размеров,  формы, плотности сложения минеральных частиц, влажности, температуры грунтов и прочих факторов. Сцепление глинистых грунтов обусловливается наличием первичных — водно-коллоидных и вторичных — структурных (кристаллизационных) связей между частицами.

В песчаных грунтах эти связи малы и часто не  учитываются; сопротивление их сдвигу оценивается силами трения и  зацепления между частицами.

При нарушении естественной структуры первичные связи восстанавливаются практически сразу, а вторичные—очень медленно — десятками и сотнями лет, поэтому прочность  грунтов в нарушенном состоянии всегда меньше прочности их в естественном состоянии.

Деформации грунтов развиваются во времени. Они  продолжаются и после прекращения нагружения при действии  постоянной нагрузки. Грунтам, особенно глинистым, свойственны явления  последействия: ползучесть (увеличение деформации во времени при постоянной нагрузке) и релаксация (уменьшение напряжений при постоянной во времени деформации —  «расслабление») .

Увеличение осадки во времени при постоянной нагрузке объясняется постепенным отжатием воды из пор грунта в процессе уплотнения минеральных частиц (фильтрационная консолидация) и ползучестью скелета глинистых частиц,  понимая под скелетом минеральные частицы с прочно  связанными водно-коллоидными оболочками (вторичная  консолидация). Оба процесса протекают одновременно, но в  большинстве случаев можно выделить преобладающий процесс и  рассматривать их раздельно.

Деформации ползучести постепенно затухают, если  напряжения не превышают предела (порога) ползучести, и  приводят к разрушению грунта, если этот предел превышен. С явлениями ползучести и релаксации связаны понятия — мгновенная, временная (по Н. А. Цытовичу) и длительная прочность грунтов (рис. L4). Мгновенная прочность соответствует началу приложения и кратковременному действию нагрузки. С увеличением времени действия нагрузки временная прочность постепенно  уменьшается и стремится к постоянной величине, называемой  пределом прочности или просто длительной прочностью. Деформации оснований под нагрузкой происходят за счет перемещения и перегруппировки минеральных частиц,  вызывая сжатие и сдвиг грунтов. Вертикальные деформации могут происходить за счет  осадки и просадки грунтов. Осадка происходит при небольших, преимущественно  вертикальных, перемещениях частиц. Грунт сжимается за счет уплотнения частиц без нарушения структуры и сложения, что приводит к упрочнению и улучшению его строительных свойств. Для устойчивости (прочности) оснований сжатие грунтов безопасно.

Просадка происходит при значительных перемещениях частиц с коренным изменением структуры грунта и часто  сопровождается выдавливанием его из-под сооружения.  Примерами просадки являются деформации лёссовидных грунтов при замачивании и мерзлых грунтов при оттаивании.  Проектирование и строительство на таких грунтах имеют свою специфику и в этой книге не рассматриваются. Деформации сдвига возникают в результате значительных, преимущественно наклонных и горизонтальных необратимых перемещений минеральных частиц. Они сопровождаются изменением в сложении грунтов: происходит перемещение  отдельных, в ряде случаев достаточно больших объемов и нарушается сплошность грунта, что вызывает местную или общую потерю устойчивости основания.

§ 3. Условия работы грунтов в основании сооружений

Основания сооружений следует рассматривать как  пространственные системы. Грунты в них от внешних нагрузок и нагрузки от собственной массы находятся в сложном  напряженно-деформируемом состоянии. Любая точка или  небольшой элемент грунта подвергается всестороннему действию сил, в результате чего в грунте возникают напряжения и  деформации.

Для массива грунта сооружение или отдельные  фундаменты являются местной нагрузкой. Напряжения и деформации в основании зависят от размеров и формы подошвы фундаментов, интенсивности внешней нагрузки, положения рассматриваемой точки. Работа грунтов основания должна оцениваться; применительно к пространственной, плоской деформации или к одномерной задаче. Грунты находятся в трехосном напряженном состоянии, но с различными значениями составляющих- напряжений и величинами деформаций. В пространственной задаче деформации развиваются во всех направлениях, в плоской — в одной плоскости и в одномерной — только в  вертикальном направлении.

Во избежание ошибок при проектировании оснований  необходимо предварительно уточнить особенности и условия  работы в нем грунтов и применительно к ним изучать и  определять механические характеристики, используемые в расчетных формулах. Величины и направления главных нормальных  напряжений зависят не только от размеров подошвы  фундамента, величины и направления действия нагрузки, но и от  положения элемента грунта в массиве. Поэтому, например, в ряде случаев образцы в приборах нужно ориентировать так, чтобы загружаемые плоскости совпадали с направлением главных напряжений (рис. 1.5). Особое значение это приобретает при определении прочностных характеристик в срезных приборах, где направление сдвига фиксировано. Поверхность сдвига грунтов основания имеет сложное очертание (см. рис. 1.2), и на различных ее участках направления нормальных и  касательных напряжений будут разными.