эл. учебник. И фундаменты
 Скачать 1.24 Mb.
|
|
Б. И. Далматов МЕХАНИКА ГРУНТОВ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ (включая специальный курс инженерной геологии) Издание второе, переработанное и дополненное Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство» ЛЕНИНГРАД СТРОЙИЗДАТ ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1988 ББК 38.58 Д15 УДК [624.13+624.15] (0.75.8) Рецензент — проф. И. В. Финаев (Горьковский инженерно-строительный институт) Далматов Б. И. Д 15 Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии). — 2-е изд. пере-раб. и доп.— Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1988.— 415 с. ил. ISBN 5-274-00374-5 Освещены физико-механические свойства грунтов, геодинамические процессы и влияние их на сооружения, инженерно-теологяческиб изыскания, распределение напряжений и деформаций грунтов, в основаниях сооружении, устойчивость массивов грунтов. Рассмотрены основные принципы и методы проектирования фундаментов, устройство фундаментов в особо сложных условиях, а также при динамических воздействиях, приемы упрочнения слабых грунтов оснований, особенности возведения и реконструкции фундаментов. Дана методика экономической оценки принимаемых решений. Настоящее издание дополнено специальным курсом инженерной геологии. Издание 1-е вышло в 1981 г. Для студентов строительных вузов, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство». © Стройиздат, 1981 © Стройиздат, Ленинградское отделение, 1988 ISBN 5-274-00374-5 ВВЕДЕНИЕ 1. Основные понятия и определения. Всякое сооружение передает действующие на него нагрузки, включая собственный вес, на основание. Основание — это напластование грунтов, воспринимающее давление от сооружения (рисунок). Различают основания естественные, сложенные природными грунтами и искусственно улучшенные. Располагать сооружение непосредственно на поверхности земли (на дневной поверхности) можно в редких случаях. Этому препятствуют особенности верхних слоев грунта: их малая несущая способность; возможность вертикального перемещения под воздействием метеорологических факторов (пучение при промерзании, просадка при оттаивании, набухание при увлажнении, усадка при высыхании); возможность разрушения землероями, выветриванием и корнями растений. По указанным причинам необходимо устройство фундамента — подземной конструкции, предназначаемой главным образом для передачи давления на грунты, лежащие на некоторой глубине. Фундамент (см. рисунок) чаще всего располагают ниже поверхности земли 2. Надземные конструкции 3 опираются на верхнюю плоскость фундамента — его обрез 4. Нижнюю плоскость фундамента называют подошвой 5. В основании различают несущий слой грунта 6, на который передается давление от фундамента, и подстилающие с л о и 7. Высота фундамента hfобычно несколько меньше глубины его заложения d, поскольку обрез фун- дамента располагают, как правило, ниясе планировочной отметки поверхности земли около фундамента. Грунтами называют горные породы коры выветривания литосферы. Различают грунты скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые, органогенные и техногенные. 2.Состав курса и его связь с другими дисциплинами. Курс состоит из трех разделов. В первом разделе «Спецкурс по и н ж е н е р н о й геологии» рассматриваются свойства грунтов, инженерно-геологические изыскания и геодинамические процессы. Во втором разделе «М е х а н и к а грунтов» освещаются вопросы распределения напряжений в грунтах, деформации и условия устойчивости массивов грунтов. В третьем разделе «Основания и ф у н д а м е н т ы» рассматриваются вопросы проектирования и устройства фундаментов в различных грунтовых условиях. Для усвоения курса необходимо знать следующие дисцип-лины: инженерную геологию, сопротивление материалов, тео- рию упругости, строительную механику, строительные конструкции, технологию строительного производства, технику безопасности и экономику. В то же время надземные конструкции невозможно рационально спроектировать без оценки деформаций Грунтов основания, так как от этих деформаций зависят уси- лия, возникающие в конструкциях, а иногда и сохранность конструкций. 3.Основные задачи курса. Грунты основания обычно об- ладают в тысячи раз большей деформативностыо и в сотни раз меньшей прочностью, чем материалы, из которых возводятся сооружения, поэтому надежное существование последних в зна- чительной степени зависит от величины неравномерности де- формаций грунтов оснований. Следствием неправильной оценки характера напластований и строительных качеств грунтов ча- сто являются большие деформации конструкций сооружений и даже их разрушение. Деформации грунтов в основании в значительной степени зависят от нагрузки по подошве фундаментов. В связи с этим при проектировании фундаментов конструкции и размеры их в плане требуется выбирать, с учетом совместной работы грунтов в основании и конструкций сооружения, при которой обеспечивались бы нормальные условия эксплуатации по- следних. Поскольку деформации несущего слоя основания зависят от характера нарушения их природного состояния, необходимо во время строительства стремиться сохранять структуру грунтов основания. При глубоком изучении предлагаемого курса выпускники вузов будут уметь: правильно оценивать возможные геодинамические процессы, свойства грунтов, возможность их деформации и потери устой-чивости под действием нагрузок: разрабатывать меры по уменьшению или исключению воз- действия геодинамических процессов на возводимые сооружения; улучшать в случае необходимости строительные качества грунтов для возможности использования их в основании; определять рациональные размеры фундаментов и вид подземных конструкций сооружений; выбирать методы устройства фундаментов, при которых не нарушилась бы структура грунтов в основании в период строительства. Стоимость работ по подготовке оснований и устройству фундаментов обычно составляет 5... 10 % от общей стоимости здания, при сложных грунтовых условиях она может превысить 20 %. Это свидетельствует о важности изучения перечисленных основных задач курса. 4. Роль отечественных ученых в развитии науки инженерной геологии, механики грунтов, оснований и фундаментов. Еще в I в. до н. э. римский архитектор и инженер Витрувий в трактате «Десять книг об архитектуре» подчеркивал важность устройства надежных фундаментов, включая свайные. По мере увеличения веса. возводимых сооружений строители стали уделять вопросам фундаментостроения и оценке деформации грунтов в основании все большее внимание. Первой капитальной теоретической работой по механике грунтов следует считать теорию Кулона (1773 г.) о давлении грунтов на подпорные стенки. В современной постановке теория предельного равновесия грунтов развита советскими исследователями В. В. Соколовским, В. Г. Березанцевым, М. В. Малышевым и др. Большой вклад в развитие инженерной геологии сделали В. Д. Ломтадзе, В. В. Охотин, В. А. Приклонский, Ф. П. Сава-ренский, Е. М. Сергеев, М. И. Сумгин и др. Разработка вопросов оценки деформаций грунтов и расчета осадки фундаментов, начатая за рубежом К. Терцаги, получила в нашей стране в связи с огромным строительством значительное развитие в трудах Н. М. Герсеванова, Н. А. Цытовича, В. А. Флорина, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, К. Е. Егорова, Б. И. Далматова и многих других отечественных ученых. Исследования ползучести грунтов освещены в работах С. С. Вя-лова, С. Р. Месчана, Ю. К. Зарецкого, А. Я. Будииа и др. Выполнено много работ по оценке свойств и деформируемо- сти структурно неустойчивых грунтов. Деформациям вечно мерзлых грунтов посвящены работы Н. А. Цытовича, С. С. Вя- лова и др.; лессовых грунтов — работы Ю. М. Абелева, Н. Я. Денисова, А. К. Ларионова и др.; торфянистых грунтов — работы Л. С. Аморяна, Н. Н. Морарескула и др. Деформируе-мость грунтов при динамических воздействиях исследовалось Д. Д. Барканом, П. Л. Ивановым, Н. Н. Масловым и др. В области расчета фундаментных балок и плит на упругом основании заслуживают внимания работы М. И. Горбунова-Посадова, И. А. Симвулиди, Б. Н. Жемочкина, А. П. Сини-цина и др. Многочисленные исследования посвящены оценке совместной работы несущих конструкций сооружений с деформируемым основанием. Этим вопросом, в частности, занимались Б. Д. Васильев, С. Н. Клепиков, Д. Е. Польшин, А. Б. Фадеев и др. Эти и многие другие работы, выполненные советскими учеными, послужили основой для создания теории расчета и норм проектирования оснований по предельным состояниям. За последние 30 лет фундаменты на естественном основании во многих случаях вытеснены свайными фундаментами. Большой вклад в развитие расчетов и применения свайных фундаментов внесли А. А. Бартоломей, Б. В. Бахолдин, Н. М. Герсе-ванов, В. Н. Голубков, Б. И. Далматов, Ф. К. Лапшин, А. В. Па-талеев, Ю. В. Россихии, Ю. Г. Трофименков и др. В последнее время все щире применяются сваи, изготовляемые в грунте (набивные). Этому способствовали исследования, проведенные Е. Л. Хлебниковым, А. А. Лугой, Ф. К. Лапшиным Е. М. Пер-леем и др. 5. Значение науки механики грунтов, оснований и фундаментов в век технического прогресса. В настоящее время возводятся все более высокие здания и тяжелые сооружения. Кроме того, в промышленных зданиях часто устанавливается уникальное оборудование, не допускающее сколько-нибудь ощутимых взаимных смещений. То и другое заставляет предъявлять особые требования к основаниям и фундаментам, что обусловливает удорожание строительства, так как нагрузку от фундаментов приходится передавать на более плотные грунты. Однако при правильном прогнозе совместной деформации грунтов и конструкций возводимого сооружения можно найти решение, обеспечивающее требуемую надежность. Поэтому перед специалистами стоят задачи разработки методов прогноза с требуемой точностью совместной деформации надземных конструкций и основания. Наиболее сложно решаются вопросы передачи нагрузки на основание при реконструкции зданий и предприятий. Строителям все чаще приходится заглублять различное оборудование в грунт и даже устраивать подземные этажи. В таких случаях грунты не только воспринимают давление от сооружений, но и сами создают нагрузку на боковые поверх- ности заглубленных в грунт конструкций, т. е. являются сре- дой, в которой приходится возводить такие конструкции. Это расширяет задачи, решаемые при устройстве подземных частей сооружений. Таким образом, при проектировании и возведении фундаментов и заглубленных в грунт частей сооружений инженер-строи- тель должен правильно оценивать инженерно-геологические условия площадки строительства, уметь решать задачи не только с позиции совместной работы сооружений с основаниями, ио и в части оценки грунтов как среды, в которой возводятся конструкции. Раздел третий ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ  9. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ 9.1. Общие положения 9.1.1. Основные принципы проектирования В основе проектирования оснований и фундаментов заложены следующие принципы: проектирование оснований сооружений по предельным состояниям; учет совместной работы системы основание — фундамен- ты—несущие конструкции сооружения; комплексный учет факторов при выборе типа фундамен тов и оценке работы грунтов в основании в результате совме стного рассмотрения: инженерно-геологических условий площадки строительства; особенностей сооружения и чувствительности его несущих конструкций к развитию неравномерных осадок; метода выполнения работ по устройству фундаментов и подземной части сооружения. Такой учет факторов делает задачу проектирования и возведения фундаментов сложной, поэтому необходимо разрабатывать несколько вариантов устройства оснований и фундаментов, а затем на основе технико-экономического их сравнения принимать наиболее рациональное решение. 9.1.2. Предельные состояния оснований сооружений При загрузке фундаментов в основании, состоящем из дисперсных грунтов, развиваются деформации уплотнения, приводящие к осадке сооружений. Поскольку сооружения опираются, как правило, на систему различных фундаментов или на относительно гибкую плиту, осадка под их отдельными частями будет неодинаковой, т. е. неравномерной. Это вызывает деформации большинства сооружений и может послужить причиной разрушения несущих конструкций. Кроме того, деформации сооружений иногда недопустимы по технологическим причинам (создаются ненормальные условия эксплуатации обору- 192 дования), а также из-за нарушения архитектурного облика строения и т. п. В связи с этим расчет оснований прежде всего ведется по второй группе предельных состояний, т. е. по де- формациям. Иногда, особенно при слабых грунтах, обладающих малым сопротивлением сдвигу, может произойти полная потеря устойчивости грунтов под фундаментами, что заставляет в таких случаях рассчитывать основания дополнительно по первой группе предельных состояний — по устойчивости 9.1.3. Основные типы сооружений по жесткости и характер их деформаций Все сооружения можно разбить на три типа: абсолют-но гибкие; абсолютно жесткие; обладающие конечной жест-костью. Абсолютно гибкие сооружения беспрепятственно следуют за перемещениями поверхности грунтов основания во всех точках контакта с ней. При развитии неравномерной осадки в конструкциях таких сооружений не возникает дополнительных напряжений. Примером являются земляные насыпи. Даже значительная неравномерная осадка их не опасна. Для получения проектных отметок насыпи ее делают выше на величину ожидаемой осадки, т. е. придают насыпи строительный подъем. Абсолютно жесткие сооружения не могут искривляться. При симметричном загружении и симметричной податливости основания их осадка будет равномерной, при неравномерной деформации основания они получат крен без изгиба конструкции (дымовые трубы, доменные печи и т. п.). Такие сооружения, взаимодействуя с основанием, перераспределяют давление по подошве, увеличивая его над местами с меньшей податливостью основания и уменьшая над местами с большей податливостью. Перераспределение давления приводит к развитию в сооружениях дополнительных усилий. Для рассматриваемых сооружений они обычно не опасны, так как конструкции часто имеют большой запас прочности на изгиб. К сооружениям конечной жесткости относятся большинство зданий и многие инженерные сооружения. При развитии неравномерных осадок они получают искривления. В то же время такие здания уменьшают неравномерности осадок, так как давление по подошве фундаментов частично перераспределяется. В несущих конструкциях рассматриваемых сооружений развиваются дополнительные усилия, которые, к сожалению, довольно часто не учитываются при проектировании этих конструкций. В результате возможно появление в них трещин. Для исключения этого при проектировании необходимо уделять 193 существенное внимание бценке совместной работы грунтов основания и несущих конструкций сооружения (например, железобетонных рам, несущих стен и т. п.). Иногда сооружения обладают незначительной жесткостью, В этом случае их с успехом можно считать практически гиб- кими. Такие сооружения в основном следуют за перемещен ниями поверхности грунта, т. е. получают искривления (невы- сокие одноэтажные здания с разрезными балками покрытия), В то же время на отдельных участках небольшой протяженности они в некоторой степени уменьшают неравномерность осадки. Обычно это вызывает появление в несущих конструкциях дополнительных усилий. При значительных неравномер-ностях осадок может произойти разрушение конструкций. 9.1.4. Виды деформаций и смещений сооружений В зависимости от характера развития неравномерных осадок и от жесткости сооружения возникают деформации и перемещения сооружений следующих простейших видов: прогиб, выгиб, перекос, крен, скручивание, горизонтальные перемещения фундаментов. Прогиб и выгиб (рис. 9.1, а, б) связаны с искривлением сооружения. Такие деформации могут возникать в зданиях и сооружениях, не обладающих очень большой жесткостью. Иногда на одних участках возникает прогиб, на других — выгиб. При прогибе наиболее опасная зона растяжения находится в нижней части, сооружения, при выгибе — в верхней. Растягивающие усилия, появляющиеся в конструкциях, зависят от неравномерной податливости основания и от жесткости сооружения. Чем большей жесткостью обладает сооружение, тем большие усилия при тех же грунтовых условиях по-   Рис. 9.1. Формы деформаций сооружений а —прогиб; б — выгиб; в, г — перекос; д, е — крен; ж — скручивание являются в конструкциях и тем меньше величина прогиба или выгиба. Перекос (рис. 9.1, в, г) возникает в конструкциях, когда резкая неравномерность осадок проявляется на участке небольшой протяженности при сохранении относительно вертикального положения конструкции. Крен сооружения (рис. 9.1, д) — поворот по отношению к горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести площади подошвы фундамента — возможен, если основание сооружения загружено несимметрично или имеет несимметричное напластование грунтов относительно вертикальной оси сооружен- ния. Наибольшую опасность представляет крен высоких соору-жений (дымовых труб, высоких зданий, имеющих лифты, и др.). В этом случае он приводит к развитию дополнительного момента, который, в свою очередь, способствует увеличению крена и потере устойчивости сооружений на опрокидывание. Колонны и стены, жестко не связанные с другими конструк- циями, также могут получать крен вследствие неравномерной осадки (рис. 9.1, е).Если перемещение их верхней части в горизонтальном направлении исключено, то при развитии нерав- номерной осадки под отдельным фундаментом в несущих конструкциях (колоннах, перекрытиях и др.) возникают дополнительные усилия, которые должны определяться при оценке совместной работы конструкций с основанием. Скручивание возникает при неодинаковом крене со-оружеиия по его длине, особенно при развитии крена в двух сечениях сооружения в разные стороны (рис. 9.1, ж). При этом виде деформаций дополнительные усилия развиваются не толь ко в элементах стен, но и в конструкциях перекрытий, которые могут изгибаться в горизонтальном направлении- Горизонтальные перемещения фундаментов воз- можны, если опирающиеся на них конструкции передают зна- чительные горизонтальные усилия (например, распорные кон- струкции, подпорные стенки). Такие перемещения могут на- блюдаться также при горизонтальной подвижке массива грунтов в случае оползней откосов и подработке территории. 9.2. Причины развития неравномерных осадок сооружений |