И.Б. РЫЖКОВ

МЕХАНИКА ГРУНТОВ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Лекции для студентов, обучающихся по специальности 280400 – Природоохранное обустройство территорий

УДК 624.131.1

ББК 38.58

©

Утверждено Редакционно-издательским советом БГАУ в качестве учебного пособия

Автор: И.Б. Рыжков

Рецензенты: зав. отделом Механики грунтов ГУП «Институт БашНИИстрой» канд. техн. наук, А.В. Норшаян

Аннотация

В учебном пособии изложены основные сведения о природе грунтов, дается их стандартная классификация, рассматриваются их физические, механические и особые свойства, основные закономерности механики грунтов. Приводятся основные виды фундаментов мелкозаглубленных, свайных и специальных фундаментов глубокого заложения. Изложены принципы их расчета и конструирования. В пособии приводятся краткие сведения о грунтовых условиях и особенностях фундаментостроения Республики Башкортостан.

Рекомендуется как учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению «Природообустройство».

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий курс лекций составлен на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 656400 – Природообустройство, утвержденного Министерством образования России 17.03.2000 г. (рег. номер 156 тех/дс) и Примерной программы дисциплины “Механика грунтов, основания и фундаменты” для направления 656400 Природообустройство, утвержденной Департаментом образовательных программ и стандартов профессионального образования Минобразования России.

Целью изучения дисциплины "Механика грунтов, основания и фундаменты" является освоение студентами современного состояния фундаментостроения и ознакомление с перспективами его развития на базе достигнутого прогресса в теории и практике фундаментостроения как в России, так и за рубежом.

1Основные понятия

Механика грунтов, основания и фундаменты – область строительной науки, изучающая поведение земляных масс под нагрузкой и способы обеспечения надежности и экономичности фундаментов.

Механика грунтов – теоретическая база многих инженерных дисциплин, связанных с использованием грунтов. Это фундаментостроение, тоннелестроение, дорожное строительство, борьба с оползнями и т.д. Ее роль при рассмотрении поведения земляных масс под нагрузкой аналогична роли сопротивления материалов при рассмотрении надземных строительных конструкций.

Основными понятиями данной дисциплины являются грунты, основание, фундамент.

Грунты – любые горные породы, почвы, техногенные образования, являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Основанием называется массив грунта, находящийся непосредственно под фундаментом. Фундаментом называют подземную часть здания или инженерного сооружения, передающую нагрузку от надземной части на грунт, который в этом случае становится основанием.

Практические задачи, связанные с оценкой поведения грунтов, обычно осложняются тремя обстоятельствами:

• грунты очень многообразны и неоднородны;

• поведение грунтов лишь приближенно следует законам механики простейших идеализированных сред (сыпучей, упругой, пластичной т.д.), в связи с чем точность расчетов оснований в основном ниже, чем расчетов надземных конструкций;

• неправильное прогнозирование поведения грунтов по своим последствиям может быть намного опасней ошибок в оценке надземных конструкций.

Все это заставляет инженера тщательно изучать накопленный опыт решения практических задач, связанных с грунтами, особенно применительно к местным инженерно-геологическим условиям. Полезно помнить слова одного из создателей механики грунтов Карла Терцаги: «Для того, чтобы стать компетентным специалистом в области грунтов, необходимо жить с грунтом, необходимо его любить!.. Необходимо суметь близко познакомиться с многообразными свойствами грунтов, которые не могут быть раскрыты ни бурением, ни лабораторными опытами».

Грунты, как все прочие материалы, классифицируются в зависимости от своих свойств. Наиболее общая классификация показана рис. 1.

Рисунок 1 Классификация грунтов (ГОСТ 25100-95)

Полускальные грунты отличаются от скальных меньшей прочностью: их сопротивление раздавливанию (при одноосном сжатии) менее 5 МПа, скальных – более 5 МПа. В основном приходится строить на дисперсных грунтах, которые в лексиконе практиков-строителей часто именуются «нескальными». Для них существует более подробная классификация (рис. 2).

На территории нашей страны, как и на планете в целом, верхние слои грунта (от низа растительного слоя и до глубины 8…10м) представлены преимущественно глинистыми грунтами, доля которых составляет примерно 80% .

2Краткая история фундаментостроения

Вопросы фундаментостроения человеку приходилось решать еще в доисторические времена. Археологи неоднократно обнаруживали постройки на свайных фундаментах, относящиеся еще к периоду неолита. Это были примитивные жилые сооружения на озерах, где первобытные люди обеспечивали себе наиболее безопасные условия существования («эпоха свайных поселений»). Многие важные закономерности механики грунтов и правила фундаментостроения предугадывались и использовались очень давно. В древнем мире и средневековье строители уже хорошо знали, что фундаменты нужно заглублять в грунт и делать их шире стен. При этом ширина принималась тем большей, чем «слабее» грунт. Было известно, что слабые грунты лучше пробивать сваями и опираться на более прочные пласты. До наших дней сохранились многие древние постройки, удивляющие современного человека не только архитектурной выразительностью, но и правильностью понимания многих технических проблем, в том числе проблем устройства фундаментов.

В VIII–XIX веке фундаментостроение начало переходить на научную основу. Большая заслуга в этом принадлежала таким ученым-инженерам, как Ш. Кулон, А. Сен-Венан, У. Ренкин, К. Моор, Ж. Буссинеск, в России – Н.И. Фусс, В.М. Карлович, А.И. Красовский, В.И. Курдюмов и др.

В XX веке механика грунтов оформилась как самостоятельная научная дисциплина. Особую роль в этом сыграл австрийский ученый К. Терцаги, которого многие называют создателем механики грунтов. Немалый вклад в эту науку внесли отечественные специалисты Н.М. Герсеванов, П.А. Минаев, Н.П. Пузыревский, Н.А. Цытович и др. В отечественной практике раньше, чем за рубежом стала применяться теория упругости, раньше осуществлен переход на расчеты по предельным состояниям. Высокого уровня достигли теоретические исследования в сфере статики сыпучих сред. В быв. СССР в 60…70 годы благодаря массовому применению свайных фундаментов технический уровень применения забивных свай заметно превзошел зарубежный уровень. В этой области большую роль сыграли башкирские специалисты (институт БашНИИстрой).

Достижения науки всегда оказывали влияние на развитие фундаментостроения не только в форме создания новых направлений его развития, но и в форме переосмысления многих традиционных приемов решения практических задач. В частности, история фундаментостроения убеждает, что практически все уникальные достижения практиков прошлого рано или поздно находили должную теоретическую трактовку, и эта трактовка становилась основой для новых, значительно более эффективных и надежных решений. Это легко видеть из сопоставления многих выдающихся сооружений прошлого с крупными современными сооружениями. Если не учитывать архитектурно-художественную сторону, то современные сооружения превосходят своих «предшественников» как по экономичности, так и по большинству эксплуатационных качеств. При этом нужно иметь в виду, что до наших дней дошли только удачно построенные сооружения, ибо многие постройки, разрушившиеся сотни или тысячи лет назад нам совершенно не известны.

В настоящее время фундаментостроение развивается в условиях, отличающихся от условий предшествующих веков, как в сторону усложнения, так и упрощения решаемых задач. Усложнения связаны с очень большими объемами строительных работ, сложностью конструкций возводимых объектов, необходимостью освоения районов со все более сложными инженерно-геологическими и природно-климатическими условиями. Упрощения же связаны с возможностью применение более совершенных машин, механизмов, новых эффективных материалов, которых предшествующие поколения строителей не знали. Современный специалист в области фундаментостроения должен обладать высокой теоретической и практической подготовкой, особенно, как уже отмечалось, применительно к тем условиям, в которых он работает.