книги из ГПНТБ / Максимов С.Н. Инженерные сооружения (с основами строительного дела) учеб. пособие

ментной части сооружения, при выборе типа и размеров гидротехнических сооружений, при выборе дорожных кон­ струкций и т. п. Поэтому всякое проектирование ведется на базе результатов проведения специальных инженерно­ геологических изысканий и исследований, которые, как и строительство, проводятся по стадиям проектирова­

ния.

В настоящее время система геологической службы

СССР предусматривает проведение инженерно-геологиче­ ских исследований и составление инженерно-геологических карт среднего масштаба (до 1:500 000 и 1:200 000 включи­ тельно) одновременно с государственным геологическим картированием. Работы, обеспечивающие составление этих карт, ведутся обычно территориальными геологиче­ скими управлениями системы Министерства геологии

СССР. Такие карты и прилагаемые к ним пояснения явля­ ются очень полезным материалом, который ■ существенно помогает планирующим и проектным организациям на са­ мых ранних стадиях проектирования.

При переходе к составлению технико-экономических обоснований освоения и использования каких-либо райо­ нов проводят более детальные инженерно-геологические съемки (в масштабах 1:25 000—1:10 000 и более крупных), сопровождаемые надлежащим объемом разведочных работ и специальных исследований. Эти работы ведутся обычно специализированными инженерно-геологическими органи­ зациями, работающими в системе той отрасли народного хозяйства, которая является ведущей в составлении ком­ плексного проекта использования ресурсов.

На стадиях проектирования, следующих за решением общей схемы, разработанной на стадии ТЭО, инженерно­ геологические работы включают в себя как разведочные (буровые, горные и т. п.) работы и специальные геофизи­ ческие исследования, так и комплекс полевых опытных ис­ пытаний и наблюдений и лабораторных исследований.

На основании этих работ инженер-геолог, проводя­ щий исследования, помогает инженеру-проектировщику правильно выбрать тип и конструкцию опирания сооруже­ ния на породы основания, способ производства строитель­ ных работ, в наибольшей степени соответствующий дан­ ным природным условиям, а также, если это требуется, принять решение о направлении специальных защитных мер или способов улучшения свойств грунтов.

На этой стадии инженер-геолог оценивает инженерно­ геологическую обстановку строительства и работы соору­ жения после его возведения и дает прогноз поведения сооружения во взаимодействии с природной обстановкой. При этом наряду с проектными проработками, проводя­

10

щимися инженером-проектировщиком, инженер-геолог ве­ дет свои расчеты устойчивости сооружения и связан­ ного с ним массива пород, расчеты ожидаемых деформа­ ций и т. п. При этом им учитываются как условия, имею­ щие место в начальный период строительства, так и воз­ можные изменения этих условий (а также свойств пород) при взаимодействии с обстановкой, измененной строитель­ ством.

Эти исключительно важные и ответственные работы проводятся обычно инженерами-геологами, работающими в отделах инженерной геологии крупных проектных орга­ низаций министерств по строительству различных соору­ жений (энергетики и электрификации, водного хозяйства, речного флота, автомобильного и железнодорожного транспорта и др.). При их проведении часто привлекаются специалисты гидрогеологи, а при ведении работ в районах развития многолетнемерзлых пород — мерзлотоведы. В ряде сложных случаев к работам на этих стадиях привле­ каются такие специализированные научно-исследователь­ ские организации, как институты ВСЕГИНГЕО (Мин-во геологии СССР), ПНИИИС (Госстрой СССР) и ряд дру­ гих, имеющихся в союзных республиках и в других ведом­ ствах.

Роль геолога в строительстве не ограничивается его работой в период проектирования. Очень важна и ответст­ венна работа геолога во время строительства. В это вре­ мя он осуществляет инженерно-геологический контроль, проверяет качество грунтов основания (или среды) и ус­ танавливает соответствие действительно встреченных усло­ вий тем, которые предусмотрены проектом. При этом очень важно своевременно решать совместно с проектировщиком, какие изменения должны быть внесены в проект, чтобы обеспечить надлежащую работу сооружения при условиях, резко отличных от предусмотренных проектом. Для осу­ ществления такого контроля на всех крупных строительст­ вах создаются постоянно действующие группы инженерно­ геологического контроля, не подчиненные строительной организации и входящие в состав авторского надзора проектной организации.

После сдачи сооружений в эксплуатацию за всеми та­ кими крупными и ответственными сооружениями, как вы­ сокие плотины, мосты, уникальные здания, многие тонне­ ли, ведутся стационарные наблюдения. Они обычно

11

ганизациями — автором проектов, а частично инженерногеологической службой системы Министерства геологии

СССР (стационарные наблюдения за природными и выз­ ванными строительством геологическими процессами). Анализ результатов этих исследований имеет очень боль­ шое значение, так как позволяет оценить достоверность и точность прогнозов, которые были сделаны при проекти­ ровании, и тем самым улучшить в дальнейшем как прове­ дение конкретных прогнозов, так и методику этих работ.

При проведении всех инженерно-геологических иссле­ дований чрезвычайно важно, чтобы инженер-геолог всегда работал в тесном контакте и при полном взаимопонима­ нии с инженером-проектировщиком. Это может быть дос­ тигнуто тогда, когда инженер-геолог действительно яв­ ляется соавтором проекта и по-настоящему помогает про­ ектировщику принимать решения, основанные на полном учете особенностей инженерно-геологической обстановки работы сооружения и условий его возведения. Во многих крупных проектных организациях именно так и поставлена работа проектных и инженерно-геологических отделов. Благодаря этому практика отечественного строительства знает много случаев успешного строительства ответствен­ ных сооружений в сложных инженерно-геологических ус­ ловиях. Подтверждением тому является осуществление еще на заре советского гидротехнического строительства

строительства, где нет такой тесной взаимосвязи проекти­ ровщиков и инженеров-геологов, и в последние годы знает случаи тяжелых аварий из-за недостаточного учета инже­ нерно-геологических условий (авария плотины Мальпассе во Франции в 1963 г. и ряд других).

Для лучшего взаимопонимания между проектировщи­ ками и инженерами-геологами в строительных вузах вве­ дены курсы инженерной геологии, дающие сведения по общей геологии, инженерной геодинамике и грунтоведе­ нию. Кроме того, в этих вузах дается большой курс меха­ ники грунтов.

На геологических факультетах университетов, так же как и в геологоразведочных институтах, готовящих инже­ неров-геологов, введен курс «Инженерные сооружения (с основами строительного дела)», имеющий своей задачей подготовить будущих инженеров-геологов к лучшему по­ ниманию особенностей работы различных сооружений во взаимодействии с природной обстановкой, чем будет обес­ печено лучшее взаимопонимание с проектировщиками.

12

Часть первая

Основы строительного дела

Г л а в а I

ОСНОВНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

§1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Всовременном строительстве применяется большой комплекс раз­ личных строительных материалов. В промышленном и граждан­ ском строительстве это главным образом бетон, железобетон, ке­ рамические изделия (включая кирпичи и другие искусственные строительные камни), природные строительные камни, металл, кровельные материалы, дерево и строительные растворы. Грунты как материал для земляных сооружений в этом виде строительст­ ва применяются в относительно небольших объемах.

Вгидротехническом строительстве, включая гидроэнергети­ ческое, гидромелиоративное и портовое, а также в строительстве

для целей водоснабжения и канализации грунты как строитель­ ный материал используются широко и в больших объемах. Бетон, железобетон и металл также применяются очень широко. Осталь­ ные материалы имеют подчиненнное значение.

Вдорожном и аэродромном строительстве грунты применяют

вбольших объемах для возведения земляных сооружений, а бетон и другие материалы — для создания дорожной одежды и конст­ рукции верхнего строения пути, а также других искусственных сооружений.

13

В тоннеле- и мостостроении используют в больших количест­ вах железобетон, бетон, металл, изоляционные материалы и т. п., а из грунтов возводят насыпи на подходах к мостам.

Объемы строительных материалов, расходуемые при строи­ тельстве, чрезвычайно велики и стоимость их составляет 50—55% от всей стоимости строительства.

Для обеспечения нужд строительства создана промышлен­ ность строительных материалов, производящая материалы как та­ ковые и выпускающая отдельные элементы строительных конст­ рукций, из которых можно монтировать сооружения. Это сущест­ венно увеличивает возможность механизации строительного про­ цесса, повышает производительность труда и снижает общую стоимость строительных работ.

В настоящей главе дается краткое представление об основ­ ных материалах, применяемых при строительстве, за исключением грунтов как материала для земляных сооружений. Последние подробно рассматриваются в главе II «Производство земляных работ».

Правильный выбор строительных материалов может быть осу­ ществлен, если известны их физические, физико-химические и ме­ ханические свойства и, в частности/ их плотность, морозостой­ кость, гигроскопичность, теплопроводность, огнеупорность, а также прочность, упругость, хрупкость, истираемость (для дорожных ма­ териалов) и т. п. При этом прочность (временное сопротивление раздавливанию) для таких материалов, как цемент, бетон и дру­ гие, является основным показателем, по которому устанавливают марку материала.

Для большинства строительных материалов существуют опре­ деленные требования по их качеству и свойствам, регламентируе­ мые государственными стандартами (ГОСТ), строительными нор­ мами и правилами (СНиП) и другими нормативными докумен­ тами.

§2 ЕСТЕСТВЕННЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Вкачестве естественных каменных строительных материалов применяются многие изверженные, метаморфические и осадочные породы. Их получают путем разработки в карьерах (реже

подземным способом в шахтах) невыветрелых разностей наиболее прочных и стойких пород. Используются они в виде бутового (размером от 15 до 50 см) и штучного (крупнее 50 см) камня неправильной формы или в виде пиленых или колотых камней профильной формы для кладки фундаментов и возведения стен зданий и сооружений. Широко используются естественные камни и щебень из них как заполнители в бетон и в виде крупных глыб («изюма») в массивном бетоне. В виде щебня каменные материа­

лы применяются также при дорожном и аэродромном строитель­ стве.

14

Особое применение естественные камни имеют в качестве облицовочного материала, для чего используются такие ценные породы, как мраморы, лабрадориты, некоторые разновидности габбро и гранитов и др. Ввиду высокой стоимости естественным камнем облицовываются только уникальные сооружения.

Менее ценные породы широко используются для выкладыва­

§ 3. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Неорганическими (минеральными) вяжущими материалами называются порошкообразные вещества, обладающие гидрофильностью, способные при смешивании с водой образовывать плас­ тично-вязкое тесто, которое в дальнейшем постепенно твердеет и без искусственного воздействия превращается в прочное камне­ видное тело. Этим они отличаются от таких органических вяжу­ щих, как битумы и смолы, которые гидрофобны и для перевода которых в рабочее состояние требуются либо нагрев, либо раство­ рение в органических жидкостях.

Неорганические вяжущие материалы делятся на воздушные и гидравлические.

К воздушным вяжущим относятся известь и гипс, которые затвердевают и длительно сохраняют прочность только на воз­ духе.

В о з д у ш н у ю и з в е с т ь получают из известняка, мела или доломита путем обжига этих пород в шахтных печах при темпе­ ратуре 1000—1200°. В этих условиях происходит разложение кар­ боната кальция СаСОз на негашеную известь СаО и углекислый газ С 02, причем последний улетучивается вместе с продуктами горения. Получающаяся при этом процессе комовая негашеная известь — кипелка — имеет вид крупных легких пористых комь­ ев, легко впитывающих воду. Известковое вяжущее получают пу­

(CaSCV2H2C)) и последующего помола его в порошок. -Это полу­

15

водный гипс (CaSO4-0,5H2O), быстро твердеющий (за 6—30 мин) после смешивания с водой. Используется он преимущественно для штукатурных работ (по дереву), а также для изготовления гип­ совых, гипсо-шлаковых и гипсо-бетонных изделий.

К гидравлическим вяжущим относятся гидравлическая из­ весть и различные цементы — они могут затвердевать и сохранять свою прочность как на воздухе, так и в воде.

Г и д р а в л и ч е с к у ю и з в е с т ь получают тонким помолом известняка, обожженного при температуре 900—1000°, содержаще­ го от 6 до 20% глинистых составляющих. Гасится она так же, как и воздушная, но после начала твердения на воздухе она продол­ жает затвердевать в воде. Применяется для кладочных и штука­ турных растворов, а также для производства бетонов низких ма­

рок.

П о р т л а н д ц е м е н т — один из основных видов цементов— представляет собой тонкий порошок, получаемый путем размола на шаровых мельницах клинкера. Клинкер образуется путем об­ жига до равномерного спекания при температуре 1400° известко­ вых мергелей или смеси известняка с глиной, содержащих СаО 75—78%, БЮгЧ-АЬОз+РегОз 22—25%■ При изготовлении це­ мента вместо глины могут быть использованы другие породы, со­ держащие кремнезем и полуторные окислы (например, диатомит, трепел, глинистые сланцы), а также доменные шлаки, зола горю­ чих сланцев и т. п.

Обжиг мергелей до состояния спекания ведется в горизон­ тальных вращающихся печах диаметром около 2 м и длиной

150—200 м.

Портландцемент выпускается марками 400, 500, 600 и 700. (Марка — это временное сопротивление в кг/см2 кубика, изготов­ ленного из цементного теста). Кроме предела прочности качество цемента определяется сроками начала и конца схватывания теста нормальной густоты, а также равномерностью изменения объема при твердении. Схватывание цементного теста начинается обычно через 1—2 час и заканчивается через 5—7 час после замеса с во­ дой, а стандартная прочность достигается на 28-й день твердения.

Портландцемент — самый распространенный цемент, иду­ щий на изготовление бетонов и железобетонов, но он не применим для изготовления бетонов, стойких к сульфатным и другим кис­ лотным воздействиям.

Кроме обычного портландцемента промышленность выпускает ряд специальных цементов, наиболее распространенными среди которых являются:

1. Пуццолановый портландцемент, получаемый путем совмес ного помола цементного клинкера, гипса (до 5% к весу клинке­ ра) и активных неорганических добавок (до 20—45%), в качестве которых применяют трепел и диатомит. Пуццолановый портланд­ цемент стоек в пресной воде, он широко применяется для подвод­ ных конструкций в гидротехническом строительстве.

16

2.Шлакопортландцемент изготавливается так же, как и пуццолановый цемент, но с добавлением в него до 30—70% грану­ лированных доменных шлаков. Он твердеет медленнее обычного; цемента, но более стоек в агрессивной среде.

3.Пластифицированный портландцемент получается в резуль­

тате совместного помола портландцементного клинкера с гипсом и пластифицирующей добавкой (концентрата сульфитно-спиртовой барды). При изготовлении бетонов этого цемента идет на 8—10% меньше, чем обычного цемента.

§ 4. БЕТОН

Бетоном называется искусственный каменный материал, по­ лучающийся в результате твердения специально подобранной бе­ тонной смеси, состоящей из вяжущего материала, воды, заполни­

конгломератное строение и состоит из большого количества за­ полнителя (85—90%), подобранного в определенном соотношении крупных и мелких составляющих, связанных затвердевшим вяжу­ щим веществом (10— 15%).

В качестве заполнителей обычно применяют такие дешевые материалы, как песок, гравий и щебень, а также отходы промыш­

из щебня легких пористых пород или искусственных материалов;

По видам и свойствам вяжущего различают бетоны: цемент­ ный, известковый, гипсовый, силикатный, асфальтовый, жаростой­ кий, кислотостойкий и др. Наибольшее применение имеют цемент­ ные бетоны.

Обычный строительный бетон приготовляется путем смешива­ ния примерно 200—300 кг цемента, 100—200 л воды, 0,45 м3 песка и 0,8 м3 щебня или гравия (на каждый кубический метр бетона). При этом песок занимает пространство меж™ т!пшйш.1 .ш Ьпа**;..

17

а

нистыми) частицами, а цемент заполняет более мелкие поры. По объемам отдельных составляющих это дает примерно следующие соотношения: 1:2:4 или 1:3:6 (цемент:песок:гравий).

Прочность бетона на сжатие оценивается его маркой, опреде­ ляемой по прочности (в kt/ cm2J кубика бетона (со стороной 20 см) в возрасте 28 дней. Для бетонов установлены марки от 25 до 600.

Срок твердения бетона может быть изменен: при повышении температуры он сокращается, а при понижении — увеличивается. Для ускорения реакций, происходящих при твердении, применяют искусственное повышение температуры бетонной смеси путем по­ мещения ее в камеры пропаривания или путем внутреннего элект­ роподогрева. При понижении температуры неотвердевшего бетона ниже нуля реакция твердения прекращается. После оттаивания твердение возобновляется, однако полная прочность бетона может и не быть достигнута, поэтому замораживание бетона в раннем

•его возрасте не допускается.

Прочность бетона на растяжение много ниже (в 10—15 раз) его прочности на сжатие.

Прочность бетона зависит от того, какой марки цемент при­ менен при его изготовлении, а также от прочности и чистоты заполнителей. Поэтому заполнители бетона предварительно под­ вергаются очистке (промывке) и сортировке. Вода, идущая на приготовление бетона, также должна быть чистой и не содержать примесей, уменьшающих прочность цементного камня.

Важным фактором, влияющим на прочность бетона, является соотношение воды и цемента (водно-цементное соотношение — В/Ц). Чем ниже В/Ц, тем прочнее бетон. Для обеспечения реакции твердения теоретически достаточно, чтобы В/Ц составляло 0,1— 0,2. Однако в этом случае бетонная смесь получается настолько сухой, что ее невозможно хорошо перемещать и трудно уложить в форму. В практике строительства В/Ц принимают равным

0,5—0,6.

Подбор состава бетонной смеси, обеспечивающего получение бетона с нужными свойствами, является сложной задачей, зави­ сящей от целого комплекса факторов. При ведении бетонных ра­ бот должен вестись контроль за качеством бетона. Это осуществ­ ляется путем систематического отбора проб (изготовления куби­ ков размером 20X20X20 см) для определения прочности бетона на сжатие в возрасте 28 дней, определения его подвижности, моро­ зостойкости, а также проб на растрескивание при усадке и т. п. Все эти испытания проводятся в специальных лабораториях при бетонных заводах и на крупных стройках.

Приготовление бетонной смеси на строительных площадках производится в бетономешалках (рис. 1), работающих по прин­ ципу свободного падения перемешиваемого материала. При вра­ щении барабана лопасти смесителя захватывают смесь, поднима­

ют ее, затем она свободно падает с некоторой высоты и переме­ шивается.

18

Загрузка заполнителя и цемента в бетономешалки ведется порциями, соответствующими емкости барабана. Обычно это 0,25—0,5 м3 и более. Отмеривание нужных количеств отдельных составляющих производится дозирующими устройствами. Выход готовой бетонной смеси происходит также отдельными порциями (циклами) после окончания процесса смешивания.

Рис. 1. Бетономешалки:

а— стационарная, б — передвижная

Вбетономешалках емкостью до 0,5 м3 для получения одно­ родной смеси достаточно перемешивания в течение 1—1,5 мин, в

более крупных смесителях — до 2—2,5 мин.

На крупных бетонных заводах применяют машины непрерыв­ ного действия, в которые постоянно поступают в определенном со­ отношении заполнители, цемент и вода и из которых бетонная смесь, хорошо перемешанная, выходит непрерывно в виде готового пластического бетона.

Транспортирование бетона от бетономешалок или от бетон­ ного завода до места укладки производится в специальных бетоновозных бадьях или самосвалах.

Для получения плотного бетона, имеющего минимальное ко­ личество пор, а также для наиболее полного заполнения всего не­ обходимого объема бетон после укладки уплотняется с помощью вибраторов (рис. 2) разного типа (поверхностных и внутренних).

Кроме обычного строительного бетона существуют бетоны: гидротехнический, дорожный, жаростойкий и бетон для защиты от проникающих излучений.

Гидротехнический бетон подразделяется на три основных ви­ да: а) б е т о н д л я н а р у ж н ы х ч а с т е й с о о р у ж е н и я , , подвергающихся непосредственному воздействию окружающей среды и многократному промерзанию и оттаиванию; к этому бето­

19