Зоценко Н.Л. Инженерная геология. Механика грунтов, основания и фундаменты

Подождите немного. Документ загружается.

М. Л. Зоценко, В. І. Коваленко, А. В. Яковлєв, О. О. Петраков,

В. Б. Швець, О. В. Школа, С. В. Біда, Ю. Л. Винников

ІНЖЕНЕРНА ГЕОЛОГІЯ.

МЕХАНІКА ГРУНТІВ,

ОСНОВИ ТА ФУНДАМЕНТИ

Видання друге перероблене і доповнене

Під редагуванням дійсного члена

АБ України, професора, доктора

технічних наук М.Л. Зоценко

Затверджено Міністерством освіти

і науки України як підручник для

студентів вузів, які навчаються за

спеціальністю “Промислове та

цивільне будівництво”

Полтава 2003

БВК 38.58я73

1.62

УДК 624.131.1(075.8)

Р е ц е н з е н т и: кафедра “Основи та фундаменти” Харківської держав-

ної академії міського господарства (завідувач кафедри професор, д-р техн. наук

В. Г. Таранов; професор, д-р техн. наук Г. І. Черний (Науково дослідний інсти-

тут будівельних конструкцій, НДІБК, м. Київ).

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Редактор Н. В. Жигилій

Інженерна геологія. Механіка ґрунтів, основи і фундаменти: Підруч-

ник / М. Л. Зоценко, В. І. Коваленко, А. В. Яковлєв, О. О. Петраков,

В. Б. Швець, О. В. Школа, С. В. Біда, Ю. Л. Винников. – Полтава: ПНТУ,

2003. – 446 с.: іл.

ISBN 5-11-003835-X

У книзі подано основні поняття з геотехніки, пов’язані з проблемами бу-

дівництва. Викладено загальні закономірності традиційної механіки ґрунтів,

розглянуто положення нелінійної механіки і реології ґрунтів. З урахуванням

сучасних досягнень будівельної науки у галузі фундаментобудування наведено

методи розрахунку основ та фундаментів за граничними станами, правила

конструювання фундаментів, особливості влаштування основ і фундаментів у

звичайних і складних інженерно-геологічних умовах.

Для студентів вузів, які навчаються за спеціальністю “Промислове і циві-

льне будівництво”.

ВІДОМОСТІ ПРО АВТОРІВ

ЗОЦЕНКО МИКОЛА ЛЕОНІДОВИЧ

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Полтавського наці-

онального технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності – вдосконалення технології, роз-

рахунків і конструювання фундаментів, які споруджують без виймання грунту.

Автор понад 250 опублікованих робіт, у т. ч. підручника, навчальних по-

сібників, нормативних документів, понад 25 винаходів.

КОВАЛЕНКО ВОЛОДИМИР ІЛЛІЧ

Кандидат технічних наук, доцент, Полтавського національного технічно-

го університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності - дослідження ущільнення грунтів.

Автор близько 80 опублікованих робіт, у т. ч. підручника, довідника та

навчальних посібників.

ЯКОВЛЄВ АРКАДІЙ ВІКТОРОВИЧ

Кандидат технічних наук, доцент, доцент Полтавського національного

технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності – дослідження фізико-механічних

властивостей лесових грунтів, у т. ч. швидкісними методами; інженерні вишу-

кування; обстеження та проектування фундаментів при реконструкції будівель.

Автор більше 120 опублікованих робіт і винаходів, у т. ч. підручника, на-

вчальних посібників і довідкового посібника.

ПЕТРАКОВ ОЛЕКСАНДР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Донбаської держав-

ної академії будівництва та архітектури, заступник директора з наукової роботи

Донецького “ПромбудНДІпроету”.

Основні напрямки наукової діяльності –

Автор

ШВЕЦ ВІКТОР БОРИСОВИЧ

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Придніпровської

державної академії будівництва та архітектури.

Основні напрямки наукової діяльності – дослідження грунтових основ,

механіка грунтів, основи та фундаменти в регіональних умовах.

Автор понад 360 опублікованих робіт, у т. ч. монографій, книг, брошур,

нормативних документів, 25 винаходів.

ШКОЛА ОЛЕКСАНДР ВІКТОРОВИЧ

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Одеської державної

академії будівництва та архітектури.

Основні напрямки наукової діяльності – розвиток теоретичних моделей і

розрахункових методів механіки грунтів з урахуванням імовірнісної тракту-

вання параметрів, реологічних характеристик, неоднорідності та анізотропнос-

ті грунтового середовища; проектування морських гідротехнічних споруд.

Автор понад 130 опублікованих робіт, у т. ч. монографії та 30 науково-

методичних робіт.

БІДА СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

Кандидат технічних наук, доцент, доцент Полтавського національного

технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності – інженерні вишукування; проек-

тування будівель і споруд на зсувонебезпечних територіях; числові методи ро-

зрахунку фундаментів ущільнення.

Автор близько 60 опублікованих робіт, у т. ч. винаходів.

ВИННИКОВ ЮРІЙ ЛЕОНІДОВИЧ

Кандидат технічних наук, доцент, докторант Полтавського національного

технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Основні напрямки наукової діяльності – дослідження, розрахунок і прое-

ктування основ і фундаментів з ущільненням грунту, в т. ч. з реалізацією чис-

лових методів; обстеження та проектування фундаментів при реконструкції.

Автор понад 200 опублікованих робіт, у т. ч. навчальних посібників, но-

рмативних документів і 40 винаходів.

Присвячено пам’яті

Вчителя Євгена Володимировича Платонова

і Однодумця Віталія Гавриловича Хілобока

ПЕРЕДМОВА

Кожна будівля чи споруда зводиться і експлуатується у певних природ-

них умовах і безпосередньо пов’язана своїм фундаментом з верхнім шаром лі-

тосфери Землі. Гірські породи сприймають навантаження від будівель і споруд,

при цьому їх називають ґрунтами. Від їх міцності і деформативності залежить

забезпечення нормальних умов експлуатації житлових та цивільних будинків,

промислових будівель, лінійних споруд тощо. На територіях де розташоване

будівництво діють геологічні процеси (рух поверхневої і підземної води, земле-

труси тощо), які в свою чергу можуть порушити нормальні умови експлуатації

об’єктів і навіть зруйнувати їх. Будівництво і подальша експлуатація будівель і

споруд впливають на геологічні процеси, підсилюють їх, викликають до дії но-

ві, так звані, техногенні процеси (підтоплення територій, осідання склепінь

шахт і тунелів метро, зсуви тощо). Тобто, не тільки від конструктивних особли-

востей будівель і споруд залежать їх експлуатаційні якості. Велика доля у цьо-

му плані належить забезпеченню надійної основи кожної будівлі і споруди.

Науковець, проектувальник, виробничник – усі вони повинні володіти

знаннями і навиками з оцінки основи, вміти передбачати ті зміни, які можуть з

нею статися в процесі будівництва та експлуатації будівель і споруд, нарешті,

створювати для них такі конструкції фундаментів і штучних основ, які забезпе-

чать їх нормативний термін експлуатації.

Слід звернути увагу ще й на те, що усі ці дані необхідно розглядати з

економічної точки зору. Чим складніше умови будівництва, тим більша його

вартість. Так, для звичайних інженерно-геологічних умов вартість витрат на

пристосування до них будівель і споруд складає 10-15 % загальної вартості бу-

дівельно-монтажних робіт. У складних умовах ця частина може досягати 80 % і

навіть більше.

У розділі “Інженерна геологія” на основі вивчення будови земної кори та

її динаміки розглядаються питання оцінки умов будівництва і прогнозування їх

зміни у часі. У “Механіці ґрунтів” розглядається поведінка дисперсних ґрунтів

під навантаженням, науково обґрунтовуються методики кількісного оцінюван-

ня міцності і деформування основи. “Основи і фундаменти” – практична части-

на курсу, направлена на розробку методів використання природних і створення

штучних основ, конструювання фундаментів і пристосування їх до конкретної

основи, загального проектування основ і фундаментів будівель і споруд в зви-

чайних і особливих інженерно-геологічних умовах з використанням високих

ресурсозберігаючих і екологічно чистих технологій їх спорудження.

Усі ці розділи об’єднуються одною назвою – фундаментобудування – на-

уку про теорію і практику здійснення розумного контакту між штучним і при-

родним; конструкцією, що є рукотворним виробом, і історично утвореним гео-

логічним середовищем; про стикування людського і Божого.

З цієї науки можна довідатися, як зробити так, щоб будівлі і споруди з

одного боку були надійними для людини, а з другого боку - не наносили шкоди

оточуючому геологічному середовищу. Якщо зроблено буде саме так, тоді мо-

жна вважати, що Природа не спричинить руйнувань будівлям чи спорудам у

разі стихійного лиха.

Про це свідчить і Біблійне пророцтво (Євангеліє від Луки, 6.46-6.49.

“Скажу вам, до кого подібний усякий, хто до Мене приходить та слів Моїх слу-

хає і виконує їх: 48. Той подібний тому чоловікові, що, будуючи дім, він глибо-

ко викопав, і основу на камінь поклав. Коли ж злива настала, вода кинулася на

той дім: - та однак не змогла захитати його, бо збудований добре він був! 49. А

хто слухає та не виконує, той подібний тому чоловікові, що свій дім збудував

на землі без основи. І наперла на нього ріка, - і зараз упав він, і велика була то-

му дому руїна”.

Особливістю підручника є використання оригінальної класифікації су-

часних фундаментів і штучних основ, а також наявність багатьох прикладів фу-

ндаментобудування, які належать до практики будівництва на Україні.

При підготовці рукопису у кожний розділ підручника внесено зміни і до-

повнення відповідно до сучасних уявлень питань, що розглядаються. Введено

нові розділи, присвячені нелінійній механіці і теорії ущільнення ґрунтів. Вне-

сені зміни у класифікацію фундаментів і штучних основ. Розширено розділ з

будівництва в складних інженерно-геологічних умовах.

Під час роботи над підручником автори використовували свій досвід ви-

кладання дисциплін у Полтавському національному технічному університеті

імені Юрія Кондратюка і Придніпровській академії будівництва і архітектури.

Методичною базою для складання частини розділів були підручники

А. М. Дранникова “Інженерна геологія”, М. О. Цитовича “Механіка ґрунтів”,

Б. І. Далматова “Механіка ґрунтів, основи і фундаменти”, С. Б. Ухова “Механі-

ка ґрунтів, основи та фундаменти”.

Вступ, розділи 1, 2, 12, 14 крім п.14.4, 19 перероблені М. Л. Зоценком

(п.12.3 і 14.3 за участю, а п.19.1-19.3 спільно з Ю. Л. Винниковим); розділи 3 і 5

– С. В. Бідою; розділи 4, 6, 10 і п.14.4 – Ю. Л. Винниковим (п.4.7 і 4.12 за учас-

тю В. Б. Швеця); розділи 7, 8, 11 – В. І. Коваленком; розділ 9 – О. В. Школою;

розділи 13, 15, 16 – А. В. Яковлєвим (розділ 15 спільно з М. Л. Зоценком); роз-

діл 17 – В. Б. Швецем; розділ 18 – О. О. Петраковим.

Графічний матеріал у редакторі Word виконано С. В. Бідою. Автори вдя-

чні В. В. Козаку за роботу, яка пов’язана з добором матеріалів до частини “Ін-

женерна геологія”.

ВСТУП

Відповідно до світової статистики 80 % усіх порушень нормальних умов

експлуатації будівель і споруд відбувається внаслідок недоліків та помилок при

проектуванні, будівництві і експлуатації основ та фундаментів. Витрати на усу-

нення цих негативних явищ можливо порівняти лише з початковою вартістю

будівництва. Виходячи з наведених фактів можна стверджувати, що при вирі-

шенні задач фундаментобудування необхідно шукати рішення між двома про-

тиріччями: з однієї сторони основи і фундаменти повинні бути надійними, тоб-

то, забезпечувати нормальні умови експлуатації будівель і споруд весь норма-

тивний термін їх існування; а з другої – необхідно знижувати їх вартість і мате-

ріаломісткість на основі сучасних теоретичних і технічних досягнень.

Теорія і практика поставлених задач розглядається в курсах “Інженерна

геологія” та “Механіка ґрунтів, основи і фундаменти” які в тому чи іншому об-

сязі входять до навчальних програм підготовки бакалаврів, спеціалістів і магіс-

трів будівельників. Об’єднання курсів в одному підручнику дозволяє тісніше

пов’язати їх між собою, а також зменшити загальний обсяг матеріалу за раху-

нок виключення деяких, необхідних для роздільного видання, повторень.

Реалізувати переваги такого видання підручника краще усього, коли ці

курси викладаються студентам послідовно за семестрами. Матеріал у підруч-

нику складено так, що студенти до вивчення “Механіки ґрунтів, основ та фун-

даментів” повинні бути ознайомленими з курсами “Будівельна механіка”, “Ар-

хітектурні конструкції будівель і споруд”, “Будівельні конструкції”. Необхідно

також враховувати, що при проектуванні будівель і споруд робочий проект ос-

нов і фундаментів виконується після розробки відповідного проекту надземної

їх частини.

І н ж е н е р н а г е о л о г і я – додаток геології до інженерно-будівельної

справи. Користуючись методами геології, вона вивчає напластування, власти-

вості ґрунтів і явища, які відбуваються у межах району будівництва. При цьому

застосовується геологічний метод досліджень, тобто, метод природно-

історичного аналізу для якісної оцінки району. Вважають, що особливості ін-

женерно-геологічних умов району є результатом довготривалої спільної дії

внутрішніх і зовнішніх геологічних процесів. В наслідок будівництва виника-

ють нові процеси, які називаються інженерно-геологічними. Вони проявля-

ються у формі геологічних процесів, але зумовлені результатами інженерної ді-

яльності людини. Для кількісної оцінки різних факторів у інженерній геології

користуються експериментальним і розрахунково-теоретичним методами.

Як наука інженерна геологія сформувалася в ХVІІІ-ХІХ ст. У період інтенсив-

ного розвитку промисловості. Біля джерел геологічної науки стояли

М. В. Ломоносов, англієць Б. Гетто, німець А. Вернер. Сучасна Українська

школа інженерної геології формувалася у складі радянської, її представниками

слід вважати А. М. Драннікова, М. М. Алексєєва, В. Ф. Краєва та ін.

М е х а н і к а г р у н і в – теоретична основа фундаментобудування. Це

наука про закономірності, що виникають у ґрунтах внаслідок їх навантаження.

На відміну від механіки суцільних середовищ, механіка ґрунтів розглядає дис-

персні (подрібнені) тіла. Ґрунт складається з твердих частинок і пор, частково

або повністю заповнених водою. Механіка ґрунтів використовує закони теоре-

тичної механіки для суцільних абсолютно жорстких матеріалів, які далі розви-

нути у будівельній механіці для суцільних тіл кінцевої жорсткості. Але на підс-

таві цих законів у механіці ґрунтів використовуються нові закони, які врахову-

ють роздрібненість ґрунтів. Основи механіки ґрунтів були закладені працями

Ш. Кулона, Ж. Бусінеска, К. Терцагі та ін. З радянських вчених – засновників

сучасної школи механіки ґрунтів слід відмітити Н. М. Герсеванова,

М. О. Цитовича, В. Л. Флоріна, В. Г. Березанцева, М. М. Маслова.

О с н о в и і ф у н д а м е н т и – це прикладна дисципліна про прийоми

розрахунку, конструювання і спорудження фундаментів залежно від властивос-

тей основ.

Інженерно-геологічні умови України досить різноманітні. В її межах мо-

жна зустріти прояви багатьох складних інженерно-геологічних умов. Значна

частина території вкрита лесовими посадочними ґрунтами. Найбільшу товщину

ці ґрунти мають у Запорізькій, Дніпропетровській, Миколаївський і Херсонсь-

кій областях. Саме в цих умовах побудовані й успішно експлуатуються складні

інженерні споруди (доменні печі, промислові будівлі, висотні споруди тощо).

Для підгірних і гірських районів України (Крим, Карпати) характерні зе-

млетруси, зсуви, карсти, суфозія тощо. На півдні і сході поширені підроблю-

ванні території (Кривий Ріг, Донбас).

Рукотворні моря і канали на Дніпрі зумовили виникнення таких інжене-

нерно-геологічних процесів, як переробка берегів, підтоплення і затоплення те-

риторій. Для Керченського півострова характерні так звані набухаючі ґрунти.

Усе це вимагає високої спеціальної підготовки інженерів проектувальни-

ків, будівельників і експлуатаційників у галузі геотехніки і фундаментобуду-

вання.

Серед учених, працівників наукових і учбових організацій України широ-

ко відомі імена спеціалістів І. П. Бойка, М. Н. Гольштейна, В. М. Голубкова,

С. М. Клєпікова, І. М. Литвинова, М. С. Метелюка, Ю. М. Молюшицького,

Є. В. Платонова, А. М. Рижова, С. А. Слюсаренко, Г. І. Черного та ін.

Загальна мета дисципліни, яку ми розглядаємо, – якісна оцінка основ для

повнішого використання їх властивостей при створенні нових надійних і еко-

номічних конструкцій і прогресивних технологій влаштування основ і фунда-

ментів.

Частина перша

ОСНОВИ ІНЖЕНЕРНОЇ ГЕОЛОГІЇ

1. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЗЕМЛЮ.

МІНЕРАЛИ І ГІРСЬКІ ПОРОДИ

1.1. ЗЕМЛЯ У СВІТОВОМУ ПРОСТОРІ,

ЇЇ ПОХОДЖЕННЯ І БУДОВА

Наша планета Земля за формою близька до еліпсоїда обертання, середній

діаметр якого – 12742 км, а різниця екваторіального і полярного діаметрів – 43

км. Площа поверхні Землі становить 510 млн. км

, а її об’єм – 1 083 204 млн.

км

. Середня щільність речовини Землі – 5,52 т/м

Земля, а також планети Меркурій, Венера, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран,

Нептун та Плутон рухаються навколо Сонця по майже колових концентричних

орбітах й утворюють разом із ним Сонячну систему. Земля знаходиться від Со-

нця на відстані 149,5 млн. км. Теплота і світло Сонця роблять можливим життя

на Землі. У той же час Сонце породжує цілий ряд процесів на Землі, які приво-

дять до зміни її поверхні.

Слід брати до уваги вплив на Землю і її супутника Місяця. Знаходячись

від Землі на відстані 384,4 тис. км, Місяць спричиняє явища припливу і відпли-

ву в океанах та морях. На материках виникають деформації, аналогічні припли-

вам і відпливам, але досить невеликі. Вплив Місяця викликає періодичні зміни

нахилу земної осі до площини її орбіти, що приводить до зміни клімату Землі.

Сонячна система обертається навколо центральної частини гігантського

скупчення зірок, яке називається Галактикою. У Галактиці налічується понад

100 млрд. зірок, котрі утворюють дископодібну систему. До складу Галактики

входять окремі зірки, зоряні скупчення й асоціації, а також планетарні та дифу-

зні туманності, які є хмарами розріджених газів і пилу. Розміри Галактики дуже

великі. Світло проходить від одного її кінця до другого за 100 тис. років. Але

Галактика лише острів матерії у світовому просторі. Крім нашої Галактики, на-

лічується більше мільярда подібних утворень, які знаходяться від нас на відста-

ні від одного мільйона до кількох мільярдів світлових років. Світловий рік – це

відстань, котру проходить промінь світла протягом року, вона дорівнює 9500

млрд. км. Таке положення Землі у світовому просторі, матерія якого, постійно

змінюючи свою форму, перебуває у вічному русі.

Знання про походження Землі має величезне значення як для вивчення її

будови, так і для пояснення тих глибинних процесів, що впливають на її повер-

хневі частини. Однак і до нинішнього часу цілком достовірно не встановлено,

як і з чого утворилася Земля, інші планети, Сонячна система в цілому. Тому

наші знання в цьому питанні мають характер науково обґрунтованих припу-

щень – гіпотез. Учені давно намагаються відкрити таємницю походження Зем-

лі.