861
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В.А. Березнѐв, В.М. Шувалов
ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ (с основаниями и фундаментами)
Допущено методическим советом Пермского государственного национального исследовательского университета в качестве учебного пособия для студентов геологического факультета, обучающихся по специальности
«Гидрогеология и инженерная геология», а также для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Геология»
Пермь 2014
1
УДК 624.15+626/627 ББК 38.58+38.77
Б 484
Березнѐв В. А., Шувалов В. М.
Б484 Инженерные сооружения (с основаниями и фундаментами): учеб. пособие / В. А. Березнѐв, В. М. Шувалов; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. – Пермь, 2014. – 204 с.: ил.
ISBN 978-5-7944-2267-2
Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части содержится теоретический курс, списки основной, дополнительной и нормативной литературы.
Во второй части представлены практические задания и рассматриваются задачи из практики строительства.
Пособие предназначено для студентов геологического факультета и строительных специальностей вузов.
УДК 624.15+626/627 ББК 38.58+38.77
Печатается по решению редакционно-издательского совета Пермского государственного национального исследовательского университета
Рецензенты: д-р геол.-мин. наук, проф., директор НПФ ООО «Геопрогноз» А. И. Кудряшов; канд. техн. наук, зав. каф. строит. произв. ПГСХА, проф.
В. Н. Зекин
ISBN 978-5-7944-2267-2 © Березнѐв В.А., Шувалов В.М., 2014
©Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2014
2
Часть 1
ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ (с основаниями и фундаментами)
ВВЕДЕНИЕ
Строительная деятельность человека началась более 2 миллионов лет назад. На заре своего существования люди строили сооружения со стенами, крышами, входами и с конструктивными особенностями, присущими современным постройкам.
Первым жилищем, которое появилось у наших далеких предков, пытавшихся укрыться от непогоды и врагов, были пещеры, созданные самой природой. Наделенные разумом от природы, сообразительностью и пред-
приимчивостью первобытные люди начали возводить и искусственные сооружения для жилища. Это произошло в период, когда человек научился изготовлять простейшие орудия труда. Древнейший дом был построен 57 тыс. лет назад. Его остатки найдены недалеко от водопада Калембо в Африке. Это сооружение получило название "родезийский дом". Сооружение представляет собой маленькое каменное строение со стенами, дверью и крышей.
Взависимости от климата, местных строительных материалов и развития производительных сил человек создавал различные жилые постройки: свайные деревни в лесных полосах с жарким климатом; охотничьи дома-шалаши из бревен и коры в лесных зонах с умеренным климатом; хижины из дерева и ку-
старника в лесостепных массивах; юрты из войлока и кошмы в степях; палатки из шерсти в песчаных пустынях; глинобитные уступчатые дома на склонах предгорий и речных долин; чумы из меха и шкур
взоне снежных пустынь и тундры.
Вэпоху неолита наши предки одновременно с жилищами начали возводить сооружения из очень крупных камней: менгиры, дольмены, кромлехи. Эти сооружения получили название мегалитических (от
3
греческих слов "мегас" - большой и "литос" - камень).
Мегалитические постройки были художественным выражением идеологических, духовных и эстетических потребностей. Менгир ("длинный камень") - вертикально поставленный камень, иногда завершавшийся изображением головы мог символизировать род и его силу, будучи одновременно местом, связанным с культом предков.
Дольмен, состоящий обычно из двух или четырех вертикально поставленных камней, перекрытых другим камнем, ученые связывают с культом захоронения: это склеп, простейший саркофаг.
Развитие строительной отрасли в России связано с ее историей. К концу XV в. Москва становится общепризнанным политическим, религиозным и культурным центром Руси. Государственная централизация способствует окончательному освобождению страны от монго- ло-татарского ига, расширению внутренних экономических связей, укреплению политического единства русского народа. Возрастает международный престиж Московского государства, которое после завоевания Кон-
стантинополя турками в середине XV в. становится наследником и хранителем византийского православия. Политическая идея "Москва - третий Рим" подкрепляет-
ся каменным монументальным строи-
тельством. Одним из центральных событий было строительство в Кремле главного храма Московской Руси - Успенского со-
бора (1475 ‒ 1479 гг.). Его строитель Ари-
стотель Фьораванти воплотил в новых формах традиции национальной архитектуры, приняв за образец вла-
димирский Успенский собор (вторая половина ХII в.). Многие современные здания стадионов, цирков или концертных залов своими архитектурными формами очень часто напоминают увеличенные во много сотен раз раковины, которые можно встретить в прибрежной
4
полосе морей и океанов.
На протяжении истории строительной деятельности человек часто обращался к окружающей природе. Он видел, что конструктивные формы прекрасно приспособлены к окружающей среде, к внешним воздействиям и при этом прекрасно выполняют те функции, для которых они созданы. Сооружения бобров и термитов, гнезда птиц и
пчелиные соты ‒ вот те образцы, которым начал подражать человек,
возводя свои первые жилища. В более позднее время мы встречаем естественные формы в египетских, греческих и готических храмах, а также в творчестве великих мастеров итальянского Возрождения Ф.
Брунеллески и Леонардо да Винчи. В течение многих столетий фи-
лософы, зодчие, художники и инженеры творчески использовали в архитектуре и строительстве принципы формообразования живой природы.
Уже на рубеже XIX и XX вв. успехи естествознания, а также появление в строительстве стали, железобетона и стекла открыли новые возможности для применения в зодчестве законов живой природы.
Мы стали свидетелями практического использования природных форм (например, морских раковин, лепестков цветов, панцирей черепах и т.п.). Это плоды нового направления теории и практики строи-
тельства ‒ архитектурной бионики.
Развитие связей между поселениями привело к строительству дорог, ежегодные разливы рек – к развитию мелиоративных систем. Началом гидротехнического строительства можно назвать сооружения на сваях, удобные с точки зрения промысла рыбы и защиты от врагов. Всякое строительство: городское, гидротехническое, дорожное связано с развитием промышленности. На смену традиционным строительным материалам (дерево, камень) пришли новые, например, появление в начале 19 в. стального проката вытеснило дерево и камень из большепролетных конструкций мостов, больших общественных зданий.
В 1824 г. каменщик Джозеф Эскидин из Лидса впервые получил цемент, и с этого началось применение бетона в строительстве. В конце 19 в. для инженерных сооружений был использован железобетон.
На сегодняшний день бетонные конструкции очень различаются в зависимости от их социально-экономического положения в миро-
5
вом пространстве. Там, где ручной труд экономически оправдан, бетонные конструкции могут образовывать сложные геометрические формы, что практически невозможно с экономической точки зрения в странах с высокооплачиваемым трудом работников и доступными усовершенствованиями технологий производства. Скорость, с которой должны возводиться здания, зависит от главной идеи самой конструкции и выбранных методов строительства. В странах с высокой стоимостью труда предпочитается возводить конструкции без использования наружных лесов, для малоэтажного строительства применяют сборный железобетон
Криволинейные фермы привели к совершенно новым понятиям в архитектуре, что в предыдущем десятилетии могло быть расценено как непрактичное. Использование предварительно-напряженного железобетона может рассматриваться как способ создания водоотталкивающих, плоских покрытий без применения обыкновенного водоотталкивающего битума.
Сравнительно новый материал ‒ пенобетон в два раза легче
кирпича и обладает высокими теплоизоляционными свойствами. Ячеистые бетоны хорошо удерживают тепло, прекрасно защищают от шума. Материал хорошо обрабатывается простейшим инструментом (пилится, режется, сверлится). Кроме того, он пожаробезопасен и экологически чист. Пенобетон влагостоек благодаря замкнутым порам диаметром до 3 мм. Изделия плавают в воде без насыщения. Пенобетонная смесь, залитая в формообразующие элементы, обеспечивает высокую точность размеров, гладкую поверхность, легкость при распалубке. Твердение готового изделия без применения тепловой обработки составляет 24 ч.
Наружные стены из пенобетона могут быть в 1,5 ‒ 2 раза тоньше, а производительность труда при кладке существенно выше. В итоге квадратный метр стены в 2 ‒ 3 раза дешевле. Конечная строи-
тельная продукция ‒ дома, квартиры ‒ становится конкурентоспособной и соответствующей принятым для развитых стран нормам.
Новые материалы, индустриальные методы строительства, применение механизации и технические новинки резко увеличили темпы
6
строительства. Число городов – миллионеров (с числом жителей более 1 млн.) в мире составляло в 1900 ‒ 15, в 1950 – 71, в 1975 – 149 ,
ныне – более 300.
Итак, строительство - это один из самых распространенных видов деятельности, которая базируется на современных знаниях и методах.
При этом продукт этой деятельности ‒ инженерные сооружения ‒
устремлен в будущее. Суэцкий канал, построенный в 1869 г., используется для судоходства и в наши дни. Условия работы всякого инженерного сооружения – его устойчивость, долговечность, надежность – зависят от особенностей геологического строения.
Инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительной площадки определяют глубину заложения фундамента, его конструкцию, технологию возведения, применяемые материалы и т.п. Проект любого инженерного сооружения базируется на инженер- но-геологических изысканиях.
В процессе изысканий геолог не только оценивает условия строительства и дает исходные данные для проектирования, но и определяет возможную динамику всех процессов и, как следствие, изменение условий эксплуатации будущего сооружения.
Роль инженера-геолога и гидрогеолога просматривается на всех стадиях: проектирования, строительства, эксплуатации зданий. При ликвидации сооружения инженер-геолог и гидрогеологи дают исходные данные для оценки направлений рекультивации освободившейся площади и дальнейшего использования объекта.
Деятельность инженера-геолога и гидрогеолога тесно связана с проектированием и строительством объектов в контакте с проектировщиком и строителем. Необходимо полное взаимопонимание этих специалистов, а оно достигается в случае, когда выпускники геологического факультета понимают своих коллег-строителей, говорят с ними на одном языке, освоив терминологию и основы строительного дела, азы проектирования и конструкции инженерных сооружений.
Инженерные изыскания, проектирование и строительство основаны на нормативной базе ‒ строительных нормах, правилах и госу-
дарственных стандартах по выполнению полевых работ, обработке, однозначной интерпретации и правильного геологического истолкования конечных результатов [1 – 12].
7
ГЛАВА 1
ПРОМЫШЛЕННЫЕ И ГРАЖДАНСКИЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Зданиями называют строения, имеющие замкнутый объем и предназначенные для длительного пребывания в них людей. Другие строения, где люди не живут и не постоянно работают, называют сооружениями.
По своему назначению все здания можно разделить на промышленные и гражданские [1 – 12].
Кпромышленным зданиям относятся производственные, подсоб- но-производственные, ремонтные и экспериментальные цехи, а также здания электростанций, газогенераторных, компрессорных, насосных станций, склады для хранения изделий и материалов, очистные сооружения водопроводов и канализации и т.п.
Кчислу промышленных сооружений относятся такие, как элеваторы для хранения зернопродуктов и цемента, доменные печи, градирни горячих цехов и электростанций и многие др.
В общем комплексе промышленных предприятий кроме собственно промышленных зданий и сооружений имеются здания вспо-
могательного назначения ‒ это заводоуправления, цеховые конторы,
конструкторские бюро, лечебные пункты, столовые и т.п. Их нельзя назвать собственно промышленными зданиями, хотя они и располагаются на одной территории с промышленным предприятием.
К гражданским зданиям относятся жилые дома, общественные (школы, больницы, административные, культурно-просветительные, спортивные и т.п.) и коммунальные (бани, прачечные и др.) здания, а также декоративные сооружения (памятники, монументы).
В зависимости от материала наружных стен различают каменные, деревянные, здания из других материалов и конструкций. По продолжительности службы здания делят на временные и постоянные. По этажности здания подразделяют на одноэтажные, малоэтажные
(обычно не выше трех этажей) и многоэтажные и высотные ‒ свыше
25 этажей.
Этажи, имеющие пол на уровне тротуара (или отмостки) и выше,
8
называются надземными, заглубленные не более чем на половину высоты помещения, ‒ полуподвальными, или цокольными, а еще более
заглубленные ‒ подвальными.
По характеру строительства различают дома, возводимые из кирпича, из блоков, панелей, каркасов и др.
Выбор той или иной конструкции здания зависит от его назначения и должен удовлетворять целому ряду требований, среди которых основными являются санитарно-гигиенические, эстетические и противопожарные. Для промышленных зданий необходимо удовлетворение технологических требований и условий промышленной безопасности ведения производственного процесса.
Отдельно должна быть рассмотрена прочность конструкции здания на восприятие нагрузок от самого здания и размещенного в нем оборудования и внутреннего транспорта, а также от ветровых нагрузок и веса снега на кровле. В сейсмически опасных районах учитывается устойчивость зданий в отношении действия сейсмических сил.
1.2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗДАНИЙ
Основными элементами здания являются фундаменты, стены, отдельные опоры ‒ стойки (колонны), перекрытия и крыша (рис. 1.1).
К второстепенным относят перегородки, лестницы, оконные и дверные проемы.
Элементы здания в зависимости от их назначения, размера и типа изготовляют из различных материалов, главным образом из бетона и железобетона, кирпича и камня, дерева и металла, пластмассы и т.п.
Фундаментами называют подземную часть здания, на которую опираются несущие элементы здания (стены, колонны) и которая в свою очередь опирается на основание (толщу грунтов, воспринимающих нагрузку от сооружения).
Стены ограждают помещение от атмосферных осадков, ветра, шума улицы и выполняют важную теплоограждающую функцию.
9
Рис. 1.1. Здание с самонесущими стенами и каркасом: 1 ‒ колонны; 2 ‒ ригеля; 3 ‒ плиты перекрытия
Конструктивное решение здания выбирают на основе техникоэкономического сравнения вариантов с учетом производственносырьевой базы и транспортной сети в районах строительства, местных природно-климатических и инженерно-геологических условий, архитектурных и градостроительных требований.
Жилые здания проектируют с несущими конструкциями из бетона и железобетона (бетонные здания) или каменных материалов в сочетании с железобетонными конструкциями (каменные здания). Жилые здания высотой один-два этажа могут также проектироваться с конструкциями из древесины (деревянные здания).
Бетонные здания подразделяются на сборные, монолитные и сборно-монолитные.
В условиях массового строительства применяют сборные здания,
10