CC BY
31
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012
Г еология
Вып. 1(14)
УДК 624.131.1
Историко-геологическое введение в дисциплину «Инженерные сооружения»
В.А. Березнев, В.М. Шувалов
Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15. E-mail: igeon@psu.ru
(Статья поступила в редакцию 30 декабря 2010 г.)
Дана историческая информация о типах оснований и фундаментов. Показаны возможности их использования для строительства различных жилых, промышленных, гидротехнических зданий, инженерных сооружений и коммуникаций. Раскрыты вопросы теоретического характера и предложен план занятий по основным разделам дисциплины.
Ключевые слова: инженерная геология, инженерные сооружения, обучение в вузе
Авторами подготовлено учебное пособие по инженерным сооружениям, предназначенное для студентов 4-го курса специальности « Гидрогеология и инженерная геология» и бакалавров направления «Геология». Учебное пособие состоит из 2 основных частей, теоретического курса и задания для практических занятий. Главы учебного пособия соответствуют основным положениям Государственного образовательного стандарта 3-го поколения. В настоящей статье приведены краткие сведения из введения, заключения и структуры работы [1 - 5].
Человек начал строительную деятельность более 2 млн лет назад. Таков возраст искусственных жилищ, возведенных им. В самом начале своего существования люди строили сооружения со стенами, крышами, входами и конструктивными особенностями, присущими современным постройкам различных зданий и сооружений.
Основным жилищем, которое появилось у наших далеких предков, пытавшихся укрыться от непогоды и врагов, были пещеры, созданные самой природой. Будучи наделенными от природы разумом,
сообразительностью и предприимчивостью, первобытные люди начали возводить и искусственные жилища. Это произошло в тот период, когда человек научился изготовлять простейшие орудия труда. Древнейший дом, который удалось обнаружить, 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, крышей и входной дверью.
Климат, местные строительные материалы и степень развития производительных сил общества влияли на деятельность человека и он создавая самые различные жилые постройки. Здесь и свайная деревня в лесных полосах с жарким тропическим климатом; охотничий дом-шалаш из бревен и коры в лесных зонах с умеренным климатом; хижина из дерева и кустарника в лесостепных массивах; юрта из войлока и кошмы в степях; палатка из шерсти в песчаных пустынях; глинобитные уступчатые дома на склонах предгорий и речных долин; чум (коническая палатка) из меха и шкур в зоне снежных пу-
© Березнев В.А., Шувалов В.М., 2012
стынь, тундры и сложных климатических условий.
Все продукты строительной деятельности человека предназначены для удовлетворения его насущных потребностей.
Наши предки в эпоху неолита одновременно с жилищами начали возводить сооружения из очень крупных камней: менгиры, дольмены, кромлехи. Эти сооружения получили название мегалитических. Название произошло от греческих слов "ме-гас" - большой и "литос" - камень.
Эти мегалитические постройки несли в себе образное начало и были художественным выражением идеологических, духовных и эстетических потребностей. Менгир («длинный камень») - вертикально поставленный камень, иногда завершавшийся изображением головы, по мнению одних ученых, является символом вертикально стоящего человека, своим отвесным положением противопоставляющего себя животным. Другие считают, что менгир мог также символизировать род и его силу, будучи одновременно местом, связанным с культом предков.
Дольмен, состоявший обычно из двух или четырех вертикально поставленных камней, перекрытых другим камнем, ученые связывают с культом захоронения: это склеп, простейший саркофаг.
Архитектор эпохи Возрождения Альберти утверждал, что «здание есть как бы живое существо, создавая которое следует подражать природе». При этом Альберти понимал, что архитектура есть явление социальное и более сложное, чем явление органического мира. Утверждая вместе с Аристотелем, что как архитектура, так и творения природы возникают «ради чего-нибудь», Альберти делает вывод: строитель творит как природа, придавая материи определённую форму, а не имитирует природу.
Развитие строительной отрасли в России неразрывно связано с ее историей. К концу XV в. Москва становится общепризнанным политическим, религиозным и культурным центром Руси. Государственная централизация под эгидой Москвы
способствует окончательному освобождению страны от монголо-татарского ига, расширению внутренних экономических связей, укреплению политического единства русского народа. Возрастает международный престиж Московского государства, которое после завоевания Константинополя турками в середине XV в. становится главным наследником и хранителем византийского православия. Политическая идея «Москва - третий Рим» подкрепляется брачным союзом великого князя Московского с племянницей последнего византийского императора. В новой исторической обстановке приобретало особое значение каменное монументальное строительство в Москве. Город укреплялся, архитектурный облик столицы должен был соответствовать могуществу и международному значению Русского государства.
Одним из центральных событий было строительство в Кремле главного храма Московской Руси - Успенского собора (1475-1479 гг.). Его строитель Аристотель Фьораванти мастерски воплотил в новых формах традиции национальной архитектуры, приняв за образец владимирский Успенский собор (вторая половина XII в.). Унаследовав общий характер и ряд деталей владимирского зодчества (конструктивную ясность и простоту форм; число пролетов и пятикуполье, арочные порталы и т.п.), московский собор явился шагом вперед в развитии архитектурных и конструктивных форм. Перекрытие здания, разбитого на 12 одинаковых в плане квадратных ячеек с крестовыми сводами и пятью куполами, определило основу храма. Высокое качество кирпича и раствора в сочетании с крестовыми сводами, передающими сосредоточенную нагрузку на внутренние колонны, и утолщения стен пилястрами, позволило резко облегчить стены и увеличить пролеты сводов. Московский Успенский собор стал образцом для подражаний, особенно при строительстве крупных соборных храмов в XVI 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 полосе морей и океанов. Однако если внимательно присмотреться к раковине, ее складчатая форма, аналогичная покрытиям над современными крупными общественными сооружениями, покажется нам изящнее, гармоничнее.
На протяжении всей истории своей созидательно строительной деятельности человек часто обращался к окружающей природе. Он видел, что конструктивные формы, ею выработанные, прекрасно приспособлены к окружающей среде, к разного рода 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 сознательно или интуитивно начал подражать человек, возводя свои первые жилища. В более позднее время мы встречаем использование естественных форм в египетских, греческих и готических храмах (например,
колонны - художественного аналога ствола дерева), а также в творчестве великих мастеров итальянского Возрождения Ф. Брунеллески и Леонардо да Винчи. На протяжении столетий немало философов, зодчих, художников и инженеров работало над проблемой творческого использования в архитектуре и строительстве принципов 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 организации живой природы. И вот сегодня мы стали свидетелями нового процесса - практического использования природных форм (например, морских раковин, лепестков цветов, панцирей черепах и т.п.). Это плоды нового направления теории и практики строительства - архитектурной бионики. Направление это, несмотря на свою очень длительную предысторию, еще очень мо-
лодо. Всего лишь несколько десятилетий назад начато систематическое и целенаправленное изучение законов и принципов естественного формообразования на научной и технической основе применительно к архитектуре. Специалисты многих стран работают сегодня над изучением и разгадкой тайн живой природы, исследуют конструкции ее объектов и их приспособляемость к воздействию внешних сил, стремятся познать законы красоты, по которым творит природа. В этой сложной и кропотливой работе человек опирается на успехи в развитии как биологии, так и строительных конструкций.
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, изменившие технологию строительства. Например, появление в начале XIX 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 XIX в. для инженерных сооружений был использован железобетон. Особенность проектирования зданий, особенно высотных, состоит в расположении опор таким образом, чтобы не нанести ущерба внутреннему интерьеру зданий. Для 50-этажных железобетонных башен колонны становятся очень большими. Задача сегодняшнего дня заключается в том, чтобы создать гибкую планировку и свободный от колонн интерьер. Возможно использование длиннопролетных конструкций в высотных зданиях с полезностью гораздо большей, чем подразумевалось вначале, так что соору-
жения, насыщенные артериями, вертикальными шахтами и горизонтальными воздушно-распределительными системами, могут быть изменены с течением времени в соответствии с новейшими технологиями.
На сегодняшний день бетонные конструкции очень различаются в зависимости от их социально-экономического положения в мировом 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 предпочитают возводить конструкции без использования наружных лесов, для малоэтажного строительства применяют сборный железобетон и там, где это возможно, предварительно напрягают бетон не только в вертикальном направлении, но и в горизонтальном с целью сопротивления горизонтальным нагрузкам.
Криволинейные фермы привели к совершенно новым явлениям в архитектуре, которые в предыдущем десятилетии могли быть расценены как непрактичные. Использование предварительно напряженного железобетона может рассматриваться как способ создания водоотталкивающих, плоских покрытий без применения обыкновенного водоотталкивающего битума, при том что бетон в этом случае выдерживает продолжительное сжатие, сопротивляется образованию трещин, которые чаще всего и приводят к проникновению воды с течением длительного времени.
Одинаковые бетонные здания, которые интенсивно размножились с удушающей монотонностью в окружающей среде, в основном критиковались и не нравились потребителям. Инвестиции в большие заводы, производящие неизменяемые, пол-
ные комплекты здания, которые вскоре выходили из моды, становились «смирительными рубашками» и не могли отвечать изменяющимся чаяньям потребителей, развитию проектирования и успехам в технологии. Этого можно избежать путем разумного и четкого проектирования, а также используя технические методы, с помощью которых, перепрофилируя и слегка изменяя сделанные на заводе изделия, можно сочетать сборные элементы с монолитными участками. Помимо скорости и экономии времени циклов строительства, структурные преимущества, например горизонтальная жесткость, достигаются комбинированием таких факторов, как заводское производство сложных элементов здания (колонны, лестницы, балконы) в сочетании со скользящей опалубкой в сердечнике высотной башни и простым формованием изделий плоских перекрытий или длиннопролетных предварительно напряженных элементов.
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. Широкое внедрение его в практику строительства России важно еще и потому, что благодаря ему мы выходим на принятые в аналогичных по природно-климатическим условиям странах
(Канада, Швеция и т.д.) нормы расходования энергии на отопление домов.
Новые материалы, индустриальные методы строительства, применение механизации и технические новинки резко увеличили темпы строительства. Число горо-дов-миллионеров (с числом жителей более 1 млн) в мире составляло в 1900 г. -15 в 1950 г. - 71, в 1975 г. - 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 условия строительной площадки определяют глубину заложения фундамента, его конструкцию, технологию возведения, применяемые материалы и т.п. В связи с этим проект любого инженерного сооружения базируется на инженерно-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.
В связи с этим роль инженерного геолога просматривается на всех стадиях: проектирования, строительства, эксплуатации зданий. В случае ликвидации сооружения инженер-геолог дает исходные данные для оценки направлений рекультивации освободившейся площади и её дальнейшего использования.
Деятельность инженерного геолога тесно связана с проектированием и строительством объектов в контакте с проектировщиком и строителем. Полное взаимопонимание этих специалистов достигается только в том 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 всегда основывались на нормативной базе - строительных нормах и правилах, государственных стандартах и т.п. Реализация Федерального закона «О техническом регулировании» предусматривает разработку технических регламентов, но проверенные десятилетиями нормы и правила не отменены - они просто стали необязательными к применению. В вышеуказанной книге авторы ссылаются на существующую нормативную базу, т. к. утвержденных технических регламентов пока нет.
Практические занятия по дисциплине предполагают усвоение следующих вопросов в соответствии с планом изучения теории.
1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУНТОВ ИЗУЧАЕМЫХ УЧАСТКОВ:
а) определение наименования грунта;
б) определение модулей деформации грунтов основания по результатам компрессионных (одометрических) испытаний, испытаний грунта пробной нагрузкой;
в) определение расчетных сопротивлений грунтов основания;
г) оценка строительных свойств грунтов основания.
2. СБОР НАГРУЗОК НА ФУНДАМЕНТЫ.
3. ВЫБОР ВАРИАНТОВ ФУНДАМЕНТОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ФУНДАМЕНТА НА ЕСТЕСТВЕННОМ ОСНОВАНИИ:
а) предварительное определение размеров фундамента в плане;
б) назначение высоты фундамента;
в) смещение оси фундамента;
г) последовательность определения
размеров фундамента.
5. РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЯ:
а) расчет осадок фундамента методом послойного суммирования;
б) расчет стабилизации осадки фундамента во времени.
6. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ:
а) глубина заложения подошвы свайного фундамента;
б) назначение длины сваи;
в) определение расчетной нагрузки, допустимой на сваю;
г) определение количества свай в расчетном сечении;
д) расположение свай в фундаменте и конструирование ростверка;
е) определение фактической нагрузки на сваю;
Библиографический список
1. Березнев В.А., Шувалов В.М. Инженерные сооружения: учеб. пособие. Пермь, 2010.
Ч. 2. 85 с.
2. Кениг Г.Р. Инженерное обустройство территории. Пермь, Перм. гос. сельхоз. акад. 2008. 207 с.
3. Пилягин А.В. Проектирование оснований и
ж) определение напряжений в грунте и плоскости острия свай.
7. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТА.
8. СТАТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН:
а) расчет устойчивости откосов;
б) проектирование плотин из грунтовых материалов, определение поперечного профиля;
в) расчет фильтрации воды через земляные плотины из грунтовых материалов.
9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОХРАНИЛИЩ.
10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА.
11. ЗАДАЧИ ИЗ ПРАКТИКИ СТРОИТЕЛЬСТВА и темы рефератов для самостоятельной работы студентов.
фундаментов зданий и сооружений: учеб. пособие. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. 250 с.
4. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений: учеб. для вузов /Б.И. Долматов и др. М.А.С. 13, 2001. 301 с..
5. Справочник по основаниям и фундаментам. М., 1991. 383 с.
Historical-Geological Introduction in «Engineering Building»
V.A. Bereznev, V.M. Shuvalov
Perm State University, 614990, Perm, Bukirev st., 15. E-mail: igeon@psu.ru
This paper summarizes information about the types of bases and foundations. The possibilities of their using for the construction of various residential, industrial, hydraulic engineering buildings, civil engineering and communications are discussed. The issues of a theoretical nature and the plan of practical tasks on main disciplines are described.
Keywords: engineering geology, engineering building.
Рецензент - доктор физико-математических наук А.С. Долгаль
