Историко-геологическое введение в дисциплину «Инженерные сооружения»

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-

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 м астерски воплотил в новых формах традиции национальной архитектуры, приняв за образец владимирский Успенский собор (вторая половина ХII 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 городов-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

• 5.    РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЯ:

размеров фундамента.

• 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;