Товарищество сибирских геотехников

2 ЧАСТЬ
БОЛЕЕ СЕРЬЕЗНО О РОЛИ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ
В РАСЧЕТАХ ГРУНТОВ И ФУНДАМЕНТОВ


В 30-40-е и далее – в 50-60-е годы ХХ века, когда решения Теории упругости стали использовать в расчетах грунтовых оснований, в среде фундаментостроителей появился оптимизм: наконец-то возникла наука о расчетах фундаментов и в целом – инженерных сооружений на грунтах и в грунтах (Механика грунтов), с помощью которой можно преодолеть веками сложившийся эмпиризм.

В.В. Лушников и В.М. Улицкий В первое время к этой новой науке было такое благоговейное отношение, как, например, к науке о Сопротивлении материалов – знаменитому Сопромату, который тогда хорошо знали практически все инженеры-строители и который фактически формировал мировоззрение специалистов. Решения Сопромата, несмотря на некоторые упрощения против строгой Теории упругости (например, гипотеза плоских сечений), хорошо совпадали с результатами наблюдений за работой относительно простых инженерных конструкций – балок, ферм, рам и даже более сложных конструкций. Поэтому огромный авторитет Сопромата был перенесен и на эту новую науку, стало казаться, что она встала вровень с Сопроматом или даже с Теорией упругости.

Авторитету этой науки способствовало создание в 1936 г. по инициативе знаменитого австрийского ученого Карла Терцаги Международного общества геотехников, которое сейчас называется «International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering» (ISSMGE). В России с 1957 г. функционирует национальный комитет геотехников под названием «Российское Общество по Механике Грунтов, Геотехнике и Фундаментостроению» (РОМГГиФ).

В эту новую науку пришли, как правило, молодые люди с высокой математической подготовкой и знанием Теории упругости, но которые практически не знали существа стоящих в фундаментостроении проблем, не были знакомы с экспериментами, которые уже тогда широко проводились. Но им было тесно в классической науке – там свои проблемы и свои корифеи …

Сначала многим специалистам старого поколения в области фундаментостроения, мало знакомым с уже известными многие годы решениями Теории упругости, казалось, что эти новые люди способны решить практически все важные задачи в фундаментостроении – о распределении напряжений в грунтах, о расчетах осадок фундаментов, о напряжениях в балках и плитах на упругом основании, об устойчивости откосов, о давлении грунтов на ограждения и др.

С годами постепенно произошло разделение специалистов на теоретиков и экспериментаторов, причем теоретики, имеющие очевидно более высокий имидж (они более чем практики соответствовали классическому типу ученого), заняли главенствующее положение в науке и руководящих органах фундаментостроения в целом.

Но, к сожалению, в фундаментостроении сразу же не сложился так необходимый паритет между теорией и экспериментом – подобно тому, который давно существует, например, в физике или химии: там они практически равноценны, а экспериментатор обязан знать теорию не хуже теоретика, чтобы попытаться найти «слабое место» в том или ином решении, в новом веществе. Причем новое решение никто не воспримет всерьез, пока его не подтвердят многие экспериментаторы, а теоретик и экспериментатор – оба заинтересованы в развитии как теории, так и эксперимента, оснащении эксперимента самой современной измерительной аппаратурой.

Также к сожалению, первые робкие попытки экспериментаторов в те же годы указать на несоответствие теории результатам измерений (например, о распределении напряжений и деформаций на бесконечные расстояния от сил) теоретиками долгое время оставлялись без внимания, но Механика грунтов, тем не менее, стала играть роль «организующего начала» в фундаментостроении в целом. Если бы замечания были тщательно проанализированы совместным усилиями теоретиков и экспериментаторов, Механика грунтов, возможно, пошла бы другим путем – с широким использованием каких-то новых решений, а сами теоретики стали бы более критично относиться к возможностям Теории упругости.

В таких условиях экспериментаторам пришлось уйти на второй план – им теоретики всегда могли указать на недостаточное знание математики (действительно, мало кто из них знал её дальше первой производной), на погрешности эксперимента (обычно – непогода, множество помех), на нарушение структуры грунтов при отборе образцов (плохие пробоотборники), на примитивность приборов (почти все самодельные), на неучет ползучести (о ней тогда почти не знали) и проч., проч.

Более того, в 50-е годы в СССР в связи с широкой кампанией по борьбе с Вейсманизмом-Морганизмом (так в те годы называли последователей генетики – «реакционной буржуазной лженауки») повсеместно, вплоть до начала 60-х годов, в крупных вузах и НИИ развернулась борьба с так называемым «ползучим эмпиризмом», когда экспериментаторы почти во всех областях науки подвергались публичному обсуждению и даже осуждению.

Поэтому теоретики во всех областях науки (в том числе – и фундаментостроении) фактически получили государственную моральную (и материальную) поддержку, что значительно ослабило позиции экспериментаторов.

Действительно, назначение любой теории – дать более широкий, чем узкая практика, взгляд на проблемы в той или иной области деятельности, выйти за пределы частного эксперимента, предложить с более высоких позиций решение какой-либо актуальной задачи настоящего и будущего. Так и казалось в те годы. Например, после выхода в 1953 г. книги проф. М.И. Горбунова-Посадова «Расчет конструкций на упругом основании» стало казаться, что все проблемы в этой области решены с позиций высокой науки – Теории упругости на многие годы вперед, и что здесь больше делать особенно нечего, разве что «подчищать» мелочи. Такая же реакция была и позднее – после выхода книг М.Н. Гольдштейна (в 50-70-х), В.А. Флорина (в 50-60-х) и Ю.К. Зарецкого (в 60-70-х годах ХХ века).

Но только спустя многие годы выяснилось, что Теория упругости приводит, например, к решению об изгибающем моменте в плите или балке, не совпадающему с измеренным не только по величине, но даже по знаку. К такому выводу со временем стали приходить даже многие специалисты-теоретики, которые рассчитывали плиты и балки на упругом основании, пользуясь решениями Теории упругости, но принимая различные гипотезы той же Теории упругости относительно расчетной модели (Винклера или Упругого полупространства).

Со временем крупнейшие (и умнейшие) ученые–теоретики (корифеи тех лет К. Терцаги и М.Н. Герсеванов, которым в те годы было не более 40-45 лет, а также более молодые 30-35-летние К.Е. Егоров, Н.А. Цытович, М.Н. Гольдштейн и др.), прекрасно понимая условность теории, стали «подправлять» выводы теоретических решений, вводя, например, «критерии чувствительности», сжи-маемую зону, несжимаемый слой и др., или корректирующие коэффициенты к теоретическим решениям. Но решения Механики грунтов сохранили статус «священной коровы», а главная характеристика сжимаемости (штамповый модуль деформации) был принят как едва ли не единственная объективная характеристика сжимаемости грунта.

Такое положение, когда Теория упругости стоит в основе решений Механики грунтов (и фактически повторяют упругие решения в новых граничных условиях), сохранилось на сегодня и, вероятнее всего, сохранится еще на долгие годы. И как результат – любое решение теории «обросло» массой коэффициентов, которые так или иначе «подправляют» теорию. Например, к расчетному сопротивлению, полученному по формуле Н.П. Пузыревского (хотя это не формула Теория упругости, а некоторый инженерный прием на ее основе), в современных нормативах введено много корректирующих коэффициентов, которые изменяют его величину (увеличивают или уменьшают) до 2-х раз и более – до того уровня, который отвечает реалиям, т.е. эксперименту. Также вполне объяснимо описанное выше положение, когда к любому теоретическому решению в области эксперимента («штамм – компрессия», «штамп – прессиометр» и др.) вводят коэффициенты, изменяющие теоретическую величину до 4-6 раз!

Интересно отметить, что если корректировка решений Теории упругости ведется введением, например, коэффициента разномодульности λ (отношение модулей упругих и общих деформаций), то в одних задачах он принимается в пределах λ = 1.5…4, в других λ = 5, в третьих – даже λ = 8, поскольку именно при таких значениях λ теоретическое решение соответствует эксперименту в конкретной задаче.

Еще раз отмечается, что положение, когда одна и та же характеристика (например, лабораторный и полевой модули деформации, соотношение модулей общей и упругой деформации), различается в несколько раз, с позиций Теории упругости необъяснимо.

Можно утверждать, что ни одно из новых решений Механики грунтов – Теории упругости для грунтов будет всегда не вполне адекватным, т.е. не в полной мере описывать реальную работу грунтовых оснований. Если в ряде случаев, применяя искусственные приемы (сжимаемая зона, несжимаемый слой, корректирующие коэффициенты), можно добиться соответствия расчетных и фактических осадок фундаментов, то распределение напряжений, по-прежнему рассчитываемое по Теории упругости, не имеет какого-либо экспериментального подтверждения.

Также до сих пор не решена задача о кренах, о взаимном влиянии смежных фундаментов – в нормативах фактически сохранились «чистые» решения Теории упругости, часто совсем не подкрепленные широким экспериментом.

Отсюда следует утверждение о том, что актуальная сейчас задача о получении коэффициентов постели для расчетов совместной работы зданий и сооружений совместно с грунтовым (но ни в коем случае не упругим!) основанием не может быть решена только теоретически.

Описанное иллюстрирует пример того, что любое решение Теории упругости, будучи «подправленным» экспериментом в одном месте (например, в расчете осадок), обязательно встретит противоречия в другом – в распределении напряжений и кренов, в обработке результатов лабораторных и полевых опытов. Ни одно из новых решений в областях, выходящих за пределы известных экспериментов, как бы изящным оно ни выглядело, принципиально не может дать объективного решения для практики!

По мнению автора, дальнейшее развитие механики грунтов могло бы пойти по пути, близком к Нелинейной теории упругости, а исходные характеристики для нее могли бы быть равноценными – полученными как в лаборатории (лучше всего – в стабилометрах), так и в поле (но с обработкой по этой же теории), за небольшими отличиями, обусловленными нарушениями структуры грунтов при отборе и доставке образцов в лабораторию.

Но что означал бы переход на новые расчетные модели и на новые способы определения соответствующих характеристик грунтов? Кроме необходимости обоснования новых расчетных моделей, потребовалась бы разработка целого ряда нормативов по определению параметров этих новых и непривычных моделей.

Сейчас фундаментостроители имеют дело с довольно консервативной и ревностно относящейся к грунтам сферой деятельности – Инженерные изыскания. Формально изыскатели не входят в сферу строительной деятельности и организуют свои саморегулируемые организации (СРО), в которые, напротив, строители, как правило, не входят. Поэтому изыскатели почти не знают проблем, стоящих в области строительства, тем более – в научной его части.

Изыскатели, кроме физических свойств, знают только одну механическую характеристику сжимаемости – модуль деформации (а коэффициент Пуассона никогда не определяют), причем в 90% случаев они берут модуль деформации из таблиц, в лучшем случае – по результатам зондирования. Как отмечалось, то и другое весьма условно и приводит к очень осторожным оценкам. С возможным переходом на любые нелинейные модели потребуется определять, как минимум, 4-5 новых и совершенно непривычных для изыскателей и не имеющих привычного физического смысла характеристик. Но переориентировать изыскателей на новое мышление сейчас практически невозможно, да еще и рано, поскольку нелинейные модели еще не дошли до практики, а дискуссии на эту тему будут продолжаться ещё долгие годы.

Сейчас говорят о рождении нового раздела наук строительного цикла и нового раздела проектно-строительной деятельности – Геотехники, которая, по мнению автора, должна полностью объединить (а точнее – заменить) существующие науки – «Механику грунтов», а также «Основания и фундаменты, подземные сооружения». Хорошо понимая это, многие ведущие вузы страны уже переименовали название кафедр – «Геотехники» вместо обычно называемых ранее кафедр «Оснований и фундаментов».

(Кстати, дисциплину и кафедры «Геодезии», «Инженерной геодезии», существующие в вузах строительного профиля, также следовало бы преобразовать в дисциплину «Технические измерения в строительстве», поскольку геодезические измерения – далеко не единственный способ, «тянущийся» с 30-х годов ХХ века – фактически как единственный из существовавших тогда способов измерений в этой области. Сейчас есть множество других способов измерений, которые следовало бы знать инженеру-строителю).

Если сравнить известные определения наук «Геотехника» и «Основания и фундаменты, подземные сооружения», то они практически неразличимы: это научные методы и инженерные принципы строительной деятельности с использованием материалов земной коры, совокупность взаимосвязанных технических решений, приемов и способов возведения подземных частей зданий и сооружений, включая освоение подземного пространства для строительства заглубленных помещений. Обе науки базируются на законах Механики грунтов и закономерностях, определяющих характер деформируемости грунта, а также на теории и практике фундаментостроения и подземного строительства с учетом региональных особенностей инженерной геологии и опасных геологических процессов.

Грунт в этих науках рассматривается: 1) как основание, на которое опирается фундамент здания, сооружения; 2) как среда, как подземное пространство, где размещается подземное сооружение (помещения, склады, метро, материалопроводы, резервуары и проч.); 3) как материал, из которого возводится грунтовое сооружение (плотины, дамбы и пр.).

Обе науки сформировались после накопления знаний и опыта в области грунтоведения, механики грунтов, оснований и фундаментов, включая достижения в смежных строительных дисциплинах. Сильный толчок Геотехнике придали новые технические решения, созданные в конце XX – начале XXI веков: стена в грунте, грунтовые анкеры, струйная технология, новые способы строительства – «сверху вниз» («top-down») и «снизу вверх» («up-down»), которые позволяют реализовать сложнейшие геотехнические проекты, ранее считавшиеся невыполнимыми.

По мнению автора, принятие геотехнических решений – главное, но не единственное назначение Геотехники. Принятие любого решения в области надземного строительства (той или иной конструктивной схемы сооружения, метода его расчета и др.) ведется, как правило, на основании опыта и квалификации проектировщика, возможностей строительных организаций и, конечно, – экономических расчетов. Но геотехнические решения должны приниматься, в первую очередь, с учетом геологической ситуации, причем Геотехник должен, кроме хорошего знания грунтов, иметь для анализа результаты расчетов надземной конструкции, поскольку любой расчет здания и сооружения должен вестись совместно – как системы «основание – фундамент – здание». Задача Геотехника, зная всё перечисленное, предложить оптимальное решение фундамента – отдельные (ленточные, столбчатые), плитные, свайные, свайно-плитные, на искусственном основании и проч.

Кроме принятия геотехнического решения, Геотехник должен участвовать в научно-техническом сопровождении строительства (НТС, НТСС), чтобы знать, как «ведет» себя фундамент, а вместе с ним – и надземное строение. Если же будет установлено опасное развитие процесса строительства (по наблюдениям за осадками, кренами, наклонами, напряжениями в конструкциях и др.), Геотехник обязан предложить (точнее – подготовить заранее) мероприятия по приведению строящегося здания в состояние, обеспечивающего безопасность как самого строительства, так и его последующей эксплуатации. Поэтому он должен располагать арсеналом средств и методов воздействия на грунты и фундаменты (как и на надземные конструкции), обеспечивающих выполнение задачи экономичного, но безопасного строительства.

В этом принципиальное отличие Геотехники от науки об Основаниях и фундаментах. Если ученый, проектировщик и фундаментостроитель ограничивают сферу деятельности расчетом фундаментов совместно с основанием (а участие в последующем НТС остается как пожелание), то в сферу деятельности Геотехника входит не только принятие геотехнического решения и расчеты, но, главное – активное участие в НТС, где он должен играть роль не пассивного наблюдателя, а активного участника строительства, который определяет необходимость инженерного вмешательства в строительный процесс, а если потребуется – реализовать уже подготовленный проект упрочнения грунтов, усиления фундаментов или надземных конструкций.

В новой Геотехнике должны совместно работать инженеры-строители и инженеры-геологи, которые должны хорошо знать проблемы в области строительства, участвовать в создании новых расчетных схем, располагать оборудованием для определения параметров расчетных моделей. Вероятнее всего, специалистов в этой области, включая инженеров-геотехников нового типа, нужно будет готовить в вузах строительного профиля – например, как специализация в составе специальности ПГС – Промышленного и Гражданского Строительства.

Но следует повториться – сейчас изыскатели, ревностно относящиеся к грунтам (по их мнению, это только их сфера деятельности), в своих отчетах часто приводят рекомендации по назначению технического решения фундаментов (свайный, ленточный и др.), по назначению расчетного сопротивления грунта и др. Однако ни того, ни другого они не имеют права делать – геотехнические решения должен принимать Геотехник (не путать с инженером-геологом), а расчетное сопротивление грунта вовсе не константа – оно рассчитывается с учетом уже принятого геотехником решения фундаментов – его размеров, формы, глубины заложения.

Очевидно также, что Геотехника должна войти в Номенклатуру специальностей научных работников, а также в учебные курсы специальности ПГС строительных вузов, заменив как «Механику грунтов», так и «Основания и фундаменты». Кстати, научная специальность «Механика грунтов и горных пород», ранее входившая в Номенклатуру под номером 01.02.07, в настоящее время из нее исключена; а специальность «Основания и фундаменты, подземные сооружения» имеет номер 05.23.02.

В сложившихся же условиях остается единственный путь – продолжать расчеты по традиционным схемам, но не бояться описанных выше различий, накапливать экспериментальный материал, оценивать результаты расчетов на основе анализа деформаций строящихся и уже построенных зданий и сооружений. Также следует иметь в виду отмеченную выше осторожность в оценке свойств грунтов по таблицам и по результатам зондирования.

Но есть и другой выход из положения. Он описан в ряде статей [1, 2], а предлагаемые для обсуждения способы защищены патентами [3–5] и получили рабочие названия «ПРОЕКТ НТС», а в более общем представлении – «Адаптивное управление параметрами фундаментов и оснований». Существо способов в следующем.

Сейчас проекты фундаментов разрабатываются, как правило, по «наихудшему сценарию», т.е. с минимальным риском, с учетом осторожного сочетания усилий, характеристик деформируемости и прочности материалов. Это выражается в том, что, с одной стороны, во внешние воздействия вводятся повышающие коэффициенты, а с другой, напротив, – понижающие, учитывающие вариантность свойств грунтов, условия их работы и проч. В результате общий коэффициент надежности оценивается в пределах 1.5…2, а часто – выше, что приводит к значительному перерасходу материалов фундаментов. Причем даже в этом случае фактический резерв живучести (коэффициент запаса) остается неизвестным.

Согласно предлагаемым способам и патентам [3, 4] в проектное решение можно изначально заложить некоторый риск, например, понижая коэффициенты надежности и, наоборот, повышая по условиям работы. Либо, как предложено в патенте [5] – планировать сооружение фундамента намеренно меньших размеров, но поддающегося инженерному вмешательству.

Однако эти кажущиеся на первый взгляд рискованными способы строительства вполне разумны и контролируемы, поскольку система «обратной связи» позволяет осуществить инженерное вмешательство в любой момент строительства и предотвратить возможные негативные тенденции, т.е. в случае необходимости упрочнить грунтовое основание или «достроить» фундамент до необходимого и более определенного уровня надежности. Обе возможности способов иллюстрируются в прилагаемом проспекте.

Поэтому строительство можно продолжать, но одновременно, если возникнет такая необходимость, – вести работы по усилению фундаментов или грунтов (инъекцией, погружением свай и др.) согласно ранее подготовленному проекту, который в среде строителей получил адекватное название «отложенного решения». Также может быть изменена последовательность возведения здания. Но важно, что сооружая дом, например, до половины высоты, пока фундамент в полной мере еще не нагружен, и наблюдая за деформациями фундамента, можно установить действительные характеристики жесткости грунтового основания.

Это самая ценная часть анализа: относительно установления коэффициентов постели на стадии расчетов существуют самые разные, часто противоречивые рекомендации, как правило, приводящие к очень осторожным техническим решениям. Рассматривая же сам процесс строительства как пробное испытание грунтов нагрузкой, можно существенно повысить достоверность информации о грунтах.

Далее полученные характеристики грунтов на любом этапе сооружения здания можно учитывать при прогнозе НДС строения до полной высоты, т.е. на виртуальное состояние его как бы уже в построенном виде. Также важно, что необходимости применения расчетных моделей, через которые обычно переходят к значениям коэффициентов постели, не возникает – достаточно вычислить эти коэффициенты в конкретном месте и ввести в компьютерную программу для последующего расчета, минуя, например, вычисления модуля деформации.

Список литературы

1. Лушников В.В. Оценка действительных характеристик деформируемости элювиальных грунтов по результатам измерений деформаций зданий // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2011. – № 3. – С. 38– 44.
2. Соломин В.И., Лушников В.В., Оржеховский Ю.Р. Адаптивное управление параметрами грунтов и фундаментов при возведении сооружений. – Сб. тр. научн. конф. СПбГАСУ. – Санкт-Петербург, 2012. – С. 337-342.
3. Патент RU № 2169238. Способ строительства зданий и сооружений на неравномерно сжимае-мых грунтах / В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский и А.Я. Эпп. – Опубл. 10.02.200. Бюл. № 4.
4. Патент RU № 2476642. Способ строительства и анализа напряженно-деформированного состояния зданий, сооружений и других протяженных по вертикали объектов на неравномерно сжимаемых грунтах / В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский, А.Я. Эпп и М.В. Сметанин. – Опубл. 27.11.2012. Бюл. № 33.
5. Патент RU № 2494194. Способ строительства зданий, сооружений на неравномерно сжи-маемых грунтах. / В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский и В.И. Соломин.– Опубл. 20.06.2013. Бюл. № 17.