книги / Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу Механика грунтов )

оно ни выглядело, принципиально не может дать объективного решения для практики!

По мнению авторов, дальнейшее развитие механики грунтов могло бы пойти по пути, близкому к нелинейной теории упругости, а исходные характеристики для нее могли бы быть равноценными – полученными как в лаборатории (лучше всего – в стабилометрах), так

ив поле (но с обработкой по этой же теории), за небольшими отличиями, обусловленными нарушениями структуры грунтов при отборе

идоставке 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.

3Основания и фундаменты, геотехника

иинженерная геология

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 еще долгие годы.

Сейчас говорят о рождении нового раздела наук строительного цикла и нового раздела проектно-строительной деятельности – геотехники, которая, по мнению авторов, должна полностью объединить (а точнее, заменить) существующие науки – механику грунтов, а также основания и фундаменты, подземные сооружения. Хорошо понимая это,

331

многие ведущие вузы страны уже переименовали название кафедр: «Геотехника» вместо обычно называемых «Основания и фундаменты». (Кстати, дисциплину и кафедры «Геодезия», «Инженерная геодезия», существующие в вузах строительного профиля, также следовало бы преобразовать в дисциплину «Технические измерения в строительстве», поскольку геодезические измерения – далеко не единственный способ, «тянущийся» с 1930-х гг. – фактически как единственный из существовавших тогда способов измерений в этой области. Сейчас есть множество других способов измерений, которые следовало бы знать инженерустроителю.)

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 в.: 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 авторов, 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

332

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 все 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, обеспечивающее 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.

Вэтом 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 и – главное – активное участие

вНТС, 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.

Вновой геотехнике должны совместно работать инженерыстроители 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, 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),

всвоих отчетах часто приводят рекомендации по назначению технического решения фундаментов (свайный, ленточный и др.), по назначению

333

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 (но в учебных курсах строительных специальностей «Механика грунтов» введена как общеобразовательная дисциплина).

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 отме-

ченную в 9-й лекции осторожность в оценке свойств грунтов по таб-

лицам и по результатам зондирования.

4 Пути дальнейшего развития фундаментостроения

Адаптивное управление параметрами фундаментов и оснований далее рассматривается как один из возможных и эффективных способов решения задач в фундаментостроении.

В1-й лекции было показано, что многие технические решения

вфундаментостроении прямо или косвенно заимствуют природные «конструкции» – корни деревьев, ноги и лапы животных: размеры их также зависят от условий существования, в частности, грунтов, на которых они обитают. Поведение их следует оценить как активное, автономное, возможно, инстинктивное, обусловленное «врожденным инстинктом, алгоритмом, кодом, сознанием».

Сущность способа адаптивного управления заключается в том, что систему «основание – фундамент – здание» предлагается рассматривать как систему, постепенно адаптирующуюся к меняющимся в процессе строительства обстоятельствам. Под «обстоятельствами» здесь понимается текущее состояние фундамента и грунтового основания. Но под «обстоятельствами» также можно подразумевать меняющееся состояние любого конструктивного элемента строения, если за ним ведется мониторинг – наблюдения, измерения и их оперативный анализ.

334

Способ рассматривается как раздел теории динамических систем, управляемых каким-либо процессом по принципу обратной связи в условиях неопределенности, помех и противодействия, когда оптимальное решение принимается в зависимости от развития самого изучаемого процесса.

Состояние способов управления и регулирования поведением несущих конструкций, которые можно дополнить словом «адаптивное», описано в ряде работ, начиная с проф. Н.П. Абовского [1], изданной в 2011 г. монографии А.В. Перельмутера [2], а в 2015 г. – книги работников НИИОСП [3].

А.В. Перельмутер отмечает, что «…концепция активного управления поведением несущих конструкций имеет большое будущее и уже сейчас наступило время внимательно обсудить состояние проблемы. И это связано с возможностью полезного заимствования имеющегося опыта, но и со стимулирующей ролью новых идей». Он предлагает разделить системы регулирования на пассивные и активные, которые в свою очередь могут быть автономными и неавтономными (рис. 10.1).

Адаптивное управление широко используется в авиационной и космической технике. Наиболее яркие примеры – управление полетом ракет и самолетов в условиях быстро меняющихся обстоятельств, когда корректировка самого полета осуществляется в зависимости от оценки

сопутствующих ему наблюдаемых параметров. Изменение

Строительство и последующая эксплуатация зданий и сооружений считает-

ся процессом, медленно меняющимся под внешними воздействиями, а факторами неопределенности,

помех и противодействия служит отсутствие достоверной информации о действительных характеристиках грунтов, изменчивость их в результате воздействия многих атмосферных и техногенных факторов, несовершенство расчетных схем и др. По большей части эти внешние воздействия, как и пределы их из-

335

менения, хорошо известны, и проектировщик, зная их, вводит в расчеты необходимые запасы надежности, ориентируясь на возможные и тоже хорошо известные пределы изменения тех параметров, которые подлежат учету в расчетах, а впоследствии в ходе наблюдений при мониторинге объекта. К числу параметров, по которым судят о состоянии строений (их называют наблюдаемыми параметрами), обычно относят осадки фундаментов, их неравномерность, напряжения в основных несущих конструкциях, устанавливаемых непосредственно геодезическими или тензометрическими измерениями либо косвенно – расчетом с учетом измеренных деформаций. Важно, что наблюдаемые параметры должны давать достаточную информацию об общем напряженно-деформируемом состоянии (НДС) строения, включая другие, ненаблюдаемые (скрытые) параметры, о которых можно судить лишь косвенно.

Впассивных, неавтономных системах работа конструкции предопределена проектом (или предусмотрена природой) и рассчитана на вполне определенные условия работы, но и в них может быть заложена функция регулирования (подобно клапану парового котла). Например, рассмотренные в 1-й лекции и в табл. 1.1 природные опоры (ноги человека, слона, лошади, парнокопытных, лапы белого медведя и водоплавающих) могут рассматриваться как пассивные неавтономные (возможно, полуавтономные).

Системы активного, автономного регулирования более гибки. Они способны к выполнению заданных функций в условиях неопределенности, когда внешние воздействия могут выйти за известные пределы, и соответственно, наблюдаемые параметры – за допустимые границы. Такие системы также должны быть предусмотрены проектом, но они могут быть отложены, а решение об их реализации должно приниматься по результатам мониторинга наблюдаемого процесса. Как отмечалось, активное регулирование широко применяется в авиастроении и космической технике [4–6] и др. Примеры активных автономных систем – корни деревьев, ноги лошади и их аналог – система геокомпозит (табл. 10.1).

Вероятно, классификацию А.В. Перельмутера [2] в этой части следует дополнить другими, более конкретными определениями. Например, как оценить способ выправления наклона знаменитой Пизанской башни в 1990–2001 гг., спустя 600 лет после ее сооружения: как активный и автономный или активный, но вынужденный, полуавтономный?

Встроительстве имеются лишь немногочисленные примеры активного регулирования; часть из них описана в работе А.В. Перельмутера.

336

Таблица 10.1 Примеры адаптации «фундаментов» в живом и растительном мире

5 Адаптивное управление в строительстве

Вся практика и психология проектирования в строительстве построена на том, что любые сомнения в несущей способности оснований и фундаментов трактуются в сторону создания дополнительных запасов, т.е. в предположении «наихудшего сценария», даже если вероятность его мала. Проекты разрабатываются, как правило, с минимальным риском, с учетом осторожного сочетания усилий, характеристик деформируемости и прочности материалов. 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 1.5–2 (а в фундаментах и основаниях еще выше), что приводит к значительному перерасходу материалов. Часто выходом из положения является «утяжеление» проектного решения, например, путем неоправданного применения свай, их числа и/или длины.

Согласно способу адаптивного управления, в проектное решение (прежде всего, в систему «основание – фундамент – строение») можно изначально заложить некоторый риск, например, приближая коэффициенты надежности и условий работы – в пределе до 1. Это позволяет, с одной стороны, значительно уменьшить материалоемкость решений и трудозатраты, но с другой, повышает риск выхода контролируемых параметров за допустимые пределы. В области расчетов оснований и

337

фундаментов риск выражается в возможном превышении нормируемых значений указанных выше наблюдаемых параметров – осадок фундаментов и их неравномерности, но вероятность возникновения рискованной ситуации относительно невелика, что объясняется более низкой достоверностью расчетов в фундаментостроении и в частности – расчетов деформаций (в отличие, например, от расчетов надземных строительных конструкций).

Однако это риск разумный и контролируемый, поскольку система обратной связи позволяет осуществить инженерное вмешательство в любой момент строительства, предотвратить негативные тенденции и в случае необходимости «достроить» фундамент или упрочнить грунты до необходимого и более определенного уровня надежности.

Важный момент: возникновение «запредельной ситуации» или «слабых мест» можно предсказать уже на стадии проекта (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Иллюстрация поисков «слабых мест» в несущих конструкциях при проектировании 25-этажного дома в Екатеринбурге (1998–1999) путем последовательного уменьшения суммарных коэффициентов надежности kΣ на нижних этажах

Далее, уже при строительстве, «слабые места» можно выявить задолго до его завершения, например, по результатам наблюдений при возведении первых этажей здания. Поэтому строительство можно продолжать, но одновременно вести мониторинг объекта, а в случае необходимости – вести работы по упрочнению грунтов или усилению фундаментов согласно ранее подготовленному проекту, который в среде строителей уже получил адекватное название «отложенного решения».

Но суть обычного мониторинга в строительной практике состоит в проверке соответствия НДС объекта в процессе его возведения перво-

338

начальному проекту, т.е. упомянутому «наихудшему сценарию». При реализации же способа адаптивного управления обычно практикуемый мониторинг играет не консультационную, а руководящую роль, когда научная его составляющая становится главной.

В арсенале строителей имеется ряд известных способов, которые могут рассматриваться как «отложенное решение»; эти способы широко применяются для усиления фундаментов при реконструкции, оснащены малогабаритным оборудованием. Часть из способов, характеризующих варианты «отложенного решения», рассматривается далее. Также может быть изменена последовательность возведения здания.

Дополнительные аргументы в пользу способа адаптации в строительстве:

1.Сооружая дом, например, до половины высоты, пока фундамент

вполной мере еще не нагружен, и наблюдая за его деформациями, можно из решений обратных задач установить действительные характеристики жесткости грунтового основания (коэффициенты постели, модули деформации), рассматривая процесс строительства как пробное испытание грунтов нагрузкой и повышая тем самым достоверность информации о грунтах.

2.Полученные характеристики грунтов можно учитывать при прогнозе НДС дома до полной его высоты, т.е. на виртуальное состояние дома в уже построенном виде.

3.Поведение основания и фундамента, а также надземной конструкции строения, необходимость реализации подготовленного «отложенного решения», как отмечалось, можно уверенно предсказать уже на уровне части его высоты, проецируя НДС на виртуальное состояние строения в завершенном виде.

4.На начальной стадии проектирования предполагается применение более простых решений фундаментов: плитных вместо свайноплитных; столбчатых вместо плитных; свайных, но с меньшим числом, меньшей длиной, меньшим шагом и др.

5.Если проектируется столбчатый фундамент, размеры его целесообразно принимать намеренно меньших размеров (но поддающийся инженерному вмешательству), чтобы давление под каждым из них при достижении, например, половины высоты было близким к тому, которое возникло бы при полной высоте строения; это позволяет на этом уровне оценить характеристики грунтов в более широком диапазоне давлений, включая нелинейные эффекты, а в случае необходимости преобразовать столбчатый фундамент или его часть в плитный (патент

2494194 RU [7], статья [8]).

Далеее приведем примеры адаптивного управления в строительстве.

339

1. Уникальный пример – региональный аэропорт Кансай. Строи-

тельство регионального аэропорта Кансай на островах Амакуса в Японии

(Amakusa Airport, Airfield) началось в 1987 г., а открытие состоялось в 1994 г. Затраты на его сооружение составили 15–20 млрд долл. (40 % годового бюджета страны), а опыт считается уникальным примером активного неавтономного способа управления НДС объекта не только в ходе строительства, но последующей его эксплуатации [10].

Дно залива на площади 510 га (рис. 10.2) содержит пласт очень мягкой глины 6 мощностью 20 м, а под ним – еще более мощный слой слабого грунта 7. Сначала пласт 6 уплотнили песчаными дренами – путем вдавливания, заполнения песком и последующего подъема миллиона стальных труб диаметром 40 см с интервалом 2.5 м, а будущий остров огородили стеной из 48 тыс. железобетонных блоков общей длиной 11 км.

Рис. 10.3. Примерное строение грунтового основания и картина деформаций аэропорта Кансай по состоянию на 2006 (а) и на 2014 г. (б): 1, 2 – положение здания на те же годы; 3, 4 – положение насыпи на те же годы; 5, 6 – уплотненный песчаными сваями слабый грунт на те же годы; 7 – подстилающий слабый грунт; 8 – домкратная система

Jack systems

Затем возвели насыпь 3 на 30 м выше уровня моря (а на взлетнопосадочной полосе – еще на 4 м выше) из грунта объемом до 180 млн м3, привезенного судами из соседних гор в 15 км от острова. Затем провели уплотнение привезенных грунтов методом интенсивного уплотнения: с высоты 30 м сбрасывали 20-тонные трамбовки на длине взлетной полосы в 3.5 км, после чего соорудили здание аэропорта 1.

Но через пять лет после открытия насыпь 3 опустилась на 8 м (до положения 4), а аэропорт опустился вместе с ней до уровня 2, что ожидалось только через 35 лет. Тогда было принято решение о внедрении системы подъема зданий Jack systems 8 («Домкратные системы»): в каждую из 900 колонн терминала были встроены датчики управления, соединен-

340