Особенности слабых глинистых грунтов и аварии зданий и сооружений

Вступление

Инженерно-геологические условия территории Санкт-Петербурга, казалось бы, неплохо исследованы. В фонде геолого-геодезической службы города хранится более 600 тысяч скважин. Поведению петербургских грунтов посвящены десятки диссертаций. Почему же в городе случаются аварийные ситуации, обусловленные неравномерными осадками основания? Почему возведение нового здания или, в особенности, подземного сооружения в среде плотной застройки часто происходит по принципу: один дом строим – два соседних ломаем?

Ответ на эти вопросы многогранен. Придется начать с того, что в нашей стране профан уравнен в своих правах с профессионалом. Что в существующей до сих пор системе ответственности специалист (который как живое существо только и может обладать таким качеством, как компетентность) совершенно не виден – над всем довлеет мёртвая махина СРО, исправно выдающая удостоверения о компетентности вывескам разных организаций. Потом придется остановиться на старой истине: строгость законов в России смягчается необязательностью их исполнения. У нас разрабатываются неплохие нормы (хотя всегда остается то, что можно улучшить). У нас есть замечательный федеральный закон – Технический регламент о безопасности зданий и сооружений. Очевидно, для компенсации их строгости проявилась негосударственная экспертиза, которая может заработать исключительно в том случае, если выдаст положительное заключение (Куда ей деться? Захочет кушать – выдаст!). Словом, разговор получился бы слишком длинным. Поэтому хотелось бы остановиться только на одной – геотехнической – грани ответа. Поговорим об особенностях слабых глинистых грунтов, характерных для Петербурга, незнание которых чаще всего и оказывается причиной аварий зданий и сооружений.

Несколько слов об инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга

Для центра города типичный состав грунтового «пирога» таков. Сверху – насыпной слой толщиной до 3 м. Под ним – 2 – 4 м песков. Ниже идут знаменитые петербургские слабые глинистые грунты. Только с глубины порядка 20 м начинаются более или менее приличные отложения. Их называют мореной. Существует заблуждение, что морена – это всегда надежный грунт. К сожалению, это далеко не так. Она очень разная. Бывает, что морена мало отличается от слабых грунтов (например, на территории Васильевского острова). И к ней поэтому надо относиться с осторожностью.

По-настоящему надежные грунты в центре Петербурга можно встретить на глубинах более 30 – 40 м. Они называются отложениями венда или протерозойскими глинами. Именно в них построено наше метро. Местами доисторические реки прорыли долины (палеодолины) на глубину более 100 м.

Ниже вендских глин на глубине 200 – 250 м залегают скальные грунты – граниты и гранито-гнейсы. Этот скальный щит (как любая скальная порода) разбит серией тектонических трещин. Некоторые шарлатаны пугают обывателей тем, что их дом стоит на «разломе». Этого страшного слова бояться не следует. Нужно быть андерсеновской принцессой, чтобы почувствовать наличие трещины в скальном основании через 200-метровую перину из осадочных грунтов.

А вот водонасыщенные глинистые грунты малой и средней степени литификации, в просторечье называемые «слабые», вполне заслуживают особого внимания.

Строительство на слабых глинистых грунтах

Петр Великий, очевидно, был «великим геотехником». Границы исторического центра города удивительным образом совпадают с областью распространения наихудших грунтов. Из новостроек, пожалуй, только районы Лахты и Комендантского аэродрома могут соперничать с центром по сложности инженерно-геологических условий. Поэтому профессия геотехник в нашем городе оказалась весьма востребованной. Профессиональная геотехническая школа России родилась именно в Петербурге. Мы стремимся сохранить и приумножить ее традиции.

Слабые глинистые грунты обладают отвратительным свойством: при любом воздействии в них нарушаются структурные связи. В результате они теряют свойства квазитвердого тела и норовят превратиться в вязкую жижу. Но именно на этих грунтах, покрытых слоем песков, построен весь исторический Петербург. В столице Российской Империи существовало своеобразное ограничение нагрузок на основание: любое здание (кроме церкви) не должно было строиться выше карниза Зимнего дворца. Конечно же, это диктовалось этическими соображениями (негоже строить дом выше царских палат!), но при небогатом ассортименте строительных конструкций и методов производства работ того времени такое правило вполне работало и как нормативный регулятор осадок. Тот факт, что 200-летние дома продолжают использоваться, говорит об эффективности принятого ограничения.

Что же мешает нам сегодня повторять приемы предков при заполнении лакун и реконструкции кварталов городской застройки?

Дело в том, что исторические кирпичные здания уже получили значительные неравномерные осадки за долгие годы своего существования и теперь для них опасны дополнительные осадки всего в 2 – 3 см. Вокруг строящегося нового здания образуется воронка оседания, стремящаяся затянуть в себя и окружающие дома. Еще большие осадки может спровоцировать строительство подземного сооружения. Мы должны владеть способами расчета деформаций основания, имеющими ювелирную точность (до миллиметров), чтобы обеспечить безопасность исторической застройки. Чем же мы располагаем сегодня?

Самым популярным способом расчета осадки является метод послойного суммирования, который вот уже более полувека прописан в российских нормах (похожий метод есть в нормах многих стран). Насколько же он точен? Для ответа на этот вопрос нужно сравнить результаты расчета осадки и длительных натурных наблюдений.

Сравнение результатов расчета осадки и наблюдений

Оказалось, что длительных наблюдений за осадками зданий в Санкт-Петербурге не так уж и много. Сначала нам удалось отыскать всего 14 зданий, измерение осадок которых продолжалось хотя бы в течение 5 – 10 лет после их возведения [1]. Результаты расчетов с использованием метода послойного суммирования и метода Егорова нас не порадовали (рис. 1): недооценка осадок при использовании первого метода составляла 30%, а второго – 160%.

На рисунке 2 приведены данные наблюдений в течение 4 – 5 лет за высотными зданиями в Москве, которые послужили К.Е. Егорову основой для разработки его метода расчета осадки [2]. К.Е. Егоров отмечал, что осадки высотного здания на Смоленской площади в Москве стабилизировались, а на площади Восстания находятся в стадии стабилизации. Усомнимся в справедливости этих высказываний. Едва ли можно считать конечной осадку, накопленную на 4-й или 5-й год наблюдений.

Рис. 1. Сопоставление результатов натурных наблюдений и расчетов осадки зданий на естественном основании в Санкт-Петербурге

Рис. 2. Результаты наблюдений за высотными зданиями в Москве, на основе которых К.Е.Егоров создавал свой метод расчета осадки: а – на Смоленской пл. в Москве; б – на пл. Восстания; p – график увеличения нагрузки во времени, s – график развития осадки во времени [2]

Один из основоположников отечественной механики грунтов, профессор Н.А. Цытович в 1930-х годах возглавлял лабораторию механики грунтов в Ленинградском инженерно-строительном институте. Еще до войны он организовал наблюдения за двумя десятками зданий. Железобетонные сваи тогда еще не применялись, дома возводились преимущественно на бутовых ленточных фундаментах, т.е. так же, как и до революции. Результатом 25-летних измерений стало создание еще одного метода расчета осадки – метода эквивалентного слоя.

Примечательно, что марки Н.А. Цытовича сохранились в Петербурге на нескольких зданиях и по сей день. Каковы же накопленные осадки? Ведущий сотрудник института «Геореконструкция» В.А. Васенин отыскал эти марки и провел измерения по сохранившимся. Результат превзошел все ожидания. Оказалось, что с конца 1950-х годов осадки удвоились (рис.3)! Анализ результатов аналогичных измерений по 30 зданиям позволил В.А. Васенину сделать неутешительный вывод: прописанный в нормах метод послойного суммирования ошибается при определении осадок петербургских зданий почти в 2,5 раза (рис.4) [3]. Тут уж впору говорить не о точности метода, а о том, можно ли это гадание на кофейной гуще считать методом.

Рис. 4. Сравнение расчетных осадок по методу послойного суммирования и реальных по результатам длительных наблюдений (от 30 до 70 лет по различным зданиям) [3]

Конечно же, измерения с интервалом в полвека не дают однозначного ответа на вопрос, когда завершаются осадки здания – через какое время после его постройки.

Поэтому пришлось обратиться к другому массиву данных. В Петербурге, как и в любом другом городе, имеется система реперов, необходимых для выноса абсолютных отметок при строительстве зданий, прокладке коммуникаций, благоустройстве территории. Репер устанавливается чаще всего на цоколе. При этом всегда имелось в виду, что здание может претерпевать осадки вместе с репером, что со временем может привнести существенную ошибку при выносе отметок. Поэтому каждые 10 – 20 лет выполняются повторные привязки реперов городской нивелирной сети к фиксированному уровню, которым для всей нашей страны в настоящее время является ноль кронштадтского футштока. Но не всегда использовался именно этот ноль. И не всегда измерения проводились в метрической системе. Не всегда измерения были корректными. В.А. Васенину удалось разобраться во всей этой запутанной истории (с изменением систем измерений, нулевых точек, подъемом уровня воды в мировом океане, опусканием материка и пр.) и проделать колоссальную работу по превращению нескольких тысяч реперов в исправно работающую информационную систему [4].

Оказалось, что все здания, даже построенные почти два-три века назад, получают осадки. Дома на тихих улицах, вдали от набережных, под которыми не копали метро и рядом с которыми не вели какое-нибудь строительство, оседают со скоростью 0,5 мм/год (можно рассматривать это значение как «фоновое» – осадку так называемой «вековой ползучести»). Дома на набережных садятся со скоростью 1,0 – 2,5 мм/год (скорости осадки увеличиваются, поскольку, очевидно, сами набережные смещаются в акваторию). Там же, где когда-либо велось строительство метро, осадки могут достигать 4 – 5 мм/год даже спустя десятилетия после окончания строительства.

Следовательно, такого понятия как «конечная осадка» применительно к петербургским зданиям на естественном основании не существует. Говорить об осадке имеет смысл только во времени, имея в виду планируемый срок службы объекта. Кстати, определение «конечной осадки» на отдельных этапах строительных работ – например, при устройстве котлованов (длительность этого процесса занимает обычно не больше года) – выглядит совершенно смехотворно. Итак, осадку следует рассчитывать во времени. Но как?

Определение осадки во времени

Наиболее популярным и распространенным со времен Карла Терцаги является представление о том, что осадки основания, сложенного водонасыщенными глинистыми грунтами, определяются во времени преимущественно уплотнением грунта за счет отжатия из его пор воды. Этот процесс описывается теорией фильтрационной консолидации. Ее суть заключается в том, что «конечные осадки» растягиваются во времени с помощью коэффициента фильтрации, представляющего собой своеобразную характеристику скорости вытеснения воды из грунта. Представление это пронизывает и способы расчета, и методику лабораторных определений модуля деформации. Модуль деформации, как известно, определяется в компрессионном приборе по открытой схеме испытаний, т.е. с возможностью оттока воды из образца грунта при приложении вертикальной нагрузки.

Тем, кто пользовался когда-нибудь аппаратом теории фильтрационной консолидации, хорошо знаком казус, который состоит в том, что при решении плоской или пространственной задачи в начальный момент времени происходит мгновенный скачок вертикальных деформаций. В реальности такого никто не наблюдает. Поэтому общепринятым приемом упразднения этого псевдоэффекта стало сведение решаемой задачи к одномерной, когда нагрузка приложена от горизонта до горизонта.

Между тем напряженно-деформированное состояние в основании дорожной насыпи или здания никак не похоже на решение одномерной задачи. В основании всегда присутствуют не только деформации уплотнения, но и сдвига. На языке тензорного анализа они называются соответственно объемными деформациями и деформациями формоизменения (или, проще говоря, сдвига). Первые порождаются шаровым тензором напряжений, а вторые – девиаторной составляющей.

Любой материал – будь то сталь, железобетон, стекло – имеют два деформационных параметра: модуль упругости (или деформации) и коэффициент Пуассона (или другую связанную с ними пару: модуль объемного сжатия и модуль сдвига). И только грунт, согласно общепринятым представлениям, почему-то имеет одну единственную определяемую при испытаниях характеристику – модуль деформации. Хотя даже, например, в простейшей формуле Шлейхера для осадки жесткого штампа имеются, как и положено, две характеристики – модуль деформации Е и коэффициент Пуассона μ:

Про коэффициент Пуассона принято полагать, что его роль ничтожна и его можно брать «с потолка», а точнее, из таблицы. Но в реальности это далеко не так. Рассчитывать осадки, используя один только модуль деформации, так же нелепо, как судить о весе человека исключительно по его росту. Можно сильно ошибиться, поскольку существуют толстые коротышки и высокие худышки. Надо ввести хотя бы еще один параметр – скажем, окружность талии.

Более того, обе деформационные характеристики – это отклик грунтовой среды на нагружение. Каждая из них является нелинейной.

Таким образом, становится понятным, отчего в момент приложения нагрузки в плоской и пространственной задачах происходит мгновенный скачок осадок основания – это проявились деформации формоизменения, про которые забыли и которые, конечно же, тоже не происходят мгновенно, а развиваются во времени. Именно с этой забывчивостью связана низкая точность нормативных методов расчета осадки.

О развитии деформаций сдвига

Среди специалистов-геотехников широко известен пример расчета берлинского котлована, который опубликовал немецкий профессор Швейгер [5]. 17 групп западных расчетчиков получили исходные данные для расчета смещений ограждения котлована (рис. 5) и получили результаты, различающиеся друг от друга на 1000%. Тут уж в пору задаться вопросом: действительно ли существует такая дисциплина – механика грунтов?

Между тем дело не в механике грунтов, а в исходных данных. Попробуйте, найдите среди представленных на рисунке 5 параметров те, которые отвечают за деформации формоизменения. Скажем, коэффициент Пуассона или модуль сдвига (они взаимосвязаны). Их нет. Поэтому не надо удивляться, что недостающие параметры авторы расчетов задавали по наитию (чаще всего, неосознанно, поскольку в противном случае прямо должны были потребовать эти характеристики).

Рис. 5. Тестовая задача расчета ограждения берлинского котлована (Schweiger H.F. [5]): а – расчетная схема;

Рис. 5. Тестовая задача расчета ограждения берлинского котлована (Schweiger H.F. [5]): б – исходные данные и результаты расчета: красной линией выделен результат натурных измерений

Аналогичная ситуация повторилась и на форуме 100+ в Екатеринбурге в 2016 г., когда отечественным специалистам было предложено выполнить расчеты высотного здания. Тоже, как всегда, без параметров грунта, отвечающих за изменение формы.

Известно, что при нарушении структурных связей водонасыщенный глинистый грунт переходит из состояния твердого тела в состояние жидкообразной среды. При этом коэффициент Пуассона изменяется от значения 0,2 – 0,3, свойственного твердому телу, до 0,5, что характерно для жидкости. Что же происходит, когда водонасыщенный глинистый грунт становится жидкостью? Боковое давление грунта, которое в исходном состоянии составляло примерно половину вертикального, стремительно растет, достигая значения вертикального давления, как и полагается для вязкой жидкости еще со времен Архимеда. Всякого, кто не учел этого явления, ждет неприятный сюрприз: развитие осадок вокруг его котлована ускорится в 100 раз, усилия в распорках котлована возрастут вдвое.

У авторов современных расчетных программ весьма популярны так называемые «шатровые» модели работы грунта. В них деформации формоизменения вычисляются через объемные деформации с использованием формы шатра и ассоциированного закона пластического течения. Даже исходя из здравого смысла, при увеличении объемных напряжений (то есть при симметричном воздействии) никак нельзя ожидать развития сдвиговых деформаций (то есть увеличения асимметрии). К тому же ассоциированный закон, перекочевавший в механику грунтов из теории пластичности металлов, настолько же применим к грунтам, насколько грунт похож на сталь.

Поэтому не от хорошей жизни специалисты института «Геореконструкция» занялись созданием собственных физических моделей поведения грунта и реализующих их программных комплексов. В разработанной нами вязкопластической модели идея о независимом описании деформаций уплотнения и формоизменения доведены до логического завершения. Деформации объема являются функцией тензора объемных напряжений, а деформации формоизменения – функцией девиатора напряжений. Деформациям формоизменения, как и деформациям уплотнения свойственно развитие во времени, причем скорость деформаций сдвига тем выше, чем в большей степени нарушены структурные связи в грунте по отношению к природному сложению.

Описание модели достаточно широко опубликовано в книгах и статьях и поэтому здесь мы не будем на ней подробно останавливаться [1, 6 – 8]. Отметим только, что модель грунта имеет право на применение исключительно в том случае, если она способна правильно описывать результаты лабораторных испытаний хотя бы в рассматриваемом диапазоне напряжений. Кроме того, модель грунта должна быть апробирована на данных натурных наблюдений. Именно этим аспектам мы уделяем особое внимание на протяжении трех последних десятилетий.

Заключение

Для того, чтобы исключить развитие аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации зданий и подземных сооружений в условиях слабых грунтов, необходимо заниматься развитием механики грунтов. Сегодня со специалистами в этой области успешно конкурируют пользователи современных западных расчетных программ. При этом сами пользователи чаще всего совершенно невинны в вопросах геотехники в целом и механики грунтов в частности. Более того, даже научные работы по геотехнике часто пишутся на тему: «Как я научился тыкать пальцами в кнопки программы Plaxis». Нельзя забывать, что геотехника  развивается там, где  создаются модели работы грунта и реализующие их расчетные программы. Советская геотехника шла в ногу со всем цивилизованным миром. Такая программа, как «Геомеханика», разработанная еще в 1980-х годах профессором А.Б. Фадеевым [9], ничуть не уступала западным разработкам того времени.

Сегодня в качестве инструментов расчета у нас все шире используются зарубежные программные продукты с физическими моделями работы грунта, которые очень скудно документированы и далеко не всегда пригодны для описания, скажем, петербургских геотехнических условий. 

Специалисты института «Геореконструкция» – наследники школы А.Б. Фадеева в том, что связано с развитием отечественных расчетных программ. Сочетание компетенций института в трех областях: 1 – в разработке собственного программного обеспечения и моделей работы грунта, что позволило нам создавать необходимые для работы расчетные инструменты; 2 – в расчетах и проектировании, научивших нас совершенствовать эти инструменты, а также – 3 – в натурных исследованиях поведения грунта и мониторинге, давших материал для обратного анализа проектных прогнозов и для верифицикации расчетных моделей и программ, – эти три составляющие позволили получить синергетический эффект – создать методологию совместных расчетов оснований и сооружений с учетом нелинейных и реологических свойств конструкционных материалов и грунтов [7]. Опыт института однозначно свидетельствует о возможности безопасного строительства и эксплуатации зданий и подземных сооружений в условиях слабых глинистых грунтов. Для этого есть только одно условие: расчетами и проектированием должен заниматься высококвалифицированный специалист-геотехник.

Список литературы

1. Шашкин А.Г. Проектирование зданий и подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга - М.: Академическая наука — Геомаркетинг, 2014, 352 с.
2. Егоров К.Е. Осадки фундаментов высотных зданий. В кН.: Егоров К.Е. К расчету деформаций оснований (сб. статей). – М., НИИОСП им.Н.М.Герсеванова, 2202, с.125-143.
3. Васенин В.А. Оценка развития осадок исторической застройки Санкт-Петербурга по результатам наблюдений с конца 19 века. – Основания, фундаменты и механика грунтов. 2013. №4. С.2-7.
4. Васенин В.А. Разработка геоинформационной системы по оценке длительных осадок зданий исторического центра Санкт-Петербурга. – Инженерные изыскания. №10-11. С.62-70.
5. Schweiger H.F. Results from numerical benchmark exercises in geotechnics. – 5th European Conf. on Numerical Methods in Geotechnical Engineering, Paris, 4-6 Sept. 2002.
6. Шашкин А.Г. Моделирование работы массива слабых глинистых грунтов. - Основания, фундаменты и механика грунтов. М.:2011, №4. С.10-16.
7. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г., Шашкин В.А. Основы совместных расчетов зданий и оснований. СПб: «Геореконструкция». 2014. 328 с.
8. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение развития городов. – СПб: «Стройиздат Северо-Запад», «Геореконструкция». 2010. 551 с.
9. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике. – М.: Недра, 1987. 220 с.