Ключевые вопросы в отрасли изысканий должны решать геотехники

Всем известно, что инженерно-геологические изыскания находятся на сегодняшний день на очень низком научно-техническом и технологическом уровне. Вместе с тем, грунт представляет собой сложнейшее природное образование и неадекватность решения вопросов, связанных с ним, может иметь катастрофические последствия.

При проектировании оснований и фундаментов выполняются расчёты на устойчивость и деформацию оснований. При этом для определения прогнозируемых деформаций оснований и осадок фундаментов необходимо решать систему уравнений равновесия в частных производных второго порядка. Если описываемая среда (в данном случае, грунтовое основание) идеально упругое, то решение получается из готовых формул. Но мы знаем, что грунт деформируется пластически и нелинейно. Это обстоятельство не позволяет определять деформации основания, просто решая систему уравнений равновесия. В результате появился постулат, что грунт деформируется линейно. А характеристику деформирования грунта стали называть не модуль упругости, как того требовала физика процесса, а модуль деформации. Таким образом, сегодня модуль деформации грунта – это натуральный нонсенс, который не имеет ни физических, ни математических оснований.

В последние годы ситуация стала резко меняться. Новые здания, в том числе повышенной этажности, возводятся среди имеющихся строений, где необходимо учитывать влияние проектируемого сооружения на уже имеющиеся. Сделать это привычными методами традиционной механики грунтов уже невозможно. Именно для таких расчетов и были разработаны программные комплексы конечно-элементного проектирования. Однако было бы ошибкой думать, что данные комплексы появились только недавно и за рубежом. Это не так.

Подобные разработки тестировались и применялись в нашей стране уже в начале 80-х годов прошлого века, когда появилась компьютеры, способные выполнять сложные расчёты методом конечных элементов. Старые программы в целом были схожи с современными, типа PLAXIS. Работа по созданию этих программ, их обкатка и решение первых практических задач выполнялась в рамках прикладных научных исследований, которые в то время планомерно финансировались бюджетом. Для наглядности и лучшего понимания, о чём идёт речь, можно рассмотреть два примера применения решений методом конечных элементов производственных задач в 80-х годах прошлого века из личного опыта автора.

Первый пример

В восьмидесятых годах для освоения газовых месторождений строилась железнодорожная линия Уренгой-Ямбург. Летом по тундре практически невозможно проехать. Мешают болота. Поэтому отсыпка насыпей выполнялась только зимой. Для этого использовался разработанный взрывами мёрзлый грунт, который, как правило, содержал замороженную воду. Такая насыпь, отсыпанная зимой, с наступлением лета начинает оттаивать и расплываться. Для предотвращения этого было решено при отсыпке насыпи армировать её полотнищами геотекстиля. Была составлена конечноэлементная программа, которая учитывала армирование. Предположим, что с учётом прочности геотекстиля он удерживает насыпь высотой 1,5 м. Если насыпь выше, например, 3,0 м, то тогда дополнительно усиливается первый слой в середине насыпи, а затем на высоте 1,5 м укладывается ещё один слой геотекстиля. Все это тщательно просчитывалось в специальной программе и затем успешно реализовывалось на практике.

Второй пример

Ленгипротранс в конце 80-х годов запроектировал в Сирии на реке Скобар мостовой переход. Для краткости не будем вдаваться в подробности. В пойме реки был слабый илистый грунт мощностью до 20 м. Подходная насыпь имела высоту 23 м. Когда возвели устой и подходную насыпь, то устой получил осадку без малого 1,5 м. Проектировщики схватились за голову и задумались. Случай небывалый, чтобы опора моста имела такую осадку. Постепенно стали вырисовываться контуры моста, и сирийцы стали спрашивать, когда будет возможно начать эксплуатировать мост? Проектировщики ответить на этот вопрос не могли. Дело грозило вылиться в грандиозный скандал, все дошло до министерства. Я тогда был в командировке в Москве и мне как специалисту по нелинейным расчётам оснований было поручено прояснить обстановку. Вернувшись в Новосибирск, я три недели выполнял расчёты на ЭВМ. В то время были только стационарные компьютеры, которые занимали площадь более 100 кв. м, а по производительности уступали современным настольным почти на порядок. В результате расчётов было установлено, что основание вследствие осадки и уплотнения упрочнилось и способно выдержать воздействие не только запланированной эксплуатационной нагрузки, но даже в трехкратном размере. И тогда было принято решение, что сооружение можно начинать эксплуатировать.  

Современные проблемы конечно-элементного моделирования

Из приведенных примеров решения производственных задач методом конечных элементов видно, что это дело очень непростое. Подстать им и современные задачи влияния проектируемого сооружения на уже имеющиеся. Поэтому призывы: «Даёшь ликвидацию конечно-элементной неграмотности» по сути не уместны. Если раньше подобные расчёты производились в рамках научно-исследовательских работ, которые финансировались бюджетом, то сегодня такие работы должны выполняться специализированными коллективами по численному моделированию задач нелинейной механики грунтов за соответствующую плату.

В прошедшем 2017 году отмечалось пятидесятилетие ТИСИЗов. В то далёкое время инженерные изыскания в основном выполняли именно они. Организационные и управленческие решения в отрасли изысканий принимались геологами. Тогда всё было просто. Геологи отвечали не только за геологию, но и за определение механических свойств грунтов. Для этого на объекте отбирались монолиты грунтов ненарушенной структуры и выполнялись их лабораторные испытания с определением на сдвиговых приборах сцепления С  и угла внутреннего трения φ, а также модуля деформации на компрессионных приборах. Но время идет, и сегодня для решения производственных задач недостаточно прежнего уровня компетенций геологов. Поэтому, как говорит А.Ростовцев, «инженерные изыскания должны стать частью геотехники». В этом случае геологи займутся своим делом – геологией, а с определением строительных свойств грунтов квалифицированно займутся геотехники.

В начале 80-х годов, когда появились нелинейная механика грунтов и конечно-элементные решения задач грунтовых оснований, учитывая вышеизложенное о модуле деформации грунтов, ожидалось, что вскоре можно будет отказаться от модуля деформации. Но реальная жизнь распорядилась иначе. Даже сегодня модуль деформации ещё в силе.

Почему так происходит

Модуль деформации является атрибутом классической механики грунтов, которая сформировалась в середине прошлого века. Если отказаться от модуля деформации, то альтернативой является нелинейная механика грунтов. Но дело в том, что даже в простейшей модели деформирования грунтов Кулона – Мора пять параметров. Модели нелинейной механики грунтов это, если можно так выразиться, уже научная категория. Поэтому при получении высшего образования нелинейные модели деформирования грунтов не входят в программу обучения инженеров-строителей и тем более геологов. Таким образом, у производственников нет ни малейшего представления о процессах нелинейного деформирования грунтов и о нелинейных параметрах деформирования грунтов. В их представлении имеется только один параметр – модуль деформации.

Когда появились расчёты по моделям нелинейного деформирования грунтов, ситуация в корне изменилась. Но проектировщики по-прежнему ожидают от изыскателей получения деформационных параметров грунтов, только теперь уже по нелинейным моделям грунтов. А для этого практически все современные геологи не имеют никаких компетенций. 

Теперь о самом главном. Почему у нас всё так плохо в отрасли инженерных изысканий? По сложившейся традиции, когда представлялось, что изыскания – это, в основном, геология, все управленческие решения в отрасли принимались геологами. К сожалению, эта тенденция имеет место и сегодня.