Поверочные испытания свай. Магия больших цифр

До начала 1990-х годов вопросом изменения несущей способности свай в построенных сооружениях, как правило, никто не занимался. Инженеров строителей больше интересовали вопросы надежного определения несущей способности свай на предпостроечной стадии проектирования и в процессе самого устройства свайного основания. В основном старались исследовать несущую способность свай еще на стадии подготовки проекта, совмещая эти работы с инженерными изысканиями. Иногда наблюдалось несовпадение расчетных величин, полученных по данным изысканий и опытных значений, полученных испытаниями свай на строительной площадке. Если значения несущей способности свай не подтверждались и оказывались меньше величин, заложенных в проект, часто приходилось назначать повторные испытания. А если и они не удовлетворяли проектировщиков, то доходило и до корректировки проектных данных.

Всегда главным требованием любого проекта было обеспечить условие, чтобы расчетная несущая способность свай на протяжении всего цикла строительства была выше максимально ожидаемых нагрузок от сооружения. Хотя в виде исключения могло допускаться, что определенное количество свай может не удовлетворять этому требованию. В этом случае, как правило, опирались на статистику: если количество «проблемных» свай не превышало определенной величины, допускаемой нормами, свайное поле принималось к последующим работам. Трудно было сказать, какими соображениями диктовался такой подход. Ясно только одно. Если настаивать на том, чтобы все без исключения рабочие сваи свайного поля имели несущую способность выше расчетной нагрузки на сваю, продолжительность изысканий, сроки проектирования и сроки самого строительства неизбежно затянутся. В советское время исполнителей работ, столкнувшихся с такими проблемами, могли обвинить в волоките, в пренебрежении указаниями партии и правительства со всеми вытекающими последствиями. В немалой степени именно поэтому советские нормы проектирования и не стремились охватить испытаниями большое число свай, сводя их к не всегда оправданному с точки инженерной логики минимуму. Достаточно было, если положительные результаты, подтверждающие проектные требования, давали испытания первых шести свай из числа намеченных для уточнения, хотя на практике часто ограничивались и двумя. С середины 1980-х годов именно последний подход возобладал. Таким образом, несмотря на строгие требования норм, принятая практика отнюдь не исключала, что несущая способность большого количества свай окажется вне поверки, даже в случае, если выявятся признаки, позволяющие сомневаться в правильности такого решения. На практике оказывалось, что в этом не было ничего страшного. Почти столетний опыт индустриального строительства показал исключительную надежность сооружений, выполненных на свайном основании. Более того, целый ряд заметных катастроф ответственных сооружений последних 30 – 35 лет в нашей стране показал, что этих катастроф, вероятно, можно было бы вполне избежать, если бы такие сооружения были выполнены на свайном основании.

С начала 90-х годов минувшего века в нашей стране произошли известные события, связанные с разрушением старого государства и возникновением новых экономических отношений, появились новые собственники, сумевшие приватизировать государственную собственность. Проявилось и их желание получить максимальную отдачу от своих приобретений. В связи с этим возникли и запросы на реконструкцию сооружений под потребности новых владельцев. Именно с этого момента появился интерес к тому, какова реальная несущая способность свай в сооружениях достаточно давней постройки. Если вставал вопрос о несущей способности свай в сооружениях, отстоявших определенный срок, было принято обращаться к архивным материалам и, если несущая способность свай, выявленная по этим источникам, не удовлетворяла потребности текущего момента, ее ставили под сомнение и проводили экспериментальную проверку в натурных условиях.

Есть основания полагать, что такая практика возникла по инициативе ученых из Санкт-Петербурга. Инициатива на тот момент совершенно неожиданная, поскольку ничто ни из классической теории механики грунтов, ни из установившейся на тот момент практики, не предопределяло ее появление, не свидетельствовало о такой целесообразности, а существующие строительные нормы не содержали указаний на необходимость таких работ. Более того, основанные на механике грунтов нормы проектирования почти с самого момента их появления ясно указывали, что надо отделять понятия несущей способности отдельной сваи от понятия несущая способность свайного основания, тем более если речь шла об основании завершенного сооружения. В этих же нормах указывалось и то, как это надлежит делать.

Предыдущие статьи автора по этой теме вызвали шквал критики не только по содержанию, но и по поводу малообразованности автора и его неосведомленности текущими научными публикациями. Поводом для такой критики явилось то, что в ряде стран, в том числе и в нашей, были проведены исследования с целью выявить, как изменяется несущая способность забивных свай во времени. Проведенные исследования установили: во многих случаях повторные испытания одиночных свай, выполненные в условиях открытой площадки, показывали изменение несущей способности свай, в основном, в сторону увеличения. Во многих случаях это увеличение было не всегда существенным и редко превышало 50%. Не вдаваясь в углубленный анализ, одно лишь это обстоятельство послужило поводом для ряда ученых не только предположить, но и даже высказать внутреннее убеждение, что аналогичного характера изменения должны протекать и в сваях, расположенных в составе работающего фундамента. Как всегда, в случае спорных мнений, все может подтвердить эксперимент. И таких экспериментов с подачи первых застрельщиков, предложивших идею поверки свай в составе загруженного фундамента, с начала 90-х годов XX века, проведено уже неоправданно великое множество. Более того – они поставлены на поток. И приносят, по мнению ученых, ощутимую пользу, позволяя принимать верные геотехнические решения.

Первые же испытания таких свай с самого начала показали многократно возросшую степень их предельного сопротивления при ничтожно малых перемещениях. Здесь важно оговориться, что речь идет именно о степени увеличения, а не о самом предельном сопротивлении. Собственно, понятие предельное сопротивление предполагает, что любая нагрузка сверх этой цифры приводит к недопустимым деформациям. Поскольку таких случаев в общей массе проведенных исследований подобного типа не наблюдалось (исключения составляют буквально единичные случаи, из которых автору известно только два, да и те требуют их перепроверки с участием исполнителей), то и о предельном сопротивлении свай приходится говорить лишь как о чисто условной величине, за которую каждый раз, за отсутствием другой альтернативы, принималась та максимальная нагрузка, которая была приложена к свае к моменту завершения испытания. Показательно, что во всех случаях, кроме оговоренных, остаточная осадка свай была настолько ничтожно мала, что правильней говорить не о ее величине, а о ее отсутствии, а также об отсутствии любого перемещения свай под приложенной нагрузкой. И это обстоятельство должно было с самого начала дать повод инициаторам данной методики задуматься, почему так происходит? По какой причине получаются столь фантастические, совершенно неправдоподобные результаты?

Вместо этого такой поворот событий наоборот вдохновил закоперщиков предложенной идеи и их последователей из числа самых первых организаторов проведения ее в жизнь к тому, что необходимо пропагандировать определение несущей способности готового свайного основания через элементарное суммирование несущей способности отдельных свай.

В прошлом, начиная со времен доисторического домостроения, такой подход был вполне оправдан, поскольку избавлял строителей от необходимости вскрывать глубокие шурфы для визуальной оценки состояния грунтов в основании сооружения, тем более оборудование для проведения таких работ в стародавние времена отсутствовало. Одновременно и сами отобранные с больших глубин образцы грунта вряд ли принесли бы ощутимую пользу строителям. Развитие цивилизации обходилось на то время без создания института аспирантуры, а давать прогнозы поведения свай по одному виду грунта было похоже более на шаманство и удавалось немногим. С созданием грунтовых испытательных лабораторий в то время тоже не спешили. Поэтому оценка строительных свойств грунта, даже если бы он был извлечен на поверхность, была бы выполнена на самом примитивном уровне с двумя градациями качества: хорошо или плохо. А вот математика к концу прошлой эры усилиями греческих ученых была уже известна. И строители того времени вправе были полагать, что можно обойтись без мудреных исследований, если знать, что две сваи выдержат нагрузку вдвое большую чем одна, а десять свай выдержат нагрузку в 5 раз больше чем две. На этом академическое образование строителей того времени и завершалось. Но оно дало им заметное преимущество, упрощая многие проблемы, и потому было усвоено их последователями вплоть до XX века.

Времена меняются, и оказывается, что сегодня, в XXI веке, не все осведомлены, что дважды два не всегда четыре. Что есть линейные процессы, составляющие основу нашего мира, а есть нелинейные процессы вторичного происхождения, образующиеся из сложения первых. А поскольку они не линейны, они не привычны нашему восприятию, и мы склонны не замечать их или, замечая, подстраивать под их объяснение невероятно сложную, иногда даже алогичную математическую конструкцию. Тем не менее это так, достаточно взглянуть на некоторые научные публикации.

Еще в первой трети прошлого века ученые, интересующиеся геотехническими проблемами, установили и исследовали так называемый кустовой эффект, согласно которому принцип элементарного суммирования срабатывал только в том случае, если каждая свая в фундаменте располагалась удаленно, вне зоны влияния соседних свай. В противном случае реальная несущая способность сваи снижалась и тем более значительно, чем ближе располагались сваи друг к другу, и чем большее количество свай объединялось в одном фундаменте. Именно это явление было неоднократно исследовано и получило название «кустовой эффект».

Суть его объясняется просто. Представим себе, что мы испытали сваю. Условия испытания соответствовали нормативным требованиям. Это означает, что нагрузка на опытную сваю, (к примеру, возьмем 40 кН), получена из заданного условия, чтобы расстояние от опытной сваи до анкерных опор составляло более 5Д. Именно такая «чистая» величина в дальнейшем всегда фигурирует в качестве нормативной во всех расчетах. Для простоты подсчетов примем, что удельное сопротивление грунта в острие свай незначительно и им можно пренебречь и, следовательно, несущая способность одиночной сваи будет определяться только трением о боковые стенки свай. Тогда несущая способность куста из 4 свай, разнесенных друг от друга на расстояние 5Д и более, будет по принятым правилам составлять 160 кН. Теперь виртуально сближаем эти 4 сваи к центру куста. В итоге в пределе получим конструкцию из тех же четырех свай, но с внешними габаритами равными 2Д. Но несущая способность такой конструкции составит уже «10*8=80 кН. Или в пересчете на одну сваю 80/4=20кН. В итоге при том же количестве свай эффективность их применения снизилась в два раза. И чем больше свай будет в одном кусте, и чем ближе они будут располагаться друг к другу, тем более уменьшится коэффициент их полезного действия. В условиях стандартного проектирования обычно кустовым эффектом пренебрегают, считая, что при реальных расстояниях между сваями 2,5-3,5Д влияние его не должно быть столь значительно. Вероятно, специалисты, впервые предложившие в 1990-х годах свою методику оценки несущей способности готового свайного основания, о кустовом эффекте даже не слышали, хотя представить такое, конечно, достаточно трудно. Во времена революционных преобразований такое все же случается, когда на смену старой гвардии опытных ученых приходит совершенно другой тип специалистов нового поколения, утверждающих на фоне всеобщего хаоса свои собственные законы, в том числе и законы физики.

С тех пор такого рода поверки несущей способности свай, находящихся под нагрузкой в рабочем фундаменте сооружения, стали вполне рутинными и предопределили на десятилетия вперед состав геотехнических исследований, обязательных при выполнении решений о проведении реконструкции сооружений. Магия, сверх всяких ожиданий невероятно больших цифр, характеризующих нагрузку, воспринимаемую сваей, сыграла не ту роль, что предполагалось, и вместо того, чтобы порождать сомнение и неуверенность, принималась без оглядки на то, каким образом эти цифры были получены. Это еще более подхлестнуло убеждение в том, что принятое направление исследований безупречно, и если ему следовать, оно может служить надежной гарантией безопасной эксплуатации реконструируемого сооружения.

К тому же отсутствие аварийности на таких сооружениях еще более вселяло уверенность, что имеется огромный запас прочности, подтверждаемый результатами выборочных испытаний отдельных свай. Что если даже проектировщики промахнутся и не все учтут, то этот запас прочности позволит избежать любых неприятностей, что он сможет компенсировать и сделать незаметной любую ошибку проекта.

Действительно, запас прочности сооружений, выполненных на свайном основании огромный. Но вот распоряжаться им можно лишь при условии, если ясно понимать, чем он объясняется.