Проблемы прикладной инженерной геологии, связанные с несовершенством действующей нормативной документации. Предложения по решению

Виброползучесть. Разночтения формулировок в действующей нормативной документации

Проблема 1. Необходимость определения виброползучести описана в СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» [9] и СП 446.1325800.2019 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ» [12]. При этом требования в них сильно отличаются.

П. 6.14.4 СП 22.13330.2016 [9] гласит:

«Для мелких и пылеватых водонасыщенных песков и глинистых грунтов текучей консистенции в пределах зон, указанных в 6.14.3, необходимо проводить расчет длительных осадок от совместного действия статических и динамических нагрузок (виброползучесть)».

П. 7.2.24.4 СП 446.1325800.2019 [12] гласит:

«При проектировании зданий и сооружений вблизи внешних источников динамических нагрузок от транспорта или промышленного оборудования, а также сооружений, являющихся при эксплуатации источниками динамических нагрузок, выполняют динамические испытания в соответствии с ГОСТ Р 56353 для определения характеристик виброползучести грунтов основания:

– песков рыхлых любой влажности;

– песков средней плотности водонасыщенных;

– связных грунтов с показателем консистенции выше 0,5».

Разночтения заключаются в типах грунтов, а также их влажности и консистенции, для которых необходимо определять параметры виброползучести.

По данному вопросу была получена консультация к.т.н., главного геолога ГУП «Мосгоргеотрест» В.П. Коновалова. Дополнительно были проведены консультации с сотрудниками ГАУ «Мосгосэкспертиза». Все опрошенные единодушно пришли к мнению, что оба указанных нормативных технических документа (НТД), регламентирующих требования к изучению виброползучести, имеют одинаковый статус, поэтому в настоящий момент необходимо в задании на проведение инженерно-геологических изысканий в разделе «Дополнительные требования к изысканиям» указывать, согласно какому НТД в рамках конкретного объекта следует выполнять эти исследования. В целом это вынужденный подход, но другого на настоящий момент нет и пока что не предвидится.

Проблема 2. Не представляется возможной идентификация автомобильных дорог по классификациям, на которые приведена ссылка в СП 446.1325800.2019 [12].

П. 7.2.24.4 СП 446.1325800.2019 [12] гласит:

«Динамические испытания грунтов допускается не проводить, если граница фундамента сооружения находится на расстоянии более 100 м от края земляного полотна железной дороги, далее 50 м от осевой части автомобильной дороги категории I (IA, IБ и IB по СП 34.13330.2012), трамвайной линии, линии метрополитена (с учетом глубины заложения), а также далее 50 м от границ фундаментов машин с динамическими нагрузками».

Инженер-геолог не имеет достаточной компетенции самостоятельно определить категорию дороги и соответственно необходимость определения параметров виброползучести по данным классификациям. Кроме того, при выявлении такой необходимости, отсутствует информация о частоте колебаний грунта и области грунтового массива (поверхность или глубина заложения фундамента), для которых необходимо определять коэффициент виброползучести.

Для г. Москвы сотрудниками ГК «ОЛИМПРОЕКТ» проблема решена следующим образом:

– используется Постановление Правительства Москвы № 214-ПП от 26 марта 2002 г. «О Перечне улиц и магистралей города Москвы» [6]. В нем перечислены все магистрали г. Москвы:

– сопоставляется с Предварительным национальным стандартом ПНСТ 542-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования» [7], где приведено сопоставление типов автодорог с категориями, указанными в СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги» [10].

Таблица 6. Соответствие городских улиц и дорог категориям автомобильных дорог общего пользования (ПНСТ 542-2021 [7])

Проблема 3. Необходимость выполнения дорогостоящих определений коэффициента виброползучести при их однозначной статистической сходимости.

По накопленным данным ГК «ОЛИМПРОЕКТ» по объектам за последние четыре года (2019–2022) была произведена статистическая обработка коэффициента виброползучести для каждого типа грунта (песок мелкий, пылеватый, суглинок мягкопластичный, супесь пластичная (I_L > 0,50). Всего было исследовано 130 образцов. Выявлена зависимость между возрастом и коэффициентом виброползучести. Кроме того, лишь в единичных случаях коэффициент виброползучести был менее 0,70.

Согласно полученным данным, среднее значение коэффициента виброползучести составило:

для песка пылеватого четвертичного – 0,79, юрского, мелового – 0,85;

для песка мелкого четвертичного – 0,83, юрского, мелового – 0,87;

для песка средней крупности четвертичного – 0,95;

для суглинка мягкопластичного четвертичного – 0,77;

для супеси пластичной – 0,87.

При этом коэффициент вариации не превышает 0,05–0,07 д.ед.

Предложения.

1. Привести классификацию дорог из таблицы 6 ПНСТ 542-2021 [7] в п. 7.2.24.4 СП 446.1325800.2019 [12] и изменить формулировку «… 50 м от осевой части автомобильной дороги категории I, согласно таблице…».

2. В СП 446.1325800.2019 [12] ввести дополнительную таблицу с данными о частоте колебаний грунта, характерной для железной и автомобильной дорог, трамвайной линии, линии метрополитена. В примечании к этой таблице для других видов источников динамических нагрузок (действующих и проектируемых) привести требование указывать частоту колебания в техническом задании.

3. В п. 7.2.24.4 СП 446.1325800.2019 [12] для зданий и сооружений 1 и 2 класса (КС-1, КС-2) ввести таблицу понижающих коэффициентов для модуля деформации и представить пункт в следующей формулировке:

«При проектировании зданий и сооружений вблизи внешних источников динамических нагрузок от транспорта или промышленного оборудования, а также сооружений, являющихся при эксплуатации источниками динамических нагрузок, для деформационных характеристик грунтов основания применять понижающий коэффициент, учитывающий виброползучесть, в соответствии с таблицей:

Ввиду недостаточности статистических данных по связным грунтам (суглинки, супеси) для них рекомендуется оставить требование подтверждения показателей виброползучести лабораторными методами.

Прессиометрические исследования. Новый ГОСТ 20276.2-2020. Ошибка в формуле

Проблема. Результат расчета по-новому ГОСТ 20276.2-2020 «Грунты. Метод испытания радиальным прессиометром» [4] в 1,5-2,0 раза превышает результат по ГОСТ 20276-2012 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости» [2].

Формула ГОСТ 20276-2012 [2]:

Формула ГОСТ 20276.2-2020 [4]:

Пример расчета.

Испытание проводится в медленном режиме на глубине 20,0 м в верхнеюрской глине полутвердой.

По формуле (1) получен следующий расчет:

По формуле (2) получен следующий расчет:

Разница заключается в дополнительном множителе (выделен красным в формуле (2) и значении К_r. В результате по расчету получаются завышенные значения модуля деформации Е.

Кроме того, в п. 8.6 в описании расчета коэффициента анизотропии в числителе и знаменателе указан один и тот же параметр – одометрический модуль деформации образца, вырезанного в вертикальном направлении.

Очевидно, что это просто техническая ошибка, но она есть и требует исправления.

Предложение.

Отменить действующий ГОСТ 20276.2-2020 [4], вернуть в части прессиометрических испытаний ГОСТ 20276-2012 [2] до уточнения формулы, либо исключить корректирующий коэффициент К_r из новой формулы.

Плотность сложения песков

Проблема 1. Отнесение к рыхлым пескам с высокими (17–20 МПа) значениями показателей деформационных свойств. На данную проблему с 2018 г. обращает внимание к.г.-м.н. В.Ю. Котов, главный геолог ООО «ПИК-Проект», но пока изменений в нормативной базе по этому поводу нет.

Таблица Ж.1. Определение плотности сложения песков по данным статического зондирования (СП 446.1325800.2019 [12])

Таблица неизменна со времени принятия СНиП II-15-74 «Основания зданий и сооружений» [8].

Таблица Ж.2. Определение нормативного модуля деформации песчаных грунтов Е по данным статического зондирования (СП 446.1325800.2019 [12])

Исходя из таблицы Ж.1, к рыхлым относятся пески при лобовом сопротивлении грунта менее 2–5 МПа. Согласно таблицы Ж.2 при лобовом сопротивлении 2–4 МПа модуль деформации Е для аллювиальных и флювиогляциальных песков равен 17–20 МПа, что является достаточно высоким показателем для основания фундамента, особенно для типовых и невысоких сооружений. При этом рыхлые пески справедливо не признаются экспертами в качестве грунтов основания, обеспечивающих надежность строительства и эксплуатации зданий, относятся к специфическим (наравне с органическими и другими грунтами, оказывающими существенно влияние на проектные решения, согласно п. 5.4 ГОСТ 20522-2012 «Методы статистической обработки результатов испытаний» [5]) и требуют замены, усиления, либо применения свайных фундаментов. При этом, например, тугопластичные суглинки с модулем 10–12 МПа зачастую применяются в качестве основания и не входят в состав специфических грунтов согласно СП 22.13330.2016 [9] и других нормативных документов.

Проблема 2. Неоднозначное прочтение приложения Ж СП 446.1325800.2019 [12], ограниченные возможности использования данных таблиц и в целом интерпретации результатов статического зондирования.

Кроме этого, возникает некоторое недопонимание при прочтении всего приложения Ж. Так, в пункте Ж.3 сказано: «Определяемые по настоящему приложению характеристики относятся к кварцевым и кварцево-полевошпатовым песчаным грунтам четвертичного возраста со значением удельного сцепления менее 0,01 МПа и к четвертичным глинистым грунтам с содержанием органических веществ менее 10%».

При этом, как видно из таблицы Ж.2, верхняя строчка относится ко всем генетическим типам, кроме аллювиальных и флювиогляциальных. Исходя из приложения Ж.3 непонятно, на какие еще генетические типы могут распространяться данные значения – внутриморенные, морские, делювиальные, элювиальные, эоловые?

Дочетвертичные пески вообще не участвуют в интерпретации результатов статического зондирования, что является странностью, т.к. испытания проводятся регулярно и в большом объеме. При этом эксперты просят обсчитывать дочетвертичные пески по приложению Ж и давать расчетные показатели в сравнительной таблице свойств, что противоречит приложению Ж.3.

Ранее в п. И.3 приложения И СП 47.13330.2012 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» [11] не были указаны генетические типы, на которые распространяются таблицы, лишь указан минеральный состав. Таким образом, можно было приводить показатели свойств для меловых кварцевых и кварцполевошпатовых песков.

В последней редакции СП 446.1325800.2019 [12], согласно приложению Ж, по результатам статического зондирования могут быть определены показатели физико-механических свойств глинистых грунтов только для четвертичных отложений, исключая грунты ледникового комплекса. При этом не дана расшифровка, какие именно отложения относятся к ледниковому комплексу – только непосредственно моренные или все от флювиогляциальных до лимногляциальных и аллювиально-флювиогляциальных.

Учитывая все вышесказанное, возникает слишком много ограничений по использованию данных таблиц и в целом интерпретации результатов статического зондирования. Получается, что нельзя определять свойства всех моренных, межморенных отложений, меловых и юрских песков, широко распространенных на территории Московского региона. Остается возможность интерпретации только отложений речных долин и террас (в пределах Московского региона), имеющих относительно ограниченное распространение.

Предложения.

1. Провести анализ результатов инженерно-геологических изысканий наиболее авторитетных организаций и актуализировать таблицы нормативных свойств грунтов и их зависимости от результатов полевых испытаний, в т.ч. – рыхлых песков.

2. Сместить границу между песками средней плотности и рыхлыми в зависимости от значений удельного сопротивления грунта под наконечником зонда.

3. Внести уточнение по видам отложений ледникового комплекса, какие грунты к ним относятся.

4. Вести в таблицы возможность оценки свойств дочетвертичных песков.

5. Вернуть возможность оценки свойств моренных отложений, тем более что отмечается высокая степень сходимости с лабораторными определениями.

Инженерно-геологические изыскания под ограждение котлована

Проблема. Ограниченная методика изысканий под ограждение котлована.

В настоящее время данный вид изысканий регламентируется п. 9.4 СП 22.13330.2016 [9] и п. 7.2.10 СП 446.1325800.2019 [12], и гласит:

«…геологические разведочные скважины следует размещать по трассе ограждающих конструкций не реже чем через 20 м. При отсутствии фактической возможности расположения скважин указанным образом, их следует устраивать по прямоугольной сетке с шагом не более 20 м …».

Не совсем понятно, что значит «прямоугольная сетка». Иными словами, если фактически нет возможности пробурить скважину в назначенном месте, количество скважин увеличивается в соответствии с дополнительными прямыми углами контура сетки.

Либо необходимо смещать скважины не по прямоугольной сетке. При этом очевидно, что расстояние между скважинами будет более 20 м (гипотенуза в прямоугольном треугольнике). Здесь предлагается внести примечание, аналогичное п. 7.2.5 СП 446.1325800.2019 (с изменением № 1) [12] – то есть разрешить смещение скважин в доступные места на расстояние, не превышающее половины рекомендуемого расстояния между скважинами.

Кроме того, при проведении инженерно-геологических изысканий первого этапа, согласно примечанию 1 таблицы 7.1, п. 7.1.7 СП 446.1325800.2019 [12], часть скважин под проектируемое здание допускается заменять точками статического / динамического зондирования (до 33%). Ограждение котлована в большинстве случаев является временным сооружением со значительно меньшими нагрузками и несоизмеримо меньшим сроком эксплуатации, чем капитальные здания и сооружения, особенно это касается извлекаемых шпунтов. При этом, при расстоянии между скважинами под ограждение 20 м сходимость и однозначность интерпретации результатов статического зондирования имеет очень высокую вероятность. Также, с точки зрения геотехники, при расчете ограждения котлована более важным является то, какой грунт находится вдоль «тела» конструкции, а не ниже нее по глубине.

Предложения.

1. Скорректировать формулировку п. 9.4 СП 22.13330.2016 [9] и представить следующим образом: «…геологические разведочные скважины следует размещать по трассе ограждающих конструкций не реже чем через 20 м. При отсутствии фактической возможности расположения скважин указанным образом, допускается их смещение с увеличением расстояния между скважинами не более 1,5 значений рекомендуемых расстояний…».

2. Дополнить п. 9.4 СП 22.13330.2016 [9] возможностью замены части скважин точками статического зондирования.

Инженерно-геологические изыскания под подпорные стены

Проблема. Отсутствие в НТД требований к изысканиям для проектирования указанных сооружений.

В настоящее время, при назначении объемов бурения под подпорные стены изыскатели руководствуются методом аналогий. Назначают объемы в соответствии с п. 9.4 СП 22.13330.2016 [9], т.е. аналогично ограждению котлована. Второй вариант – по таблице 7.2 СП 446.1325800.2019 [12] по аналогии с эстакадами для наземных коммуникаций. Данный пункт определяет расстояние между скважинами в зависимости от сложности инженерно-геологических условий 100–200 м и глубину скважин 3–7 м от поверхности земли. Также есть требования таблицы 7.3 к изысканиям под эстакады на участках пересечения водных и других преград. Данный пункт ссылается на требования в зависимости от типа фундаментов сооружений согласно п. 7.2.6 и 7.2.10, т.е. на естественном основании или аналогично ограждению котлована через 20 м и глубину выработок 1,5·h+5,0 м. При этом однозначного понимания нет, а требования перечисленных пунктов имеют значительные отличия.

Предложение.

Дополнить таблицу 7.2 «Размещение и глубина инженерно-геологических скважин на участках трасс линейных сооружений» однозначными требованиями к изысканиям для проектирования подпорных стен следующим образом:

«…в зависимости от сложности инженерно-геологических условий расстояние между скважин назначается 25–75 м. Глубина выработок должна быть на 2 м ниже глубины заложения подпорной стены на естественном основании и на 5 м ниже концов свай при свайном основании».

Модуль деформации

Проблема. Сравнение несравнимых величин, определяемых в разных режимах испытаний.

Крайне наболевшая тема в производстве на данный момент, требующая особого внимания и проработки.

Согласно п. 5.4.1 ГОСТ 20276.1-2020 «Грунты. Метод испытания штампом» [3] «общее число ступеней давления после достижения давления, соответствующего вертикальному эффективному напряжению от собственного веса грунта на отметке испытания, должно быть не менее четырех».

Согласно п. 5.5.1 ГОСТ 20276.1-2020 [3] в описании обработки результатов испытаний штампом указаны конкретные требования к расчетному интервалу, а именно: «… за начальное значение давления и осадки принимают давление, равное вертикальному эффективному напряжению от собственного веса грунта на отметке испытания и соответствующую осадку; за конечные значения давления и осадки принимают значения, соответствующие четвертой точке графика на прямолинейном участке» … «допускается уменьшение числа точек в расчетном интервале до трех, либо применять меньшие ступени давления при испытании».

Изыскатели как правило интерпретируют данную формулировку как четыре ступени в расчетном интервале и останавливаются на этом. Требование учитывать нагрузку от сооружения в расчетном интервале отсутствует.

Согласно в п. 7.2.22 СП 446.1325800.2019 [12] данное требование все же присутствует, хотя и весьма завуалировано. Формулировка звучит так: «Выбор методов определения характеристик грунтов при полевых исследованиях следует устанавливать в соответствии с требованиями 5.8, а также в зависимости от вида и назначения зданий и сооружений, с учетом их уровня ответственности, глубины заложения и типов фундаментов, методов их расчетов, проектных нагрузок на фундаменты, условий эксплуатации оснований зданий и сооружений».

В соответствии с п. 9.8 ГОСТ 12248.3-2020 «Грунты. Определение характеристик прочности и деформируемости методом трехосного сжатия» [1] модуль деформации определяется в интервале от σzg (давления от собственного веса грунта) до 1,6·σzg. То есть нагрузка от сооружения снова не учитывается, особенно на малых глубинах непосредственно в основании фундамента, где деформационные показатели особенно важны. Как правило фундамент закладывают на глубине до 15 м. Иными словами вертикальное напряжение составляет не более 0,3 МПа, а расчетный интервал модуля деформации составляет от 0,30 до 0,48 МПа.

Более того, формулировка п. 9.8 ГОСТ 12248.3-2020 [1] разными лабораториями интерпретируется по-разному. Некоторые лаборатории выбирают любой интервал в пределах от σzg до 1,6·σzg, другие принимают жестко от σzg до 1,6·σzg, не обращая внимание на то, что касательная (на графике) зависимости относительной деформации от давления, например, стала секущей.

По результатам статического зондирования и приложению А СП 22.13330.2016 [9] деформационные характеристики в целом имеют абстрактный статистический характер, основанный на данных, полученных по результатам компрессионных испытаний и остаются неизменны многие годы.

Как результат, изыскатели получают сравнение несравнимых величин, определяемых в разных режимах. Но выйти из этого положения не представляется возможным, т.к. согласно СП 22.13330.2016 [9] и СП 446.1325800.2019 [12], для зданий нормального и повышенного уровня ответственности необходимо определять характеристики полевыми и лабораторными методами, а также корректировать их по результатам сопоставления. При этом не указано, какой способ является приоритетным и какой модуль стоит корректировать по какому. Не указано, в единых интервалах должен быть определен модуль или согласно методике ГОСТ.

Среди изыскателей есть представители специалистов с разными взглядами, которые придерживаются диаметрально противоположных точек зрения, каждая из которых имеет обоснование в НТД, но они противоречат друг другу.

Так для высотных зданий, где нагрузка от сооружения превышает 0,5 МПа и более, определение модуля деформации при трехосном сжатии в интервале от 0,30 до 0,48 МПа (при глубине котлована 15 м) не несет в себе физического смысла, т.к. нагрузка от сооружения больше и фактически нет возможности охарактеризовать массив относительно данного конкретного проектируемого здания. Часто, при проведении лабораторных испытаний особенно для малых глубин с низким «бытовым» давлением, при нагрузке более 0,4 МПа образец переходит в интервал пластических деформаций, т.е. разрушается. Следовательно, не представляется возможным в т.ч. определить модуль деформации при повторном нагружении Е₂.

Специалисты другого направления придерживаются мнения, что «модуль деформации» должен характеризовать грунт в его природном состоянии независимо от того, какие здания на нем проектируются.

Тем не менее, графики испытаний методом трехосного сжатия строятся до разрушения и в целом вся кривая поведения грунта имеет цифровой вид и может быть интерпретирована в модуль деформации на любом интересующем участке. Так, для специфических задач проектирования, в т.ч. определения модуля деформации грунта с учетом высоких нагрузок от сооружения, могут быть взяты различные участки на кривой деформации и использоваться в расчетах.

Другой вариант – при разрушении образцов одного инженерно-геологического элемента ранее, чем будет достигнута нагрузка от сооружения, в отчете по инженерно-геологическим изысканиям давать рекомендацию о рассмотрении варианта принятия другого вида фундамента, например, свайного.

Предложение.

Привести к единообразию расчетные интервалы определения модуля деформации для полевых и лабораторных методов, а также определить приоритетный метод для корреляции.

Список литературы

1. ГОСТ 12248.3-2020 Грунты. Определение характеристик прочности и деформируемости методом трехосного сжатия.
2. ГОСТ 20276-2012 Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости.
3. ГОСТ 20276.1-2020 Грунты. Метод испытания штампом.
4. ГОСТ 20276.2-2020 Грунты. Метод испытания радиальным прессиометром.
5. ГОСТ 20522-2012 Методы статистической обработки результатов испытаний.
6. Постановление Правительства Москвы № 214-ПП от 26 марта 2002 года «О Перечне улиц и магистралей города Москвы» // Вестник мэрии Москвы. 2002. Апрель.
7. ПНСТ 542-2021 Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования.
8. СНиП II-15-74 Основания зданий и сооружений.
9. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений.
10. СП 34.13330.2012 Автомобильные дороги.
11. СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения.
12. СП 446.1325800.2019 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ.