CC BY
228
УДК 624.131.526 АЛЕХИН А. Н.
Геотехнические аспекты Федерального закона № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»
В статье обсуждаются геотехнические аспекты Федерального закона, призванного обеспечить надежность и безопасность зданий и сооружений. Приводятся примеры ошибочных проектных решений с обсуждением их последствий с целью помочь избежать их в будущем. В статье также анализируются пути эффективного выполнения требований закона.
Ключевые слова: здания, безопасность, грунт, геотехника, аварии, нелинейность, аппаратура, магистратура.
ALEKHIN A. N.
GEOTECHNICAL ASPECTS OF FEDERAL LAW № 384-F3 «TECHNICAL REGULATTION ON SAFETY OF BUILDINGS AND STRUCTURES»
The paper discusses the geotechnical aspects of the federal law, to ensure the reliability and safety of buildings and structures are examples of erroneous design decisions with a discussion of their implications in order to help avoid them in the future. The paper also explores ways to effectively meet the requirements of the law.
Keywords: buildings security, soil, géotechnique, accidents, nonlinearity, equipment, MSc.
Алехин
Алексей
Николаевич
кандидат технических наук, доцент Уральского государственного университета путей сообщения (УрГУПС)
e-mail: alekhin.51@gmail.com
В данной статье положения Федерального закона № 384-ФЗ рассматриваются с позиций геоинженера — специалиста по проектированию подземных частей сооружений, подпорных сооружений и грунтовых несущих элементов дорог и плотин. Два положения закона № 384-Ф3 [1] акцентируют внимание специалистов, имеющих отношение к обеспечению надежности и безопасности сооружений, на геотехнических аспектах строительства. Менеджеры, исследователи грунтовых условий, строители и инспекторы надзорных органов также обязаны руководствоваться в своей деятельности этими положениями.
Первое из положений (приведено в ст. 15 гл. 3) касается достоверности и достаточности данных изысканий для установления проектных значений параметров. Оно знакомо, привычно и в целом понятно специалистам, хотя довольно часто нарушается под тем или иным предлогом. Чаще всего нарушения выражаются в невыполнении необходимых полевых испытаний грунтов — как правило, ввиду их высокой стоимости и низкой технологичности. Речь идет, прежде всего, о прямых методах
определения деформационных и прочностных параметров грунта. Косвенные методы, такие как статическое и динамическое зондирование, а также различные виды каротажа, которые измеряют сравнительную плотность сложения грунтов, могут использоваться лишь для сравнительной (но не количественной) оценки общей прочности и деформируемости массивов грунтов. Отметим, что все косвенные методы имеют большой разброс результатов. Это видно на примере измерения прочности бетона с помощью ультразвука, скорость которого тем выше, чем выше плотность бетона. Значит, в рамках общих принципов теории прочности сплошного материала выше и прочность бетона. На деле связь между плотностью и прочностью значительно сложнее, о чем свидетельствуют изображенные на Иллюстрации 1 диаграммы результатов измерения прочности по скорости ультразвука различными группами исследователей.
Хорошо видно, что одному и тому же значению скорости ультразвука могут соответствовать значения прочности, отличающиеся в два и более раз. Такое положение привело к тому, что наряду с чрезмерным рекламиро-
ванием ультразвукового метода появились сообщения, полностью отрицающие возможность его использования для контроля прочности бетона.
По-видимому, более корректно с помощью ультразвуковых импульсов определять величину модуля упругости бетона. Это логично, поскольку модуль упругости является более интегральным параметром материала, чем его прочность, отражающая согласно теории Треска (а именно она, как, впрочем, и для металла, положена в основу описания процесса разрушения бетона) разрушение материала в пределах относительно узких зон. Здесь, однако, возникает проблема соотношения деформационных и прочностных параметров бетона, которая также имеет пока среднестатистическое разрешение, отраженное в виде таблиц нормативных документов (в частности, в СНиП). В силу этого ответственные специалисты (такая идентификация представляется уместной в условиях превалирования коммерческого интереса) периодически выполняют тарировку конкретных приборов по результатам раздавливания контрольных образцов, чтобы нивелировать отмеченные недостатки ультразвукового метода, в целом, безусловно, оперативного.
В любом случае в наиболее ответственных ситуациях ультразвуковой метод, по-видимому, должен выполнять функцию оперативного предварительного контроля для обнаружения возможных слабых мест бетона в конструкциях и оценки их потенциальной опасности для сооружения с последующими в необходимых случаях испытаниями кубиков или цилиндров бетона, отобранных из тела конструкции.
В случае с грунтами ситуация оказывается значительно более сложной. Во-первых, подобные тарировки для грунта неизмеримо дороже и длительнее, чем для бетона. Во-вторых, однотипные грунты с примерно одинаковыми физическими параметрами на разных, даже близко расположенных площадках могут иметь существенно разные величины проектных механических параметров. Поэтому для трансформации, например, данных статического зондирования в расчетные механические параметры грунта на самом деле используются некоторые осредненные для огромной территории бывшего Советского Союза корреляционные данные. Понятно, что, например, суглинок, залегающий на Урале, совсем не тот, что в Белоруссии, а тем более в Африке. Пример: при проведении инженерно-геологических изысканий (исследований) на двух соседних площадках, расположенных в районе ул. Кузнецова в Орджоникидзевском районе г. Екатеринбурга, элювиальные суглинки с примерно одинаковыми значениями физических характеристик, определяющих место грунта в строительной классификации, имели значения прочностных и деформационных параметров, отличающиеся друг от друга более чем в два раза (данные ООО «ТЕХКОН»). Хотя согласно, например, таблицам пособия к СНиП 2.02.01-83 (а более поздние СНиП и СП в этом отношении от него не отличаются, что, кстати, подтверждает вышеприведенный тезис о сложной ситуации проведения массовых корреляционных исследований для грунтов) значения их механических (т. е. деформационных и прочностных) параметров должны быть одинаковыми. Просто минералогический состав грунтов немного отличался — в худшем из них было больше талька. Но таблицы, учитывающие минералогический состав, составить практически невозможно, иначе пришлось бы разрабатывать десятки таблиц отдельно для каждого города и отдельно для его окрестностей, особенно на Урале. Вообще, практику определения механических параметров грунтов, т. е. именно тех величин, которые используются в расчетах геотехнических частей
Иллюстрация 1. Результаты определения прочности бетона ультразвуковым методом по данным исследований Шефдевиля, Венцеля, Андерсона и других авторов, указанных на диаграмме
сооружений или в целом грунтовых сооружений, только по табличным данным, на основе их классификационных показателей (т. е. физических величин) следует признать не только негодной, но и опасной.
Один из примеров последствий неправильной оценки механических свойств грунта показывает Иллюстрация 2.
Подобная неправильная оценка специфических свойств грунтов г. Краснотурьинска была допущена при проектировании Богословского алюминиевого завода, что до сих пор создает проблемы при эксплуатации некоторых цехов. В том и другом случае неправильная или, лучше сказать, не вполне правильная оценка свойств уральских грунтов допущена специалистами из другой местности, характеризуемой совсем другими общегеологическими условиями.
В некоторых западных странах практики уже пришли к выводу, вытекающему из специфичности грунта как природной строительной среды в сравнении
Иллюстрация 2. Обрушение конструкций цеха в Екатеринбурге вследствие неправильной оценки деформационных свойств элювиальной супеси при замачивании
Иллюстрация 3. Схема геологической ситуации с местами бурения на площадке строительства гостиницы
с искусственными материалами (кирпич, бетон, метал и др.). Образно его можно обозначить фразой: кто грунт «мял» (исследовал), тот лучше запроектирует геотехнические конструкции, взаимодействующие с грунтом или построенные из него. Этим обстоятельством можно объяснить возникновение в этих странах геотехнических фирм и центров, главной задачей которых является адекватная оценка механики основания сооружения и обеспечение правильного и надежного их взаимодействия. Трудно себе представить хорошего конструктора или проектировщика, проектирующих бетонные или металлические конструкции и не понимающих особенностей работы бетона или металла или вообще не знающих, что это за субстанции. В России и соседних странах, например, в Казахстане, начинают появляться подобные организации. Например, в Санкт-Петербурге успешно работает организация «Геореконструкция». Возможно, там раньше осознали потребность в таких организациях в силу большей мягкости грунтов, которые никак нельзя представить в виде большого твердого письменного стола, на котором как бы стоит сооружение. Элювиальный грунт в Екатеринбур-
ге в основном прочнее, чем в Санкт-Петербурге, что, конечно, снижает последствия от ошибок, и поэтому в инженерно-геологических отчетах популярна фраза о надежности и прочности уральских грунтов. Часто эта фраза усыпляет бдительность проектировщиков и изыскателей, мешая им более внимательно посмотреть на площадку, на которой могут быть неожиданности в виде, например, неровной кровли скального грунта со складками и карманами выветривания.
Вот только два примера, когда геологами не были отражены или не четко отражены особенности подземного рельефа. Причем в первом случае графически особенности подземного рельефа отражены на инженерно-геологическом разрезе, но в тексте отчета внимание проектировщиков не акцентировано на наличии круто падающего слоя грунта (при этом надо иметь в виду, как правило, все-таки недостаточную в силу ряда объективных и субъективных причин геотехническую подготовку даже выпускников специальности ПГС). В результате 25-этажная часть здания была размещена над круто падающим слоем, без выполнения необходимых поверочных расчетов и, соответственно,
без применения каких-либо геотехнических мероприятий, обеспечивающих необходимую надежность сооружения.
Во втором случае, скорее, виноваты проектировщики, поскольку нарушили один из основных принципов проектирования: разведочные скважины должны размещаться в пятне проектируемого здания. Это особенно актуально в гористой местности, где геологические условия изменяются на расстоянии нескольких десятков метров. В приводимом примере проектирование фундаментов здания гостиницы выполнено на основе результатов бурения для другого сооружения (трубопровода). Схема геологической ситуации с местами бурения на этой площадке показана на Иллюстрации 3.
В результате здание оказалось совсем не на том грунте, на котором предполагалось, соответственно, и фундаменты оказались непригодными для этих условий. Здание после постройки оказалось в аварийном состоянии. Кстати, в г. Чусовом в аналогичной ситуации заселенное многоэтажное здание чуть не разрушилось, и только экстренные дорогостоящие меры позволили остановить его разрушение. Правда, недалеко от него и уже с гибелью людей позднее разрушилось другое сооружение, тоже не без участия грунтов. Вообще, по данным профессора А. А. Бартоломея, бывшего ректора Пермского политехнического института (ныне университета), примерно в 70 % аварийных ситуаций со зданиями и сооружениями, так или иначе, участвуют грунты. Это и понятно, ведь грунт — это один из ключевых, вследствие его относительной мягкости, несущих элементов любого сооружения. И, конечно, под аварийной ситуацией не следует всегда понимать крайний случай — угрозу разрушения, как это показано на Иллюстрациях 2 и 4, что случается, к счастью, относительно редко. Аварийной ситуацией считаются также чрезмерные деформации, затрудняющие эксплуатацию здания или ухудшающие его архитектурный облик, например, в виде перекоса перекрытий или появления трещин.
Представляется, что во всех приведенных и многих других случаях могли быть приняты более верные решения, если бы в их принятии участвовали более подготовленные в геотехническом отношении специалисты. Их задача состоит в обеспечении надежной совместной работы основания и сооружения. В идеале специалист-геотехник должен быть
Иллюстрация 4. Обрушение здания в Екатеринбурге из-за негативного влияния слабого грунта на старый бутовый фундамент здания
в каждой проектной и строительной организации. При этом геотехническое образование может быть получено в качестве дополнительного профессионального образования выпускниками строительных отделений университетов и строительных колледжей. Однако необходимо отметить и роль архитектора, который уже на стадии разработки эскизного проекта должен учесть основные геологические особенности площадки с тем, чтобы, например, постараться не размещать более тяжелые части сооружений на слабых грунтах площадки, а легкие — на прочных, что может усложнить конструктивное решение сооружения и его эксплуатацию в будущем. Сейчас, в условиях усложнения объемов и планировки сооружений, это часто случается.
В данном тексте часто встречаются термины, соединяющие слова «гео» («земля», в традиции строителей его интерпретируют как «грунт») и «техника» (как «работа с грунтом). Необходимо пояснить, что этот термин имеет несколько другой оттенок, чем термин «геология». И даже «инженерная геология», которая делает упор на описательную информацию о грунте, его классификацию, а также на долговременные процессы, как правило, по времени значительно превышающие время эксплуатации сооружений, даже знаменитой Пизанской башни (естественно, случай древних пирамид, хотя и интересен с точки зрения геоинженерии, но относится все-таки к другой тематике). В смешивании смысла понятий «геотехника» (на современной стадии ее развития это скорее «геоинженерия») и «инженерная геология» кроются нынешние, иногда весьма острые, противоречия и споры специалистов двух областей знаний. Надеемся, что проблема в недалеком будущем будет преодолена, поскольку и те и другие важны при исследовании грунтов.
Для содействия сближению позиций приведем определение грунта с позиций геоинженерии, которое — что характерно — в своей первой части совпадает с инженерно-геологическим определением: «Грунт — это конгломерат твердых частиц разных размеров, формы и происхождения, в том числе органического, а также жидкостей и газов; в расчетах грунт рассматривается в виде сплошной среды, бесконечно малая часть которой идентична целому. Термины и определения очень важны для понимания сути явления. Нужно найти точки соприкосновения в определе-
нии названия процесса изучения грунта. В инженерной геологии этот процесс носит название «инженерно-геологические изыскания», т. е. «обзор, съемка». Но такое название больше подходит к процессу поиска каких-либо объектов на площадке — особенностей рельефа, подземных коммуникаций, обмеру существующих строений. За рубежом этот процесс называется geodesic survey (геодезический обзор, обследование) в отличие от geological engineering investigations (инженерно-геологические исследования).
Второй геотехнический аспект закона № 384-Ф3 очевиден для специалистов-геотехников, но менее известен среди представителей других специальностей. Этот аспект изложен в ст. 16 гл. 3 и касается устаревших методов геотехнических расчетов на основе линейной модели среды. И хотя они пока, в силу определенных причин присутствуют в нормативных документах и имеют для контролирующих инстанций с точки зрения права законный статус, необходимо понимать возможные негативные последствия их применения и с помощью конструктивных мер нейтрализовы-вать недостатки.
Вот только некоторые из недостатков, наиболее часто встречающиеся в настоящее время в линейных моделях грунта:
1) несоответствие основного, используемого в расчетах деформационного параметра грунта (модуля деформации) его физическому смыслу как постоянного коэффициента пропорциональности между напряжениями и относительными деформациями в грунте;
2) в силу предыдущего несоответствия — различные, сильно отличающиеся значения модуля деформации, получаемые в различных типах испытаний даже для однотипных устройств различного размера (штамп — прессиометр — компрессия); являющиеся следствием применения к грунтам линейной теории поправочные коэффициенты к значениям модуля — весьма проблематичны во многих отношениях [2], но эта проблема не является предметом рассмотрения данной статьи;
3) фактическая невозможность прямого физического определения второго деформационного параметра грунтовой среды в рамках линейной модели — коэффициента Пуассона — в силу существенного влияния дилатансионно-контракционных процессов (положительное и отрицательное изменение объема грунта при сдвиге) на деформацию грунта, зависящих от условий нагружения, условий деформирования и, конечно, особенностей самого грунта. Данное явление присуще всем материалам. Но только в грунте в силу особенностей его сложения оно имеет такое сильное значение, что в отличие от других материалов делает практически невозможным определение такого важного расчетного параметра, как коэффициент Пуассона (он же при некоторых условиях деформирования имеет физическое проявление в виде коэффициента боковой деформации);
4) неправильное отражение реальной картины распределения контактных давлений между грунтом и сооружением, моментов и поперечных сил в теле фундаментов и, как следствие, неэффективное рас-
пределение арматуры в теле фундаментов, чаще в сторону неэкономичности, нередко и в сторону снижения надежности и повышения их деформативности. Конечно, это касается исключительно плитных фундаментов. Известны случаи, когда игнорирование реальной картины усилий приводило к серьезным противоречиям между заказчиками и исполнителями и, в конечном счете, как это ни покажется парадоксальным, к обоюдным финансовым потерям. Столбчатые и ленточные фундаменты имеют достаточную жесткость, чтобы их можно было армировать только из конструктивных соображений, с минимальными простейшими расчетами на армирование некоторых их элементов, причем часто в силу неверного или нестандартного конструктивного решения;
5) для всех типов фундаментов имеет место существенное завышение глубины сжимаемой толщи основания и зон влияния фундаментов на окружающие строения; первое обстоятельство завышает глубину разведочных скважин и, значит, увеличивает стоимость изысканий, а второе в условиях плотной застройки может существенно ограничить архитектурный и планировочный замысел застройщиков.
В условиях развития вычислительной техники методическое разрешение этой проблемы вполне ясно — это учет в технических расчетах реальных, а значит, нелинейных особенностей деформирования материалов и природных сред. Принцип линеаризации, широко использовавшийся в технике в условиях недостаточных вычислительных мощностей и приносивший в этих условиях частый успех, сейчас уже не всегда правомерен, и прежде всего, для грунтовых оснований и сооружений. Тем более что в нашей стране этой проблемой занимаются с конца 1930-х гг. и в отличие от зарубежных стран при решении частных практических вопросов достигли уже существенных успехов, в том числе в определении параметров нелинейных моделей грунта в условиях их природного залегания [3].
Можно, например, отметить, что совсем недавно специалистам фирмы «ТЕХКОН» за счет правильного учета реальной нелинейности грунтов удалось возвести подпорную стену длиной около 100 м почти в 5 раз дешевле первоначально утвержденной сметы. Вообще, в наших нормативных документах указание о необходимости использования нелинейных моделей грунтов присутствует с 1974 г. Включение этого положения в Федеральный закон призвано стимулировать выполнение этой рекомендации. Что касается приборных средств, то для определения, например, нелинейных параметров грунтов в условиях их естественного залегания успешно применяется автоматическое прессиометриче-ское устройство, изображенное на Иллюстрации 5 [3]. Правда, с некоторыми конструктивными изменениями относительно стандартного устройства, вытекающими из решения двумерной нелинейной задачи.
Немаловажен также вопрос подготовки специалистов, способных решать обозначенные в законе № 384-Ф3 задачи. Несомненно, решение этого вопроса при соответствующей подготовке должно быть по силам специалистам, защитившим магистерскую диссертацию, основное предназначение которых как раз и видится в углубленном понимании специфики работы строительных материалов и природных строительных сред (речь в данном случае, конечно, идет о строительной магистратуре). Эти магистры должны хорошо ориентироваться в особенностях деформирования грунта. При этом, конечно же, речь не идет о специализации всех магистров по геотехническим проблемам. Но надо
иметь в виду, что не всегда задача взаимодействия сооружения с грунтом имеет простое стандартное решение. Здесь-то и потребуется умение магистров решать проблемы творчески, с привлечением научно-исследовательских методов и своих углубленных знаний. При этом они должны научиться брать на себя ответственность за нестандартные или трудные решения. Тогда со временем именно специалисты с магистерскими дипломами, восприимчивые к техническим новшествам, окажутся на ключевых позициях в строительных и контролирующих организациях, что, в свою очередь, будет способствовать соответствию требованиям технического прогресса в строительстве. Это обеспечит достижение реальной себестоимости строительства при необходимых надежности и качестве объектов.
Заключение
1 В законе № 384-ФЗ вполне обоснованно отражены обязательные, в том числе геотехнические требования, призванные обеспечить безопасность зданий и сооружений.
2 Обеспечение выполнения этих требований с методической и технической позиций требует повышения эффективности и качества, в том числе удобства, средств технического контроля на базе современных научно-технических теорий и разработок.
3 На современной теоретической базе должна осуществляться и подготовка ведущих специалистов отрасли, не только ориентирующихся, но и использующих современные как строительные, так и рас-четно-проектные технологии. Это их умение, а также умение принимать технически грамотные решения в сложных условиях современного строительства должно подтверждаться магистерскими дипломами.
Список использованной литературы
1 Федеральный закон № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» // Собрание законодательства РФ. 04.01.2010. № 1.
2 Алехин А. Н. Нелинейный анализ напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов : дис. ... канд. техн. наук / Уральский политехнический институт. Свердловск, 1983.
3 Алехин А. Н., Алехин А. А. Определение параметров нелинейной модели грунта по данным полевых ис-пытаний//Геотехнические проблемы мегаполисов : труды междунар. конф. по геотехнике. М., 2010. С. 1201-1208.
