Новая механика грунта – возможности для повышения прочности оснований

0 0
опубликовано 09-04-2007, Последнее изменение: 02-03-2020

За последние годы в России возрастают темпы и увеличиваются объемы строительства высотных домов, мостов, тоннелей, хранилищ опасных отходов и других сложных объектов. Это заставляет заниматься разработкой и внедрением новых технологий, применять современные материалы, эффективное оборудование. В геотехнике также происходят существенные сдвиги как в технологиях, оборудовании, так и в методах расчета. Механика грунта, разработанная в прошлом веке, на основе которой сформирована вся нормативная база геотехнического строительства и выполняются практически все научные исследования, не в состоянии удовлетворять все требования сегодняшней практики,


В XX веке были попытки усовершенствовать механику грунта. Но они не были доведены до конца.

Следует отметить, что порой хорошие изыскания значат существенно больше, чем сам расчет. Это знает каждый опытный проектировщик, особенно в транспортном строительстве, в частности, в мостостроении, где приходится учитывать сложные инженерно-геологические условия.

Хочется еще раз напомнить настойчивое требование известного специалиста К. Терцаги: «Ни в коем случае нельзя экономить на изысканиях».

Бытует мнение (Ж. Биарез), что лучше знать неточно о многом (имеется в виду объем изысканий), чем точно о немногом. Однако на современном уровне строительства с высокими требованиями по надежности необходимо иметь знания практически в полном объеме обо всем объекте.

Давая оценку всем работам по механике грунта, следует отметить, что в них нет физики, отсутствуют фундаментальные исследования поведения грунта при его нагружении. То, что имеем в настоящее время, как в нормах, так и в большинстве исследовательских работ — это использование непрерывных «вялых» кривых с возможностью решения в замкнутой форме. Нет органической связи между природным состоянием пород (грунта) с учетом их образования и эволюции, методами и способами испытаний, моделями грунта и способами расчета. Нет общей оценки состояния грунта. Естественно, необходим анализ цепочки: природное состояние — метод испытания — модель — расчет. Каждое звено требует отдельной оценки, а затем может быть дана и общая оценка. Но здесь следует вспомнить Д.И. Менделеева, который любил часто указывать: «Наука начинается с измерения».

Начнем с измерения. Механика грунта — экспериментальная наука, поэтому организация и правильное (достоверное) представление результатов опытов являются определяющими. Измерение можно представить как прибор, включающий некую измерительную часть (сенсоры, приспособления) и систему обработки и представления информации. Системы измерения как в России, так и за рубежом не учитывают инерционных характеристик испытуемого грунта. Измерения должны быть организованы таким образом, чтобы инерционные характеристики измерительной системы были, как минимум, на порядок выше, нежели инерционные характеристики испытуемого грунта. Такого рода измерения нет смысла проводить всегда, во всех случаях (их анализ достаточно сложен), однако для понимания физики процесса воздействия — отклика грунта — они необходимы.

Традиционные системы измерения и методики испытаний (будь то всем известная коробка Кулона или современный трехосный прибор) не могут обеспечить полное и достоверное представление о физическом процессе отклика грунта на воздействие. Следствием предлагаемых измерений является существенно иное физическое и графическое представление о связности (сцеплении), угле внутреннего трения, модуле деформации, коэффициенте бокового давления и других основных параметрах механики грунта, а также новых параметрах. Нами уже в 70-х годах прошлого века была организована такая система регистрации для динамического зондирования грунта. Е.И. Шемякин сейчас называет такого рода системы регистрации жесткими машинами, за которыми будущее.

Достоверность и достаточность определения традиционных параметров грунта (Е, С, j, g, r и др.) является важным вопросом механики грунта и, в общем, геотехники. Доказано (Кулачкин, 1975), что в однородном с геологической точки зрения грунте (это может быть ИГЭ) распределение qc (сопротивление грунта конусу зонда) не противоречит нормальному закону (закону Гаусса) распределения (qc несет на себе информацию о Е, С, φ в полной мере). Репрезентативная выборка для различных материалов (бетон, сталь, грунт) равна около 30 значений, чего практически никогда не бывает для грунта. Это ни в коей мере не может быть отнесено для всего геологического разреза. Наиболее достоверная статистика имеет место для металлов и бетонов. Коэффициент вариации п по прочности бетона для железобетонных конструкций, изготовленных в заводских условиях, не превосходит 0,13. Хотя справедливости ради следует отметить, что мостостроительные организации, такие, как «Космос», МО-18, МО-19, и другие, добиваются зачастую значений п при изготовлении свай на месте меньше n < 0,08. Для грунта n » 0,13. К этому следует добавить, что статистические оценки погрешностей системы измерений должны быть существенно меньше (на порядок и более) соответствующих статистических оценок изучаемых характеристик грунта, что часто не имеет места. Процедура статистической обработки характеристик грунта, принятая в нормах и используемая в научных работах, страдает серьезными недостатками.

Новые результаты удалось получить благодаря разработанному нами высокочувствительному прибору ПИКА (полевой измерительный комплект аппаратуры) для статического зондирования, известного как у нас в стране, так и за рубежом (было разработано 4-е поколение). Различные модификации давали возможность определить наряду с традиционными параметрами qc, fc также поровое давление Р, боковое давление Рб, температуру t, плотность, влажность, естественную радиоактивность, эманацию радона (радиоактивные источники ГГК, ННК, детектор ГК и α-частиц). В дополнение к этому следует добавить, что комплексирование зондирования и бурения на основе бурения (технология комбинированного зондирования) позволило существенно расширить область применения статического зондирования и таким образом резко повысить эффективность метода. Для практики геотехнического строительства рекомендуется соотношение лабораторных и полевых испытаний в процентном отношении 50 на 50. Французский академик А. Како считает пенетрометр (зонд) наилучшим средством для изучения грунта.

Все вместе взятое позволило впервые в аналоговой или цифровой форме понять и изучить в полной мере неоднородность грунтового массива, флуктуации механических и физических характеристик грунта, характер напластования, при этом была снижена к min систематическая погрешность прибора, а случайные погрешности системы измерений были существенно ниже флуктуации характеристик грунта.

Природное состояние грунта является краеугольным камнем механики грунта. О каком разуплотнении образца, моделировании природной нагрузки, достоверности информации и т. д. можно говорить, если не иметь представления о природном состоянии пород (грунта) с учетом условий образования и эволюции верхних слоев литосферы.

В подавляющем количестве публикаций научно-технической литературы используется термин «грунт» или «грунты» и только. Одним из первых термин «переуплотненный грунт» ввел К. Терцаги. Однако дело тем и ограничилось. Нами в дополнение к «нормальноуплотненному» (это грунт в нашем сегодняшнем понимании) и «переуплотненному» добавлен еще и «недоуплотненный» грунт, и эта терминология уже достаточно широко используется.

Суть этих терминов в том, что условия образования и эволюции верхних слоев литосферы были существенно различными — образование и таяние ледников, возникновение и исчезновение морей и океанов, тектоника, землетрясения, вулканизм и другие процессы.

Нами разработана методика оценки состояния грунта — «переуплотненный», «нормальноуплотненный» и «недоуплотненный» грунт. Следствием этой классификации должно быть существенно новое представление об основаниях и геомассивах, как главном объекте механики грунта и повышение достоверности определений механических характеристик в современном их понимании только за счет моделирования природных нагрузок, как в лабораторных, так и полевых условиях и режима нагружения при испытаниях с учетом состояния грунта. К примеру, по нашим оценкам, на широте Москвы в Московском регионе ледник мог достигать 100 метров над поверхностью земли.

Не решен вопрос природного (бытового) давления gh. Как пишут С. Б. Ухов и другие: «Точное определение начального и исходного напряженного состояния массива грунтов представляет собой сложную задачу, связанную с необходимостью учета многих факторов. До настоящего времени пригодного для инженерных расчетов решения этой задачи еще не получено».

Нами сконструирован прибор — зонд с датчиком нормального давления, который позволяет определить боковое давление и через коэффициент бокового давления рассчитать gh. Пока это единственный экспериментальный способ, который дает реальное представление о gh, существенно отличающееся от сегодняшнего. Таким образом, был исследован грунт в порту Салиф (Йемен).

Нами установлено, что поровое давление в глинистых породах (ниже глубины сезонных колебаний и техногенных воздействий) является элементом памяти образования и эволюции верхних слоев литосферы, открыто, что поровое давление может быть меньше, равно или больше гидростатического, вплоть до литостатического (открытие № 186, РАЕН, 2002), что в принципе дает иное физическое представление о реальном процессе консолидации. (Здесь не рассматриваются случаи аномальных высоких пластовых давлений.)

Нами открыт эффект, который заключается в том, что поровое давление в теле насыпей, образованных гидронамывом, может быть даже меньше атмосферного! В этом случае поровое давление играет некоторую стабилизирующую роль, повышающую устойчивость насыпи. Также разработана методика измерения природного порового давления, основанная на анализе процесса релаксации природного порового давления при его возмущении.

Этот эффект был получен при исследовании устойчивости* насыпи мостового перехода через реку Волга в городе Саратове.

Взвешивающее действие воды используется как для оценки силовых характеристик подземных конструкций, так и для геомассива. Закон Архимеда гласит: «На тело, погруженное в жидкость или газ...». Для глин этот закон практически не применим, поскольку свободной воды в глинах очень мало или вовсе нет. Во-вторых, в каждом случае необходимо установить, что во что помещено, конструкция или грунт в жидкость, или жидкость в грунт, с учетом принципа гидроемкости Терцаги.

Высота капиллярного поднятия hkопределяется не только капиллярными силами, но часто и не столько, а условиями образования и эволюции породы и вполне адекватно описывается нашей капиллярной моделью, где присутствуют четочные капилляры и капилляры Жомена. Эта модель не может дать представление о возможности высокого капиллярного поднятия, например, в несколько десятков метров (К. Терцаги предполагал капиллярное поднятие до нескольких сотен метров).

Установлено, что коэффициент бокового давления не является величиной постоянной, а зависит от вертикальной нагрузки нелинейно. Коэффициент бокового давления для сарматских глин нами изучен на специально сконструированном приборе (жесткое кольцо и высокочувствительный сенсор). В добавление к этому в кембрийских глинах (переуплотненный грунт) коэффициент бокового давления, по данным английских специалистов, может достигать двух!

При устройстве, а затем и нагружении фундаментов, особенно это касается свай, стен в грунте, ограждающих и других конструкций, образуется пограничный слой, который играет существенную роль для оценки работы фундаментов и других конструкций. Исследования грунта статическим зондированием позволили получить некоторые параметры пограничного слоя.

Наиболее эффективным способом исследования геомассивов является использование аппарата теории поля.

Геотехника стала существенно глубже и шире. Разломы, карст, оползни, активная гидрогеология и другие природно-техногенные условия w процессы в значительной мере влияют на проекты зданий и сооружений, особенно на их безаварийную эксплуатацию, поскольку в этом процессе (их реального срока службы) возможно проявление тех или иных природно-техногенных факторов.

Вот те причины, которые заставили разработать новую геотехническую модель: геомассив—основание—фундамент—сооружение.

Принципиальным отличием предлагаемой модели от традиционной «основание— фундамент—сооружение» является то, что она охватывает более широко объект исследований и в полной мере дает представление о характере процесса взаимодействия сооружения с окружающей средой. При этом необходимы организация комплексных инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий геомассивов с учетом природно-техногенных условий, отмеченных выше, и выполнение более полного и активного мониторинга как геомассива, так и самого сооружения с приоритетом воздействия на окружающую среду.

Одним из наиболее важных аналитических вопросов механики грунта является разработка модели грунта. Однако, так нам кажется, этот процесс в том направлении, в котором это имеет место сейчас, не имеет перспектив. Все попытки сводятся к учету различного рода физических факторов — уплотнение, разуплотнение, упрочнение, пластичность, ползучесть, текучесть... Все без исключения модели грунта основаны на трех телах Ньютона (N), Гука (Н) и Сен-Венана (STv), и что очень важно, они являются непрерывными (аналоговыми). Грунт по своей природе является дискретно-аналоговым телом. Ему присущи как дискретные, так и аналоговые свойства, причем они проявляются уже при небольших (реальных строительных) нагрузках, например, в условиях лесса, торфа, сапропеля. Нами предложена принципиально новая аналогово-дискретная модель. Суть ее состоит в том, что к известным телам N, Н и STv добавлено новое «хрупкое» тело KR, которое придает модели новое свойство- дискретность, которое возможно представить в виде d функции Дирака. Эта новая модель физически связывает все вышеназванные свойства воедино. Это значит, что грунт наделен свойствами прочности, деформируемости и дискретности как единое целое, и проявление этих свойств имеет место практически при любом напряженном состоянии, но количественное соотношение этих свойств определяется качеством грунта. Это принципиально меняет подход к описанию поведения грунта под нагрузкой. Кстати сказать, эта модель адекватно работает и для бетонов, в перспективе она будет использована и в металлах. Аналогово-дискретная модель вполне вписывается в теорию энергетической прочности бетона, начатки которой были заложены Е.А. Гузеевым.

Наконец, еще один важный вопрос новой механики грунта. Это идеология, если хотите — философия расчета. На данный момент существующие методы расчета оснований по предельным состояниям: первая группа — по несущей способности, вторая группа — по деформациям. В принципе эта же идеология имеет место в бетонах и в металлах. И здесь также идет процесс улучшения, совершенствования путем введения различных коэффициентов, учета и уточнения факторов, влияющих на расчетные схемы. Использование современных программ Plaxis, Diana, z Zoil, ANSYS, отечественных программ не может быть эффективным в рамках этой идеологии, тем более что в ряде случаев, например, Plaxis дает результаты существенно хуже, нежели результаты (расчеты) по СНиП.

Нами показано, что, по сути (с физической точки зрения) эти оба расчета (по несущей способности и деформациям) взаимосвязаны, взаимозависимы, и трактовать их как две самостоятельные группы предельных состояний некорректно.

Взамен этого предлагается вести все расчеты оснований на основе аналогово-дискретной модели грунта, рассмотренной выше.

Еще один немаловажный аспект, касающийся всякого рода расчетов. Все они ведутся по так называемым средним (нормативным) значениям механических и физических характеристик грунтов, бетонов, металлов и других материалов, что собственно и не вызывает каких-либо особых вопросов. Но вот когда речь идет о совместных расчетах или расчетах с использованием специальных программ и простых инженерных решений, глубина осреднения характеристик и допущений может быть вполне соизмерима, и логика простых инженерных решений может даже иметь преимущество. Детерминистский подход при расчетах с использованием современных программ должен быть дополнен вероятностными оценками.

Известные специалисты Р. Катценбах, X. Г. Пулос и другие делают следующее допущение. Модуль деформации растет с глубиной по линейному закону. Это допущение используется при расчетах свайных, плитно-свайных и других фундаментов, что является в принципе неверным. Тем не менее, по данным авторов, получается удовлетворительная сходимость расчетов и реальных осадок. Здесь уместно привести одну летучую фразу в геотехнике: расчетам не верит никто, эксперименту верят все, кроме экспериментатора. Такое допущение (модуль растет с глубиной по линейному закону) в том случае, когда оно используется в современных программах расчета, не может дать более точного результата, чем простая механическая модель, предложенная нами, основанная на реальных параметрах грунта, что и было продемонстрировано при альтернативном расчете осадки одного из высотных домов во Франкфурте-на-Майне.

И, наконец, о температуре геомассива, основания и грунта. Что касается мерзлого грунта, то температура грунта, основания и геомассива имеет определяющее значение для оценки физико-механических и химических свойств. Вместе с тем исследованиям температуры обычного (немерзлого) грунта в связи с техногенными и природными факторами не уделялось должного внимания. Известные немногочисленные исследования (А. Кезди, В.А. Барвашов, Д.В. Паранин и др.) касаются различного рода техногенных факторов и их влияния на свойства грунта. Однако с 90-х годов в связи с активизацией исследований в окружающей среде и состоявшихся уже восьми международных конгрессов по экологии в геотехнике исследования температуры и температурных полей хвостохранилищ, отвалов, свалок и других объектов стали системными. Нами впервые были начаты систематические измерения температуры грунта в связи с природными факторами. Разработана новая конструкция прибора, методика и технология измерения температуры грунта. Это позволило обнаружить мощный тепловой поток от соляного диапира, направленный на порт Салиф (Йемен), возникший в результате тектоники. Температура основания порта на 3-5 градусов выше температуры моря. По нашим оценкам, фоновая температура грунта г. Москвы не ниже температуры г. Калуги и г. Саратова.

Разработан новый метод оценки устойчивости склонов и откосов на основе параметров qc, f0 (традиционные параметры статического зондирования), Р (порового давления) и t (температуры) в добавление к традиционному бурению, включающий как составную часть мониторинг, который в той или иной мере был использован в городах Ташкенте, Усть-Каменогорске и Ульяновске.

И, наконец, общее впечатление о сегодняшней геотехнике. Проблема строительства на так называемых слабых грунтах — одна из самых острых как с точки зрения механики грунта, так и с экономической точки зрения. Не вдаваясь в подробности этой проблемы, следует привести изречение Петра I при строительстве Санкт-Петербурга: «Уложения и жалования в фундаменты не жалеть».

Современная механика грунта, можно сказать, исчерпала себя, отдельные попытки улучшить приборную базу, методологию испытаний, модели грунта, расчетные схемы, тем более, когда это делается на очень малом сегменте всей механики грунта, не могут дать существенного, положительного результата. Все это усугубляется еще и тем, что прогресс геотехники в технологиях, оборудовании, материалах опережает прогресс в механике грунта.

Более 35 лет исследований в области механики грунта, выполненные при этом фундаментальные исследования, крупные проекты и большое количество экспериментальных исследований в Европе, Азии, Африке, соавторы в разработке более 10 нормативных документов, авторы более 400 работ, включая научное открытие, четыре монографии, более 40 патентов позволили нам дать общую оценку состояния механики грунта и определить новые направления ее развития.

Если кратко сформулировать основные положения концепции новой механики грунта, то можно констатировать:

1. Измерения в широком смысле должны быть поставлены на более высокий уровень, с учетом инерционности грунта.

Результат — новое физическое и графическое представление связности, угла внутреннего трения, прочности, модуля деформации, коэффициента бокового давления и других основных параметров механики грунта.

2. Природное состояние геомассивов должно учитываться посредством следующей классификации: «переуплотненный», «нормальноуплотненный» и «недоуплотненный» грунт, а также реального природного (бытового) давления и порового давления.

Результат — разработка новой идеологии испытаний грунта, основ консолидации грунта.

3. Геотехническая модель: геомассив—основание—фундамент—сооружение.

Результат — более полное представление о воздействии природных и техногенных процессов и явлений на геотехнический объект.

4. Аналогово-дискретная модель грунта адекватно отражает все свойства пород. Все механические свойства грунта, включая дискретность, проявляются практически во всем диапазоне воздействия, имея лишь различную значимость.

Аналогово-дискретная модель грунта может быть распространена на бетон и металл.

Результат — исследование механизма поведения грунта под нагрузкой с физическим наполнением дискретности.

5. Идеология расчета должна учитывать как непрерывные, так и дискретные свойства пород.

Результат — расчет должен быть по несущей способности, связанной с осадкой (деформацией).

6. Совместный расчет геомассивов — оснований—фундаментов—сооружений должен выполняться с учетом характера распределения и статистических оценок основных расчетных параметров геотехнической модели, в особенности — геомассивов и оснований.

Уверены, что концепция новой механики грунта позволит создавать более надежные и долговечные строительные объекты различного назначения.

Борис Кулачкин, заведующий лабораторией филиала ОАО ЦНИИС «НИЦ «Мосты», академик РАЕН;
Алексей Родкевич, ведущий научный сотрудник, член-корреспондент РАЕН.

Добавить комментарий

Вы можете добавить комментарий, заполнив форму ниже в формате простого текста. WWW и email-адреса преобразуются в ссылки автоматически. Комментарии модерируются.

Вопрос: Сколько будет 10 + 4 ?
Ваш ответ: