Сравнительный анализ лабораторных методов испытаний грунтов, основанных на отечественных и зарубежных нормативных требованиях

На протяжении последних 10 лет между специалистами строительной отрасли ведутся ожесточенные споры о необходимости практического применения иностранных методов испытаний и проектирования. Одни утверждают, что нам есть чему поучиться у коллег из-за рубежа, и порой целесообразнее взять готовые технические решения, чем «изобретать велосипед». Другие возражают, аргументируя свою точку зрения тем, что наши природно-климатические и геологические условия существенно отличаются от Европы и Америки, и достоверно неизвестно, возможно ли принять западный опыт в изысканиях и проектировании без ущерба для безопасности. При этом в советское время было спроектировано и построено достаточно много объектов, не имеющих аналогов в мировой практике. Некоторые из этих сооружений безаварийно эксплуатируются более 50 лет, а значит, наш отечественный опыт ни в чем не уступает, а возможно и превосходит западные аналоги.

В данной статье предлагается рассмотреть этот вопрос в несколько иной плоскости. Независимо от географического положения, политического строя и исторического этапа развития одной из основных целей проведения проектно-изыскательских работ является обеспечение безопасности сооружения в процессе его возведения и эксплуатации. На протяжении всей истории люди стремились построить дома, храмы, мосты и дороги «на века». Пути достижения этой цели в разные этапы развития человеческой цивилизации были различными. Каждое поколение инженеров вносило свою лепту в инженерную науку, пытаясь обобщить опыт предшественников и свой собственный. Так появлялись трактаты, статьи, монографии и рекомендации, содержащие в себе методы и приемы испытаний, расчетов и т.д.

Фундаментальные исследования, аналитические решения и обобщенный опыт предыдущих поколений составляет основу нормативно-методической базы. Представляется, что состояние нормативно-методической базы является хорошим индикатором уровня развития научно-технического прогресса в стране, ведь в рутинных испытаниях, в проектировании, в производстве мы, прежде всего, руководствуемся требованиями ГОСТов, СНиПов и т.д.

Ретроспектива

Методология инженерно-геологических изысканий и проектирования базируется на фундаментальных научных основах и практике возведения сооружений подобного типа в тех или иных инженерно-геологических условиях. Нужно признать, что далеко не всегда аналитических решений, полученных из фундаментальных принципов, достаточно для решения прикладных задач.

В прикладных технических науках в тех случаях, когда сложно получить аналитические зависимости нескольких безусловно зависимых друг от друга величин, отражающих те или иные свойства объекта исследований, часто используются эмпирические формулы. Эти формулы (графики, таблицы) представляют собой соотношение проявления изучаемых свойств в поведении объекта в натуре с результатами испытаний. Подобные зависимости получены методами статистической обработки большой выборки данных с реальных объектов, которые были собраны в процессе длительных специальных наблюдений и мониторинга или методами физического моделирования. Примеров, которые оправдывали бы такой подход в технических науках, очень много, и не только в инженерных изысканиях и проектировании. Из наиболее известных – опыты Циолковского по обтеканию воздушным потоком тел различной геометрической формы или опыты Никурадзе в гидравлике. На базе таких исследований создаются целые теории, а их результаты используются в практике инженерных расчетов.

В инженерной геологии и строительном проектировании применяется целый ряд подобных зависимостей. Они входят в нормативно-методическую литературу в виде формул, коэффициентов и таблиц. Одним из примеров такой эмпирической зависимости может являться масштабный коэффициент Мк для перехода между значением модуля деформации Eк, полученным методом компрессионных испытаний, к модулю деформации E, полученным в штамповых испытаниях, и применяемому в расчетах. И подобных примеров можно привести достаточно много.

Таким образом из фундаментальных принципов и эмпирических зависимостей складывается некая стройная картина, которую часто и подразумевают, говоря о той или иной школе проектирования. Несмотря на одни и те же фундаментальные принципы, существуют различия в подходах и методах изысканий и проектирования, обусловленные практикой возведения сооружений, учитывающей и разные инженерно-геологические условия, и тип сооружения, и технические возможности, и стоимость исследований и многие, многие другие факторы.

Нормативно-методическая база в СССР разрабатывалась ведущими отраслевыми проектными институтами на протяжении долгих лет. При их разработке учитывался опыт возведения сооружений данного типа, природно-климатические условия и многие другие факторы, являющиеся принципиально важными и значимыми для сооружений того или иного типа в разных условиях.

Советская методическая база создавалась и состояла из отраслевых и региональных норм. Отраслевые нормы содержали методы и приемы расчетов с учетом специфики возводимых сооружений. В региональных нормах делался акцент на специфику изысканий и проектирования в тех или иных природно-климатических условиях. Кроме методов проектирования и методов расчета в региональных и отраслевых нормах содержится также целый ряд методов исследований грунтов, которые не входят в общегосударственные стандарты. Последние содержат только наиболее общие методы исследования грунтов, часто применяемые в практике. Зачастую для проектирования сложных и уникальных сооружений недостаточно тех данных, которые получены в результате только стандартных испытаний. По сложившейся практике, к сожалению, никакие другие виды исследований, кроме предусмотренных ГОСТ, в технических заданиях не прописываются, хотя и имеют место в отечественной нормативной литературе. Некоторые из них применяются достаточно широко, как например, определение угла откоса песков [2], а некоторые имеют сугубо специфическое назначение и применяются редко, лишь в специальных случаях, как например, прямое определение вязкости грунта [3]. Подробное описание методов проведения таких исследований можно найти в приложениях к ведомственным и отраслевым руководствам по проектированию, а также в специальных руководствах по лабораторным и полевым методам исследований грунтов для тех или иных целей (мониторинга, геотехнического контроля и т.д). Можно отметить, что методов испытаний грунтов в отраслевых и региональных стандартах содержится на порядок больше, чем в общегосударственных стандартах.

Зарубежный опыт

В отличие от отечественной практики, в Соединенных Штатах, например, подобные методики выведены в отдельные стандарты с соответствующим номером: ASTM D... . Т.е. каждый метод выведен в отдельный стандарт. В таком подходе есть свои плюсы и свои минусы. С одной стороны, чем больше стандартов, тем больше требуется времени и средств на то, чтобы эти стандарты периодически обновлять и пересматривать. С другой стороны, это позволяет специалистам, непосредственно осуществляющим испытания грунтов, лучше ориентироваться в разнообразии методов и приемов, применяемых в практике, а производителям оборудования для исследований делать его более универсальным.

В ЕС подход к унификации и стандартизации методов исследований грунтов похож на отечественный: в единых стандартах ISO содержатся только наиболее часто применяемые методы исследований, и те, на которых базируется общая классификация грунтов, принятая в ЕС. Проведение дополнительных исследований и применение в практике проектирования дополнительных эмпирических коэффициентов и зависимостей, полученных в результате обобщения опыта возведения тех или иных сооружений и мониторинга за ними, а также использование национального опыта стран-участников Евросоюза, и их региональных классификаций и методов, не отрицается [4].

Объясняя на примерах

О различных подходах к классификации грунтов для целей инженерных изысканий и проектирования говорилось уже много. Напомню, что классификация дисперсных грунтов в зарубежных стандартах основана на гранулометрическом составе грунтов, в то время как в отечественной практике принято два классификационных признака: для связных грунтов – число пластичности, а для несвязных – гранулометрический состав. Такой подход к классификации связных дисперсных минеральных грунтов (по числу пластичности) многократно себя оправдал в практике в виду того, что число пластичности совместно с показателем текучести хорошо коррелируется с прочностными свойствами грунтов.

Рассматривая советские и зарубежные методы испытаний грунтов для инженерно-геологических целей, можно заметить, что для многих западных методов испытаний существуют практически полные отечественные аналоги. Но можно ли заменить одни методы другими или, допустим, получить переходные коэффициенты между численными результатами испытаний, проведенных разными методами? К сожалению, это возможно далеко не всегда. Связано это, прежде всего, с тем, что, несмотря на схожесть методов, численные результаты испытаний существенно зависят от пробоподготовки и условий проведения эксперимента. Различия в методах–аналогах часто и заключается в различных способах подготовки образцов к проведению эксперимента и разных условиях проведения испытаний. Несколько простых примеров наглядно это показывают.

Пример 1. Такие характеристики прочности грунта, как сцепление и угол внутреннего трения зависят не только от вида грунта, но и от того, каким методом эти характеристики получены. Например, если грунт испытывается методом простого среза, кольцевого среза или трехосного сжатия на образцах ненарушенной структуры, будут получены разные значения величин сцепления и угла внутреннего трения. Не всегда совпадают и результаты испытаний прямого среза в кинематическом и статическом режиме.

Но даже если сравнивать результаты испытаний, полученных методом одноплоскостного (прямого) среза с постоянной скоростью сдвига (в кинематическом режиме), то значения с и ц будут существенно зависеть от скорости среза. Критерии определения скорости среза, принятые в российской и зарубежной практике различны, и, проводя испытания одним и тем же методом, будут получены численно разные результаты.

Какой же результат считать в данном случае верным и какой использовать? Ответ на этот вопрос, если подумать, очевидный: каждый результат верен. Но если при проектировании используются эмпирические данные, полученные определенным методом, то именно этим методом должны быть проведены испытания. Ведь в каждом конкретном случае, в каждой постановке эксперимента, доля проявления значимых свойств может быть различна, а эмпирические зависимости, по сути, получены для испытаний в определенной постановке эксперимента.

Пример 2. При проведении лабораторного определения максимальной плотности по ГОСТ 22733 и по методу Проктора по ASTM D698 будут получены разные значения максимальной плотности при оптимальной влажности для одного и того же образца. Если внимательно рассмотреть способы подготовки проб к испытанию, то можно увидеть, что требования к гранулометрическому составу проб разные. Отличаются также массы трамбовочных устройств, применяемые в лабораторных испытаниях. Все это приводит к разным численным результатам лабораторных исследований. А ведь эти результаты эмпирически увязаны с методами тромбования, применяемыми в сооружении насыпей, с мощностью применяемых механизмов и т.д.

Иногда в силу различных причин испытания не могут быть проведены тем методом, который подразумевает проектный расчет. В специальной литературе встречаются статьи, которые содержат в себе результаты сопоставления численных величин свойств грунтов, полученных разными методами, но нельзя однозначно утверждать, что подобные коэффициенты универсальны для любых разновидностей грунтов. Если в процессе изысканий испытания грунтов проводятся иными методами, чем те, которые подразумеваются в расчетных алгоритмах проектирования, то представляется целесообразным заранее согласовывать это с проектной организацией – заказчиком. И если результат испытаний впоследствии будет пересчитан введением неких переводных коэффициентов (что, вообще говоря, допускается), то в документе, содержащем результаты исследований, этот факт также должен отражаться со ссылкой на источник, из которого переводные коэффициенты были взяты. Возможно, такой подход позволит хотя бы в некоторой мере сократить несогласованность действий между изыскателями и проектировщиками и проводить испытания грунтов таким образом, чтобы их результаты были необходимыми и достаточными для принятия верных проектных решений. Подобный подход, по мнению автора данной статьи, будет способствовать правильному пониманию численных результатов испытаний грунтов и специалистами в области инженерных изысканий, и специалистами в области проектирования.

В заключении хотелось бы обратить внимание на еще один момент: можно ли утверждать, что четкое следование нормативным документам на всех этапах инженерных изысканий и проектирования гарантирует безопасность возведения и эксплуатации сооружения? Наверное, нет. Скорее можно утверждать, что четкое следование стандартам значительно уменьшает риск возникновения опасной ситуации, хотя и не исключает его полностью. Нормативная база включает в себя опыт многих поколений инженеров, и отказываться от него, по меньшей мере, бессмысленно. С другой стороны, каждое сооружение по-своему уникально и если создание нормативной базы не успевает за научно-техническим прогрессом, это вряд ли может быть основанием для отказа от возведения новых и современных уникальных сооружений.

Список документов

1. РД 31.31.55-93. Инструкция по проектированию морских причальных и берегоукрепительных сооружений. Минморфлот, М., 1993, 352с
2. РСН 51-84 Инженерные изыскания для строительства. Производство лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов. Госстрой РСФСР. М.,1984, 16с
3. РД 34 15.073-91 Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве М.,1991,302с
4. ISO 14688-2 – 2009 Geotechnical investigation and testing. Identification and classification of soil — Principles for a classification.