Модуль деформации отменяется!

В заголовок данной статьи вынесено утверждение ученого из Новосибирска. В минувшие полгода изобретатель, к.т.н. Анатолий Ким выпустил ряд публикаций, посвященных неадекватности механизмов современной механики грунтов в решении задач проектирования оснований сооружений. Подчеркнув консерватизм и отставание механики грунтов от задач проектирования в строительной отрасли, он сделал довольно-таки шокирующее заявление о неприятии такого понятия, как модуль деформации грунта. Более того, по его мнению, модуль деформации просто не существует, это фикция. В отличии от А.Кима, автору настоящей публикации понимается, что любое математическое или физическое понятие возникает не на пустом месте, а только тогда, когда оно востребовано текущими потребностями человеческой деятельности, то есть тогда, когда появляется объективная необходимость отразить те или иные явления в природе с помощью этих понятий. Например, когда-то не существовало и такого понятия, как модуль упругости. Но с развитием металлургии, с началом выплавки стали и чугуна, которые стали активно использоваться человеком в качестве материала при создании сначала орудийных стволов и лафетов, затем – мостовых сооружений и транспортных судов, а впоследствии и в более обширной практике промышленного производства и строительства, появился и модуль упругости. Методом проб и ошибок люди начали постепенно понимать: чтобы более эффективно и с меньшими затратами использовать результаты своего труда, необходимо действовать не по наитию, а прогнозируя поведение будущих сооружений. Так появилась потребность осознать, понять и осмыслить определенные закономерности, наблюдаемые в процессе претворения задуманного проекта в практическую плоскость.

Одним из основоположников, посвятивших свой труд этой цели, был Роберт Гук, выяснивший, что нагрузки на сооружение и его последующие деформации связаны между собою определенным образом. Связь эту он отразил в таком понятии как модуль деформации металла, впоследствии получившим название модуль Гука. Сегодня он является одним из базовых понятий в механике сооружений.

То же самое случилось и с введением в повседневный оборот такого понятия, как модуль деформации грунта. Потребность в нем появилась с тех пор, как строительство сооружений в соответствии с все возрастающими потребностями населения планеты приняло массовый характер. Чтобы строить с оптимально необходимыми затратами, минимизируя материальные и трудовые ресурсы, в практику инженерных изысканий было введено понятие модуля деформации, уже получившее к тому времени заслуженное признание в проектировании разного рода конструкций из металла. Только теперь он понадобился уже для прогноза поведения не металла, а грунтового основания.

Трансформация модуля деформации

В последнее столетие происходит постепенная трансформация понятия модуля деформации грунта, многими еще до конца не понятая. В начале прошлого века он практически был тем же самым, что и модуль Гука, и сохранил его структуру, отражающую связь между нагрузкой на объект исследования (в данном случае – грунты основания) и его деформациями. Тем самым сохранялась преемственность понятия модуль деформации от понятия модуль упругости. При этом для грунтов было сразу же принято считать, что теперь модуль деформации отражает не только упругие деформации основания, но и остаточные. Чтобы отразить эту преемственность, но в то же время подчеркнуть и отличие, вместо модуля Гука было введено другое название – модуль общей деформации.

Последующая во времени трансформация выражается в том, что постепенно приходит понимание: структура формулы Гука недостаточна и не отражает полностью всю сложность взаимосвязи между нагрузкой на сооружение и деформациями основания. Еще одним дополнительным фактором, не учитываемом до сего дня, но существенно влияющим на характер распределения деформаций, является жесткость сооружения.

В материальном плане такого понятия, как модуль деформации действительно не существует. И это понятно. Его нельзя увидеть, пощупать руками. Но это никому и не нужно. Модуль деформации – это не предмет материальной среды, а математическая формула, отражающая коррелятивные связи между определенными факторами. И в этом плане ему нельзя отказать в праве на существование, как и нельзя отказать в праве на существование самой математике, как дисциплины вообще. Модуль деформации грунтового основания – это материализованная в нашем сознании характеристика сжимаемости грунтового основания, учитывающая влияние существенных внешних (нагрузка, жесткость сооружения) и внутренних факторов (свойства основания). И в этом плане он как был, так и до сего времени остается компонентом, помогающим осуществлять расчеты деформаций грунтовой среды основания.

Другое дело, что значения модуля неоднозначны и всегда требуют от изыскателя или проектировщика выбора одного из многочисленных значений. Но это неизбежно, поскольку многозначность выбора определяется многочисленностью методов исследований.

На сегодня принято считать, что наиболее адекватные значения дает модуль деформации, определяемый штамповыми испытаниями грунта. Физическое обоснование такому заключению давно известно. Штамповый модуль деформации почти единственный, который отождествляется с деформациями грунтовой среды, а не грунта вообще. Данный метод наиболее близко соответствует реальным механизмам поведения грунта в основаниях фундаментов сооружений как в плане поэтапной последовательной передачи статической нагрузки на основание, так и в плане линейного роста осадок в процессе пробного нагружения, соответствующего такому же линейному росту, наблюдаемому при мониторинге фактических осадок реальных сооружений. Утверждения, что осадки развиваются нелинейно – ложны, поскольку нелинейная фаза наблюдается за пределами несущей способности грунта, превышения которого ни в коем случае не следует допускать. Нелинейная фаза в поведении основания сооружения фактически означает начало его (сооружения) разрушения.

На сегодняшний день альтернативы модулю деформации или его аналогу – коэффициенту постели грунта, нет.

Динамическое зондирование

Предлагаемый Анатолием Кимом метод исследований грунта является, безусловно, инновационным и весьма перспективным, имеющим весьма солидную инвестиционную привлекательность. В США динамическое зондирование, в отличии от России и Европы, до сего времени используется как базовый способ оценки несущей способности грунта и применяется в обязательном порядке при проектировании всех ответственных сооружений. Однако предлагаемый новый метод имеет неоспоримые преимущества по сравнению с традиционным методом динамического зондирования, используемым в США, благодаря своей высокой производительности, большей информативности и мобильности. В США, вероятно, он был бы принят очень быстро, даже несмотря на все сложности перестройки в таком случае уже выстроенных законодательных принципов в проектировании и изысканиях.

В России с появлением статического зондирования практика динамического зондирования прекратила существование. Это произошло примерно в середине 70-х годов прошлого века. Но это вовсе не означает, что прекратила окончательно и навсегда. Предлагаемый новый метод позволяет заменить дорогостоящее и экологически небезопасное бурение при стратификации грунтовой толщи на расчленение ее на отдельные инженерно-геологические элементы. В этом плане он, видимо, будет достойно конкурировать и со статическим зондированием. Причем уже на начальном этапе его внедрения в практику изысканий. В силу присущих ему особенностей, перечисленных выше, нишу для своего применения в изыскательской практике России метод динамического зондирования нового образца всегда найдет.

У статического зондирования есть один серьезный недостаток. Оно ограничено достаточно небольшой предельной глубиной зондирования. Насколько в этом плане ему составит конкуренцию новый метод динамического зондирования пока не совсем ясно. Автор изобретения, к сожалению, не показал все возможности своего метода. Не известны предельная глубина зондирования; средняя рейсовая скорость зондирования в грунтах средней плотности и плотных; оптимальные диапазоны веса ударной части, высоты ее подъема, размеры сечения штанг и конусного наконечника; имеются ли наработанные данные по отказоустойчивости оборудования; каковы по его данным могут быть наиболее проблемные узлы установки; автоматизированы ли спускоподъемные операции. Оперируя этими сведениями, уже сейчас можно повысить маркетинговую привлекательность созданного оборудования. Конечно, многое из перечисленного может быть приведено пока лишь в качестве ориентировочных сведений. Но они, несомненно, будут представлять интерес для заинтересованных сторон.

Западная Сибирь всегда славилась своими научно исследовательскими и учебными институтами. Только в одном Новосибирске не менее десятка предприятий, которым не безынтересны проблемы геотехнического проектирования. А сколько находится в ближайшей округе! Города Западной Сибири расположены кучно друг от друга, на небольших расстояниях. Надо показать этим предприятиям возможности и перспективы нового метода, вовлекать их в совместную работу, накапливая практический опыт. Следует объяснять им, что кто не успел, тот опоздал.
Что же касается основного прицела автора изобретения, а именно найти замену модулю деформации при расчете деформаций оснований, то здесь, как говорится, еще конь не валялся. Предстоит не простая работа по накоплению, систематизации и сопоставлению новых закономерностей с прежними, традиционными. Наверное, это работа не на год и не на два. Но тем и легче привлечь к сотрудничеству подлинных ученых, которыми всегда славилась Западная Сибирь. Было бы интересно создать совместно с ними совместное малое предприятие научной и одновременно практической направленности. Использовать преимущества малого предприятия: мобильность в принятии решений и не отягощенность администрированием. И главное понять, что Центр, то есть Москва со всем ее научным потенциалом, в пропаганде и распространении нового, здесь даже не помощник, а скорее соперник, чувствующий и не приемлющий конкуренцию. Слишком велика здесь инертность и зацикленность на простые и не трудоемкие способы извлечения прибыли.