Некоторые проблемы, связанные с реконструкцией сооружений. Часть 3

Несмотря на широкое применение свай, такое понятие, как «несущая способность свай» не получило полноценного, всеобъемлющего, адекватного и универсального во всех случаях толкования. Это привело к тому, что многие специалисты даже спустя много лет после завершения строительства здания на свайном основании склонны рассуждать о несущей способности свай данного сооружения. И не только рассуждать, но и пытаться проверять ее экспериментально. Более того, получая совершенно необъяснимые с точки зрения логики результаты невероятно трудоемких и даже небезопасных экспериментов, энтузиасты этой затеи продолжают упорно утверждать, что она приносит им конкретную полезную информацию. В мире науки и техники вряд ли найдутся еще подобные примеры систематического проведения опытов, основанных исключительно на догматических представлениях их участников, не желающих и даже не пытающихся непредвзято проанализировать их результаты. Такое возможно при явном попустительстве той части научного сообщества, которому безразлично состояние науки в нашей стране и технологическое отставание уже не только от ведущих, экономически развитых стран, но и от стран третьего мира.

Можно было бы не обращать внимание на такую практику проведения испытаний, если бы за ней не стояла уйма бездарно потраченного времени, людских и материальных ресурсов. Настойчивость, с которой продвигаются требования проведения испытаний свай в фундаментах существующих сооружений, заставляет подозревать, что за ней кроется банальное стремление заинтересованных сторон навязать заказчику совершенно не нужные тому услуги. Разумеется, не бесплатно. Хотя не исключено, что свою роль играют и недостатки образования, свойственные современной отечественной профессиональной школе, где чаще всего учат лишь умению прилежно запоминать, в просторечье зубрить содержание преподаваемой дисциплины. И только во вторую или третью очередь некоторые из преподавателей пытаются пробудить у студента желание мыслить самостоятельно. Конечно, куда проще сослаться на готовые прецеденты, снимая с себя автоматически всякую ответственность и за уровень преподавания, и за прикладное содержание предмета. Немалую роль в этом консервативном мышлении сыграло и отсутствие у преподавателей элементарного собственного понимания существа проблемы.

Весьма загадочно, насколько редко в научной среде ставится вопрос, что же такое несущая способность свай, насколько полно это понятие отвечает потребностям проектирования, какую роль играют сваи в каждый текущий момент строительства и как это отражается на стабильности поведения конструкций самого сооружения. Западные аналитики такие вопросы хотя бы ставят перед собой. О этом свидетельствуют многочисленные попытки найти волшебную математическую, но более – графоаналитическую формулу, которая давала бы наиболее точное определение этой величине. Известны направленные на это попытки Дэвиссона, Хансена, Чена. Здесь перечислены только самые популярные методы, поскольку общее их количество очень велико и, вероятно, не все из них широко известны. Насколько они успешны и имеют ли перспективы? Ответ на эти вопросы, пока скорее отрицательный. Главное, что мысль ученых не стоит на месте, а значит и будет продвижение к успеху. В нашем авторитарном научном сообществе такие попытки даже не возможны. Выскочку одиночку тут же заклюют. К тому же, в научной публицистике широко открыты двери для рерайтеров, имитаторов и прочего рода банальных повторителей уже давно опубликованного. Консерваторы приветствуются прежде всего потому, что не посягают на основы старого содержания механики грунтов и не способны скомпрометировать устаревшие научные авторитеты. Консерваторы – это символ застоя, но гарантия от любых потрясений.

Перемещение отдельно взятой сваи изменяет ее несущую способность, перемещение группы свай формирует другой тип фундамента

Продолжая тему экспериментального исследования несущей способности свай в законченных строительством сооружениях, нельзя не отметить, что наиболее упертыми и одиозными приверженцами консервативного подхода в этом деле являются не рядовые исполнители и косные обыватели строительного бизнеса, а вполне известные ученые. Они в порядке борьбы с инакомыслием и примитивизмом пытаются объяснить, что несущая способность свай по грунту – всего лишь достаточно условная величина, соответствующая нагрузке сваи при заданной осадке. А раз так, зачем копать глубоко? Кому и зачем это нужно? Примерно такая мысль прослеживается у солидного кандидата технических наук из Новосибирска, видного ученого в области оснований и фундаментов. Воистину гениальное открытие, сделанное этим известным сибирским ученым, если учесть, что все в мире, вне зависимости от наблюдательности этого ученого, достаточно условно и каждая физическая или механическая величина всегда определяется теми или иными условиями опыта. Без задания таких условий обесценивается и теряет смысл и сама измеряемая величина. Уже то, что этот известный ученый не забывает добавлять к сочетанию несущая способность сваи уточнение «по грунту», говорит о том, что сам он вполне осознает это необходимое и достаточное условие, непременно свидетельствующее, что несущая способность сваи может формироваться и неизбежно должна выявляться и определяться только в условиях перемещения сваи относительно окружающего грунта.

Мгновенная реакция, с которой откликнулся уважаемый сибирский ученый на предыдущую статью [8], говорит о том, что эта тема близка ему по содержанию и знает он ее не понаслышке. Однако та возмущенная энергия протеста, с которой он настаивает на прежнем консервативном подходе, скорее всего говорит о том, что он не просто сторонник такого подхода, но и активный его участник, как минимум содействующий и активно помогающий развивать в той или иной форме данный подход на практике.

То, что испытуемая свая в момент проведения испытания лишена возможности перемещаться относительно прилегающего грунта в пространстве, что остаточная деформация сваи составляет ничтожную долю в сравнении с упругой, что в подавляющем большинстве случаев она соизмерима с точностью показаний приборов, нисколько его не смущает. Как не смущает и то, насколько не соответствует требованиям нормативных документов та организация опорной реперной системы, на которой строится само испытание. И вот на основе таких сомнительных опытов и соответственно таких же результатов, заказчику озвучиваются глубокомысленные выводы и рекомендации, затрагивающие самое важное – прогноз несущей способности всего сооружения. Не желая вступать в полемику и не находя солидных аргументов в защиту своей позиции, такого рода ученые используют любимый прием оборонительной тактики. Основное содержание такого приема: автор инновационных идей – чужеродный для научной среды человек, а значит априори недостаточно умный и образованный.

Однако возвратимся к сути дела. Еще с древних времен наши предки понимали, что на зыбком основании невозможно построить что-либо устойчивое. Поэтому они старались преобразовать зыбкое основание в устойчивое. Одним из вариантов таких преобразований стало применение свай. Было ясно, что только с помощью свай можно с наименьшими затратами уже изначально передать усилия от внешней нагрузки на нижележащие, иногда достаточно глубокие, слои плотных грунтов. Плотные грунты под влиянием внешней приложенной нагрузки формировали силы упругости на контактах своих частиц. Чем большее число контактов возникало, то есть чем больший их объем захватывал окружающее сваю пространство, тем мощнее была сила сопротивления, уравновешивающая силу внешней нагрузки. Естественно, необходимым условием мобилизации этих внутренних сил являлось само перемещение сваи относительно окружающей грунтовой среды.

Возникал своеобразный парадокс: перемещение сваи составляло обязательное и необходимое условие, обеспечивающее мобилизацию сил сопротивления и ограничивающее тем самым дальнейшие пределы этого перемещения. Или, иначе говоря, перемещение сваи обеспечивало необходимое условие, способствующее созданию предельного равновесия между внешней нагрузкой и внутренними силами отпора, не позволяющее развиваться дальнейшим деформациям. По мере роста нагрузок на сваю предельное равновесие создавалось на все более значительных уровнях деформаций. И это последовательно происходило до тех пор, пока не наступал момент запредельного роста деформаций, когда даже при незначительном уровне повышения нагрузки происходил резкий срыв опытной сваи или наступало недопустимое самопроизвольное нарушение жесткости опорной конструкции, исключающее саму возможность дальнейшего проведения опыта. Все вышесказанное относится к поведению свай при испытании их в открытом пространстве. Именно в этих условиях и проводится подавляющее число полевых испытаний свай, регламентированных нормативными документами. Именно на основе таких опытов с давних пор определяется несущая способность свай в рядовых строительных условиях. Такая практика позволяет, как считают ученые, в дальнейшем облегчить проектирование и легко рассчитать необходимое количество свай для каждого фундамента проектируемого объекта. То есть, несущая способность свайного основания является величиной исключительно расчетной, не заслуживающей подробного истолкования. Введение в повседневную практику этого понятия предполагало единственную цель – выяснить максимальную нагрузку, которую может выдержать единичная опытная свая в конкретных грунтовых условиях. А дальше достаточно знаний обычной математики.

Реальная и виртуальная несущая способность свай

В то же время, в силу разных причин, о которых будет упомянуто позднее, на поверку оказывалось, что максимальная нагрузка, которую способна выдержать отдельная свая, сама по себе не представляет большого интереса, поскольку является величиной абсолютно виртуальной, имеющей малое отношение к реальной, практически востребованной несущей способности. Уже хотя бы потому, что реальная несущая способность сваи – это величина всегда переменная, постоянно меняющая свое значение в процессе роста нагрузки. Уже то, что в самой характеристике этого свойства сваи говорится о способности сваи оказывать сопротивление внешним воздействиям, подтверждается, что эта величина переменная, содержащая внутренние потенциальные возможности. А сами результаты опытных работ достаточно ясно показывали, что она однозначно по мере роста нагрузки, расходуя свой потенциал, склонна к уменьшению. Правда, это верно лишь, если речь идет о реальной несущей способности свай. Виртуальная же или, иначе говоря, расчетная несущая способность, несет совсем другой смысл. Это застывшая во времени и не зависящая ни от реального поведения свай, ни от каких-либо других причин, математически абстрактная величина. Усилиями ученых она умозрительно, чисто механически переносилась из условия эксперимента на условия практического строительства, которые совершенно не совпадали. Это порождало главное заблуждение – что несущая способность свай прямым образом зависит только от величины приложенной к сваям нагрузки. Отсюда пришла мысль так ограничить внешнюю нагрузку, чтобы сама величина ее не стала причиной повреждения конструкций проектируемого сооружения. Это нашло поддержку во всем мировом сообществе, но вот какими должны быть пределы этого ограничения в разных странах определялось различно. Общим было одно – чисто механистический перенос условий опыта при проведении испытаний одиночных свай на поведение тех же свай, но уже в основании целого сооружения. Такое понимание не изменялось на протяжении более целого века, поддерживалось и сохранялось в ранге незыблемого закона. Избыточное внимание, уделяемое несущей способности одиночных свай, составляет и сегодня основное звено современной механики грунтов и создает, в том числе, иллюзию, что несущая способность отдельных свай давно построенного сооружения, может хоть как-то влиять на несущую способность всего основания. Существующий с незапамятных времен подход к определению несущей способности свай оказался на удивление живуч и устойчив. Для большинства проектировщиков было удобно иметь дело с одной постоянной и неизменной математической величиной, призванной, казалось бы, облегчить и предельно упростить процессы проектирования, подобрать самым простым и незатейливым образом геометрические параметры свай.  Которые бы обеспечивали жесткость свайного основания и с ее помощью помогали бы способствовать созданию столь же жесткого верхнего строения сооружения.

В нормативных документах декларируется, что несущая способность сваи оценивается из условия предельного равновесия. При этом не принято обращать внимание на то, что количество предельных равновесий в процессе проведения опыта великое множество и, следовательно, предоставляется возможность выбора. И выбор условия предельного равновесия, соответствующего теоретически предлагаемому в нормативных документах равенству максимально возможной нагрузки на сваю и расчетной несущей способности сваи, в корне не верен. Ведь на самом деле такой выбор пал на абсолютно нереализуемое сочетание. Такое, когда внешняя нагрузка принимается на пике ее значений, включающей и временную нагрузку, а несущая способность в противовес этому принимается на доверительном минимуме из числа полученных расчетных или опытных значений. Учитывая большую долю временной нагрузки, максимальный пик суммарного учитываемого веса сооружения наблюдается спустя год с момента окончания строительства, а иногда даже и более, если предполагается установка и наладка технологического оборудования. В этот момент рассуждать о несущей способности свай совершенно не уместно. К моменту передачи на грунты основания максимальных нагрузок, свайный фундамент превратился, трансформировался под действием процессов уплотнения уже в фундамент совершенно другого типа, в монолитный, составленный из композитного материала: уплотненного грунта и свай. В этом фундаменте сваи отыграли уже главную отведенную им роль – создать задел в виде жесткого основания, позволяющего уже с самого начала вести строительство в достаточно высоком темпе. Несущая способность свай в этот начальный момент возведения сооружения имеет самое высокое значение. Конечно, оно не столь высоко, как представлено результатами опытных работ, обычно проводимых в пред построечный период. Еще в СНИП II-A.10-62 отмечалось, что осадку свайного фундамента из висячих свай можно приравнять к осадке одиночной сваи при условии, что расстояния между осями свай составит 6d и более. Как мы знаем, это условие практически никогда не выполняется, что автоматически равно признанию, что фактическая несущая способность сваи в условиях производственного свайного поля будет заведомо ниже полученного из результатов испытаний. Тем не менее, она все же оказывается самой большой из числа последующих ее значений, наблюдаемых в процессе жизненного цикла сооружения. Поскольку в начальный момент застройки наблюдается серьезный профицит несущей способности в сравнении с передаваемыми на основание нагрузками, это предопределяет весьма незначительный рост осадок свай, позволяющий выполнить главную мечту проектировщика – создать всеми доступными ему методами жесткую конструкцию сооружения уже на первом же этапе возведения. В процессе передачи внешней нагрузки на основание, профицит несущей способности стремительно падает и это приводит к более интенсивному росту осадок сваи, но это уже не так опасно, так как достигнутая к тому времени жесткость сооружения позволяет уменьшать, сглаживать и нивелировать эти осадки, не позволяя переходить к прогрессирующему их течению.

Заключение

До тех пор, пока в конце 50-х годов XX века не начал культивироваться новый метод оценки несущей способности строительных конструкций, в том числе и свай, ориентированный на постепенную утрату эксплуатационной пригодности сооружения, под несущей способностью понималось несколько другое. Пределом несущей способности считалась нагрузка, при которой происходила разовая, практически мгновенная потеря сваей устойчивости положения в пространстве. На нагрузочной кривой момент потери устойчивости воспринимался точкой перелома, получившей название «критическая нагрузка» и характеризовался он резкой многократно возросшей осадкой, прогрессирующей или же длительное время не затухающей. Такое понимание отразилось в то время и на механизме восприятия поведения свай. Считалось, исходя из опыта испытания отдельных свай, что потеря устойчивости сваи происходила на пике внешней нагрузки, которому в представлении ученых и специалистов на тот момент одновременно соответствовала и максимальная несущая способность свай по грунту. Такой подход к механизму предельного равновесия, основанный на виртуальном понятии несущей способности сваи существует и поныне, хотя он уже совершенно не отвечает реалиям понятий нашего времени. Самое главное, он не учитывает современного содержания понятия несущей способности свай, как изменяемой в процессе передачи нагрузок на свайное основание, величине. И не учитывает последующих трансформаций грунтового основания, происходящих в взаимодействии с сооружением. Не отвечает такой подход и потребностям текущего момента времени, когда встает вопрос о возможной передаче дополнительной, не предусмотренной ранее нагрузки на основание, связанной с намечаемой реконструкцией сооружения. Именно устаревший подход создает невероятно высокие запасы надежности в оценке несущей способности свай, наблюдаемые даже в случае использования анахроничных, табличных характеристик расчетных сопротивлений грунта, опирающихся на ничтожно малую базу выверенных данных, сформированных еще в 50-е годы прошлого века, к тому же давно не обновляемую. Несущая способность свай, рассчитанная на основе табличных и опытных данных, может различаться на сотни процентов в любую сторону, тем не менее никаких неприятностей это не привносит. Почему это так? Да потому, что роль свай как опорного элемента фундамента скоротечна и падает в основном на начальный период строительства сооружения, когда нагрузки на основание составляют всего лишь 15-20% от расчетных. Да и на этом временном отрезке именно на сваю приходится ничтожная их доля. Ведь все 100 процентов текущей нагрузки воспринимается сваями только лишь в краткий изначальный момент времени, когда еще не успело начаться формирование уплотненной зоны в меж свайном пространстве. Ведь начало этому процессу положено в условиях применения забивных свай уже раньше, в самом процессе их погружения. Для буронабивных свай это происходит, естественно, позже, в момент передачи на них внешней нагрузки. И хотя несущая способность свай, как следует из опыта, с нагрузкой падает, осадочные деформации грунта в такой период компенсируются последовательно возрастающим его уплотнением в меж свайном пространстве. В результате такого уплотнения все большая часть нагрузки передается прямым образом на грунты основания, минуя сваи, через непосредственные контакты выше и нижележащих слоев основания. Роль свай, как передаточного звена нагрузки на нижележащие опорные слои основания, низводится к минимальному значению еще задолго до завершения строительства. Косвенно, но вполне отчетливо на это указывает корректирующий коэффициент z в нормах на проектирование свайных фундаментов. Именно в этом коэффициенте, равном 0,2, отражена та степень участия одиночных свай, та доля нагрузки, воспринимаемая непосредственно сваями, в формировании суммарного реактивного отпора грунта, проявляемого в виде осадок уплотнения. К моменту же завершения строительства сформирован уже совершенно другой тип фундамента, в котором сваи играют чисто техническую роль заполнителя. В этом монолитном фундаменте сваи не имеют ни малейшей возможности смещаться относительно контактирующего с ними окружающего грунта или тем более относительно любых других свай этого фундамента. А раз нет перемещений свай как самостоятельного элемента конструкции, то о какой несущей способности отдельных свай может идти речь? Речь может идти только о несущей способности монолитного фундамента в целом. Вот он имеет возможность перемещаться относительно окружающего грунта, но к этим перемещениям сваи уже не имеют никакого отношения. Перемещения такого фундамента определяются по другим законам, другим способом, который предусмотрен нормами проектирования. И исследования грунтов основания следует в случае предстоящей реконструкции сооружения подчинять соответствующим требованиям этих норм. Все остальные манипуляции с отдельными сваями – это результат или консервативного мышления, или преднамеренного замысла навязать абсолютно ненужные услуги заказчику в надежде на то, что тот не разбирается в механике грунтов и безропотно примет такие услуги под впечатлением рекомендаций, одобренных авторитетом солидных ученых.

Список литературы

Алексеев С.И., Тихомирова Л.К. Оценка результатов определения расчетной нагрузки на сваю, работающую в составе несущей конструкции здания / Реконструкция городов и геотехническое строительство, №5/2002, с.120-124.

Приклонский В.В. Несущая способность свай при реконструкции сооружений / Геотехника, №4/2014.

Приклонский В.В. Некоторые проблемы реконструкции зданий. История вопроса / Электронный журнал «ГеоИнфо» от 23.05.2017. Интернет ресурс

Приклонский В.В. Преодолеть технологическое отставание / Вестник инженерных изысканий. №10-11/2016.

Парамонов В.Н., Дунаевская Т.А. Изменение несущей способности забивных свай во времени на открытых площадках и нагруженных конструкциями / Реконструкция городов и геотехническое строительство, №8/2004, с.102-106.

Барвашов В.А. К статье Приклонского «Некоторые проблемы реконструкции сооружений. История вопроса» / Электронный журнал «ГеоИнфо» от 01.06.2017. Интернет ресурс

Приклонский В.В. О умении не только читать, но и думать. Нынешним и будущим ученым на заметку (Ответная реплика к.т.н. Барвашову В.А.) / Электронный журнал «ГеоИнфо» от 02 .06 .2017. Интернет ресурс

Приклонский В.В. Некоторые проблемы реконструкции зданий. Часть 2 / Электронный журнал «ГеоИнфо» от 13.06.2017. Интернет ресурс