Внутривидовая борьба. Взгляд изнутри на роль и место геофизических методов

Из официального комментария к Градостроительному кодексу РФ (ГК) следует, что инженерные изыскания – это изучение природных условий и факторов техногенного воздействия в целях рационального и безопасного использования территорий и земельных участков в их пределах, подготовки данных по обоснованию материалов, необходимых для территориального планирования, планировки территории и архитектурно-строительного проектирования [1].

Как видно, данное определение к инженерной геологии, как одному из видов изысканий, отношения имеет мало – у грунтового пространства иная специфика.

Пункт 4 ст.47 ГК приоткрывает завесу канцелярского языка. Согласно ему, инженерные изыскания для подготовки проектной документации, строительства, реконструкции объектов капитального строительства выполняются в целях получения, в том числе, материалов, необходимых для проведения расчетов оснований, фундаментов и конструкций зданий, строений, сооружений, их инженерной защиты, разработки решений о проведении профилактических и других необходимых мероприятий, выполнения земляных работ, а также для подготовки решений по вопросам, возникшим при подготовке проектной документации, ее согласовании или утверждении.

Вот и уточнили, зачем нужна строительная геология – для расчетов. Специалисты-геологи плачут, их и не спросили.

Именно подобные аморфные определения ведут к минимизации отдельных видов работ. Работает принцип: минимум геологии, максимум строительных свойств для расчета оснований.

Геология или геомеханика?

В 1912 году на II съезде практических геологов России Д.Иванов (1846-1924 гг.) впервые применил термин «инженерная геология». С тех пор прошло сто с небольшим лет. Очевидно, уже можно ответить на вопрос, пошло ли на пользу стройиндустрии и отечеству выделение строительной геологии в самостоятельную дисциплину из общегеологического цикла наук о Земле.

В эпоху первых двух пятилеток происходило бурное технологическое развитие строительной геологии, чему способствовала осуществлявшаяся в 1930-е годы индустриализация страны. В 1962 году была создана территориальная система ТИСИЗов для массового типового гражданского строительства. К сожалению, теоретиков на кафедрах не заставил серьезно задуматься тот факт, что при отрисовке ИГ разрезов строительные геологи через назначение геологических элементов создавали субъективную стратификацию. Для уменьшения субъективизма лишь вводились приближения, связанные с этапностью (стадийностью) работ.

Затем на стратификационный субъективизм наложилось повсеместное несоответствие расчетных и фактических осадок, а также просчеты в определении несущей способности оснований. Статические и динамические зондирования при итоговых инженерных расчетах в массе своей имели недопустимо большой разброс несущих способностей оснований по сравнению со статическими (эталонными) сваями. Однако причины несоответствия моделей механики грунтов и расчетных проектных моделей, относящихся к строительной механике, даже не анализировались. Невозможно скрестить ежа и ужа.

Хочется напомнить читателям монографию В.Ферронского «Пенетрационный каротаж». Результаты всего 22 двух опытов статического зондирования в четвертичных грунтах европейской части России вошли в СП 11-105-97 (приложение К) и предлагались к распространению. Этот документ сегодня не относится к национальным сводам правил, однако непостижимо, как статистически ничтожный результат по четвертичным грунтам проник в нормы. Примерно также, по решениям международного стратиграфического комитета (МСК), происходило увеличение объема квартера, в результате чего отечественные карты четвертичных отложений устаревали еще до их выхода из типографий.

В мягких породах соответствующие представления оснований в виде тел Максвелла, Кельвина-Фойгта и других (модели сплошного тела в трехфазных системах) ведут себя при нагрузках не по линейной теории Кулона-Мора. К концу прошлого века стало ясно, что механические свойства грунтов – как функции напряженно-деформированного состояния: это состояние принципиальной нелинейности на гистерезисных петлях от трехкоординатных нагрузок геоматериалов (теории ползучести, релаксации, упругой пластичности). Но те, кто сегодня имеют дело с паспортами прочности грунтов в рядовых лабораториях рядовых изыскательских контор понимают, что испытываются грунты на прямой ветви нагружения, далеко до начала пластического течения. То есть со времен К.Терцаги гистерезисная петля не исследуется.

Раньше геологическая задача считалась решеной, если было изучено геологическое строение, определен состав, состояние и получены свойства горных пород. Эта классическая формула «зашита» во все прошлые и настоящие нормативные документы по геологическим изысканиям. В современных нормах добавляется изучение экзогенных и эндогенных процессов и (или) их мониторинг (геодинамика). Но основа во всех геологиях одинакова. Именно поэтому вопрос о том, куда «провалилась» классическая инженерная геология по сравнению с определениями отцов-основателей (Ф.П.Саваренский с Е.М.Сергеевым), как никогда актуален. Ведь геологам осталось лишь изучение свойств и состояний грунтовых материалов.

Подытоживая вышесказанное, можно заключить, что в отечественном проектировании произошло сползание к геотехнике. Инженерная геодисциплина просто перестала отвечать требованиям усложняющегося фундаментостроения (строительной механике).

Геофизики больше нет

В последних СП 47.13330 почти ничего не осталось и от геофизики. Ее, вероятно, выбросили за ненадобностью. Полагаю, для массового гражданского строительства нормального и пониженного уровня ответственности геофизика, следуя геотехнической логике, не нужна.

Надо сказать, что для магистральных трубопроводов внутриотраслевые нормы сбалансированы сегодня гораздо лучше, основные геофизические методы там умело комплексированы с бурением. В этом очевидна заслуга отраслевых геологов. В качестве примера можно привести РД-91.02000-КТН-042-12 «Инженерные изыскания для строительства магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов».

Аналогичная балансировка методов есть в отраслевых документах у энергетиков, в атомной промышленности.

Переходы трубопроводов через речные долины всегда проходят по аномально слабым основаниям, неблагоприятным для строительства. Казалось бы, прочность трубной стали, приближающаяся по прочности к артиллерийской, должна успокаивать расчетчиков. Но огромные динамические нагрузки от внутренних давлений в сочетании с динамическими природными нагрузками ведут к стресс-коррозии. И поскольку речная долина является не только динамической системой, но еще и местом канализирования теллурических, электромагнитных полей, то здесь особую роль играют активные и пассивные способы защиты металла.

Люди всегда строили города и поселки в речных долинах. Сегодня с позиций неотектоники и геодинамики понятна роль динамических природных систем. А речные долины, расположенные на платформах, молодых плитах и в зонах субдукции, коллизии плит, являются ярким примером свидетельств динамических нагрузок на структурно-неустойчивые основания. Например, земная поверхность Москвы два раза в сутки колеблется под действием солнечно-лунных гравитационных сил. Их амплитуда составляет в смещениях примерно 1 метр. Гигантские тектонические волны, обнаруживаемые только со спутников, со скоростью 300 км/год «массируют» земную кору.

Под конец советской эпохи для гражданского строительства ПНИИИСу, как бы его сегодня не критиковали, удалось ввести шесть частей СП 11-105-97. В том числе, геофизические правила.

Документы этого ряда играли роль технологических инструкций. Тогда это была высшая точка взлета практической геолого-геофизической мысли.

Возвратимся к упомянутой выше формуле.

Геофизика хорошо справляется с тем, чтобы не пропустить в разрезе контрастные тела по редкой сети скважин. Но, одновременно, она создает геологам лишние заботы. Аномальные тела, выделяемые геофизиками, никак не вписываются в стратификационный произвол. При том, что выделение тел и слоев проходит на других физических свойствах и принципах.

Состав пород изучается по шлифам поляризационными микроскопами в рамках специальных дисциплин - литологии или петрографии. Но разве кто-нибудь когда-нибудь видел у строительных геологов литолого-петрографический анализ? Автору доводилось встречать лишь фракционный анализ. А определение возраста пород по палиноанализу или радиоуглеродному анализу проектировщикам совершенно не нужно, а значит, стратиграфия и литология легко отбрасываются.

Итак, с точки зрения защемленных балок, состав пород на проектной площадке, как и геологическое строение, не играют существенной роли. Ну и что, что слоистость в разрезе всегда присутствует. Все статистически усредняется и интегрируется. И сводится лишь к поиску подходящего несущего слоя.

Что касается состояния грунтов и их строительных свойств, то здесь тесно соприкасаются строительная механика и геомеханика. Тесты SPT, CPT или DPT, FVT, PLT или PMT нужны строительным проектировщикам. Эта потребность сформулирована как геотехнический подход, в рамках которого от геофизиков требуется проводить на проектных площадках сейсмотесты с тем, чтобы хоть как-то исследовать упругую стадию работы геоматериала in situ (часть 2 Еврокода 7 упоминает о дополнительных испытаниях грунтов, имеющих международное признание. Эти методы сокращенно обозначаются SE).

Но и этот подход современными правилами для отечественных геологов-изыскателей прикрыт. А коэффициент динамичности для конкретных грунтов не так просто определить.

Без привлечения двух типов объёмных волн – сжатия и сдвига, никаким иным образом нельзя измерить коэффициент Пуассона и упругие модули, применяемые при проектировании фундаментов на естественных основаниях. Обычно проектировщик фундаментов привлекает табличные данные упругих модулей грунтов и крупно ошибается при расчетах предельных равновесий грунтов.

Диапазон малых и вибродеформаций геоматериалов в диапазоне 10-4 - 10-6% лабораторные датчики смещений не покрывают. Модуль общей деформации изучается при допущении об отсутствии горизонтальных деформаций. Коэффициент Пуассона, как и пористость, не являются константой геоматериала. Все упругие модули и коэффициенты – функции состояний. А с учетом пластичных состояний мягких пород, только функции. Cкелетная основа полутвердых (метаморфических) пород физически ближе к константе.

Метеорологические факторы изменяют физико-механические свойства грунтов, что приводит к повсеместному развитию неравномерных осадок, казалось бы, досконально изученной строительной площадки, даже с таким масштабом, как 50 м х 50 м.

Поэтому, здания и сооружения в России, несмотря на значительный запас прочности, вводимый проектировщиками через коэффициенты, при расчетах оснований, будут деформироваться и «складываться». Не все, но будут. Потому что отсутствует динамический подход в изучении геоматериала оснований. Не применяется теория трехфазного континуума и неочевидны силовые факторы в грунтофундаментных системах.

Закрадывается мысль: а все ли теоретически правильно устроено у геотехников применительно к грунтам?