Методы исследований грунтов в нормативной базе России. Новые документы

Как известно, иерархия нормативной базы России представлена четырьмя основными ступенями. Верхнюю строчку занимают федеральные законы, затем идут Своды правил (СП), далее следуют национальные и межгосударственные стандарты – ГОСТы. Последнюю сроку занимают стандарты предприятий – СТО.

Федеральные законы

Федеральные законы носят общий характер, поэтому конкретное упоминание методов исследований грунтов в них отсутствует. Однако они устанавливают обязательный или добровольный характер действующих нормативных документов. В соответствии с этими требованиями сегодня все стандарты в области методов исследований грунтов носят рекомендательный характер. Это осложняет работу экспертизы по выявлению нарушений требований государственных стандартов. В этом есть определенный элемент противоречия, который в будущем, на наш взгляд, требуется устранить.

Своды правил

Следующую строчку в нормативной иерархии занимают Своды правил.

Методы исследований грунтов упоминаются в СП, связанных с выполнением инженерно-геологических изысканий и расчетов оснований. Далеко не полный перечень СП представлен ниже:

• СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений»;
• СП 47.13330 «Инженерные изыскания для строительства»;
• СП 267.1325800.2016 «Здания и комплексы высотные. Правила проектирования»;
• СП 23.13330 «Основания гидротехнических сооружений»;
• СП 24 13330 «Свайные фундаменты»;
• СП 121.13330 «Аэродромы»;
• СП 45.13330 «Земляные сооружения, основания и фундаменты»;
• СП 151.13330 «Инженерные изыскания для размещения, проектирования и строительства АЭС»;
• СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»;
• СП 21.13330.2012 «Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах»;
• СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»;
• СП 26.13330.2012 «Фундаменты машин с динамическими нагрузками».

В Сводах правил методы исследований грунтов упоминаются в общем виде, в основном в связи с условиями их применения, требующимися для расчетов оснований зданий и сооружений по несущей способности и деформациям, а также методы их определения. Приведены требования к применению тех или иных методов исследований грунтов в зависимости от уровня ответственности зданий и сооружений. В основу требований заложены представления о надежности методов и достоверности определяемых параметров. Закреплено минимальное количество определений для каждого инженерно-геологического элемента, попадающего в активную зону основания сооружения.

В СП 22.13330 определены условия применения различных методов испытаний грунтов в зависимости от уровня ответственности сооружений. Здесь же выделена особая роль штамповых испытаний, как «эталонного» метода определения деформационных характеристик грунтов. Указана необходимость корректировки результатов лабораторных испытаний* и зондирования, по результатам прямых полевых методов (см. 5.3.5). (*Исключения не составили и трехосные испытания, на результатах которых основаны многие современные программные комплексы, такие как PLAXIS и другие).

Определяющая роль прямых полевых методов испытаний грунтов, отраженная в СП 22.13330, является принципиальной и отличительной позицией отечественной геотехники, что позволяет, на наш взгляд, повысить достоверность и надежность расчетов оснований сооружений по деформациям.

В СП 47.13330 «Инженерные изыскания для строительства» содержатся общие сведения о видах инженерных изысканий грунтов. Указан состав методов исследований в зависимости от разновидности грунтов, даны ссылки на конкретные стандарты. Представлена таблица с видами лабораторных испытаний и условиями их применения в зависимости от вида грунтов. Также представлены таблицы с полевыми видами исследования грунтов и условиями их применения в зависимости от целей изысканий. Более подробно, чем другие методы, здесь освещены испытания грунтов статическим зондированием – представлены таблицы перехода от результатов статического и динамического зондирования к механическим характеристикам грунтов.

В остальных сводах правил методы испытаний грунтов упоминаются в том же контексте в зависимости от специфики соответствующих СП.

В настоящее время оба этих основных СП обновляются.

СП 22.13330 обновляется путем внесения изменений. В качестве последних новостей следует отметить включение в последнюю редакцию СП 22.13330 (с Изменениями №2) новых таблиц переходных коэффициентов от результатов компрессионных испытаний к штамповым. Новые таблицы позволяют учитывать кроме пористости консистенцию грунта и бытовое давление.

Другим важным изменением СП 22.13330 стал отказ от обнуления порового давления в слабофильтрующих грунтах при расчете природного эффективного напряжения. Предложено определять его методом интерполяции, используя информацию о поровом давлении на кровле и подошве слабофильтрующего слоя. Это следует иметь в виду при проведении полевых и лабораторных испытаний грунтов и обработке их результатов.

СП 47.13330 значительно расширяется путем замены бывших разделов на самостоятельные документы. В частности, в отдельные своды правил выносятся изыскания для специфических грунтов и т.п.

Отдельно следует отметить новый СП 267.1325800.2016 «Здания и комплексы высотные».

В данном СП методы исследований грунтов отражены в разделе основания и фундаменты. Здесь сказано об особенностях инженерных изысканий под высотное строительство. Раздел подготовлен на основе опыта проведения изысканий под строительство МФЦ «Лахта центр».

Состав стандартных характеристик грунтов здесь дополнен определением дополнительных характеристик, включая модуль вторичного нагружения, параметры переуплотнения (OCR), параметры консолидации, параметры ползучести, коэффициент анизотропии, коэффициент поперечной деформации и др.

В этом же документе указывается необходимость:

• определения изменений механических характеристик по глубине при слое более 10м;
• комплексного исследования грунтов по определению механических характеристик полевыми и лабораторными методами;
• использования прессиометрических испытаний на глубинах, превышающих возможности проведения штамповых испытаний, откорректированных с учетом коэффициента анизотропии;
• параллельного определения характеристик грунтов разными лабораториями.

В СП также приведены специальные требования по количеству глубине и расположению скважин.

Государственные стандарты

Следующую ступень нормативных документов представляют государственные стандарты – ГОСТы. В них подробно описаны методы испытаний грунтов.

Наиболее важным полевым стандартом является ГОСТ 20276-2012, объединяющий 8 основных полевых методов испытаний грунтов.

Главным среди лабораторных стандартов является ГОСТ 12248-2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости», объединяющий 11 основных лабораторных методов испытаний грунтов.

Работа по внесению изменений в существующие стандарты и разработка новых ГОСТов в последе время значительно активизировалась.

В 2017 были пересмотрены 2 и подготовлены 4 новых ГОСТа. Отдельной группой в 2017 году были представлены 10 переводных стандарта серии ГОСТ Р/ISO.

Последние стандарты требуют пояснения. Не следует полагать, что национальные стандарты и ГОСТ Р/ISO равнозначны и их можно использовать параллельно. Указанные стандарты по существу являются только официально утвержденными аутентичными переводами международных стандартов ISO. Они не входят в состав нормативных документов обязательного и добровольного применения. По существу, сегодня стандарты серии ГОСТ Р/ISO носят справочный характер, а их применение возможно только в рамках все той же международной нормативной системы ISO. Выборочное применение стандартов серии ГОСТ Р/ISO и их использование в рамках отечественной нормативной базы недопустимо.

В 2018 году были пересмотрены 4 и подготовлены 8 новых ГОСТов. Можно отметить значительное увеличение общего числа стандартов по полевым методам испытаний грунтов. Это связано с тем, что практика объединения нескольких методов в один общий ГОСТ 20276 себя не оправдала. Стандарт получился слишком громоздким и неудобным с точки зрения его обновления. В связи с этим по инициативе ПК «Геотехника» ТК 465 Министерством строительства было принято решение о разделении ГОСТа по принципу «один метод – один стандарт». Таким образом, взамен объединенного ГОСТа 20276 было разработано 5 отдельных стандартов.

Подобная работа предстоит в 2019 году и по разделению ГОСТа 12248-2010 по лабораторным испытаниям грунтов.

Ниже более подробно рассмотрим два новых стандарта, в разработке которых мы принимали непосредственное участие.

Первый ГОСТ связан с определением параметров релаксации грунтов.

Суть процесса релаксации можно показать на принципиальной схеме нагружения в условиях компрессионного сжатия (рис.1).

Рис. 1. Схемы нагружения: а) заданными ступенями давлений; б) заданными ступенями деформаций

Если в обычном режиме компрессионных испытаний нагружение осуществляется ступенями статических нагрузок (рис. 1, а), то в режиме релаксации грунт принудительно деформируется на заданную величину перемещения (рис. 1, б), после чего напряжения постепенно падают (релаксируют).

Естественно, что первый вариант нагружения грунта заданными ступенями нагрузки больше соответствует процессу строительства, тем не менее, иногда возникают задачи, при которых нагружение грунта соответствует режиму релаксации.

Одной из причин разработки настоящего стандарта стало появление новой технологии защиты существующих зданий и сооружений от влияния нового строительства. Это так называемый «геотехнический барьер». Суть технологии заключается в управлении напряженным состоянием грунта путем инъекций цементного раствора через ряд скважин, расположенных между котлованом и существующим зданием.

Рис. 2. Геотехнический барьер

В результате инъекций происходит деформирование грунта, сопровождаемое резким ростом давления. После затвердевания раствора напряжения вдоль геотехнического барьера снижаются (релаксируют). Для разработки проектного решения требуется оценить эти изменения во времени.

Разработке стандарта по определению параметров релаксации предшествовали специальные научные экспериментальные исследования.

Для отработки методики был выбран автоматический компрессионный прибор – КРА-1, обеспечивающий принудительное деформирование грунта заданными перемещениями с последующим контролем изменения напряжения и деформации во времени. Размеры образца стандартные – высота 20 мм, площадь 40 см².

Данный выбор был обусловлен высокой жесткостью нагрузочно-измерительной системы прибора, которая необходима при проведении испытаний по определению параметров релаксации.

Рис. 3. Компрессиометр- релаксометр КРА-1

Высокая жесткость установка обеспечила проведение испытаний в условиях «идеальной» релаксации.

Испытания производились на песке суглинке и глине.

Было установлено, что форма кривых релаксации зависит от разновидности грунта и степени его водонасыщения, но во всех случаях она носит билинейный характер.

Рис. 4. Зависимость напряжения от логарифма времени для суглинка различного водонасыщения

Первый участок графика релаксации связан с фильтрационными процессами и его, по аналогии с процессами консолидации, можно отнести к первичной релаксация; второй – с процессами ползучести, или вторичной релаксации. В общем виде кривая релаксации в координатах Ϭ = f (lgt) носит билинейный характер. Наиболее важным является второй участок, поскольку именно вторичная релаксация определяет падение напряжения в течение длительного периода времени.

Участок вторичной консолидации может быть описан простой линейной зависимостью, имеющей два параметра K_r и Ϭ₀ (рис.5).

Рис. 5. Иллюстрация получения параметров релаксации

Используя данные характеристики, легко получить текущее значение напряжения в процессе релаксации Ϭ_i, описываемое выражением

По результатам проведенных исследований была разработана методика релаксационных испытаний, которая и была включена в новый ГОСТ.

Испытания проводятся на одном образце в несколько ступеней принудительного деформирования. Изменение напряжения во времени для всех ступеней оформлялось в виде графиков. Результаты испытаний в виде зависимости напряжений от логарифма времени наносятся при этом на общий график, пример которого представлен на рисунке 6.

Рис. 6. Графики зависимости напряжений от логарифма времени

По данным графикам строится зависимость коэффициента и начального напряжения релаксации от деформации – n.

Рис.7. Зависимость параметров релаксации от деформации

Результаты испытаний в соответствии с данным стандартом оформляются в виде паспорта.

Второй стандарт, о котором хотелось упомянуть – это ГОСТ Р «Грунты. Лабораторный метод определения параметров переуплотнения».

Использование в расчетах оснований методов конечных элементов и основанных на них современных программных комплексов PLAXIS, ABAQUS и других требует определения параметров переуплотнения грунтов – характеристик, учитывающих историю их формирования. Кроме того, необходимость определения параметров переуплотнения грунтов регламентируется требованиями действующего СП 22.13330 в части геотехнических расчетов, использующих коэффициент бокового давления.

По существу, для получения всех параметров переуплотнения необходимо только определить давление предварительного уплотнения Ϭ_p и рассчитать вертикальное эффективное напряжение Ϭ_о. Остальные параметры (напряжение переуплотнения (POP) и коэффициент переуплотнения (OCR)) являются производными от них.

Перед подготовкой данного стандарта была проведена научно-исследовательская работа, включающая сравнительный анализ 12 наиболее известных методов определения параметров релаксации.

Наилучшие результаты показали методы Казагранде и Беккера.

На рисунке 8 приведен график определения напряжения предварительного уплотнения по методу Казагранде.

Рис. 8. Определение напряжения предварительного уплотнения по методу Казагранде

Данный метод широко распространен за рубежом и входит в ряд нормативных документов.

Метод Беккера или энергетический метод появился позже. Он основан на зависимости суммарной работы деформации в зависимости от вертикального напряжения (рис.9).

Рис. 9. Определение напряжения предварительного уплотнения по методу Беккера

В ГОСТ были включены оба метода обработки результатов испытаний. Это обеспечивает возможность взаимного контроля полученных результатов и снижает риск получения грубых ошибок. В качестве нормативных принимаются более низкие значения давления предуплотнения, полученные тем или иным методом.

Важной особенностью данного документа является описание методики расчета природного вертикального эффективного напряжения, соответствующей измененной редакции СП 22.13330.

Стандарты организаций

Как указывалось в начале статьи, в нижней части иерархической лестницы нормативных документов располагаются стандарты организаций.

Данный вид документов предназначен для одной отдельной организации, но может на договорной основе передаваться и другим компаниям. Несмотря на ограниченность сферы действия, стандарт организации имеет важное преимущество – использование нестандартных методов, защищенных действующими патентами. Это дает возможность использовать новейшие разработки без нарушения авторских прав, до выхода соответствующих государственных нормативных документов.

Для повышения статуса СТО его рекомендуется отдать на экспертизу и затем утвердить в ТК 465. Это снимает вопросы экспертизы об отсутствии противоречий СТО с действующими стандартами.

Примером стандарта организации в области методов исследований грунтов является СТО 60284311-003-2012 «Метод испытаний грунтов в режиме релаксации напряжений» или метод МРН.

В отличие от ГОСТа на определение параметров релаксации, о котором говорилось выше, здесь определяются стандартные деформационные характеристики грунтов. По существу, это метод компрессионных испытаний, при котором нагружение производится в режиме релаксации.

Такой режим нагружения позволяет сократить продолжительность компрессионных испытаний в 60 раз.

Благодаря высокой эффективности компрессионные испытания в режиме релаксации напряжений широко распространились по всей территории России (рис.10).

Рис. 10. География распространения метода МРН

Растущая популярность метода МРН связана с резким сокращением продолжительности лабораторных испытаний грунтов и изысканий в целом. Это дает конкурентные преимущества в борьбе за заказчика. В связи с растущей популярностью уже 4 организации приступили к производству оборудования для реализации метода.

Например, производство и выпуск автоматических компрессионных релаксометров АКР-2 организовал «Новосибирский инженерный центр» (рис. 13).

Рис. 11. Релаксометр АКР-2

Данный прибор широко рекламируется в специализированных журналах, на различных конференциях и выставках. Этот прибор получил наибольшее распространение из всех релаксометров. В настоящее время он используется в практике десятков изыскательских организаций России.

Фирма «Геотек» (г. Пенза) предлагает изыскателям автоматизированную универсальную систему нагружения ГТ 0.1.1 (рис.12).

Рис. 12. Установка компрессионного сжатия ГТ-1

Здесь метод релаксации напряжений реализуется наряду со стандартными режимами нагружений.

Упомянутое выше устройство для реализации МРН – компрессиометр-релаксометр КРА-1 (см. рис.3), изготавливает ООО «Прогресс-Станкоинструмент», г. Ижевск. Использование возможностей оборонных предприятий дало возможность создать установку, позволяющую проводить испытания в условиях практически «идеальной» релаксации. Это расширило его функциональные возможности (определение OCR) и дополнительно сократило сроки проведения испытаний.

Описанный выше стандарт организации является успешным примером реализации метода на уровне СТО. Однако, несмотря на эффективность метода, разработка соответствующего ГОСТа сдерживается наличием действующего патента. Данный запрет появился недавно и не соответствует зарубежной практике. В частности, известный дилатометр Маркетти также имеет действующий патент, однако это не явилось препятствием при подготовке соответствующего стандарта ISO. Защита прав патентообладателя оговаривается в преамбуле к данному документу. Считаем введенное ограничение неоправданным, существенно тормозящим внедрение передовых технологий в России.

Задачи на будущее

В качестве возможных направлений и задач развития нормативной базы в области испытаний грунтов, на наш взгляд, можно выделить следующие.

Необходимо продолжить работу по разработке стандартов по принципу «один метод – один стандарт». Это облегчит работу по своевременному пересмотру документов, для которых такая необходимость назрела.

Необходимо всем ГОСТам вернуть статус обязательных к применению. Это повысит качество изысканий и устранит неопределенность в отношениях между изыскательскими организациями и экспертизой.

Перед разработкой национального стандарта на новый метод испытаний грунтов необходимо проводить специальные научно-исследовательские работы или предварительную апробацию метода на уровне стандарта организации. Это позволит исключить возможные ошибки и повысить качество новых национальных стандартов.

Необходимо снять ограничение на разработку новых стандартов, включающих передовые методы испытаний грунтов, имеющих действующие патенты. Защиту авторских прав можно предусмотреть путем ссылки на действующий патент. В качестве варианта решения данной проблемы можно рассмотреть вопрос о выкупе государством соответствующего патента у патентообладателя.