искать
Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 105 , авторов - 329 ,
всего информационных продуктов - 3121 , из них
статей журнала - 647 , статей базы знаний - 85 , новостей - 2213 , конференций - 4 ,
блогов - 8 , постов и видео - 128 , технических решений - 4

© 2016-2019 ГеоИнфо

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
Дискуссия профессионалов 

О знании общей геологии и усвоении практического опыта в строительстве

Захаров Михаил Сергеевич
18 декабря 2018 года

Достоверны ли данные инженерных изысканий, может ли геотехника заменить инженерную геологию, можно ли строить что захочется где угодно? Эти и многие другие вопросы автор затрагивает в настоящей статье, сразу давая на них ответы и приводя многочисленные примеры из практики.

Захаров Михаил СергеевичПрофессор Национального открытого института, Санкт-Петербург, канд. геолого-минерал. наук, почётный изыскатель РФ

Итак, классики геотехники (см. Р.В. Пек. «Искусство и наука оснований сооружений») настаивают на том, что изучение лишь механики грунтов для геотехников означает очень низкий уровень квалификации. Важны и практический опыт, и знание общей геологии… «Подобно механике грунтов, геология является средством корреляции…опыта, но на региональной основе». А квалифицированное исследование состава и свойств грунтов немыслимо без знания геологии, причём, как её практических выводов, так и теоретических оснований. Оба эти аспекта связаны теснейшим образом. Одностороннее обобщение опыта на базе только механики горных пород всегда оказывается недостаточным и приводит к тому, что накопленный опыт строительства различных зданий и сооружений не уменьшает числа катастроф различной степени тяжести.

Некоторые аспекты геологии, рассматриваемые в разрезе безопасности, надёжности и эстетики строительства, иногда могут показаться весьма экзотическими и далёкими от практических запросов. Но это только на первый взгляд… Когда геолог оценивает природные или техногенные риски для какого-то вида сооружений, он вынужден системно рассмотреть региональные, а иногда и планетарные модели геологического строения. Например, законное опасение вызывает увлечение высотным строительством в пределах Аравийского полуострова, для которого уже готов проект строительства башни высотой в километр (!). Эти опасения базируются на представлениях о тектонике литосферных плит, в которых доказывается движение Африканской плиты на северо-восток и неизбежное столкновение с Евразиийской плитой вдоль Гималайского сейсмогенного шва, который в любой момент может преподнести очередное катастрофическое землетрясение (рис. 1). Возникает серьезное сомнение в устойчивости всех изысканных аравийских башен, несмотря на все предпринятые антисейсмические мероприятия.

Сейсмоустойчивость башни Лахта-центра, возведенной в Санкт-Петербурге на берегу Финского залива, рассчитана на 4 балла (MSK-64). При этом как-то забывается, что территория СПб и всего Финского залива находится на стыке Балтийского щита и Русской плиты. Контакт этих структур наверняка определяется глубинными разломами, вдоль которых тоже располагается сейсмогенная зона. В начале XX века (1904 год) разрушительное землетрясение силой 5,6 баллов по шкале Рихтера произошло в районе Осло. Менее значительные толчки постоянно наблюдаются в районе Валаамского архипелага. И вот на эту напряжённую геотектоническую ось «насаживаются» проекты высотных зданий типа Лахта-центра. Разумно ли это на дальнюю (а может ближнюю) перспективу? Полезно помнить, что геотектонический и геоструктурный фактор на нашей планете напоминает заряженное ружьё, которое висит на стене и должно в конце концов выстрелить. Голос геологов, понимающих такую перспективу, тоньше писка, а в ходу бравурные притязания людей, ничего в этом не понимающих и зачастую стремящихся к лёгкой наживе на основе реализации масштабных проектов, подогреваемых вниманием общественности и политиканов разных мастей. Всё это ещё раз подтверждает для изыскателей, проектировщиков и строителей простую истину (первый закон инженерной геологии): использовать территории, строить сооружения и производить инженерные работы необходимо в соответствии с организацией и свойствами геологической среды, в полной мере учитывая специфику ландшафтно-климатического и структурно-тектонического устройства нашей планеты.

 

Рис. 1. Характер разрушения железобетонных зданий при Непальском землетрясении 2015 года Рис. 1. Характер разрушения железобетонных зданий при Непальском землетрясении 2015 года

 

Объективны ли геологические данные?

Если глобальные и региональные аспекты строения и свойств геологической среды находятся в полной компетенции геологов, то структуризация на уровне массива и строительной площадки должна в равной мере затрагивать и геолога, и геотехника (специалиста по основаниям и фундаментам). Именно этот аспект структуризации имел в виду Р. Пек, выделяя необходимость знаний по общей геологии. По данному вопросу под влиянием геотехников складывается парадоксальная ситуация. Например, в недавно опубликованной «ГеоИнфо» статье В.А. Барвашова «О представительности данных инженерно-геологических изысканий и геотехнических расчётов. ИГИ без ИГЭ» утверждается, что «никаких построений стратификации, разрезов, выделения инженерно-геологических элементов и т.п. для расчёта взаимодействия основания и фундамента не нужно. Это лишняя работа, вносящая субъективный фактор в результаты расчётов». Выходит, что геотехники считают свою конечно-элементную расчётную схему верхом объективности? Спрашивается, откуда берутся эти геометрические схемы структуры массива в виде треугольников (квадратов, многоугольников), на которых строятся расчёты напряжений и деформаций (рис. 2)? Это ведь довольно грубые математические модели расчётных сеток, каждая из которых строится на произвольных допущениях и, в конечном счёте, даёт формально корректный результат деформаций, который в разы может отличаться от замеренных на практике значений.

 

Рис. 2. Пример представления расчётной схемы МКЭ с разбивкой на пространственные конечные элементы для слоистого основания Рис. 2. Пример представления расчётной схемы МКЭ с разбивкой на пространственные конечные элементы для слоистого основания

 

Отметим, что геотехническая модель может вполне отвечать неоднородной структуре основания, если она опирается на данные детальной инженерно-геологической разведки (рис. 3).

 

Рис. 3. Расчетная схема плоской геотехнической модели для расчета влияния разработки котлована на фундаменты соседнего здания. Цифрами указаны грунты с различными характеристиками, установленными на основе испытаний статическим зондированием по методу СРТ Рис. 3. Расчетная схема плоской геотехнической модели для расчета влияния разработки котлована на фундаменты соседнего здания. Цифрами указаны грунты с различными характеристиками, установленными на основе испытаний статическим зондированием по методу СРТ

 

Такая модель показывает возможности совместной и вдумчивой работы геотехников и геологов, понимающих значимость достоверных представлений о неоднородности основания и необходимость увязки формальной разбивки основания на расчётные элементы с природной неоднородностью и теми изменениями, которые возникают в ходе строительного процесса.

Но часто геотехники не умеют (или не хотят) правильно соотносить свои расчётные схемы и геологическую структуризацию. В настоящее время такая структуризация должна строиться на полномасштабном использовании геолого-геофизической информации о строении любого массива, когда дискретные данные, полученные геологическими методами, увязываются геофизическими наблюдениями, непрерывными по изучаемому пространству, в общую картину природного строения массива. Конечно, при этом отпадает необходимость использовать искусственное выделение инженерно-геологических элементов, поскольку можно получить реальную картину пространственного положения геологических тел, слагающих основание. И каждый раз для каждого конкретного объекта необходимо подбирать расчётную модель структуризации, отвечающую природному строению массива, установленному геолого-геофизическими методами разведки. На рисунке 4 показана общая инженерно-геологическая модель гидротехнического узла на скальном основании, предопределяющая выделение зонально-блочного строения массива и выбор направлений дальнейшей детализации структуры. Такая детализация возможна только на основе правильно подобранных геолого-геофизических методов разведки, направленных на всестороннее изучение трещиноватости (рис. 5). Без такого рода инженерно-геологических моделей, созданных геологами и принимаемых геотехниками, невозможны никакие расчёты устойчивости бетонной плотины, откосов котлована, объёмов земляных работ, обделок деривационных тоннелей и т.п. Обсуждать здесь субъективность инженерно-геологической структуризации можно разве что в плане относительности всего сущего на земле.

 

Рис. 4. Общая исходная модель строения массива диабазов, рассечённого системами разломов, тектонических трещин и трещин выветривания, определяющих блочное строение основания и зональное строения его верхней части Рис. 4. Общая исходная модель строения массива диабазов, рассечённого системами разломов, тектонических трещин и трещин выветривания, определяющих блочное строение основания и зональное строения его верхней части

 

Рис. 5. Плановая (а) и вертикальная модель трещиноватости (б), установленная по геолого-геофизическим данным и показывающая дирекционные направления изменений деформационных и прочностных свойств (в) пород Рис. 5. Плановая (а) и вертикальная модель трещиноватости (б), установленная по геолого-геофизическим данным и показывающая дирекционные направления изменений деформационных и прочностных свойств (в) пород

 

Хочется ещё раз подчеркнуть значимость геофизических исследований при инженерных изысканиях, поскольку именно с их помощью часто устанавливается дискретно-очаговая неоднородность строения и свойств массивов горных пород. Особенно это касается сейсмических методов при замерах скоростей продольных и поперечных волн, что позволяет гарантировать точность проведения границ ±10 см.

На рисунке 6 показан результат томографического исследования скального массива, позволившего не только выявить зональность массива, но реконструировать процесс его постепенной деградации и обрушения.

 

Рис. 6. Сейсмотомографическая объёмная модель, иллюстрирующая неоднородность скального массива известняков (в таблице выделенные на модели зоны охарактеризованы значениями скоростей поперечных волн и значениями коэффициента Пуассона) Рис. 6. Сейсмотомографическая объёмная модель, иллюстрирующая неоднородность скального массива известняков (в таблице выделенные на модели зоны охарактеризованы значениями скоростей поперечных волн и значениями коэффициента Пуассона)

 

Использование при сейсмотомографических исследованиях скоростных параметров продольных и поперечных волн, переход к распределению по пространству показателей коэффициента Пуассона наиболее чётко показывают дискретно-очаговую неоднородность массива (рис. 7).

 

Рис. 7. Распределение значений коэффициента Пуассона по разрезу буровой скважины до (а) и после (б) внедрения стандартной железобетонной сваи на глубину 18 м от поверхности Рис. 7. Распределение значений коэффициента Пуассона по разрезу буровой скважины до (а) и после (б) внедрения стандартной железобетонной сваи на глубину 18 м от поверхности

 

Современные сейсмические зонды (геофоны или акселерометры) позволяют фиксировать весь спектр упругих волн в грунтах, при этом могут быть отфильтрованы паразитические шумы, сняты эффекты смазывания, искажения и смещения фаз. Соответственно разработан математический аппарат, позволяющий отфильтровывать ошибочные или аномальные данные и определять скорости продольных и поперечных волн с достаточно высокой точностью и с учётом физического состояния и свойств грунтов.

Для оснований, сложенных песчано-глинистыми грунтами, наиболее информативным методом для установления структуры массива служат различные методы зондирования, но прежде всего СРТ Cone Penetration Test, который может давать информацию о составе и свойствах грунтов по каждому сантиметру разреза, при этом знание региональных особенностей геологического разреза позволяет уверенно выделять стратиграфически обоснованные толщи, анализировать их состав, вплоть до фиксации отдельных включений грубообломочного материала (рис. 8). Графики изменения порового давления позволяют отслеживать мельчайшие нюансы литологических изменений (рис. 9). Послойная интерпретация результатов зондирования позволяет на только стратифицировать разрез, но и решать конкретные геотехнические задачи: рассчитывать несущую способность фундамента или типовых свай (согласно номенклатуре, принятой в программе Геологисмики) (рис. 10).

 

Рис. 8. График изменения градиента лобовых сопротивлений по глубине и послойная интерпретация геологического разреза. Рис. 8. График изменения градиента лобовых сопротивлений по глубине и послойная интерпретация геологического разреза.

 

Рис. 9. График изменения порового давления и его интерпретация на основе стратиграфической привязки разреза Рис. 9. График изменения порового давления и его интерпретация на основе стратиграфической привязки разреза

 

Рис.10. График изменения несущей способности ленточного фундамента по результатам СРТ в зависимости от выбранной ширины при глубине заложения 3,0 м (Программа Геологисмики) Рис.10. График изменения несущей способности ленточного фундамента по результатам СРТ в зависимости от выбранной ширины при глубине заложения 3,0 м (Программа Геологисмики)

 

Из приведённых примеров (а их можно привести множество) видно, что все разговоры об необъективности геологических данных от лукавого. Проблема заключается в отсутствии единого алгоритма для обоснованного выбора геотехнической структуризации на основе результатов инженерно-геологической разведки. Впрочем, это положение существовало всегда, со времён, когда геотехники не знали других моделей, кроме линейно деформируемого тела и расчёта осадки методом послойного суммирования. Появление различных компьютерных программ, использующих конечно-элементную модель оснований, ничего в принципе не изменило. Только теперь стали говорить, что геологию и природную организацию геологической среды можно вообще отбросить.

 

Геодинамическая обстановка

Если сейсмическую опасность можно рассматривать как отложенное наказание за чрезмерную беспечность в выборе строительной стратегии, то существуют не менее грозные ежедневные, если не сказать ежесекундные, опасности, поджидающие изыскателей и проектировщиков при реализации достаточно скромных по масштабам проектов. Это геодинамическая обстановка, прежде всего, в зонах обширных наводнений и паводков, волн цунами, оползней, селей, лавин, обвалов и т. п.

Казалось бы… после катастрофы в Италии на реке Пьяве в 1963 году, когда оползнем объёмом более 240 тыс. куб. м была разрушена плотина Вайонт, а образовавшимся селевым потоком ниже по течению были уничтожены несколько городов и погибли тысячи людей, человечество должно было крепко-накрепко усвоить этот урок и к любому строительству в горных долинах подходить с особой тщательностью. Даже не столько к строительству новых сооружений, сколько к обеспечению безопасности существующих зданий и сооружений и жизни людей… Ан, нет… Снова и снова наступаем на те же грабли, о чём свидетельствует последняя статья в «ГеоИнфо» … «Результаты исследований района схода катастрофического селя в 2015 году вблизи посёлка Цхнети (Грузия)»… Поражают беспечность людей и циничность властей, организовавших с помощью иностранных специалистов тщательное изучение последствий катастрофы. А где вы были раньше, господа? Где государственный мониторинг природной обстановки, который мог бы, если не предотвратить катастрофу, то по крайней мере, смягчить последствия и избежать гибели людей?

Следует отметить, что «алгоритм» описанных событий всегда один и тот же: обильные (как всегда, неожиданные) осадки, переувлажнение огромных оползневых масс на склонах, масштабные оползни (до миллионов кубометров), «барражные» явления в виде естественных или искусственных препятствий (сползшие массы грунта или плотины, возведённые в русле, разрушение барража, прорыв воды, формирование селевого потока и т.п. Стоит вспомнить селезащитную плотину, возведённую в урочище Медео, которая фактически спасла г. Алма-Ату в 1973 году от разрушительного селя, сформировавшегося в результате прорыва горных озёр в верховьях р. Малой Алмаатинки. Сель, переместивший 4 млн куб. м селевых масс, чуть не снёс плотину, которая не была полностью закончена к данному моменту. Только масштабное водопонижение с помощью смонтированных на плотах грязевых насосов предотвратило переполнение селехранилища и формирование ещё более грозного селя ниже по течению. Этот бесценный опыт создания капитальных защитных сооружений стоит запомнить на всю жизнь и специально анализировать на учебных занятиях по инженерной геодинамике.

 

Наводнения

В мире с каждым годом обостряется проблема наводнений (рис. 11).

Эта проблема часто имеет трансграничный и межрегиональный характер. Решить её можно только совместными усилиями нескольких государств по организации водопользования на громадных площадях. Например, в бассейне Амура необходимо строить резервные водохранилища для приёма избыточных паводковых вод, как с китайской, так и с российской стороны… Нужны громадные затраты, напряжённые многолетние усилия, но, возможно, что время уже упущено и процесс пошёл «в разнос», что усугубляется климатическими планетарными изменениями, хищностной вырубкой водоохранных лесов, распашкой земель и общей бестолковостью, свойственной государственным структурам. Видно, что инженерам в такой обстановке не хватает элементарных знаний по широкому кругу вопросов. Инженерное искусство по строительству отдельных гидротехнических сооружений часто оказывается бесполезным или ошибочным в силу отсутствия необходимых комплексных знаний о состоянии природной среды (см. рис. 1214).

 

Рис. 11. Паводок на р. Амур 2013 года (затронуты 4 региона России и 4 млн. человек). Уровень воды в районе Комсомольска был на 8 м выше ординара… И это ещё не предел! Рис. 11. Паводок на р. Амур 2013 года (затронуты 4 региона России и 4 млн. человек). Уровень воды в районе Комсомольска был на 8 м выше ординара… И это ещё не предел!

 

Рис. 12. Обрушение моста во время паводка 2013 года. Почему же размыт и разрушен правый устой моста? Рис. 12. Обрушение моста во время паводка 2013 года. Почему же размыт и разрушен правый устой моста?

 

Рис. 13. Угроза порыва самой большой плотины в Калифорнии на оз. Оровилл в 2017 году. Кто же проектировал и строил этот водосброс? Можно себе представить последствия прорыва этой плотины?! Рис. 13. Угроза порыва самой большой плотины в Калифорнии на оз. Оровилл в 2017 году. Кто же проектировал и строил этот водосброс? Можно себе представить последствия прорыва этой плотины?!

 

Рис. 14. Катастрофа на р. Жухе (Китай) в 1975 году. Прорыв плотин и дамб в округе Баньцао (62 дамбы). Выпало 1631 мм осадков за день! После прорыва плотины образовалась волна шириной 10 км и высотой 7 м. Суммарное число жертв более 170 тысяч человек. Китайская строительная практика часто вообще игнорирует интересы населения целых регионов, исходя из государственных интересов развития сельского хозяйства и водопользования… Благие намерения порождают дорогу в ад! Рис. 14. Катастрофа на р. Жухе (Китай) в 1975 году. Прорыв плотин и дамб в округе Баньцао (62 дамбы). Выпало 1631 мм осадков за день! После прорыва плотины образовалась волна шириной 10 км и высотой 7 м. Суммарное число жертв более 170 тысяч человек. Китайская строительная практика часто вообще игнорирует интересы населения целых регионов, исходя из государственных интересов развития сельского хозяйства и водопользования… Благие намерения порождают дорогу в ад!

 

Цунами

Отдельного разговора заслуживает проблема цунами и разбор инженерных ошибок при строительстве на цунамеопасных побережьях (рис. 1517). Фукусимская трагедия, имевшая глобальный характер, поражает неизбежностью и нелепостью инженерных ошибок и в изысканиях, и в проектировании Фукусимской АЭС. Концепция послевоенного промышленного развития Японии привела к размещению многих промышленных и энергетических объектов, требующих большого количества воды для своих технологий, непосредственно на берегу моря. Этим был проигнорирован накопленный опыт поколений, запрещающий строить капитальные сооружения в 50-километровой прибрежной зоне (закон 1905 года). Площадка станции располагается на высоком обрывистом берегу, причём реакторные отделения были посажены на скальное основание. Замечательное конструкторское решение! Но насосное отделение для охлаждения реакторов было расположено непосредственно на нижнем ярусе объекта, который должен быть защищён от нагонных наводнений и цунами дамбами высотой 6 метров (?!). Тоже блестящее конструкторское решение, позволяющее использовать центробежные насосы большой мощности и способные поднимать воду на большую высоту. Только вот высота волн цунами, обрушившихся на этот участок побережья в 2011 году, была более 10 м, что перечеркнуло все эти блестящие расчёты и породило катастрофу, последствия которой человечество расхлёбывает до сих пор. Насосы были затоплены в считанные минуты, и вся охлаждающая система ректоров прекратила работу… О последствиях можно не говорить!

Ужасающие последствия имело цунами после Суматринского землетрясения в Индийском океане в 2004 году… (см. рис. 1718): полностью разрушенная прибрежная инфраструктура многих государств и 227 тысяч погибших в 14 странах (больше всего пострадали жители Индонезии, Шри-Ланки, Индии и Таиланда). Такова цена пренебрежения опасностью этого непредсказуемого природного явления!

 

Рис. 15. Затопление прибрежной зоны вовремя землетрясения 2011 года Рис. 15. Затопление прибрежной зоны вовремя землетрясения 2011 года

 

Рис. 16. Вид на передний вал волны цунами в префектуре Фукусима Рис. 16. Вид на передний вал волны цунами в префектуре Фукусима

 

Рис. 17. Схема распространения волн цунами от Суматранского землетрясения 2004 года Рис. 17. Схема распространения волн цунами от Суматранского землетрясения 2004 года

 

Рис. 18. Характер разрушений на побережье Таиланда в 2004 году Рис. 18. Характер разрушений на побережье Таиланда в 2004 году

 

Рис. 19. Реконструкция возможного затопления побережья Флориды волнами цунами Рис. 19. Реконструкция возможного затопления побережья Флориды волнами цунами

 

Весьма похожую катастрофу мы наблюдали на мысе Пицунда в Абхазии после обыкновенного шторма в 1969 году. Под угрозой оказались высотные санаторные корпуса, вынесенные прямо на пляжную полосу. А это даже не волны цунами… (рис. 20).

 

Рис. 20. Штормовые волны на мысе Пицунда в феврале 1969 года Рис. 20. Штормовые волны на мысе Пицунда в феврале 1969 года

 

Все приведённые примеры убеждают в ещё одном императиве современности: создавать капитальные сооружения, особенно жилищную инфраструктуру, можно далеко не везде, где хочется, что строительство в таких опасных зонах требует тщательного изучения и особых технологий, до которых человечество ещё не додумалось! Может быть, для таких технологий и необходимы столь тяжкие испытания и человеческие жертвоприношения? Не хочется так думать…

Инженерная деятельность человека должна основываться на знании законов и закономерностей развития геологических процессов и явлений в направлении управления этими процессами и минимизации геологических опасностей в любой точке планеты. Таков второй закон инженерной геологии, который сформулировал проф. В.Д. Ломтадзе ещё в 1976 году. Вот что необходимо всегда помнить, постулируя необходимость знаний по общей геологии для всех участников строительного процесса.

Если бы Р. Пек писал свои постулаты сегодня, то вероятней всего он бы упомянул ещё один императив современности: о необходимости учёта экологических последствий строительства и производства инженерных работ, о гражданской ответственности всех участников строительного процесса изыскателя, проектировщика, строителя. Журнал «ГеоИнфо» не раз публиковал интереснейшие материалы, освещавшие опыт изысканий, проектирования и строительства в различных странах (канадский, австралийский, итальянский и др.). И везде мы видим одну и ту же картину… Необдуманная экономия на инженерных изысканиях, проектировании и строительстве, отсутствие тщательного учёта неизбежных изменений природной среды. Как говорил Б. Коммонер (1976): «За всё надо платить!»…

Человечество в постиндустриальную эпоху обязано согласовать строительство, определить его возможности и ограничения с основной парадигмой устойчивого развития любой территории, которая постулирует организацию хозяйственной жизни, и строительства в том числе, на принципах сохранения природного капитала, минимизации вредных воздействий на природную среду, рационального использования природных ресурсов, в том числе свободных территорий, сбережения экосистем и биоразнообразия, обеспечивая при этом рост доходов и занятости населения. Только тогда бедный житель Китая не будет затыкать нос от нестерпимой вони, исходящей от р. Жёлтой, а внутри альбатроса не будет погубившего его пластмассового мусора (рис. 21).

 

Рис. 21. Впечатляющие кадры следов современной цивилизации Рис. 21. Впечатляющие кадры следов современной цивилизации

 

В основе таких масштабных изменений должна лежать подготовка корпуса высокообразованных и знающих инженеров, сочетающих в себе знания, умения и искусство в области различных видов строительства и производства инженерных работ. Противопоставления здесь геотехники и геологии просто неуместны. Они должны работать в одной упряжке, полностью используя свои научные, методологические и практические возможности, информационные и коммуникативные инструменты современного общества.

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению