В последние пять лет проектная сфера претерпела настоящую техническую революцию, которая продолжается и в настоящее время. Старое поколение проектировщиков быстро сменяется новым, вооруженным современным программным обеспечением и знаниями, почерпнутыми за рубежом. Все прочнее завоевывает позиции BIM-проектирование, численное моделирование, в практику внедряются новые сложные и высокотехнологичные методы расчетов напряженно-деформируемого состояния (НДС) грунтовых оснований. Вместе с тем, многие изыскатели продолжают работать «по старинке», получая данные, которые для численного моделирования недостаточны. И сейчас уже сложно сказать, что было в начале: бедственное положение изыскательских организаций, приведшее к неспособности обеспечить возросшие требования проектировщиков, или же причина и следствие тут поменяны местами.
Аналитическая служба
В середине октября президент и научный руководитель АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» Олег Озмидов организовал совещание, посвященное вопросам обеспечения проектировщиков данными, поступающими из грунтовых лабораторий. На этой встрече также присутствовали руководитель группы ГК «МИАКОМ» Евгений Федоренко, начальник отдела динамической устойчивости грунтов АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» Сергей Чипеев, главный специалист-конструктор ЗАО «Горпроект» Сергей Борисов и технический руководитель испытательной лаборатории АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» Дмитрий Жмылев. Такой многопрофильный состав участников позволил взглянуть на проблему взаимодействия изыскателей и проектировщиков с разных точек зрения, раскрыв ее многослойную структуру.
Нетребовательные заказчики
На сегодняшний день в строительной отрасли России практически отсутствует взаимодействие изыскателей с проектировщиками. Так, например, по словам Евгения Федоренко, проектировщики часто затрудняются сформировать требования к материалам инженерных изысканий, необходимых для выполнения расчетного обоснования того или иного варианта конструкторского решения. Изыскатели, в свою очередь, выдают те результаты, которые, по их мнению, нужны проектировщикам. Однако, на практике не редко оказывается, что предоставленные исходные данные или неполноценны, или вовсе не пригодны для выполнения расчетов.
Особенно эта проблема касается грунтовых лабораторий, поскольку многие необходимые для работы в современных программах испытания не гостированы и не представлены в сводах правил по инженерным изысканиям, а, между тем, обновленные нормативные документы по проектированию становятся все более требовательными к полноценному учету многих факторов, что можно сделать только в сложных геотехнических программах (СП 22.13330-2016). В конечном итоге отсутствие необходимых исходных данных может приводить как к огромным запасам прочности сооружений и колоссальным переплатам инвесторов, так и к разрушению построек.
«Все требования к испытаниям грунтов в лабораториях и к их результатам должны устанавливаться, в первую очередь, проектировщиками в техническом задании для изыскателей. Однако, к сожалению, этого в большинстве случаев не происходит, а изыскатели, заказывая лабораторные исследования для целей конечно-элементного моделирования, не понимают, какая модель будет использоваться, какие методы расчета будут применяться, и при этом всеми силами препятствуют взаимодействию работников лаборатории с проектировщиками. Связано это, как правило, с отсутствием необходимых знаний, а также с элементарным финансовым вопросом: изыскатели не хотят, чтобы в лаборатории знали, какая сумма была выделена проектировщиком на изыскания, что позволяет им диктовать свои условия. Например, из 1 миллиона, отведенного на лабораторные испытания грунтов, до лаборатории может дойти всего около 200 тысяч. То есть примерно в 5 раз меньше, чем объективно необходимо и изначально заложено в смету на изыскания. Это означает, что испытания будут выполнены лабораторией либо себе в убыток, либо не в полном объеме. Последняя ситуация встречается чаще всего, но, видимо, всех устраивает», – рассказал на совещании О.Озмидов
Следует учитывать и тот факт, что расчетчику в большинстве случаев требуются исходные логи лабораторных испытаний (выгрузки с приборов) для калибровки используемых в программе моделей. Оформление и выдачу этих материалов оплачивать практически никто из заказчиков не желает.
Работа по новым правилам
Понятно, что все описанное выше случилось не сегодня и не вчера. Сложившаяся ситуация уходит своими корнями к периоду распада Советского Союза, последствиями которого стало постепенное, но очень серьезное отставание отечественных технологий проектирования от западных. В результате, когда несколько лет назад к нам в страну пришли программы конечно-элементного моделирования типа Plaxis и Midas и потребовались совершенно новые данные для проведения в них расчетов, дать такие материалы большинство изыскателей оказались не в состоянии – не хватало ни опыта, ни оборудования, ни, что немаловажно, средств. Но есть и те, кто все-таки подстроился под работу по новым правилам рынка.
«В АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» генетический подход к изучению грунтов сочетается с физико-математическим. Под последним подразумевается глубокое понимание всеми сотрудниками лаборатории физических основ механики грунтов и достаточные знания математики для корректной интерпретации результатов испытаний.
Мы проводим полноценные опыты, во время которых полностью воссоздаем исходное напряженное состояние в точке обора образца и моделируем расчетную траекторию нагружения грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружений, для чего в лаборатории есть соответствующее оборудование российского, английского, итальянского и немецкого производства. Определение механических характеристик грунтов по табличкам устаревших, хоть и актуализированных, нормативов (СНиП, СП), исходя из генезиса, пористости и консистенции грунтов, считаем абсолютно бездумным приемом. Прежде всего, потому, что прочностные и деформационные характеристики не константа, а функция напряженного состояния массива. В зависимости от геостатического давления и нагрузки от здания они могут изменяться в 2-3 раза. Об этом знают все геотехники мира. Это написано во всех международных стандартах, начиная с Еврокода 7. Тем временем, наши «теоретики», не выполнившие своими руками ни одного серьезного опыта, продолжают фабриковать подобного рода руководства к действию», – заявил О.Озмидов.
Также он подчеркнул, что специалисты АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ», основываясь на своем опыте работы на оборудовании самых различных производителей, пришли к выводу, что для многих испытаний необходимо применять более точные импортные приборы. Выбор зависит от нескольких факторов, прежде всего, от уровня ответственности сооружения, используемой модели грунтового основания и типа грунта. ГОСТ 1248-2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости» требует при определении линейных деформаций точности 10 микрон. Однако, при проведении некоторых опытов, в частности, при определении коэффициента фильтрационной и вторичной консолидации, требуется точность 1-2 микрона, а получить ее можно лишь используя высокоточные установки трехосного сжатия (Giesa, Willе Geotecnics, Geomation, ELE, GDS). Определенную лепту в снижение точности измерений вносят и погрешности, связанные с металлообработкой, что приводит к различным сопротивлениям штоков, их люфтам и перекосам, залипанию пневмоцилиндров и т.д. Всего этого можно избежать, работая на дорогостоящем оборудовании. Стоимость испытаний при этом поднять лаборатории не могут, что делает некоторые объекты, по словам Олега Озмидова, убыточными. «Только за счет того, что наша лаборатория постоянно загружена и сотрудники часто работают без выходных, нам удается сохранять общую рентабельность на уровне 10-15%», – рассказал он. Кроме того, по его словам, большое количество установок трехосного сжатия (более 30) позволяет поставить испытания на поток и тем самым снизить удельные трудозатраты. Дело в том, что для обслуживания двух стабилометров требуется два сотрудника (инженер и лаборант). Для обслуживания 30 стабилометров требуется три сотрудника (инженер и два лаборанта). Современные приборы автоматизированы и не требуют постоянного присутствия человека. Таким образом, карманные лаборатории становятся нерентабельными. Отсюда непрекращающиеся жалобы на демпинг крупных лабораторий.
Нормативная база
Между тем, требования к проведению расчетов в конечно-элементных программах, а также регламенты по выполнению инженерных изысканий на уровне, достаточном для обеспечения таких расчетов исходными данными, постепенно появляются в нормативных документах. Например, в 2015 году в действие был введен ГОСТ 56353-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов» (составители: Геоцентр МГУ – Е.Вознесенский и АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» – О.Озмидов).
Также в настоящее время подготовлена уже вторая редакция Свода правил «Инженерно-геологические изыскания в строительстве». В этот документ предполагается включить большое приложение, где представлены все модели, которые применяются в численном моделировании и изложены методы определения их входных параметров. Основной документ для проектировщиков СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений» также требует обязательного применение численных методов при проектировании объектов I и II уровней ответственности. При этом исчерпывающее описание процедур выполнения испытаний по-прежнему отсутствует, что оставляет широкий простор для фантазии исполнителей и вызывает серьезные затруднения у представителей экспертных и надзорных органов
АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» на данном этапе находит выход из положения в утверждении собственного Стандарта предприятия «Методика лабораторных определений входных параметров конечно-элементных моделей» и принятии его в качестве Программы работ, утвержденной заказчиком. «По-видимому, в сложившейся ситуации – это единственный легитимный путь», – считает О.Озмидов.
О комплексировании полевых и лабораторных методов
Несмотря на то, что именно результаты лабораторных исследований ложатся в основу моделей для расчетов в конечно-элементных программах, материалы полевых испытаний также очень важны.
После того как грунт отобрали и привезли в лабораторию, необходимо задать образцу то состояние, которое было у него в естественном залегании. Для получения в том числе этих характеристик проводятся полевые испытания. Однако, при этом, в поле невозможно спрогнозировать поведение грунта в различных условиях. Это доступно только в лаборатории. Именно поэтому в расчетах геотехники не могут использовать только лабораторные или только полевые данные.
Как отметил Евгений Федоренко, в нашей стране полевые методы отстали от западных стран, где давно применяются зонды CPTu и sCPTu, дилатометры Маркетти и пр., что позволяет с одного зондирования оценить по корреляционным зависимостям практически все необходимые параметры: величину бокового давления, переуплотнение, угол трения, модуль деформации и даже рассеивание (диссипацию) порового давления. Российское же оборудование, по его словам, в основном позволяет получать геологическое строение.
При этом, правда, стоит отметить, что отечественные разработки в этом направлении ведутся. Уже появились подобные зонды и собственные варианты дилатометров (новосибирский расклинивающий), внедряется в практику метод бурового зондирования (RDT). Но нормативная база пока не позволяет полноценно использовать все возможности такого способа получения данных, как это делается за рубежом.
Рассказывая о своем опыте выполнения геотехнических расчетов при строительстве скоростной платной автодороги Москва-Санкт-Петербург, генеральным подрядчиком которой является турецкая компания, Е.Федоренко поделился материалами сравнения данных, полученных полевыми и лабораторными методами. По его словам, турки для контроля российских изыскателей заказали дополнительно статическое зондирование, выполнить которое поручили известной в мире компании Fugro. По результатам их работы были получены предварительные параметры сжимаемости и консолидации, что позволило ориентировочно, но зато очень оперативно рассчитать ожидаемые осадки. Проведённые в последующем работы: отбор образцов, испытание их в лаборатории ВНИИГ им. Веденеева, анализ данных и геотехническое моделирование в ГК «МИАКОМ», показали хорошую сходимость с предварительными результатами, полученными Fugro по данным CPTu зондирования и испытаний дилатометром.
Впрочем, по мнению Олега Озмидова, никогда нельзя забывать о том, что только лабораторные методы являются прямыми. То есть, получить тот или иной параметр в поле можно лишь на основе имеющихся корреляционных зависимостей. Например, от показателя сопротивления конуса при статическом зондировании можно перейти к модулю деформации грунта. Иногда эти корреляции имеют хорошие показатели, иногда они слабее, а бывает и так, что корреляции нет вовсе. Более того, бывает такое, что на первый взгляд корреляция есть, однако если какой-то косвенный параметр изменится, например, влажность или грансостав, то все данные будут идти с ошибками, но ни изыскатель, ни проектировщик могут этого просто не заметить. Особую опасность представляют вновь обнаруженные корреляционные зависимости, срочным образом открытые с целью защиты кандидатской или докторской диссертации. Ценой таких «научных» открытий могут стать человеческие жертвы при обрушении зданий и сооружений. Таким образом, к полевым методам нужно относиться с большой осторожностью, а лучше использовать европейский опыт, где, согласно их нормативным документам, чтобы получить одну характеристику грунта необходимо применить четыре разных метода, например, два полевых и два лабораторных испытания. И только если полученные показатели бьются между собой в рамках допустимого разброса, данное значение принимается.
У нас же в стране в целях экономии все делается наоборот. В качестве примера можно привести печально известную Загорскую ГАЭС-2, где сумма ущерба в результате разрушения грунтового основания составила 11 млрд рублей.
Запасы или перезапасы?
Применение современных программных комплексов предполагает исключение многих допущений и упрощений, присущих аналитическим («ручным») методам расчета. Некоторые специалисты говорят о том, что метод конечных элементов позволяет делать расчет «как есть», т.е. без запасов по прочности, однако возможности программы позволяют закладывать и необходимые коэффициенты запаса, если это потребуется. А в некоторых случаях именно численное моделирование позволяет получить более консервативное решение по сравнению с аналитическими зависимостями благодаря учету большего количества факторов.
С одной стороны, это оправдано, поскольку никогда нельзя быть на 100% уверенным, как поведет себя грунт, особенно обладающий специфическими свойствами. С другой стороны, каждая перестраховка может привести к дополнительным затратам сотен миллионов рублей. «Тут как раз важна работа геотехника, который должен уметь это ощущать, чувствовать и уметь в этом лавировать. Его задача выбрать оптимальный вариант между переплатой и потенциальным разрушением строящегося объекта из-за недостаточной надежности основания.
Сейчас очень популярны BIM-технологии, которые позволяют объединить все разделы и решения проекта в одном информационном пространстве и увидеть результаты строительства до его начала. Но есть и одно узкое место. Переход от изысканий к проектированию нельзя автоматизировать. Именно человек, геотехник, должен все проанализировать, предложить оптимальное проектное решение или конструкцию, обоснованные расчетом из нескольких возможных вариантов», – подчеркнул Е.Федоренко.
О.Озмидов в свою очередь рассказал, что на всех совещаниях все высокопоставленные чиновники продвигают модное направление BIM-проектирования, что подразумевает моделирование в виде трехмерной анимации и здания, и его основания. Однако выясняется, что никаких исходных параметров модели никто не определял, а состав изысканий не определен. Все очень красиво и наглядно, на уровне высокого руководства смотрится шикарно, но потом оказывается, что того «лаборанта со штангенциркулем», который получил исходные данные, не было! Таким образом, мы опять путаем причины со следствиями.
Курсы для проектировщиков
Подводя итог вышесказанному, можно заключить, что на сегодняшний день в отечественных изысканиях сложилась следующая ситуация: с одной стороны, потребности проектирования в новых конструкциях и материалах, развитие индустрии программных продуктов, а также зарубежный опыт говорят о необходимости перехода на более современный подход к расчетному обоснованию проектных решений. С другой стороны, текущее состояние грунтовых лабораторий, полевое оборудование и соответствующая нормативная база не могут обеспечить потребности современных программных комплексов численного моделирования в исходных данных.
Но основным камнем преткновения являются кадры, причем как с одной, так и с другой стороны. Сотрудники грунтовых лабораторий должны обладать знаниями об используемых проектировщиками моделях грунтовых оснований, входных параметрах этих моделей и технологиях их получения. А проектировщики для того, чтобы оценить, на сколько надежны получаемые данные, должны иметь представление о том, как выполняются испытания грунтов и какие возможности имеются у геотехнического оборудования. Это позволит проектировщикам грамотно составлять техническое задание для изыскателей. А для принятия решений в сложных ситуациях нужен большой опыт соответствующих изысканий, который невозможно приобрести при обучении в вузе, поскольку, как известно, с практикой в вузах не густо.
Именно на решение этой сложной задачи ориентированы курсы повышения квалификации, которые проводятся в АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» при участии ГК «Миаком». Для этих целей получена соответствующая образовательная лицензия, оборудован компьютерный класс, закуплено лицензионное программное обеспечение численного моделирования (Plaxis). Курсы являются практикоориентированными, т.е. в процессе обучения слушатели знакомятся и с работой современного лабораторного геотехнического оборудования, и решают задачи при помощи программных средств численного моделирования. При выборе преподавателей во внимание принимается не наличие ученых степеней и количество печатных работ, а реальные знания и практический опыт, в том числе работы с иностранными заказчиками. Обязательным качеством преподавателя курсов является глубокое знание физических основ геотехники и участие в изысканиях/проектировании современных «строек века». Передовым отрядом обучающихся на курсах АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» являются представители надзорных и экспертных органов.
Таким образом, отстающим изыскателям и проектировщикам в недалеком будущем придется туго. Выход один – срочная ликвидация конечно-элементной неграмотности и переход на рельсы численного моделирования.