Аналитическая служба
Одна из сложностей, с которой приходится сталкиваться в последние годы при проектировании зданий и сооружений – это превышение давления на грунтовое основание сверх расчетного сопротивления грунта. До недавнего прошлого все проектирование зданий выполнялось в интервале давлений от 0 до некого расчетного сопротивления основания R, формула которого, включающая в себя прочностные параметры грунтов, есть во всех нормативных документах. Однако, в связи с изменениями, происходящими при переиздании нормативных документов, у
некоторых специалистов сложился стереотип, что расчетное сопротивления грунта – это максимальное давление, которое может оказываться на грунтовый массив при строительстве зданий и сооружений. На самом деле это не так. Это лишь тот порог напряжения, до которого грунт можно считать линейно-деформируемым, а для расчета осадок применять метод послойного суммирования. Вопрос о том, насколько хорош этот метод, и вообще насколько точно определяется осадка не имеет однозначного ответа. Можно найти ряд статей, показывающих, как расчетная осадка отличается от измеренной за несколько десятилетий. Например, об этом писал известный петербургский геотехник Алексей Шашкин.
При современном строительстве очень часто бывает так, что давление от здания выходит за величину расчетного сопротивления грунта, то есть грунт переходит в зону нелинейного поведения. И здесь уже для корректного расчета требуются специальные методы и программы.
«Если еще во второй половине прошлого века между проектировщиками существовало негласное соглашение, что давление от зданий не должно превышать 200 КПа, то есть 2 кг силы на квадратный сантиметр, то сейчас мы сталкиваемся с давлениями и 0,6, и 0,8 МПа. Например, в настоящее время мы занимаемся грунтовым основанием самого высокого здания в Европе (403 метра), которое строится в комплексе Москва-Сити. Давления от него составляют 1,8 МПа, что превышает стандартное в 9 раз», – рассказывает Олег Озмидов, научный руководитель геотехнической лаборатории АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ», один из лекторов курсов повышения квалификации, проводящихся на базе этой организации.
Для выполнения сложных расчетов на сегодняшний день существует целый ряд программ. Это Plaxis, Midas GT, FEM (МКЭ) Geo5, RS, Z–soil и др. В целом принципы их работы во многом схожи и основаны на одних и тех же моделях поведения грунта, находящегося во взаимодействии с сооружением.
Конечно-элементное моделирование в нормативных документах. Лоббизм или задел на будущее?
Применение в расчетах численного моделирования на сегодняшний день регламентировано целым рядом нормативных документов. Это 384-ФЗ «О безопасности зданий и сооружений», СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», СП 23.13330.2011 «Основания гидротехнических сооружений», СП 24.13330.2011 (с исправлениями 2017 года) «Свайные фундаменты», СП 47.13330.2016 «Инженерные изыскания для строительства» и некоторые другие, в том числе отраслевые автодорожные. Кроме того, данные требования будут заложены и в СП «Инженерно-геологические изыскания для строительства», который в настоящий момент разрабатывается при участии АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ». В частности, по словам Олега Озмидова, им удалось внести в документ фразу о необходимости определения входных параметров расчетных моделей, используемых в программных комплексах численного моделирования. Также разработано специальное Приложение к СП, в котором перечислены практически все входные параметры для моделей численного моделирования, указаны все методы их получения, приведены размерности. Впрочем, по мнению О.Озмидова, есть большая вероятность, что перечисление моделей из окончательной редакции СП будет исключено в связи с тем, некоторые оппоненты, выступают против этого, считая, что АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» «лоббирует интересы отдельных товарищей, например, Мора, Кулона и др».
Сам научный руководитель геотехнической лаборатории считает, что на самом деле противодействие связано со сложностями работы по новым требованиям. «Без преувеличения можно сказать, что в среде инженер-геологов сейчас страшная паника, потому что на протяжении последних 100 лет требовалось определение лишь трех параметров – модуля деформации, угла внутреннего трения и удельного сцепления. Иногда из каких-то табличек брали коэффициент Пуассона. А когда выяснилось, что для корректных и точных расчетов нужно как минимум 15 параметров с применением сложных методов, то изыскатели испугались. Но они не понимают, что если проектировщикам данные параметры нужны, то получать их все равно придется. Но делать это и, соответственно, зарабатывать, будут те, кто идет в ногу со временем и это умеет», – отмечает Олег Озмидов.
Между тем, представляется, что внесение названий моделей грунтов не всегда ведет к рекламе определенных программ. Например, модель CamClay – это, по сути, фундаментальная модель поведения грунта, на основе которой построены многие другие модели, и она может присутствовать практически во всех программах. Другие модели более известны российскому пользователю по программе Plaxis, которая используется в нашей стране с 90-х годов XX века. Но если вместо модели Мора-Кулона написать – «простейшая упругопластическая модель», а вместо CamClay – «усовершенствованная шатровая модель с нелинейным поведением при сжатии», то большинству пользователей и сотрудников лабораторий эти названия мало о чем скажут. Возможно, компромиссным решением будет указание модели как аналога, например, «простейшая упругопластическая модель (аналог модели Кулона-Мора)». При этом можно указывать несколько аналогов из более известных программных комплексов, поскольку все программы так или иначе используют одни и те же модели с разными названиями. Так информация будет доступнее для понимания.
Какие входные параметры нужны для МКЭ
Самая простая из применяющихся на сегодняшний день моделей поведения грунта – модель линейной упругости (LE). Для нее необходимы всего два параметра: модуль общей деформации и коэффициент Пуассона. Немного более сложная модель – Кулона-Мора (MC), для которой требуется уже пять параметров. К двум названным выше добавляются сцепление, угол внутреннего трения и угол дилатансии.
Для задания модели упрочняющегося грунта необходимо знание 7 величин, характеризующих механическое поведение грунта – три прочностных параметра, перечисленные выше, и четыре деформационных: секущий модуль деофрмации из испытания в стабилометре; секущий модуль упругости из испытания в стабилометре, касательный модуль деформации из испытания в одометре и показатель степени зависимости жесткости от напряжения.
Для корректного проведения модели (воссоздания исходного напряженного состояния) необходимы еще два параметра: начальный коэффициент переуплотнения и коэффициент бокового давления в состоянии покоя.
Наконец, для работы с моделью HSSmall кроме перечисленных параметров требуется еще два: начальный модуль сдвига и величина относительной сдвиговой деформации, при которой значение модуля сдвига падает до 70% от максимального.
Геотехник – связующее звено
Как видно из вышесказанного, с каждым годом работа и инженер-геологов и проектировщиков становится все более сложной и высокотехнологичной. Как отмечают сами изыскатели, в настоящее время процент заказчиков, требующих параметры грунтов для конечно-элементных моделей, еще не очень велико, но их число уверенно растет и скоро таких, вероятно, будет большинство.
Да и сами проектировщики понимают, что в связи с появлением новых технологий строительства создать адекватное и учитывающее все факторы проектное решение на бумаге уже практически невозможно, особенно когда речь идет об уникальных сооружениях. Более того, даже если проектировщик будет постоянно обучаться, отслеживать все новейшие тенденции, он все равно вряд ли сможет удержать в голове весь массив знаний.
«Если мы возьмем геосинтетику или любую другую современную технологию укрепления грунтового основания (jet grouting, DSM, виброфлотацию и т.п.), то проектировщик, чтобы грамотно ее применить, должен обладать не только глубокими знаниями в этой технологии (которых в той же геосинтетике весьма немало), но еще и в геотехнике (геомеханике) и инженерной геологии. Не зная характеристики грунтов и не представляя себе, что с ними делать, определить преимущества того или иного проектного решения сложно», – говорит еще один лектор курсов, проводимых в АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ», руководитель группы ГК МИАКОМ Евгений Федоренко.
Вероятно, в связи с этим в одной из последних редакций основного документа, регламентирующего проектирование зданий и сооружений СП 22, в 2016 году появилось фраза о том, что «должна быть обеспечена координация и связь между специалистами в области изысканий, проектирования и строительства». Однако, осуществить это на практике на сегодняшний день весьма сложно. Между тем, проблема существует и масштаб ее колоссальный.
Если оконтурить области знаний, которыми владеют изыскатели и проектировщики, то становится понятно, что из-за постоянно увеличивающегося и без того огромного объема информации изыскатель никак не может стать проектировщиком. Справедливо и обратное утверждение. Наладить связь между этими двумя специалистами должен геотехник, который обладает набором знаний и в той и в другой области. В противном случае добиться связки «изыскатель-проектировщик» невозможно, особенно если говорить о работе в современных программных комплексах, применении сложных расчетных моделей и т.д.
BIM-технологии геотехника не заменят
В последнее время все чаще можно слышать, что для эффективной совместной работы изыскателей и проектировщиков необходимо применять BIM-технологии. Но, к сожалению, это верно лишь отчасти, хотя именно к этому все и идет.
«Не так давно хорошо известная международная компания Bentley купила Plaxis вместе с канадской программой SV–Office. Следовательно, с большой вероятностью в ближайшие годы можно ожидать цельного продукта, объединяющего в себе возможности для работы и инженер-геологов, и проектировщиков. Но и в этом случае ожидать 100% надежного результата не стоит. Например, если у нас есть результаты изысканий, в том числе испытаний в грунтовой лаборатории, есть цифровая модель местности, все равно программа не сможет заменить геотехника в анализе грунтового основания», – говорит Е.Федоренко.
Действительно, когда российским специалистам стало известно, что Plaxis сделал переход от модели грунтового массива к модели геотехнической системы «здание – грунтовое основание», они посчитали, что благодаря этому связь между изыскателями и проектировщиками выстроится сама собой. Но это не так, потому что в этой цепочке, какой бы совершенной она не казалась, отсутствует этап анализа и интерпретации данных, в том числе, получаемых в грунтовой лаборатории. Ведь геолог просто не будет знать, какие требования проектировщик предъявляет к его работе, какую модель будет использовать, что будет считать – устойчивость, осадку или что-то еще.
Более того, когда проектировщики предъявляют требования к результатам лабораторных испытаний по нарастающей по мере обработки ранее полученных данных, они сами провоцируют геологов на фальсификации. Ведь количество отобранных образцов не безгранично, как и сроки их хранения. Если какой-то опыт уже выполнен, другой выполнить уже не получится.
Вот и получается, что чтобы выполнить требования современных нормативных документов проектно-изыскательской отрасли нужны геотехники. Или по крайней мере специалисты, получившие необходимый минимальный набор знаний как о работе программ конечно-элементного моделирования, так и о получении для этого необходимых входных параметров в геотехнических лабораториях.
Наконец, давно назрела необходимость создать отдельную специальность – геотехник, обучаясь на которой, студенты могли бы за 4–6 лет изучить колоссальный объем знаний, накопленный за прошедшее время в области геотехники (геомеханики). Тогда выпускник-геотехник сможет обеспечивать в проектных организациях требуемую нормами связь между проектировщиками и геологами, квалифицированно поддерживать процесс проектирования и достойно представлять свою организацию в международных проектах на уровне, соответствующим мировым представлениям в области геотехники.