Современные геотехника и геотехнологии начали появляться после войны 1939-1945 гг., когда странам Европы и России приходилось воссоздавать разрушенное. На первых этапах отечественная наука успешно конкурировала с западной и в чем-то иногда даже превосходила ее. Затем постепенно началось отставание, обусловленное издержками плановой экономики. Оно было не столь заметным только в проектировании и исследованиях оснований, расположенных в зоне многолетнемерзлых грунтов. Это объяснялось смещением центра экономических интересов России с середины 1980-х годов на восток и север страны. Общее же отставание от Запада в сфере строительной науки и связанных с ней технологий становилось очевидным, а сегодня оно начало приобретать угрожающий характер из-за ясно обозначившейся зависимости крупных проектов отечественного строительства от участия западных компаний, от присутствия на российских просторах современного импортного строительного оборудования. А теперь уже появилась и потребность в изыскательской технике, произведенной за рубежом.
Современная техника изысканий требует и современных технологий, правил и методов ее использования. И здесь тоже обозначилось наше отставание. Наряду с этим слепая вера в старые постулаты, сложившиеся в научной среде, консервирует строительное законодательство, ведет к расточительному использованию инвестиционных вложений, к еще большему отставанию от развитых стран.
Замах на повсеместное строительство в России зданий средней и высокой этажности, обозначившийся в последнее время, влечет за собой изменение нагрузок на фундаменты, потребность создавать их компактными по площади, в виде опор глубокого заложения. Это, естественно, изменило требования к изысканиям, в том числе к качеству полевых опытных работ. Потребовалось новое оборудование, способное работать на бóльших глубинах, в бóльшем диапазоне нагрузок, с более высокой точностью. Возникли новые факторы влияния, для учета которых необходимы более совершенные методики и технологии ведения работ.
Если во многих странах высотное строительство ведется в благоприятных геотехнических условиях, с возможностью опирать фундаменты на скальные и полускальные породы, то у нас эти условия часто резко отличаются. В мегаполисах, перспективных в отношении экономического роста, скальные основания залегают глубоко — и это, слава богу, пока сдерживает высотное строительство. Тем не менее непомерные амбиции руководителей ведущих отраслей бизнеса толкают строительный комплекс к таким сложным и очень недешевым проектам. А если учесть те возможные прибыли и откаты, которые светят при реализации сложнейших проектов их соучастникам, то можно ожидать, что нашей строительной индустрии все же придется сталкиваться с многочисленными проблемами высотного строительства во всей их сложности. Но не придется ли впоследствии платить большую цену на поддержание новых «высоток» хотя бы в минимально удовлетворительном состоянии? Готово ли наше строительное законодательство к таким вызовам времени?
Попробуем проанализировать развитие за последние 50 лет отечественных технологий полевых исследований грунтов и сравнить ряд их базовых элементов с западными аналогами. На начальном этапе создания современных норм проектирования оснований зданий в различных странах использовался и анализировался накопленный опыт наблюдений за осадками и сроками появления различного рода повреждений, выявляемых в построенных объектах. Было отмечено, что первые признаки ощутимых деформаций в виде трещин, сколов и прочего обычно наблюдаются тогда, когда средняя осадка здания значительно превышает 80 мм. Поэтому на первом этапе создания норм (до 1965 г.) считалось, что осадка объектов, по мнению проектировщиков, не должна превышать 80 мм. Именно на эту величину в качестве ограничителя и было нацелено строительное законодательство, контролирующее проектные решения. В дальнейшем выяснилось, что предельная осадка зданий зависит от вида сооружения по его назначению и конструктивному исполнению, и это нашло отражение во вновь издаваемых нормативных документах.
В то время в проектировании происходил активный переход от осмысления критичности состояния конструкции по причинам превышения допустимых для нее прочностных характеристик материала к другой концепции, основанной на определении критичности предельными состояниями, ограничивающими эксплуатационную пригодность здания. Поэтому при проектировании особое внимание уделялось прогнозу осадок объекта, для чего создавалась соответствующая методика расчета. В случае свайного основания большое внимание уделялось оценке его несущей способности, поиску и подбору соответствующих критериев для этого.
На тот момент считалось, что, если провести испытание отдельно стоящей сваи пробной нагрузкой, то этого будет достаточно для того, чтобы характеризовать несущую способность всего свайного основания. Для этого нужно всего лишь просуммировать несущую способность одной сваи на их общее количество в фундаменте. Такие представления, впрочем, бытуют до сего времени и составляют основу проектирования свайных фундаментов. Подобного рода подход априори подразумевал, что несущая способность сваи — статичная величина, почти не подверженная влиянию времени, а условия работы отдельно нагруженной сваи и сваи в фундаменте близки между собой. Поэтому испытания пробных свай получили широкое распространение в практике проектирования.
При этом были предприняты попытки увязать несущую способность отдельных таких свай с ожидаемыми осадками зданий, используя для этого график зависимости осадки отдельной сваи от нагрузки, получаемый в процессе ее пробного статического испытания. Было принято допущение о линейной связи между осадкой отдельной сваи при ее испытании под определенной нагрузкой и реальной осадкой здания, соответствующей такой же нагрузке, приходящейся на одну сваю. Методом проб и ошибок в перспективе ожидалось установить соответствующий коэффициент перехода от осадки отдельной сваи к ожидаемой осадке здания (ζ). На момент принятия такого решения волевым порядком была установлена величина этого коэффициента 0,1. В настоящее время она составляет 0,2. Понимая всю зыбкость и недостаточное обоснование такой теоретической концепции, «законодатели норм» приводят примечание, что может быть принята иная величина корректирующего коэффициента, если для этого будут достаточные основания. Естественно, никто из проектировщиков не собирался брать на себя функции научного сопровождения — и это примечание не нашло практического применения в деятельности проектно-изыскательских организаций. Тем не менее сам подход, заключающийся в установлении несущей способности свай в фундаменте в зависимости от осадки пробной одиночной сваи, сопоставляемой с регламентируемыми предельно допустимыми осадками здания, получил распространение в отечественных нормативных документах, хотя и является достаточно спорным. Переход на такую концепцию породил в последующем неверную интерпретацию результатов испытаний, ставя их в зависимость только от перемещений сваи, хотя сами перемещения и их величины зависят от многочисленных факторов различного происхождения, которые при испытаниях и в процессе строительного цикла проявляются по-разному.
Дело в том, что несущая способность сваи — величина переменная в течение всего времени строительства. На момент проведения испытания она определяется не только характеристиками окружающего грунта, но и способом погружения (изготовления) сваи, методом приложения нагрузки на сваю (нагружаемой платформой, анкерными системами), уровнем вовлеченности окружающего грунта и свай в процесс формирования реакции отпора. Сам характер нагрузки на момент пробного испытания сильно отличается от нагрузки, оказываемой на сваю в процессе строительства здания. Условия проведения испытания также сильно сказываются на его результатах и иногда играют злые шутки, приводя к неожиданным парадоксам. Примером тому служат многочисленные случаи занижения несущей способности свай при их выпоре из грунта. Это неоправданное занижение происходит исключительно из-за узаконенного нормами способа оценки несущей способности пробных свай, ориентированного на предельные осадки с использованием нормативного корректирующего коэффициента ζ. Образно говоря, получается своего рода «двойное налогообложение».
С одной стороны, осадка свайного фундамента определяется расчетными методами и, казалось бы, этого должно быть достаточно. С другой стороны, «законодатели норм» этим не ограничиваются и требуют дополнительно корректировать несущую способность свай величиной нагрузки, при которой осадка пробной сваи не превысит нормируемого стандартом значения (величина которого, в свою очередь, соотносится с табулируемыми дифференцированными значениями предельных осадок типовых сооружений, приводимыми в стандартах на проектирование оснований). Это предложение было навязано, невзирая на то что в подавляющем большинстве случаев поведение отдельной сваи совершенно несопоставимо с работой сваи в составе фундамента. Достаточно взглянуть на график испытаний свай, отражающий квадратичную зависимость осадки пробной сваи от нагрузки.
Впервые несогласие с федеральными нормами, регламентирующими оценку несущей способности свай по результатам их пробных испытаний с использованием дифференцированных значений предельных осадок, выразили в 1970-е годы ленинградские строители. Они предложили несущую способность сваи во всех случаях считать исчерпанной только при одном условии — если осадка пробной сваи превысила 40 мм. Практика использования этого предложения одно время укоренилась в Ленинграде и позволила заметно увеличить нагрузки на сваи без ущерба конструкциям зданий, сэкономив значительные средства. Но, по-видимому, даже этих мер было недостаточно. И поэтому в настоящее время проектирование зданий средней этажности на сваях большой длины (20–40 м) не только в буровом, но и в забивном варианте в г. Санкт Петербурге не является чем-то исключительным, а составляет обычную практику.
В технической литературе неоднократно отмечалось, что разработанный порядок оценки несущей способности свай вносит дисгармонию в само это понятие, порождая неоднозначность ее значений для различных сооружений. При проектировании мостов оценка несущей способности свай происходит несколько иначе и неоднозначности решений удается избежать. При использовании испытаний грунта статическим зондированием расчетная несущая способность сваи также получает однозначное решение и не увязывается с ожидаемыми осадками зданий. Тем не менее практика применения статического зондирования для оценки несущей способности свай получила широкое (в Голландии, например, даже подавляющее) распространение и не находит негативных оценок. Это также приводит к вопросу о том, насколько правомерно было в свое время решение увязывать несущую способность одиночной сваи с ожидаемой осадкой здания, не обращая внимания на конкретные условия.
Первое издание ГОСТ 5686, регламентирующего условия и порядок проведения полевых опытных работ по оценке несущей способности свай, относится к 1951 году. Несмотря на прошедшие с тех пор 65 лет, в современном стандарте (ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями») мало что изменилось, если не считать дополнений, касающихся специфических грунтов, и отдельных изменений в терминологии. Столь же мало произошло изменений и в теории, касающейся проблем несущей способности свай. В российских документальных источниках, посвященных исследованиям несущей способности свай, на протяжении многих лет превалируют следующие постулаты, ставшие сегодня аксиомами:
- Отказ свай хорошо отображает их несущую способность: чем выше отказ, тем ниже сопротивление сваи.
- Несущая способность свай, определяемая статическими испытаниями, является эталонной, абсолютно достоверной и безальтернативной по своей точности. Среди различных методов ее исследований статические испытания считаются наиболее надежными.
- Несущая способность свай, определяемая статическими испытаниями, наиболее близка к реальной несущей способности свай в сооружении, а выявляемые различия в их значениях достаточно полно отображаются корректирующими коэффициентами, присутствующими в нормах на проектирование свайных фундаментов.
В то же время совершенно не учитывается тот факт, что все существующие методы полевых исследований несущей способности свай подвержены влиянию динамического фактора, который временами даже преобладает над статическим. В результате упомянутые выше аксиомы перестают быть таковыми. Так, существующая практика проектирования свайных фундаментов показывает, что иногда возникают сомнения в незыблемости этих постулатов, ставших аксиомами. Особенно это видно на примерах, наблюдающихся в Санкт-Петербурге. Это вовсе не означает, что таких же примеров нет в других городах — просто там не могут объяснить их причину и предпочитают проектировать строго по нормам (своего рода «индульгенциям»), не вдаваясь в подробности их происхождения. Впрочем, ряд специалистов считает, что никаких сомнений в работоспособности норм вообще быть не может. И если где-то есть несоответствие между теорией, на которую опираются нормы, и практикой, то это, прежде всего, объясняется несоблюдением указаний ГОСТ 5686.
Однако практика изысканий свидетельствует о том, что такие сомнения вполне обоснованы. Так, результаты испытаний свай, выполненных на ряде объектов Санкт-Петербурга, заставляют сомневаться в справедливости приведенных выше постулатов и задуматься о том, в чем источники этих сомнений, с чем связаны и почему стали возможны «нарушения» незыблемых прежде законов механики грунта. Авторы статьи систематизировали результаты испытаний свай на достаточно большом числе объектов, на которых наблюдался выпор свай, и выяснили следующее:
- не прослеживается связь между отказами свай и их несущей способностью;
- результаты оценки несущей способности по данным статического зондирования, на которые опирались при создании одного из проектов его авторы, оказались несравнимо выше по точности, чем результаты прямых статических испытаний;
- несущая способность свай по данным испытаний далеко не соответствует реальной несущей способности, о величине которой свидетельствуют результаты мониторинга осадок во время строительства и эксплуатации зданий;
- кроме того, сами результаты испытаний носят заметный налет неопределенности, преодолеть который помогает лишь долговременный мониторинг осадок зданий, подкрепленный наряду с этим некоторыми дополнительными подстраховочными мерами;
- различия между опытными и реальными значениями несущей способности свай настолько велики, что не компенсируются корректирующими коэффициентами, регламентируемыми существующими стандартами на проектирование свайных фундаментов.
В работах объясняются причины выявленного парадокса и неоднозначности результатов контрольных статических испытаний. В статье ставится вопрос о целесообразности их проведения вообще, во всяком случае, в том виде и в том порядке, которые требуются по нынешним стандартам на проектирование и испытания. На основании упомянутых работ может сложиться впечатление, что неоднозначность решений является исключительным случаем и целиком обязана особым грунтовым условиям и технологическим решениям реализации проекта, способствующим выпору свай. Однако главная причина все же заключается в другом и кроется в первую очередь в недостаточно продуманных положениях стандартов на испытания свай, в которых из раза в раз аккуратно переписывается одно и то же. К тому же наблюдается отсутствие логической связи между ГОСТ 5686 и сводом правил по проектированию свайных фундаментов. Если СП ориентирует специалистов на то, что активная зона сжатия под пятой сваи составляет 4d (где d — диаметр сваи), то совершенно ясно, что в иных направлениях она никак не может быть меньше.
Между тем ГОСТ 5686 поясняет, что при проведении контрольных испытаний расстояние между опытной и анкерными сваями можно снизить с обычно рекомендуемой для предпостроечных испытаний величины 5d до 2d. То есть ГОСТ сразу заставляет смириться с тем, что между испытываемой и анкерными сваями будет взаимовлияние. И его авторы не видят в этом никакой опасности, хотя здравый смысл говорит о том, что, чтобы полностью исключить взаимовлияние свай, оптимальное расстояние между ними должно составлять 4d × 2 = 8d. Или, учитывая возможную приблизительность расчета и нарастающие при таких расстояниях трудоемкость и металлоемкость монтажа, можно в качестве своего рода исключения допустить лишь очень небольшое снижение этого расстояния. Кстати, ГОСТ 5686-51 в свое время и регламентировал величину этого расстояния 6d.
В последующем под влиянием иностранных источников она сменилась значением 5d. В этой связи имеет смысл сопоставить ГОСТ 5686-2012 и стандарт США – ASTM D1143/D1143M-07 на проведение испытаний свай статическими нагрузками, а также сравнить тенденции их развития. Стандарты США и во многом идентичные им нормативные документы стран Западной Европы во многом сходны с нашими. Можно отметить общность большинства их положений, хотя американские рекомендации более детально и доходчиво расписаны и порой более категоричны в формулировках. Стандарт США избегает неоднозначных формулировок. Но базовые позиции ASTM D1143/D1143M-07 и ГОСТ 5686-2012 совпадают даже в цифрах, что позволяет предположить, что одна из сторон создавала стандарт с оглядкой на другую. Несмотря на общую схожесть, есть и не сразу обращающие на себя внимание различия.
Так, рекомендации по оптимальной дистанции между сваями в испытываемых кустах в обоих нормативах полностью совпадают. Однако, когда затем идет речь о допусках, начинаются различия. Из этого следует, что ученые в США и в России по-разному понимают их значение как важного фактора влияния. Так, американцы ясно осознают значение допуска как фактора влияния и жестко ограничивают межсвайное расстояние величиной 5d, показывая, что нарушить это ограничение можно только в одну сторону — увеличения. Естественно, современная тенденция к повышению этажности неизбежно приводит к увеличению нагрузок на сваи, вследствие чего упорные конструкции испытательного стенда становятся все более громоздкими, металлоемкими и даже монументальными. Дальнейшее движение в этом направлении означало бы тупик, но здесь ученых США и Западной Европы сначала осенила мысль о разработке и внедрении современной методики динамических испытаний, а несколько позже — об альтернативных квазистатических испытаниях и испытаниях двунаправленной нагрузкой.
Российский стандарт, в котором заложена та же базовая дистанция, предполагает, что, хотя взаимовлияние есть, этот фактор не такой уж и существенный — зачем же зацикливаться на нем? Ведь если принять позицию США, то испытания получаются затратными и утомительными. В результате позволяется оптимальное базовое расстояние сокращать с 5d до 3d и даже до 2d, причем это допускается как раз тогда, когда этот фактор играет особенно важную роль, т.е. при контрольных испытаниях свай. Такой непринципиальный подход привел на практике к игнорированию отдельных положений стандарта, даже в тех случаях, когда этого можно было бы избежать. В итоге все чаще ГОСТ 5686 перестает играть ту роль, которая возложена на него, — обеспечить единое и универсальное содержание понятия «несущая способность свай» и единую методологию определения этой характеристики, исключающую появление ошибок. Между тем старый ГОСТ 5686-51 призывал выдерживать минимальное межсвайное расстояние в пределах 6d. И только позже, вероятно с оглядкой на западные нормы, была принята величина 5d. В период действия первого издания ГОСТ 5686 он пользовался гораздо бóльшим уважением и его положения неуклонно соблюдались.
Надо сказать еще об одной вещи, которая отличает ГОСТ 5686 от ASTM D 1143 — о различном отношении к испытателям, являющимся основными пользователями создаваемых стандартов. В стандарте США оно уважительное: многие его положения подробно поясняются, раскрываются причины тех или иных действий, одних только примечаний к отдельным параграфам текста содержится свыше двух десятков. Причем наряду с федеральными нормами в США регулярно издаются ведомственные нормативы, содержащие еще более подробные пояснения. В стандарте же РФ содержится только краткое сухое изложение установочных параметров оборудования и регламентация проводимых операций без всякого разъяснения того, почему то или иное делается так или иначе.
Интересно сопоставить, как оценивается, например, одна и та же ситуация, касающаяся глубины погружения анкерных свай. В нашем стандарте категорично утверждается, что она не должна превышать глубину погружения опытных свай. На каком основании? А если опытные сваи весьма короткие? В стандарте США эта же ситуация отражается по-иному. Там отмечается, что, если длина анкерных свай превысит длину опытных, надо иметь в виду, что это может тем или иным образом исказить результаты. В первом случае прослеживается призыв: «Делай, как записано, и не думай». Во втором — другое: «Не все так однозначно. Выполняя действия, всегда думай и анализируй конкретную ситуацию».
Таким образом, стандарт РФ рассчитан на очень опытных пользователей, которых при нынешнем обилии изыскательских организаций в нашей стране очень немного. Думается, что в будущей редакции ГОСТа будет учтено пожелание давать его положениям хотя бы краткие пояснения. В итоге можно констатировать: ГОСТ 5686 часто (а в последнее время все чаще) неадекватно выполняет возложенные на него функции. Рекомендуется пересмотреть и отредактировать отдельные параграфы данного стандарта и, соответственно, скорректировать указания тех нормативных документов, в которых содержатся ссылки на этот ГОСТ.