Игорь Колыбин о «фирменном» подходе НИИОСП к изучению грунтов

В этом году 90-летний юбилей отмечает Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений (НИИОСП) им. Н.М. Герсеванова (НИИОСП), входящий в состав НИЦ «Строительство». Первоначально это был Всесоюзный научно-исследовательский институт оснований и сооружений (ВИОС), в 1958 году его переименовали в НИИОСП, и с 1973 года он носит имя выдающегося российского ученого Николая Михайловича Герсеванова. Утвержденный на заре своей истории в качестве головной организации в области фундаментостроения и подземного строительства, институт продолжает оставаться головной организацией в сфере геотехнического строительства. Именно здесь разрабатываются, проходят экспертизу и готовятся к утверждению проекты национальных и межгосударственных стандартов, новых сводов правил и методических рекомендаций, выполняются поисковые и прикладные научные исследования по государственному заказу, проводятся работы по научно-техническому сопровождению проектирования и строительства сложнейших и уникальных объектов. Об истоках профессионального долголетия коллектива-юбиляра «Стройгазете» рассказал директор НИИОСП Игорь КОЛЫБИН.

«СГ»: Игорь Вячеславович, существует ли преемственность между исследованиями ваших коллег в прошлом и в настоящем?

Игорь Колыбин: Исследования, выполнявшиеся в институте, позволили еще в середине XX века совершить буквально революционный прорыв в подходе к обеспечению безопасности фундаментов и перейти от расчетов по допустимым напряжениям к расчетам по предельным состояниям, совершенно поновому взглянув на вопросы надежности проектных решений. К слову, европейские страны также пришли к этому подходу в своих нормах, но на полвека позже. Концепция расчетов по предельным состояниям позволила исключить необоснованные запасы при проектировании фундаментов, во многих случаях выполнять только расчет деформаций, эффективно использовать систему частных коэффициентов надежности. На основании этого подхода были выработаны простые и понятные формульные методы расчета несущей способности оснований фундаментов, их осадок, кренов. Эти методы и сегодня включены в действующие нормы и с успехом используются в простейших случаях.

Однако жизнь не стоит на месте. Ученые-математики еще в XVIII веке изобретали так называемые численные методы, позволяющие сложные дифференциальные уравнения, не имеющие замкнутых решений, сводить к решению систем алгебраических уравнений, но только в конце века XX века развитие компьютерной техники дало техническую возможность эффективного использования численных алгоритмов для решения самых сложных задач механики и физики. Зарождались и стали активно развиваться технологии численного математического моделирования. Эти новые подходы и новые возможности непосредственно затрагивают задачи, связанные с механикой грунтов и исследованиями взаимодействия конструкций с грунтовыми основаниями. Очевидно, что НИИОСП не стоял в стороне от этих процессов. Одними из основных направлений работ, выполняемых институтом, стали разработка численных методов расчета оснований и фундаментов, совершенствование метода конечных элементов, исследования нелинейного поведения грунта.

Здесь следует сказать о том, что грунт в отличие от создаваемых человеком строительных материалов, таких как бетон, сталь, композит, обладает, во-первых, существенно более высокой изменчивостью своих свойств, а во-вторых, гораздо более сильно отличающимся от простейшей линейной зависимости характером деформирования под нагрузкой. Механическое поведение грунтов при различного рода воздействиях призваны описывать так называемые модели грунта, которых сегодня существует великое множество. Справедливости ради нужно отметить, что универсальной или некоторой обобщенной и пригодной для всех случаев жизни модели грунта не существует, да, наверное, никогда и не будет существовать. Те или иные модели приспособлены наилучшим образом для использования в решении вполне конкретных частных практических задач. Модели различаются по своей сложности и количеству параметров, или так называемых характеристик грунта, используемых для описания модели. Чтобы геотехнический прогноз был достаточно точен, а модель достоверно работала, параметры модели должны определяться весьма объективно.

«СГ»: Можно ли говорить о своего рода «фирменном» подходе к изучению грунтов в НИИОСП?

И.К.: Исследования, связанные с изучением строительных свойств грунтов, находились в фокусе научных работ, проводимых в институте, с первых дней его создания. Разрабатывались приборы и методы определения свойств грунтов в лабораторных условиях, первое методическое пособие было опубликовано еще в далеком 1940 году. Параллельно развивалось и иное направление — исследование грунтов в их ненарушенном состоянии в полевых условиях. В отличие от «западной» механики грунтов, долгие годы строившей свои модели и методы на характеристиках образцов грунта нарушенной структуры, создаваемых искусственно в лабораторных условиях, отечественные ученые в качестве базовых принимали деформационные параметры грунтов, определяемые в полевых условиях. Именно на их основе в нашей стране принято «тарировать» лабораторные данные, завышающие, как правило, деформативность оснований.

Статическое зондирование, штамповые испытания, прессиометрия (расширение гибкого цилиндра в буровой скважине) и иные полевые методы и сегодня остаются актуальными для тех исследований свойств грунтов, которые выполняются в институте. За последние годы в НИИОСП существенно расширена допустимая область применения этих методов. Так, например, доказана возможность выполнять статическое зондирование для определенных разновидностей многолетнемерзлых грунтов, получены соответствующие корреляционные зависимости для определения характеристик таких грунтов. Подготовлены стандарты и методические рекомендации по использованию зондов нового поколения — нестандартных размеров или оснащенных дополнительными датчиками. В этом году выполняется очень интересное и практически необходимое исследование по адаптации методик штамповых испытаний для изучения крупнообломочных грунтов.

Возвращаясь к современным методам лабораторных исследований грунтов, нужно сказать, что и здесь за последние годы сделано очень многое. Институт переоснастился самым передовым лабораторным испытательным оборудованием как отечественного, так и зарубежного производства. Ряд приборов, например, для определения свойств грунтов в режиме релаксации (ослабления) напряжений, изготовлен по собственным патентам. Современные приборы трехосного сжатия образцов грунта, называемые стабилометрами, позволяют исследовать деформации и прочность грунта в условиях не только статических, но и динамических нагрузок, а также исследовать грунты на их устойчивость к виброразжижению, что очень важно для сейсмических районов. Геокриологическая лаборатория НИИОСП занимается исследованием грунтов в условиях низких температур, изучает влияние температурных и иных изменений на прочность многолетнемерзлых грунтов. Ряд работ текущего года был посвящен разработке и стандартизации лабораторных методов испытаний скальных грунтов. Последние до настоящего времени были во многом несправедливо обделены вниманием исследователей, в то время как на практике все большее число фундаментов опирается проектировщиками именно на скальные грунты. В текущем году завершается также большая и длительная работа по подготовке методических рекомендаций по определению физико-механических характеристик грунтов для различных математических моделей, используемых при численном моделировании. Мы уверены, что такие документы будут очень востребованы как изыскателями, так и проектировщиками-геотехниками.

С первых дней создания института более половины его структурных подразделений формировалось под задачи исследований специфичных грунтов и строительства в особых условиях. К специфическим мы относим просадочные, набухающие, пучинистые, слабые водонасыщенные (торфы, илы) и, конечно, вечномерзлые грунты. Строительство на подобных грунтах чрезвычайно сложно, так как они склонны к проявлению значительных деформаций и требуют особых правил подготовки оснований и конструкций фундаментов. К особым грунтовым условиям, в которых в реалиях дня сегодняшнего приходится строить все больше и больше, относятся сейсмоопасные районы, подтапливаемые и подрабатываемые территории, районы с проявлением оползневых и иных склоновых процессов, территории, опасные в отношении проявления карстово-суффозионных процессов. На последних, наверное, стоит остановиться чуть более подробно. Дело в том, что исторически методы проектирования фундаментов в карстоопасных районах исходили из концепции расчетного диаметра возможного карстового провала при его выходе на поверхность в любом наиболее опасном месте под фундаментом. Казалось бы, что это абсолютно оправдано. Однако расчетный диаметр провала определялся методами предельного равновесия для простейшего цилиндрического механизма разрушения массива, что приводило на практике к курьезным результатам. Чем лучше были грунтовые условия, тем больше получался расчетный карстовый провал, который следовало учитывать в проекте, а это в явном виде вело к необоснованным затратам. Сегодня выполняемые исследования и численные расчеты позволили институту во взаимодействии с коллегами-изыскателями существенным образом изменить саму идеологию проектирования противокарстовых мероприятий, исходя из рассмотрения самой возможности выхода карстовых проявлений на поверхность и анализируя как найденные в результате изысканий размеры погребенных карстовых форм, так и прогнозный рост карстовых полостей за счет растворимости пород в течение всего срока эксплуатации проектируемого сооружения. Эти новые концептуальные подходы должны найти свое отражение в последних изменениях действующих норм.

«СГ»: Есть ли особенности и в разработке вашими сотрудниками фундаментов?

И.К.: Механика грунтов и фундаментостроение, или, как мы сейчас называем весь этот комплекс наук, «геотехника», зарождалась как наука сугубо эмпирическая, в которой очень многое значили наблюдения, имеющийся практический опыт и удачные прецеденты. Гениальный ученый Николай Михайлович Герсеванов, первый научный руководитель и в течение всей своей жизни бессменный идейный лидер НИИОСП, привнес и заложил в отечественную геотехнику именно теоретические основы, выведя ее в разряд самостоятельных и полноценных прикладных дисциплин. Н.М. Герсеванов и его последователи показали, что всю классическую геотехнику можно выстроить на базе трех основных законов поведения грунтов: закона линейной деформируемости в сочетании с математическим аппаратом теории упругости; закона прочности, основанного на теории сдвигового разрушения; концепции «грунтовой массы», постулирующей, что в грунтах существуют одновременно две системы напряжений — эффективных напряжений в грунтовом скелете и давлений в поровой воде, используя для их определения законы ламинарной фильтрации. Для последующего полувекового развития геотехники этих отправных «трех китов» было вполне достаточно.

Сегодня в институте поддерживаются и развиваются те направления работ и исследований, которые были заложены еще при Н.М. Герсеванове. Одним из важнейших таких направлений, безусловно, является разработка новых эффективных видов фундаментов, методов их расчета и испытаний, изучение опыта их эксплуатации. Если наши предшественники во многом уделяли внимание столбчатым и ленточным фундаментам на естественном основании, то в наши дни в связи с резким повышением этажности зданий, существенным ростом нагрузок на основание, увеличением глубины заложения фундаментов основное внимание переключено на фундаментные плиты, исследование распределения напряжений под ними и так называемых «коэффициентов постели», необходимых для правильного прогноза деформаций плит, изучение влияния меняющейся в процессе строительства жесткости надземных конструкций на работу фундаментов. Это достаточно сложные вопросы и процессы, которые мы изучаем с привлечением численного моделирования методом конечных элементов (МКЭ) и верифицируя, то есть проверяя результаты на основе натурных наблюдений.

Еще один огромный и важный пласт исследований в области практического фундаментостроения — свайные фундаменты. Мы наблюдаем очень серьезный технологический прорыв, произошедший за последние десятилетия в технологии устройства свайных фундаментов. Забивные сваи, которые и исследовали преимущественно наши научные наставники, по-прежнему остаются самыми экономичными, но они все больше уступают место буровым и иным сваям, имеющим большую длину и поперечные размеры, а потому способным воспринимать существенно большие нагрузки и передавать их на более прочные грунты.

В области понимания работы свайных фундаментов также сделан большой прорыв. Сегодня мы понимаем, чем работа одиночной сваи отличается от ее работы в кусте или свайном поле, знаем, что распределение нагрузки на сваи в группе неравномерное, умеем прогнозировать эти и другие специфичные эффекты. Появилось большое количество новых видов свай, ряд из них защищен патентами сотрудников института. Особенности работы новых видов свай определяются во многом технологией их изготовления или погружения. Исследования таких особенностей, испытания новых видов свай, методы контроля их качества и сплошности до настоящего времени находятся в сфере преимущественных интересов НИИОСП.

Говоря о свайных фундаментах, важно отметить, что сегодня мы подошли к пониманию абстрактности, а зачастую бесполезности таких понятий, как «висячая свая» или «свая-стойка». Действительно, эти понятия на практике уже перемешиваются. Например, буровая свая, прорезающая боковой поверхностью несколько слоев скальных грунтов, а подошвой заглубляемая в твердые глины, является стойкой или висячей сваей? Такие случаи в инженерно-геологических условиях Москвы встречаются очень часто. Классические учебники не смогут дать ответ на подобный вопрос. Поэтому сегодня в институте выполняется ряд исследовательских и методических работ, посвященных изучению вопросов определения несущей способности свай, прорезающих скальные и полускальные грунты.

Мы сказали отдельно о фундаментных плитах, отдельно о сваях. Однако одним из наиболее перспективных и активно внедряемых новых типов фундаментов являются комбинированные плитно-свайные (либо свайно-плитные) фундаменты. В таких фундаментах сваи расположены под плитным ростверком с увеличенным шагом, поэтому часть нагрузки от здания передается на грунт через сваи, а часть — через плиту. Во многих случаях это наиболее экономичный тип фундамента, объединяющий преимущества возможности снижения осадок за счет работы свай и удешевления строительства за счет сокращения количества таких свай. Основным недостатком подобного фундамента является, пожалуй, сложность его правильного расчета и прогноза деформаций. НИИОСП видит свою активную роль в решении этих вопросов, выполняет ряд исследований, им посвященных, воплощает эти методы в современных нормах.

Источник: stroygaz.ru