Гид по геотехнике (путеводитель по основаниям, фундаментам и подземным сооружениям)

В статье приведены выдержки из книги известных российских ученых-геотехников из Санкт-Петербурга об основных разделах современной геотехники, отражающих безопасное строительство в сложных грунтах северной столицы России.

В изданной группой компаний «Геореконструкция» книге известных российских ученых-геотехников популярно изложены основные разделы современной геотехники, отражающие безопасное строительство в сложных грунтах северной столицы России. Авторы в доступной форме повествуют об особенностях, с которыми, несомненно, встретятся все участники процесса создания и реализации любых проектов по строительству и реконструкции зданий и сооружений с учетом особенностей инженерно-геологических и гидрогеологических условий. Приводятся богато иллюстрированные примеры, свидетельствующие о том, что недоучет свойств грунтов и ошибочное геотехническое обоснование проекта способствуют, как правило, аварийным ситуациям и значимым потерям средств, а также неопределенности в сроках окупаемости немалых вложений. Обратите внимание на https://centr-snab.ru/!

Книга включает введение, 17 глав в составе четырех частей, послесловие и информацию об авторах. В конце помещены сведения об изданных на русском языке в серии «Достижения современной геотехники» двух книгах зарубежных авторов и о двух готовящихся к изданию авторов свойств рецензируемой книги.

Из введения читатель узнает, зачем нужна эта книга. Авторы отмечают, что геотехнике посвящено много умных книг, написанных преимущественно для профессионалов, а в своей они постарались рассказать о сложной области изысканий, проектирования и строительства более широкой аудитории, в которой могут оказаться архитекторы, заказчики и инвесторы. Инвестор обычно достаточно точно может оценить сложность строительства объекта в части конструкций и отделки. Однако у него вызывает затруднение определение стоимости подземной части здания, особенно если оно строится не на благоприятных в строительном отношении грунтах, а на слабых и тем более в условиях плотной городской застройки, где надо еще и не навредить окружающим строениям.

Авторы оговаривают, что в их небольшой книге читатель не найдет рецептов умножения капитала, но зато получит советы как не потерять деньги при устройстве фундаментов и подземных сооружений, поскольку ошибка в оценке и определении цены строительства подземной части здания может очень дорого стоить, перечеркивая весь бизнес-план и делая объект убыточным. К не меньшим потерям приводит неправильная организация процесса изысканий и проектирования. Опыт, накопленный во времена строительного бума, совсем не годится для периода кризиса. Раньше финансовые потери от управленческих ошибок не были столь ощутимы. Теперь же пришло время оптимизировать затраты на весь строительный процесс и делать ставку на профессионалов.

В своей книге авторы постарались кратко изложить основы принятия управленческих решений в области изысканий, проектирования и строительства, а также главные приемы экспресс-оценки их качества с активным использованием передового зарубежного опыта, где любые архитектурные фантазии находятся в прямой увязке с конкретной геологией участка. Являясь членами международных рабочих групп геотехников, авторы со своими коллегами готовы как опытные лоцманы провести строительный бизнес через бушующее море питерских грунтов и неоднозначных нормативов, гарантируя успех самых сложных проектов.

Заметим в свете вышеизложенного, что содержащийся в книге богатый опыт авторов будет весьма полезен для читателей нашего журнала и окажет неоценимую пользу белорусским строителям с учетом наличия аналогичных грунтов и стесненных условий строительства объектов в городах.

Первая часть (глава 1) книги посвящена экскурсу от изысканий к проектированию.
В ее первой главе дается объяснение, что такое геотехника и нужна ли она инвестору. В частности авторы обоснованно относят геотехнику к синтезирующей дисциплине, объединяющей инженерную геологию, занимающуюся исследованием грунтов, и механику грунтов, создающую расчетные модели оснований, и проектирование фундаментов с подземными сооружениями, исходя из учета их особенностей, и технологию производства работ по их устройству и, наконец, мониторинг за ведением этих работ.

Далее они говорят: «Только синтез этих смежных дисциплин, называемый «геотехника», способен обеспечить искомый для инвестора результат, построить надежные фундаменты и подземное сооружение, а также здание в целом, сохранить окружающую застройку».

Фактически, геотехника – это наука по управлению строительными рисками.

Совершенно недостаточно называться геотехником, чтобы быть им на самом деле. Сориентироваться инвестору в выборе специалистов-геотехников поможет международная система, которой объединены все геотехники мира. Иерархия такова: существует Федерация международных геоинженерных обществ (FedIGS), возглавляемая в настоящее время профессором Ван Импе (Бельгия, Гент). Составной частью FedIGS является Международное общество по механике грунтов и геотехническому строительству (ISSMGE), президентом которого до 2009 г. являлся профессор Педро Секо е Пинто (Испания, Мадрид). В ISSMGE входят национальные геотехнические общества, в том числе Российское общество по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению (РОМГТиФ), имеющее 50 региональных отделений *. Из них Северо-Западное отделение, возглавляемое профессором В. М. Улицким, является вторым по числу членов после Московского.

В ISSMGE созданы технические комитеты, занимающиеся различными аспектами геотехнической деятельности. Россия является страной-хозяйкой одного из них – это Технический комитет № 38 «Взаимодействие зданий и оснований» под руководством профессора В. М. Улицкого, К. Г. Шашкина и М. Б. Лисюка. Здесь есть предмет для профессиональной гордости: это является фактом международного признания заслуг геотехнической школы, возглавляемой профессором В. М. Улицким.

За рубежом ни одному инвестору не придет в голову обратиться для решения геотехнических задач к лицу, не состоящему в обществе геотехников. Членство в обществе – признание принадлежности к геотехнической специальности, хотя и не гарантия качества специалиста. Лучше, если организация, в которую обращается инвестор, является коллективным членом национального и международного обществ (в России членом обоих обществ в настоящее время является только НИИОСП им. Н. М. Герсеванова в Москве и «Геореконструкция» в Санкт-Петербурге).

В завершение этой главы авторы советуют инвесторам ознакомиться с объектами, сопоставимыми по сложности с уровнем решаемых ими задач, и удостовериться, какое отношение к ним имеют привлекаемое инвестором лицо или организация. При этом они подчеркивают, что геотехника – это точная наука, овладение которой требует высокого мастерства, глубокого понимания грунтов, создания расчетных моделей, адекватных реальной работе массива грунта. Современный геотехник отлично знает поведение грунта как сложной природной среды и способен выполнить точный (вернее было бы сказать: достоверный) расчетный прогноз его работы в основании здания и сооружения.

__________________
* К сожалению, Беларусь пока не имеет своего национального геотехнического общества, хотя ранее, в составе СССР, некоторые белорусские специалисты входили в состав РОМГТиФ (примечание рецензента).

В главе 2 говорится о предварительной геотехнической оценке инвестиционной привлекательности объекта строительства. Здесь авторы очень мудро и остроумно приравнивают деятельность геотехника к медицинской. Инвестор не должен искать у подрядчика ответ на вопрос, что нам стоит дом построить?, поскольку это все равно, что лечиться в аптеке, где посоветуют самые дорогие лекарства, в отличие от квалифицированного врача, который должен сначала поставить диагноз, выявить проблему, а только потом назначить лечение.

Цель любого подрядчика – продать то, что у него есть, и при этом потратить максимум средств инвестора. В этой связи для нашего случая доктором является независимый проектировщик – геотехник, который пропишет вам программу инженерно-геологических изысканий, программу обследований соседней застройки, а также укажет на основные проблемы, которые предстоит решить при проектировании. Это поможет вам снизить риски, оптимизировать затраты. Без геотехнической оценки они могут превратиться в «черную дыру», пожирающую всю рентабельность объекта. В рамках предварительной оценки геотехник предложит программу изысканий, оценит риски, предложит варианты решений и оценит их стоимость. Таким образом, уже на самом первом этапе мы с вами закладываем всю логику дальнейшего успешного проектирования и строительства: мы знаем, что строим, какие для этого требуются изыскания, какие потребуются геотехнологии, снижающие риск в данной конкретной ситуации.

Глава 3 посвящена геологическим изысканиям.
В ней авторы подчеркивают: «Инженерно-геологические изыскания проводятся часто на стадии, когда инвестор еще только решает вопросы о приобретении участка под застройку. Поэтому понятно его желание не тратить деньги до принятия решения о собственности на землю и строения. Однако инвестор не должен забывать, что инженерно-геологические изыскания – это информационный базис для принятия всех проектных решений. Чем более туманны и расплывчаты данные изысканий, тем большие запасы будут заложены в проект разумным проектировщиком. Если же проектировщик неразумен – на базе неполных и недостоверных изысканий он неминуемо примет ошибочное решение – и тогда жди беды. Таким образом, экономия на изысканиях всегда обернется для инвестора на несколько порядков б?льшими потерями.

В основе разрабатываемой сегодня в мире теории строительных рисков существует, например, такое правило. Если на объекте проводились инженерно-геологические изыскания с определением основных свойств грунтов, коэффициент запаса при проектировании фундаментов принимается равным 1,2. Если же изыскания не поводились, коэффициент запаса может подпрыгнуть до 4,0. Вот и решайте, что дешевле: провести нормальные изыскания или потратить втрое больше железобетона.

Как же отличить добросовестные изыскания от недобросовестных? Качество изысканий оценить не так уж сложно даже неспециалисту. Если вы прислушались к нашим советам в главе 2, то у вас есть программа изысканий, составленная опытным геотехником. В этом случае достаточно сверить с нею состав выполненных изыскательских работ. Геотехник не откажется дать рецензию по этим изысканиям.

Сегодня многие изыскательские организации не любят проводить испытания грунтов. Они бурят скважины, берут образцы грунта, определяют природную плотность и влажность и строят многочисленные геологические разрезы. Механические свойства грунта (те, что используются в расчете) они принимают по таблицам СНиПов и ТСН. Действительно, в СНиПе приведены данные о грунтах от Владивостока до Бреста нашей необъятной Родины. Но эти данные являются справочными, также, как и таблицы петербургских ТСН. Они годятся, в лучшем случае, для самой предварительной оценки геотехнической ситуации. Авторы этих таблиц даже и предположить не могли, что их справочные данные попадут в отчеты об инженерных изысканиях, где изыскатели с гордостью напишут, что основополагающие для расчетов характеристики «Е, с, j определены по данным СНиПов и ТСН». Хочется спросить таких горе-изыскателей: зачем вы бурили скважины, если не смогли определить основные свойства грунтов, необходимые для безопасного проектного решения? Уважаемый менеджер, вам такие изыскания не нужны, даже если они выполнены известными в прошлом фирмами, не тратьте на них деньги».

Далее авторы дают пояснения, какие данные должны содержаться в отчете по изысканиям. При этом подчеркивается, что они много лет боролись за повышение качества геологических изысканий. Эта борьба увенчалась принятием петербургских геотехнических норм ТСН 5-302-2004, в которых записано требование об обязательном проведении прямых испытаний механических свойств грунтов. (Здесь уместно отметить, что такое требование уже давно по инициативе бывшего главного инженера УП «Геосервис» В. Г. Лободенко было отражено в СНБ 1.02.01-96, причем на его соблюдении постоянно настаивал его последователь С. П. Лярский, при резком несогласии некоторых своих коллег, из-за чего ему, к сожалению, пришлось покинуть пределы Беларуси).

Признаками добросовестных геологических изысканий авторы книги считают:

– прямые испытания для определения механических свойств грунтов;

– наличие трехосных испытаний;

– использование современных технологий статического зондирования СРТ (а под подошвой существующих фундаментов – динамического зондирования).

С последним мнением трудно согласиться, поскольку под подошвами фундаментов зондирование вообще проблематично, а динамическое зондирование в слабых глинистых и водонасыщенных песках мелких или пылеватых дает недостоверные результаты вследствие их разжижения. К более эффективным следует отнести прессиометрические испытания, а для увеличения информативности о грунтах основания и пространственном оконтуривании характера напластований – георадарные исследования.

Далее авторы книги заостряют внимание на региональных особенностях геологических условий Санкт-Петербурга, отличающихся сложностью в виде «слоеного пирога», который неодинаков для различных районов города, и наличием грунтов с «отвратительным свойством: превращаться в вязкую жижу при любом воздействии». Они справедливо утверждают, что Петр Великий был великим геотехником. Границы исторического центра города удивительным образом совпадают с областью распространения наихудших грунтов. По мнению авторов, существует заблуждение, что морена – это всегда надежный грунт. К сожалению, это далеко не так. Она очень разная. Бывает, что морена мало отличается от слабых грунтов. И к ней поэтому надо относиться с осторожностью.

Насколько сложны геологические условия площадки, авторы рекомендует оценивать по графикам статического зондирования, и в книге популярно объясняют его сущность.

В главе 4 говорится о пользе строительных норм. Утверждается, что до недавнего времени необходимость и польза нормирования никем не оспаривались. Сумбур начался (в России – прим. рец.) с разговоров о вхождении России во всемирную торговую организацию. Очевидно, что вхождение в ВТО предполагает и создание единых правил игры на строительном рынке. Более 15 лет кропотливого труда понадобилось специалистам из стран Евросоюза (при солидном государственном финансировании) для того, чтобы разработать и согласовать единую для всей Европы нормативную систему еврокодов. Причем каждый еврокод, в том числе Еврокод 7 «Геотехническое проектирование», состоит из общей для всех стран Европы части и национального приложения.

Еврокоды – это нормы нового поколения. Для старых национальных норм (как для немецких DIN, так и для советских СНиПов) была свойственна подчас мелочная регламентация того, КАК следует решать ту или иную строительную задачу. Еврокоды же обращают внимание на то, ЧТО надо решать. Вопрос «КАК» остается на совести профессионала. При этом еврокоды юридически являются рекомендательным документом, строго говоря, не обязательным для исполнения.

Только при этом надо понимать, что в случае аварии господин Прокурор непременно поинтересуется, строго ли вы следовали еврокоду. Если нет, то, может быть, вы проводили собственные исследования этого вопроса? Если опять нет, то, все-таки, почему же вы не следовали еврокоду? При такой постановке вопроса спорить с еврокодом осмелятся только самые выдающиеся исследователи.

Еврокодами для сложных объектов предусмотрено правило «четырех глаз», из которых одна пара принадлежит проектировщику, а вторая – эксперту, привлеченному муниципалитетом за средства инвестора, который не уступает по авторитету автору проекта. Эксперт способен провести экспертизу даже более глубокую в сравнении с государственной и может независимо повторить самые сложные расчеты, проверить конструктивные схемы, узлы и т. п.

В главе 5 повествуется о геотехническом обосновании, которое предназначено для выбора оптимального проектного решения нулевого цикла и технологии его реализации, обеспечивающих надежность объекта реконструкции или строительства и сохранность окружающей застройки. Инвестор ведь не может знать, предложил ли ему проектировщик оптимальное проектное решение, если ему не будут представлены расчеты по другим принципиально возможным вариантам. Автор напоминает, что геотехника – точная наука, поэтому каждый вариант поддается достаточно строгой расчетной оценке. Эта расчетная оценка позволяет определить как деформации самого объекта строительства или реконструкции, так и вычислить размеры зоны риска для соседней застройки. Она оптимизирует возможные затраты уже на ранней предпроектной стадии и подтверждает их в процессе проектирования.

О геотехнических расчетах упоминалось в главе 2, посвященной предварительной оценке геотехнической ситуации. «Геотехническое обоснование повторяет и углубляет эту оценку на новой, гораздо более широкой базе исходных данных. У нас уже имеются данные геологических изысканий, отчеты по обследованию соседних зданий, архитектурные решения. Теперь мы можем выбрать оптимальную длину и диаметр свай, подобрать параметры ограждения глубокого котлована из стены в грунте или шпунта, определить щадящую геотехнологию для конкретных условий строительства.

Этот выбор осуществляется на основании очень четких критериев, приведенных в нормах. Это собственные деформации здания (осадки, их неравномерность, крены) или допустимые дополнительные осадки соседней застройки. Причем эти требования не идут в разрез с отечественными или европейскими нормами. Основные принципы этих нормативов едины. Это расчет оснований, фундаментов совместно с наземными конструкциями по двум группам предельных состояний: по прочности и устойчивости (надежности) и деформативности (эксплуатационной пригодности)».

В книге обращено внимание на то, что прошли те временна, когда строить можно было по принципу: дом строим – два ломаем. В последнее время довольно редко возводятся здания и сооружения «в чистом поле», когда вокруг в зоне возможного риска нет строений и инженерных сетей. Чаще всего строительство ведется в среде плотной городской застройки. В этом случае критерий надежности для строящегося объекта уходит на второй план. На первый выходит гораздо более жесткий критерий – обеспечение надежности соседней застройки и коммуникаций. Часто для строящегося сооружения приемлемы осадки 10, 15 и даже 20 см. Но когда оно возводится в условиях сложившейся застройки, в плотном примыкании к ней, приходится ограничиваться в 5–10 раз меньшей величиной его осадки, чтобы оно «не потянуло» соседнюю застройку.

Дополнительные осадки 2–3 см допустимы для рядовой исторической застройки Санкт-Петербурга. Если превысить величину допустимых дополнительных осадок, то в соседних зданиях возникнут опасные трещины, и инвестора ждет череда судебных разбирательств с жильцами и городской администрацией и компенсация немалых дополнительных затрат на восстановление либо расселение домов.

Прошли те добрые времена, когда строительство в центре города шло по принципу: дом строим – два ломаем. А если соседние дома потрещали – государство починит. Теперь каждый дом, каждая квартира получили собственника. Многие квартиры имеют дорогостоящую отделку, по отношению к которой осадки даже в 2–3 см могут оказаться неприемлемыми.

Перед проектировщиком стоит задача придумать такой вариант фундаментов нового дома, чтобы его осадки были минимальными и не провоцировали осадки соседних зданий. Кроме этого, нужно выбрать такую технологию устройства нулевого цикла, которая не спровоцирует осадки соседних зданий в процессе строительства.

Обычный проектировщик такие задачи не решит. Вот здесь и нужен геотехник. Идеальная ситуация, когда проектировщик и геотехник работают вместе (как это сложилось в фирме «Геореконструкция», где инженер-строитель проходит геотехническую специализацию). Это позволяет получить принципиально новые, экономически эффективные решения. Хуже, когда они работают в отрыве друг от друга. Как минимум, «Геотехническое обоснование» позволяет менеджеру осуществлять контроль за основополагающими решениями проектировщика, определяющими стоимость реализации проекта. Если «Геотехническое обоснование» отсутствует, у менеджера не остается инструмента для такого контроля. Как отличить добротное «Геотехническое обоснование» от встречающейся подделки? Его состав подробно прописан в ТСН, которые созданы для всех участников процесса. Помимо этого, дать собственную оценку «Геотехническому обоснованию» позволяют простые советы, содержащиеся в главах 6 и 7. Ниже авторы предлагают несколько простых и ясных ответов на ключевые вопросы «Геотехнического обоснования».

Как выбрать тип фундамента?
При строительстве «в чистом поле» за городом или на окраине, при ближайших строениях на удалении более 20 м выбирают такой фундамент, чтобы его осадки были менее допустимых. Для малоэтажной застройки (до 5 этажей) подойдет обычный фундамент мелкого заложения (без свай). Надо только позаботиться о том, чтобы не соприкасались разновысокие блоки, поскольку более высокий непременно затянет в воронку оседания более низкую часть здания. Неравномерные осадки здания могут оказаться опасными. Конечно же, надо заглянуть в отчет по геологии. Как прощупать грунтовый «пирог» статическим зондированием, говорилось в главе 3. Если под подошвой фундамента нет слабых грунтов – он имеет право на существование. Иногда геологические условия на окраине оказываются благоприятными для фундаментов мелкого заложения даже для 16-этажных зданий.

Чаще всего для высоких зданий требуются свайные фундаменты, которые помогают уменьшить осадку здания при передаче нагрузки на более прочные слои грунта. Сама по себе осадка не так страшна, как ее неравномерность, при которой длинный дом начинает трещать, а точечный крениться.

Чем определяется необходимая длина свай?
Ответ на этот вопрос очень прост: сваи должны быть такой длины, чтобы осадки здания были допустимыми, позволяющими его эксплуатировать. Количество свай и их расстановка определяются несущей способностью сваи по грунту.

Грубой, но распространенной ошибкой является назначение длины сваи, исходя из ее несущей способности. Часто приходится слышать: мы же испытали сваю, несущая способность ее подходящая, а осадка при испытаниях всего 2 см!

Господа! Вы же держали сваю под нагрузкой всего несколько часов, а дом будет стоять на сваях сто лет. Чувствуете разницу? На таких благополучно испытанных сваях дома на Васильевском острове сели на 30 см и более, а предполагалось, что будет всего 4 см, как при испытаниях. В первые два года осадки были еще невелики. А через 20 лет появились опасные трещины, застопорились лифты. Под одним домом в Лахте незадачливые исследователи «рационализировали» проект и укоротили сваи длиной 21 м до 7 м. Острие свай попало в слабый грунт, дом сел на полметра и дал крен порядка 1 %.

Не стоит увлекаться сваями в полцены, но в полдлины. Это может обернуться катастрофой.

Как устроить подземный объем?
В чистом поле устройство неглубокого подземного сооружения иногда оказывается возможным даже в открытом котловане с откосами. Если нужно зарыться ниже уровня грунтовых вод, котлован предварительно окружают противофильтрационным экраном, чаще всего из металлического шпунта, который при качественном выполнении держит воду, а сам удерживается откосами. Если для откосов нет места, придется делать ограждение, рассчитываемое из условий устойчивости. «В чистом поле» его горизонтальные смещения нас не очень волнуют, но при наличии вблизи здания ситуация усложняется. Главным становится расчет подвижек ограждения, а не его устойчивости. К сожалению, не все проектировщики это понимают и часто совершают ошибки, которые губительно сказываются на окружающей застройке и вводят заказчика в дополнительные расходы.

Если «в чистом поле» подвижку шпунта на 10 см никто не заметит, то осадка соседнего дома даже в 3–4 см приведет, как минимум, к скандалу. Здесь можно отметить важную связь: осадки здания, примыкающего к котловану, примерно равны горизонтальному смещению шпунта. Значит, следует распирать и ограждение котлована, а само ограждение делать жестким. Конечно, это недешево, но тут уж ничего не поделаешь. Такова геотехническая практика в любом регионе мира.

Шпунт можно применять, если расстояние от котлована до соседних зданий больше глубины котлована.

Для ограждения котлована, как правило, используют так называемую стену в грунте и шпунт. Не вдаваясь в технические детали, можно дать следующие рекомендации. Если котлован на 0,5 м выше подошвы соседних зданий и выше уровня грунтовых вод, он может получиться без всякого ограждения. До уровня подошвы фундаментов можно докопаться под защитой шпунтового ограждения. Для более глубоких котлованов шпунтовое ограждение можно применять, если расстояние от котлована до соседних зданий больше его глубины. Во всех остальных случаях следует использовать более жесткое ограждение – стену в грунте.

Известен еще один способ устройства ограждения, но он очень плохо зарекомендовал себя в Санкт-Петербурге. Это стенка из секущихся буровых свай, жесткость которой в несколько раз ниже, чем у монолитной стены в грунте той же толщины. Кроме того, стенка из свай не может обеспечить водонепроницаемость.

В Петербурге котлован глубиной более 3–4 м неосуществим без распорных систем. Применению анкеров, крепящих ограждение котлована, препятствуют слабые грунты, которые не позволяют набрать нужную несущую способность, не забравшись на территорию соседа и под соседние здания, где устройство анкеров недопустимо и чрезвычайно опасно. Остаются распорные системы, которые могут быть металлическими или железобетонными.

При использовании метода top – down (или по-русски, «вверх – вниз») в качестве распорок используют диски перекрытий подземных этажей с большими или маленькими отверстиями. Откопка многоэтажного подземного объема по методу top – down очень сложна в условиях петербургских слабых грунтов. В подземелье темно, сыро, грязно. Техника тонет, ноги вязнут. Поэтому метод следует применять только там, где ему нет альтернативы, а именно при устройстве здания впритык к соседним зданиям. Однако этот метод позволяет одновременно строить и наземную часть здания. Можно видеть за рубежом или в Москве, как возводится 40-й этаж небоскреба и откапывается минус четвертый уровень подземной парковки. Для того чтобы осуществить такое синхронное строительство вверх и вниз, проектировщик должен очень хорошо знать все нюансы этого метода.

Рецензент М. И. Никитенко, заведующий кафедрой «Геотехника и экология в строительстве» БНТУ, д. т. н., проф.