Гликман А.Г.
НТФ «Геофизпрогноз»
26 августа 2008, Санкт-Петербург
Применение свай осуществляется повсеместно и в огромных количествах. Практически, перед любым строительством создаются свайные поля. Сваи забиваются, задавливаются, создаются по буронабивным технологиям...
В том случае, если внезапно разрушается сооружение, возведенное на свайном основании, первое подозрение падает на сваи. В таких случаях высказывается предположение, что фактическая длина свай оказалась меньше запроектированной. Для того, чтобы уменьшить риск такого происшествия, при создании свайных полей какой-то процент свай выдергивают, чтобы это проверить.
Как оказалось, длина свай - это еще не все.
Определять длину свай и осуществлять их дефектоскопию с помощью аппаратуры спектральной сейсморазведки [1] нетрудно. Однако, чем больше углубляться в эту тематику, тем больше возникает вопросов, касающихся физики взаимодействия свай с грунтом.
Согласно изначальной идее, сваи следует заглублять в грунт таким образом, чтобы они опирались в прочные породные слои, способные выдержать такую нагрузку. И, таким образом, при недостаточно надежных грунтах получается как бы упрочнение их с помощью свай. На самом же деле, эта идея не выполняется. Причин тому несколько.
Во-первых, далеко не всегда есть возможность найти на приемлемой глубине прочный породный слой, в который можно упереть сваи. А, кроме того, может оказаться так, что в разных местах в пределах одного и того же свайного поля длина свай должна быть различной. То есть, для того, чтобы сваи были эффективными, необходим постоянный контроль за тем, чтобы длина сваи всегда была оптимальной. Однако это невозможно, поскольку геофизических, неразрушающих методов, позволяющих выявлять горизонты повышенной прочности, не существует.
В тех случаях, когда опорный горизонт отсутствует, несущая способность свай определяется исключительно трением их боковых поверхностей. И вот здесь возникают некоторые вопросы.
Как показывают наблюдения за свайными полями, сваи уходят в грунт зачастую даже до начала их нагружения. Увидеть это нетрудно, если после забивки свай проходит несколько месяцев до сооружения ростверков и других скрывающих сваи сооружений. Как правило, в таком случае видно, что некоторый процент свай погрузится в грунт существенно больше, чем это было сразу после забивки.
В работе [2] сообщается, что есть такие места, где уходят в грунт даже 50-метровые сваи. Но ведь если есть такие зоны, то в них, по-видимому, не следует использовать сваи?.. Значит, если в свайном поле часть свай уходит в грунт, то это означает, что часть фундамента заранее создается с дефектом, с которого начнет разрушаться все сооружение.
Далее, интересны наблюдения за самой забивкой свай. Как правило, при нормальной ситуации, каждый удар забивочной машины приводит к заглублению сваи на единицы см. Однако бывает и так, что одним ударом свая загоняется в грунт более чем на метр. Понятно, что свая, забитая в такое место, держать не будет даже собственный вес.
Зонами, в которых трение между боковой поверхностью сваи и грунтом минимально, являются зоны тектонических нарушений (ЗТН). Выяснилось это явление в результате использования сравнительно нового геофизического метода - спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [3].
Спектральная сейсморазведка возникла вследствие того, что, как оказалось, по акустическим свойствам земная толща представляет собой не совокупность отражающих границ (как всегда считалось), а совокупность колебательных систем.
Это очень важный момент, причем не только для становления спектральной сейсморазведки, но и для понимания целого ряда явлений, возникающих в результате человеческой деятельности на нашей планете.
Что такое наличие колебательных систем, можно представить хотя бы из известного случая, когда в результате движения маршем солдат рухнул мост. Это произошло потому, что мост содержал в себе колебательные системы. Причем как минимум одна из них имела высокую добротность. Добротность (Q) - важнейший параметр колебательных систем, и чем она выше, тем более разрушительны резонансные явления, поскольку амплитуда колебаний на резонансе увеличивается в Q раз.
Так вот, ЗТН характеризуются тем, что в земной толще в этих зонах залегают колебательные системы с повышенными значениями добротности. В результате при возведении в ЗТН сооружений, содержащих вибрирующие механизмы, становятся возможными техногенные землетрясения, известные еще как горные удары [4]. Поскольку механизм горных ударов раньше не был известен, то предполагалось, что избежать их возможно с помощью мощных свайных фундаментов. Так ли это - нам предстоит разобраться.
Механизмом формирования ЗТН служит явление, получившее название планетарной пульсации [5]. Зарождается эта пульсация в недрах планеты и как бы "прогрызает" породы вплоть до самой поверхности. При этом весь этот породный столб оказывается в весьма разрушенном состоянии. Более слабые породы разрушены, что называется, в пыль, а соседствующие с ними более прочные породы разбиты на небольшие блочки. Планетарная пульсация проявляется сверхнизкочастотными колебаниями, амплитуда которых достигает 10см. Обнаружить эту пульсацию можно средствами геодезии [6]. Исследования показали, что и амплитуда, и частота этих колебаний изменяется во времени в довольно широких пределах.
Там, где проявляется планетарная пульсация, а именно в ЗТН разрушаются не только горные породы, но и инженерные сооружения, независимо от того, находятся ли они на поверхности или в глубине (подземные выработки). Понять механизм этих разрушений нетрудно. В самом деле, если часть фундамента сооружения находится в условиях неподвижного грунта, а часть - находится под воздействием планетарной пульсации, то возникающие при этом изгибные деформации разрушат фундамент любой прочности.
Грунт в ЗТН под воздействием планетарной пульсации рыхлый, и поэтому он размывается водными потоками и становится руслом рек и ручьев. Кроме того, в большинстве регионов нашей планеты при бурении в ЗТН можно получить воду. В отдельных местах эта вода поднимается близко к поверхности либо выходит в виде родников. Понятно, что хроническое проседание грунта в ЗТН вследствие рыхлости грунта плюс обводненность приводят за какие-то миллионы лет к формированию болот.
Давно замечено, что если территория стройплощадки была раньше пересечена ручьем или заболочена, то никакие укрепления грунта сваями положение не спасут. Любое сооружение в этих местах будет разрушаться независимо от параметров свайного поля. Теперь понятно, что это разрушение обусловлено наличием в этих местах ЗТН, и когда извлекают торф и делают в этом месте насыпной грунт, то, по сути, ничего не изменяется, и никакого укрепления грунта на самом деле не происходит.
Теперь, с позиций вышесказанного вернемся к сваям.
Забитая свая не может рассматриваться как отдельный, автономный объект. Она ведет себя как в соответствии со свойствами грунта, в который она забита, так и в соответствии с поведением строящегося объекта, ради сохранения которого она используется.
Понятно, что сваи, оказавшиеся в ЗТН, не найдут для себя опоры, какой бы длиной они не обладали. Для того чтобы компенсировать отдельные сваи, которые уходят в грунт под собственным весом, для особо ответственных сооружений делают следующее. Сразу после забивки свай всю площадь свайного поля заливают цементным раствором таким образом, что создаваемая железобетонная плита оказывается связанной намертво с забитыми сваями. Тогда считается, что, если отдельные сваи и не добавляют прочности конструкции, то в силу незначительности их количества нагрузка их на плиту невелика, и этим можно пренебречь.
На самом деле, это не так. Оказавшаяся в ЗТН свая не просто неподвижно висит на плите, а колеблется в соответствии с существующей в этой точке планетарной пульсацией. Сваи, оказавшиеся балластом, не просто висят на железобетонной плите, а в силу своего раскачивания выламываются из неподвижной плиты. Если таких свай, находящихся рядом, несколько, то еще неизвестно, сваи ли отвалятся, или лопнет плита. Кроме того, если возводимый фундамент значительной своей частью оказался в ЗТН, то часть плиты, оказавшаяся в ЗТН, будет испытывать периодическое изгибное напряжение относительно неподвижной части плиты.
В дополнение к этой, совершенно непредусмотренной, нештатной нагрузке прибавится еще вибрация со стороны устройства, ради установки которого и возводился фундамент. Ни сваи, ни железобетонная плита не являются акустической изоляцией от колебательных систем, залегающих в земной толще, поэтому вероятность резонанса не снижается.
Если сооружение с находящимся там вибрирующим устройством функционирует уже какое-то время, то это означает, что частота вибрации находится в стороне от резонанса, и если идет разрушение фундамента, то просто за счет вибрации. Резонанс может возникнуть только при изменении режима работы устройства, связанного с изменением частоты вибрации. Те разрушения вибрирующих устройств (электростанции, насосные станции и т.п.), которые мне известны, происходили именно во время изменения режима их работы. В частности, ЧАЭС.
Возникновение резонанса - не мгновенный процесс. Увеличение амплитуды вибрации происходит плавно, и если вибрирующая установка оснащена устройством, контролирующим амплитуду вибрации, то можно поймать момент начала роста амплитуды вибрации фундамента и разрушения избежать.
Таким образом, оказывается, что сваи, оказавшиеся в ЗТН, не способствуют увеличению надежности сооружений, а являются причиной ускорения его разрушения.
Вот все эти факторы, возникающие в случае, если фундамент оказался в ЗТН, приводят к тому, что так часто происходят аварии на насосных станциях и на энергетических установках.
ВЫВОДЫ
Создание свайных полей не является средством безусловно полезным и увеличивающим надежность сооружений.
Применение свай в зонах тектонических нарушений не увеличивает, а уменьшает надежность возводимых сооружений.
При выявлении ЗТН, следует избегать использовать эти участки для установки там несущих конструкций.
