Динамическая составляющая реакции грунта и ее влияние на разрушение инженерных сооружений

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
24.11.2011

     Внезапные разрушения инженерных объектов самого различного назначения - это проблема планетарного масштаба. Что называется, немотивированно, без всяких видимых причин разрушаются жилые и производственные помещения, разного рода силовые установки, железные дороги и т.д. и т.п. Для того, чтобы уменьшить вероятность этого явления, усиливают несущие конструкции инженерных сооружений (ИС). Однако, как показывает практика, эта мера не дает ожидаемых результатов. И даже, во что уж совершенно невозможно поверить, но по факту это именно так, чем прочнее сооружение, тем больше вероятность его разрушения. В некоторых случаях разрушаются такие, казалось бы, безусловно надежные сооружения, что это воспринимается с трудом. Это кажется порой настолько немыслимым, что эти случаи даже нигде не описываются.
     Вот некоторые из них.
     В свою бытность угольным геофизиком, я работал на шахте Бургустинская объединения Гуковуголь. Особенность этой шахты в том, что кровля угольного пласта сложена прочнейшим, многометровой толщины слоем песчаника. По этой причине кровля не требовала крепления, и капитальные выработки практически не крепились.
     Однако в некоторых местах кровля в штреках все же обрушалась. В связи с этим, у главного инженера шахты возникла идея сохранять капитальные выработки с помощью закладки (заполнения) выработанного пространства т.н. «таблетками» - это железобетонные блоки размером 0,3x0,4x1м.
     Предполагалось, что железобетонные блоки смогут противостоять опусканию кровли, поскольку прочность этого материала заведомо выше прочности песчаника. Однако в зонах, которым свойственно обрушение пород кровли, эти таблетки стали разрушаться. Разрушение сопровождалось громким треском и происходило очень быстро. Причина такого явления долго оставалась загадкой.
     Сейчас нечто аналогичное происходит с ИС, возведенными по технологии монолитного строительства. Первоначально, когда только начиналось освоение этой технологии, было большой неожиданностью, когда стали встречаться случаи излома плиты, называемой плавающим основанием. Казалось бы, ну как может сломаться мощная, толщиной до метра, железобетонная плита?..
     В 1993 году я случайно оказался на совещании по поводу излома такой плиты, имеющей толщину около метра и предназначенной для установки одного из блоков ЛАЭС. Плиту залили осенью, а весной в ней обнаружили трещину. Понятно, что ни качество цемента, ни качество арматуры в данном случае сомнению не подлежали. Однако анализ излома показал, что вместо арматуры в трещине был лишь рыжеватый порошок - окисел железа. Случай этот так и остался тогда не пóнятым.
     Понимание механизмов приведенных и многих других случаев разрушения стало приходить после того, как было выяснено, что подобные разрушения происходят не где угодно, а только в определенных местах - в зонах тектонических нарушений (ЗТН) [1].
     В 1993 году выяснилось, что с помощью аппаратуры, созданной еще в 80-х годах для прогнозирования горно-технической ситуации в условиях угольных шахт, возможно выявление ЗТН. При этом возникли некоторые нестыковки с существующими представлениями о тектонических процессах и объектах. Дело в том, что в научной и учебной литературе тектонические процессы рассматриваются применительно к гигантским объектам - разного рода тектоническим плитам и материкам. С помощью же аппаратуры спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) оказалось возможным выявлять зоны тектонических нарушений также и весьма малых размеров - от единиц метров. То, что эти объекты являются именно зонами тектонических нарушений, указывает выход из земли в этих зонах радона.
     Изучение ЗТН позволило обнаружить ряд неизвестных ранее и весьма интересных свойств этих зон [2]. В первую очередь, выяснилось, что любые инженерные сооружения, оказавшиеся в ЗТН, существуют в состоянии непрерывного разрушения. Механизм этого разрушения некоторое время был непонятен, но удалось установить, что объекты, подобные приведенным выше примерам, разрушались, находясь именно в этих зонах.
     Более того, даже сами горные породы в зонах тектонических нарушений находятся в разрушенном состоянии. Это следует из того, что при  попадании разведочной скважины в ЗТН материал если и будет извлечен, то в совершенно измельченном (разрушенном) виде.
     Долгое время была загадкой физика разрушений инженерных сооружений в ЗТН. В стенах домов и в фундаментах (в том числе, и в железобетонных плитах плавающего основания) в этих зонах возникают вертикальные или субвертикальные трещины. Дело в том, что при моделировании процессов разрушения в лаборатории создать такие трещины невозможно. На рис.1 показаны примеры таких трещин.

• Рис.1, a и b - примеры, когда рвется кирпичная кладка весьма легких сооружений. Рис.1а - стенка одноэтажного гаража, рис.1b - невысокий забор завода «Красный Выборжец» (СПб).
• Рис.1, с и d - примеры, когда вертикальная трещина раскалывает 4-х и 5-этажные дома (СПб).
• Рис.1, e и f - примеры очень распространенных трещин - между углами оконных переплетов.

     Все эти случаи распространены отнюдь не только в Петербурге. В Мире не существует таких мест, где бы не было подобных разрушений. Разница только в том, что во всех странах подобные трещины стараются как можно скорее зашпаклевать и закрасить, а в РФ они стоят в таком виде годами.
     Однако больше всего удивляет отсутствие у строителей, в том числе, и у ученых в области строительства, интереса к физике появления подобных разрушений. Как правило, всё это объясняется пучением, и никогда ни у кого не возникает вопрос, почему это якобы пучение происходит во вполне определенных, одних и тех же местах.
     Уже к 1993-му году было известно, что:

• подобные трещины образуются в ЗТН;
• грунт в ЗТН имеет существенно меньшую несущую способность.

      Но вот почему ИС не только наклоняются в этих зонах, но и непременно разрушаются - было непонятно.
     Разгадка пришла, когда выяснилось еще одно свойство ЗТН.
     Геодезистам известно, что на Земле существуют места, где невозможно с заданной точностью поставить реперную точку. Так, если современные геодезические средства позволяют определять местонахождение точки с точностью до одного миллиметра, то в некоторых местах погрешность определения местонахождения точки может возрастать в 100 раз.
     Как оказалось, причина этого заключается в том, что на Земле существуют зоны, в которых грунт колеблется, т.е. находится в постоянно подвижном состоянии [3]. Амплитуда колебаний грунта в этих зонах может достигать 10см. Трудность обнаружения этого явления заключается в том, что колебания эти очень медленные. Период их может достигать минут. Это явление называется планетарной пульсацией.
     Году, примерно, в 1998-м выяснилось, что зоны подвижного грунта - это не что иное, как зоны тектонических нарушений. Первоначально считалось, что планетарная пульсация - это одно из свойств ЗТН. Но в дальнейшем стало понятно, что планетарная пульсация - это механизм, формирующий сами эти зоны. Постоянное колебательное движение разрушает горные породы и создает вертикально ориентированные как бы каналы, соединяющие глубинные недра планеты с поверхностью, и горные породы в этих каналах находятся в разрушенном состоянии. Эти каналы проницаемы для газов и жидкостей, и в результате мы имеем выход из земли как глубинных газов, так и глубинной воды [4].

Рис. 1а

Рис. 1b

Рис. 1c

Рис. 1d

Рис. 1e

Рис. 1f

     Разрушая горные породы, планетарная пульсация разрушает и инженерные сооружения, оказавшиеся в ЗТН. Это касается как сооружений, находящихся на поверхности, так и на любой глубине в недрах земли. Это разрушение происходит за счет того, что часть фундамента сооружения находится в условиях неподвижной опоры, то есть, опирается на грунт вне ЗТН, а часть - в условиях подвижного грунта. При этом происходит как бы раскачка сооружения. Вот этот механизм - раскачка - и является ключевым моментом при разрушении сооружений. Появление раскачивающего механизма означает возникновение динамической составляющей взаимодействия ИС с грунтом.
     Плита плавающего основания, одной своей частью опирающаяся на подвижный грунт, а другой - на неподвижный, оказывается под воздействием знакопеременных изгибных напряжений. Известно, что железобетон, обладающий значительной несущей способностью при воздействии на него усилием сжатия, оказывается очень слабым материалом при изгибных напряжениях. Это понятно из следующей аналогии. Представим себе книгу в мягком переплете, в которой тонкие бумажные страницы перемежаются со страницами из очень прочного, но хрупкого материала. Такая книга может выдерживать значительные нагрузки при сжатии, но при малейшем усилии на изгиб хрупкие страницы потрескаются.
     Возвращаясь к описанному выше случаю на ЛАЭС, сейчас можно объяснить то, что тогда произошло. В результате воздействия планетарной пульсации под влиянием знакопеременных изгибных напряжений плита (ее бетонная составляющая) оказалась пронизанной микротрещиноватостью. В результате глубинный газ, выходящий из земли в ЗТН, беспрепятственно проникает и проходит сквозь трещиноватый материал плиты. Выходящий из земли глубинный газ вкупе с влагой атмосферных осадков формирует агрессивную кислотную среду, оказывающую окислительное воздействие на арматуру. Ну, а там, где арматура окислилась, излому плиты уже ничего не мешает.
     Эффект раскачки воздействовал и на таблетки, которые служили закладкой выработанного пространства на шахте Бургустинская, таким образом, что они были разрушены не просто горным давлением, а горным давлением в совокупности с планетарной пульсацией. Они оказались как бы пожеванными.
     Планетарная пульсация, по сути, добавляет к статическому нагружению несущих конструкций ИС динамическую составляющую, на которую при проектировании и расчете сооружения, естественно, никто не рассчитывает. На рис.2 приведена фотография обычного дома, характер разрушения которого объясняется тем, что его фундамент разрушался в результате раскачивания планетарной пульсацией в ЗТН.
     Если этот фактор исключить, то подобное разрушение было бы необъяснимым.
     Как оказалось, планетарная пульсация - явление принципиально нестабильное. Она всё время изменяется по величине вплоть до полного исчезновения, а также изменяется по частоте. Поэтому разрушения ИС идут неравномерно, то усиливаясь, то ослабевая. Изменение амплитуды пульсации происходит примерно одинаково на всей планете, и когда амплитуда увеличивается, на Земле начинают падать крыши [5]. Наподобие того, как это произошло в аквапарке в Ясенево, на Басманном рынке в Москве и т.д.

Рис. 2

     При монолитном строительстве, как известно, железобетонные стены составляют единое целое с железобетонной плитой плавающего фундамента. Если происходит излом плиты, и она разламывается, допустим, на две части, то одна ее часть начинает свободно колебаться под воздействием планетарной пульсации относительно второй, неподвижной части, находящейся вне ЗТН. А поскольку стены вмонтированы в плиту, то в стенах образуется система сквозных трещин, образующих единое целое с трещиной, проходящей через плиту. Таким образом, часть дома, стоящая на колеблющейся части плиты, начинает колебаться относительно другой, неподвижной. Если трещину в стенах заделать, скажем, с помощью металлических стяжек, то колебаний плиты этим остановить не удастся, и в стенах немедленно возникнут другие трещины, наличие которых позволит стенам и дальше колебаться вместе с плитой.
     Именно так и произошло с домом по адресу СПб, ул. Замшина д.31корп.4. Дом был сдан в эксплуатацию в 2006-м году.
      На рис.3 приведена фотография этого нового красивого дома. В стенах только что возведенного дома образовались трещины, которые стали заделывать с помощью анкеров и стяжек. Тотчас же после этого возникли новые трещины, по мере заделки которых образовывались всё новые трещины. Этот процесс продолжался до тех пор, пока ремонтные рабочие не прекратили заделывать возникшие трещины. Их сколько-то осталось, и больше новые не появляются.

Рис. 3

     На рис.4 показана фотография фрагмента этого дома, из которой понятно, в каком состоянии он сейчас находится. Такие вот анкера и угловые стальные стяжки покрывают все его стены.
     При обследовании дома изнутри, из квартир, было обнаружено более двух тысяч трещин. На самом деле, трещин гораздо больше, потому что стены изнутри покрыты толстым гипроком, и порвать его могут только большие трещины.

Рис. 4

     Динамический характер взаимодействия фундамента ИС с грунтом возникает следующим образом. Результирующий вектор механического напряжения на границе между ИС и грунтом формируется из постоянной величины давления ИС на грунт, а также (в зонах тектонических нарушений) знакопеременной составляющей планетарной пульсации. Движение грунта под воздействием планетарной пульсации происходит во всех трех измерениях, и результирующий вектор постоянно изменяет свое направление. Возникает процесс, аналогичный тому, когда зубной врач удаляет зуб. Зуб раскачивают, и тогда необходимое для удаления зуба усилие уменьшается до минимума.
     Но кроме динамического воздействия со стороны грунта может возникнуть еще одна динамическая составляющая - со стороны самого ИС. При наличии в пределах ИС вибрирующего механизма, добавляется еще и вибрация. И тогда результирующее воздействие на ИС резко ускоряет его разрушение. Чтобы оценить губительное воздействие вибрации, достаточно посмотреть, в каком состоянии находятся машинные залы практически всех электростанций.
     При совпадении частоты вибрации механизма, работающего в ИС, с собственной частотой колебательной системы, залегающей в земной толще под ИС, возникают резонансные явления [6], что может привести к мгновенному, взрывоподобному разрушению ИС.
     Если вибрация вызвана не вращением какого-либо агрегата, а последовательностью коротких ударов (кузнечно-прессовое оборудование), то такой сигнал имеет широкий спектр, который захватывает и возможные резонансные области. За счет этого разрушительное действие вибрации усиливается.
     Таким образом, динамическая составляющая нагрузки на грунт возникает как со стороны грунта, так и со стороны ИС. Со стороны грунта - это планетарная пульсация, а со стороны ИС - результат вибрации находящихся там механизмов. При этом резонансная составляющая формируется суммарным влиянием как ИС, так и грунта, поскольку резонанс возникает в результате совпадения частоты вибрации с собственной частотой колебательной системы, залегающей в земной толще под ИС.
     Изучение каких-либо физических эффектов и явлений, а особенно таких, которые способствуют развитию аварийных ситуаций, предполагает создание методик противодействия этим эффектам. Или, по крайней мере, методику их контроля и прогноза.
     Находясь на сегодняшнем уровне развития, мы не можем противодействовать планетарной пульсации. Каким бы прочным ни был фундамент, он разрушится под воздействием этого явления. Даже более того, чем прочнее фундамент, тем сокрушительнее будет разрушение ИС. Ну что ж, если нельзя отменить пульсацию, значит нужно сделать «мягким» фундамент. Чтобы он не сопротивлялся пульсации, а колебался бы вместе с ней.
     Не знаю, из каких соображений, но японцы именно так и поступают. Там в фундаментах даже высотных домов стоят резиновые прокладки. В результате, даже при землетрясениях в Японии дома не разрушаются, а лишь сильнее раскачиваются.
     Если знать заранее, где находится ЗТН, то представляется логичным на границах между подвижными и неподвижными участками строительной площадки спроектировать независимые друг от друга секции, расположенные на разных блоках фундамента, что позволит исключить возникновение в процессе эксплуатации вертикальной трещины. Потому что в этом месте она все равно возникнет. Ну, и уж во всяком случае, не устанавливать в ЗТН какие-либо вибрирующие агрегаты.
     Гораздо сложнее справиться с разрушающим действием вибрации от установок, находящихся в ИС. Здесь представляется только один путь, а именно, постоянный мониторинг уровня вибрации. Любые изменения амплитуды вибрации в основаниях вибрирующих установок - это показатель процесса разрушения фундамента. Контроль за этими изменениями позволяет предвидеть момент разрушения ИС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гликман А.Г. Применение спектральной сейсморазведки для решения задач инженерной геологии. 
2. Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН)
3. Сашурин А.Д. "Современная геодинамика и техногенные катастрофы." Сб. докладов международной конференции "Геомеханика в горном деле - 2002" Екатеринбург, Игд УрО РАН 19-21 ноября 2002 г, http://igd.uran.ru/geomech/ , обновление 23.02.2003.
4. Гликман А.Г. Проблемы загрязнения литосферы 
5. Гликман А.Г. Как и почему рушатся дома в мирное время 
6. Гликман А.Г. Колебательные системы вокруг нас