Адам Гликман,
НТФ "Геофизпрогноз",
март 2008, Санкт-Петербург
Столько лет, сколько существует строительное дело, актуальна проблема внезапных и необъяснимых разрушений. Почему из двух одинаковых, рядом стоящих, одновременно построенных по одной и той же технологии домов один стоит долго и эксплуатируется без проблем, а другой разрушается? Почему дом, простоявший много лет, начинает быстро разрушаться при надстройке его на один этаж? Или при пристройке к нему портика? Или при ведении строительных работ в стороне, и порой довольно далеко от этого дома?...
Так не бывает, чтобы столь важные события никак не объяснялись. Объяснение есть, и оно постоянно на слуху - вину возлагают на строителей. Кроме того, для как бы объяснения придуман ряд как бы научных понятий и терминов, за которыми никакого смысла нет, и в этом их сила. Мне очень нравится одно из таких понятий - суффозия. Этим термином обозначают вынос грунта из-под фундамента. Правда, как и куда его выносит - непонятно.
Как известно всем профессиональным строителям, строительное дело зиждется на двух "китах", на двух фундаментальных положениях. Первое из них звучит следующим образом: «Строить можно везде». А второе: «Если дом разрушается, значит, сэкономили на фундаменте». На самом деле, эти два утверждения весьма взаимосвязаны. А именно, строить можно везде, но чем проблемнее грунт, тем прочнее должен быть фундамент. Несколько утрируя, можно сказать, что на бесконечно прочном фундаменте можно возводить сооружения любого уровня ответственности в любом месте Земли.
В порядке выполнения этой задачи, в последнее время все большее внимание уделяется монолитному строительству. Это когда на грунте лежит железобетонная плита, т.н. плавающее основание, и на ней с помощью растущей снизу вверх опалубки железобетонные возводят несущие конструкции (стены).
Монолитные конструкции представляются наиболее надежными в силу прочности бетона. Однако, вместе с тем, нам неизвестен ни один дом, построенный в Петербурге по этой технологии, в котором бы не развивались трещины. Как правило, эти трещины увидеть непросто. Поскольку железобетонные элементы закрыты - снаружи пенобетоном «под кирпич», а изнутри - гипроком, то простым осмотром, с улицы, эти трещины увидеть нельзя. За исключением, совсем уж разрушающихся домов, как например, по адресу СПб, ул.Замшина, 31, корп.4.
Чтобы понять, почему дома, построенные по технологии монолитного строительства, оказались наименее надежными, рассмотрим следующие примеры.
На рис.1 показана фотография стенки маленького гаража. Подобные разрушения, когда кирпичная кладка рвется субвертикальными трещинами, видели все.
Рис.1
На рис.2 видны трещины на жилом кирпичном доме. Вот эти косые трещины, идущие от углов оконных переплетов - типичный характер разрушения домов.
Рис.2
Поставим вопрос так: какого рода воздействие могло бы вызвать такой разрыв кладки? Как получить в лаборатории при моделировании процессов разрушения несущих конструкций косые или субвертикальные трещины? Дополнительное нагружение сверху исключается, поскольку в реальных условиях такое воздействие отсутствует. Замечу, что и в данном случае строителям, желающим объяснить такое разрушение, на помощь приходит еще одно умное слово - морозное пучение грунта. Поскольку мне не удалось выяснить, как это ими изучалось, то не будем принимать его во внимание.
Как оказалось, такого рода разрушения происходят в том случае, если часть опоры конструкции неподвижна, а часть - находится в движении, колеблясь около состояния равновесия. Характер разрыва кладки зависит от характера колебаний. То есть, от соотношения горизонтальных и вертикальной составляющих колебаний. Иными словами, для того, чтобы происходили разрушения домов, подобные показанным на рис.1 и 2, необходимо, чтобы грунт под этими домами на части площади фундамента находился в колебательном, пульсирующем состоянии.
Но возможно ли это в природе?
Оказалось, не только возможно, но и повсеместно происходит. В 1998 году екатеринбургский ученый, проф. Сашурин А.Д. обнаружил явление пульсации планетарного происхождения [1]. Параметры этой пульсации до конца не изучены, но известно, что при весьма низкой частоте амплитуда ее может достигать 10см.
Открытие этого явления первоначально породило больше вопросов, чем ответов. Первый вопрос лежал на поверхности как в буквальном, так и в переносном смысле. Дело в том, что зона этой пульсации оказалась очень локальной. Так, наблюдая ее в некоей зоне, мы за ее пределами пульсацию уже не видим. Но ведь так не может быть! Ведь в силу неразрывности твердой среды (а кто же сомневается в твердости нашей тверди земной?!) амплитуда любых механических колебаний должна при измерениях вдоль какой-то линии как возрастать, так и убывать плавно, по экспоненте. И заявление о том, что колебания регистрируются только в пределах какой-то зоны, не выглядит достоверно...
Однако так уж бывает на Земле, что одно и то же явление начинает одновременно изучаться с разных сторон различными людьми, независимо друг от друга.
Открытие Сашурина пришлось на тот момент, когда изучались свойства зон тектонических нарушений [2]. Так вот, одно из свойств зон тектонических нарушений (ЗТН) заключается в том, что грунт (или горные породы - вопрос терминологии) в этих зонах не является твердой средой в полном смысле этого слова. Мало того, что породы в ЗТН находятся в высшей степени нарушенном состоянии, так в них еще и выполняется закон Архимеда! Кто из нас не наблюдал, как на пахоте по весне всплывают камни? Причем в одних и тех же местах! А вылезающие из могил гробы?..
Представляется логичным дать название такому состоянию горных пород в ЗТН - твердая жидкость. И все встало на свои места. Потому что для такой среды принцип неразрывности неуместен. И если в ЗТН проявляется планетарная пульсация, то за пределами такой вот не совсем твердой зоны ее действительно можно и не увидеть. Таким образом, планетарная пульсация оказалась одним из довольно значительного количества свойств этих зон. То есть планетарная пульсация проявляется именно в ЗТН.
Первоначально, еще в 1993 году, как только возникла аппаратура для выявления зон тектонических нарушений (ЗТН), совершенно случайно было обнаружено, что дома, оказавшиеся в ЗТН, находятся в состоянии разрушения. Этот признак оказался очень устойчивым, и еще не понимая механизма разрушения, можно было весьма удачно прогнозировать разного рода техногенные катастрофы.
Аппаратура, с помощью которой стало возможно выявление ЗТН - это аппаратура геофизического метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). Идея спектральной сейсморазведки базируется на том, что по акустическим свойствам земная толща представляет собой совокупность колебательных систем1. Принцип действия ССП приведен в работах [3, 4]. Выявление ЗТН с помощью метода ССП основано на том, что в этих зонах имеет место повышенная добротность залегающих в земле колебательных систем. Это означает повышенную амплитуду колебаний.
То есть, реакция грунта в ЗТН на любую динамическую составляющую воздействия со стороны сооружения имеет вид гармонических колебаний с повышенной амплитудой. Понятно, что это приводит к ускорению разрушения фундамента. И действительно, всегда было загадкой, почему бывает так, что из двух одинаковых фундаментов под вращающимися механизмами один разрушается, а другой нет.
При наличии динамической составляющей воздействия на грунт происходит суммирование планетарной пульсации и реакции грунта на вибрацию. И грунт при этом уж точно не является твердью.
То есть, получается, что имеет место различие условий функционирования фундаментов, возведенных в ЗТН и вне ее. Вне ЗТН грунт неподвижен, а в ЗТН подвижен как в результате проявления в этой зоне планетарной пульсации, так и в случае наличия в этой зоне вибрирующего механизма или, иначе говоря, динамической составляющей воздействия на грунт.
А если один и тот же фундамент вдруг оказался одновременно в обоих этих условиях? Вот тогда-то и возникнет то раскачивание части фундамента, о котором говорилось выше. Между частями дома, находящимися в ЗТН и вне ЗТН, будет формироваться система трещин. Вид этих трещин зависит от характера колебаний и от конструкции сооружения.
Как показали наблюдения, на сегодняшний день не существует средств, чтобы противостоять воздействию планетарной пульсации. Я когда-то участвовал в рассмотрении причин образования трещины в железобетонной плите толщиной 1м, предназначенной для установки на ней одного из блоков ЛАЭС. Понимания этих процессов у меня тогда еще не было. А было только удивление, так как прочность плиты была предельно возможной для уровня сегодняшней нашей цивилизации.
Вспомнил я об этом, когда года 3 назад, во время изысканий на участке весьма состоятельного человека обнаружил трещину в фундаменте его скорее бункера нежели дома, которая являлась продолжением линии выявленной с помощью ССП зоны тектонического нарушения. Прочность этого фундамента уж точно не уступала той плите. И наконец, последние несколько лет мне довелось наблюдать трещинообразование в целом ряде подобных объектов, благо теперь технология монолитного строительства стала модной, и ее применяют даже при строительстве коттеджей.
Главное здесь - понять, что противостоять планетарной пульсации невозможно. И остается только ее учитывать и применять такие приемы в строительстве, чтобы не подвергать такому воздействию возводимые сооружения.
Планетарная пульсация является главным, определяющим свойством ЗТН. Наличие этой пульсации приводит к разрушению и самих пород, находящихся в этой зоне. Причем не только осадочных, но и пород кристаллического фундамента. По-видимому, эта пульсация является причиной возникновения самого тектонического нарушения и формирования всей его зоны. Именно поэтому ЗТН по глубине не имеет ограничения. Выявленная на поверхности, она является признаком того, что разрушению будет подвергнуто сооружение, находящееся на любой, как угодно большой глубине.
Подтверждение этому - эффективное использование в течение вот уже двух лет метода ССП для оценки и прогнозирования горнотехнической ситуации в подземных выработках на глубине 700м на руднике в г. Хромтау (Казахстан). Причем профилирование осуществляется с дневной поверхности.
Профилирование осуществляется над линией проходки подземной выработки с шагом 1м. Как показала практика, граница ЗТН совпадает с границей между нормальной ситуацией и зоной осложненной горнотехнической ситуацией (по вывалам, водопритоку, по пластичному состоянию почвы...) с точностью до метра, то есть до величины шага. Это, кстати, доказывает, что зона тектонического нарушения и само нарушение находятся на одном перпендикуляре к горизонтали.
В перечне загадочных разрушений, приведенных в начале статьи, значится случай, когда надстройка здания на один этаж приводит к его разрушению. Таких случаев слишком много, чтобы для каждого подбирать свои причины аварии. На самом деле, механизм разрушения здесь следующий.
В том случае, если дом оказался в значительной по площади ЗТН, он весь находится в состоянии раскачивания. Это, кстати, всегда проявляется наличием магистральных субвертикальных трещин. При надстройке возникает динамическая составляющая нагрузки на грунт, что на короткое время изменяет ритм и характер раскачки. В результате, балки выходят из зацеплений с несущими конструкциями. Разрушения при надстройке домов именно так и происходят - обрушение балок.
Нельзя не упомянуть еще один механизм разрушений в ЗТН. Повышение добротности колебательных систем означает также повышение вероятности возникновения резонансных явлений. Резонансное явление возникает при совпадении собственной частоты колебательной системы, залегающей в земной толще, с частотой вибрации находящегося вблизи механизма. Резонанс проявляется многократным увеличением амплитуды колебаний поверхности грунта вплоть до разрушения как грунта, так и фундамента вибрирующего сооружения. Это явление называется горным ударом или техногенным землетрясением.
Примеров, когда имели место техногенные землетрясения, много. Это довольно часто происходит с насосными станциями. Газпромовские насосные станции при внезапных провалах в грунт взрываются, и поскольку причина этого раньше была неизвестна, то были случаи, когда их приписывали террористам. Это явление периодически происходит на насосной станции очистных сооружений в Ольгино. В шахтах, в карьерах, на железных дорогах [5]...
Нетрудно заметить, что во всем вышеприведенном материале нет места для «китов», на которых стоит все строительное дело. Совершенно не факт, что чем прочнее фундамент, тем надежнее сооружение. Прочность фундамента там, где грунт неподвижен, должна чередоваться с его гибкостью там, где возможны его колебания.
А вот то, что строить можно везде - это правильно. Но с некоторой оговоркой. Строить действительно можно везде, но при условии, если известны реальные свойства грунта. И тогда строительство - это возведение сооружений, свойства фундамента которых согласованы со свойствами грунта.
Гликман А.Г. О принципах спектральной сейсморазведки.// Геофизика XXI столетия: 2003-2004 годы. Сборник трудов Пятых и Шестых геофизических чтений имени В.В. Федынского.- Тверь.: ООО «Издательство ГЕРС».- 2005.- 381с., с.370-375.
