Главная » CADmaster №5(55) 2010 » Архитектура и строительство О компьютеризации диалога между изыскателями и геотехниками
Обработку данных инженерно-геологических изысканий (ИГИ) и проектирование зданий/сооружений можно объединить в рамках одного процесса, который обеспечит возможность интерактивного взаимодействия геологов-изыскателей и геотехников-проектировщиков на основе математического моделирования чувствительности системы «основание-фундамент-сооружение» (ОФС) к неопределенности и разбросу данных ИГИ. В статье приводится таблица чувствительности системы ОФС к вариациям исходных данных, показаны возможности варьирования неопределенности данных ИГИ для оценки чувствительности системы ОФС.
Геологи-изыскатели и проектировщики-геотехники работают в условиях дефицита и неопределенности данных инженерно-геологических изысканий. Данные ИГИ характеризуются разрозненностью (большие расстояния между точками измерения), неизбежными погрешностями, разбросом, невозможностью однозначной интерпретации. Оценка проведенных измерений человеком субъективна, а ручная графическая обработка данных (например, построение границ инженерно-геологических элементов) не отличается высокой точностью. По этим данным с помощью весьма приближенных калибровочных формул определяются параметры для расчета зданий/сооружений. При больших разбросах эти данные осредняются. Дефицит данных восполняется субъективными оценками или интерполяцией, обычно линейной, которая не всегда достоверна (рис. 1).
Как видно на представленных разрезах (рис. 2−3), границы слоев грунта в основании могут быть далеки от прямолинейных, а по данным из скважин эти границы можно построить весьма условно. В то же время применение средств непрерывного измерения слоистости в пределах площадки (георадар, сейсмика), которые могут решить эту проблему, не регламентируется действующими нормативными документами [1, 2].
Удивительно, что в таких условиях неопределенности исходных данных ИГИ аварии зданий/сооружений весьма редки. Это можно объяснить несколькими причинами:
- «На фундаментах не экономят». Нормативные документы четко разделяют зоны ответственности геологов-изыскателей и проектировщиков-геотехников. Но поскольку и у тех и у других существует общая цель (не допустить нештатных ситуаций), геологи занижают значения параметров грунта, а геотехники завышают запасы надежности. Это ведет к росту затрат, в чем заинтересованы производители работ, а зачастую и инвесторы: подобный подход позволяет увеличить капитализацию здания/сооружения. Однако надежность и консерватизм — не одно и то же. В других отраслях (космос, авиация, автомобилестроение
и т.д.) требования обеспечения прочности, надежности, ограничения веса и стоимости конечного изделия конфликтуют между собой, а компромисс достигается только после сравнения очень большого числа пробных вариантов проекта. В геотехнике для принятия решения рассматриваются лишь один или несколько вариантов. - Существенных факторов мало. В 1897 году итальянский математик Вильфредо Парето сформулировал свой принцип «80/20», современная трактовка которого принадлежит Джозефу Джурану (1941 г.): «80% следствий возникают от 20% причин, 80% причин вызывают только 20% следствий». Этот принцип противоречит предположению, что все причины и следствия существенны в равной мере и все их необходимо учитывать. Конечно, 80 и 20% не являются физическими константами, а соотношение 80/20 приблизительно, но работает практическое правило: «Существенных факторов мало, а несущественных много». Такая асимметрия характерна для всех сложных систем, к которым относится и система «основание-фундамент-сооружение» (ОФС). Важно определить, какие факторы и в каких случаях являются более существенными, а какие — менее.
Чтобы выявить существенные факторы, нужно исследовать чувствительность системы ОФС, то есть зависимость ее поведения от вариаций исходных данных. Это можно сделать с помощью компьютерного моделирования. Такие виртуальные исследования более доступны и дают намного больше информации, чем натурный мониторинг. Очевидно, что для выявления общих качественных трендов поведения системы ОФС достаточно ограничиться сравнительно небольшим числом характерных расчетных схем — эталонов.
Такие исследования уже проводились [3−8]. В таблице 1 обобщены результаты около 10 000 численных экспериментов, выполненных с помощью компьютерной программы, составленной в системе Mathcad на основе точного математического решения (не МКЭ) задачи определения осадок и усилий в фундаменте системы ОФС в условиях плоской задачи. Учитывались сжимаемость основания, образование зон разрушения грунта под краями фундамента, конечная жесткость фундаментной плиты и надфундаментной конструкции и сжимаемость несущих колонн.
Таблица 1
Варьируемые исходные данные | Рейтинг чувствительности результатов расчета | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
Средние осадки | Прогибы | Крены | Изгибающие моменты | Поперечные силы | ||
+ | - | |||||
Модуль деформации основания E | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
Параметры прочности грунта c, f | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Глубина заложения фундамента h | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Отношение жесткости надфундаментной конструкции (Ds) к жесткости фундаментной плиты (D)
Ds/D < 5 5< Ds/D < 20 Ds/D > 20 |
0 0 0 |
1 1 0 |
1 1 0 |
1 0 0 |
1 0 0 |
1 0 0 |
Сжимаемая толща основания Н в реальном диапазоне величин | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Неоднородность основания | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Консоль (расстояние от крайней колонны до края плиты) | 0 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 |
Жесткость опор | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Изгибная жесткость фундамента D | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
В таблице даны оценки чувствительности поведения системы ОФС к вариациям исходных данных: 0 — влияние несущественно и его можно учитывать приближенно; 1 — влияние существенно; 2 — влияние весьма существенно, необходим его особо точный учет.
Отметим, что в коммерческих компьютерных программах (SCAD, Лира и др.) не учитывается образование зон разрушения грунта под краями фундамента, глубина которых зависит от параметров прочности грунта с и φ. В [3−8] было показано, что такой учет необходим для получения достоверных значений расчетных усилий в плите. К тому же при таком учете снижается чувствительность фундамента к вариациям других исходных параметров. Оказалось, что расстояние от края фундамента до ближайшей колонны (длина консоли) — весьма существенный фактор. Но система ОФС может быть чувствительна к величинам с и φ по периметру фундамента на небольшую глубину. В процессе изысканий эти величины измеряются по всему пятну сооружения до произвольной глубины, а затем осредняются.
Для обеспечения конструктивного диалога между изыскателями и проектировщиками требуется компьютеризировать все процедуры сбора, обработки и передачи данных ИГИ, а затем объединить их с компьютерным расчетом зданий/сооружений в рамках одного процесса, исключив субъективизм и ручные операции. Для этого необходимо следующее:
- Оборудовать измерительные приборы дистанционными записывающими цифровыми датчиками. Такие миниатюрные датчики используются, например, при зондировании. Они записывают всю получаемую информацию в цифровом виде на электронных носителях.
- Цифровые данные ИГИ с датчиков передавать в компьютер на электронных носителях или через Интернет.
- Посредством интерполяции создавать непрерывные 3D-цифровые массивы данных с учетом возможности варьирования за счет свободных параметров интерполяции.
- Использовать 3D-цифровые массивы для расчета распределения коэффициентов жесткости основания, а затем для расчета сооружения.
- Выполнять расчеты сооружения, варьируя значения свободных параметров интерполяции. Если выясняется, что система ОФС чувствительна к этим вариациям, необходимы дополнительные изыскания или повышение надежности фундаментов здания/сооружения. Решения принимаются на основе диалога между изыскателями и проектировщиками.
Отметим, что все необходимые компоненты этой системы уже существуют — требуется их интеграция.
Например, 3D-распределение характеристик грунтов основания определяется по дискретным данным в выработках. Следуя нормативным документам [1, 2], изыскатели должны «упаковать» эти характеристики в инженерно-геологические (ИГЭ) или расчетные геологические (РГЭ) элементы и представить их в виде нескольких разрезов на бумажном носителе. Это трудоемкая ручная операция, требующая высокой квалификации: геометризация, которая неизбежно связана с субъективными оценками. Более того, несколько разрезов не дают информации о характеристиках в промежутках между ними. Чтобы получить из отчета 3D-распределение характеристик грунтов, проектировщик должен выполнить операцию, обратную геометризации: «распаковать» ИГЭ и/или РГЭ и субъективно назначить распределение характеристик между разрезами. После этого производится расчет осадок здания/сооружения. В то же время геометризация достаточно просто выполняется с помощью компьютера [9].
Эти ручные операции и субъективизм можно исключить, если строить распределения характеристик непосредственно по данным в выработках. Как уже сказано, такие распределения должны иметь свободные параметры формы для варьирования при оценке чувствительности системы ОФС. Если чувствительность мала, то исходных данных достаточно, а если нет — нужны дополнительные данные ИГИ. Иными словами, малая чувствительность системы ОФС к этим вариациям является необходимым (но не достаточным) критерием репрезентативности объема данных ИГИ.
На рис. 4−5 показаны распределения характеристик грунтов, построенные с помощью интерполяционных формул Шепарда по данным в геологических выработках без выделения ИГЭ и РГЭ при различных значениях свободного параметра p [10].
Но малая чувствительность системы ОФС не является достаточным признаком полноты объема данных ИГИ. Если данные неполны, можно вводить «фиктивные» выработки и субъективно назначать в них величины характеристик грунтов, заведомо занижая их значения, а затем исследовать чувствительность системы ОФС. Такие численные эксперименты не регламентируются нормативными документами, но могут помочь при экспертных оценках [10].
Выводы
- Данные инженерно-геологических изысканий характеризуются неполнотой, большим разбросом, их получают из разрозненных выработок. Методы непрерывного сканирования стратиграфии грунтовых оснований не регламентируются нормативными документами.
- Калибровочные формулы, используемые при определении параметров для расчета зданий/сооружений, имеют весьма условный характер.
- На пути от выработки до проекта данные изысканий проходят обработку, связанную со значительным объемом ручных, а также взаимоисключающих операций, которые необходимо автоматизировать.
- Нормативные документы разделяют зоны ответственности геологов-изыскателей и геотехников-проектировщиков. Это мешает их интерактивному диалогу и многовариантному проектированию с помощью компьютеров и информационных технологий.
- Чувствительность системы «основание-фундамент-сооружение» может быть одним из критериев полноты объема данных инженерно-геологических изысканий.
Литература
- ГОСТ 20522–96. Грунты: методы статистической обработки результатов испытаний. М., 1996.
- СП 11−105−97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. М., 1997.
- Барвашов В.А.,
Болтянский Е.З. , ЧинилинЮ.Ю. Исследование поведения системы «основание-фундамент-верхнее строение» методами математического моделирования на ЭВМ. — ОФМГ, 1987,№ 3 . - Барвашов В.А.,
Болтянский Е.З. , ЧинилинЮ.Ю. Исследование поведения системы «основание-фундамент-верхнее строение различной жесткости» методами математического моделирования на ЭВМ (дополнение статьи, опубликованной в 1987 г.). — ОФМГ, 1990,№ 6 . - Barvashov V.A. Sensitivity of Soil-Structure Systems. — VI International Congress on Mathematical Modeling. Nizhny Novgorod, Russia, 2003, Book of Abstracts, p. 315.
- Барвашов
В.А. Метод определения глубины зон разрушения под краями фундамента с учетом природного напряженного состояния. — Cб. научных трудов НИИОСП «75 лет НИИОСП им. Н.М. Герсеванова». М., 2006, с. 74−81. - Барвашов
В.А. Чувствительность системы «основание-сооружение». — ОФМГ, 2007,№ 3 . - Barvashov V.A., Naidenov A.I. Pareto principle and sensitivity of soil-footing-superstructure system. — Alexandria, 2008.
- Барвашов В.А. О геометризации слоистых грунтовых оснований. — ОФМГ, 2006,
№ 5 . - Барвашов В.А., Найденов
А.И. Учет зон разрушения грунта под краями фундамента в расчете системы «основание-фундамент-сооружение». — ОФМГ, 2009,№ 1 .
в.н.с., к.т.н.
НИИОСП
Геннадий Болдырев
д.т.н.,
технический директор НПЦ «Геотек»,
проф. ПГУ (Пенза)
Рэм Зиангиров,
д.г.-м.н., проф.,
Мосгоргеотрест
Анатолий Маляренко
генеральный директор НПФ «SCAD Soft»
E-mail: barvash@mail.ru;
g_boldyrev@penzadom.ru
Скачать статью в формате PDF — 379.2 Кбайт |