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).

Рис. 1. Примеры погрешностей при построении прямолинейных границ слоев грунта по данным из скважин, которые затем были скорректированы по данным, полученным с помощью георадара (НПЦ «Геотех», Москва)
Рис. 1. Примеры погрешностей при построении прямолинейных границ слоев грунта по данным из скважин, которые затем были скорректированы по данным, полученным с помощью георадара (НПЦ «Геотех», Москва)
Рис. 2. Разрез, полученный с помощью георадара (НПЦ «Геотех», Москва)
Рис. 2. Разрез, полученный с помощью георадара (НПЦ «Геотех», Москва)

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:

  1. «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.
  2. 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

Рейтинг чувствительности системы ОФС
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:

  1. 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.
  2. Цифровые данные ИГИ с датчиков передавать в компьютер на электронных носителях или через Интернет.
  3. Посредством интерполяции создавать непрерывные 3D-цифровые массивы данных с учетом возможности варьирования за счет свободных параметров интерполяции.
  4. Использовать 3D-цифровые массивы для расчета распределения коэффициентов жесткости основания, а затем для расчета сооружения.
  5. 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].

Рис. 3. Сейсмо-геоэлектрический разрез с выделением карстоопасной зоны между скважинами (НПЦ «Геотех», Москва)
Рис. 3. Сейсмо-геоэлектрический разрез с выделением карстоопасной зоны между скважинами (НПЦ «Геотех», Москва)
Рис. 4. Изолинии равных значений модуля деформации основания (панорамный разрез через три скважины)
Рис. 4. Изолинии равных значений модуля деформации основания (панорамный разрез через три скважины)
Рис. 5. Поля изолиний E, c и φ в разрезе 3D-массива плоскостью, не проходящей через скважины при значениях параметра
Рис. 5. Поля изолиний E, c и φ в разрезе 3D-массива плоскостью, не проходящей через скважины при значениях параметра

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

  1. Данные инженерно-геологических изысканий характеризуются неполнотой, большим разбросом, их получают из разрозненных выработок. Методы непрерывного сканирования стратиграфии грунтовых оснований не регламентируются нормативными документами.
  2. Калибровочные формулы, используемые при определении параметров для расчета зданий/сооружений, имеют весьма условный характер.
  3. На пути от выработки до проекта данные изысканий проходят обработку, связанную со значительным объемом ручных, а также взаимоисключающих операций, которые необходимо автоматизировать.
  4. Нормативные документы разделяют зоны ответственности геологов-изыскателей и геотехников-проектировщиков. Это мешает их интерактивному диалогу и многовариантному проектированию с помощью компьютеров и информационных технологий.
  5. Чувствительность системы «основание-фундамент-сооружение» может быть одним из критериев полноты объема данных инженерно-геологических изысканий.

Литература

  1. ГОСТ 20522–96. Грунты: методы статистической обработки результатов испытаний. М., 1996.
  2. СП 11−105−97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. М., 1997.
  3. Барвашов В.А., Болтянский Е.З., Чинилин Ю.Ю. Исследование поведения системы «основание-фундамент-верхнее строение» методами математического моделирования на ЭВМ. — ОФМГ, 1987, № 3.
  4. Барвашов В.А., Болтянский Е.З., Чинилин Ю.Ю. Исследование поведения системы «основание-фундамент-верхнее строение различной жесткости» методами математического моделирования на ЭВМ (дополнение статьи, опубликованной в 1987 г.). — ОФМГ, 1990, № 6.
  5. Barvashov V.A. Sensitivity of Soil-Structure Systems. — VI International Congress on Mathematical Modeling. Nizhny Novgorod, Russia, 2003, Book of Abstracts, p. 315.
  6. 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.
  7. Барвашов В.А. Чувствительность системы «основание-сооружение». — ОФМГ, 2007, № 3.
  8. Barvashov V.A., Naidenov A.I. Pareto principle and sensitivity of soil-footing-superstructure system. — Alexandria, 2008.
  9. Барвашов В.А. О геометризации слоистых грунтовых оснований. — ОФМГ, 2006, № 5.
  10. Барвашов В.А., Найденов А.И. Учет зон разрушения грунта под краями фундамента в расчете системы «основание-фундамент-сооружение». — ОФМГ, 2009, № 1.
Валерий Барвашов
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