, ,
Неопределенности данных инженерно-геологических изысканий
и численное моделирование поведения сооружения
Инженерно-геологические изыскания (ИГИ) – это важнейший этап процесса строительства. Но при ИГИ испытывают весьма малый объем грунта основания под будущим сооружением: всего лишь порядка 10-6 (миллионные доли) ([1], [2,3]). Поэтому стоимость ИГИ также очень мала: всего лишь 0.05-0.1 % общей стоимости сооружения, отсюда скудная оплата работы изыскателей. В таблице ниже даны относительные длительность и стоимость основных этапов реализации строительного проекта [1].
Этапы | ИГИ | Проектирование | Строительство | Эксплуатация |
Длительность, годы | 0.2 | 0.5-1.0 | 1-3 | 50-100 |
Стоимость, % | 0.05-0.1 | до 3-5 | 80-90 | 10-15 |
Дефицит объема данных ИГИ проектировщики компенсируют, увеличением запасов надежности проектируемых конструкций, а строители делают это на стадии строительства, что дороже, чем любые ИГИ.
Изыскания проводят в точках весьма удаленных друг от друга. На основе этих скудных данных ИГИ, изыскатели «домысливают» стратификацию грунтов основания, «упаковывая» эти данные в инженерно-геологические (ИГЭ) и/или в расчетные геологические элементы (РГЭ), границы которых проводят субъективно, т. е. неоднозначно. При это предполагается, что свойства грунтов одинаковы в пределах одного ИГЭ/РГЭ, но это далеко не так. Ведь испытания грунтов даже в близких точках могут давать результаты с большим разбросом значений, но повторяемость результатов при ИГИ не проверяют, что увеличивает их неопределенность.
Любые испытания, отбор образцов из выработок, их транспортировка в лабораторию и т. п. изменяют свойства грунтов. Нормативные величины параметров грунта определяют, используя корреляционные формулы, полученные статистической обработкой данных, имеющих большой разброс.
Но для проектных расчетов нужны не иллюстрации в виде нескольких разрезов с прорисовкой ИГЭ/РГЭ (упаковок), а подробные 3D цифровые массивы значений параметров грунта. Поэтому проектировщики, «распаковывая» цифровые данные из ИГЭ/РГЭ, субъективно экстраполируют эти данные на весь массив, обычно выбирая при этом меньшие (худшие) значения параметров грунта, полагая, что этим увеличивают запас надежности. Но это не всегда верно.
Неизбежные погрешности и субъективизм при выполнении этих взаимообратных операций приводят к тому, что даже расчетные средние осадки сооружений сильно отличаются от результатов мониторинга.
Именно поэтому по мнению проф. и др. [4], расчетные осадки должны превышать фактические на 30-100%, а иначе расчетную модель основания даже нельзя считать достоверной. С этим можно не соглашаться, но это объективная оценка точности таких расчетов, сделанная известным специалистом-геотехником.
Отметим, что еще недавно проектирование выполняли поэтапно: ТЭО, проект, рабочий проект. Объем работ по ИГИ последующего этапа назначался по результатам предыдущего этапа. Сейчас проектирование выполняют в один этап (рабочий проект), поэтому ИГИ также одноэтапное [6], что приводит к неверных оценкам необходимых объемов работ по ИГИ.
Расчеты деформаций оснований обычно основаны на модели активного слоя основания ограниченной толщины (сжимаемая толща). Это весьма грубое допущение, т. к. жесткость (модуль деформации Е) грунта уменьшается при увеличении деформаций сдвига [2,3]. Поэтому вблизи подошвы фундамента, особенно под его краями, где величина Е намного меньше начальной величины. С увеличением расстояния (глубины) от подошвы фундамента (т. е. с уменьшением сдвиговых деформаций и увеличением всестороннего обжатия) Е практически неограниченно возрастает. Такой рост Е с глубиной можно описать квадратичной зависимостью.
Еврокод 7 рекомендует: «Следует учитывать, что знание грунтовых условий зависит от объема и качества геотехнических изысканий. Такое знание и контроль качества проведения работ обычно значат больше для выполнения фундаментальных требований, чем точность расчетных моделей и частных коэффициентов». Но на практике этот приоритет ИГИ всегда нарушается (см. таблицу выше).
Еврокод 7 (в отличие от СП 22.13330) рекомендует выполнять не один, а серию расчетов, т. е. численное моделирование для учета неопределенности данных ИГИ. Для этой цели в Еврокоде 7 кроме измеренных (derived) введены характерные (characteristic), расчетные (designed), управляющие (governing) репрезентативные (representative) значения параметров. Статистически эти значения могут быть и меньше, и больше измеренных величин, т. е. так же, как в ГОСТ 20522-96, где для каждого параметра грунта введены два коэффициента надежности: один больше, а другой меньше единицы [7].
2. Стратификация основания - ИГЭ/РГЭ
Стратификацию основания можно строить с помощью компьютера по всему объему основания в виде сколь угодно большого числа разрезов с подробными изополями. Вручную такие подробные построения и в таком объеме невозможны. Форму изополей можно варьировать и объединять в ИГЭ/РГЭ (рис. 1, 2). Но эта стратификация вообще не нужна для выполнения расчетов, это иллюстративный материал.
Рис. 1. Изополя Е, с и φ.
|
|
|
|
Рис. 2. Подробная стратификация с выделением ИГЭ.
3. Чувствительность фундамента к неопределенности величин параметров грунтов основания
Варьируя распределения параметров грунта в основании, можно моделировать поведение сооружения и определять, насколько сооружение «чувствительно» к этим вариациям, учитывая это при проектировании. Например, средние осадки «чувствительны» к средней величине модуля деформации основания, а крены – к различной сжимаемости грунтов основания под фундаментом и образованию зон разрушения грунта его краями и т. д. (Барвашов и др. [8]).
ЛИТЕРАТУРА
1. , , . О взаимодействии изыскательских и проектных организаций и о геотехнической экспертизе в условиях отмены обязательного применения СНиПов. Информационный вестник Мособлэкспертизы, №3, 2007 г.
2. C. R.I. Clayton. Urban site investigation. Engineering Geology for Tomorrow’s Cities. Geological Society Engineering Geology Special Publication No.22. 2010, pp.125-127.
3. С. R.I. Clayton. Stiffness at small strain: research and practice. Geotechnique, 61, No.1, 2011,5-57 pp.
4. , . Глубинное уплотнение грунтов ударными нагрузками. М., 1989, Энергоатомиздат, 210 с.
5. Еврокод 7. Геотехническое проектирование. Часть 2. Исследования и испытания грунтов.
6. Инструкция по инженерно-геологическим и инженерно-экологическим изысканиям в г. Москве, - М, 2004, 107 с.
7. ГОСТ 20522-96. Грунты. Методы статистической обработки испытаний
8. , , Найденов развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации. - 50 лет. Мат-лы IX Общероссийской. конференции изыскательских организаций, 28-29 ноября 2013 г., М, 2013.
Уважаемые читатели журнала! После прочтения текста просим Вас дать Ваши оценки по следующим вопросам:
1) Каков реальный объем инженерно-геологических изысканий (ИГИ)?
Недостаточен Достаточен Избыточен
2) Какова оплата изыскателей?
Недостаточна Достаточна Избыточна
3) Каковы объем и достоверность представления данных ИГИ в инженерно-геологических отчетах:
Недостаточны Достаточны Избыточны
4) Нужно ли выполнять численное моделирование различных сценариев поведения системы «основание-сооружение» с учетом неопределенности данных ИГИ?
Нужно Не Нужно Не Знаю
5) Хотели бы вы пройти обучение на курсах бурового мастера
Да Нет
6) Хотели бы вы пройти обучение методам полевых исследований свойств грунтов?
Да Нет
Просим также дать любые другие комментарии по вышерассмотренным вопросам.
