АСПЕКТЫ СИСТЕМАТИЗАЦИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ О СВОЙСТВАХ ГРУНТОВ СРЕДНЕГО ПРИДНЕПРОВЬЯ
* - Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара, 49050, пр. Гагарина, 72, г. Днепропетровск, Украина, e-mail: *****@***ua
Важным условием снижения риска при инвестициях является уменьшение неопределенности[1-3], в частности, недостатка информации о состоянии, свойствах и изменчивости компонентов геологической среды. Неопределенность оценок временной изменчивости свойств грунтов, несомненно, выше, чем других компонентов геологической среды: период наблюдений в редких случаях сопоставим с периодом прогноза. Анализ изменчивости во времени требует наличия представительной информации, структурированной в виде банка данных о компонентах, условиях и факторах инженерно-геологических условий.
Представление о геологической среде как «…многокомпонентной системе…находящейся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности»[4, С. 10] указывает на необходимость изучения объекта как меняющейся во времени, динамической системы.
Модель динамической системы может быть создана, если «задан закон эволюции, присутствует однозначное соответствие между переменными и состоянием»[5, С.11].
Возникают дополнительные требования к информации, образующей банк данных :
- необходимо исследование временных рядов достаточной длительности, характеризующих изменчивость пространственно упорядоченных переменных, важных для оценки состояния;
- должен быть обеспечен объективный выбор системы признаков, характеризующих состояние геологической среды как динамической системы.
Систематическое изучение инженерно-геологических условий Среднего Приднепровья было начато в 20-х годах XX века в связи с проектированием и строительством гидротехнических сооружений, крупных предприятий металлургической и горной промышленности. Инженерно-геологическая съемка масштаба 1:50 000 была выполнена в 60-х годах, в 80-х годах выполнено доизучение отдельных компонентов инженерно-геологических условий.
Начиная с 2000 г., выполняется обновление информации о геологическом строении. Результаты инженерно-геологических исследований, выполненных на протяжении указанного периода для проектирования и строительства объектов промышленно-гражданского и транспортного назначения, образуют нерегулярную сеть.
Непрерывный ряд наблюдений за изменчивостью во времени свойств горных пород отсутствует. Выходом из сложившейся ситуации может быть применение метода аналогий, изучение направленных изменений отдельных компонентов и их влияния на состояние геологической среды.
Анализ изменчивости структуры информации о свойствах грунтов выполнен по материалам изысканий и инженерно-геологических исследований, выполненных геологическими и изыскательскими организациями за период 1931-2010 г. г. Изыскания выполнялись для проектирования жилых домов, линейных сооружений (автомобильные, железные дороги) в городах Днепропетровск, Запорожье, Никополь, на территории крупных природно-техногенных систем «ArselorMittal», ПО «Евраз-ДМЗ им. Петровского», завод ферросплавов», металлургический комбинат «Запорожсталь».
Немаловажно то, что организации, относящиеся к разным ведомствам, используют различные методологические подходы к изучению среды. Данные инженерно-геологических съемок, выполненных геологическими организациями, детальнее характеризуют обстановки с относительно низкой степенью техногенных воздействий. Количественный состав определенных при съемочных работах показателей свойств недостаточен, так как позволяет выполнить анализ закономерностей пространственной изменчивости на уровне отдельных маркирующих стратиграфо-генетических разностей или формации перигляциальных лессовидных отложений. Материалы инженерно-геологических изысканий для проектирования объектов промышленно-гражданского строительства характеризуются избыточностью данных о свойствах на отдельных площадках, по сравнению с материалами съемочных работ, но нерегулярностью в пространстве. Выборочные результаты, полученные на опытных и наблюдательных полигонах, зачастую, являются временными рядами данных о развитии экзогенных процессов, изменчивости гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод. Закономерности временных изменений свойств горных пород среды редко являются предметом изучения. Ограничение числа переменных, как следствие представлений о большей инертности горных пород по сравнению с другими компонентами инженерно-геологических условий, может привести к некорректному выбору функции состояния для характеристики эмерджентных свойств. Оценка свойств как функций состояния необходима для количественной оценки надсистемных свойств: устойчивости, уязвимости. На необходимость анализа уязвимости среды при решении геоэкологических задач указывал [6]. Упрощение задачи (анализ свойств как одномерных случайных величин без достаточного обоснования выбранной модели; уменьшение количества переменных; отсутствие анализа связей между функцией состояния и переменными) вряд ли позволят объективно оценить эмерджентные свойства.
Природно-техногенные системы (ПТС) разного целевого назначения трудно сопоставить, взяв за основу общие показатели интенсивности техногенных воздействий[7], особенно при реконструкции состояний. Реконструкция интенсивности механических воздействий зачастую представляет собой трудно реализуемую задачу из-за фактического отсутствия исторических данных требуемой детальности. Создание моделей полей техногенных воздействий в целом представляет собой нерешенную научную проблему. В некоторых случаях возможно, на основании исторических данных, выделить этапы разной интенсивности техногенных воздействий [8].
Учитывая, что результатом взаимодействия подсистем ПТС является равновесное или неравновесное состояние, а предметом инженерно-геологических исследований - свойства геологической среды, в настоящей работе основное внимание уделено методическим аспектам анализа изменений свойств горных пород.
Информационное обеспечение региональных банков и баз данных реляционного типа, для обеспечения свободного внешнего использования должно иметь унифицированную структуру[9]. При создании баз данных о компонентах инженерно-геологических условий возникающие трудности можно разделить на группы: технические, методические, социально-экономические. Первые связаны с необходимостью привлечения ручного труда, значительными трудозатратами на этапе преобразования вида носителей информации, особенно, исторических данных (1930-1980 г. г.) имеющих разную степень сохранности. Методические проблемы возникают из-за отсутствия научно обоснованных рекомендаций по созданию временных рядов инженерно-геологических данных, обработки специфических нерегулярных данных, выбору переменных, однозначно характеризующих состояние системы.
Временной ряд, как правило, представляет собой нерегулярную последовательность дискретных значений. Особенностью базы данных о свойствах грунтов является не стационарность системы признаков, заданная изменениями состава переменных, их размерности, методики определения за длительный временной интервал. Информация о показателях физических свойств, гранулометрического состава, как правило, может приниматься к обработке данных для изучения временного ряда с незначительными преобразованиями. Привлечение расчетных показателей некорректно, так как затруднительно оценить величину погрешности Использование материалов изысканий, выполненных в 50-60 г. г. для проектирования объектов ПГС, ограничено из-за несовпадения ступеней нормального давления для определения деформационных и прочностных свойств. Иногда наблюдается совпадение ступеней передачи нагрузки и не совпадает интервал, в котором определяют показатели. Традиционно используемые показатели механических свойств (модуль деформации, коэффициент уплотнения, угол внутреннего трения и удельное сцепление) зачастую приведены в разных системах измерений (СГС, СИ). Некоторые показатели являются «утраченными»: показатели молекулярной влагоемкости, размокаемости широко определялись в 50-70 годах. Методика определения показателей специфических реакций (просадочных свойств) кардинально менялась дважды.
В 30-х годах инженер определял просадочность при испытаниях штампом, по методу двух кривых, на промышленной площадке Криворожского металлургического завода им. Ленина [см. 8; 10, с.260]. В дальнейшем, до конца 60-х годов XX века, просадочные свойства характеризовались макропористостью, оценивались по расчетным показателям. До настоящего момента, как правило, просадочные свойства определяются методом двух кривых при испытаниях в лаборатории. Во всех случаях, использование прямых показателей – абсолютных или относительных деформаций, определенных экспериментально, приводит к меньшей погрешности в оценках, чем использование традиционных расчетных [11] – коэффициента пористости, модуля деформации и т. д.
После 80-х годов, в связи с изменением социально-экономических условий, наблюдается сокращение разнообразия определяемых показателей свойств, методов исследований и уменьшение количества до минимально допустимых объемов. Недостаточная разработанность научно обоснованных критериев для оценки измененности инженерно-геологических условий привела к многократному использованию материалов изысканий для проектирования новых объектов. По нашим оценкам, ошибки нормативных и расчетных значений из-за таких операций могут достигать 30-40%.
Научную ценность имеют работы, выполненные в конце 20-х годов на промышленной площадке Брянского завод, Криворожского металлургического завода, в зоне исторического центра г. Днепропетровска (1976 г.). Это уникальные для региона эксперименты по оценке плотности дисперсной подзоны коры выветривания в шурфах; статическое зондирование, оценка сжимаемости, оценка просадочности, анизотропности просадочных грунтов и др. Описание методики и результатов уникальных экспериментов должны составлять отдельную подсистему.
В результате многолетних работ по сбору информации инженерно-геологического характера предложена структура базы данных «данные о свойствах грунтов» (рис.1). Элементами базы являются подсистемы: данные о геологическом строении; данные о результатах лабораторных исследований; данные о полевых исследованиях.
Рис. 1. Структура базы данных “Инженерно-геологические свойства горных пород”.
Примечания рис.1: 
- классификация; 
- сортировка по критериям.
Базы данных представляют собой электронные таблицы. В первой приведена информация, необходимая для решения пространственных задач: условные региональные и локальные координаты; номера отчета, скважины, дата, абсолютная отметка, глубина, мощность подошвы слоя, индекс, наименование, данные о глубине и абсолютной отметке уровня подземных вод. Поля второй таблицы заполнены показателями: плотность грунта и частиц, природная влажность, пределы пластичности, данные о гранулометрическом составе, органических включениях, абсолютные деформации при компрессии и сдвиге в двух состояниях, характеристики начального просадочного давления, коэффициенты просадочности. Третья таблица включает результаты полевых экспериментов. Использование стандартных процедур статистической обработки данных, изучение связей между переменными с привлечением известных прикладных программ (ПО STATISTICA, STATIST), позволяет выполнять визуализацию, сортировку и преобразование (стандартизацию) данных. Наборы переменных оптимальны, так как избыточности нет, они образуют стационарную систему (по условию составления баз данных). Хранение первичной информации в структурированном виде совокупности прямых показателей физических, физико-химических и физико-механических свойств предоставляет большие возможности, по мере возникшей необходимости, для интерпретации новыми методами.
Выводы:
- Изучение временных рядов изменчивости свойств предъявляет дополнительные требования к первичной информации. Информационная основа базы данных о свойствах должна включать сведения о результатах экспериментов.
Литература:
1., , . Адаптивные динамические системы идентификации и управления в условиях неопределенности/ Доклады ТУСУРа, № 2 (22), часть 2, декабрь 2010 с.230-232
2.Оценка экономической и геологической неопределенности проектов по увеличению нефтеотдачи. Нефтегазовое дело, 2007/.- www. odbus. ru
3. , /Структуризация и анализ возможных подходов к решению проблемы многокритериальной оптимизации в условиях неопределенности//Проблемы информационных технологий.-2009.-№1 (005).
3.. Инженерная геология. Изд-во МГУ,1982,-248 с.
4. Знакомство с нелинейной динамикой. Лекции соросовского профессора:Учебн. Пособие. Москва – Ижевск: Инст. комп. исслед., 2002.144с.
5. Osipov V. I. Natural risk management. Environmental geosciences and Engineering Survey for Territory Protection and Population Safety./ Engeopro-2011,- Delegate papers, p.29- 38.
6. Мониторинг геологической среды. М. МГУ, - 1995,-132 с.
8. Закономерности изменений геологической среды на примере Криворожской промышленно-городской агломерации. Автореферат. К. ИГН НАНУ:2003, 18с.
9. К. Дж. Дейт. Введение в системы баз данных.- М:Изд. дом «Вильямс»,2001.-1072 с.
10. , Влияние качества инженерно-геологической
информации на ее количество. Сергеевские чтения. Выпуск 10.. – М.: ГЕОС, 2008. –
с.24-29
11/ , , Лессовые породы и их строительные свойства. М: Госгеотехиздат, 1959, - 367 с.
