О представительности данных инженерно-геологических изысканий и геотехнических расчетов. ИГИ без ИГЭ

Вопросы представительности данных, получаемых в результате выполнения инженерно-геологических изысканий, весьма актуальны и неоднократно и объективно обсуждались ведущими российскими геологами и геотехниками.

Например, как отмечали в одной из своих статей известные российские геологи Е.А. Вознесенский и А.В. Брушков, «современная практика экспериментальных исследования грунтов при инженерно-геологических изысканиях и использования их результатов в России приводит к парадоксальному выводу об их ненужности. Укажем лишь на три известных факта.

1. Хорошо известно, что большое количество данных о составе и свойствах грунтов в ходе инженерно-геологических работ не получено экспериментально, а выдумано – «нарисовано» (так же, как и часть скважин и горных выработок). Это очевидно, потому что ряд лабораторий выдает огромное количество данных еще до того, как испытания могут быть даже теоретически завершены в соответствии с действующими стандартами.

2. Хорошо известно, что проектировщики часто берут для расчетов не экспериментально полученные показатели свойств грунтов, а просто «подходящие» величины из таблиц нормативных документов. И хорошо еще, если они хотя бы понимают, что это за показатели.

3. В последние годы в разных городах официально – с разрезанием ленточки – в эксплуатацию вводились весьма ответственные сооружения еще до того, как были завершены изыскания. А это значит, что проектирование и строительство предшествовали проведению изысканий».

Но это не все. Ведь даже для самых ответственных сооружений (например, под фундаментом РО АЭС площадью 70х70 м) минимальное расстояние между точками зондирования составляет 23 м (СП 47.13330). Легко подсчитать, что геологи испытывают чрезвычайно малый объем грунта на площадке под будущим сооружением, который составляет миллионные доли объема грунта основания. Эти утверждения можно легко проверить простейшим расчетом.

Специалистам хорошо известно, как получаются и как затем используются данные инженерно-геологических изысканий. Сначала геологи строят по ним несколько разрезов, субъективно (т.е. неоднозначно) графически выделяя границы инженерно-геологических элементов (ИГЭ) на разрезах, которым присваивают измеренные в поле и/или в лаборатории значения параметров грунтов – один набор параметров для каждого ИГЭ. Затем проектировщики субъективно назначают эти данные между разрезами (а на самом деле назначают по минимуму c запасом). Затем проектировщики же выполняют расчеты деформаций оснований будущих сооружений, используя эти весьма субъективные данные. Данные расчеты включают в себя расчет осадок сооружения, что требует приведения описанных выше весьма субъективных данных к поверхности с помощью послойного суммирования (интегрирования) деформаций основании с привлечением целого ряда известных допущений (см. СП 22.13330).

Можно ли избавиться от человеческого фактора?

Что же получается в результате? Ответ на этот вопрос на основе изучения большого объема данных мониторинга построенных сооружений дан в книге профессора, д.т.н. Ю.К. Зарецкого и к.т.н. М.Ю. Гарицелова: «Расчетные осадки сооружений должны превышать фактические на 30–100%. Иначе расчетную модель основания нельзя считать достоверной». При этом со временем ничего не меняется: СП 22.13330.2016 мало изменился в сравнении с СНиП II-Б. 1.62 за период, начиная с 1962 г.

Напрашивается вопрос: насколько представительны данные инженерно-геологических изысканий с учетом того, как они используются? В качестве ответа можно сравнить графики зондирования в близких точках, которые, по идее, должны быть практически одинаковыми. На подобные опыты, как правило, ни у кого нет времени и средств, поэтому примеров не много. Один такой эксперимент провели в Университете штата Луизиана (США). Там было выполнено зондирование в 16 близких точках, равномерно расположенных в пределах круга диаметром 13 футов (≈ 4 м), как показано на рисунке 1.

Рис. 1. План расположения точек зондирования в круге диаметром 4 м (13 футов) 

Рис.2. Графики зондирования (q_c), полученные аппроксимацией по таблице данных из выработок с номерами 1, 3, 7 и 10 до глубины 15 м 

Рис. 3. Графики отношений q_c в разных выработках до глубины 16 м

Уже при первом рассмотрении графиков на рисунках 2 и 3 очевидно, что они сильно отличаются друг от друга, а ведь измерения q_c проводились в весьма близких выработках и весьма тщательно. Ведь это был научный эксперимент! Следовательно, любые, самые тщательно проведенные испытания зондированием дают неоднозначные и даже хаотические графики.

Тут напрашивается вывод, что графики зондирования вообще не годятся для геотехнических расчетов. Однако, это не так! Ведь некоторые даже беспорядочные совокупности объектов измерений обладают определенным порядком и стабильностью. Например, известно, что молекулы газа в сосуде движутся беспорядочно с разными скоростями по разным направлениям, но температура и давление газа на стенки вмещающего сосуда – это весьма точные величины, для них с большой точностью выполняются газовые законы Бойля-Мариотта, Гей-Люсака, Шарля и обобщающий закон Менделеева-Клайперона, а также закон Паскаля о передаче давления на жидкость или газ.

Похожий эффект имеет место, если проинтегрировать по глубине z представленные выше графики зондирования с номерами 1, 2, 7, 10 до глубин 20, 15, 10 и 5 м. Полученные результаты близки по величине с разницей в пределах 10%.   

Оказывается, что эти результаты интегрирования близки для всех четырех графиков для каждой из рассмотренных глубин (максимальное различие около 10%). Как показала детальная проверка, это справедливо и для всех остальных 12 графиков в точках на рисунке 1. Отсюда вывод: такие результаты являются достаточно представительными для расчета осадок и кренов проектируемого сооружения на основании в виде контактной модели Винклера с переменным в плане коэффициентом постели, по методу, изложенному ранее в [1] без построения стратификации и выделения ИГЭ.

Никаких построений стратификации, разрезов, выделения ИГЭ и т.п. для расчета взаимодействия основания и фундамента не нужно. Это просто лишняя работа, вносящая субъективный фактор в результаты расчетов.

Более подробно метод расчета осадок и кренов сооружения с помощью приведения данных зондирования к поверхности основания, который впредь будет называться «ИГИ без ИГЭ», изложен в [1].

Список литературы

1. Барвашов В.А., Болдырев Г.Г., Уткин М.М. Расчет осадок и кренов сооружения с учетом неопределенности свойств грунтовых оснований // Геотехника, №1/2016, С.5–21.