Можно ли скрестить ежа и ужа?

Конечно же, заголовок статьи не имеет ввиду биологические опыты, проводимые российскими геотехниками, но по сложности решения поставленных задач геотехническая [1] и биологическая области между собой весьма близки, отсюда и такой необычный заголовок.

В последней заметке на портале Геоинфо от 23.01.2017 г. конструкторы Концепции нового подхода к инженерно-геологическим изысканиям [1] постарались заметно преувеличить то значение, которое они якобы отводят традиционной механике грунтов в современных атрибутах проектирования. Преувеличивают явно осознанно, поскольку сами они не очень уважительно опираются на базовые параметры механики грунтов считая, что они незначительно влияют на формирование ответной реакции грунтового основания. Одновременно с этим ученые не замечают и то, что механика грунтов и статистика, в слабом знании которых упрекают автора настоящей статьи, не являются священными библиями. Первая находится в постоянном развитии, коренным образом сменяя прежние понятия и представления, и несомненно нуждается и еще долго будет нуждаться в дальнейшем уточнении и совершенствовании. Современная механика грунтов во многом даже уже сейчас не похожа на прежнюю, традиционную. К сожалению, это не всегда замечается вовремя.

Что касается статистики, она более консервативна, опирается по большей части на стабильно выверенные методы, которые способны принести плоды, однако только при условии, если статистическому анализу подвергаются факторы одного порядка, типажа, происхождения, достоверности. Если это не будет учитываться, то такой статистический анализ приведет к статистическому отражению факторов нестабильности и неопределенности, выраженных в самом таком подходе. Математическое обобщение нестабильных элементов, хотя бы и основанное на законах высшей математики, в принципе не дает возможности обеспечить стабильный конечный, а значит и надежный результат, на который можно опереться в дальнейших построениях физического и математического моделирования.

В теоретической геотехнике уже давно идут попытки синтеза доминирующих расчетных параметров на основе математического метода анализа нейронных сетей. Однако каких-либо заметных успехов данный метод исследований в этом направлении пока не принес. И это понятно, поскольку это чисто механический метод, где в одну кучу собраны элементы различного порядка достоверности и происхождения, метод отданный на откуп кибернетической технике в надежде, что она во всем разберется. В отличие от человека, механизмы кибернетики хотя и обладают высокой скоростью принятия решений, не имеют интеллекта и нуждаются время от времени в ручном управлении, то есть юстировке и доводке, что и является своеобразным препятствием, усложняющим конечную задачу. Нечто подобное нейронным сетям имеют в виду авторы [1], предлагая добывать нужные параметры из «облака». Именно имея ввиду совокупность факторов неопределенностей, закладываемых в облако, автор [3] высказывал сомнения, что разработанный Валерием Барвашовым и Геннадием Болдыревым метод полевого расчета осадок и кренов сооружений, если он будет недостаточно выверен, может начать давать сбои. Особенно плохо, если это будет происходить в неподходящий момент, увеличивая напряженность между заказчиком и изыскательской организацией.

Как следует из приведенного выше, определенный повод для таких сомнений есть. Улучшить ситуацию с проблемой неопределенностей могли бы конкретные шаги, направленные на их устранение, но в Концепции нового подхода о этом как раз и не упоминается.

Надо сказать, что идея реализации нового упрощенного метода расчета осадок и кренов сооружений возникла из уверенности, что грунтовое основание является мало чувствительным к ошибкам геотехнического проектирования. В обоснование этого посыла приводятся факты, что несмотря на серьезные сомнения, выражаемые авторами Концепции нового подхода в объективности и достоверности результатов большинства инженерных изысканий, с которыми они сталкивались, все же основанные на этих сомнительных результатах расчеты используются в практике проектирования. И тем не менее, замечают они, большинство сооружений «успешно эксплуатируются и внештатные ситуации возникают крайне редко». Последнее, безусловно, верно, но объясняется не особыми свойствами грунтовых оснований, не способностью их к взаимной компенсации возникающих неопределенностей. Нет, объясняется это другим – несовершенством традиционной механики грунтов, не претендующей на высокую точность расчетов. Поэтому утверждение о толерантности свойств грунтовых оснований к ошибкам геотехнического проектирования будет верно лишь до той поры, пока будут сохраняться невероятно высокие коэффициенты запаса (надежности, условий работ, неоднородности грунта, неоднозначности нагрузок и прочее), заложенные в соответствующих нормах. Именно эти высокие коэффициенты запаса позволяют «сглаживать и нивелировать» (хотя правильней было бы выразиться – игнорировать) без больших опасений геотехнические неопределенности и ошибки в проектировании.

Авторы в своей работе [2] отмечают, что поскольку чувствительность взаимовлияния СОФС (сооружения, основания и фундамента) друг к другу и к неопределенностям ограничена, значит и точная оценка свойств грунта, по их мнению, не требуется, так как очень слабо влияет на расчетные величины деформаций сооружения. На этой позиции они и строят свою методику расчета осадок и кренов сооружений. При этом они не замечают, что чувствительность ограничена не по тем причинам, которые они приводят. А по причине несовершенства всей традиционной механики грунтов, ее принципов, теоретических формулировок и формул. Это вынуждало при формировании нормативных документов разными странами создавать большие, совершенно избыточные коэффициенты запаса.

Так, в стандартах США такие коэффициенты запаса составляют от двух до трех в зависимости от уровня ответственности здания. Это только прямые коэффициенты запаса (надежности), учитываемые в конечном результате расчета. Суммарные коэффициенты запаса значительно больше. У нас, если учесть всю их совокупность на всех этапах расчета, их окажется незначительно меньше, чем в США. С привлечением методов нелинейной механики грунтов, величины коэффициентов запаса дополнительно увеличиваются еще в разы. Именно такой подход, основанный на многократных коэффициентах запаса, позволяет компенсировать геотехнические ошибки и не опасаться неприятных последствий. Представления же о том, что при расчетах «неопределенности суммируются и сглаживаются» ошибочны. Ведь если они суммируются, то значит накапливаются, и в этом случае они никак не могут «сглаживаться».

Фактически, многие неопределенности отражают нашу неспособность адекватно отобразить многофакторную дискретно изменчивую среду в такой форме, которая была бы приемлема одновременно для достаточно простых математических расчетов и в то же время учитывала максимально подробно и в деталях всю неоднородность и изменчивость этой среды. Поскольку ценность и востребованность любого продукта всегда определяется по критериям цена-качество, то понятно, что такого рода неопределенности будут неизбежны всегда. Вопрос только в том, чтобы правильно определиться в пропорциях, где нам важнее цена, а где качество. В каждом конкретном случае эти пропорции будут разные.

В работе [2] неоднократно упоминается, что «объемы грунта, испытываемые при ИГИ, чрезвычайно малы относительно всего объема основания под сооружением (порядка миллионных долей). Но по этим скудным данным определяют величины параметров грунта (причем для весьма малого числа точек основания)». Это приводит к тому что «получаемые данные статистически непредставительны, а их погрешности принимаются за неизбежность».

Наши предки оставили нам огромное количество великолепных, порою грандиозных сооружений, при этом трудно представить, что объем шурфования и «лабораторных» исследований в те времена, как и сама продолжительность их, составляли сколь-либо сопоставимую величину с объемами нашего времени.

Или взять пример строительства Эйфелевой башни. Это сооружение – гигантский небоскреб того времени. На изыскания ушли недели, причем проводились они, в основном, параллельно со строительством. Саму башню планировали эксплуатировать как временное сооружение. Ее предполагалось снести в течении года после окончания международной выставки, но она простояла уже 130 лет и, наверное, простоит еще столько же. Это примеры того, как уже в то время строители были способны эффективно находить компромисс по критерию цена – качество, избегая больших затрат на предварительные изыскания.

В сравнении с прошлым, современное проектирование имеет безусловные преимущества в виде возможности учесть прежний опыт и использовать новые информационные технологии. Теперь необязательно привлекать штучного специалиста, строить под руководством уникального зодчего типа Микеланджело, Казакова, Баженова или Эйфеля. Можно строить на поток, но в таком случае остается риск столкнуться с целым рядом неопределенностей.

В традиционной механике грунтов этот недостаток компенсируется только одним способом: введением, суммированием и приумножением коэффициентов запаса. И суммирование это проводится с одним математическим знаком, нацеливаясь только на одно: повышение безопасности строительства и надежности будущего сооружения. О сглаживании неопределенностей в общем итоге не может быть и речи. Даже если такое сглаживание и было где-то возможно, оно нигде и никогда не учитывалось и всегда шло в запас. Но даже такой подход, сопряженный с большими коэффициентами запаса, как показывает практика, не всегда позволяет полностью исключить осложнений и геотехнических катастроф, а тем более внештатных ситуаций. Правда то, что они все же происходят и, как ни печально, будут происходить с завидной регулярностью и впредь, объясняется теперь уже другой причиной, а именно несовершенством и недоработанностью современной механики грунтов, содержащей пробелы в ее построении и не учитывающей те физические процессы, где коэффициенты запаса почти не имеют особо серьезного значения.

Сами по себе неопределенности, которые могут содержаться в результатах полевых испытаний, по ряду признаков можно представить следующим образом:

1. Обычные погрешности измерений, присутствующие всегда в любой области производства и обусловленные техникой измерения и условиями их проведения. Они неизбежны, но составляют весьма малую долю от общей величины измеренного значения.
2. Неопределенности, обусловленные несовершенством методов исследований, вынуждающих во многих случаях (практически всегда) создавать расчетные параметры, опирающиеся на корреляционные соотношения. Здесь ошибки измерений и изменчивость показателей составляют уже более значительную часть, но представления о их величине тем не менее еще имеются, черпаясь и пополняясь из наработанного опыта предыдущих, а порою и текущих экспериментальных исследований.
3. Неопределенности, обусловленные несоблюдением требований стандартов, применением несовершенных технологий, грубыми просчетами исполнителей, неправомерной заменой одних методов исследования на другие. Это как раз те неопределенности, которые самым значительным образом создают путаницу и неуверенность в своих результатах при формировании изыскательского отчета.

Таким образом, в первых двух случаях рассматривать ошибки измерений, как неопределенности, было бы неправильно, так как такие ошибки измерений запланированы, они учитываются в расчетах и корректируются соответствующими коэффициентами. Другое дело, что диапазон разброса показаний, присущий различным методам, создает иногда отдельные проблемы при интерпретации результатов исследований, но не является непреодолимым препятствием.

В третьем же случае ошибки измерений весьма значительны, их трудно прогнозировать даже приблизительно. Именно они-то и создают наибольшие проблемы при идентификации результатов измерений и приводят к настоящим, действительно неоднозначным результатам. Но оценивать их как неопределенности можно только на первом предварительном этапе анализа ситуации, когда еще не все ясно и ситуация действительно не определилась. На самом же деле их также нельзя рассматривать как неопределенности, так как действия, которые приводят к таким, явно бросающимся в глаза ошибкам, субъективны и находятся вне правового поля. Именно такие действия, обусловленные человеческим фактором, приводят к таким результатам, когда в пределах, казалось бы, однородного геотехнического элемента получаются вдруг заметно отличные друг от друга результаты. Все такие случаи надо тщательно исследовать и досконально разбираться в их причинах. А часть объемов работ, содержащая такие расхождения, должна выбраковываться и исключаться из содержания изыскательского отчета.

В отчетах не должно содержаться никаких неопределенностей, и экспертиза такие работы не должна согласовывать, как верно и то, что Заказчик не обязан их оплачивать. Это особенно важно понимать, исходя из того, что исполнитель изысканий элементарно обязан уважать тех, кто в последующем будет работать с этими документами, то есть проектировщиков и Заказчика.

Понимая, что на текущий период большинство отчетов находится в архивах, задачей ГЕОТЕК, задачей непростой, будет разобраться и прежде всего ответить на вопрос: почему? Естественно, такие исследования не должны выполняться чисто механически, в кабинетном режиме, и могут потребовать присутствия экспертов на объектах исследования или потребовать опроса исполнителей на местах, и именно поэтому автор статьи [3], вызвавшей некую нервную реакцию, рекомендовал не растекаться мыслями по древу, а ограничиться близко доступной территорией, дабы не разориться на одних только командировках.

Здесь в этой краткой публикации отображены только те неопределенности, которые очевидно бросаются в глаза ученым при рассмотрении ими отдельных своих или сторонних изыскательских отчетов. Следует заметить, что в Советский период тему неопределенностей, выявляемых в изыскательских отчетах, никто не поднимал. Причина этого вполне очевидна. Их там просто не было и не могло быть. Тогда существовала другая школа, другие традиции. Если вдруг появлялись разночтения, неоднозначности, они исследовались по горячим следам. Причины их выяснялись и неоднозначности устранялись в короткий срок, какая-то часть работ отбраковывалась и переделывалась. Такой подход существовал, к примеру, в ГПИ «Фундаментпроект» под руководством Ю.Трофименкова, великолепного организатора, ученого, аналитика, тщательно следившего за репутацией возглавляемого им института. И даже сегодня какие-то прежние традиции в этом институте еще сохраняются.

Близкое к этому уважительное и ответственное отношение к своей работе поддерживалось и в других организациях изыскательского и тем более научно-исследовательского профиля. Выносить на обозрение общественности пресловутые неопределенности (хотя такого понятия в то время и не существовало) считалось дурным тоном, так как показывало на неполную состоятельность той организации, где они обнаруживались, и одновременно указывало на слабое знание механики грунтов ее специалистами.

Помимо неопределенностей, выявляемых в результатах инженерных изысканий, авторы правильно отмечают, что существуют неопределенности расчетных моделей деформирования грунтов оснований. Обилие, накопление и приумножение коэффициентов запаса при вычислении геотехнических параметров создало со временем определенный люфт, большое пространство для маневра и открыло ящик Пандоры, куда посыпались предложения с многочисленными новыми идеями заполнить этот люфт такими схемами, которые, по мнению новаторов, сблизили бы расчетные и реальные деформации сооружений. Это привлекло тем самым многих к созданию большого количества новых и все более изощренных, привлекающих новыми построениями и неожиданными находками компьютерных вычислительных программ для проектирования. То, что их возникло большое количество и предопределило дополнительную неопределенность, связанную с выбором расчетной модели. Несмотря на многочисленность вновь созданных программ, большинство из них функционируют, но с определенными ограничениями. Такие программы и сегодня возникают, как грибы после дождя, и создаваемая в рамках новой Концепции очередная новая методика расчета стоит в одном ряду с ними, но не исключено, что может оказаться более перспективной. Время покажет. Пожелаем ей быть более успешной и востребованной, чем ныне существующие.

Список литературы

• Г.Г.Болдырев, Новый подход к инженерно геологическим изысканиям // Электронный журнал Геоинфо 07.12.2016
• В.А.Барвашов, Г.Г.Болдырев, М.М.Уткин, Расчет осадок и кренов сооружений с учетом неопределенности свойств грунтовых оснований // Геотехника, №1/2016.
• В.В.Приклонский, Факторы влияния в полевых испытаниях грунта // Геотехника №5-6/ 2013.
• В.В.Приклонский, Еще раз о модуле деформации, или Почему плохо работают современные компьютерные программы геотехнического проектирования // Вестник инженерных изысканий №8/2016.
• В.В.Приклонский, О механизме деформирования грунта в основании жесткого штампа под нагрузкой // Электронный журнал Геоинфо 21.07.2016 г.
• В.В.Приклонский, Преодолеть технологическое основание // Вестник инженерных изысканий №10/2016.