Изыскания и проектирование. Можно ли повысить достоверность?

Мы живем в интересное с профессиональной точки зрения время, которое характеризуется особой ситуацией и в изысканиях, и в проектировании. Многие специалисты уже высказывались на этот счет. Вот, например, несколько цитат из статьи известных геологов, профессоров МГУ им. М.В. Ломоносова д.г.-м.н. Е.А.Вознесенского и д.г.-м.н. А.В.Брушкова, опубликованной в журнале «Инженерные изыскания» (№7/2014 г):

«1. Мы отлично знаем, 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 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.

Нарушается ли во всех этих случаях Федеральный закон «О безопасности зданий и сооружений»? Безусловно. Означает ли это, что устойчивость и безопасность таких сооружений находится под угрозой? Самое смешное, что совсем необязательно – на это и расчет. Что же обеспечивает их устойчивость? Многократный запас прочности, заложенный при проектировании, который обеспечивается многократным удорожанием строительства».

Добавим к этому, что изыскания всегда выполняются в выработках, отстоящих на больших расстояниях друг от друга, поэтому изыскатели испытывают порядка 10-6 (частей на миллион, ppm) объема грунтов основания. Оплата труда изыскателей составляет всего 0,05-0,1% капитальных затрат на строительство сооружения. Об этом писали другие известные геологи: к.г.-м.н. А.А.Чайкин, д.г.-м.н., проф., Р.С.Зиангиров, к.г.-м.н. Д.И.Эппель в статье «О взаимодействии изыскательских и проектных организаций и о геотехнической экспертизе в условиях отмены обязательного применения СНиПов (Информационный вестник Мособлэкспертизы, №3/2007).

Неоднозначность данных

А ведь результаты изысканий, получаемые в выработках, например, при зондировании (СРТ) крайне неоднозначны. Почему-то эта неоднозначность не получает должного внимания. Нам известно всего два эксперимента, посвященных исследованию неоднозначности результатов изысканий.

Первый эксперимент был проведен в 2008 г в университете штата Луизиана по заказу Федеральной Администрации Автодорог США. Зондирование проводилось в 16 близко расположенных выработках глубиной около 20 м (см. схему на рисунках 1 и 2, радиусы концентрических окружностей 1 и 2 м).

Рис. 1. Фотография расположения точек статического зондирования

Рис. 2. Схема расположения точек статического зондирования

Рис. 3. Удельный вес грунта

Рис. 4. Сопротивление конуса по острию qc

Второй эксперимент был выполнен в России менее 2 лет назад ООО «НПП Геотек» с помощью дилатометра Маркетти (рис. 5).

Рис. 5. Эпюры модулей деформации E1 and E2, измеренных дилатометром Маркетти, и их отношение в выработках, расположенных на расстоянии 2 м друг от друга, а также отношение Е1/Е2.

Из рисунка 5 видно, что модули Е1 и Е2 отличаются друг от друга в разы.

Почему же так мало таких экспериментальных исследований? Ведь неопределенность данных ИГИ – это ключевой вопрос для проектирования.

Субъективные данные

Для интерпретации инженерно-геологических данных, например, данных зондирования, разными авторами предложено большое число различных корреляционных формул, полученных статистической обработкой данных ИГИ. Но, во-первых, эти данные явно нестатистические, а во-вторых, коэффициенты в этих формулах в ряде источников имеют порой до 5 и более цифр, якобы соответствующих их точности. Эти «лишние» цифры получаются при статистической обработке ограниченного объема реальных данных и должны отражать именно эту ограниченность. Правильнее указывать реальный разброс результатов обработки данных, задавая верхний и нижний пределы этого разброса. Ведь возможны случаи, когда реален только диапазон разброса, при этом ни одна цифра не является точной, например, 2-5 (от двух до пяти). Приписывать «лишние» цифры после запятой только потому, что они получаются осреднением по формулам неверно. Читатель легко найдет такие публикации.

Кроме того, получив данные из выработок, геологи приступают к «творческой» работе: они субъективно «размазывают» скудные данные ИГИ о свойствах грунтов по всему объему основания под сооружением либо вручную, либо с помощью компьютерных программ, представляя стратификацию всего лишь на нескольких разрезах, но, увы, не между ними, а уж эту «невидимую» работу завершают проектировщики, которым приходится «размазывать» эту стратификацию между разрезами. И это еще одна субъективная операция.

При этом аварий построенных сооружений очень мало (десятые доли процента от общего числа). Спасает то, что во многом «чувствительность» сооружений к описанному выше «размазанному» многообразию данных ИГИ весьма ограничена. Правда, неизвестно насколько.

Строго говоря, неопределенность исходных данных характерна и для многих других технических областей. Например, в космическом секторе, в автомобильной и авиационной промышленности и т.п. В таких задачах исходные данные для расчетов чаще всего неизвестны заранее. И хотя свойства материалов, из которых выполняются эти объекты, хорошо изучены и тысячекратно испытаны физически и виртуально, так же, как и сами объекты, поведение внешней среды часто непредсказуемо. Поэтому доля аварий, например, при космических запусках, достигает 2%, несмотря на многочисленные расчеты и испытания.

В таких проектах рассматривают самые различные нештатные ситуации, разрабатывают и хранят в памяти компьютера тысячи виртуальных сценариев их парирования. Например, при полете спутника возможна весьма гибельная встреча с космическим мусором, летящим с огромной скоростью. Локация такого мусора выполняется с упреждением, и затем автоматически срабатывает маневр ухода. Библиотека таких нештатных ситуаций огромна и постоянно пополняется. Это стимулирует теоретические исследования и физические эксперименты.

Аварийные сценарии

Аналогичный подход возможен и в строительстве. Весьма перспективно разрабатывать аварийные сценарии на будущее и хранить их в компьютерной памяти. В таком случае можно было бы выполнять не один, а серию расчетов системы «основание-сооружение», а не полагаться на личный опыт и на авось. Это даст стимул для развития теоретических и практических методов корректного проектирования. Иметь электронную базу нештатных ситуаций и соответствующих мероприятий очень удобно, т.к. ответы на любые вопросы можно было бы получать очень быстро. Доступ в такую базу данных позволит предсказывать поведение системы «основание-сооружение» на интуитивном уровне, минуя расчеты, на уровне компьютерных игр. Должны быть включены виртуальные нештатные ситуации и т.д. Такая база должна постоянно расти за счет новых кейсов, а такие компьютерные игры (тренажеры) позволят приобрести практический опыт в кратчайшие сроки и покажут, чего нужно опасаться.