Предлагаем вниманию читателей обзор материалов доклада "Проблемы, связанные с классами точности статического зондирования" [3], который сделали представители голландской компании Fugro Й. Пойхен и Н. Параси на 17-й Европейской конференции по механике грунтов и геотехнике, которая проходила в Исландии в 2019 году. Следует отметить, что по состоянию на 2019 год только компания Fugro имела аккредитованную калибровочную лабораторию, предназначенную в том числе для калибровки конусных пенетрометров для статического зондирования грунтов.
Статическое зондирование (испытания грунта на внедрение конусного зонда, или пенетрометра, – Cone Penetration Testing, CPT) дает ценную информацию для безопасного и экономичного проектирования многих зданий и сооружений. Это наиболее популярный метод полевых испытаний грунтов при инженерно-геологических изысканиях на суше и в акваториях, особенно на первом их этапе. Он обладает такими преимуществами, как: низкая стоимость в расчете на одну точку измерений, быстрота исследований с получением большого объема информации, возможность непрерывного исследования грунтового разреза по глубине, получение результатов почти в реальном времени, надежность данных для большинства типов дисперсных грунтов и некоторых слабых скальных пород [1, 3].
В данной статье представлен обзор материалов доклада «Проблемы, связанные с классами точности статического зондирования» [3], который сделали представители голландской компании Fugro Й. Пойхен и Н. Параси на 17-й Европейской конференции по механике грунтов и геотехнике, которая проходила в Рейкьявике (Исландия) в 2019 году.
Авторы доклада [3] напоминают, что первичный набор данных, получаемых с помощью CPT, состоит из значений лобового сопротивления грунта внедрению конуса qc, трения по боковой поверхности конуса fs и порового давления u в зависимости от глубины. Каждое из этих значений характеризуется некой неотрицательной неопределенностью измерений, отражающей разброс величин измеряемого параметра. Международный стандарт по метрологической терминологии JCGM 200:2012 определяет понятие «точность измерения» как степень соответствия между измеренным и истинным значениями параметра, отмечая, что его нельзя представить в виде количественной величины.
При этом Пойхен и Параси [3] отмечают, что для точек измерений методом CPT возможны оценки неопределенности (uncertainty estimates) (рис. 1, 2), но они не выполняются на практике в настоящее время (по состоянию на 2019 год). Вместо этого статическое зондирование с 1996 года обычно выполняется с учетом классов точности (accuracy classes) в соответствии со стандартами и рекомендациями. В 2012 году в международный стандарт ISO 22476-1:2012 был включен термин «классы применения» (application classes), объединивший классы точности и виды применения результатов CPT. Чуть позже этот же термин был включен в ISO 19901-8:2014. В настоящее время эти два стандарта используются очень широко.
Рис. 1. Профили CPT для сложных условий сильнослоистых песков и глин, включая значения расширенной неопределенности [3]
Рис. 2. Расширенная неопределенность с рис. 1, построенная в виде графиков относительно предельных значений по ISO 22476-1:2012. Классы применения: 1 – красный цвет; 2 – синий; 3 – зеленый; 4 – фиолетовый [3]]
В таблице 2 стандарта ISO 22476-1:2012 приведены 4 класса применения со значениями qc, fs, u, наклона и длины проникновения конуса. Допустимая минимальная точность (accuracy) выражается как большее из пороговых табличных значений (например, 35, 100, 200 или 500 кПа для qc), а табличные значения рассчитываются как процент от измеренных (например, 5% для qc). Величины qc, fs, u по классам применения в соответствии с ISO графически представлены на рисунке 2.
Различия в интерпретации соответствия точности табличным значениям ISO по классам применения стали очевидны после публикации ISO 22476-1:2012 и затем ISO 19901-8:2014. К сожалению, проблемы интерпретации явно обнаружили себя из-за споров по контрактам и ненужных переделок – в итоге результатам CPT стали доверять больше, чем следовало бы в действительности. А ведь текущая ситуация (на 2019 г.) такова, что соответствие определенному классу применения мало указывает на точность результатов CPT.
В следующих разделах представлены комментарии авторов доклада [3] по поводу трудностей интерпретации. Различные интерпретации классов применения по ISO 22476-1:2012 могут быть связаны с такими вещами, как:
Пойхен и Параси [3] подчеркивают, что в международных стандартах ISO 22476-1:2012 и ISO 10012:2013 нет явного определения класса применения. Вместо этого в пункте 5.2 первого из них используется ряд пояснений, например:
Авторы доклада [3] делают вывод, что стандарт ISO 22476-1:2012 объединяет конкретные виды использования результатов CPT с концепцией классов точности, которая хорошо определена в метрологии: «Класс точности – это класс средств измерений или измерительных систем, которые соответствуют установленным метрологическим требованиям, что необходимо для того, чтобы ошибки измерений или инструментальных неопределенностей измерений не выходили за установленные пределы при определенных рабочих условиях» (JCGM 200:2012).
Табличные значения для классов применения по ISO можно интерпретировать как:
1) применяемые к выбранным измерительным системам CPT, способным удовлетворять конкретным метрологическим требованиям (что заключается в сравнении величин, используемых для калибровки конусного пенетрометра, с табличными значениями по ISO, исключая все другие неопределенности измерений, – на практике это привело к неофициальным терминам типа «конус класса 1» или «конусный пенетрометр класса 2»);
2) применяемые к зарегистрированным результатам измерений для любых условий in situ.
Пункт 5.2 стандарта ISO 22476-1:2012 включает следующий текст: «Если добавлены все возможные источники ошибок, точность зарегистрированных результатов измерений должна быть лучше, чем наибольшее из значений, приведенных в таблице 2 стандарта ISO 22476-1:2012. Анализ точности должен включать внутреннее трение, ошибки в сборе данных, эксцентрическую нагрузку, температурные (внешние и переходные) эффекты и погрешности размеров». Далее Пойхен и Параси [3] подчеркивают, что термин «анализ точности» используется только в этом пункте указанного стандарта, причем со словом «должен». При этом определение этого термина отсутствует в стандартах ISO 22476-1:2012, ISO 10012:2003 и JCGM (1993).
В соответствии с более поздней версией последнего из указанных документов – JCGM 200:2012 – можно интерпретировать термин «анализ точности» как синоним «анализа неопределенности», о котором идет речь в приложении E этого стандарта: «Можно представить неопределенность как результат анализа неопределенности, в котором неопределенности могут быть представлены в соответствии с WECC DOC.19-1990 и ISO 10012». Здесь авторы доклада [3] обращают внимание читателей на то, что указанное приложение рассматривает выполнение анализа неопределенности как возможное, а не как обязательное.
Подход к анализу неопределенности, предложенный в приложении E стандарта JCGM 200:2012, соответствует обычным метрологическим принципам. Его можно применять и для CPT, используя вычисления с помощью электронных таблиц (что один из авторов доклада [3] и его коллега продемонстрировали ранее (Peuchen, Terwindt, 2014). Результатом такого анализа является неопределенность для каждой точки измерения методом CPT. При этом Пойхен и Параси [3] сожалеют о том, что, насколько им известно, адекватный анализ неопределенности (или анализ точности) результатов CPT в настоящее время (на 2019 г.) на практике не выполняется.
Выбор подходящих входных величин для анализа неопределенности, вероятно, представляет значительные трудности для многих операторов CPT. Одним из наиболее важных входных значений является неопределенность калибровки для лобового сопротивления внедрению конуса, которая включает в себя неопределенность эталонного средства измерений, далее – эталона. Эталоном обычно является эталонный тензодатчик с метрологической прослеживаемостью до национального стандарта измерений. Его технические характеристики обычно приблизительно эквивалентны характеристикам тензодатчика для измерения лобового сопротивления внедрению конуса. При этом Пойхен и Параси [3] отмечают, что неопределенность такого эталона игнорируется некоторыми авторами, которые ссылаются на американский стандарт ASTM D5778-12, хотя такое упрощение может оказаться недостаточным для анализа неопределенности в соответствии с приложением Е к документу ISO 22476-1:2012, что будет показано далее.
Правило принятия решений для табличных значений для классов применения по ISO, как указывают авторы доклада [3], относится к следующему утверждению пункта 5.2: «Если добавлены все возможные источники ошибок, точность зарегистрированных результатов измерений должна быть лучше, чем наибольшее из значений, приведенных в таблице 2».
Очевидно, что соблюсти этот пункт будет легче, если критерии точности CPT применяются для всего конкретного испытания на основе результатов для отдельных точек измерений. На практике критерии точности CPT для испытания обычно означают, что процентные значения в таблице 2 стандарта ISO 22476-1:2012 будут применяться к qc и fs. Например, если взять класс применения 2 и максимальное зарегистрированное при испытании значение лобового сопротивления qc,max = 7,8 МПа, то минимальная точность, которая должна быть достигнута для любой точки измерений, составит 390 кПа (5% от 7,8 МПа).
Правило принятия решений для дрейфа нуля, как указывают авторы доклада [3], относится к пункту 5.10 стандарта ISO 22476-1:2012: «Если дрейф нуля измеренных параметров больше допустимой минимальной точности согласно требуемому классу применения по таблице 2, то результатами следует пренебречь или же можно отнести испытание к более низкому классу применения».
На практике используются два типа интерпретации значений допустимого дрейфа нуля:
1) значения, рассчитанные как функция максимального измеренного при испытании значения параметра;
2) соответствующие фиксированные значения для классов применения из таблицы 2 стандарта ISO 22476-1:2012.
Для приведенного ранее примера с классом применения 2 и qc,max = 7,8 МПа это даст допустимые значения дрейфа нуля до 390 и 100 кПа для первого и второго вышеуказанных методов интерпретации соответственно.
Практика показывает, что на дрейф нуля влияет диапазон измеряемых значений во время испытания, что один из авторов доклада [3] со своим коллегой обосновали в более ранней работе (Peuchen, Terwindt, 2014).
Правило принятия решений, основанное на фиксированных значениях из таблицы 2 стандарта ISO 22476-1:2012, было бы трудно обосновать, если бы не сопротивление под конусом класса применения 1, которое можно интерпретировать как ограниченное до qc < 3 МПа.
На практике некоторые используют дрейф нуля как доказательство соответствия определенному классу применения. Это, возможно, предполагает, что дрейф нуля может представлять собой результат «анализа точности», упомянутого в пункте 5.2 стандарта ISO 22476-1:2012. Но это, как замечают Пойхен и Параси [3], противоречит общепринятому метрологическому пониманию, согласно которому дрейф нуля является одним из многих факторов, способствующих неопределенности. Например, значения дрейфа нуля для двух комплексных профилей на рисунке 3 будут примерно одинаковыми, то есть не будут отражать различия в достигнутых уровнях неопределенности для отдельных точек измерений в зависимости от глубины внедрения конуса. Это можно сравнить с анализом неопределенности, который обычно показывает великолепные значения неопределенности для профиля qc, изображенного на рисунке 3 справа. Неопределенность значений qc для профиля, представленного на рисунке 3 слева, будет определяться эффектами гистерезиса. Обратите внимание, что для величин qc на рисунке 1 на глубине около 33 м также будут преобладать эффекты гистерезиса, оцененные как 0,05qc,max в примере расчета, который привели один из авторов доклада [3] со своим коллегой в более ранней работе (Peuchen, Terwindt, 2014) (здесь qc,max – это максимальная встреченная величина гистерезиса qc до достижения глубины внедрения конуса).
Рис. 3. Ограничения критерия дрейфа нуля. Красные кривые отражают внедрение (пенетрацию) конуса, а черные кривые – его перемещение в обратном направлении (ретракцию)
Отрасль испытаний CPT в настоящее время (на 2019 г.) в целом не имеет аккредитации для калибровки конусных пенетрометров. Насколько известно авторам доклада [3], только компания Fugro имеет соответствующую аккредитованную калибровочную лабораторию.
В таблице представлен подробный пример анализа неопределенности в соответствии с процедурами, одобренными национальным органом по аккредитации Нидерландов. Он приведен для одной точки измерений на калибровочной кривой лобового сопротивления внедрению конуса (qc = 8 МПа), например для 2, 5, 10, 25, 50, 75 и 100% требуемого интервала измерений. Этот пример иллюстрирует использование европейского стандарта по оценке неопределенности измерений при калибровке EA-04/02 M:2013 и подчеркивает важность учета неопределенности измерений эталонным устройством, которая вносит основной вклад в величину расширенной неопределенности проверяемого устройства (DUT), что типично для калибровки конусных пенетрометров. Считается, что можно добиться значительного уменьшения неопределенности калибровки, если снизить неопределенность измерений эталонным устройством.
Таблица. Пример расширенной неопределенности, рассчитанной для сопротивления под конусом 8 МПа
Пейчен и Параси [3] обращают внимание читателей на то, что стандарты ISO 22476-1:2012 и ISO 10012:2003 ссылаются на версию 2005 года стандарта ISO/IEC 17025:2017 по общим требованиям к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий. Последний требует, чтобы калибровочный (поверочный) сертификат включал неопределенность измерения эталонным устройством. Неопределенность измерений при калибровке можно выразить в соответствии с европейским стандартом EA-04/02 M:2013, необходимым для аккредитации. Этот документ предназначен для калибровок, для которых более общим стандартом для выражения неопределенности измерений является JCGM 200:2012.
Расчет неопределенности измерения, связанной с измеренной количественной величиной Y, осуществляется согласно формуле:
Функция измерения при калибровке конусного пенетрометра может быть представлена в виде следующей формулы:
Пойхен и Параси [3] расшифровывают обозначения в этой формуле (и, соответственно, в таблице) следующим образом.
MDUT – это количественная величина, измеренная проверяемым устройством (в рассматриваемом примере – пьезодатчиком конусного пенетрометра).
Mreference – количественная величина, измеренная эталонным устройством (она также имеет неопределенность измерения, которая включается в расчет неопределенности измерения проверяемого устройства – см. таблицу).
δMmeasurement – погрешность (ошибка) измерения, которая определяется как разница между количественными величинами, измеренными проверяемым и эталонным устройствами.
δMrepeatability – погрешность повторяемости, которая для менее чем 10 повторных измерений определяется как разница между максимальной и минимальной количественными величинами, измеренными проверяемым устройством при использовании одного и того же эталонного значения.
δMreversibility – погрешность обратимости (или гистерезис), определяемая как разница между количественными величинами, измеренными проверяемым устройством, для случаев увеличения и уменьшения нагрузки (при постоянном эталонном значении). Для сравнения конкретных увеличения и уменьшения измеряемой величины для эталонного устройства с постоянным эталонным значением может использоваться интерполяция. Допускается экстраполяция самого низкого значения. При максимальной нагрузке δMreversibility всегда равна нулю. При нулевой нагрузке δMreversibility – это ошибка дрейфа нуля.
δMresolution – погрешность разрешения, то есть наименьшее изменение измеряемой количественной величины, которое может быть получено при использовании проверяемого устройства.
δMzero-drift – погрешность дрейфа нуля, которая представляет собой разницу между показаниями проверяемого устройства при нулевой «нагрузке» до и после применения ненулевого измерения «нагрузки».
δMnoise – погрешность шума, то есть среднеквадратичное значение для измерений проверяемым устройством при отсутствии нагрузки.
Далее авторы доклада [3] приводят следующие правила и возможности работы при калибровке.
Регулировка (выставление) нуля для конусного пенетрометра должна выполняться до регистрации данных для расчетов неопределенности измерений. Значение смещения приложенной нулевой нагрузки должно быть указано в сертификате калибровки.
Кроме того, измерения следует повторить не менее 3 раз (выполнить три цикла), чтобы можно было вычислить ошибки повторяемости и обратимости. Для вычисления, например, разницы между сопротивлением под конусом и эталонным значением можно использовать среднее из трех измерений.
При определении неопределенности измерений конусным пенетрометром могут быть также учтены погрешность работы оператора и температурная погрешность, вызванная колебаниями температуры. Ошибку оператора можно считать незначительной, если весь процесс измерений автоматизирован. Температурной погрешностью можно пренебречь, если калибровка выполняется в лаборатории с контролируемой температурой.
Итак, классы точности (accuracy classes) для статического зондирования (CPT) начали применяться в 1996 году, а с 2012 года их использование в отрасли быстро увеличилось, поскольку такая система классификации была включена в международный стандарт ISO 22476-1:2012 (российский аналог – ГОСТ Р ИСО 22476-1-2017. – Ред.). В этом стандарте был принят термин «классы применения» (application classes), объединяющий классы точности с типами применения для использования результатов CPT. Однако с течением времени становились все очевиднее проблемы, связанные с интерпретацией этих терминов.
Изученные авторами доклада [3] отзывы специалистов, работающих в области статического зондирования, указывают на фундаментальные трудности с использованием классов применения по ISO 22476-1:2012. Их удовлетворительное преодоление может оказаться невозможным – и тогда от этой концепции, возможно, придется отказаться при подготовке следующей редакции ISO 22476-1:2012. При таком повороте событий Пойхен и Параси [3] предлагают на замену два подхода, которые позволили бы создать новую систему ранжирования/классов:
1) четче определить нормативные требования к методу;
2) четче определить требования к рабочим характеристикам с учетом неопределенности точек измерений.
Предложенные подходы не обязательно являются исключительными. Может быть рассмотрен и вопрос, позволяющий пользователю стандарта выбрать один из них.
Первый подход подразумевает попытку классифицировать эквивалентные и конкурирующие системы с помощью подробных описаний конкретных устройств и пошаговых методик работы с ними.
Второй подход, которому следует отдать предпочтение при использовании метода CPT, соответствует приложению E стандарта ISO 22476-1:2012. Однако это приложение просто является информативным, то есть содержит рекомендации типа «следует…» и «можно…». В будущую редакцию ISO 22476-1:2012 может быть включен нормативный текст, то есть указания типа «требуется». Авторы доклада [3] предлагают, чтобы система ранжирования учитывала ряд эталонных профилей CPT, каждый из которых имеет критерии неопределенности, например основанные на кумулятивных функциях плотности (CDF). Системы CPT могут быть протестированы на соответствие эталонным CPT и соответствующим критериям CDF.
Для обеспечения единообразия работы отрасли статического зондирования авторы доклада [3] предлагают предоставить открытый доступ к руководствам типа справочников, на которые можно ссылаться в стандартах по CPT. Для обеспечения надлежащей практики, специфичной для CPT, следует разработать такое руководство в соответствии со стандартами ISO 10012:2003 и ISO/IEC 17025:2017. Оно может охватывать оба вышеуказанных подхода. Тем более что второй из них обычно получает свои входные значения на основе нормативных процедур первого подхода.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Скопировать ссылку 
Vk 
Telegram 
Viber 
WhatsApp 
Оформить подписку