К.т.н. В.А. Барвашов А.П. Дубень (НИИОСП им.Герсеванова, Москва), О КОМПЬЮТЕРИЗАЦИИ ДИАЛОГА МЕЖДУ ИЗЫСКАТЕЛЯМИ И ПРОЕКТИРОВЩИКАМИ

Проблемы получения, обработки и использования данных инженерно-геологических изысканий (ИГИ)
1. Данные ИГИ – это нечеткое множество из-за дефицита, неопределенности и разрозненности исходных данных.
2. Операции получения, обработки, передачи и использования данных ИГИ большей частью и повсеместно выполняются вручную на основе субъективных оценок и хранятся на бумажных носителях.
3. Нет интерактивного диалога между геологами и геотехниками, а есть правила разделения ответственности, основанные на выполнении обязательных принципов и процедур которые практически не изменились после появления компьютеров.
4. Информационные технологии (ИТ) шагнули далеко вперед, создавая широкие возможности для обработки данных и взаимодействия между геологами и проектировщиками.

Ручные операции, выполняемые геологами, включают
измерение, регистрацию и обработку данных ИГИ, полученных в испытаниях;
упаковку данных, т.е. построение границ инженерно-геологических элементов (ИГЭ), в которых характеристики грунтов условно принимаются постоянными;
построение графических разрезов; составление отчетов. Хотя частично и используются компьютеры, доля ручных операций и субъективизма весьма велика.
Геотехник (проектировщик) должен распаковать эти данные, т.е. выполнить те же самые операции, которые ранее выполнил геолог-изыскатель, но в обратном порядке. Это двойная работа, причем опять вручную.
проектировщику нужны не только ИГЭ, но и подробные числовые 3D распределения характеристик грунтов, каждой в отдельности. Такие распределения строят по нечетким данным. Однозначно это сделать невозможно, поэтому здесь велика доля субъективизма.

Данные НПЦ «Геотех», Москва

а
Данные НПЦ «Геотех», Москва

В таких условиях и геолог, и проектировщик стремятся к консервативным решениям:
Геолог занижает характеристики грунтов, а проектировщик завышает запасы надежности.
Благодаря ИТ можно полностью
исключить ручные операции,
исключить субъективизм и бумажные носители информации
обеспечить диалог между геологами и проектировщиками на основе математического моделирования системы основание-фундамент-сооружение (СОФС)
передавать данные ИГИ не на бумаге, а на электронном носителе или по Интернету и сразу вводить в компьютер, стыкуя с цифровой моделью сооружения (SCAD).

Модуль деформации
Изолинии в вертикальном разрезе, не проходящем через выработки
Функции Шепарда р=2 и р=4

Изолинии Е, с и φ. Разрез не проходит через выработки. р=2 и р=4

Задавая различные сечения 3D цифровых массивов характеристик грунта, можно строить как угодно много геологических графических разрезов с непрерывными изолиниями характеристик и аксонометрией залегания грунтов.
Автоматическое построение ИГЭ и РГЭ с помощью цифровых массивов проще (опознавание образов), чем построение границ напрямую.
Эта графика выводится на экран монитора, и тогда виртуальное основание можно «рассматривать» в самых различных ракурсах, что, безусловно, эффективнее, чем изучение бумажных отчетов об изысканиях с небольшим числом разрезов, выполненных субъективно вручную.
ИГЭ и РГЭ, рекомендованные в ГОСТ 20522-96 [6], это кусочно-постоянные распределения усредненных характеристик грунта
Лучше не кусочно-постоянные, а непрерывные 3D-распределения характеристик грунтов, построенные автоматически по интерполяционным формулам.Так проще для расчетов.
Дискретизация данных с помощью разрывных кусочно-постоянных функций – это лишняя и трудоемкая операция
Для учета влияния неопределенности данных ИГИ на результаты расчета СОФС нужно математическое моделирование для оценки чувствительности СОФС, к вариациям исходных данных. Это исследование виртуальной реальности, что дает более подробную информацию, чем данные мониторинга.

Ретроспективный анализ геотехнических данных
Data mining (интеллектуальный анализ данных, добыча данных, промывка данных и т.д.) – это выявление скрытых закономерностей Data mining (интеллектуальный анализ данных, добыча данных, промывка данных и т.д.) – это выявление скрытых закономерностей или взаимосвязей между переменными в больших массивах необработанных данных (raw data). Направление Data Mining зародилось 20 лет назад и широко используется за рубежом. Методы Data Mining разнообразны, например широко используются нейронные сети (курс читается в МГСУ).
Необходимость новых нормативных документов
Так в НПП «Геотек» (г. Пенза) и в других организациях данные статического зондирования и лабораторных испытаний грунтов можно регистрировать, обрабатывать автоматически и представлять в необходимом цифровом формате, совместимом, например, с комплексом программ расчета зданий и сооружений системы SCAD. Аналогичные возможности имеются и в других российских организациях.
Однако нет соответствующей унифицированной системы, регламентированной нормативными документами.

Коммерческие аппаратные комплексы за рубежом

Британский математик Джордж Е.П. Бокс утверждает:
«Все модели ошибочны, но некоторые из них полезны» или
«…все модели ошибочны; практический вопрос – насколько ошибочными они должны быть, чтобы не быть полезными?»
Или все модели ошибочны, а большинство из них бесполезны
Принцип Парето-Джордано:
«Существенных факторов немного, а факторов тривиальных множество» («принцип 20/80»)
Эти утверждения задают путь уточнения моделей:
существенные факторы (20%) следует оценивать возможно точнее, а несущественные (80%) – с гораздо мéньшей точностью.

Ошибочность не страшна, если модель правдоподобна.
Примеры полезных правдоподобных моделей и их ошибочность
Первый закон Ньютона
Поверхность Земли плоская. Задачи Буссинеска, Фламана
В геотехнике : линейно-деформируемый слой и полупространство, сжимаемая толща, закон Кулона-Мора
Правдоподобная модель становится полезной, если ее параметры откалибровать по экспериментальным данным (обратная задача – back analysis), получив закон, формулу или алгоритм
Число логических условий типа «если…, то» (если а
Чем больше «если …, то», тем хуже модель и/или ее калибровка.
Лучше всего одна аналитическая формула (или ни одной)
или один алгоритм без «если…, то»
Пример.
Осадки здания/сооружения, рассчитанные по рекомендациям нормативных документов, могут быть в два раза отличаться от фактических (Тер-Мартиросян, 2009), в 1.5 раза (Р.Франк, 2009), (Ж.Л. Брио, 1986)

Консервативные проектные решения.
Часто устраивают и инвестора, и подрядчика (на фундаментах не экономят!).
В геотехнике лишние затраты не столь запретны как в других областях, где массу, прочность, габариты и стоимость конечного изделия конфликтуютстко ограничивают.
Консерватизм ≠ надежность
При проектировании нужен научный поиск, численное моделирование.
В нормативных документах много парaдоксов
Например.
В СП 50-102-2003 рекомендовано три модели свайных фундаментов.

Зоны разрушения грунта под краями фундамента
(прорезка)

В.В. Mихеев, М.И. Cмородинов, Р.В. Cеребряный.
О зонах пластических деформаций в основании.
Основания, фундаменты и механика грунтов, 1961, №3.

Краевая зона в увеличенном масштабе. 3D
В расчете по МКЭ нельзя учесть локальные разрывы, тем не менее, у края видны «скачки» перемещений.

Скачок перемещений под краем фундамента
Сдвиговых разрывов нет (особенность PLAXIS)

Пластические зоны разной глубины в грунте
под краями фундамента
на основании однородном по сжимаемости (Е=const)
и неоднородном по прочности (c≠const и φ≠const)

Рост кренов жесткого фундамента при росте нагрузки
на основании однородном по сжимаемости (Е=const)
и неоднородном по прочности (c≠const и φ≠const)

В СС нет прорезки , поэтому графики асимметричны,
В ССС прорезка учитывается, поэтому графики симметричны,

В СС нет прорезки , поэтому графики асимметричны,
В ССС прорезка учитывается, поэтому графики симметричны,

Искажение эпюры изгибающих моментов в фундаменте
при незначительной глубине прорезаемого слоя - 0.1 м