все записи



Дата: 23.02.2012
«Вестник строительного комплекса» № 79
Рубрика: Инженерные системы

Принципы информационно-графического моделирования в инженерно-геологических изысканиях


За внедрением принципов саморегулирования в строительный процесс для строителей, проектировщиков и изыскателей по умолчанию стоит надежда существенного повышения качества продукции. Однако у каждого фигуранта строительного процесса понятие «качества» имеет совершенно различное содержание и окраску.

В области изысканий, очевидно, следует говорить о качестве инженерно-геологической информации, необходимой и достаточной для проектирования, строительства, эксплуатации, реконструкции различных зданий и сооружений. При этом все надеются за счет повышения качества инженерно-геологической информации повысить безопасность объектов капитального строительства вплоть до создания объектов высокой степени надежности и безопасности, т. е. максимально устойчивых как со стороны внешних, так и внутренних воздействий. При такой постановке проблемы по определению возникает вопрос, по каким максимально объективным критериям оценивать инженерно-геологическую информацию, обычно предоставляемую текстами, таблицами, картами, разрезами, фотографиями, блок-диаграммами и т. п. Низкая эффективность традиционных форм предоставления инженерно-геологической информации для проектирования стала уже притчей во языцех. Между тем компьютеризация обработки и предоставления информации открывает совершенно иные возможности для эффективного и рационального использования всей изыскательской продукции, значительно сокращая сроки проектирования и строительства. Формулировка единых принципов характеристики и оценки инженерно-геологической информации становится важнейшим отправным моментом всего процесса разработки нормативной базы инженерно-геологических изысканий.

В настоящее время начинается лихорадочное и беспорядочное движение по актуализации государственных стандартов советского времени. Сохранение института государственных стандартов (ГОСТ) по умолчанию предполагает, что государственная власть вопреки провозглашенному принципу саморегулирования сохраняет за собой решающую роль в деле утверждения этих стандартов и контроля над их исполнением. Осталось только сохранить и крылатую фразу «Нарушение ГОСТ карается по закону…», и мы полностью вернемся в славные советские времена. В развитых странах давно отказались от такой привязки стандартизации к государственному надзору в области строительства, справедливо полагая, что стандарты имеют сугубо национальную (например, Британский стандарт) или наднациональную направленность (коды Европейского сообщества), и их соблюдение регулируется самими профессиональными сообществами. Российские же изыскатели, с подачи ревнителей «советской старины», как верные холопы, снова просят государство утвердить правила изыскательской деятельности и контролировать их соблюдение… Вероятно, в это и выльется в ближайшее время так называемая актуализация нормативной базы для изысканий.

Между тем необходимо было бы вывести нормативы в области изысканий из-под крыла строительства на том основании, что проблема безопасности зданий и сооружений совершенно по-разному должна рассматриваться с позиции проектировщиков-строителей и с позиции изыскателей. Для первых любое конструктивное решение или вид работ напрямую связаны с безопасностью строительного объекта, для вторых – безопасность определяется именно качеством информации, получаемой в результате всего процесса изысканий. Следовательно, вполне логичным выглядел бы самостоятельный Свод нормативных документов по изысканиям (СНДИЗ), объединяющий национальные (российские) стандарты и технические регламенты. При этом стандарты определяли бы содержательную сторону инженерно-геологической информации в части требований к целям и задачам изысканий, терминологии, единицам измерения, а технические регламенты описывали бы процедурные моменты соответствующих работ. Такое разделение устранило бы перегруженность стандартов процедурными деталями, что было свойственно старым нормативным документам. Конечно, критерии качества информации в этом случае должны выглядеть совершенно по-другому.

Среди таковых следует, прежде всего, назвать критерии полноты, достоверности, точности и критерий функциональной эффективности, оценивающий использование инженерно-геологической информации в проектировании и строительстве с точки зрения структуры самой информации.

Полнота информации

Определяется тщательностью и выверенностью программы изысканий по отношению к задачам проектирования.
С содержательной стороны это зависит от системности рассмотрения всех компонентов базового понятия инженерной геологии об инженерно-геологических условиях строительства, т. е. от совокупного анализа результатов взаимодействия и взаимообусловленности элементов геологической среды (рельефа поверхности земли, горных пород, подземных вод и геологических процессов, обеспеченности строительными материалами), что в целом определяет специфическую целостность больших и малых территорий, рассматриваемых как природный пространственный ресурс для различных направлений хозяйственного использования. Подобный подход должен быть увязан с определенной количественной системой наблюдений, обеспечивающих создание комплексной и динамической модели инженерно-геологического строения любого объема геологической среды. В этом отношении изыскатели могут руководствоваться только указаниями СП 11-105-97 (табл. 8.1), где прописаны расстояния между выработками в зависимости от типа сооружения, класса его ответственности, категории сложности, но эти рекомендации явно устарели, и обеспечить решение проблемы безопасности зданий и сооружений с позиций современных стандартов не могут. Ужесточающиеся требования к безопасности зданий и сооружений в настоящее время могут обеспечиваться только равномерным изучением осваиваемого объема геологической среды не только по пятну застройки, но и по прилегающей территории. В этом отношении можно руководствоваться принципом составления геологических карт, когда каждый квадратный сантиметр карты вне зависимости от масштаба должен обеспечиваться не менее чем одной точкой наблюдений. При этом современные изыскательские технологии позволяют создать необходимую сеть наблюдений из буровых скважин, геофизических сейсморазведочных профилей и пунктов зондирования (в основном, статического)1. Последовательное развитие разведочной сети с использованием этих методов позволяет создать оптимальную плотность наблюдений при переходе от масштаба к масштабу в ходе развертывания и детализации проекта.

Возьмем за отправную точку предпроектные разработки на основе картографической модели масштаба 1:10 000. Для обеспечения плотности разведочной сети, согласно вышеизложенному принципу, потребуется для каждого гектара площади одна опорная скважина глубиной до 50 м, четыре точки зондирования и шесть сейсморазведочных профилей с учетом охвата пограничных зон (рис. 1)

картинка


Дальнейшее сгущение разведочной сети идет на основе принципа «один к четырем», т. е. в центральной зоне информационной ячейки предусматривается проходка скважины, а в смежных ячейках – четыре точки зондирования, согласованные по глубине с задачами проектирования. В результате такой компоновки разведочной сети можно резко сократить объемы бурения, значительно усилить роль геофизики и зондирования как методов, обладающих большой производительностью, возможностью структурных построений любого масштаба и хорошей взаимной корреляцией. Широкое применение статического зондирования в указанной системе позволяет решить еще одну важную задачу: устанавливать и оценивать плановую и вертикальную неоднородность геологического разреза на основе большого массива наблюдений. При статическом зондировании можно обеспечить не менее 50 измерений параметров на один погонный метр разреза, а современные компьютерные программы обработки данных позволяют наиболее эффективным способом оценивать неоднородность выделенных интервалов по критериям статистического распределения случайных величин для типовых моделей грунтов (Soil Behavior Type) [3].

Если соблюдать указанный принцип, то для разработки проекта на картографической основе масштаба 1:2 000, на площади в 1 га (100х100 м), для равномерного закрытия площади (изучения выделенного объема геологической среды) необходимо иметь 25 информационных ячеек на базе 25 скважин и 100 точек зондирования. В этом случае необходимость дополнительных изысканий для рабочей документации может быть сведена к минимуму. Основной объем изыскательских работ в действительности будет связан с разработкой проекта.

Кажущаяся на первый взгляд избыточность геологической информации обернется несомненной выгодой в случае многовариантного проектирования, сокращения сроков разработки различных конструктивных решений и прогноза изменений геологической среды в результате реализации проекта. Разведочная сеть подобной насыщенности особенно важна при картировании подземного пространства по технологии 3D-GEO, которая становится все более востребованной в современных условиях [1,2].

Достоверность информации

Обеспечивается регламентацией и доступностью первичных материалов. Особенно это касается буровых работ, полевых опытных работ и лабораторных исследований. Результатом буровых работ обычно является колонка буровой скважины, но без бурового журнала (где фиксируется конструкция скважины, технология проходки, места и виды пробоотбора), полевого описания и фотодокументации керна колонка превращается в формальный отчетный документ, который невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть. При недобросовестности исполнителей колонка скважины превращается в чистую фикцию! Точно также обесцениваются графики зондирования без доступности рабочих цифровых файлов, которые можно импортировать в аналитические программы обработки типа «Геологисмики» [3]. В достоверности результатов лабораторных исследований можно убедиться лишь в том случае, когда есть паспорта отдельных испытаний. Эти требования в равной степени относятся к производству пробных нагрузок, срезов больших монолитов, прессиометрии, испытанию свай. Профессиональная фото- и видеосъемка полевых работ становится важным дополнительным свидетельством соблюдения всех методических нюансов предпринятых экспериментов. На всех первичных документах должны быть четко зафиксированы подписи исполнителей и проверяющих, а также даты производства работ.
Подобные рабочие моменты следует закрепить в технических регламентах, поддерживающих соответствующие стандарты. В настоящее время в изысканиях сложилась парадоксальная ситуация, когда достоверность информации подтверждается лишь ссылкой исполнителя на соблюдение положений нормативных документов строительного профиля. Достоверность информации зависит от доступности архивных материалов, которые должны передаваться заказчику в электронном виде вместе с техническим отчетом. Буровые журналы, журналы опытных работ, журналы лабораторных экспериментов, профессиональные фотографии керна должны быть легко доступны и проверяемы по всем технологическим позициям соответствующих видов работ.

Точность

В настоящее время инженерные изыскания предельно насыщены разнооб­разными контактными и дистанционными методами измерения параметров грунтов и различных процессов. Широко применяется зарубежная измерительная техника, рассчитанная на гарантийное и послегарантийное обслуживание фирмами-производителями. Как правило, производитель своим клеймом подтверждает и гарантирует качество измерительного устройства (датчиков) и возможности измерений стандартизированных параметров, при этом отсутствует паспортизация отдельных изделий, использующих тот или иной датчик. В отечественной практике, поддерживаемой организациями Росстандарта, применяется паспортизация как измерительных приборов, так и отдельных датчиков. Это нередко порождает конфликтные ситуации между метрологическими службами изыскательских организаций и Росстандартом, который по формальным признакам требует дополнительной паспортизации зарубежной измерительной техники. Следует надеяться, что приведение в соответствие отечественных и международных стандартов снимет эту проблему и будет стимулировать отечественное приборостроение для изыскательских задач. Несомненно, этому будет способствовать вступление России в ВТО.
В любом случае гарантией точности производимых в изысканиях измерений может служить функционирование соответствующей метрологической службы, если не в каждой изыскательской организации, то в рамках объединений саморегулируемых организаций. Соответственно, в технических отчетах по изысканиям всегда должна содержаться глава, посвященная метрологическому обеспечению производимых работ, составленная специалистами соответствующего профиля.

Функциональная оценка инженерно-геологической информации

Если предположить, что в результате инженерно-геологических изысканий мы получили полную, достоверную и точную информацию, остается вопрос, как использовать эту информацию наиболее эффективным способом. Стратегическое направление здесь совершенно понятно, и определяется оно общими тенденциями технического прогресса в науке и технике. Это может быть только многоаспектное моделирование изучаемого объема геологической среды (подземного пространства) с помощью современных компьютерных технологий, при этом главным становится не иллюстративное украшение отчетных материалов компьютерной графикой, а применение объемного моделирования на регулярных и нерегулярных параметрических сетках. Такое моделирование позволяет не только показывать дискретные и континуальные оценки геологического пространства, привязанные к определенным типам грунтов, но и непосредственно использовать такие модели в проектировании без каких-либо промежуточных операций. Данная технология, построенная по принципу обратных связей, позволяет оперативно вносить изменения в проектные решения на основе рассмотрения различных сочетаний топологии геологического пространства и физико-механических параметров грунтов, учитывая самые неблагоприятные сочетания природных факторов. Упомянутая технология практически внедрена при проектировании сооружений Петербургского метрополитена на основе многолетних разработок, выполненных группой исследователей (Ломакин и др., 2011) [1].
Фактически в указанной технологии речь идет о непрерывном развитии проектно-изыскательского процесса на основе создания динамической модели инженерно-геологических и гидрогеологических условий.

Основные результаты могут быть представлены следующим рядом моделей:
централизованный и автоматизированный сбор и анализ архивных материалов (ретроспективная модель I);
создание банка данных, где проверяется и взвешивается каждая позиция, освещающая инженерно-геологические условия картируемой территории (учетно-контрольная модель II);
создание актуальной динамической модели инженерно-геологической структуры, где возможны оперативные изменения по мере поступления новых материалов (модель III);
возможность синтеза структурной модели геологической среды и инженерно-конструктивной структуры для оперативного проектирования (синтетическая модель IV).

Блок-схема проектно-изыскательского процесса, основанного на технологии 3D-GEO, показана в таблице справа. Подробно методика применения технологии 3D-GEO рассмотрена в Интернет-программе Дистанционного образования в Институте повышения квалификации Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета (модуль 7) (см. www.open.spbgasu.ru).

Следует подчеркнуть, что визуализация модельного ряда в настоящее время связана с воксельными разработками, которые позволяют получить структурные параметрические срезы и объемные представления любого уголка изучаемого пространства1. Плановая и объемная визуализация в указанной технологии имеет большое значение, подобное тому, какое имело место на заре становления инженерно-геологических изысканий детального масштаба (1:2000), когда в составе отчетной документации предусматривалось построение аксонометрических проекций площадки (И. В. Попов, 1950), но тогда подобная технология требовала громадных затрат времени и выполнялась в ручном режиме [4]. По сути дела, в те далекие годы аксонометрическая проекция представляла статичное объемное изображения определенного грунтового массива.
Таким образом, информационная направленность инженерно-геологических исследований ставит вопрос о создании изыскательской организации нового типа, в рамках которой вокруг технологии 3D-GEO должен формироваться современный исследовательский комплекс в составе многофункциональных пенетрационно-буровых установок, сейсмо-геофизического и лабораторного оборудования, т. е. комплекс, который обеспечит получение и эффективное использование инженерно-геологической информации.

Литература
1. Технология экспертного картирования подземного пространства – инструмент его эффективного изучения и нормативного использования. // Ломакин Е. А., Богданов А. С., Козлов М. И., Лехов А. В., Нагорный С. Я., Румынин В. Г., Смоленцев В. Г. Тезисы межрегиональной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности при использовании современных технологий строительства подземных сооружений в сложных условиях городской застройки». – СПб, изд. ЛенНИИпроект, 2008, с. с. 115–122.
2. Переход в инженерно-геологических исследованиях от модели инженерно-геологических элементов к 3D моделированию. // Бершов А. В. Сб. трудов н. – т. конференции «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции». СПб, 2010, с. 320–323.
3. Robertson P. K., Kabal K.L. (Robertson). Guide to Cone Penetration Testing for Geotechnical Engineering. 3rd Edition, 2009.
4. Попов И. В. Методика составления инженерно-геологических карт. – М.: ГИГЛ, 1950.

---

За рубежом инженерные изыскания на площадках часто начинаются с испытательного динамического теста SPTN60, результаты которого позволяют предварительно оценить геологический разрез для подбора соответствующей технологии статического зондирования (см. Guide to Cone Penetration Testing for Geotechnical Engineering/P.K. Robertson end K.L. Kabal, 2009).
Воксел (в разговорной речи воксель, англ. Voxel — образовано из слов: объемный (англ. volumetric) и пиксел (англ. pixel) — элемент объемного изображения, содержащий значение элемента растра в трехмерном пространстве. Вокселы являются аналогами пикселов для трехмерного пространства. Воксельные модели часто используются для визуализации и анализа медицинской и научной информации.

Михаил Сергеевич Захаров,
профессор кафедры геотехники СПб ГАСУ


Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!


«« назад