Цифрового грунтоведение – новая учебная дисциплина

На протяжении практически всего этого года в журнале «ГеоИнфо» публиковались статьи о курсах повышения квалификации для инженер-геологов и геотехников, которые проводятся в АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ». Как раз в эти дни проходят последние в этом году курсы.

Данная статья, с одной стороны, является итоговым обобщением того, о чем лекторы рассказывают на данных курсах. С другой – в ней заложены основы того пути, по которому, по мнению автора, должно пойти отечественное грунтоведение уже в ближайшем будущем. Сформулировано 12 принципов новой учебной дисциплины – цифрового грунтоведения, отличие которого от традиционного подхода заключается в том, что все параметры грунтов, полученные инструментальными методами, адаптируются к алгоритмам программных комплексов численного моделирования грунтовых оснований (Plaxis, Midas и т.п.).

Озмидов Олег Ростиславович

Президент АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ»

В настоящее время без преувеличения можно сказать, что отечественное грунтоведение входит в зону турбулентности. Переход на рельсы численного моделирования с архаичной проселочной дороги послойного суммирования проходит крайне болезненно. В этом мы убедились, проводя на базе АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» ежемесячные курсы повышения квалификации по геотехнике для изыскателей и проектировщиков. В рамках курсов, в основу которых положено численное моделирование грунтовых оснований, родилась новая учебная дисциплина – цифровое грунтоведение. Отличие этой отрасли знаний от традиционного грунтоведения заключается в том, что все параметры грунтов, полученные инструментальными методами, адаптируются к алгоритмам программных комплексов численного моделирования грунтовых оснований (Plaxis, Midas и т.п.).

Особенности цифрового подхода к грунтоведению

Нам удалось выделить 12 основополагающих принципов цифрового грунтоведения. Перечислим их.

1). Характеристики грунтов, полученные инструментальными методами, должны удовлетворять требованиям ко входным параметрам нелинейных моделей, используемых современными программными комплексами численного моделирования грунтовых оснований зданий и сооружений. Количество характеристик, требуемых для построения нелинейных моделей, существенно увеличивается. Вместо традиционных четырех параметров (φ, с, Е, ν) используется, как правило, 10–15. Полный перечень характеристик, применяемых для разных моделей, приведен в таблице 1.

Таблица 1. Входные параметры моделей грунтов

Название параметра Единица измерения Метод получения LE MC HS HSS SS SSC МСС SO

В/нв

Физические свойства
Плотность кН/м3 Парафинирование, метод режущего кольца. Х Х Х Х Х Х Х Х
Плотность водонасыщенного грунта кН/м3 Расчетом из плотности, влажности и плотности частиц. Х Х Х Х Х Х Х Х
е (начальный коэффициент пористости) Расчетом из плотности, влажности и плотности частиц. Х Х Х Х Х Х Х Х
Механические свойства
E (модуль Юнга) кН/м2 Трехосное сжатие Х Х
ν (коэффициент Пуассона) Трехосное сжатие (Б) Х Х х (п.у.)
c (сцепление ) кН/м2 Одноплоскостной срез, Трехосное сжатие Х Х Х Х
φ (угол внутреннего трения) ° Одноплоскостной срез, Трехосное сжатие Х Х Х Х
ψ (угол дилатансии) ° Одноплоскостной срез, Трехосное сжатие Х Х Х Х
E50 ref

(секущий модуль упругости)

кН/м2 Трехосное сжатие Х Х
E ur ref кН/м2 Трехосное сжатие с разгрузкой, Компрессионное сжатие с разгрузкой Х Х
m (показатель Охде) кН/м2 Трехосное сжатие, Компрессионное сжатие Х Х
E oed ref (одометрический модуль жесткости) кН/м2 Компрессионное сжатие Х Х
ν ur (коэффициент Пуассона при разгрузке) Трехосное сжатие с разгрузкой Х х
G0 ref (модуль сдвига при сверхмалых деформациях ε<10-6 кН/м2 Циклическое трехосное сжатие Х
γ 0,7 (пороговое значение сдвиговой деформации, при которой Gs = 0.722 G0) Циклическое трехосное сжатие Х
λ* (модифицированный коэффициент сжимаемости) Изотропное (трехосное) сжатие с разгрузкой Х Х х
κ* (модифицированный коэффициент разбухания) Изотропное (трехосное) сжатие с разгрузкой Х Х х
μ* (модифицированный коэффициент ползучести) Изотропное трехосное сжатие с длительными наблюдениями за деформациями Х
λ (коэффициент сжимаемости для модели CamClay) Компрессионное сжатие
κ (коэффициент разбухания для модели CamClay) Компрессионное сжатие
М (тангенс линии критического состояния) Одноплоскостной срез, Трехосное сжатие (Рассчитывается из параметра угла внутреннего трения) х х
OCR (начальный коэффициент переуплотнения) Компрессионное сжатие -/х
α (коэффициент вторичного уплотнения) Изотропное (трехосное) сжатие -/Х
ν (скорость начальной объёмной деформации) сут-1 Изотропное (трехосное) сжатие -/х

2). Значения большинства характеристик грунтов, в отличие от традиционного подхода, зависят от параметров напряженного состояния грунтового массива в точке отбора образца.

3). Вводится понятие опорного (референтного) давления Pref, являющегося начальной точкой отсчета изменений в значениях характеристик грунтов. Корректное задание референтного давления – неоднозначная процедура, часто входящая в противоречие с отечественными нормативами.

4). Вводится понятие К0 – процедуры, позволяющей произвести в лабораторных условиях реконсолидацию грунтов (приведение в исходное напряженное состояние в точке отбора) с учетом его истории нагружения и анизотропного характера распределения напряжений в массиве.

5). Вводится понятие расчетного грунтового элемента РГЭ. При этом фактически отменяется традиционный генетический подход (по происхождению) к разделению грунтового массива на элементы. Полностью отвергается установившаяся отечественная практика директивного принятия числа инженерно-геологических элементов ИГЭ в разрезе грунтового основания из экономических соображений. Вместо этого используются строгие математические критерии разделения грунтового массива на элементы.

6). Вводится строгий математический учет явления дилатансии грунтов, выражающегося в зависимости прочностных свойств, прежде всего угла внутреннего трения, от степени предварительного (исторического) переуплотнения.

7). Традиционные представления грунтоведов об однозначной зависимости механических свойств глинистых грунтов от пористости и показателя консистенции (многочисленные таблицы СНиП и СП) признаются несостоятельными. Вместо этого вводится многофакторная зависимость между параметрами грунта, допускающая изменение консистенции в процессе деформирования.

8). Все расчеты ведутся с учетом возникающего при нагружении внутрипорового давления и его диссипации во времени. В зоне влияния источников динамического воздействия определяются инструментальными методами демпфирующие свойства грунтов и значения коэффициентов Релея, что позволяет оценить степень поглощения энергии упругих волн и характер изменения прочностных и деформационных свойств грунтов в процессе динамического воздействия. Существенно возрастает роль сейсмического микрорайонирования территории застройки. При этом учитываются резонансные частоты массива грунта и конструктива здания (сооружения).

9). Теряет смысл понятие «расчетная характеристика грунта». Больше нет необходимости искусственно занижать значения прочностных и деформационных характеристик грунтов для создания запаса устойчивости здания (сооружения). Расчет устойчивости ведется по нормативным характеристикам, полученным по результатам осреднения данных инструментальных определений. Запас устойчивости обеспечивается более корректными механизмами (опция Design approach).

10). Вводится процедура калибровки модели, позволяющая максимально приблизить расчетный математический алгоритм к экспериментальной зависимости «напряжение-деформация», тем самым существенно уточняется расчет осадки здания (сооружения). При этом также допускается отклонение от привычных табличных значений характеристик.

11). В отличие от традиционных представлений допускается смена механизма деформирования (упругого на пластический) по мере увеличения относительной деформации на одном цикле деформирования.

12). Все расчеты грунтовых оснований ведутся исключительно по данным лабораторных испытаний. При этом трехосные испытания в противоречие действующим нормативам необходимы для всех типов грунтов и всех уровней ответственности. Полевые исследования используются только в качестве подтверждающих.

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод о том, что в отечественном грунтоведении назрели революционные изменения, изложенные в приведенных выше двенадцати принципах (заповедях) цифрового грунтоведения.

К сожалению, большинство вновь разрабатываемых и актуализируемых нормативных документов не учитывают эту объективную реальность. По этой причине отечественным изыскателям и проектировщикам приходится использовать альтернативную базу, основанную на зарубежных стандартах, и составлять специальные технические условия (СТУ) для каждого нового объекта, проектирование которого будет осуществляться с использованием современных программных средств. Таким образом, при современном темпе цифровизации сфера деятельности традиционных отечественных грунтоведов может сузиться до величины материальной точки.

(Примечание: материальная точка – физическая модель, обладающая массой, размерами и формой которой можно пренебречь (Справочник по физике, nashol.com)).

Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод о том, что назрела необходимость осваивать принципиально новую дисциплину – цифровое грунтоведение, одновременно анализируя и размышляя о том, каким образом новые знания можно сочетать с нашими прежними грунтоведческими представлениями.

Как говорил великий Конфуций: «Учение без размышления бесполезно, а размышления без учения – опасно».

Курсы повышения квалификации пройдут в АО «МОСТДОРГЕОТРЕСТ» Зарегистрироваться для участия можно на официальном сайте организации. ПЕРЕЙТИ