Основи інженерної геології

Основи інженерної геології

Особливо інтенсивно вони стали впроваджуватися в інженерну геологію з 50-х років. Накопичено певний досвід використання цих методів для рішення різних завдань. Залучення механіко-математичних методів (М. М. М) обумовлено бажанням використовувати їх досягнення для кількісного вирішення інженерно-геологічних задач, що, однак, не завжди супроводжувалося обгрунтуванням їх адекватності геологічними об'єктами, а також встановленням можливості та меж їх раціонального застосування. Робіт, в яких в тій чи іншій формі розглядаються зазначені аспекти, дуже мало, і багато спеціальні методологічні аспекти застосування МММ в інженерній геології залишаються недостатньо розробленими.

Більше того, переважна більшість фахівців, що використовують МММ в інженерній геології, поки не усвідомили необхідність дослідження методологічних аспектів їхнього застосування. Корисність розробки методологічних основ випливає з того, що вони складають наукову базу для подальших досліджень в напрямку використання специфічних методів в інженерній геології.

Загалом, методологія застосування МММ в інженерній геології не відрізняється від методології, характерної для інших наук не механіко-математичного циклу. Деяка специфіка полягає в тому, що інженерно-геологічна інформація, одержана геологами, впроваджується в практику шляхом прийняття на її основі проектувальниками спільно з будівельниками певних інженерних рішень. В силу цього існує розрив між інженерно-геологічною інформацією і проектними рішеннями, особливо в частині впливу будівництва і експлуатації будівель і споруд на повноту і детальність інженерно-геологічної інформації (встановлення не тільки прямих, але і зворотних зв'язків між геологами і будівельниками.)

У зв'язку з певною складністю раціонального застосування МММ, особливо використання їх результатів, враховуючи багатоплановість самої інженерної геології (грунтознавство, інженерна геодинаміка, регіональна інженерна геологія) і різноманіття вирішуваних завдань, слід зупинитися на деяких положеннях, без урахування яких неможливе використання МММ в інженерній геології.

Методологічні основи застосування механіко-математичних методів в інженерній геології.

В інженерній геології стосовно спостерігаються в природі або виникають в результаті діяльності людини процесам і явищам використовуються різні МММ. При цьому застосування МММ визначається як внутрішніми потребами самої науки, так і необхідністю досягнення практичних цілей, що можливо тільки при взаємодії теоретичних положень та експериментальних даних у поєднанні з використанням наближених прийомів і методів.

Необхідними умовами раціонального застосування МММ в інженерній геології є формулювання задачі і виділення об'єкта дослідження на регіональному або локальному (для будівельного майданчика) плані, а також використання різного роду визначень, понять і функцій.

Поставлена задача може бути вирішена тільки після ідеалізації, спрощення реальності. Тут необхідно пояснити одне фундаментальне поняття сучасної наукової методології - поняття моделі. Створення моделі об'єкта чи процесу є попередньою умовою раціонального аналізу для прийняття відповідних рішень. Модель втілює найбільш суттєві властивості реального об'єкта, а другорядні ігнорує. Будь-які моделі, що відображають явища природи, завжди приблизні, що виражає відносність і конкретність наукової істини.

У механіці та фізиці взагалі такі об'єкти, як ідеальне пружне тіло, абсолютно тверде тіло та ін., розуміють як моделі, що характеризуються певними властивостями. Спрощення дійсних умов і концентрація уваги на основних властивостях дозволяють добре описувати реальність з точки зору наших потреб, тобто роблять завдання доступною для математичного та експериментального рішення. Моделі - це інженерні уявлення, які можуть бути сформульовані математично (математичні моделі) і матеріалізовані у вигляді фізичних моделей. Прикладом перших є уявлення про ґрунтовому масиві як про лінійно-пружної середовищі, напружено-деформований стан якої аналізується за допомогою лінійної теорії пружності.

Основний зміст моделювання.

За призначенням фізичні моделі умовно ділять на демонстраційні, означальні та евристичні, а та методів розв'язання та дослідження - на еквівалентні і аналогові.

Основний зміст моделювання полягає в тому, що за результатами дослідів на фізичних еквівалентних моделях можна судити про характер ефектів і чисельних значень різних величин, пов'язаних з явищем або процесом в натурних умовах.

У фізиці і механіці мають справу з моделюванням у двох головних аспектах: побудова моделей полів і речовини; моделювання постановок задач в рамках обраних моделей для розглянутих об'єктів. Наприклад, пружне тіло Гуку - це модель речовини. А прикладом моделювання постановки завдання є розрахунок фундаменту споруди як пружного тіла певної геометричної форми (підстава споруди, укіс тощо).

При розробці теорій і розрахунках виходять із двох припущень: відомі механізм взаємозв'язку та взаємовпливу факторів, а також фактори, якими ми нехтуємо; є лише феноменологічний опис зв'язку параметрів на «вході» і на «виході», тобто відсутнє уявлення про прихованих суттєві чи несуттєві властивості, обставин і механізми явищ (принцип «чорного ящика»). Постановка завдань в рамках принципу «чорного ящика», як показує практика, часто дозволяє робити правильні висновки і прогнози.

Для вирішення однієї і тієї ж задачі можуть бути обрані різні моделі, причому перевага віддається таким моделям, які найбільшою мірою відображають суттєві з точки зору поставленої задачі риси реальності (об'єкта), є досить простими і характеризуються параметрами, які можуть бути легко визначені експериментально. Рішення задач з використанням вибраної моделі повинно бути практично доступним для інженера і економічно виправданим. При цьому для вирішення задачі часто використовується кілька моделей. Так, для оцінки напружено-деформованого стану трещиноватого скельного масиву нерідко застосовуються моделі лінійно-пружної і зернистого середовища.

Модель лінійно-пружного середовища.

Рішення, отримані на основі моделі лінійно-пружного середовища, незважаючи на її неправомірність в ряді випадків, представляють істотний інтерес, так як вони утворюють послідовну логічну основу («еталон порівняння»), на якій базується досвід.

Для розв'язку прямих задач інженерної геології в основному застосовуються моделі трьох типів: моделі полів і речовини; моделі постановок задач в рамках обраних моделей полів і речовини (розрахункова схема); моделі структури геологічного масиву.

Моделі перших двох типів дозволяють описувати реакцію ґрунтового масиву на зовнішнє (головним чином, механічне вплив. До них належать моделі пружного тіла з Гуку, в'язкої рідини, плоскої пружної деформації підстави споруди, середа з лінійним законом опору фільтрації і т. п. Вибрані моделі характеризуються відповідними параметрами. У перелічених моделях - це модуль пружності та коефіцієнт фільтрації. Рішення задач з використанням таких моделей звичайно становить предмет геомеханіки.

Моделі структури геологічного масиву призначені для прогнозу природної мінливості параметрів властивостей і будови ґрунту в вертикальному і горизонтальному напрямках між точками експериментального випробування грунту. Прикладом можуть служити модель шаруватої середовища, в якій кожен шар грунту наділений різними властивостями, або градієнтні моделі, в яких властивості безперервно змінюються з того чи іншого напрямку (наприклад, з глибиною). Прийнявши структурну модель масиву грунту, слід охарактеризувати її відповідним вибраної моделі способом. Так, для шаруватої моделі необхідно вказати кількість і послідовність шарів, їх потужності і властивості, а для градієнтної моделі - закон зміни параметрів грунту (наприклад, модуля деформації) у просторі. Структурні моделі в порівнянні з моделями полів і речовини і розрахунковими схемами є допоміжними і використовуються для раціонального відображення інформації, отриманої в процесі досліджень.

Методологічні проблеми інженерної геології.

Викладені міркування охоплюють основний коло методологічних проблем, що виникають в інженерній геології у зв'язку з завданнями забезпечення розрахунків взаємодії будівельних об'єктів і масивів гірських порід. Однак МММ в інженерній геології мають більш широке застосування, і ми повинні відповідно розглянути методологічні питання, пов'язані з дослідженням взаємозв'язків характеристик, рішенням завдань випробування та моделювання різних процесів, які мають свою специфіку.

Дослідження всякого роду взаємозв'язків є одним з найбільш поширених напрямів застосування МММ в інженерній геології. Предметом вивчення при цьому служать різні показники фізико-механічних властивостей порід, зв'язку між структурою місто і їх механічними властивостями, вплив різних факторів на геологічні процеси (зсуви, переробка берегів водосховищ тощо). При рішенні цих задач використовуються різні методи і моделі, як детерміновані, так і статистичні. Однак тут нас цікавить класифікація усього цього безлічі методів і моделей за іншою ознакою: започатковано розв'язання задачі на розкритті механізму взаємозв'язку та взаємовпливу факторів або воно використовує принцип «чорного ящика». Істотно, що змістовна інтерпретація результатів розв'язку, отриманого за цією схемою, як правило, неоднозначна. Прикладами першого способу можуть служити класичні рішення механіки ґрунтів, завдання про стійкість укосів, про переробки берегів водосховищ та ін, а також ряд рішень, що зв'язують параметри тріщинуватості з механічними і фільтраційними властивостями порід в масиві; прикладами другого - різноманітні кореляційні залежності, парні та багатовимірні між показниками складу, структури і властивостей порід. Ці приклади свідчать про різноманіття вирішуваних завдань і про те (важливому з методологічної точки зору) факт, що одні й ті ж завдання вирішуються з використанням обох способів. Остання обставина дає можливість розглянути переваги та недоліки кожного з них на конкретних прикладах.

Модельне уявлення про механізм деформування.

Розглянемо задачу про оцінку деформованості тріщинуватих порід з використанням параметрів тріщинуватості.

Перехід, аналогічний класичної кінетичної теорії у статистичній фізиці, що описує макроскопічні термодинамічні властивості речовин на основі статистичного розподілу молекул, дуже важливий для інженерної геології, так як дозволяє зв'язати механічні характеристики масиву з його структурними характеристиками.

Рішення засноване на певному модельному поданні про механізм деформування, суть якого зводиться до аналізу поведінки матеріалу на контактах протилежних стінок тріщин. Це рішення отримано в припущенні про пружної деформації матеріалу в точках контактів. Відомо рішення, що виходить з крихкого руйнування матеріалу в тих же точках. Можна шукати рішення і припускаючи упругопластическую деформацію контактів і т. д. З методологічних позицій важливі наступні загальні властивості цих рішень: облік механізму процесу деформування; універсальність рішення в рамках прийнятої моделі; різноманіття можливих моделей і відповідних рішень.

Очевидні недоліки і переваги иллюстрируемых ними підходів. Неодмінною умовою їх використання є іспит одержуваних результатів з експериментальними даними, причому в другому випадку екзаменаційний матеріал не повинен бути застосований при виведенні залежності.

Широке поширення в інженерній геології кореляційно-регресійного аналізу змушує нагадати про формальних припущеннях, на яких він базується. Його модифікації пов'язані з прийняттям тієї чи іншої моделі для результатів спостережень та істотно розрізняються використовуваним математичним апаратом. На жаль, в прикладних інженерно-геологічних дослідженнях цей факт, як правило, не враховується, що призводить до помилкових рішень. Слід відзначити необхідність точної фіксації характеру аналізованого матеріалу на «вході» і «виході», або «матеріального субстрату» досліджуваних залежностей.

Підстави методологічного характеру регіональної інженерної геології.

Одну і ту ж задачу можна ставити в регіональному плані, і тоді регіональні особливості вхідних характеристик увійдуть в число аргументів, а можна ставити локально - для даної ділянки, і тоді регіональні особливості ділянки будуть грати роль зовнішніх «умов», в рамках яких «працює» отримане рішення. Для кожної ділянки отримують своє рішення, але зате більш просте.

Серед найголовніших підстав методологічного характеру регіональної інженерної геології слід виділити: онтологію речових геологічних об'єктів і процесів їх розвитку: фізичні поля та їх системи, геологічні взаємодії, відносини фізичних і геологічних полів. Інформаційні початку і внесок післядії в геологічні процеси; спеціалізоване геологічні, інженерно-геологічне простір, час і їх властивості; сутність і розуміння ймовірності в інженерній геології; інженерно-геологічні параметри, можливості їх вимірювання в точці і в межах деякій області простору, помилки та їх облік.

Обговорення методологічних аспектів застосування МММ в інженерній геології передбачає розгляд властивостей простору -часу геологічних об'єктів. У свою чергу, топологічні властивості геологічного простору -часу повністю визначаються режимом і характером геологічного процесу, під яким розуміється розвиток Землі як геологічного тіла і її літосфери.

Процес формує властивості простору - часу геологічних об'єктів. Геологічний процес являє собою взаємодію деякого набору фізичних полів, в якому присутні більш або менш постійні компоненти і компоненти, що не мають постійного характеру, що діють в деякі періоди геологічного часу.

Положення діалектичного матеріалізму про рух матерії.

Сукупність фізичних полів, при взаємодії яких досягається новий якісний рівень (рівень геологічного процесу), з метою обговорення методологічних аспектів слід розглядати як поле геологічного процесу, що обумовлює процес геологічного розвитку (геологічну форму руху). Цей процес характеризують: незворотність (оскільки він є частиною більш широкого у просторово-часовому відношенні процесу розвитку); періодичність різних порядків, що накладається на незворотну, корельований з часу складову процесу розвитку; випадковість результатів його прояви в кожній окремій точці простору - часу геологічного тіла.

Незворотність геологічного процесу випливає з основного положення діалектичного матеріалізму про рух матерії, про розвиток. Необоротна складова геологічного процесу обумовлена головним чином еволюцією більш або менш постійних складових нуля геологічного процесу: гравітаційного і магнітного полів Землі. Ці поля, постійно притаманні небесним тілам, поступово еволюціонують, змінюючи характер геологічного процесу, а отже, і властивості геологічного простору - часу.

Так, ймовірно, про еволюції зірки, зменшення напруженості електромагнітного поля Сонця і відповідному зменшенні кількості променистої енергії, одержуваної Землею, можна говорити як про необоротних у цілому, в масштабі часу, процесах. Гіпотеза розширення (розущільнення) Землі спирається на тезу про незворотному зменшенні характеристик поля гравітації Землі. Передбачається, що це поле, що діє в масштабі часу планети Земля, виявляє тенденцію до послаблення, вносячи відповідний внесок в необоротну складову геологічного процесу. Результатом дії незворотною, коррелированной за часом компоненти геологічного процесу слід вважати ускладнення структури геологічного простору, що виявляється у властивостях геологічних об'єктів. При цьому одна і та ж ступінь ускладнення структури досягається при відносно менших витратах енергії.

Високочастотні періодичні компоненти геологічного процесу.

Геологічний процес пов'язаний з іншими процесами (космічними, атмосферними, біологічними) багатоступінчатими взаємодіями, часто не цілком з'ясованими з позиції причинно-наслідкових залежностей. Спектр гармонійних компонент, що відображають періодичний режим процесів небесної механіки, а також атмосферних, гидросферных і біологічних, успадковується геологічним процесом і проявляється в його продукті. Наприклад, помічено, що, мабуть, найбільш низькочастотна компонента геологічного процесу, з якої збігаються найголовніші фази орогенезу, відповідає по частоті галактичного року.

Високочастотні періодичні компоненти геологічного процесу, в якому взаємодіють фізичні поля не тільки Землі, але й інших небесних тіл, пов'язані з циклами сонячної активності з періодами обертання Землі навколо Сонця та з іншими процесами. Ними обумовлено періодична зміна характеристик фізичних полів - компонентів поля геологічного процесу та інших полів його складових (наприклад, біохімічних).

Випадкову складову геологічного процесу слід розглядати як результат «складання» фізичних полів - компонентів поля геологічного процесу в кожній окремо взятій точці області взаємодії. Випадкова складова накладається на загальний фон, математичне очікування, у вигляді флуктуації різного порядку, обумовлюючи непередбачувані відхилення від математичного очікування, у тому числі ураганні.

Необоротна (корельована з часу) складова поля геологічного процесу, якою визначені найголовніші тенденції розвитку, має яскраво вираженими антиэнтропийными властивостями. Енергія, адекватна незворотною складової, витрачається на формування структури літосфери - продукту геологічного процесу.

Періодичні компоненти поля геологічного процесу.

Результат дії цієї складової виражається у створенні і підтриманні упорядкованості або неоднорідності, що відповідає неоднорідності структури фізичних полів. Корельована з часу необоротна складова але своєю суттю є марківської. Періодичні компоненти поля геологічного процесу мають марковскими властивостями, якщо їх брати окремо як складові спектру, однак їх додавання дає вже квазіперіодичну складову. Отже, вони можуть «працювати» в геологічному процесі і як конструктивне, упорядковуюче початок, що формує і підтримує структуру геологічних тіл різних рівнів, і як деструктивний елемент процесу.

Випадкова складова поля геологічного процесу, природно, не сприяє структурообразованию. В залежності від величини флуктуації вона вносить той чи інший внесок у створення безладу, у збільшення однорідності геологічних тіл, зростання їх ентропії. У випадкової складової інформаційне начало проявляється лише в міру розсіювання.

Компоненти поля геологічного процесу формують властивості продукту своєї взаємодії, речовини і структури геологічного об'єкта і його властивості простору - часу. Землі як геологічного тіла (і простору Землі) властиві ясно виражена анізотропія і симетрія кулі. Ці властивості зумовлені полем тяжіння Землі, що є компонентом будь-якого ендо - або екзогенного геологічного процесу.

В реальній ситуації інженеру-геологу доводиться вирішувати інженерно-геологічні завдання не для Землі в цілому, а для обмежених територій. Внаслідок цього рівень розгляду поля геологічного процесу (набір фізичних полів, їх структура і характер взаємодій) буде іншим, хоча усі його складові зберігаються незмінними.

Перша аксіома теорії мінливості.

У відповідності з першою аксіомою теорії мінливості можна стверджувати, що літосфера, її речовина, структура і властивості є продукт геологічного процесу, продукт взаємодії обумовлюють його фізичних полів. В структурі і властивостях літосфери відображені риси цих полів (друга аксіома теорії мінливості). Структуру і властивості простору - часу геологічних тіл можна описати за допомогою полів геологічних параметрів. В полях геологічних параметрів знаходять відображення, успадковуються розглянуті складові поля геологічного процесу: корельована з часу (простору), спектр періодичних (квазіперіодична) і випадкова. Така структура поля геологічного параметра є підставою для використання в цілях опису структури і властивостей простору - часу геологічних об'єктів стохастичних моделей. Природно, не виключається застосування детермінованих моделей, якщо це допускається умовами вирішення конкретної задачі. Універсальної стохастичною моделлю, яка дозволяє описати просторову структуру і режим функціонування геологічного об'єкта, є модель випадкового поля. Для областей геологічного простору, в яких поле геологічного параметра за прийнятими критеріями (точність оцінки параметра в окремій точці і довірча ймовірність) є однорідним, можна використовувати модель випадкової величини.

Межами сфери застосування моделей випадкового поля геологічного параметра і випадкової величини слід вважати кордон області поля геологічного параметра. Її встановлюють з урахуванням статистичних критеріїв однорідності. Таким чином, вивчення геологічного процесу, що розуміється в широкому сенсі як процес розвитку літосфери, показує, що його результат в кожній конкретній точці геологічного простору містить випадкову компоненту.

Можливість застосування апарату теорії ймовірностей.

Отже, будь-яке значення геологічного параметра в будь-якій точці простору геологічного тіла проявляється з деякою ймовірністю. Ймовірність стосовно до простору - часу геологічних об'єктів (включаючи і різні геологічні процеси) має онтологічний аспект. Це основне в методологічному відношенні становище доводить можливість застосування апарату теорії ймовірностей та відповідних статистичних моделей в геології взагалі та інженерної геології, зокрема. Статистична природа розподілу геологічних параметрів у просторі та їх режиму в часі відкриває можливості використання геологами математичної статистики, але в той же час вимагає надзвичайно точного і обережного в геологічному відношенні користування нею. Геологічні критерії завжди могутніша статистичних і завжди передують їм. Ця теза повинна лежати в основі всіх операцій з геологічними параметрами, в ході яких застосовується математичний апарат.

Обгрунтування вибору математичної моделі та обчислювальні операції з геологічними параметрами можливі лише на базі ретельного аналізу геологічної інформації і побудови змістовної геологічної моделі, що спирається на генетичні та історико-геологічні подання. При використанні апарату статистики нерідко недооцінюють необхідність всебічного геологічного обґрунтування однорідності (генетичної, вікової, мінерального складу, властивостей матеріалу про геологічні параметри, що включається до складу вибіркових сукупностей. Рідко обґрунтовують можливість використання моделі випадкової величини.

Наявність у складі поля геологічного процесу незворотною компоненти, що відбиває тенденцію розвитку літосфери, дає підставу вважати геологічний процес істотно марковським і використовувати для його опису адекватний математичний апарат.

Набір геологічних параметрів.

У той же час до процесу, чинним протягом невеликих відрізків фізичного часу на обмеженій сфері геологічного простору, можна ставитися як до процесу без післядії (процес Бернуллі). При цьому природно застосування моделі випадкової величини.

Инженерная геология оперирует сравнительно ограниченным набором геологических параметров, используя их для описания структуры геологических объектов, их пространства - времени. Набор геологических параметров полностью описывает свойства объекта, используемые при его инженерно-геологической оценке. Если каждой точке пространства геологического объекта поставить в соответствие вектор геологических параметров, входящих в набор, то функция векторов по координатам пространства - времени дает многомерное поле геологических параметров. Його слід розглядати як інженерно-геологічне простір. Головними властивостями такого простору є мінливість структури у часі і анізотропія.

В геологии, в том числе и в инженерной, в связи со спецификой геологических процессов формирования геологических тел превалируют обратные задачи. Сейчас особенно острой представляется необходимость решения широкого класса прямых задач в рамках инженерно-геологического прогноза. Решение прямых задач в геологии опирается на аксиоматический подход, при котором формулируются геологические гипотезы, предполагающие, в свою очередь, наличие следствий, вытекающих из аксиом. Проверка следствий позволяет принять (отвергнуть) геологическую гипотезу. В ходе проверки следствий возможно привлекать математические методы. В подобных случаях при решении прямой задачи последовательность операций такова: анализ геологического материала и построение содержательной модели геологического объекта (процесса его формирования); разработка концептуальной математической модели; математическое моделирование объекта (процесса); анализ результатов моделирования, проверка следствия.

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о бане

Статьи по пеноблоку,пенобетону,пенобетонным блокам

Статьи pp-budpostach.com.ua Статьи по бетону

Статьи Все о заборах

Статті pp-budpostach.com.ua Все про дахах ( види, матеріал, як краще вибрати)

Статті Все про Фундаменті

Статті по газобетону ( газоблокам ), газобетонних блоків, блоків газосиликатнных

Новини, статті, чутки, факти, різне і по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)