Импортозамещение и цифровая технология – это цели, обозначенные президентом В.В. Путиным и премьером Д.А. Медведевым для развития российской науки и техники. Однако, эти цели можно толковать по-разному. Например, «импортозамещение» может означать и замещение «импортОМ», и замещение «импортА». Разберем эти две возможности отдельно.

Замещение импортОМ в российской геотехнике происходит весьма успешно десятилетиями: практически все компьютеры и программное обеспечение (hardware and software) в России – импортные и исправно работают. Российские геотехники на импортных компьютерах широко используют импортные программы метода конечных элементов (МКЭ) – это PLAXIS (Голландия), MIDAS (Южная Корея) и OPTIUM (Австралия). Правда, большинство геотехников не имеют доступа к таким программам из-за их высокой цены и/или не умеют ими пользоваться.

Импортеры этих программ активно рекламируют свои продукты: проводят конференции, семинары, тренинги. А пользователи решают задачи любой сложности с любой степенью детализации, например, конфигурируют свайное поле из сотен свай, и представляют результаты расчетов заказчикам, в презентациях на конференциях и в публикациях в виде наглядных и детальных красочных распечаток с разными разрезами и видами. Эти изображения выглядят намного нагляднее и подробнее, чем любые фотографии с натуры и любые чертежи. Цена таких программ – миллионы рублей, поэтому их приобретают только большие организации, которые «за ценой не постоят». Обладатели и операторы таких программ имеют большие преимущества по сравнению с неимущими.

Но! Такие преимущества – это не все. МКЭ изначально был ориентирован на расчеты конструкций искусственных объектов, для которых сплошность (целостность) – это основное требование к состоянию объекта (корпуса автомобилей, самолетов, космических аппаратов, стальные конструкции и т.д.). Даже малейшее повреждение/разрыв сплошности в таких изделиях может быть чревато аварией. Причем весьма агрессивная внешняя среда рассматривается лишь как набор самых различных воздействий на искусственный объект.

В геотехнике важно взаимодействие системы «основание – сооружение», т.е. важны и состояние сооружения, и грунта. В грунте допустимы даже ограниченные по размеру разрывы сплошности, например, под краями фундаментов или заколы откосов. При этом сооружение может даже сохранить функциональность. Такие разрывы МКЭ моделирует весьма неоднозначно: результаты зависят от размеров сетки разбиения на КЭ, а при крупной сетке эти разрывы МКЭ вообще «не замечает». Поэтому сетку КЭ приходится мельчить в местах возможных разрывов, но для этого надо заранее знать, где такие разрывы возможны и каковы их размеры. Здесь МКЭ «буксует», т.к. ориентирован на сплошные среды, а грунт – это не сплошная среда, в нем возможны и допустимы ограниченные разрывы. А без учета разрывов никак нельзя! Ведь уже более полувека, начиная с 1962 г. (СНиП II-Б. 1.62) и по сей день (СП 22.13330.2016), приходится вводить в геотехнические регламенты абсурдные «зоны предельного равновесия» вместо разрывов. Но российское геотехническое сообщество с этим примирилось и не замечает.

В геотехнических расчетах детальность МКЭ-расчетов не нужна и даже чаще всего чрезмерна, т.к. при инженерно-геологических изысканиях (ИГИ) измерения проводят в далеко расположенных друг от друга выработках (минимально 25 м для ответственных проектов), относительный объем которых очень мал и составляет миллионные доли объема основания сооружения (≈10^-6). Графики зондирования (по вертикали) всегда имеют большие разбросы и флуктуации, и сильно различаются даже в выработках, расположенных совсем близко друг от друга. Поэтому построение разрезов со стратификацией и выделением ИГЭ – это весьма неоднозначная искусственная операция. Ведь статистическая обработка этих данных не дает представительных результатов, слишком мало этих данных в выборках. К этим «статистическим данным» больше подходит термин «неопределенные данные» (uncertain data). Но эти неопределенные данные используют в геотехнике для расчетов МКЭ, которые имеют высокую точность. Возникает противоречие: с одной стороны скудость, неточность и неопределенность исходных данных ИГИ для геотехнических расчетов, а с другой – использование программ МКЭ, которые дают результаты с высокой точностью, но (увы!) плохо учитывают разрывность грунтовой среды при ее нагружении.

До появления МКЭ геотехники выполняли фактически вручную (на арифмометрах), а потом на примитивных компьютерах сложнейшие геотехнические расчеты, рекомендованные регламентами, которые мало изменились за прошедшие более полувека. Достаточно вспомнить, что высотные здания Москвы в 1950-е гг., метро, Останкинская телебашня (тогда в 1968 г. самое высокое здание в мире), здание МГУ (1953 г.) и здание Президиума Академии Наук на склоне Воробьевых гор были построены на естественном основании (без свай).

Сейчас такие расчеты можно программировать с помощью специальных математических систем МathCAD, МathLab, Мathematica 3 и др. В этих системах (особенно в MathCAD) все основные математические операции (дифференцирование, интегрирование, решение дифференциальных уравнений, матричная алгебра и т.д.) представляются в символьном виде, как формулы в учебниках по элементарной и высшей математике, а результаты можно выводить в самых разных формах: числа, массивы чисел, таблицы, многоцветные изополя и двумерные и трехмерные графики. Возможно решение дифференциальных и интегральных уравнений и анимация. Все вычисления выполняются автоматически. Но для этого надо разбираться в постановке геотехнических задач и немного в элементарной и высшей математике по программе ВУЗа.

В частности, сейчас система МathCad широко используется в МГСУ для программирования решений геотехнических задач методом граничных интегральных уравнений. Автор данной статьи использует эту программу уже 15 лет для решения разных задач и составления программ расчета.

Для геотехнических расчетов нужны не только операторы импортных программ, но и математики, чтобы составлять программы, например, в системе МаthCad. И хотя вышеуказанные математические программы тоже импортные, но решать многие геотехнические задачи можно в России своими силами. Это и будет «замещение импортА» хотя бы частично.

Автор использовал МathCad для решения важных геотехнических и инженерно-геологических задач и численного моделирования в [1, 2, 3, 4] и не только.