ВВЕДЕНИЕ

Для проектирования и строительства гражданских инженерных сооружений фундаментальным этапом для оптимизации затрат и минимизации соответствующих рисков является трехмерное инженерно-геологическое моделирование, включающее распознавание геологических материалов, характеристику их физико-механических свойств и воссоздание трехмерной геометрии. В этом отношении литологические/стратиграфические характеристики и неперекрывающиеся геотехнические свойства позволяют идентифицировать инженерно-геологические единицы (units), которые рассматриваются как специализированная категория геологических единиц с однородными литологическими/стратиграфическими и инженерными свойствами [1] (с 1976 года итальянские геотехники в целом пришли к концепции инженерно-геологического элемента, но выражение «неперекрывающиеся геотехнические свойства» не совсем понятно; однако, судя по изложенному далее, авторы переведенной статьи пока не связывают «свойства» и литологические/стратиграфические характеристики, которые у них не иерархичны. – Ред.). Эти единицы используются для картирования и применимы при проектировании, строительстве и эксплуатации гражданских сооружений. Кроме того, полагается, что выделение инженерно-геологических единиц позволяет строить не только инженерно-геологические карты, но и 3D модели грунтовых оснований (именно так звучит словарный перевод обобщенного термина subsoil и его синонима subsurface с английского языка на русский в прикладных статьях для геотехников, проектировщиков и строителей; в том числе эти два слова употребляются в большинстве англоязычных публикаций по моделированию грунтового основания для строительства, но в контексте той или иной части той или иной статьи российские инженеры-геологи, которых интересует иерархия понятий и терминов, иногда переводят эти слова на свое усмотрение в зависимости от контекста – например, как «грунтовая среда», «геологическая среда», «подповерхностные структуры», «грунтовая толща», «инженерно-геологический массив» и т.д. – Ред.). В частности, инженерно-геологическое картирование стало чрезвычайно актуальным после предложения номенклатуры инженерно-геологических единиц [1], которая была принята аналогично номенклатуре литостратиграфических единиц [2] как зависящая от масштаба анализа. В результате были установлены различные типы инженерно-геологических единиц – от качественных до количественных – в зависимости от вида исследований, которые необходимо проводить с учетом масштаба изысканий и представления данных [3].

В ходе дальнейшего развития концепций Фукс [4], следуя идеям Терцаги [5], подчеркнул важность геотехники в сфере геологии, применяемой в гражданском строительстве (это не совсем так: Терцаги говорил лишь о переходе от геолога к проектировщику через стадии инженера-геолога и геоинженера. – Ред.), отметив отсутствие на классических геологических картах количественной информации по геотехническим свойствам дисперсных и скальных грунтов, таким как прочность на сдвиг, проницаемость и сжимаемость (однако на картах нет смысла указывать конкретные свойства, а в случае 3D их отражать необходимо. – Ред.). Соответственно, инженерно-геологическое картирование сильнее фокусировалось на выделении инженерно-геологических единиц, характеризующихся однородными литостратиграфическими и геотехническими свойствами, геометрические границы которых соответствуют изменениям их геотехнических особенностей (тут присутствует логическая ошибка: не геометрические границы соответствуют характеристикам, а наоборот – характеристики определяются (наследуют) границами тел, а уже потом характеристики и разные состояния могут «породить внутри» тела с новыми границами. – Ред.).

Дальнейший прогресс в определении инженерно-геологических моделей (ИГМ) был достигнут Международной ассоциацией по инженерной геологии (МАИГ/IAEG) и Комиссией по окружающей среде C25 [6], которые выделили концептуальные, наблюдательные и аналитические ИГМ с указанием областей их применения.

Концепции инженерно-геологических единиц (units) и 3D моделирования грунтовых оснований полностью соответствуют требованиям Еврокода 1997 года (EN 1997-1:2004 [7]) и национальным нормативным документам, разработанным на его основе. К последним относятся итальянские «Строительные нормы и правила» (“Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC)”), принятые в 2008 и 2018 годах 
[8], в которых прописаны правила планирования геотехнических изысканий и обработки их результатов. В рамках этих документов создание 3D инженерно-геологических моделей стало важным инструментом познания, дающим больше возможностей для наглядного отображения пространственной изменчивости инженерно-геологических свойств грунтового основания (subsoil) [6, 9, 10]. Поэтому в последние годы в области трехмерного геологического моделирования был достигнут значительный прогресс.

Алан и Норман [11] для построения объемных моделей предложили метод горизонтов (Horizons Method) (было бы очень интересно сравнить подход, предложенный в статье [11], с подходом, используемым в компьютерной программе Leapfrog Geo для интерпретации геологоразведочных данных и трехмерного моделирования, и с его интерпретацией в отношении того, сверху вниз или снизу вверх разделять объемы и задавать типы границ, таких как эрозионная, седиментационная и т.д., что не рассматривается в переведенной статье. – Ред.). Некоторые исследователи разработали программное обеспечение для 3D геологического моделирования с использованием платформ/программ для создания 3D графики, таких как OpenGL [12] и GOCAD [13]. Кроме того, Британская геологическая служба (BGS) создала трехмерные геологические модели в широком диапазоне масштабов с помощью 3D геоинформационной системы 
[14–17]. На базе Генеральной инспекции карьеров Франции (The General Inspectorate of Quarries of France) была разработана многослойная 3D геологическая модель территории г. Парижа 
[18]. Также была предложена разработка 3D геологических моделей, чтобы показать распределение и объемы пригодных для добычи полезных ископаемых, приуроченных к четвертичным отложениям на юго-западе Германии [19], а также залежей угля на западе Греции 
[20]. Некоторые авторы [21–23] улучшили управление данными и плагин для 3D геомоделирования территории столицы Китая. В более поздних исследованиях инженерно-геологические модели создавались на основе данных бурения, геотехнических или геофизических изысканий с использованием пакетов программ для 3D моделирования, например Leapfrog [24, 25]. Достигнутый прогресс в вычислительной скорости, в сборе и оцифровке увеличивающегося количества геологических и геотехнических данных привел к улучшению их трехмерного представления, что поспособствовало более точной оценке соответствующих опасностей и неопределенностей при градостроительном планировании [16, 26–30]. Это позволило перейти от концептуальной модели к реалистичной [31] путем объединения/интеграции пространственной информации с показателями физических и геотехнических свойств, которые должны быть оценены с помощью статистических подходов.

И наконец, Бейнс с сотрудниками [32] занимались вопросом неопределенностей в инженерно-геологической модели, рассматривая ее как комплекс взаимосвязанных концептуальных моделей и данных наблюдений, которые характеризуются соответственно эпистемической (обусловленной ограниченностью знаний, сведений, возможностей модели) и алеаторной (связанной со случайными вариациями в процессах или явлениях) неопределенностью [33, 34]. При этом чем больше объем данных наблюдений, тем выше точность модели. На точность также влияет структура данных, которая определяет алгоритм моделирования и визуализацию результатов [35].

В процессе данного исследования 3D геологические и инженерно-геологические модели создавались в программе RockWorks (разработанной компанией RockWare Inc.) на основе обширной базы литологических и геотехнических данных, полученных при детальных стратиграфических и геотехнических изысканиях, выполненных для проекта “C.I.S. – Interporto Campano – Vulcano Buono” (следует отметить, что можно или даже желательно использовать гораздо больше данных, чем в данном исследовании, но в любом случае всегда нужна верификация исходных данных с определенным отсеиванием, а также верификация на следующем этапе исследований. – Ред.). В соответствии с Еврокодом 1997 года была проведена статистическая оценка геотехнических свойств инженерно-геологических единиц на основе результатов полевых и лабораторных испытаний.

Сложная геометрия пирокластическо-аллювиальных отложений исследуемой территории и их пространственно изменчивые геотехнические характеристики, включая очень плохие свойства торфяных линз, определили сложность задачи данной работы, заключавшейся в разработке ориентировочного подхода к геотехническому проектированию гражданских инженерных сооружений при сложных грунтовых условиях, который должен соответствовать действующим техническим регламентам по геотехническому проектированию.

ОПИСАНИЕ ИЗУЧАЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ

Геологические и геоморфологические особенности равнины Нола

Равнина Нола находится в северо-восточном секторе Кампанской равнины, примерно в 16 км к северу от вулкана Везувий, к северу от гор Канчелло и к востоку от гор Авелла (рис. 1). Геолого-структурная обстановка исследуемой территории сформировалась вследствие работы генетических механизмов Кампанской равнины, которые определялись сильными взаимодействиями между вулканическими, тектоническими и седиментационными явлениями, происходившими в четвертичный период
[36–40].

Кампанская равнина представляет собой широкую полуграбеновую структуру [41], образованную системами нормальных разломов, протягивающихся в направлениях СВ-ЮЗ, СЗ-ЮВ и В-З, которые образовывались с позднего плиоцена [36] до раннего плейстоцена [42] и опустили Апеннинскую горную цепь со стороны тирренского побережья. Анализ мощных толщ аллювиальных и пирокластических отложений, заполняющих эту геологическую структуру, выполненный на основе бурения глубоких скважин, позволил отнести их формирование ко времени от среднего-позднего плейстоцена до голоцена [36, 38, 43–47].

С геоморфологической точки зрения исследуемая территория расположена в верхней части долины Реджи-Ланьи, которая в целом характеризуется искусственной дренажной сетью, построенной между 1610 и 1616 годами для освоения территории и борьбы с разливами реки Кланио. Эта долина окружена горными хребтами, образованными мезокайнозойскими карбонатными породами [48, 49]. Перепады высот там в целом очень невелики, что характеризует рельеф как субравнинный с крутизной поверхности менее 2% при наклоне в юго-западном направлении.

Из-за равнинной морфологии и ограниченного дренажа эта территория когда-то характеризовалась болотистой средой, которая способствовала образованию органических отложений, таких как торф и палеопочвы, переслаивающихся с аллювиальными и пирокластическими отложениями, образовавшимся при извержениях вулкана Везувий и вулканов района Флегрейские поля за последние 10 тыс. лет [50, 51]. Кроме того, другие исследования (например, [52]) показали, что формированию болотистой среды способствовали также лахары, обломочные и селевые потоки и повторяющиеся наводнения.

Основные геологические особенности этой территории можно разделить на две группы. В первую входят коренные мезозойские литостратиграфические единицы карбонатной платформенной формации, образующие горы Канчелло и Авелла, которые граничат с исследуемой территорией на севере и на востоке. Вторая группа включает четвертичные отложения, образованные переходными (от морских к континентальным) фациями, связанными с положительными гляциоэвстатическими колебаниями, которые происходили в течение среднего-верхнего плейстоцена, и пирокластические отложения пеплопадов и пепловых потоков [53, 54], возникавших в результате интенсивной вулканической деятельности 116 тыс. лет назад (кампанский серый туф, [55]) и 15 тыс. лет назад (неаполитанский желтый туф, [56]).

На исследуемой территории эти отложения включают детритово-коллювиальную единицу (PNV) Пиано-делле-Сельве и детритовую единицу Гьяе Карбонатике ди Туфино (VEF2b2). Первая представляет собой пирокластическо-аллювиальный комплекс, образованный супесчано-гравийными отложениями. С геотехнической точки зрения эти отложения, как правило, характеризуются низкими коэффициентами пористости/пустотности, что приводит к соответствующему оседанию при увеличении вертикальной нагрузки. А вторая единица состоит из аллювиальных известняковых гравийно-галечных отложений с полигенным песчаным заполнителем. По физико-механическим свойствам эти отложения можно охарактеризовать как в различной степени водонасыщенные грунты со значительной величиной модуля упругости [57].

Инженерно-геологические проблемы исследуемой территории

В конце 1970 года один из участков равнины Нола был выбран в качестве площадки для строительства логистического и коммерческого района, образованного тремя сооружениями с различными и взаимодополняющими функциями:

• одним из ведущих в Европе распределительных центров торговой платформы B2B (Business-to-Business) «Чентро Ингроссо Звилуппо», то есть «Центр развития оптовой торговли» (Centro Ingrosso Sviluppo – CIS);
• международной логистической платформой, связанной с ведущими мировыми транспортными узлами, «Интерпорто Кампано» (Interporto Campano);
• многофункциональным центром торговли, отдыха и развлечений «Вулькано Буоно» (Vulcano Buono).

«Интерпорто Кампано» (https://www.interportocampano.it) – это одна из важнейших логистических платформ в Европе, которая предлагает транспортную систему, интегрированную с железнодорожными, автомобильными и морскими линиями, для предоставления услуг по хранению, управлению и распределению товаров. Это мультимодальная система (связанная с использованием различных видов транспорта в одной перевозке) сооружений, занимающая разные площадки (рис. 2) и включающая ряд сервисов для всей охватываемой ею территории, (здания, склады, путепроводы, железнодорожную станцию и различную инфраструктуру). Для проектирования и строительства этой системы было выполнено множество геологических и геотехнических исследований, позволивших распознать сложную стратиграфическую и литологическую природу, а также физико-механические характеристики грунтов, прямо или косвенно имеющих отношение к строительству. Анализ стратиграфических данных, полученных в результате бурения с непрерывным отбором образцов образцов керна, показал, что верхние 4 м грунта состоят из чередующихся песчанистых пылеватых грунтов (sandy silts) и пылеватых песков (silty sands), относящихся к группе ML (низкопластичным пылеватым грунтам) по унифицированной системе классификации грунтов USCS (Unified Soil Classification System). А глубже всего залегают литоидные и псевдолитоидные туфы.

Проведенные на этой территории геотехнические исследования и лабораторные испытания позволили отобрать образцы грунта ненарушенного сложения и охарактеризовать их геотехнические свойства. Кроме того, серия таких испытаний, как стандартное динамическое зондирование методом SPT и статическое зондирование методом CPT , выявила очень сложную геотехническую обстановку. Наличие сильносжимаемых органических грунтов и их неравномерное пространственное распределение, характеризующееся линзовидной геометрией, были признаны основными геотехническими проблемами, поскольку потенциально они могут вызывать неравномерные осадки сооружений. По этой причине на определенных площадках (лотах NTV, О и С на рисунке 2) были проведены геотехнические исследования, направленные на содействие консолидации этих отложений путем создания искусственной нагрузки от насыпных грунтов, равной нагрузке от возводимых сооружений. Такая практика привела к осадкам величиной от 0,7 до 15,9 см.

ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Построение 3D инженерно-геологических моделей

В представленной работе выполнено количественное представление грунтового огснования (subsoil) на основе геологических и геотехнических исследований c высокой детализацией оценки литологических и геотехнических свойств (рис. 3). Благодаря масштабу анализа (>1:5000) выделенные инженерно-геологические единицы (units) соответствуют максимальному уровню детализациии и считаются инженерно геологическими типами (engineering geological types) (инженерно-геологический тип – это базовая единица классификации в инженерной геологии, используемая для картирования, с наивысшей степенью однородности по литологическому характеру и физическому состоянию. – Ред.) [1]. Инженерно-геологические свойства были определены с помощью лабораторных испытаний и полевых измерений, а также проанализированы с использованием статистических методов в соответствии с рекомендациями Еврокода (1997 г.).

С использованием программы RockWorks были построены геологическая и инженерно-геологическая модели исследованной территории. Данный инструмент позволяет обрабатывать разнородные данные (литологические, стратиграфические, геофизические, геохимические, гидрогеологические, геотехнические) и применять различные методы интерполяции для создания 3D моделей – построение перекрывающихся регулярных сеток (regular mesh surfaces) для создания сеточой модели (grid model) или воксельных матриц для создания объемных моделей (solid model) (учитывая, что выше авторы описывают метод горизонтов для построения объемных моделей, было бы интересно понять последовательность действий, которая пока не ясна: поверхности/горизонты – это регулярные сетки, на основе них – сплошные модели для объемных тел, а внутри них – воксельные матрицы со значениями, то есть блочные модели? – Ред.).

Организация собранных данных и создание базы данных

На основе стратиграфических и геотехнических данных была реконструирована геологическая модель изучаемой территории (рис. 4). Наборы этих данных включают результаты:

• бурение 41 скважины с непрерывным отбором образцов керна;
• 107 стандартных пенетрационных испытаний (динамического зондирования методом SPT);
• 93 испытаний на внедрение конуса (статического зондирования методом CPT);
• 73 лабораторных испытаний образцов грунта ненарушенного сложения, отобранных в ходе изысканий.

Первым этапом работ стала геопространственная привязка мест расположения скважин и выполнения испытаний методом CPT (в международной системе координат UTM WGS84). Высотные отметки были получены по доступной цифровой модели рельефа на основе лидарной съемки из базы геоданных Неаполитанского городского метрополитена (Citta Metropolitana di Napoli) (http://sit.cittametropolitana.na.it/lidar.html).

На втором этапе были созданы два набора данных, относящихся к стратиграфической и геотехнической информации, полученной в результате бурения и испытаний CPT соответственно. На основе множества доступных данных были разработаны три разных типа 3D моделей грунтового основания (subsoil) – литологическая, геотехническая и инженерно-геологическая. Литологическая модель создавалась с использованием результатов непосредственных наблюдений в ходе стратиграфических исследований при бурении скважин. Эти данные были импортированы и обрабатаны в системе управления данными бурения (borehole data manager) соответствующего программного обеспечения с помощью инструмента lithology («литология»), связанного с таблицей lithology type («литологический тип»), определяющей репрезентативное ключевое слово (keyword), то есть литологический маркер, и значение G (G value) для каждого наблюдаемого литологического типа (литологический тип – картировочная единица, однородная по составу, текстуре и структуре на протяжении всей площади своего распространения, но обычно неоднородная по физическому состоянию. – Ред.). Ключевое слово, или литологический маркер, представляет собой краткое однозначное название, присваиваемое литологии после пересмотра классификационных терминов. Сначала использовалось классификационное название на основе именно гранулометрического состава [58]. А потом применение унифицированной системы классификации грунтов USCS позволило присвоить каждому литологическому типу название, а также буквенно-цифровое (symbol) и графическое (pattern) обозначения. Значения G представляют собой целые числа, используемые для отображения литологических типов в интерполированных литологических моделях (авторы не поясняют более подробно, что это за числа, как их используют и что это за модели, и не дают описание методики, а ограничиваются общими словами; но следует отметить, что методика реализована в программном комплексе Rockworks: https://www.rockware.com. – Ред.).

Для оценки параметров сжимаемости (compressibility parameters), которые применялись при создании геотехнических моделей, использовались результаты полевых и лабораторных геотехнических испытаний. При этом рассматривалось несколько эмпирических формул, известных из геотехнической научной литературы. Эти формулы основывались на результатах испытаний песчаных и пылеватых грунтов, аналогичных исследуемым, методами SPT и CPT. Для создания инженерно-геологических моделей с высоким разрешением применялось непрерывное определение параметров по вертикали с помощью испытаний CPT. Поэтому геотехнические параметры, полученные при испытаниях SPT, не использовались для создания инженерно-геологической модели, хотя они применялись для валидации значений, полученных при испытаниях CPT. Таким образом, параметрами, сохраненными с помощью инструмента P-Data и использованными для построения геотехнических моделей (с шагом по глубине 0,2 м), были сопротивление под конусом и по боковой поверхности зонда. Кроме того, с помощью эмпирических формул были получены модуль упругости, одометрический модуль деформации и индекс компрессии (compression index).

Модуль упругостиE оценивался как среднее значение результатов вычислений по приведенным ниже эмпирическим формулам.

1. Формула Де Бира [59], основанная на корреляционной связи между модулем упругости E и сопротивлением под конусом зонда (q_c) с эмпирическим коэффициентом α, значение которого назначается на основе характера испытанного грунта [60]:

Из 3D литологической модели был получен ряд двумерных изображений исследуемого грунтового основания (subsoil). Например, на рисунке 6 показан  разрез A-A’ (от точки изысканий S4 на юго-востоке рассматриваемой территории до точки изысканий S41).

Кроме того, была построена серия 3D схем разрезов (fence diagrams) для всего грунтового массива исследуемой территории. Ориентация таких схем может выбираться вручную или по умолчанию при помощи инструментов, которые позволяют работать с разными 3D моделями. На рисунке 7 показана 3D схема разрезов, воспроизведенная с помощью одного из этих инструментов.

Геотехническая модель

Было построено пять геотехнических моделей, показывающих пространственную изменчивость сопротивления под конусом и по боковой поверхности зонда, измеренных методом CPT, а также геотехнических параметров, полученных с помощью эмпирических формул (модуля упругости, одометрического модуля и индекса компрессии). Для каждого из этих параметров была построена 3D модель с графическим представлением их значений с помощью цветовых шкал от более «теплых» цветов (со стороны красного), обозначающих более высокие значения, до более «холодных» цветов (со стороны фиолетового), обозначающих более низкие значения (например, рис. 8).

К базовой модели были добавлены точечные данные, приуроченные к конкретным глубинам стволов скважин, из вкладки P-Data базы данных Borehole Manager программы Rockworks – в виде ряда перекрывающихся цветных дисков, которые показываются в соответствии с шагом выборки точечных данных (который в рассматриваемом случае составляет 0,2 м). Их размеры (диаметр) и цвета отражают значение параметра.

Анализ трехмерных моделей сопротивления под конусом, модуля упругости и одометрического модуля позволил прийти в выводу, что до глубины 4–5 м залегают грунты со значительными показателями геотехнических свойств. Однако глубже наблюдалось их общее ухудшение из-за чередования слоев с плохими соответствующими параметрами. И наконец, модели показали заметное улучшение геотехнических свойств на самой большой исследованной глубине – начиная с высотной отметки около 15 м над уровнем моря, где были самые высокие значения сопротивления под конусом (примерно 70 МПа), модуля упругости (около 140 МПа) и одометрического модуля деформации (примерно 122 МПа).

По 3D моделям сопротивления под конусом, сопротивления по боковой поверхности зонда и индекса компрессии можно судить о меньшей пространственной изменчивости величин этих параметров и о постепенном их увеличении до глубины, соответствующей отметкам около 20–25 м над уровнем моря. При этом на разных глубинах видны высокие значения индекса компрессии из-за наличия слоев сильно сжимаемых органических грунтов (рис. 9).

Инженерно-геологическая модель

Совместная интерпретация 3D геотехнических моделей с литологической позволила выделить инженерно-геологические единицы (units), относящиеся к категории инженерно-геологических типов (по классификации ЮНЕСКО и МАИГ 1976 года [1]), и на этой основе осуществить построение инженерно-геологической модели (рис. 10). Далее рассмотрим выделенные инженерно-геологические типы для исследуемой территории.

1. Инженерно-геологический тип А включает малосжимаемые пылеватые грунты, относящиеся к группе ML по системе классификации USCS. Эти грунты главным образом являются нормально уплотненными (NC – normally consolidated) и лишь локально – переуплотненными (OC – overconsolidated). Их пуццолановая природа способствует формированию сцепления зерен благодаря процессам слабой кристаллизации, таким как цеолитизация. Анализ геотехнических свойств показал, что данная единица (unit/type) в целом хорошо подходит для устройства фундаментов с малыми осадками (выделенный инженерно-геологический тип А соответствует инженерно-геологическому элементу по современным российским стандартам. – Ред.).

2. Инженерно-геологический тип B включает сильносжимаемые пылеватые грунты от слабоуплотненных до нормально уплотненных (NC) и торф (MH-peat), для которых характерна требующая внимания изменчивость физических и геотехнических свойств. Характерной особенностью данной единицы (unit/type) является наличие линзовидных торфяных отложений, которые повышают сжимаемость всей единицы в целом, что обусловливает ее низкое геотехническое качество, то есть ограниченную пригодность для устройства фундаментов и значительные величины ожидаемых осадок (в понимании редактора перевода, выделенный инженерно-геологический тип B совсем не соответствует инженерно-геологическому элементу по современным российским стандартам. – Ред.).

3. Инженерно-геологический тип C включает мелкозернистые пепловые туфы от полулитоидных до литоидных с пространственно изменчивыми мощностью и степенью спекания/«сваривания» (welding). Базальный туфовый горизонт (horizon) везде перекрыт выветрелым грунтом, называемым «каппеллаччо» («старой потреманной шляпой»). Низкая степень сжимаемости этого туфа подтверждается высокими значениями сопротивления под конусом, модуля упругости и одометрического модуля. Его кровля определяется по глубине отказа при статическом зондировании методом CPT. Благодаря хорошим геотехническим характеристикам этот горизонт можно считать опорным (коренным) для строительства будущих глубоких фундаментов с пренебрежимо малыми ожидаемыми осадками (не ясно, почему авторы применяют термин «горизонт», а не «тело»; в понимании редактора перевода, выделенный инженерно-геологический тип С не совсем соответствует инженерно-геологическому элементу по современным российским стандартам. – Ред.).

Хорошие геотехнические свойства инженерно-геологического типа А, залегающего на меньшей глубине (shallower), вероятно, обусловлены степенью переуплотнения, вызванного понижением уровня грунтовых вод (УГВ) либо из-за мелиоративных мероприятий на рассматриваемой территории, либо из-за чрезмерной эксплуатации подземных вод для сельскохозяйственных нужд. Теперь УГВ преимущественно совпадает с подошвой инженерно-геологического типа А.

Еще один существенный фактор, определяющий различия в геотехническом поведении типов А и В – наличие сильносжимаемых торфяных отложений в инженерно-геологическом типе B. Из представленных ранее в статье 2D и 3D литологических моделей видно, что торфяные отложения имеют весьма изменчивую мощность. Их неравномерное залегание может привести к значительным неравномерным осадкам, как показали другие случаи, имевшие место на рассматриваемой территории при чрезмерных нагрузках на эти грунты.

На рисунках 11, а–д, где инженерно-геологическая модель грунтового основания (subsoil) объединена с каждой из геотехнических моделей, видна высокая степень соответствия между пространственными изменениями геотехнических параметров и инженерно-геологической моделью. Поэтому, учитывая средние значения показателей геотехнических свойств, можно охарактеризовать выделенные инженерно-геологические типы следующим образом.

1. Инженерно-геологический тип А (малосжимаемые пылеватые грунты – ML) характеризуется значениями от средних до высоких для сопротивления под конусом (8 МПа), модуля упругости (19,8 МПа) и одометрического модуля (14 МПа) и при этом низким
индексом компрессии (0,1).

2. Инженерно-геологический тип B (сильносжимаемые пылеватые грунты и торф – MH-peat) имеет весьма изменчивые значения сопротивления под конусом (3,2 МПа), модуля упругости (6,7 МПа), одометрического модуля (5,9 МПа), индекса компрессии (0,12) и характеризуется высокими уровнями сжимаемости (вероятно, также из-за торфяных линз).

3. Инженерно-геологический тип C (полулитоидный туф) демонстрирует самые высокие  значения сопротивления под конусом зонда (30 МПа), сопротивления по боковой поверхности зонда (0,65 МПа), модуля упругости (62,3 МПа) и одометрического модуля (52,5 МПа), что также подтверждается низкими индексами компрессии (0,07).

Статистическая характеристика геотехнических свойств

Инженерно-геологические единицы/типы (units/types) были геотехнически охарактеризованы с помощью статистического анализа основных свойств, который проводился с использованием диаграмм размаха типа «ящиков с усами» (box plots). Для каждой инженерно-геологической единицы была рассчитана диаграмма размаха для каждого показателя геотехнических свойств, а затем было проведено их попарное сравнение (рис. 12, а–д), что выявило согласованность с тем, что было описано ранее по поводу их значений. То есть тип C – это единственная инженерно-геологическая единица с более высокими показателями геотехнических свойств, так как сопротивление под конусом, сопротивление по боковой поверхности, модуль упругости и одометрический модуль достигают там самых больших значений, а индекс компрессии – наименьших. Напротив, тип B характеризуется самыми плохими геотехническими свойствами, поскольку первые четыре параметра из вышеупомянутых имеют тенденцию к распределению в сторону самых низких значений, а индекс компрессии – в сторону самых больших в соответствии с более высокой сжимаемостью этих грунтов.

Статистический анализ показателей геотехнических свойств для каждой инженерно-геологической единицы (unit/type) базировался на расчетах 5, 25, 50, 75 и 95%-го процентилей (представляющих собой собой значения рассматриваемой случайной величины, которые она не превышает с вероятностями соответственно 5, 25, 50, 75 и 95%; иначе говоря, что 5, 25, 50, 75 и 95% значений этой величины находятся ниже соответствующих процентилей. – Ред.) (см. таблицу). Как известно из практики геотехнического проектирования, выбор используемых процентилей зависит от решаемой задачи и объема (volume) грунта, вовлеченного в деформации под действием антропогенных нагрузок (строительства). Репрезентативное значение геотехнического параметра можно обоснованно и осторожно (с учетом расчетных рисков и нормативных требований. – Ред.) оценить, принимая во внимание величины этого параметра, варьрующие от более низких значений (5-го процентиля) в случае малого объема вовлеченных в деформирование грунтов до медианных значений (50-го процентиля) в случае большого объема вовлеченных в деформирование грунтов.

Таблица. Значения процентилей геотехнических характеристик, рассчитанные для трех инженерно-геологических единиц/типов А, В, С

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методы, использованные в данном исследовании, и полученные результаты направлены на разработку комплексного (с системным сочетанием методов моделирования и анализа) методологического подхода для трехмерного инженерно-геологического моделирования и геотехнической характеристики площадок будущего строительства, характеризующихся сложными стратиграфическими условиями, гетерогенными и гетеропическими отложениями (некорректно говорить «и для 3D инженерно-геологического моделирования, и для геотехнической характеристики», поскольку пространственное распределение свойств – это часть инженерно-геологической модели, а если говорить о такой модели как об инженерно-геологическом массиве, то блочная модель свойств – это самый нижний уровень разделения. – Ред.). Задумывалось, что этот подход должен соответствовать как концепциям инженерно-геологического моделирования и картирования, так и действующим техническим регламентам в области геотехнического проектирования, включая Еврокод 7 (Eurocode 7), а также национальным нормативным документам, принятым на его основе, таким как итальянские «Строительные нормы и правила» (Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC)). В этом отношении равнина Нола представляет собой характерный пример того, как сложная стратиграфическая обстановка, характеризующаяся гетерогенными и гетеропическими отложениями, определяет сложные грунтовые условия и может влиять на геотехническое проектирование, что требует применения надлежащих подходов к инженерно-геологическому моделированию и характеристике грунтового основания.

Из трехмерных представлений литологических, стратиграфических и геотехнических условий, рассмотренных в данной работе (следует отметить, что в статье нигде не анализируются и не представлены в блок-схеме предпринимаемых действий стратиграфические особенности. – Ред.), следует, что пирокластико-аллювиальные отложения, формирующие грунтовую среду территории долины Нола, преимущественно состоят из чередования песчанистых пылеватых грунтов (sandy silts) и пылеватых песков (silty sands) с линзами торфа. Присутствие органических грунтов (торфа. – Ред.), характеризующихся высокой сжимаемостью, в сочетании с их резко изменчивым пространственным распределением, представляет собой критически важный фактор, который надо учитывать при проектировании фундаментов, чтобы избежать неравномерных осадок. Очень сложная стратиграфическая «архитектура» (авторы явно вместо слов «литологическое строение» употребили словосочетание «стратиграфическая архитектура». – Ред.) и изменчивые геотехнические свойства отложений позволили на максимально детальном уровне, соответствующем имеющимся данным, выделить разные инженерно-геологические единицы/типы (units/types) (авторы статьи приравнивают выделенные ими единицы (units) к типам (types) по рекомендациям 1976 года; возможно, они не пишут сразу про типы вместо единиц, из-за понимания того, что они не так уж и однородны по своему состоянию, учитывая наличие линз торфа, литологическое разнообразие и  разброс свойств в выделенных типах А, В и С. – Ред.). 

В этом отношении построение 3D моделей может рассматриваться как важный подход к уточнению инженерно-геологического описания площадки, которое будет использоваться для выявления задач проектирования, связанных с грунтовым основанием с плохими геотехническими характеристиками.

Анализ и интерпретация литологических и геотехнических особенностей исследуемой территории позволили разработать инженерно-геологическую модель, в результате чего были выделены три инженерно-геологических единицы/типа (units/types) в детальном масштабе (>1:5000), которые различались по своим геотехническим характеристикам. В частности, инженерно-геологический тип В с геотехнической точки зрения является более проблематичным из-за присутствия сильносжимаемых органических материалов, относящихся к органическим грунтам (OL) или торфам (Pt) по системе классификации USCS. Труднопрогнозируемое пространственное распределениее этих материалов связано с тем, что они имеют форму линз с различными толщиной и глубиной залегания. Присутствие таких грунтов может привести к неравномерным осадкам фундаментов, как это уже случалось при строительстве, ранее проводившемся на этой территории. Помимо точной оценки пространственной геометрии этих отложений, еще одним важным моментом является присвоение характеристических значений геотехнических параметров каждой инженерно-геологической единице (unit), которая будет использоваться на этапе проектирования.

И наконец, предлагаемый подход – это не просто использование программного обеспечения для 3D моделирования на основе стратиграфических и геотехнических данных, поскольку он последовательно включается в концептуальную схему действий при инженерно-геологическом моделировании и картировании, основанную на определении инженерно-геологических единиц (units) [1]. В этом смысле данная статья потенциально представляет собой рекомендации по применению технических регламентов по геотехническому проектированию, связывающих геологию и геотехнику.

—

Финансирование открытого доступа данной статьи было предоставлено Неаполитанским университетом имени Фридриха II (UNINA – Universitа degli Studi di Napoli Federic II) в рамках соглашения издателя и подкомиссии Ассоциации ректоров итальянских университетов, занимающейся такими соглашениями (CRUI-CARE). Проведение исследования финансировалось в рамках проекта по программе PRIN (Progetti di Rilevante Interesse Nazionale – «Проекты, представляющие значительный национальный интерес») 2017 года под названием «НАСУЩНОЕ – городская геология и геологические опасности: инженерная геология для более безопасных, устойчивых и умных городов» («URGENT – URban Geology and geohazards: Engineering geology for safer, resilieNt and smart ciTies»).