Исследование качества лабораторной инженерно-геологической информации, получаемой в России и за рубежом

В процессе инженерно-геологических исследований и изысканий экспериментальным путем получают оперативную инженерно-геологическую информацию. Под оперативной инженер-ногео-логической информацией целесообразно понимать инженерно-геологическую информацию, отражающую результаты экспериментальных взаимодействий между объектами неживой природы (данные автоматической регистрации результатов полевых и лабораторных экспериментов, режимных наблюдений и т. д.) или неживой и живой природы (полевые и лабораторные описания, измерения, осязательные ощущения и т. п.), выполняемых и получаемых на уровнях раздражимости, ощущений, восприятии и представлений [24]. Оперативную инженерно-геологическую информацию в России и за рубежом получают экспериментальным путем.

Инженерно-геологическая информация представлена сведениями о структуре, свойствах и движении геологической среды, отбираемыми и используемыми для оценки её современного состояния и прогноза её взаимодействия с другими средами: атмосферой, поверхностной гидросферой, биосферой, в том числе для оценки и прогноза взаимодействия геологической среды с продуктами человеческой деятельности (с искусственной средой) [3]. Примерно половину сведений о геологической среде получают в инженерно-геологических лабораториях. Результаты лабораторных инженерно-геологических исследований представлены многими десятками характеристик грунтов. В России и за рубежом в соответствии с действующими системами нормативных документов (СНиПы, ГОСТы, БШ, АБТМ, ЫБ, ВБ и др.) в инженерно-геологических лабораториях определяют значения плотности грунта, коррозионной активности, относительного набухания, плотности частиц грунта и многие другие. В основном в лабораториях находят геологические параметры — показатели свойств грунтов, получаемые при их лабораторных испытаниях, являющиеся результатом непосредственного измерения показателей свойств литосферы или итогом некоторой процедуры преобразования качественной или количественной информации [4]. Их можно определить как физические величины — свойства, общие в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальные для каждого объекта. Качество определениях их в настоящее время не установлено.

Под оценкой качества характеристик грунтов, получаемых в инженерно-геологических лабораториях подразумевается оценка степени соответствия их изучаемому природному объекту.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

.

В настоящее время существенно меняется отношение к качеству продукции инженерно-геологических исследованийоперативной инженерно-геологической информации о свойствах грунтов, получаемой зксприментальным путем. Качество оценки отдельных параметров, вследствие принципиальных отличий в методиках их определения, а также специфических особенностей самих грунтов существенно различаются. Для многих показателей свойств геологической среды имеется возможность получения двух и более формально правильных, но отличающихся результатов. Часто инженерно-геологическая информация об одном свойстве получается разными методами даже при использовании стандартов одной страны. Различаются и методики оценки геологических параметров, используемые в разных странах.

В настоящее время в инженерной геологии как в России, так и в странах СНГ и дальнего зарубежья практически отсутствует характеристика качества информации, получаемой в процессе полевых и лабораторных работ.

Существующие нормативные документы и государственные стандарты на методы определения характеристик грунтов регламентируют процесс определения характеристик, используемые приборы и методики определения, устанавливают применяемые термины и основные понятия, порядок проведения и содержание работ по измерению характеристик.

Несмотря на существование «Государственной системы обеспечения единства измерений», предписывающей необходимость указания точности производимых измерений любых физических величин, в том числе и характеристик грунтов, в нормативной литературе по инженерной геологии практически отсутствует характеристика точности информации, получаемой в процессе полевых и лабораторных работ. Существующие характеристики инструментальной погрешности или величины допустимых расхождений между параллельными испытаниями недостаточны при дальнейшем использовании характеристик грунтов для изучения их неоднородности, изменчивости свойств, классификации пород, определении расчетных характеристик.

Актуальность такой работы особенно повысилась в последнее время, всвязи с усиленным привлечением к работе в нашей стране проектных и строительных организаций иностранных фирм, появлением значительного количества новых частных, ещё не полностью оснащенных лабораторийнеобходимостью лицензирования частных инженерно-изыскательских организацийреконструкций исторических сооружений, требующих привлечения данных прошлых лет.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

Целью настоящей работы является оценка качества лабораторного определения характеристик грунтов в инженерно-геологических лабораториях России и за рубежом.

Для этого в процессе исследований необходимо было решить следующие задачи.

1.Определить состав и структуру инженерно-геологической информации, получаемой в инженерно-геологических лабораториях разных стран.

2.Разработать методику оценки качества характеристик грунтов.

3. Разработать методику контроля качества оценки характеристик грунтов.

4. Сопоставить показатели свойств грунтов различных стран и методы их определения.

5. Провести анализ и сравнение методик и условий определения показателей свойств грунтов в лабораториях разных стран.

6. Найти метрологическую точность результатов лабораторных анализов свойств грунтов, выполненных в лабораториях отдельных стран.

7. Определить факторы обусловливающие различие идентичных числовых характеристик грунтов, определенных в лабораториях России и за рубежом.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

1. Установлено принципиальное различие моделей геологической среды, используемых инженер-геологами разных стран.

2. Усовершенствована методика оценки качества характеристик грунтов.

3. Составлена и опробована схема проведения контроля качества определения характеристик грунтов.

4. Определены значения систематических отклонений между результатами испытаний грунтов в российских и немецких лабораториях.

5. Установлены причины систематических отклонений между результатами испытаний грунтов в российских и немецких лабораториях.

ЗАЩИЩАЮТСЯ.

1. Методика оценки и контроля качества определения характеристик грунтов в инженерно-геологических лабораториях .

2. Результаты оценки качества и соотношения инженерно-геологической информации, получаемой при исследовании свойств грунтов в России и Германии.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

Результатом выполненных исследований является: система статистического регулирования качества работы инженерно-геологических лабораторий, обеспечивающая требуемую надежность получаемой информации. Независимая оценка качества работы лабораторий позволяет предупредить появление некондиционной инженерно-геологической информации, корректно использовать значения характеристик грунтов полученных в лабораториях любой страны при проведении работ в других странах, сохранить или получить в лабораториях требуемый уровень качества данных о грунтах.

Результаты работы использованы при оценке качества лабораторных исследований в Москве, Нижнем Новгороде, Санкт-Петербурге и немецких лабораториях городов Мюнстера, Гамбурга, Вестхейма, Крумбаха, Карлсруе. На основании проведенных исследований разработаны методические рекомендации по контролю качества лабораторного изучения характеристик песчаных и глинистых грунтов.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ послуживший основой для написания работы, был собран автором в ходе проведения научно-исследовательских работ за период с 1983 по 1996 г. по темам: «Оценка точности лабораторного определения некоторых показателей физико-механических свойств пород», по договору с ГСПИ- «Оценка и контроль качества лабораторного определения характеристик грунтов в лабораториях «Гипро-нисельпрома и Атомэнергопроекта» и Международного эксперимента по оценке качества и различия результатов определения характеристик грунтов «Международные соотношения однотипной инженерно-геологической информации» .

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные положения диссертации докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГРИ (1987;1997г.г.), семинаре молодых ученых ВСЕГИНГЕО (1986, 1987 г.г.), Всесоюзном семинаре «Применение математических методов и ЭВМ в геологии» (Новочеркасск 1987 г.), данные разработки вошли в турникет «Методика оценки точности определения показателей физико-механических свойств грунтов» на ВДНХ в 1986 г., завоевавший бронзовую медаль, а также отражены в производственных отчетах и публикациях .

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации опубликовано 7 статей.

ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на страницах машинописного текста, содержит.

Выводы.

1. Характеристики грунтов, используемые для проектирования и строительства, определяются согласно государственным стандартам соответствующей страны или принятой в ней методики.

2. Наибольшее распространение в различных странах получили стандарты США (АЫЭ1/АЗТМ Б) (Германия, Великобритания, Австралия, страны Латинской Америки и Африки и др.) и России (ГОСТ)(Узбекистан, Украина,. Велорусь, Болгария, Монголия идр.). Нормативные документы большинства других стран (Польша, Китай, Чехия и др.) используют методы, методики и приборы этих госу-дарств с незначительными изменениями.

3. Некоторые методы и методики, используемые для определения показателей физических свойств грунтов практически одинаковы во всех странах. Другие отличаются отдельными операциями в проведении опытов, в подготовке грунта к испытаниям или конструкциями используемых приборов. Несколько характеристик грунтов определяются совершенно разными методами.

4. Показатели некоторых свойств грунтов, получаемые в инженерно-геологичес ких лабораториях разных стран существенно различаются между собой.

5. Используемые в инженерно-геологической практике нормативные документы (стандарты, руководства, инструкции и др.) в различной степени учитывают часть факторов (в методиках опытовусловиях храненияустройстве применяемой аппаратуры) существенно влияющие на результаты определения характеристик грунтов.

6. В нормативных документах отсутствуют обоснованные характеристики погрешностей показателей свойств грунтов, которые можно было бы использовать при оценке их качества .

5. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЛАБОРАТОРНОЙ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Отсутствие эталонов, мер, стандартных образцов характеристик грунтов затрудняет оценку качества результатов лабораторных исследований. Согласно существующим стандартам для оценки качества лабораторного изучения грунтов могут быть использованы значения погрешностей характеристик грунтов, зависящие от особенностей объекта изучения, метода и методики их оценки, метрологических свойств средств измерения, единиц измерения, индивидуальных особенностей лаборанта, лаборатории.

Оценка качества лабораторного определения характеристик свойств грунтов должна проводиться не случайно, а систематически по обоснованной, специально разработанной методике. В геохимии [2, 7,], гидрогеохимии [8] такие методики имеются. В 197 9 году М. И. Горальчук на основе общепринятых теоретических положений была разработана, пови-димому, первая в инженерной геологии «Инструкция по внутреннему и внешнему арбитражному контролю качества испытаний инженерно-геологических свойств горных пород». Однако, распространения она не получила.

Настоящая методика оценки качества лабораторного определения характеристик грунтов основана на следующих положениях :

— необходимости постоянной оценки и регулирования воспроизводимости и правильности результатов лабораторных испытаний грунтов;

— невозможности в большинстве случаев повторения испытаний образцов грунта, что требует оперативной оценки систематической и случайной составляющих погрешности определения характеристик грунтов;

— обеспечение возможности учета погрешностей при дальнейшем статистическом анализе информации;

— обеспечение соответствующей точности лабораторных определений характеристик грунтов при соответствующих предъявляемых к ним требованиях.

Для решения этой задачи на кафедре инженерной геологии МГГА путем многолетних экспериментов, проведенных в 2 6 инженерно-геологических лабораториях, определили точность лабораторных анализов комплекса показателей физических и физико-механических свойств песчаных и глинистых грунтов в широком диапазоне их изменения, получили оценки случайной и систематической составляющих погрешности лабораторных анализов, отвечающих требованиям Государственной системы обеспечения единства измерений. Эти данные позволили разработать методику оценки, контроля и управления качеством характеристик грунтов, определяемых в инженерно-геологических лабораториях.

Разработка методики оценки качества определения характеристик грунтов включала в себя следующие операции.

1. Выбор контролируемых величин.

2. Оценку допусков.

3. Определение числа необходимых для осуществления корректной оценки качества образцов и лабораторий.

4. Определение периода оценки качества.

5. Организацию оценки качества.

Суть методики заключается в следующем. В группу инженерно-геологических лабораторий рассылалась по несколько (п) монолитов-близнецов, вырезанных из одного искусственно изготовленного квазиоднородного по составу и свойствам монолита или стандартных образцов грунта. В качестве исходного материала использовался набор грунтов, иммитирую-щих систему стандартных образцов, включающих пески, супеси, суглинки и глины. В ведомости — заявке (приложение 1) каждой лаборатории предлагалось определить комплекс показателей свойств грунтов и ГОСТы, инструкции или конкретный вариант методики их оценки. Совместная обработка полученных результатов лабораторных анализов выполнялась с помощью дисперсионного анализа по известной методике[35]. В итоге эксперимента получили для каждого показателя свойств грунтов межлабораторные (сгм) и внутрилабораторные (сгв) оценки воспроизводимости, являющиеся характеристиками соответственно систематической и случайной погрешностей измерений в инженерно-геологической лаборатории согласно МИ 1317−86 и, следовательно, объективными мерами точности используемых методов измерений. Величины погрешностей могут использоваться для характеристики качества результатов измерений показателей свойств грунтов, выполняемых любой инженерно-геологической лабораторией. Расчеты выполняются следующим образом.

Вычисляют среднее арифметическое значение показателя в каждой 1-ой лаборатории (х±-) и генеральное среднее арифметическое для всех лабораторий (X):

X! =?хзд/п — X = Ех±/к, где п (1=1-п) — количество монолитов, исследованных в.

1-ой лабораторииХз/±- - частное определение показателяк (1=1-к) — количество лабораторий, участвующих в эксперименте.

В качестве частной характеристики систематической составляющей погрешности лабораторного определения характеристик грунтов используется разность (А±-) между средним значением характеристики, полученным в лаборатории и ее генеральным средним значением.

Для оценки случайной составляющей погрешности используется ошибка внутрилабораторной воспроизводимости — аВ1.

Ув, 1 = X!)2 / (П-1) ] 0,5.

Величины случайной и систематической погрешностей определения вычисляют по формулам ов = ?ств±/п — ам = {[Е (х±-Х)2/(к-1)]-ств2/п }0'5.

Величины систематической и случайной погрешностей измерений различны для разных типов грунтов, но в рамках типа могут использоваться для характеристики качества измерений показателей свойств грунтов. В таблице 4 приведены некоторые значения ств и ам, полученные для исследованных в процессе межлабораторного эксперимента песчаных и глинистых грунтов.

Сравнение Д±и ав±с допусками или принятыми ведомством контрольными значениями различных уровней позволяет регулировать качество лабораторных анализов в любой инженерно-геологической лаборатории, выявлять недостатки в определении характеристик грунтов, корректировать технологию лабораторных испытаний грунтов и устранить или уменьшить влияние погрешностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Комплексное изучение качества исследований грунтов в лабораториях России и за рубежом одновременно выполнено впервые. Данная работа потребовала решения широкого круга задач. К основным результатам работы относятся следующие.

В лабораторных условиях при исследовании грунтов получают оперативную инженерно-геологическую информацию. Основой ее получения является фиксация данных субъектом или приборами. Получение оперативной инженерно-геологической информации требуемого качества — основная задача инженер-ногео-логических исследований.

В настоящее время в инженерной геологии во многих странах для получения информации о грунтах используются свои стандарты на определение характеристик грунтов. Большинство определяемых показателей идентичны. Однако, методики их определения, используемые приборы, операции и приспособления различны. Впервые установлено принципиальное различие моделей геологической среды, получаемых и используемых российскими и зарубежными инженер-геологами.

Выявлено существование двух систем нормативных документов, регламентирующих лабораторные определения характеристик грунтов. Основой первой являются ГОСТы и СНиПы России, второй — АЫ31/АЗТМ Б США. Причем определение одних характеристик грунтов в обеих системах ведется по практически одинаковым методикам, определение других отличаются отдельными операциями и подготовкой грунта к испытаниям, а третьи определяются по принципиально различным методикам.

Единые требования к качеству и надежности частных определений характеристик грунтов в нормативных документах обеих систем отсутствуют. В ряде работ даются рекомендации по величине допустимых расхождений при параллельных определениях. Последние зависят от абсолютных значений показателей. Требования к качеству определения характеристик грунтов диктуются необходимостью получения достоверных значений обобщенных и расчетных показателей свойств грунтов, идущих в расчеты устойчивости сооружений .

Оценка качества оперативной информации осуществляется путем сопоставления полученных и действительных сведений о свойствах грунтов.

Разработана методика оценки качества лабораторной инженерно-геологической информации получаемой в России и за рубежом. Для характеристики качества использованы величины систематической и случайной погрешности определения характеристик грунтов. Произведена оценка зон приемлемых значений погрешностей определения свойств грунтов. Определены необходимые для осуществления корректной оценки качества количество исследуемых образцов и число лабораторий. Установлены периоды проведения оценки качества лабораторной инженерно-геологической информации. Разработаны контрольные карты погрешностей характеристик грунтов. Результаты оценки качества лабораторного определения характеристик грунтов представляются в виде таблицы, где результаты сгруппированы в соответствии с положениями систематической и случайной погрешностей определения характеристик грунтов по отношению к зонам приемлемых значений. Составлена схема проведения оценки качества лабораторной оперативной инженерно-геологической информации, позволяющая не только оценить качество определения характеристик грунтов в отдельных лабораториях страны, но и сопоставить результаты, полученные в разных странах между собой.

Впервые проведено сопоставление качества определения характеристи грунтов лабораториями разных стран (на примере лабораторий Германии и России).

Проведена оценка качества работы каждой лаборатории, участвующей в эксперименте. Итоги анализа полученных данных показали, что характеристики грунта определяются лабораториями России и Германии с разной степенью точности. Отсутствует лучшая по всем параметрам лаборатория. В Германии существуют значительные расхождения в точности определения отдельных параметров. В ряде случаев наблюдается существенные различия в точности определения классификационных показателей.

Впервые осуществлено сопоставление качества определения характеристик грунтов полученных по стандартам зарубежных (в частности Германии) стран и России. Установлены причины и значения систематических отклонений между результатами испытаний грунтов в российских и немецких лабораториях .

Определены переходные поправки к некоторым характеристикам грунтов исследуемым по стандартам России и Германии .

Уточнено соотношение некоторых классификационных наименований осадочных несцементированных грунтов принятых в России и за рубежом.

Проведена оценка расчетного сопротивления грунтов основания. Установлено, что использование данных зарубежных лабораторий при определении расчетного сопротивления грунта основания требует введения поправок и предварительной оценки идентичности в классифицировании грунтов.

Полученные результаты позволяют корректно использовать теоретические разработки и результаты производственных исследований, имеющиеся в России и за рубежомвыполнять совместные и зарубежные инженерно-геологические исследованияиспользовать зарубежное специальное лабораторное оборудование, приборы, установки.