Статья: Апробация и верификация за пределами г. Нерюнгри вероятностной модели прогноза прочности осадочных пород

Апробация и верификация за пределами г. Нерюнгри вероятностной модели прогноза прочности осадочных пород

Нерадовский Леонид Георгиевич

ФГБУН «Институт мерзлотоведения имени П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук», Якутск, Россия

Старший научный сотрудник Доктор технических наук

Аннотация

Решена сложная задача внешней апробации и верификации вероятностной модели г. Нерюнгри за его пределами в 572 км на северо-восток в сторону столицы Республики Саха (Якутия) г. Якутска. Апробация модели выполнена на станции «Кюргеллях», расположенной на участке «Беркакит-Томмот-Якутск» трассы Амуро-Якутской железнодорожной магистрали. Участок отличается сложными мерзлотно-грунтовыми условиями. Это и мерзлота, и переслаивание осадочных пород (доломитов, известняков), и тектонические разрывные нарушения в виде зон дробления, трещиноватости, и образовавшиеся по ним глубокие впадины, заполненные глинами древней коры выветривания. Всё вместе взятое образует неоднородное по строению и сильно изменчивое по прочностному и криогенному состоянию грунтовое основание инженерных сооружений станции «Кюргеллях». Изыскательскими работами и методом дистанционного индуктивного зондирования основание изучено в прогнозируемом водонасыщенном состоянии на глубине 6-12 м. Прочность осадочных пород на этой глубине непредсказуемо изменяется по площади между точками скважин. Тем не менее, в большинстве случаев (61-65 %) при случайных вариациях единичных значений прочности от 15,3 до 49,8 МПа массив осадочных пород и в прогнозируемом водонасыщенном состоянии относится к скальным грунтам средней категории прочности. Несмотря на сложные природные условия результат изучения модели г. Нерюнгри оказался успешным. Относительные шибки, по которым оценивался показатель точности модели, мало чем отличаются от нормативных лабораторных ошибок с допустимым пределом ±20 % при массовых определениях временного предела прочности скально-полускальных грунтов на одноосное сжатие в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии. При заданном одинаковом с лабораторными опытами уровне надёжности 80 % ошибки модели не превышают ±25 %. В местах расположения тектонических разрывных нарушений, где прочность пород становится ниже 31 МПа, единичные ошибки модели возрастают до 30-40 и 60-70 %. Вероятность появления таких событий невелика. В целом, на станции «Кюргеллях» она составляет около 12 %. Квинтэссенция результатов апробации и верификации модели г. Нерюнгри заключена в очередном подтверждении доказательства ранее выдвинутой автором настоящей статьи гипотезы о региональном статусе модели, т. е. о допустимости её применения в разных местах криолитозоны Южной Якутии. Цель применения модели по-прежнему остаётся неизменной и заключается в районировании освоенных и осваиваемых территорий Южной Якутии по категории прочности скально-полускальных грунтов.

Ключевые слова: станция «Кюргеллях»; осадочные породы; прочность; глубина; изыскания; прогноз; модель г. Нерюнгри; ошибки модели осадочная порода изыскание прочность массива

Neradovskii Leonid Georgievich

Melnikov Permafrost Institute Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Yakutsk, Russia

Approbation and verification outside the city of Neryungri of a probabilistic model for predicting the strength of sedimentary rocks

Abstract. The complex problem of external approbation and verification of the probabilistic model of the city of Neryungri beyond its borders, 572 km to the northeast towards the capital of the Republic of Sakha (Yakutia), Yakutsk, has been solved. The model was tested at the Kyurgellakh station located on the Berkakit-Tommot-Yakutsk section of the Amur-Yakutsk railway line. The site is characterized by complex permafrost and ground conditions. These are permafrost, interbedding of sedimentary rocks (dolomites, limestones), and tectonic faults in the form of crushing zones, fractures, and deep depressions formed along them, filled with clays of the ancient weathering crust. Taken together, it forms a non-uniform in structure and highly variable in strength and cryogenic state, the soil foundation of the engineering structures of the Kyurgellakh station. By survey work and remote inductive sounding, the base was studied in a predicted water-saturated state at a depth of 6-12 m. The strength of sedimentary rocks at this depth varies unpredictably over the area between well points. However, in most cases (61-65 %), with random variations in unit strength values from 15.3 to 49.8 MPa, the sedimentary rock mass and in the predicted water-saturated state belongs to rocky soils of the medium strength category. Despite the difficult natural conditions, the result of studying the model of the city of Neryungri was successful. The relative errors used to evaluate the model accuracy index are not much different from the standard laboratory errors with an allowable limit of ±20 % in mass determinations of the temporal strength limit of rocky-semi-rocky soils for uniaxial compression in the air-dry and water-saturated state. With a given level of reliability identical with laboratory experiments, 80 % of the model errors do not exceed ±25 %. In the locations of tectonic discontinuities, where the rock strength becomes lower than 31 MPa, single model errors increase to 30-40 and 60-70 %. The likelihood of such events occurring is low. In general, at the station «Kyurgellakh» it is about 12 %. The quintessence of the results of approbation and verification of the Neryungri model lies in another confirmation of the proof of the hypothesis previously put forward by the author of this article about the regional status of the model, i.e. on the admissibility of its use in different places of the permafrost zone of South Yakutia. The purpose of applying the model still remains unchanged and is to zoning the developed and developed territories of South Yakutia according to the category of strength of rocky-semi-rocky soils.

Keywords: station «Kyurgellakh»; sedimentary rocks; strength; depth; exploration; forecast; Neryungri town model; model errors

Введение

Вероятностная модель представляет собой визуально-аналитический образ одномерно-многомерных нечётких и неоднозначных взаимоотношений характеристик любой природы. Визуальный образ демонстрирует в виде графиков форму изменчивости зависимой характеристики от изменчивости одной или нескольких независимых характеристик. Аналитический образ описывает количественную сторону взаимоотношений характеристик. С одной стороны -- физически обусловленных прямых причинно-следственной отношений, математически описываемых уравнениями корреляционной связи. С другой стороны -- физически нереальных, но формально существующих обратных отношений, которые также описываются математическими функциями, но уже уравнениями регрессионной связи. Физически обусловленные отношения характеристик представляют собой первостепенный интерес академической науки, а математически формальные отношения -- интерес прикладной науки и практики, производства.

При научно-практическом применении любой вероятностной модели важнейшим вопросом является рассмотрение её местного, регионального и в редких случаях, глобального планетарного статуса в масштабе всей Земли. ¹ Для решения такого рода задач любая вероятностная модель должна пройти по возможности многоступенчатую апробацию и верификацию. Проще говоря, модель обязана пройти внутреннюю и внешнюю проверку точности в разных условиях её применения.

В настоящей статье речь идёт о вероятностной модели (далее, модель), построенной по результатам экспериментальных исследований в 80-90-х годах прошлого века для инженерногеологических условий г. Нерюнгри. Модель предназначена для прогноза прочности скально- полускального основания инженерных сооружений г. Нерюнгри по данным метода дистанционного индуктивного зондирования (ДИЗ). Первая внутренняя апробация модели была сделана путём сопоставления с фактическим материалом², по которому модель была построена. Этим материалом служили лабораторные определения временного предела прочности образцов песчаника в водонасыщенном состоянии (значения Rc в МПа). Со стороны данных метода ДИЗ гармонического поля высокочастотного вертикального магнитного диполя (ВВМД). Методика построения и результаты апробации модели с анализом её ошибок подробно описаны в журнале «Криосфера Земли» [1]. Результаты второй более сложной внутренней апробации модели, полученные в квартале «М» г. Нерюнгри по результатам сопоставления разновременных геолого-геофизических значений прочности образцов и массива песчаника, рассмотрены в журнале «Вестник Евразийской науки» [2]. Внешняя апробация модели выполнена за пределами г. Нерюнгри. ⁴ Результатам этой верификации посвящена статья в журнале «Геоинформатика» [3]. В настоящей статье продолжается тема разносторонней апробации модели г. Нерюнгри с целью доказательства или опровержения выдвинутой автором настоящей статьи гипотезы о принадлежности модели к классу петрофизических региональных моделей с помощью которой можно было бы решать задачи геомеханики мёрзлых грунтов на освоенной и осваиваемой территории Южной Якутии в районах распространения углевмещающих осадочных пород. Цель настоящей статьи -- рассмотреть результаты 2-ой внешней апробации модели г. Нерюнгри за его пределами на ещё одном участке -- станции «Кюргеллях» Амуро-Якутской ж/д магистрали (АЯМ).

Описание условий апробации и верификации модели

Внешняя проверка точности модели г. Нерюнгри выполнена по данным совместных инженерно-геологических изысканий ЮжЯкутТИСИЗ и ЯкутТИСИЗ, полученных в 1990-1991 гг. на площадке проектируемого жилого посёлка станции «Кюргеллях» размером 600 на 600 м². Станция расположена от административного центра Южной Якутии г. Нерюнгри на северо-восток в сторону столицы Республики Саха (Якутия) -- г. Якутска. Расстояние от станции «Нерюнгри-Пассажирская» до станции «Кюргеллях» по трассе железной дороги составляет 572 км. Недалеко от станции (около 12 км на юго-запад) расположен посёлок дорожников Улу.

В геомофологическом отношении станция «Кюргеллях» находится на вершине и привершинных пологих склонах водораздела 2-х ручьёв: Орто-Тала и Аччыгый-Тала. ⁵ Абсолютные отметки поверхности водораздела в пределах расположения станции изменялись от 513 до 529 м.

Изыскания на площадке жилого посёлка станции «Кюргеллях» были выполнены ЯкутТИСИЗ на стадии «проект» с бурением 25 колонковых скважин до глубины 10-12 м. Буровые работы производились по квадратной сетке с расстоянием между скважинами 150 м.

По данным буровых работ скально-полускальное грунтовое основание будущих инженерных сооружений посёлка сложено морскими нижнекембрийскими осадочными карбонатными породами Олёкминской свиты. В пределах изученной на площади посёлка части этой свиты осадочные породы представлены переслаиванием доломитов с известняками, которые имеют подчинённое распространение по площади и глубине. Сверху осадочные породы покрыты слоем четвертичных и древних делювиально-элювиальных отложений. Отложения четвертичного возраста мощностью от 0,4-0,8 до 1,0-2,1 м распространены почти повсеместно и сложены суглинком с включением дресвы и гравия осадочных пород. Древние отложения точно не известного кайнозойского или палеозойского возраста состоят из

ярко-красных, жёлтых глин и распространены в тектонических зонах разрывных нарушений. В большинстве случаев мощность слоя глин равна 1,6-2,8 м, но в примыкании к тектоническим зонам увеличивается до 4,5-8,6 м и более. Так, например, в точках скважин № 901009 и № 901014 глины вскрыты до максимальной глубины бурения 10,0 и 11,7 м соответственно. По данным метода дискретной георадиолокации с аппаратурой 17ГРЛ-1⁶ в этих точках скважин глины древней коры выветривания распространяются до глубины 24,6 и 17,4 м.

Прочность осадочных пород на площадке жилого посёлка была изучена по схеме неравномерного избирательно-точечного опробования. Схема принята в прошлом веке в НПО «Стройизыскания» Госстроя РСФСР⁷ и до сих пор применяется в проектно-изыскательских организациях. По этой схеме из керна скважин необходимо вынимать один-два монолита из каждой литологической разновидности грунта. В соответствии с этим ведомственным правилом опробование прочности осадочных пород выполнено в интервале глубины 0,8-11 м. Наиболее часто (в 73 % случаев) монолиты отбирались на глубине ниже 6 м в относительно сохранной от влияния процессов выветривания части осадочных пород. Значения R_c образцов осадочных пород, приготовленных из монолитов, определялись в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии по ГОСТ 21135.2-84⁸.

Работы методом ДИЗ производились в опытно-производственном порядке геофизиками ЮжЯкутТИСИЗ с аппаратурой «СЭМЗ»⁹ в точках скважин и между ними на разном расстоянии от 50 до 100 м. В ходе работ принимались во внимание рекомендации геофизиков ПО «Якутзолото», которые на тот период времени имели опыт работы с аппаратурой «СЭМЗ». В соответствии с рекомендациями и особенностями геологического строения площадки жилого посёлка измерения сделаны в 4-х азимутах (юг-север, восток-запад). При этом на первом этапе полевых работ (летом 1991 г.) были измерены только ортогональные составляющие эллипса поляризации поля ВВМД. Это -- значения модуля амплитуды напряжённости вертикальной (Hz) и горизонтальной (Hr) составляющей, измеренные на оптимальной частоте 1,125 МГц в интервале разноса¹⁰ 5-100 м. На втором этапе работ (летом 1991 г.) на нескольких скважинах¹¹ были сделаны дополнительные параметрические измерения на частоте 1,125 и 0,281 МГц всех составляющих эллипса поляризации, необходимые для определения эффективных значений двух базовых электрофизических характеристик. Это -- электрическое сопротивление (далее сопротивление) и вещественная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости (далее, проницаемость).

По результатам ретроспективного анализа определялось среднее азимутальное значение коэффициента амплитудного ослабления значений Hz в зависимости от разноса¹² (коэффициент к). Этот коэффициент рассматривался в качестве количественной оценки меры затухания поля ВВМД в грунтовом основании жилого посёлка в некоторой окрестности скважин. Значения к служили входными данными для модели г. Нерюнгри с использованием модифицированного уравнения степенной функции [4], по которому вычислялись прогнозные значения Rc массива осадочных пород в водонасыщенном состоянии.

Несмотря на определённые на скважинах параметрические эффективные значения сопротивления и проницаемости ради научного интереса они были оценены ещё раз, но иным путём, используя данные методов ДЭМП и георадиолокации. Со стороны СЭП в качестве эффективных значения сопротивлений применялись 3-х разносные сопротивления, определённые на частоте 625 Гц. Со стороны георадиолокации применялись значения скорости распространения электромагнитной волны, вычисленные для всех инженерно-геологических элементов (ИГЭ).¹³ Это понятие и методику его выделения на основе методов математической статистики впервые предложил в 1956 г. выдающийся учёный геолог Н.В. Коломенский в соавторстве с И.С. Комаровым. Об этом редко известном факте, который сообщил В.А. Комаров, свидетельствует учебник по инженерной геологии¹⁴, а также другие работы Н.В. Коломенского, в которых он развивал идею применения ИГЭ ¹⁵ [5]. Что касается обязательного применения ИГЭ в практике инженерной геологии и инженерно-строительных изысканий, то оно было официально утверждено гораздо позже предложения Н.В. Коломенского и И.С. Комарова. Сначала ГОСТ 20522-75 ¹⁶, затем ГОСТ 20522-96 ¹⁷ и наконец, в обновлённом варианте эти документы заменены на ГОСТ 20522-2012.¹⁸