Лессовые грунты занимают до 70% территории Украины, наиболее мощные толщи находятся в Днепропетровской, Запорожской, Одесской областях [1].
Большая плотность населения этой территории и ее промышленное развитие привело к активизации негативных инженерно-геологических процессов и увеличению геоэкологических опасностей. Известно, что лессовые грунты имеют особое свойство – просадочность. При подтоплении или значительном увлажнении лессы уплотняются, следствием чего являются деформации фундамента сооружений, что может привести к их полному или частичному разрушению. До 45 % средств тратится на предотвращение развития этого явления в основании сооружений[2].
Предупреждение развития просадки усложняется тем, что отсутствует метод прогноза деформаций просадки, как процесса направленной деградации грунтов. Под деградацией понимается процесс ухудшения свойств грунта в результате длительного комплексного техногенного воздействия в условиях плотной застройки.
В данной работе был выполнен прогноз изменчивости свойств просадочных грунтов в зоне аэрации на застроенной территории по результатам применения метода группового учета аргументов[3]. Использование прогнозных значений просадки лессовых грунтов может применяться для прогноза негативных инженерно-геологических процессов, для оценки состояния сооружений, и разработки комплекса мероприятий по инженерной защите.
На территории города Днепропетровска прогноз просадочных свойств является особенно актуальным, так как развитие негативных процессов в этом городе неоднократно приводило к деформации и разрушению. Много промышленных и гражданских сооружений находятся в зоне геодинамического риска просадочных и оползневых явлений.
В июне 2012 года во время учебной практики, нами было проведено обследование бассейнов балок Запорожская, Тоннельная, Красная, Евпаторийская, Встречная и Красноповстанческая. Обследования показали повсеместное развитие негативных процессов. Таких как: активизация оползней, развитие суффозионных явлений, образование разрывов в дорожном покрытии, наличие многочисленных трещин в зданиях и сооружениях. По результатам обследования были построены карты фактического материала и активизации оползневых процессов в пределах эрозионного бассейна, собраны данные для дальнейшего исследования[4].
Математическая модель инженерно-геологического процесса, которым является процесс развития просадочных деформаций на территориях с высокой плотностью застройки, учитывает действие многих внешних факторов. Поэтому целесообразным является использование индуктивного моделирования, что позволяет выполнить прогноз поведения или состояния сложной системы - геологической среды, с использованием данных малого объема. Идеи индуктивного моделирования реализуются в методе группового учета аргументов. Метод группового учета аргументов – это оригинальный метод построения модели с использованием малого числа экспериментальных данных в условиях неопределенности[5].
Теоретические основы метода разработаны украинским ученым Ивахненком О.Г. в восьмидесятых годах прошлого века. На основе его исследований, научным руководителем была разработана методика прогноза[6].
В основе метода лежит метод самоорганизации, по которому оптимальная модель находится по минимальным значениям внешних факторов. В процессе моделирования ставится задача выявления форм зависимости и выбора факторов, которые имеют существенное влияние на зависимую переменную. При этом структура модели, в отличии от регрессионного анализа, заранее не фиксируется, а выбирается из множества вариантов по данным критериям.
Для реализации этого метода были использованы данные инженерно-геологических исследований, выполненных в пределах бассейна балки Запорожская с 1980 по 2007 год. Территория застроена 5-этажными жилыми домами, которые нуждаются в срочной реконструкции. База данных представляет собой результаты инженерно-геологических исследований, включающих результаты лабораторных определений физических свойств и просадочности. Учитывая данные об особенностях геологических условий, положение уровня подземных вод, конструкцию домов, был выделен причерноморско-дофиновский горизонт, как среда возможного развития просадочных деформаций в зоне влияния сооружений.
Стохастический анализ изменчивости свойств во времени показал, что выборочные данные образуют несимметричную, но однородную, по действующим стандартам, совокупность. Гипотеза про нормальный закон распределения не подтвердилась. Изучены результаты корреляционного анализа, построены регрессионные модели связи между показателями физических свойств. Эти показатели рассматриваются как переменные, в совокупности, определяющие значения коэффициента относительной просадочности.
В построении модели принимали участие 7 переменных (Т – год отбора, года; Z – глубина отбора, м; W – влажность, д. ед.; Wp – верхний предел пластичности, д. ед.; Wl – нижний предел пластичности, д. ед.; PL – плотность грунта, г/см3; PLS – плотность частиц грунта, г/см3). Значения относительной просадочности имеют смысл функциональной переменной, которая позволяет охарактеризовать прогнозное состояние массива в пределах зоны влияния сооружений и за их пределами.
Проанализировано изменение прогнозных просадочных деформаций при природной нагрузке (до 0,05 МПа), и при дополнительной нагрузке 0,3 МПа. Учитывая длину исследуемого ряда (27 лет), срок прогноза принят равным 2016 году.