Создание многофакторных вычислительных моделей решения геотехнических задач с помощью методов искусственного интеллекта: аналитический обзор

 
 
Ǵ. Ǹ. ǸȕȑȕȒȕȉ 
 
 
 
ǸǵǮǫǧǴǯǬ 
dzǴǵǪǵǻǧDZǹǵǷǴȂǼ ǩȂǾǯǸDzǯǹǬDzȃǴȂǼ 
dzǵǫǬDzǬǰ ǷǬǿǬǴǯȆ 
ǪǬǵǹǬǼǴǯǾǬǸDZǯǼ ǮǧǫǧǾ 
Ǹ ǶǵdzǵȀȃȅ dzǬǹǵǫǵǩ 
ǯǸDZǺǸǸǹǩǬǴǴǵǪǵ ǯǴǹǬDzDzǬDZǹǧ 
ǧǴǧDzǯǹǯǾǬǸDZǯǰ ǵǨǮǵǷ 
 
 
dzȕȔȕȊȗȇțȏȦ 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇ    ǩȕȒȕȊȋȇ 
«ǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ» 
2024 
 

УДК 624.1 
ББК 38.58 
   С59 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор,  
заведующей кафедрой прикладной физики и нанотехнологий 
ФГБОУ ВО «ЧГУ им. И. Н. Ульянова» В. С. Абруков; 
кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «ПГТУ» В. Е. Глушков 
 
Соколов, Н. С. 
С59   
Создание многофакторных вычислительных моделей решения геотехнических задач с помощью методов искусственного 
интеллекта: аналитический обзор : монография / Н. С. Соколов. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 308 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1689-4 
 
Проведен поиск и анализ современной научно-технической литературы по воздействию физических процессов на вещество, примеров применения их для решения задач устройства буроинъекционных свай, примеров применения на вещество с целью определения возможных способов устройства буроинъекционных свай и свайных фундаментов, механизмов воздействия на вещество; методик и технологий управляемого 
воздействия на среды с типичными для мелкозернистого бетона характеристиками, возможностей и перспективных установок  для  создания 
гидравлических ударов до 100,0 кДж. 
Для инженеров и работников строительной индустрии. 
 
УДК 624.1 
ББК 38.58 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1689-4 ” Соколов Н. С., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

СОДЕРЖАНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
...................................................................... 8 
1. Аналитический обзор информации по воздействию
микроволнового излучения на среды с типичными  
для геотехнических задач характеристиками ..............................10 
1.1. Результаты поиска научно-технической литературы  
по воздействию микроволнового излучения на вещество  
и примеры воздействия микроволнового излучения  
на вещество .....................................................................................12 
1.2. Примеры применения микроволнового излучения  
для решения задач укрепления свай и решения  
геотехнических задач .....................................................................13 
1.3. Анализ механизмов действия микроволнового  
излучения на вещество, методов и технологий управляемого 
действия излучения на среды с типичными  
для геотехнических задач характеристиками ..............................40 
1.3.1. Методы интенсификации химико-технологических 
процессов 
.........................................................................................40 
1.3.2. Физические основы применения МИ..........................42 
1.3.3. Анализ возможностей существующих  
и перспективных микроволновых установок для создания  
микроволновых импульсов различной длительности и энергии .....47 
2. Результаты экспериментов, испытаний и реальных
промышленных реализаций по решению технических задач  
с помощью микроволнового излучения (МИ) .............................51 
Заключение 
............................................................................105 
3. Аналитический обзор научно-технической литературы
по воздействию светового излучения различных длин волн  
на среды с типичными для мелкозернистого бетона  
оптическими и теплофизическими характеристиками .............107 
3.1. Общие механизмы воздействия светового излучения 
(световых потоков) на вещество .................................................108 
3 

3.1.1. Световое излучение ....................................................108 
3.1.2. Лазеры. Лазерное излучение 
......................................108 
3.1.3. Механизмы воздействия светового излучения  
(световых потоков) на вещество .................................................109 
3.2. Методы, методики и технологии управляемого  
действия лазерного излучения различных длин волн на среды  
с типичными для цементно-песчаного раствора оптическими  
и теплофизическими характеристиками ....................................111 
3.2.1. Основные проблемы, а также методы и методики 
управляемого действия лазерного излучения различных длин 
волн на различные среды 
.............................................................111 
3.2.1.1. Испарение металлов ............................................... 112  
3.2.1.2. Облучение твёрдых мишеней .................................112 
3.2.1.3. Лазерная искра (оптический пробой газа) 
.............112 
3.2.1.4. Лазерная резка 
..........................................................113 
3.2.1.5. Лазерная маркировка 
...............................................114 
3.2.2. Результаты поиска примеров применения ЛИ  
для решения задачи устройства буроинъекционных свай,  
решения различных геотехнических и близких к ним задач ......116 
3.2.2.1. Результаты поиска в научно-технической  
литературе примеров применения ЛИ для решения задачи 
устройства буроинъекционных свай ..........................................117 
3.2.2.2. Результаты поиска в научно-технической  
литературе примеров применения ЛИ, которые могут  
служить основой для разработки технологий устройства  
буроинъекционных свай ..............................................................119 
3.3. Возможности существующих и перспективных  
мощных световых установок для создания световых импульсов 
различной длительности с энергией от 1,0 до 100,0 кДж 
.........131 
3.3.1. Терминология 
..............................................................131 
3.3.2. Газовые лазеры 
............................................................133 
3.3.3. СО2-лазеры с замкнутым объемом 
............................134 
3.3.4. Проточный СО2-лазер 
.................................................134 
4 


3.3.5. Т-лазеры 
.......................................................................134 
3.3.6. Твердотельные лазеры................................................134 
3.3.7. Оптоволоконные лазеры ............................................135 
3.3.8. Промышленные волоконные лазеры ........................138 
3.4. Рекомендации по применению световых потоков  
для решения задач устройства буроинъекционных свай 
..........140 
3.4.1. Светогидравлический удар ....................................... 141  
3.4.2. Радиогидравлический эффект....................................143 
3.4.3. Эффект самофокусировки 
..........................................144 
3.4.4. Рекомендации по возможным способам устройства 
буроинъекцонных свай ................................................................147 
3.5. Опасные и вредные факторы в процессе эксплуатации 
лазерных устройств ......................................................................149 
4. Исследование электрофизических процессов  
в оборудовании для электроразрядной технологии (ЭРТ) 
устройства буроинъекционных свай ..........................................155 
4.1. Некоторые особенности электрического разряда  
в газах ............................................................................................155 
4.1.1. Основные типы электрических полей ......................156 
4.1.2. Разряд в форме грозовой молнии на землю .............158 
4.1.3. Пробой газового включения в твердой или жидкой 
изоляции («задача на 4 точки») 
...................................................163 
4.1.4. Электрический пробой промежутка  
в слабоэлектропроводной жидкости при большом  
периоде разряда конденсаторной батареи................................. 165  
4.1.5. Вольтамперные характеристики пробитых  
промежутков .................................................................................166 
4.1.6. Возможности управления длиной разрядного  
промежутка в жидкости ...............................................................168 
4.1.7. Использование скользящего разряда ........................170 
4.1.7.1. Использование многозазорного промежутка  
для увеличения «рабочего зазора» 
..............................................171 
5 


4.1.7.2. Особенности вольт-секундных характеристик  
пробиваемых промежутков .........................................................172 
4.1.7.3. Примерная конструкция многозазорного рабочего 
промежутка ...................................................................................174 
4.1.7.4. Возможный порядок проведения эксперимента  
с конструкцией 
............................................................................. 175  
4.2. Интенсификация процессов в цементно-песчаных 
растворах .......................................................................................176 
4.2.1. Электроразрядное бурение ........................................176 
4.2.2. Электроразрядная технология устройства  
буроинъекционных свай (ЭРТ) ...................................................176 
4.3. Энергетика цепи разряда 
...............................................178 
4.3.1. Схема замещения установки 
......................................178 
4.3.2. Способы реализации режимов, близких  
к апериодическому .......................................................................180 
4.3.3. Анализ возможностей повышения эффективности  
рабочего органа при разрядно-импульсной технологии ..........180 
4.4. Возможные дополнительные результаты перехода  
к многозазорному рабочему органу 
............................................185 
4.5. Технологические устройства, разработанные автором 
для устройства буроинъекционных и буронабивных свай 
.......186 
4.5.1. Устройство для изготовления набивной  
(буроинъекционной) сваи ............................................................186 
4.5.2. Разрядное устройство для изготовления набивной 
(буроинъекционной) сваи ............................................................194 
4.5.3. Генератор импульсных токов (ГИТ) 
.........................200 
4.5.4. Электроимпульсная установка для изготовления 
набивных (буроинъекционных) свай 
..........................................204 
4.5.5. Способ устройства набивной (буроинъекционной) 
сваи ................................................................................................209 
4.5.6. Геотехническая технология изготовления набивной 
заглубленной железобетонной конструкции в грунте ..............218 
6 


4.5.7. Способ возведения буронабивной  
(буроинъекционной) сваи с грунтоцементными уширениями  
в зоне слабых грунтов и устройство для его осуществления  
(варианты) .....................................................................................227 
4.5.8.  Буровая колонна для возведения буронабивной  
(буроинъекционной) сваи в грунтоцементной оболочке 
......... 256  
4.5.9. Пространственный арматурный каркас  
для буронабивной (буроинъекционной) сваи  
с грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов 
.......271 
Выводы по первой главе ......................................................281 
Выводы по второй главе ......................................................281 
Выводы по третьей главе .....................................................282 
Выводы по четвертой главе .................................................283 
Список литературы 
...............................................................284 
 
 
7 


ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Освоение территорий, ранее считавшихся непригодными 
для строительства, требует особого подхода. Возникает необходимость обязательного учета влияния нового строительства или 
реконструкции на надежную эксплуатацию ранее построенных 
зданий и сооружений. При этом немаловажным является обеспечение устойчивости склонов с возведенными на них объектами. Если учесть тот факт, что в последнее время активно осваивается подземное пространство, роль геотехнического строительства многократно возрастает. 
В качестве основных строительных конструкций для целей геотехнического строительства используются железобетонные сваи. Это сваи, погружаемые в грунт в готовом виде (забивные, задавливаемые, завинчиваемые сваи), а также свай, изготавливаемые в грунте. Это буровые свай (буронабивные и буроинъекционные). 
Первый тип свай в геотехническом строительстве реже 
используется, чем второй тип, вследствие их отрицательного 
воздействия на существующие здания в зоне геотехнического 
влияния. 
Необходимо отметить, что главной расчетной характеристикой всех типов свай является их несущая способность по 
грунту.  В связи с возрастающими нагрузками на подземные 
конструкции возникает необходимость использования буровых 
свай с повышенными значениями несущей способности по 
грунту Fd. Увеличения несущей способности можно добиться 
двумя путями. Первый способ предполагает добиться этого за 
счет увеличения размеров поперечного сечения и погружения 
нижних 
концов 
свай 
на 
более 
глубокие 
инженерногеологические элементы (ИГЭ). Этим способом невозможно добиться очень больших значений несущей способности вследствие ограниченных технических возможностей буровых установок или сваевдавливающих, завинчивающих и забивных 
установок. Второй способ увеличения Fd предполагает устройство вдоль длины буровых свай промежуточных уширений 
(подпятников). Эти уширения возможно устроить или механи8 


ческим способом или с помощью электрофизических и электрохимических технологий. 
Для решения данной рассматриваемой  задачи  был проведен поиск и анализ современной научно-технической литературы по воздействию светового излучения различных длин волн 
на вещество, примеров применения электрофизических процессов для решения задачи устройства буроинъекционных свай, 
примеров применения этих технологий на вещество с целью 
определения возможных способов решения задачи устройства 
буроинъекционных свай и свайных фундаментов, а также механизмов воздействия  на вещество; методов, методик и технологий управляемого действия этих процессов на среды с типичными для мелкозернистого бетона  характеристиками,  возможностей существующих и перспективных силовых установок для 
создания электрофизических импульсов различной длительности с энергией высокой мощности. 
 
9 


1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИНФОРМАЦИИ  
ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ  
НА СРЕДЫ С ТИПИЧНЫМИ ДЛЯ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ 
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ 
 
Задача устройства буровых (буроинъекционных) свай и 
свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических 
условиях является актуальной как с технико-экономической 
точки зрения, так и с точки зрения экологии.  
Для решения вышеупомянутой задачи был проведен поиск и анализ современной научно-технической литературы по 
воздействию микроволнового излучения на вещество, примерам 
применения микроволнового излучения для решения геотехнических задач, задач укрепления свай и свайных фундаментов, 
механизмам воздействия микроволнового излучения на вещество; методам и технологиям управляемого действия микроволнового излучения на среды с типичными для геотехнических 
задач характеристиками, возможностям существующих и перспективных микроволновых установок для создания импульсов 
различной длительности с энергией от 1,0 до 100,0 кДж. 
В результате проведенной работы были выработаны рекомендации и конкретные предложения по применению микроволнового излучения для решения задач укрепления свай и других геотехнических задач. 
Объектом исследования является научно-техническая литература по воздействию микроволнового излучения на вещество.  
Цели работы:  
1. Обзор и анализ примеров воздействия микроволнового 
излучение на вещество и применения его с целью определения 
возможных способов решения задач укрепления свай и решения 
геотехнических задач. 
2. Выявление механизмов действия микроволнового излучения на вещество. 
3. Анализ методов и технологий управляемого действия 
излучения на среды с типичными для геотехнических задач характеристиками. 
10