Применение средств подповерхностного радиолокационного зондирования для решения задач инженерной геологии на территории Тюменской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение средств подповерхностного радиолокационного зондирования для решения задач инженерной геологии на территории Тюменской области

Е.Л. Шошин

Аннотации

В работе рассматривается применение средств подповерхностного радиолокационного зондирования для решения задач инженерной геологии на территории Тюменской области. Описаны области применения средств георадарного контроля состояния водосточных коллекторов, земляного полотна железнодорожных линий. Рассматриваются возможности радиолокационного метода измерения длины свай, установленных в грунт. Приведены примеры выполненных работ.

Ключевые слова: георадар, радиолокационный профиль, антенный блок.

THE USE OF MEANS OF SUBSURFACE RADAR SOUNDING FOR SOLVING TASKS OF ENGINEERING GEOLOGY IN THE TERRITORY OF THE TYUMEN REGION

Е. L. Shoshin

Surgut state University of KHMAO-Yugra, Surgut, Russia

Abstract. The paper discusses the use of subsurface radar sensing to solve problems of engineering Geology in the Tyumen region. Describes the field of application of GPR control status of drainage collectors, subgrade of railway lines. The possibilities of the radar method of measuring the length of piles installed in the ground are considered. Examples of the executed works are given.

Keywords: ground penetrating radar, radar profile, the antenna unit.

Введение

Одно из направлений повышения эффективности народно-хозяйственного комплекса Югры связано с внедрением георадарных средств дистанционного неразрушающего контроля различных материальных сред и объектов. В основу работы таких приборов положен принцип сверхширокополосного радиолокационного зондирования GPR (Ground Penetrating Radar) [1], который реализует прохождение сигнала через материальные среды и объекты различной плотности и позволяет строить инженерно-геологические профили до глубины 20-25 метров, обнаруживать разрушения в структуре исследуемого объекта. Практическое использование GPR и регистрирующей аппаратуры заключается в комплексном обследовании [2]: георадарный контроль радиолокационный

- сетей инженерных коммуникаций (восстановление схем подземных коммуникаций, определение мест локальных разрушений трубопроводов, определение объёмов утечки из трубопровода, определение уровня грунтовых вод относительно трубопровода, определение зон теплопотерь, мониторинг подповерхностных зон);

-автомобильных дорог и взлётно-посадочных полос (контроль и диагностика асфальтобетонных и других покрытий автомобильных дорого и взлётно-посадочных полос, определение толщины слоёв дорожного полотна, определение уровня грунтовых вод относительно уровня дорожного полотна, определение мест локальных разрушений);

- материалов фундаментов и строительных конструкций (определение состояния строительных конструкций, определение качества производимых работ по изготовлению заливных бетонных конструкций, определение скрытых трещин и пустот в строительных конструкциях, определение глубины заложения строительных конструкций, определение габаритных размеров, определение зон пучинообразования в земной коре);

- проведении геофизических обследований береговой линии и дна водоёмов при проектировании нефте-газотрубопроводов;

- в речном судоходстве (определение оптимального пути - фарватера - движения судов; диагностика зон распределения затопленного леса и других объектов).

В настоящее время на территории ХМАО-Югры нашли широкое применение отечественные георадары серии "ОКО", георадары "SIR" производства Geophysical Survey Systems Inc. (США). Георадары "ОКО" используют набор сменных сверхширокополосных антенн, который обеспечивает возможность зондирования в диапазоне частот от 50 МГц до 3 ГГц в почвогрунтах различной плотности, электропроводности и диэлектрической проницаемости. Тактико-технические характеристики антенных блоков (АБ) георадаров серии "ОКО" приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики антенных блоков

* для грунта с диэлектрической проницаемостью 4 ... 6 и удельным затуханием 1 ... 2 дБ/м (влажный песок, известняк, скальные породы, мерзлый грунт)

Диагностика состояния магистральных коллекторов

При проведении таких работ ставятся задачи оценки состояния трубы, околотрубного пространства, обнаружение отложений на стенках коллектора, мест утечек воды, определение координат пораженных участков трубы и др. Рассмотрим диагностику состояния магистральных коллекторов на примере георадарного обследования коллекторов в г. Тюмени по ул. Московский тракт, выполненное с помощью антенных блоков АБ-150, АБ-250 и АБ-700. По результатам поперечного профилирования до глубины 15 м с точностью +(8-12) см определялся диаметр и положение труб в плане. На рисунке 1 приведен радиолокационный профиль участка коллектора, где обозначено: 1 - глинисто-илистые отложения на дне коллектора, 2 - почвогрунты, выпадающие в коллектор через трещины, 3 - толщина стенки коллектора, 4 - пустота, 5 - уровень канализационных стоков, 6 - верхний техногенный слой, 7 - обводненная зона, 8 - основной глинистый слой.

Рис. 1. Радиолокационный профиль участка коллектора

По результатам обследования верхний слой инженерно-геологического профиля следует отнести к техногенному, который включает в себя асфальт, гравийную отсыпку, строительный мусор и почвогрунты. Между верхним слоем и глинистыми грунтами имеет место переходная обводненная зона, обусловленная просачиванием атмосферных осадков. На глубине 4,2 м залегает труба, в местах разрушенных участков которой наблюдается обводнение около трубного пространства, обваливание грунтов в трубу и их смыв.

Состояние околотрубного пространства можно охарактеризовать через отношение коэффициентов передачи сигнала - от георадара до поверхности трубы - для случая ее естественного состояния и для случая разуплотненного состояния под влиянием различных техногенных факторов. Зоны с разрушенным и не поврежденным грунтом выделяются по результатам анализа радарограмм. При этом, в качестве количественных оценок использовались усредненные значения коэффициента передачи среды:

, (1)

где - уровень зондируемого сигнала, - уровень отраженного от трубы сигнала, N - число измерений на обследуемом отрезке трассы.

Степень разуплотненности заполняющих околотрубное пространство почвогрунтов определяется как

, (2)

где и - значения коэффициентов передачи сигнала на участках грунта с неповрежденным и разуплотненным состоянием соответственно.

Разуплотнение грунтов, окружающих трубопровод, сказывается на его состоянии. Для количественной оценки степени повреждения трубы целесообразно использовать измерения уровней сигналов, отраженных внешней и внутренней стенками трубы с последующим составлением отношения:

, (3)

где и - значения коэффициентов передачи сигналов стенками трубы с неповрежденным и разрушенным состоянием соответственно.

Данные измерений состояния стенок трубопровода с различной степенью поврежденности позволяют предложить трехуровневую шкалу повреждений труб, с использованием коэффициента поврежденности:

1. Крзр = 0,6…0,9 - первая степень.

Трубы мало разрушены. В этом случае наблюдаются трещины на поверхности трубы длинной до 300 мм и толщиной не более 5 мм, приводящие к утечке воды, увлажнению внешней стенки трубы и околотрубного пространства. Обвалы стенок и попадание грунта в трубу не допускаются, изменение засорения трубы не наблюдается.

2. Крзр = 0,3…0,6 - вторая степень.

Трубы частично разрушены с локальным нарушением стенок и внутренним засорением. Наблюдаются трещины длиной до 700 мм и толщиной не более 30 мм, частичные обвалы стенок не более 50 мм в диаметре и 200 мм в длину, попадание грунта в трубы и частичное вымывание грунта. Наблюдается засорение труб на 30-40% от основного уровня, повышение уровня сточных вод, что приводит к уменьшению пропускной способности, повышению уровня сточных вод в колодцах, повышению уровня грунтовых вод.

3. Крзр = 0,0…0,3 - третья степень

Трубы разрушены на отдельных участках с нарушением цельности стенок и обвалом грунта, трубы не пригодны для эксплуатации. Наблюдаются трещины длиной до 1500 мм и более, толщиной более 60 мм, частичные обвалы стенок более 100 мм в диаметре и более 800 мм в длину. На рисунке 2 приведены примеры сигналов, рассеянных трубопроводами с различной степенью поврежденности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. 2. Временная реализация сигналов, отраженных от труб:

а - с первой степенью повреждения, б - с третьей степенью повреждения

Проведенное обследование участков трубопроводов в г. Тюмень по ул. Московский тракт и использованная шкала повреждений позволили определить состояние коллекторов (рисунок 3), выделить разрушенные зоны и классифицировать грунты по степени их разуплотнения. Результаты исследований приведены в таблице 2.

Рис. 3. Магистральный коллектор

Таблица 2. Результаты георадарного обследования коллектора

3. Диагностика состояния земляного полотна железнодорожных путей

Находящиеся в эксплуатации железные дороги испытывают интенсивное воздействие поездных нагрузок. В сочетании с влиянием множества техногенных, погодно-климатических и геологических факторов это приводит к возникновению в земляном полотне деформаций, в том числе создающих угрозу безопасности движения поездов. Диагностика причин деформаций требует проведения детального исследования инженерно-геологических условий земляного полотна. Проведение такого обследования с достаточной полнотой традиционными геологическими методами связано с бурением в значительном объеме, при этом, увеличиваются временные и материальные затраты. Из-за невозможности размещения буровой техники в непосредственной близости от железнодорожного пути, бурение производится легкими станками или вручную, что не всегда обеспечивает необходимую глубину изучения разреза. Георадарные методы позволяют проводить изыскания в труднодоступных условиях и получать информацию о детальном строении полотна железной дороги, на основе которой становится возможным установить причины деформаций и принять правильное проектное решение по стабилизации земляной насыпи. Использование на железнодорожных путях георадарных методов направлено на решение следующих задач:

- определение состояния балластной призмы (толщины, степени засоренности, выявление мест застоя воды);

- определение дефектов и деформаций грунтовой среды подбалластной зоны, насыпей и выемок;

- определение состояния заторфованных слабых оснований, осадок насыпей;

- выявление переувлажненных грунтов земляного полотна, определение уровня грунтовых вод в основании насыпи, подбалластной зоне и откосах, паводковых вод при подтоплении насыпей;

- определение границ многолетнемерзлых грунтов и растепленных пород;

- определение состояния дренажных устройств (траншейных, трубчатых, кротовых и др.);

- обнаружение и оконтуривание карстовых образований.

При георадарном обследовании железнодорожных путей целесообразно использование экранированных антенных блоков, которые обеспечивают существенное ослабление сигналов в верхнем полупространстве (над поверхностью грунта), чем достигается ослабление волн-помех. Использование экранированных антенн приводит к существенному упрощению технологии первичной обработки радарограмм.

Возникающие при георадиолокационной диагностике помехи условно можно разделить на две группы. К первой группе относятся помехи, свойственные георадиолокационному методу - сигналы прямого прохождения с антенного блока на вход приемника, минуя диагностируемую среду, и сигналы, отражаемые от поверхности грунта, в случае размещения антенного блока над поверхностью полотна дороги. Ко второй группе относятся помехи, возникающие от рельсошпальной решетки, контактной сети и обустройств железнодорожного пути. Волны-помехи прямого прохождения на вход приемника будут практически отсутствовать в случае использования рупорных антенн. Подавление помех от рельсошпальной решетки связано с уменьшением угловой расходимости излучения при помощи подбора антенного блока и реализации методики проведения измерений в пространстве между шпалами.

Рассмотрим диагностику состояния земляного полотна на примере обследования железной дороги Сургут-Улть-Ягун на участке 748 километра, выполненного георадаром серии "ОКО" в диапазоне частот 250 МГц. Целью исследований явился анализ причин склонности выбранного участка железной дороги к деформации полотна. Радарограммы, приведенные на рисунке 4, демонстрируют наличие неоднородных по своему составу увлажненных слоев балластной призмы. На рисунке 4а отчетливо видно, что водоотводная (дренажная) труба диаметром 1 000 мм, заложенная на глубине 1,8 метра относительно полотна железной дороги, замыкает уровень грунтовых вод в месте своего размещения. Рисунок 4б демонстрирует вариации глубины залегания уровня грунтовых вод (УГВ) в полотне железной дороги, которые на исследованном участке протяженностью 110 метров составили 1,3-2,0 метра. Рисунок 4в демонстрирует участок земляного полотна с неоднородным по водонасыщенности составом грунтов, при этом, с 830 по 999 м участка дороги на глубине 1,7-2,0 метра присутствует непрерывный сильно переувлажненный слой, в то время как с 719 по 819 м участка дороги входящие в состав земляного полотна слои слабо насыщены водой.

а)

б)

в)

Рис. 4. Уровень грунтовых вод на 748 километре железной дороги:

а - участок 1, б - участок 2, в - участок 3

Наличие талых, паводковых и грунтовых вод с неравномерным уровнем залегания приводит к появлению влажных и переувлажненных слоев, вносящие неоднородности в структуру земляного полотна. Это в свою очередь в весенне-летний период при оттаивании грунтов и осенне-зимний период при замерзании грунтов приводит к деформациям - пучению и просадкам - железнодорожного полотна при длительной эксплуатации дороги.

4. Измерение длины свай, установленных в грунт

В практической деятельности строителей и проектировщиков часто возникает задача контроля длины установленных свай. Георадарные методы позволяют измерять длину свай, используя следующие схемы измерений (рисунок 5):

1. Первый случай характеризуется доступом к оголовку сваи, при этом, радар устанавливается на открытую торцевую поверхность сваи и затем производится ее зондирование.

2. Во втором случае доступа к торцевой части нет, но к боковой поверхности оголовки сваи доступ может быть обеспечен путем производства шурфов, либо сваи могут быть открыты со стороны подвала, при этом, радар устанавливается около боковой поверхности сваи и затем производится ее зондирование.

3. Третий случай характеризуется отсутствием доступа к свае, при этом, радаром производится зондирование сваи путем установки излучающей антенны с одной стороны от оси сваи, а приемной антенны - с другой.

Во всех случаях длина сваи определяется по измеренному значению времени распространения сигнала в свае и известной скорости распространения электромагнитного сигнала в материале сваи. Ниже приведены результаты георадарного исследования свайного фундамента одноэтажного строения "Техникума бизнеса и права" (г. Нижневартовск, пр. Победы, 14). Исследование свай осуществлялось путем зондирования их с торца и с боковых поверхностей. Для определения длины свай использовался георадар серии "ОКО" с частотой зондирования 700 МГц. На рисунке 6 приведен способ представления обработанной радарограммы с отметкой от заглубленного конца сваи и геометрия сваи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. 5. Измерение длины свай:

а - зондирование с торца, б - зондирование с боковых поверхностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Радарограмма и геометрия сваи

Приведенные в таблице 3 результаты обследований свидетельствуют, что заглубление (длина) свай в обследованном свайном поле изменялось от 4,8 до 8,6 метров относительно нижнего уровня ростверка. Полученные данные измерений позволили их использовать для оценки несущей способности свайного фундамента.

Оценка глубины залегания фундамента и диагностика его состояния необходимы при проведении реконструкции здания. Методы измерения длины бетонных свай, рассмотренные выше, сохраняют свою работоспособность и в случаях, связанных с определением глубины залегания фундаментов. С учетом того, что площадь, занимаемая фундаментами здания, как правило, значительна, а сами фундаменты неоднородны по своему строению, при георадарном обследовании фундаментов следует закладывать профилирование с внутренней и внешней стороны здания.

Таблица 3. Результаты обследования

Заключение

Практическое применение средств подповерхностного радиолокационного зондирования эффективно при решении задач инженерной геологии. Георадарные методы диагностики состояния водосточных коллекторов, земляного полотна железнодорожных линий, измерения длины свай, установленных в грунт, демонстрируют возможности неинвазивного контроля материальных сред и объектов, безальтернативного во многих практических случаях.

Литература

1. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / под ред. А.Ю. Гринева. М. : Радиотехника, 2005.-416 с.

2. Владов, М.Л. Введение в георадиолокацию: учеб. пособие / М.Л. Владов, А.В. Старовойтов. - М. : Издательство МГУ, 2004. - 153 с.

References

1. Issues of subsurface radar. The collective monograph / under the editorship of Y. A. Grineva. M.: Radio Engineering, 2005.-416 р.

2. Vladov, M. L. Introduction to ground penetrating radar: proc. the allowance / M. L. Vladov and A. V. Starovoitov. - Moscow : Publishing house of Moscow state University, 2004. - 153 р.

Размещено на Allbest.ru