Жунусов К

Жунусов К.Д.

ЕНУ им.Л.Н.Гумилева, г. Астана, Казахстан

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОРАДАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В АВТОТРАНСПОРТНОЙ ОТРАСЛИ

В течение последнего десятилетия в Казахстане сохраняются проблемы в автодорожной отрасли. В рейтинге глобального индекса конкурентоспособности Всемирного экономического форума по индикатору качества дорог Казахстан в 2014 году занял 113 место из 144 стран мира. В связи с чем, за последние три года объем финансирования автодорожной отрасли из республиканского бюджета ежегодно увеличивался. Если в 2013 году выделено 228 млрд тенге, то в 2014 году - 266 млрд, или рост на 16%, а на 2015 год запланировано финансирование в объеме 343 млрд тенге, что больше средств, выделенных в прошлом году на 29%.

На республиканской сети сегодня протяженностью 23,5 км удовлетворительное состояние имеется на 79% и 21% является неудовлетворительным.

При ощутимых результатах за последние 10 лет в строительстве автодорог все равно сохраняются проблемы отрасли. Это неудовлетворительное состояние 33% автодорог в целом по местной и республиканской сети, несовершенство структуры управления, коррупционные риски, недостаток финансирования содержания автодорог, качество ремонта дорог, эксплуатация большегрузных транспортных средств с перегрузом, недостаточное обеспечение безопасности на дорогах и отсутствие сети сервиса. Для подробного изучения состояния автомобильных дорого необходимо провести их тщательное обследование [1].

Традиционно при проведении обследования, состояние покрытия оценивается визуально и, в лучшем случае, по материалам диагностики анализируется модуль упругости, ровность и сцепление. Этой информации не достаточно для определения способа и методов ремонта или реконструкции и прочего. Неизвестна толщина слоев дорожной одежды, состояние дорожно-строительных материалов (трещины, заиленность, дробление) и т.д. Внутреннее строение может быть выявлено только по результатам инженерно-геологических изысканий, которые предусматривают как при новом строительстве (реконструкции), так и при ремонтах, одну буровую скважину через 333 м. При этом достоверность инженерно-геологической информации составит всего лишь 0,4 % (4 скважины на 1000 м). Но также внутреннее строение и состояние дорожных конструкций может быть определено с помощью метода георадиолокации с применением георадарных технологий.

С практической точки зрения, стоимость проектно-изыскательских работ при этом достигает не более 3 % от стоимости строительно-монтажных работ. Эксплуатационные расходы на участках автомобильных дорог (достигающие при одиночных ремонтных работах до 50 % от стоимости СМР), проложенных по лагоприятным геологическим условиям, как минимум на 20 % будут меньше, что за жизненный цикл автомобильной дороги в несколько сотен раз окупит дополнительные затраты на изыскательские работы [2].

В связи с вышеперечисленным, применение георадара позволяет существенно снизить финансовые затраты и затраты времени на предоставление той или иной информации, касающейся геологических изысканий, а также позволяет повысить точность предоставляемых материалов их информативность и наглядность. Поэтому необходимо активно заниматься изучением и освоением данной технологии для повышения качества проводимых работ. В применении георадара есть множество достоинств, одним из которых является высокая производительность и высокая разрешающая способность, как в плане, так и по глубине. Глубинность исследования - от первых десятков сантиметров до первых десятков метров. Этот факт также способствует все более обширному применению георадара в настоящее время.

При изысканиях и проектировании дорог георадарные технологии позволяют:

· обследовать грунты, что позволяет определить состав и толщину слоев, наличие мерзлых или переувлажненных участков, оползневых процессов и тектонических нарушений, полостей, участков разуплотнения, наличие подземных коммуникаций, границ грунтовых и техногенных вод и т.д.;

o определить положение уровня грунтовых вод;

o оценить глубину водоема или реки в месте будущего мостовогоперехода и установить геометрические параметры по дну русла;

o определить места размещения и размеры инженерных коммуникаций;

o определить переувлажненные участки грунта;

o определить толщины конструктивных слоев дорожной одежды;

o разведать и оценить запасы полезной толщи в карьерах;

o оценить влияние автомобильных дорог на окружающую среду(например, при пересечении болот) и т.д;

При эксплуатации, ремонте и реконструкции автомобильных дорог возникают вопросы, связанные с изучением строения земляного полотна и прогноза его состояния. В частности:

1) изучение строения конструктивных слоев дорожной одежды:

а) определение толщины и характера искусственного покрытия автомобильной дороги;

б) определение толщины и характера конструктивных слоев;

в) выявление зон повышенной влажности, трещиноватости, зон пучения;

г) локализация инородных тел в конструктивных слоях;

2) изучение состояния подстилающих (коренных) грунтов:

а) определение положения уровня грунтовых вод;

б) выявление в разрезе грунтов, характеризующихся повышенной водонасыщенностью;

в) выявление зон разуплотнения;

3) картирование подземных коммуникаций [3].

Применение георадара для определения толщины дорожной конструкции и выявления неоднородности грунтов.

На рис. 1 представлен фрагмент радарограммы, полученный по профилю вдоль автомобильной дороги. При интерпретации радарограммы были определены мощности искусственного покрытия и конструктивных слоев дорожной одежды. Привязка по глубине осуществлялась по результатам ближайшей скважины.

Рисунок 1. Строение участка дорожной насыпи с водопропускной трубой по георадиолокационным данным - радарограмма с результатами интерпретации.

Рисунок 2. Зоны просадочных и разуплотненных грунтов

На радарограммах достаточно четко просматриваются зоны просадочных и разуплотненных грунтов ( рис. 2), которые характеризуются наличием воздушных прослоек или большой пористостью. Чему на радарограммах соответствуют большие значения амплитуды сигнала.

Рисунок 3. Пространственное изображение земляного полотна

На рис.3 приведено пространственное изображение земляного полотна над водопропускной трубой на участке автомобильной дороги с выделенными вымоинами и размытыми зонами с переувлажненными грунтами в их основании.

Выявление неоднородных грунтов в теле насыпи или наличие пылеватых грунтов также достаточно легко просматривается на радарограмме по характерным линиям синфазности.

Рисунок 4 Интерпретированная радарограмма поперечных разрезов на автомобильной дороге

На данной радарограмме выявлены неоднородные грунты (иногда одни и те же грунты, но имеющие различную влажность) в теле земляного полотна, что обуславливает неравномерность пучинных деформаций. Сдвиги грунта в поперечном направлении на участках уширения земляного полотна и оползневых участках отчетливо просматриваются по разрывам непрерывных линий синфазности и их смещению, которые, например, хорошо выделяются в верхней части по всему поперечному разрезу на рис.4.

Разуплотненная зона, наряду с основным, разуплотненным материалом, имеет повышенное содержание воды и/или воздуха. Подобные области отличаются по изменению наиболее важного параметра среды (для георадиолокации) – диэлектрической проницаемости, которая в области уплотнений меняется в несколько раз, так как диэлектрическая проницаемость трехкомпонентной среды (воздух, вода, минеральные зерна) определяется пропорцией этих компонент, для которых диэлектрическая проницаемость равна соответственно 1, 81 и 6-9.

На рис. 6 представлен фрагмент радарограммы, полученный по профилю вдоль автомобильной дороги. При интерпретации радарограммы были определены конструктивные слои дорожной одежды и земляного полотна. Привязка по глубине осуществлялась по результатам ближайшей скважины.

Рис 5. Строение участка дорожной насыпи с водопропускной трубой по георадиолокационным данным - геологический разрез

Рис.6. Толщина конструктивных слоев дорожной одежды на автомобильной дороге

На рис.6 приведена интерпретированная радарограмма продольного разреза дорожной одежды на участке автомобильной дороги. Выявление границ слоев дорожной одежды и литологических границ грунтов, которое характеризуется при георадарных работах на радарограммах всплеском амплитуды сигнала на границе каждого слоя (при изменении диэлектрической проницаемости материалов слоев), позволяет на протяжении продольного профиля проследить толщину слоев дорожной одежды и земляного полотна, а также оценить состояние рабочего слоя дорожной конструкции [4].

Применение георадара для переувлажненных участков грунта и определения уровня грунтовых вод.

Выделение переувлажненных и разуплотненных зон. Переувлажненные зоны, как правило, характеризуются низкими частотами. При выполнении работ, раскраска георадиолокационного профиля подбирается таким образом, чтобы с уменьшением частоты отраженного сигнала цвет становился более темным, при этом максимальная влажность грунта должна быть прямо пропорционально интенсивности синего цвета. Зоны раскрашенные синим цветом – это зоны низкой частоты и избыточно увлажненного грунта земляного полотна и подстилающего основания. Особенно четко зоны низкой частоты выделяются на профилях после применения преобразования Гильберта к исходным сигналам для наилучшего определения областей с повышенной энергией отражения.

Рисунок 7 .Интерпретированная радарограмма георадарного сканирования поперек полосы варьирования автомобильной дороги

На рис. 7 приведена интерпретированная радарограмма георадарного сканирования поперек полосы варьирования автомобильной дороги, где кривая скольжения выделена темно-синим цветом. Помимо упомянутых количественных показателей (толщины слоев дорожной одежды и грунтов земляного полотна, положения УГВ) можно выделить и качественные показатели, такие как локальные зоны и дефекты:

1) зоны просадочных и разуплотненных грунтов (например, из-за карстовых деформаций, осадки слабых грунтов и т.д.), вымоины и размытые зоны с переувлажненными грунтами в их основании и др.;

2) зоны инфильтрации поверхностных и грунтовых вод;

3) включения неоднородных грунтов (суглинистых и глинистых грунтов в кондиционные дорожно-строительные материалы);

4) сдвиги грунта в поперечном профиле и трещины в монолитных слоях дорожной одежды. [5].

С ХХ века в мире георадары начали в опытном порядке применяться при обследовании автомобильных дорог. На начальной стадии применения георадаров было очень много скептиков и противников, потому что результаты георадарной съемки интерпретировались не всегда однозначно. Причин этому было несколько, одними из главных являлись недостаточный опыт выполнения георадарных работ, несовершенство георадарного оборудования и программного обеспечения к нему.

Все возможности применения георадаров при инженерно-геологических изысканиях трасс автомобильных дорог на сегодняшний день еще не раскрыты.

Георадарное оборудование и методы обследований, обработки и интерпретации радарограмм постоянно совершенствуются, что свидетельствует о развитии инновационных георадарных технологий и раскрытии их новых возможностей. Результаты георадарных обследований дорожных конструкций при дополнении традиционных технологий инженерных изысканий позволяют уже сегодня на основе информации по внутреннему строению дорожных конструкций назначать и выполнять эффективные работы по реконструкции и капитальным ремонтам, тем самым существенно повышать транспортно- эксплуатационные характеристики и продлевать межремонтные сроки службы дорожных сооружений.

Современные георадары - это мощный геофизический инструмент применение которого позволяет получать большое количество детальной информации за относительно короткое время.

Применение георадара при обследованиях позволяет получить объемную картину высокой степени достоверности при анализе различных сред на различной глубине.