Георадарные технологии для мониторинговых наблюдений за участками автомобильных дорог
Кулижников А.М., д-р тех. наук, проф. (ГП РосдорНИИ); Белозеров А.А., вед. инж. (ГП РосдорНИИ), аспирант (Архангельский ГТУ)
Проблема поиска оптимального способа ремонта, содержания транспортного сооружения или назначения комплекса эксплуатационных мероприятий часто упирается в отсутствие информации о процессах происходящих в его конструктивных элементах.
Известно, что в разные периоды года (весна, лето, осень, зима) и на разных участках дороги (в выемке, высоких и низких насыпях, при различной ориентации по отношению к частям света и т.д.) изменяется не только воздействие автомобильных нагрузок, но и влияние природно-климатических факторов на дорожную конструкцию. При этом имеют место так называемые расчетные периоды года (весна, осень) и ослабленные участки автомобильных дорог (например, участки дорог, находящиеся в пониженных местах местности и имеющие малую высоту насыпи или проходящие в выемке). Именно в это время и здесь наблюдается высокая влажность грунтов земляного полотна. В этом случае прочность и плотность грунтов снижается, тем самым уменьшается сопротивляемость дорожных конструкций автомобильным нагрузкам.
В связи с изложенным выше необходимы мониторинговые наблюдения за внутренним состоянием дорожных конструкций. Например, за изменением влажности и плотности грунтов, за ходом инфильтрации подземных вод, глубиной промерзания и оттаивания грунтов, наличием и поведением локальных ослаблений в теле земляного полотна и подстилающих грунтах. Эти данные будут востребованы, например, при проектировании ремонтных работ, а также при назначении ограничений пропуска тяжелых автомобильных нагрузок в период распутицы.
Многие из перечисленных мониторинговых работ могут быть выполнены с применением георадарных технологий. Работа георадара основана на использовании классических принципов георадиолокации. Передающей антенной прибора излучаются импульсы малой длительности, имеющие 2...3 полупериода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от границ изменения диэлектрической проницаемости, принимается широкополосной антенной, усиливается и представляется в виде радарограммы на экране ноутбука. По обработанным и интерпретированным радарограммам определяются типы материалов и грунтов, границы слоев, выявляются зоны локальных ослаблений и инфильтрации грунтов и т.д.
При мониторинговых работах на автомобильных дорогах нами были применены георадары с антенными блоками АБ-150, АБ-250, АБ-400 и АБ-1200, разработанные НИИ приборостроения и ООО "Логис" (г. Жуковский). При этом антенный блок АБ-1200 применялся для мониторинга покрытия и верхних слоев основания дорожной одежды, а антенные блоки АБ-150, АБ-250 и АБ-400 для - нижних слоев основания дорожной одежды, грунтов земляного полотна и подстилающего насыпь основания. Глубина зондирования при изменении частоты антенн от 1200 МГц до 150 МГц соответственно варьировала от 0,5 до 20,0 м при разрешающей способности от 0,01 до 0,35 м.
В зависимости от вида мониторинговых работ назначалась и методика проведения работ.
Мониторинговые наблюдения за влажностью грунтов по протяженности автомобильной дороги. В этом случае чаще всего выполнялось непрерывное сканирование в продольном направлении. Длина непрерывно записываемого файла может изменялась от 200 м до 2...3 км. При этом метками отмечались характерные участки автомобильных дорог, например, участки низких насыпей, границы выемок, места размещения водопропускных труб, дефекты на покрытии и т.д. На участках, нуждающихся в детальном обследовании, выполнялось сканирование в поперечном направлении.
Данного рода мониторинг был проведен на магистрали М-10 "Россия" на территории Тверской (рис. 1) и Новгородской областей. Известно, что с помощью георадаров с одноканальными антенными блоками можно определить влажность грунта в нескольких случаях:
по радарограммам при известной толщине конструктивных слоев дорожной одежды и грунтов земляного полотна;
через диэлектрическую проницаемость при наличии локальных объектов (водопропускных труб, инженерных коммуникаций) в основании или теле земляного полотна;
при изменении расстояний между приемной и передающей антеннами.
На неблагополучном участке автомобильной дороги Москва - Санкт-Петербург (км 252+000...254+500), проходящем по населенному пункту, были обнаружены очень часто расположенные локальные объекты (трубы подземных коммуникаций) на глубине 1,5...2,0 м от поверхности покрытия, что и позволило определить влажность грунтов рабочего слоя земляного полотна. Влажность устанавливалась следующим образом:
по радарограмме сначала определялась диэлектрическая проницаемость среды, находящейся выше локальных объектов;
исходя из диэлектрической проницаемости, определялась влажность грунтов (по массе) по зависимости E = 3,2 + 1,1 W; где E - диэлектрическая проницаемость, W - влажность грунта (по массе).
Полученные сканированием значения влажности достаточно хорошо согласовались с результатами определения влажности грунта параллельно выполненным термовесовым методом.
Результаты определения влажности с описанием меток приведены на графиках изменения влажности грунтов по длине автомобильной дороги (рис. 1). Точки на графике - участки дороги в продольном профиле, на которых определена влажность грунта. Анализ указанных графиков позволяет заключить, что в местах повышенной влажности грунтов на покрытии зафиксированы просадки, колея, трещины, выбоины на покрытии.
Грунт земляного полотна и подстилающие грунты здесь сложены из супеси песчанистой пластичной, имеющей влажность на границе текучести 21,8 %. Следовательно, на тех участках, где влажность грунта уже превышает 0,7 от влажности на границе текучести (15,3 % по массе) необходимо проводить работы по ее снижению. На протяжении обследуемых 2,5 км осенью 2003 г. было выявлено 5 участков дороги (общей протяженностью 250 м), на которых влажность превысила 15,3%.
Интересные результаты были получены и в аэропорту "Домодедово" (рис. 2). В работе принимал участие также Каменецкий Л.Б.. Построенная картограмма позволяет определить участки различной влажности песков, как по глубине, так и по длине аэродромной конструкции. Как показали наши исследования, одной из основных причин образования трещин на поверхности цементобетонных плит явились дренажи, уложенные не под стыками плит, а по их середине.
Мониторинговые наблюдения за изменением влажности грунтов на характерных участках в годичном цикле. Для наблюдений за дорожными конструкциями в годичном цикле выбирались наиболее характерные участки автомобильных дорог (насыпи в руководящих отметках, типичный для дороги грунт земляного полотна и подстилающего насыпь основания, наиболее часто встречающиеся условия увлажнения и т.д.), а также неблагополучные участки, где ярко выражено разрушение дорожных конструкций без видимых на это причин.
Длина закрепленного участка составляла 20...50 м в продольном направлении на всю ширину земляного полотна. Записывались непрерывные файлы протяженностью 20...50 м при протягивании георадара в продольном направлении по правой и левой кромке проезжей части и, если позволяли условия движения, по оси дороги. При буксировке георадара в поперечном направлении в характерных условиях эксплуатации запись выполнялась только в центре участка, в неблагоприятных - за несколько проходов георадара с заданным шагом через 2...5 м. В целях увеличения точности интерпретации перед началом мониторинговых работ на каждом участке выполнялось одно контрольное бурение с отбором проб грунта.
На стадии интерпретации определялись следующие показатели: скорость прохождения и диэлектрическая проницаемость различных слоев, положение уровня грунтовых вод и граница промерзания или оттаивания на дату выполнения измерений.
На участках, находящихся в неблагополучных условиях эксплуатации, определялось местонахождение зон просадочных деформаций и разуплотненных грунтов, зон инфильтрации поверхностных и грунтовых вод, зон неоднородных грунтов, положение кривой скольжения на оползневых участках, зон переувлажненных грунтов, карстовых деформаций и вымоин.
По результатам георадарной съемки в течение года можно определить изменение влажности грунтов, а также при известных материалах и толщине конструктивных слоев дорожной одежды рассчитать модуль упругости на поверхности конструкции; по положению уровня грунтовых вод в разные периоды года - дать заключение по работе поверхностного водоотвода и дренажей и т.д.
Обследования конструкций автомобильных дорог М-8 "Холмогоры" на территории Архангельской области выполняли в период с августа 2001 г. по июнь 2003 г. В работе принимал участие также аспирант С.Н.Бурда.
В ходе продолжительного наблюдения за состоянием опытного участка автомобильной дороги М-8 "Холмогоры" были определены изменения средней влажности грунта земляного полотна (песок мелкий) в течение года, на основе достоверного определения диэлектрической проницаемости среды (см. табл.).
Таблица № п/п
Дата измерений
Средняя влажность песка мелкого,
% (по массе)
1
28.04.2002
7,7
2
28.08.2002
4,6
3
27.10.2002
9,4
Мониторинговые наблюдения на закарстованных участках. Проводились на участке автомобильной дороги М-8 "Холмогоры", проходящем по береговому склону в Виноградовском районе Архангельской области. Большая часть территории данного участка (протяженность 1,3 км) сложена из карбонатных пород, способствующих развитию карста. Опасения работников управления "Архангельскавтодор" были связаны с большим количеством провальных поверхностных форм в пределах полосы отвода и их возможным влиянием на техническое состояние объекта.
Для определения изменений в элементах конструкции автомобильной дороги и геологическом строении прилегающей местности исследования проводилось в различные периоды года. Непрерывное георадарное продольное сканирование выполняли на всем участке автомобильной дороги по обеим полосам движения и по границам полосы отвода, а также детальное сканирование по поверхности покрытия и обочин в поперечном направлении - с шагом через 2 м.
Полуторагодичный мониторинг, позволил выявить ряд существенных аспектов, не подлежащих идентификации традиционными методами или идентифицируемые ими, но на последней стадии своего развития, когда события могут принять необратимый характер.
По результатам работ отмечен ряд основных выводов:
в ходе мониторинга не удалось обнаружить существенных изменений в геологической структуре участка за период наблюдений. Это говорит о стабильности карста и возможности дальнейшей безаварийной эксплуатации объекта при соблюдении ряда эксплуатационных рекомендаций;
в основании насыпи были обнаружены массивы известняка, а также участки подверженные эрозии;
в теле насыпи были обнаружены подвижки грунта, зоны просадки грунта и зоны с пониженной плотностью материала насыпи (рис. 3), подтвержденные бурением, проведенным на основе информации полученной по результатам геофизического профилирования.
В зонах просадки грунта, зафиксирована аномалия скорости, которая нами интерпретирована как пустота. Причем это явление наблюдалось независимо от времени года. Размеры обнаруженных пустот имели площадь в плане до 4 кв.м и толщину 0,3...0,8 м. Было предложено эти пустоты заполнить песчано-цементным раствором. В целях обеспечения остановки эрозии было рекомендовано восстановление системы продольного и поперечного водоотвода, что значительно снизит вероятность эрозии.
Мониторинговые наблюдения за ходом промерзания и оттаивания грунтов. Георадарные работы нами были выполнены на участках автомобильной дороги Москва-Архангельск, где мониторинговые работы велись на 7 участках, находящихся в 3 административных районах Архангельской области. Расстояние от первого участка до последнего составляло 250 км. При одинаковых сроках закрытия участков дорог, весной 2002 г. было установлено, что на протяжении 250 км глубина оттаивания дорожной конструкции изменяется от 0,9 м (северный участок дороги) до 1,6 м (южный участок дороги) от поверхности покрытия. Глубина оттаивания, превысившая толщину рабочего слоя, позволяла заключить, что на южном участке можно уже открывать движение, в то время как по срокам движение должно было быть открыто через 1,5 недели.
По глубинам промерзания или оттаивания грунтов, выявленным георадарными методами, можно назначить сроки или определить правильность периода закрытия автомобильной дороги. Более того, по глубине промерзания можно правильно оценить морозоустойчивость дорожной одежды.
При мониторинге автомобильных дорог георадарные технологии являются высокопроизводительными, экономически эффективными, выявляют истинные причины разрушений дорог и ни в коей мере не оказывают неблагоприятного влияния на окружающую среду. По результатам мониторинговых работ назначаются эффективные виды ремонтных работ, которые повышают эксплуатационную надежность автомобильных дорог. Кроме того, выявив участки с повышенной влажностью грунтов земляного полотна, можно дать адресные рекомендации по обеспечению водоотвода и осушению грунтов земляного полотна. Мониторинговые работы позволяют уже сейчас оперативно управлять сроками закрытия и открытия дорог, а также ограничений нагрузки
