Георадары в дорожном строительстве

Согласно заданию ГУ ПСП Мурманской области необходимо было получить грунтово-гидрогеологический разрез в продольном направлении по оси трассы и в поперечном направлении на трудных по грунтово-гидрогеологическим условиям участках на ширину полосы отвода.

Работы выполнялись сотрудниками кафедры автомобильных дорог Архангельского государственного технического университета в июле 2001 г. грунтовым радаром с антенным блоком АБ-400, разработанным НИИприборостроения и ООО «Логис». Радарограммы в продольном направлении записывались в среднем через 200 м, а в поперечном направлении фиксировались протяженностью около 50 м. Некоторые небольшие по длине участки по оси трассы были обойдены стороной из-за большой косогорности местности в поперечном направлении, наличия поверхностных вод, а также из-за присутствия больших камней с неровной поверхностью.

Суммарная длина таких участков не превысила 3% от общей протяженности трассы. Осуществлялась привязка полученных радарограмм к прорытым шурфам и ранее пробуренным скважинам. При обработке радарограмм на кафедре автомобильных дорог АГТУ по программе «Геоскан» (разработчик программы НИИприборостроения и ООО «Логис») осуществлялась послойная корректировка диэлектрической проницаемости с привязкой к известным разрезам, что позволяло избежать ошибок в определении глубин при интерпретации.

Анализ полученных радарограмм показал следующее:

1. Определены непрерывные глубины заложения кровли и подошвы геологических слоев, и выявлено положение уровня грунтовых вод.

2. Толщина «мертвой зоны» (зоны, где преобладают параллельные поверхности земли сигналы и на глубине которой трудно говорить о геологическом строении) зависит от плотности контакта с поверхностью земли и изменяется от 20 до 45 см.

3. Глубина зондирования составила 5,8-6,2 м с разрешающей способностью 15 см.

4. При исследовании радарограмм в продольном направлении обнаружены глубокие участки болот, не выявленные при традиционных изысканиях, так как в ряде случаев зондировочные скважины были выполнены не в самых глубоких местах.

5. При анализе радарограмм в поперечном направлении предложено проектировщикам на ряде участков сместить ось трассы. Причиной послужили зафиксированные участки на болотах с большой косогорностью минерального дна, а также определение на некотором расстоянии от оси мест благоприятного проложения трассы по лучшим грунтово-гидрогеологическим условиям.

6. Рассмотрение радарограмм в поперечном направлении, которые совпали в начале трассы с существующей автомобильной дорогой, показало, что основание земляного полотна из суглинистого грунта под действием автомобильной нагрузки стало иметь очертание корыта, в котором скапливаются грунтовые воды. Как правило, на таких участках зафиксированы трещины на поверхности покрытия дорожной одежды.

7. Были определены параметры кривой скольжения (использовался антенный блок АБ-150), по которым можно оценить устойчивость оползневого участка.

Следует отметить, что стоимость изыскательских работ по предлагаемой технологии увеличивается незначительно, в то время как сокращение транспортно-эксплуатационных расходов будет на несколько порядков больше. Предварительные расчеты показали, что трасса, проложенная по лучшим грунтово-гидрологическим условиям, будет эффективнее даже при ее удлинении на 13,5% по сравнению с кратчайшим направлением. При этом в расчетах не учтена экономия на сокращение затрат на ремонт автомобильной дороги в процессе эксплуатации.

Кулижников A.M. Георадарные технологии в проектах автомобильных дорог//Дороги России XXI века. - 2003. - №4. - С. 70-72.

Извлечение

При изысканиях и проектировании дорог георадарные технологии позволяют:

* изыскать грунтово-гидрогеологические условия местности;

* определить положение уровня грунтовых вод;

* оценить глубину водоема или реки в месте будущего мостового перехода и установить геометрические параметры по дну русла;

* определить места размещения и размеры инженерных коммуникаций;

* разведать и оценить запасы полезной толщи в карьерах;

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

При научном сопровождении проектов строительства автомобильных дорог с помощью георадаров можно проводить следующие работы:

* осуществлять приемку скрытых работ;

* разведывать и определять запасы дорожно-строительных материалов и вскрышных пород в притрассовых карьерах, а также устанавливать оставшиеся запасы полезной толщи в ходе строительства;

* оценивать толщину слоев вновь построенной дорожной конструкции;

* выполнять контроль плотности и влажности уложенных материалов;

* определять толщину льда на технологических дорогах и автозимниках и т.д.

В проектах содержания автомобильных дорог с помощью георадаров можно:

* определить несущую способность дорожных конструкций через толщины слоев и влажность грунтов земляного полотна;

* спрогнозировать положение кривых скольжения и возможное нарушение устойчивости откосов насыпей;

* оценить однородность грунта земляного полотна;

* выполнить мониторинговые наблюдения за поведением дорожных конструкций;

* оценить скорость промерзания и оттаивания земляного полотна в период распутиц и т.д.

В настоящее время от убеждения эффективности георадарных технологий в дорожном хозяйстве и обобщения полученных результатов необходимо перейти к научному обоснованию выявления локальных дефектов: зон разуплотненных и переувлажненных грунтов, вымоин, кривых скольжения, зон инфильтрации воды и суффозии грунтов, а также к созданию методик для проведения различных видов георадарных работ. Научное обоснование дефектов внутри дорожных конструкций позволит перейти и к новому уровню назначения эффективных ремонтных работ.

Применение высокопроизводительных, неразрушающих и экологически чистых георадарных технологий в дорожном деле по каждому из вышеприведенных направлений дает возможность существенно снизить строительные и эксплуатационные расходы и в то же время повышает надежность дорожных сооружений. При этом использование георадаров в дорожном хозяйстве многоплановое и до сих пор все возможности георадарных технологий еще не раскрыты.

Кулижников А., Лушников Н. Почему буксует георадарный контроль // Автомоб. дороги. - 2003. - №9. - С. 16-17.

Извлечение

Помимо толщины георадарами можно оценивать и степень уплотнения дорожно-строительных материалов. Судите сами, диэлектрическая проницаемость воздуха 1, воды 81, каменного материала изменяется от 4 до 10. При разной степени уплотнения и влажности материалов можно замерять диэлектрическую проницаемость материала слоя, а по ее значению оценивать степень его уплотнения. Чем меньше воздуха, тем выше диэлектрическая проницаемость и наоборот.

В настоящее время в семействе георадаров «ОКО» появились грунтовые (контактные) радары с антенным блоком АБ-1200. Эти радары НИИприборостроения из Жуковского и ООО «Логис» выпускают серийно. Гарантированная глубина зондирования 0,3-0,8 м при разрешающей способности по паспортным данным до 0,05, а фактически удается достичь в асфальтобетоне до 0,005-0,01 м. Проходит опытную проверку радар с антенным блоком АБ-1700, который имеет еще лучшую разрешающую способность. Однако данные радары эффективны при работе на покрытии без больших выбоин. В ГП «Росдорнии» имеются также георадары, пока выпускаемые в индивидуальном порядке. Это «ДРЛ» с рупорными (воздушными) антеннами. Они работают на частоте 1000-2000 МГц, глубина зондирования до 0,5-1,5 м и разрешающая способность 0,02-0,04 м. Эти же антенны могут быть применены при плохом, разбитом покрытии.

Результаты работ, выполненных в летний период 2002 года с помощью георадара с антенным блоком АБ-1200 в Ярославской области, показали, что при проектной толщине асфальтобетона 17 см на участке протяженностью 800 м толщина изменялась от 12 до 27 см. При этом четко установлены по протяженности дороги границы, где недостаточная толщина слоев основания и покрытия, а где избыточная толщина этих слоев.

На рис. 1 приведены границы слоев дорожной одежды, отсканированные георадаром в поперечном направлении. Из рисунка следует, что толщины слоев дорожной одежды по различным направлениям движения различные. На рис. 2 приведены границы слоев дорожной одежды, полученные георадаром в продольном направлении на протяженности 500 м (здесь по горизонтали вверху - протяженность обследуемого участка, по вертикали слева - глубина зондирования, по вертикали справа - время прохождения сигнала). Из рисунка следует, что на тех участках, где недостаточная толщина слоя основания, толщина асфальтобетонного покрытия была в процессе эксплуатации дороги увеличена за счет ремонтных работ. Невольно возникает вопрос: а что дешевле - выполнить основание до проектной толщины или обеспечивать несущую способность дорожной одежды за счет чрезмерного увеличения толщины покрытия, не реагируя на уменьшенную толщину основания? Конечно, дешевле увеличить толщину основания.

ГП «Росдорнии» б своих конкурсных предложениях на торги по ПИР на ремонт и реконструкцию участков автомобильных дорог предлагает обследовать существующие дорожные конструкции георадарами, чтобы определить истинные причины разрушений. Однако заказчики с завидным постоянством отдают предпочтение своим проверенным подрядным организациям, которые хотя дают более высокую стоимость работ и применяют старые технологии, но служат верой и правдой своему заказчику уже не один десяток лет. И это, безусловно, немало и заслуживает уважения. Хотя для пользы дела, как нам, кажется, полезно было бы показать своему подрядчику, как надо работать, какую технику использовать, как сэкономить на стоимости ремонтных работ и последующих эксплуатационных расходах, тем самым вынудить подрядчика работать по-новому.

В заключение следует сказать, что георадарный контроль качества работ нужен, нужны и передовые технологии, противиться внедрению которых просто недальновидно.

Кулижников А.М., Шабашева М.Л. Георадары в дорожном строительстве. - М., 2000. - 51 с. - (Автомоб. дороги: Обзорн. информ. /Информавтодор; Вып. 2).

Извлечение



2. Назначение георадаров

Для георадаров характерна универсальность, позволяющая использовать данные приборы по широкому спектру назначений в геологии, транспортном строительстве, промышленном и гражданском строительстве, экологии, космических исследованиях, археологии, оборонной промышленности и т.д.

В геологии георадары применяются для определения геологических сечений и положения уровня грунтовых вод; глубины и геометрических параметров дна рек и озер; границ распространения и объемов полезной толщи в карьерах; положения карстовых воронок и пустот; толщины льда на озерах и реках.

В транспортном строительстве (автомобильные и железные дороги, аэродромы) георадары используются для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и качества уплотнения дорожно-строительных материалов; изыскания карьеров дорожно-строительных материалов и оценки оснований под транспортные сооружения; распределения глубины промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях; содержания влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях; эрозии грунтов на участках мостовых переходов.

В промышленном и гражданском строительстве помимо всего вышеперечисленного георадары нашли применение для определения качества и состояния бетонных конструкций (мостов, зданий и т.д.); состояния дамб и плотин; выявления оползневых зон; месторасположения инженерных сетей (металлических и пластиковых труб, кабелей и других объектов коммунального хозяйства).

В решении вопросов охраны окружающей среды и рационального использования земель георадары используются для оценки загрязнения почв; объемов утечек из нефте- и водопроводов; мест захоронения экологически опасных отходов; обнаружения нефти под морским дном.

В исследованиях космоса георадары позволяют смоделировать поверхности планет и оценить их рельеф.

В археологии при помощи георадаров устанавливают места нахождения археологических объектов и границы их распространения.

В оборонной промышленности георадары используются для обнаружения мест заложения мин, расположения подземных тоннелей, коммуникаций и складов, установления мест захоронения как техники, так и трупов.

Как показывает обзор результатов исследований, георадарные изыскания можно выполнять не только в отдельных стационарных точках, но и непосредственно при движении по маршрутам большой протяженности. В этом случае результатами измерений являются непрерывные профили волновых изображений. При наложении нескольких маршрутов можно получить пространственные трехмерные данные с выявлением как продольных, так и поперечных очертаний подошв геологических слоев, положения уровня грунтовых вод, нулевой изотермы промерзания и т.д.

Указанные возможности георадаров далеко не исчерпывают полного списка областей их применения, так как только при широком применении георадаров можно выявить дополнительные их способности. Например, известно об использовании георадаров для прогнозирования устойчивости старых вековых деревьев, для определения миграции рыбы, поиска сокровищ и т.д.



3. Классификация и конструкции георадаров

Можно выделить несколько классификаций георадаров, которые определяются разными факторами.

Чаще всего георадары классифицируют по назначению, когда в зависимости от области применения используются те или иные модификации, отличающиеся как глубиной зондирования, так и разрешающей способностью, и частотой используемых антенн.

Георадары также классифицируются по типу применяемых антенн.

Грунтовые (контактные) антенны непосредственно соприкасаются с поверхностью земли или дорожных конструкций. Такие антенны имеют частоту от 50 до 1500 МГц, характеризуются скоростью сбора данных от 5 до 20 км/ч. Они предоставляют возможность определить толщину конструктивных слоев дорожной одежды мощностью от 0,1 до 3,0 м; земляного полотна и подстилающих грунтов на глубину от 1 до 20 м.

В связи с тем, что увеличение скорости транспортных средств при измерениях более 20 км/ч приводит к повреждению грунтовых (контактных) антенн, в целях повышения производительности работ применяются воздушные антенны.

Воздушные (рупорные) антенны, которые непосредственно не соприкасаются с поверхностью земли или дорожной конструкцией, так как размещаются от них на высоте 50-70 см. Данные антенны имеют частоту от 500 до 2500 МГц, характеризуются скоростью сбора данных от 50 до 100 км/ч. Применяются для определения толщины покрытия и верхних слоев основания дорожной одежды на глубину от 0,02 до 0,80 м.

В состав комплекта георадара входят следующие составные части [1]:

* четыре устройства: антенное приемно-передающее, управления, регистрации и отображения;

* блок питания;

* транспортное средство.

Передающее устройство представлено формирователем импульса и источником питания высоковольтного напряжения. На корпус приемной антенны установлен широкополосный усилитель приемника. Устройство управления предназначено для связи устройства обработки и индикации с приемно-передающим устройством. Устройство управления состоит из устройства выборки и хранения, устройства стробоскопической развертки, видеоусилителя, алфавитно-цифрового преобразователя и сигнального процессора. Функции обработки и индикации выполняет ноутбук. Блок питания представляет собой аккумуляторную батарею, в качестве которой применяются необслуживаемые свинцово-кислотные батареи импортного производства.

Работа прибора основана на использовании классических принципов радиолокации. Передающей антенной прибора излучаются импульсы малой длительности (единицы наносекунды), имеющие 2-3 полупериода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Центральная частота сигнала зависит от типа антенны.

Выбор длительности импульса определяется необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора. Для формирования импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжения.

Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящихся в ней предметов или неодноростей среды, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается широкополосной антенной, усиливается в широкополосном усилителе, при помощи аналого-цифрового преобразователя преобразуется в цифровой вид и запоминается в долговременном запоминающем устройстве для последующей обработки. После обработки полученная информация отображается на индикаторе.

В качестве транспортного средства могут использоваться: вездеходы, снегоходы, автомобили, вертолеты. При выполнении работ на объектах малой протяженности до 1-2 км можно обойтись без транспортного средства, перемещая георадар по исследуемой поверхности буксировкой вручную.



4. Опыт использования георадаров в дорожном хозяйстве

4.1 Опыт применения отечественных георадаров

Метод поверхностной радиолокации грунтов получил развитие в бывшем СССР в начале 60-х годов (Ленинградский Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, В.В. Богородский, В.Н. Рудаков и М.А. Гинсбург). Недостаток первых разработок характеризовался малой разрешающей способностью, так как прибор отличался незначительной глубиной зондирования, поскольку только при ней удавалось отделить отражающий сигнал от зондирующего.

Для уменьшения «мертвой зоны» - отрезка времени, в течение которого происходит затухание зондирующего импульса и восстановление чувствительности приемного тракта, - И. А. Куком был применен метод «ударного возбуждения» антенны, что позволило резко улучшить разрешающую способность прибора. После этого метод подповерхностной радиолокации получил существенный толчок в своем развитии. Зондирование выполнялось в высокоомных средах: (во льду, воде, торфе, песках, известняках, мерзлых породах).

В проблемной лаборатории Рижского Краснознаменного института инженеров гражданской авиации (РКИИГА) под руководством М.И. Финкельштейна был создан ряд специальных геолокаторов. Так, в 1976-1977 гг. был разработан наземный радиолокатор с ударным возбуждением антенны. Подобные работы велись и в Ленинградском Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ЛААНИИ).

Разработанный в РКИИГА наземный радиолокатор был испытан при подповерхностном зондировании торфяных месторождений в Латвийской ССР и Вологодской области (глубина зондирования верхового торфа составляла 8-9 м, а низинного -4 м), а также при определении уровня грунтовых вод на песчаных и супесчаных почвах.

Первые отечественные работы по зондированию торфа были выполнены на торфяном массиве верхового типа Терелесово-Грядского месторождения Калининской области (д. Гряды). Протяженность трассы составила около 2,5 км. При проведении работ было выполнено шесть заходов. Для сопоставления полученных результатов с геологическим профилем, а также для определения типа подстилающего грунта через каждые 100 м трассы проводились ручные контрольные бурения. Антенны буксировались за вездеходом на санях на расстоянии 5-7 м и закреплялись на высоте 30 см от поверхности. Генератор вырабатывал импульсы длительностью 7 не амплитудой 180 В с частотой 30 кГц. Исследуемые участки характеризовались толщиной торфяного слоя от 0,8 до 3,3 м, а подстилающими грунтами являлись пески, супеси, суглинки и глины. Информация о толщине торфяного слоя изображалась в виде радиопрофилограммы, на которой непрерывно регистрировались две яркостные засветки, одна из которых соответствовала сигналу, отраженному от поверхностной границы торфа, а другая - отраженному от границы торф - подстилающий минеральный грунт. Скорость распространения радиоволн в торфе определялась по относительным изменениям толщины слоя и временного интервала между засветками. Скорость распространения зондирующего сигнала в торфе получена 37,5 м/мкс, при этом погрешность в определении толщины слоя торфа не превысила 3%.

Подобные испытания проводились в Латвии на участке протяженностью 7 км. Через каждые 100 м выполняли ручное бурение. В качестве передатчика использован генератор перепада напряжения длительностью 0,3 не амплитудой 150 В, приемника - стробоскопический преобразователь. Для записи, хранения и воспроизведения информации использован двухканальный магнитофон. При сопоставлении данных радиолокационных измерений и ручного бурения абсолютная погрешность радиолокационного метода не превысила 26 см, а среднеквадратичная погрешность, рассчитанная по 48 контрольным точкам, составила 12 см.

При выполнении вышеуказанных работ впервые были выделены сигналы, которые фиксируют границу между слоями торфа, отличающимися влажностью и степенью разложения, а в отдельных случаях - между торфом и сапропелем.

Выполнены работы по радиолокационному зондированию мерзлых грунтов с борта самолета или вертолета. Оказалось, что ложные отражения от неровностей рельефа поверхности не позволяют однозначно интерпретировать результаты зондирования.

На основе разработок Отраслевой научно-исследовательской лаборатории Калининского политехнического института (ОНИЛ КПИ) в 1986 г. в СССР был выпущен первый серийный аппарат С-023 «СОКТИ».

Кроме него стадию опытно-конструкторских работ прошел локатор 17-ГРЛ-1, разработанный во Всесоюзном научно-исследовательском институте радиолокации для изучения геомерзлотного разреза.

В СССР нашли применение локаторы на импульсных сигналах. К ним относится станция С-023, разработанная в институте СОКТИ (г. Ленинакан) при АН Армянской ССР.

А.В. Переходовым при выполнении экспериментальных работ применялись георадар С-023 и макет, изготовленный в ОНИЛ КПИ. В качестве приемной и передающих антенн использовались широкополосные вибраторы, которые вначале представляли собой два лепестка из стальной гибкой сетки с мелкой ячейкой. Размер лепестка составлял 250Ч400 мм. Для уменьшения отражения от поверхности торфа использовался лист поролона (толщиной 15-20 см), который пропитывался водой. Позднее в качестве приемной и передающей антенн были использованы высоковольтные кабели, уложенные на несколько слоев пропитанного водой поролона. Исходным материалом для получения профилограмм являлась магнитная запись, получаемая в результате зондирования болотного массива. Используемая конструкция георадара была еще далека от совершенства.

Тем не менее, в конце 80-х годов А.В. Переходовым были разработаны первые отечественные рекомендации по изысканиям автомобильных дорог на полосе варьирования трассы с использованием метода радиолокационного зондирования слабых грунтов. В начале 90-х годов им же были проведены работы в Западной Сибири (о. Самотлор) с использованием радиолокатора ГРЛ-17, изготовленного в Ереванском опытно-экспериментальном институте. При исследованиях среднеквадратичная ошибка определения глубины минерального дна составила 0,2 м.

В середине 90-х годов НПО «ИНФИЗПРИБОР» (г. Троицк Московской области) разработало переносной георадар «ГРОТ», который характеризовался повышенной мощностью с отображением радиолокационных профилей. Каждому измерению соответствовал столбец из 64 сдвинутых во времени точек, а всего в кадре записывалось 120 измерений. В другом режиме регистрировалась волновая форма сигнала. В памяти радара хранилось до 64 кадров, при этом был возможен просмотр любого из них на экране и вывод через последовательный порт в компьютер.

Георадар «ГРОТ» имел следующие технические характеристики:

Диапазон частот, МГц.........................................……………………………………..	25-150
Диапазон регистрируемых задержек, не...........……………………………………….	2-102
Дискретность регистрируемых задержек, не...………………………………………	2
Чувствительность приемника, мкВ...................……………………………………….	300
Амплитуда сигнала на антенне передатчика, кВ................................................…..	10
Потребляемый ток от аккумуляторной батареи 12 В:
при регистрации, А.......................................………………………………………	2,5
при просмотре, А...........................................……………………………………...	0,3
Общая масса, кг...................................................……….…………………………….	Менее 10
Диапазон рабочих температур, град.................……….……………………………….	-10-+40

В этот же период времени в рекламных материалах появились сведения о георадиолокаторе «ЛОКАС-2», который обеспечивал непрерывное профилирование вдоль линии наблюдения. Впервые в России этот георадиолокатор размещался в герметизированном кузове-фургоне, установленном на самоходном шасси повышенной проходимости автомобиля ЗИЛ-131. Вычислительный комплекс георадиолокатора был построен на базе микро-ЭВМ. Отображение информации осуществлялось на экране видеотерминала с цветной растровой индикацией разреза среды. Регистрация информации осуществлялась на магнитном носителе. Данный прибор отличали следующие характеристики:

Глубина зондирования, м......................................до 120

Разрешающая способность по глубине, м..........0,5

Частота зондирующего сигнала, МГц.................30-250.

В 1997 г. ООО «ЛОГИС» провело исследования с использованием своей, одной из совершенных на сегодняшний день, конструкции георадара на Выборгском шоссе (Санкт-Петербург), на участке Октябрьской железной дороги (Московская область), на территории проектируемого газопровода в Выборгском районе. Георадар обеспечивал максимальную глубину зондирования 0,3-8,0 м, разрешающую способность 0,06-0,3 м в зависимости от типа антенного блока. Выполненные работы подтвердили эффективность георадара при измерениях в грунтах и породах, имеющих высокое электрическое сопротивление: сухих песках, гнейсах, гранитах, известняках, пресных льдах и воде, в то время как глубина зондирования резко снижалась в тяжелых грунтах типа глин и суглинков.

В настоящее время георадары ГП НИИприборостроения им. В.В. Тихомирова и ООО «ЛОГИС» имеют следующие технические характеристики (см. таблица 5).

Таблица 5

Тип георадара	Тип антенны	Частота антенны, МГц	Глубина зондирования, м	Разрешающая способность, м	Масса комплекта, кг	Потребляемая мощность, Вт
«Геон»	АБ-25	25	20-30	1,5-2,0	12,0	8,0
	АБ-50	50	15-20	1,0	11,0	8,0
	АБ-100	200	8-15	0,5	10,0	8,0
«Гея»	АБ-250	250	4-8	0,25	14,0	7,0
	АБ-400	400	2-5	0,15	8,5	5,0
«Зонд»	АБ-700	700	1-3	0,1	4,5	5,0
	АБ-1200	1200	0,5-0,8	0,05	3,75	5,0

В июне 1998 г. в целях оценки возможности эффективного применения георадаров Архангельским государственным техническим университетом совместно с Центром региональных геофизических и геоэкологических исследований «Геон» было выполнено обследование участка протяженностью 16 км автомобильной дороги Архангельск - Москва.

Обследуемый участок был построен в 70-е годы в пределах Холмогорского района Архангельской области и на момент исследований находился в неудовлетворительном эксплуатационном состоянии.

При обследованиях на каждом километре выбирали в среднем по 10 участков протяженностью по 5 м каждый, на которых выполняли непрерывное зондирование.

Работы были проведены преимущественно георадаром с антенной А4 (частота 400 МГц), которая предназначалась для определения грунтово-гидрогеологического разреза. Параметры измерений выбирались такими, чтобы обеспечивалась разрешающая способность по вертикали порядка 15 см.

Антенна равномерно перемещалась оператором по поверхности покрытия при ручной транспортировке с такой скоростью, которая обеспечивала заданное количество реализаций на фиксированной длине участка.

При выполнении работ информация в виде отдельных для каждого 5-метрового участка файлов накапливалась на «жестком» диске компьютера Notebook Pentium. Время работы в поле ограничивалось типом применяемых источников питания, а именно: аккумуляторов HV 7-12 (Япония) емкостью 7,5 А/ч, позволяющих вести полевые работы в течение 12-14 ч ежедневно. Подзарядка аккумулятора производилась от серийного блока 220/12 В, 2 А. Контрольное бурение выполнялось в трех точках, размещенных в начале, середине и конце обследуемого участка автомобильной дороги.

Все файлы обрабатывались в Центре «Геон» по программе, позволяющей увеличить контрастность, снизить влияние погрешностей, осуществить перевод файлов в режим видеообработки и т.д. В результате были построены волновые изображения по длине и глубине каждого 5-метрового участка в продольном профиле и 12-метровых участков в поперечном профиле. Гравийно-песчаная смесь идентифицировалась голубыми линзами, песок как толща зелено-желто-голубого цвета, супесь как песок с включениями синего цвета суглинок - прослойками красного цвета, а уровень грунтовых вод - слоем сине-красного цвета.

По результатам обследований получены следующие выводы:

1. Сопоставление данных бурения и георадарной съемки показало достаточно высокую степень идентичности по геологическому разделению, а разница в определении глубин заложения горизонтов в трех контрольных скважинах, пробуренных до 2,5 м, изменялась в пределах от 0 до 8 см (см. таблицу 6). При этом максимальная ошибка, составившая 8 см, была зафиксирована только в одном случае, что можно объяснить допущенной погрешностью определения заложения геологического пласта при ручном бурении.

Таблица 6

№ скважины	Слой геологического разреза	Глубина заложения от поверхности покрытия, м, по результатам	Разность определения глубин заложения
		ручного бурения	зондирования георадаром
1	Асфальтобетон и гравийно-песчаная смесь	0,00	0,00	-
	Песок пылеватый	0,19	0,20	0,01
	Суглинок легкий	1,10	1,02	0,08
	УГВ	1,55	1,50	0,05
2	Асфальтобетон и гравийно-щебеночная смесь	0,00	0,00	-
	Песок мелкий	0,22	0,24	0,02
	Песок пылеватый	0,85	0,90	0,05
	Суглинок пылеватый	1,20	1,22	0,02
	УГВ	1,15	1,15	0,00
3	Асфальтобетон и гравийно-песчаная смесь	0,00	0,00	-
	Песок пылеватый	0,18	0,22	0,04
	Суглинок легкий	1,80	1,85	0,05
	УГВ не зафиксирован	-	-	-

2. Антенной А4 не представляется возможным выявить толщину асфальтобетонного слоя, изменяющуюся в пределах 4-8 см. При большой вариации толщины конструктивных слоев были установлены следующие средние размеры: толщина песчано-гравийной смеси 10-20 см; нижний слой основания из песка пылеватого или заиленного зернистого 50-70 см. Средняя высота насыпи составила 1,0-1,2 м, а глубина залегания уровня грунтовых вод (верховодка) более 0,7 м, но менее 1,0 м от поверхности покрытия.

3. На 15-25% участков были зафиксированы строительные и эксплуатационные ошибки (толщина песчаного основания менее 0,5 м или песчаный слой вообще отсутствует, высота насыпи меньше

1 м, толщина верхнего слоя основания из песчано-гравийной смеси менее 10 см, грунтовые воды зафиксированы на глубине менее 0,7 м от поверхности покрытия).

4. Только 3% обследуемых участков удовлетворяют всем нормативным проектным, строительным и эксплуатационным требованиям.

5. На поперечных разрезах выявлены нарушения проектного положения поверхностей: под проезжей частью под действием динамических нагрузок произошла просадка подстилающего суглинистого грунта и образовалось корыто, в котором «застраивается» вода.

6. Установлено, что на 97% обследуемых участков необходимо вначале обеспечить водоотвод из активной зоны земляного полотна (поперечные дренажные прорези) и поверхностный водоотвод (водоотводные и боковые канавы, а также дренажи глубокого заложения), а потом приступать к усилению дорожной одежды. Лишь на 3% обследуемых участков достаточно выполнить усиление дорожной одежды без осушения грунтов земляного полотна.

7. На участках автомобильных дорог с застаивающимися поверхностными водами в кюветах и резервах просматриваются пласты сползающих слоев под неукрепленными обочинами, поперечный уклон которых достигает 20%.

В ходе обследований были получены удовлетворительные результаты по эффективности применения георадаров и выявлены направления дальнейших исследований:

1. Необходимо получить помимо волнового изображения количественные показатели прохождения сигнала в той или другой среде, что позволит в дальнейшем достовернее интерпретировать результаты зондирования. С этой целью рационально промоделировать и построить тарировочные кривые прохождения сигнала в разных грунтовых средах и при их различной влажности.

2. Результаты георадарного «рентгена» можно сопоставить с данными обследований автомобильных дорог (например, ровностью, модулем упругости на поверхности конструкции и др.) на одних и тех же участках, что предоставит возможность дать полные и точные рекомендации по выполнению ремонтных работ.

3. Необходима разработка технических условий по обследованию участков автомобильных дорог с использованием георадаров.

4. Результаты обследований целесообразно сводить к построению пространственной картинки, на которой можно увидеть расположение подошвы слоев дорожной одежды и подстилающих грунтов, а также прогнозируемого положения расчетного уровня грунтовых вод в пределах полосы отвода автомобильной дороги. Такая картинка позволит правильно назначить виды ремонтных работ и реконструкции существующих автомобильных дорог.

5. Для полноты информации о состоянии эксплуатируемых автомобильных дорог эффективно комплексное использование геофизических методов (сейсморазведки, электроразведки и т.д.), которые позволят изучить достаточно глубокие горизонты (до 100 м), так как, по данным геофизиков, все приповерхностные нарушения непосредственно связаны с глубиной.

6. На участках, неблагоприятных по грунтово-гидрогеологическим условиям, целесообразно проводить постоянные мониторинговые наблюдения.

Применение георадаров при обследовании автомобильных дорог экономически эффективно, так как точный «рентген» внутреннего строения дорожных конструкций позволит вкладывать ограниченные инвестиции в необходимые виды ремонтных работ [10].

Экспериментальные обследования автомобильных дорог с использованием георадаров выполняются также в Новосибирской, Саратовской, Московской, Нижегородской областях и других регионах. Однако до сих пор не разработана единая методика выполнения работ, более того, технология расшифровки результатов измерений требует накопления большого опыта и научно-технического обоснования.



5. Технологии применения георадаров в дорожном хозяйстве

георадар дорога технология грунт

В зависимости от решаемой задачи применение георадаров выполняется по различным технологиям: обследование существующих автомобильных дорог, грунтово-гидрогеологические изыскания для проложения трасс автомобильных дорог, разведка карьеров дорожно-строительных материалов и т.д.

5.1 Технология обследования эксплуатируемых автомобильных дорог

Данная технология определяется как целями и задачами обследований, так и конструкцией георадара, используемым транспортным средством, количеством применяемых одновременно антенн, интенсивностью движения по существующей дороге, состоянием покрытия и шириной проезжей части. В зависимости от перечисленного используются разные методики проведения обследований.

Целью обследования могут быть:

* проверка толщины конструктивных слоев дорожной одежды и толщины слоев грунта земляного полотна, однородности используемого грунта как при приемке выполненных работ, так и при эксплуатации дорог для оценки состояния дорожной конструкции и назначения ремонтных мероприятий;

* оценка устойчивости грунта земляного полотна на участках слабых и переувлажненных грунтов в процессе эксплуатации автомобильной дороги;

* определение глубины заложения уровня грунтовых вод для оценки эффективности работы дренирующих устройств;

* мониторинговые наблюдения за распределением глубины промерзания грунтов и изменением уровня грунтовых вод в процессе эксплуатации автомобильной дороги и многие другие.

Самым распространенным является первое направление обследований. В зависимости от конструкции георадара и типа антенн различают следующее их назначение:

* рупорный георадар - используется для определения толщины покрытия дорожной одежды;

* грунтовый георадар - для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и слоев грунтов земляного полотна и подстилающего основания;

* при совместном и одновременном использовании рупорного и грунтового георадара устанавливаются толщины как покрытия, так и слоев дорожной одежды, земляного полотна и подстилающего основания, и при этом существенно повышается точность определения толщины слоев.

В зависимости от используемого транспортного средства определяются производительность и вид работ. Так, при применении автомобиля или другого быстроходного транспортного средства георадарные обследования проводятся в продольном направлении, по одной или двум полосам движения. Количество обследуемых полос назначается заказчиком, так как число полос зависит от выделяемых финансовых средств на обследование. Оптимальным вариантом является использование прицепа с 3-4 антеннами, полностью перекрывающими полосу движения, так как это позволяет получить геологический разрез как в продольном, так и в поперечном направлении. При перемещении георадара ручной транспортировкой обследования проводятся преимущественно одной антенной или двумя (применяемыми попеременно, но отличающимися по частоте и возможностям) на небольших по протяженности участках дорог (1-15 км). При этом измерения на участках автомобильных дорог, имеющих плохое состояние покрытия, проводятся не только в продольном, но и в поперечном направлении (от одной бровки земляного полотна до другой). При выполнении измерений в поперечном направлении отпадает необходимость проводить измерения в обоих направлениях по двум полосам движения.

Низкая интенсивность движения автомобилей на дороге не отразится на технологии выполняемых работ. При большой интенсивности движения (более 2000-3000 авт./сут) выполнение обследований путем перемещения георадара ручной транспортировкой становится практически невозможным, так как это повлечет за собой перекрытие или ограничение движения транспортных средств. В таком случае работы необходимо проводить в ночное время, когда интенсивность движения достигает минимального значения. При обследовании с использованием автомобилей даже высокая интенсивность движения как-нибудь существенно не повлияет на технологию выполнения работ.

Плохое состояние покрытия или чередование плохого с хорошим потребуют существенного снижения скорости транспортных средств и могут отрицательно повлиять на результаты обследований. Поэтому при плохом состоянии покрытия целесообразно перемещать георадар по поверхности покрытия буксировкой вручную.

На автомобильных дорогах II-IV категорий (две полосы движения), как правило, при наличии транспортного средства замеры производятся непрерывно, сначала в прямом направлении по одной полосе движения, а потом в обратном направлении по другой полосе движения. На автомобильных дорогах I категории чаще всего измерения выполняются по одной центральной полосе в одном направлении и также по одной центральной полосе в обратном направлении. При этом целесообразно снять разрез в поперечном направлении с шагом 20-500 м в зависимости от состояния автомобильной дороги.

При выполнении обследований с ручной транспортировкой георадара ГП НИИприборостроения им. В.В. Тихомирова и ООО «ЛОГИС» используются несколько режимов измерений: работа по шагам, непрерывно, непрерывно с модификацией, обнаружения и по смещению.

«Работа по шагам» используется при выполнении обследований и заранее отмеченных точках поверхности, передвижение георадара осуществляется от точки к точке, в каждой из них производится измерение. Такой режим можно использовать при обследовании автомобильных дорог как в продольном, так и поперечном направлении.

Режим «непрерывно» предусматривает зондирование в автоматическом режиме при равномерном перемещении антенны по поверхности. По достижении набора заданного количества сигналов их прием заканчивается. Такой режим можно рекомендовать при обследовании автомобильных дорог в поперечном направлении или записи короткими отрезками через интервалы в продольном направлении (например, отрезок 10-15 м через интервал 5-100 м).

«Модифицированный режим непрерывно» предполагает производить зондирование в автоматическом режиме при равномерном перемещении антенны по поверхности, но после получения заданного количества сигналов их прием продолжается, и на графическом изображении сигнала самые поздние сигналы заменяются на новые. Такой режим может быть применен на стадии предварительного зондирования в целях установления оптимальных параметров прибора и выбора последующей технологии работ в зависимости от состояния обследуемого объекта.

Режим «обнаружение» наиболее целесообразен при поиске объектов (трубы, кабеля и т.д.) в автоматическом режиме. В этом случае при обнаружении объекта раздается звуковой сигнал.

Режим «по смещению» предусматривает зондирование в автоматическом режиме при равномерном перемещении антенного блока по поверхности. Расстояние между реализациями отсчитывается автоматически с помощью дополнительного колеса. По достижении заданного количества реализаций прием сигналов прекращается.

Безусловно, метод непрерывного обследования дорог с использованием автомобильного транспорта самый производительный и к внедрению может быть рекомендована, например, финская технология обследования автомобильных дорог, изложенная в подразделе 4.3.

5.2 Технология изысканий грунтово-гидрогеологических условий местности при выборе трасс автомобильных дорог

Технология изысканий грунтово-гидрогеологических условий полосы варьирования трассы автомобильных дорог с помощью георадаров разработана на кафедре автомобильных дорог Архангельского государственного технического университета.

Суть технологии работ состоит в следующем. Сначала в камеральных условиях по топографической карте в зависимости от рельефа местности и ситуации определяются границы полосы варьирования трассы, координаты которых с помощью сканера заносятся в память ПЭВМ; вся полоса варьирования по топографическим картам и дешифрированию материалов аэросъемок разбивается на зоны с различными грунтово-гидрогеологическими условиями (например, болотистые, оползневые, закарстованные и просадочные грунты, участки с обеспеченными и необеспеченными поверхностными стоками и т.д.). Координаты границ зон с различными грунтово-гидрогеологическими условиями также с помощью сканера заносятся в память ПЭВМ. В каждой зоне устанавливают расстояния между маршрутами движения вездехода, по которым определяется грунтово-гидрогеологический разрез. Изыскания не производятся на участках местности, прилегающих к начальной и конечной точкам трассы и образующихся границей полосы варьирования и прямыми, направленными под углами а=35-55° к воздушной линии. Задается начальное направление движения вездехода в зависимости от рельефа и ситуации, например, под углом 45° вправо от направления воздушной линии между начальной и конечной точками трассы.

Вездеход с георадаром движется по начальному направлению к правой границе полосы варьирования трассы, при этом пересекая по возможности самые высокие и низкие места рельефа, обходя встречающиеся ситуационные препятствия (деревья, постройки и т.д.). По маршруту движения вездехода на экране дисплея просматриваются и записываются на магнитные носители геологический разрез местности и положение уровня грунтовых вод. При движении вездехода его положение в декартовой системе координат определяется, например, по установленному на вездеходе маршрутному Р-кодовому приемнику ASHTECH Р-12. Маршрут вездехода заносится на магнитные носители с помощью спутниковых систем GPS. В России такими возможностями обладает спутниковая навигационная система ГЛОНАСС.

Приемник ASHTECH Р-12 определяет геодезические координаты с точностью ±5 мм и обладает значительной устойчивостью к помехам. Потребляемая приемником мощность не превышает 12 Вт, питание осуществляется от сети постоянного тока напряжением 10-36 В. Помимо использования маршрутного Р-кодового приемника, в середине полосы варьирования трассы устанавливается базовая станция. Место установки базовой станции должно представлять собой открытую площадку, на которой местные предметы должны возвышаться над горизонтом не более чем под углом 15°, и радиопомехи должны отсутствовать. За неимением дорогостоящего оборудования к спутниковым системам можно воспользоваться более грубыми высотомерами-автоматами типа ВА-1М или ВА-56 и топопривязчиками, что существенно повышает трудоемкость и снижает точность работ.

При достижении правой границы полосы варьирования трассы вездеход проходит вдоль границы параллельно воздушной линии, связывающей начальный и конечный пункты трассы.

Далее маршрут движения вездехода выполняется через экстремальные точки рельефа в обход ситуационных препятствий к левой границе полосы варьирования трассы с учетом принятого расстояния между грунтово-гидрогеологическими разрезами. Вездеход может осуществлять движение по интересующим участкам местности с возможностью маневрирования. При этом ПЭВМ по программе контролирует переход из одной зоны грунтово-гидрогеологических условий в другую. Достигнув левой границы полосы варьирования, вездеход проходит параллельно воздушной линии и вновь направляется к правой границе полосы варьирования и так далее до выхода в конечную точку трассы.

Перед началом, в процессе или после завершения изыскательских работ выполняются буровые работы (на 5% опорных точек), по которым сопоставляется волновое изображение геологического разреза, полученного георадаром, с характеристиками грунтов.

На основе исходной информации, зафиксированной по результатам измерений георадаром, может быть получена интегральная пространственная модель рельефа, геологии и гидрогеологии местности в полосе варьирования трассы. По данной модели может быть проложен лучший вариант трассы с учетом рельефа, геологического строения и положения грунтовых вод.

5.3 Разведка карьеров дорожно-строительных материалов

Технология поиска и разработки карьеров во многом зависит от фронта работ. Вследствие того, что георадарные методы являются неразрушаемыми и экологичными, фронт работ можно определить путем проведения предварительной рекогносцировки, цель которой -определение границ залегания тех или иных строительных материалов, а значит границ самого карьера.

После рекогносцировки выявляются наиболее характерные точки и прокладывается магистральный ход (желательно параллельно одной из границ карьера или в продольном направлении по линии наибольшей протяженности).

Число магистральных проходов назначается в зависимости от размеров карьера дорожно-строительных материалов. Далее осуществляется проход георадара в поперечном направлении с интервалом 20 м и более. Расстояние между точками на поперечниках следует принимать, исходя из того, какая точность измерений необходима в каждом конкретном случае, а также с учетом размеров карьера.

Работы могут выполняться в сухую погоду при любой влажности и температуре воздуха в пределах от -30°С до +40°С. Состав отряда: 2-3 человека (в зависимости от размеров карьера и наличия спецтранспорта): оператор, помощник, водитель.

Требуемые ресурсы: комплект георадарного оборудования (антенны, блок управления, блок питания, кабели, ноутбук, регистрирующее колесо).

Из документов, необходимых для выезда в поле, требуются разрешение на производство георадарных работ и план разбивки магистральных ходов и поперечников с нумерацией проходов.

Технология изысканий включает следующие пункты:

рекогносцировка (в режиме «смещение по шагам»);

проложение магистрального хода;

разбивка поперечников (возможна маркировка);

осуществление привязки;

выполнение измерений;

контрольное бурение в нескольких точках;

компоновка и обработка данных измерений;

создание 3D - карты карьера.

После выполнения георадарных работ представляются следующие документы: файлы данных георадарных измерений, материалы обработки георадарных данных для паспорта карьера, заключение о степени разведанности месторождения и изученности качеств материалов, а также вывод о горнотехнических условиях разработки.

В процессе обработки результатов измерений осуществляется объединение данных измерений в единый файл и создание * пространственной модели карьера.

Обработка георадарных данных зависит от программного обеспечения и умения оператора. Результатом служит 3D- карта, которая может быть оценена посредством просмотра из любой точки поперечников и напластований слоев строительных материалов.

Таким образом, использование георадара исключает необходимость устройства скважин и погрешности, связанные с неверным толкованием результатов их исследования, а также сделанных на основе этих результатов ошибочных выводов. Кроме того, можно с точностью определить объемы вскрышных работ для любого участка карьера, наметить характерные точки для последующего бурения, зондирования, устройства шурфов для отбора образцов с целью определения свойств и характеристик дорожно-строительных материалов.

Георадарный метод является наиболее рациональным при поиске притрассовых карьеров по сравнению с другими методами, так как его применение не ограничивает деятельность других исследователей (геодезических и геологических партий). Обработка георадарных данных позволяет в конечном итоге оформить план карьера и его профиль в виде 3D - карты, на которой могут быть указаны точные глубины залегания материалов, мощность слоев и координаты.

Кулижников A.M., Шабашева М.А. Использование георадаров в дорожной отрасли Финляндии (по материалам семинара в Рованиеми)//Наука и техника в дор. отрасли. - 2000. - № 2. - С. 29-31.

Извлечение

3. Для определения толщины асфальтобетонных покрытий и оценки качества их устройства [3]. Такие работы были начаты в Финляндии в 1995 г. При выполнении работ использовались рупорные георадары с антенной, имеющей частоту 1000 МГц.

...