автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование методики георадарного обследования грунтовых объектов транспортной инфраструктуры

На правах рукописи

СУХОБОК Юрий Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ГЕОРАДАРНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВЫХ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 НОЯ 2014

ног ион е I

Хабаровск - 2014

005554996

005554996

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения».

Научный кандидат технических наук, доцент

руководитель: Пупатенко Виктор Викторович

Официальные Исаков Александр Леонидович

оппоненты: доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения», кафедра «Изыскания, проектирование, постройка железных и автомобильных дорог», заведующий кафедрой

Федоренко Евгений Владимирович

кандидат геолого-минералогических наук ООО «Миаком СПб», главный инженер

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный

университет путей сообщения Императора Александра I» г. Санкт-Петербург

Защита состоится «18» декабря 2014 года в 17:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.294.01 при ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» по адресу: 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136, ауд. 315-л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», http://pnu.edu.ru/ru/science/state-5аепиПс-аие51а1юпЛЬе5ез-ргераге(1-рге5ег11айоп/

Автореферат разослан « ^о »_[о_2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ---—^¿¿Е==^Лещинский Александр Валентинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Практика автодорожного и железнодорожного строительства последних лет свидетельствует о необходимости внедрения современных технологий при инженерно-геологических изысканиях, контроле качества строительства, мониторинге состояния существующих сооружений.

Объекты транспортной инфраструктуры (земляное полотно автомобильных и железных дорог) - линейные сооружения, изыскания и строительство которых часто выполняются на неосвоенной территории, что вызывает сложности с доставкой оборудования и высокие трудозатраты на выполнение работ (4.3 млн. руб. на 1 км территориальных автомобильных дорог для Хабаровского края по данным КГКУ«Хабаровскуправавтодор»).

По действующим нормативным документам шаг между буровыми скважинами по оси трассы составляет от 350-500 м для типового проектирования до 50-300 м для индивидуального. При такой схеме обследования существует возможность того, что не будут выявлены ослабленные зоны, локальные неоднородности в основании. Обеспечить требуемые объемы работ по инженерно-геологическому обследованию объектов, их диагностике и мониторингу можно лишь с применением наряду с традиционными, современных геофизических методов, в частности, метода георадиолокации.

В результате этого повышается достоверность результатов обследования и снижаются трудозатраты на инженерно-геологические изыскания из-за перераспределения буровых скважин по оси трассы и даже в некоторых случаях уменьшения их количества. Комплексное использование различных методов обследования позволяет повысить точность определения эксплуатационного ресурса грунтовых сооружений и добиться максимально полного выявления причин возникновения дефектов и деформаций.

В то же время, существенным недостатком метода георадиолокации является сложность камеральной обработки результатов обследования, на качество которой влияет опыт интерпретатора. Требуется развитие инженерных методик

обработки результатов, позволяющих существенно повысить достоверность обследования, снизить роль субъективных факторов в процессе расшифровки результатов.

Объектом исследования являются грунтовые объекты транспортной инфраструктуры, земляное полотно и основание автомобильных и железных дорог.

Цели и задачи исследований. Целью работы является повышение достоверности результатов инженерно-геологического обследования грунтовых сооружений транспортной инфраструктуры, снижение трудозатрат и времени на выполнение обследования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать способ определения положения слоев насыпного грунта, грунтов основания, армирующих, изолирующих и разделительных слоев и конструкций, слоев дорожной одежды и других грунтовых слоев на основе автоматизированного выделения осей синфазности отраженных волн;

2. Разработать методику расчленения разреза для разнородных грунтовых сред с сильной дифференциацией по скоростям распространения электромагнитных волн для определения глубин расположения границ слоев;

3. Разработать практическую методику георадарного обследования транспортных сооружений для поиска границ раздела грунтовых слоев и выделения зон локальных неоднородностей на основе литологического расчленения грунтового разреза.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выявлены критерии, комплексное использование которых позволяет выделить положение годографов отраженных волн, а также осей синфазности волн, отраженных от границ слоев;

2. Впервые разработан итеративный алгоритм подбора и уточнения годографов отраженных и головных волн на радарограмме, которая является результатом испытания георадарным зондированием, для грунтовой среды, в том

числе с сильной дифференциацией по скоростям распространения электромагнитных волн;

3. Впервые разработан алгоритм преобразования временного георадарного разреза в глубинный георадарный разрез для грунтовой среды с сильной дифференциацией по скоростям распространения электромагнитных волн.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке и практической реализации инженерной методики георадарного обследования транспортных сооружений и программного комплекса, позволяющих определить положение границ раздела грунтов, слагающих грунтовые объекты транспортной инфраструктуры и увеличить точность определения эксплуатационного ресурса грунтового сооружения.

Методология и методы исследования:

Методической базой исследования являются методы цифровой обработки сигналов, методы инженерной сейсмики (в частности, метод анализа годографов отраженных волн), методы оптимизации (метод наименьших квадратов), метод математического моделирования электромагнитного поля георадара ГОТТ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Критерии выделения годографов волн и осей синфазности волн, отраженных от границ раздела грунтов;

2. Усовершенствованный метод анализа годографов для грунтовой среды с сильной скоростной дифференциацией по слоям;

3. Практическая методика георадарного обследования транспортных сооружений, основанная на литологическом расчленении обследуемой среды.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошей сходимостью (до 10-15%) при сопоставлении полученных результатов с данными контрольных измерений в отдельных точках разрезов, с результатами математического моделирования радарограмм и с данными, рассчитанными по методу анализа дифрагированных волн; применением проверенных математических методов, методов инженерной сейсмики и цифровой обработки

сигналов; проведением лабораторных исследований и полевых работ; опытом применения разработанной методики на различных транспортных объектах.

Личный вклад автора состоит в разработке комплекса теоретических и методических решений, разработке алгоритмов и программных средств, создании лабораторной установки и проведении лабораторных экспериментов, непосредственном личном участии в реализации и отработке методики на тестовых объектах и реальных объектах транспортной инфраструктуры, выполнении анализа полученных результатов.

Внедрение результатов. Результаты исследований были использованы при обследовании автомобильных дорог (дорога Р297 «Амур» Чита - Хабаровск, дорога аэропорт «Кневичи» - станция Санаторная; на участках строительства автомобильной дороги М56 «Лена» Невер - Якутск; на автодорожном земляном полотне на участках подхода к мосту на Большой Уссурийский остров через Амурскую протоку; в разработке стандарта КГТУ «Хабаровскуправтодор» СТО 01-2013 «Применение георадарных технологий в дорожной отрасли Хабаровского края»); железных дорог (на железнодорожном земляном полотне на участках Амазар - Семиозерный ЗабЖД, Кузнецово, Находка - Хмыловский ДВостЖД, Томмот - Якутск АК «Железные дороги Якутии»); при обследовании существующей и проектируемой взлетно-посадочной полосы аэродрома «Игнатьево» г. Благовещенск; при разработке проекта защитной дамбы Южного района г. Хабаровска; при обследовании площадки на стартовом комплексе РН «Союз-2» космодрома «Восточный».

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на открытом дальневосточном конкурсе программных средств студентов, аспирантов и молодых специалистов «Программист-2010» (ДВГУ; г. Владивосток, 2010), на всероссийской научно-практической конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (ДВГУПС; г. Хабаровск, 2010, 2012), на всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (ДВГУПС; г. Хабаровск,

2011), на всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Наука университета - новации производства» (ДВГУПС; г. Хабаровск,

2012), на международной научно-практической конференции «Роль путевого хозяйства в инфраструктуре железнодорожного транспорта» (ПТКБ ЦП ОАО РЖД; г.Москва, 2012), на научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (МИИТ; г. Москва, 2012), на международной научно-технической конференции «Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов» (ПГУПС; г. Санкт-Петербург, 2013); на конкурсе «Молодые ученые транспортной области» (Министерство транспорта Российской Федерации; г. Москва, 2013); на XVI Краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов (ТОГУ; г. Хабаровск, 2014).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 статей, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка терминов и списка литературы. Общий объем работы составляет 165 страниц машинописного текста, в том числе 125 рисунков, 26 таблиц. Список литературы включает 83 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая постановка темы исследований и обоснована ее актуальность, сформулированы решаемые в работе задачи и отмечена практическая ценность разработанных решений. Приведены наиболее значимые результаты в виде положений, выносимых на защиту.

Первая глава посвящена теоретическим основам метода георадиолокации, которые были заложены в работах Г. Лови, Г. Леймбаха, A.A. Петровского, А.Г. Тархова. Большой вклад в развитие георадиолокации и практических приложений метода внесли ученые М.Л. Владов, A.C. Вознесенский, А.Ю. Гринев, C.B. Дручинин, C.B. Изюмов, A.B. Старовойтов, П. Аннан, М. Бано,

Д. Дэниеле, Т. Сааренкето, С. Хаббард, Дж. Хьюсман. Исследованиями в области применения метода георадиолокации при диагностике земляного полотна железных и автомобильных дорог занимались отечественные ученые Е.С. Ашпиз, В.И. Грицык, Г.Г. Коншин, А.Г. Круглый, A.M. Кулижников, A.A. Цернант, В А. Явна и другие. Выделены достоинства и недостатки метода георадиолокации, а также сфера его практического применения.

Выполнен анализ эффективности применения георадарного обследования на этапе инженерно-геологических изысканий автомобильных дорог Хабаровского края, являющихся составным звеном автодорожной сети Дальнего Востока (рисунок 1).

Условные «бишачешш:

ш ШЛШ - ИВНЯЦМННКИ.

мммм. - федеральные атомоЗидшне дороги. жюшяж - гщ>ра1оршт.1ше аитытит>кые дороги

/. -участки внедрения разработанной W .методнкн георадарного обследования

Рисунок 1 - Схема автомобильных дорог Дальнего Востока с участками внедрения разработанной методики георадарного обследования

По данным КГКУ «Хабаровскуправавтодор» в 2013 г. на проектно-изыскательские работы по территориальным автомобильным дорогам Хабаровского края было затрачено 244.6 млн. руб. (объем составлял 57 км);

на 2014 г. запланированы затраты в размере 250 млн. руб. (объем - 91км). Средняя стоимость проектно-изыскательских работ на 1 километр территориальных автомобильных дорог в 2013 г. составила 4.3 млн. руб. Для федеральных автомобильных дорог стоимость еще выше.

С другой стороны, стоимость георадарного обследования в ценах 2013 г. составляет 2.1 тыс. руб. на 1 километр, что ничтожно мало по сравнению со стоимостью инженерно-геологических изысканий в целом, тогда как достоверность результатов обследования возрастает многократно.

Полученные результаты говорят об эффективности выполнения работ по георадарному профилированию на стадии инженерно-геологических изысканий, контроле качества строительства и мониторинге транспортных сооружений.

Рассмотрены физические уравнения распространения электромагнитных волн и волновые процессы в грунтовых средах. Собраны данные по электрофизическим характеристикам различных грунтов. Для отдельных групп сред построены графики между скоростью распространения электромагнитных волн и видом среды (рисунок 2).

а)"70 б) ~ ' ~,п п 12 в) "" 19

она 9 17 7*

0130 ,с 16 >18

о 0110 . 6_7 8................................................

1........Ь.............................

^ 0050 0030 0 0=0 >

13 14...............................................................

Рисунок 2 - Сводные зависимости скорости распространения электромагнитных волн от вида обследуемой среды: а - песчаные грунты; б - глинистые грунты; в - водяные и льдистые среды; 1 - песок влажный; 2 - песчаный грунт влажный; 3 - песчаный грунт сухой; 4 - песок сухой; 5 -глина влажная; 6 - суглинистый грунт влажный; 7 - глинистый грунт влажный; 8 - суглинок влажный; 9 - суглинистый грунт сухой; 10 - глинистый грунт сухой; 11 - суглинок сухой; 12 -глина сухая; 13 - пресная вода; 14 - морская вода; 15 - ледниковые отложения; 16 -уплотненный снег; 17 - вечномерзлый грунт; 18 - морской лед; 19 - пресный лед.

Проанализированы основные преобразования, применяемые при обработке радарограмм, в которых используются приложения классической теории цифровой обработки сигналов, вейвлет-анализа, цифровой обработки изображений, морфологического анализа, нечеткой логики, методов

геостатистики. Выявлены цели, достоинства, недостатки и степень разработанности каждого преобразования.

Анализ показал, что применение того или иного преобразования, как правило, не регламентировано и зависит от опыта интерпретатора. Отсутствуют формализованные критерии, позволяющие проследить оси синфазности, приуроченные к границе раздела слоев, а также выявить годографы волн различного типа, что неизбежно приводит к влиянию субъективного фактора при расшифровке радарограмм и, соответственно, к снижению качества обследования.

Рассмотрена задача расчленения грунтового разреза обследуемой среды, которая сводится к преобразованию временного георадарного разреза в глубинный: выявлению положения границ раздела сред на радарограмме и определению, на какой глубине расположены границы.

Для этого требуется расчет параметров грунтовой модели: толщин слоев и скоростей распространения электромагнитных волн в каждом слое (пластовых скоростей). В качестве модели грунтовой среды принята многослойная среда, состоящая из отдельных однородных слоев с горизонтальными границами, скорости распространения волн в которых могут значительно отличаться друг от друга (в два раза и более).

Подробно рассмотрены существующие в настоящее время методы расчета пластовых скоростей: метод годографов дифрагированных волн, метод подбора, метод изменения амплитуд и метода анализа годографов; выявлены их достоинства и недостатки. Анализ методов расчета показал, что наиболее универсальный и достоверный метод - метод анализа годографов, который принят в качестве базового. Выявлены его основные ограничения, влияющие на снижение достоверности обследования.

Вторая глава посвящена разработке методики расчленения грунтового разреза.

На основании анализа синтетических радарограмм, смоделированных по методу РО'ГО в программе ОРКМах для тестовых однослойных и двухслойных

сред, выделены инженерные критерии, совместное применение которых позволяет решить задачу обнаружения годографов отраженных волн и прослеживания границ раздела грунтовых слоев на радарограммах.

Критерий максимальной суммарной амплитуды сигнала основан на том, что, как правило, годограф отраженной волны проявляется в резком возрастании амплитуд сигнала. Идея критерия состоит в переборе всех возможных вариантов гипербол и выборе того из них, в котором сумма амплитуд сигнала вдоль гиперболы максимальна.

Критерий первого вступления состоит в поиске времен прихода сигналов на каждой трассе. Для этого выделяется нулевая полоса — диапазон на трассе, для которого характерно, что все амплитуды меньше заданной ширины нулевой полосы, а длина диапазона больше заданной минимальной длины нулевой полосы. Время окончания каждой нулевой полосы является искомым временем первого вступления.

Критерий окончания прямолинейной (экспоненциальной) огибающей сигнала основан на том, что через некоторое время после прихода отраженной волны на трассе выделяется экспоненциальная или прямолинейная огибающая (рисунок 3). Идея критерия состоит в поиске времени, при котором экспоненциальная или прямолинейная огибающая сигнала меняет свой вид. Для подбора огибающей использован алгоритм Левенберга-Марквардта, основанный на методе наименьших квадратов.

Критерий перелома сигнала заключается в поиске резких переломов на трассе. Предложен алгоритм поиска переломов, основанный на дифференцировании трассы по времени и выделении на полученном графике прямолинейных участков, для которых характерно, что их границы имеют разные знаки и разность амплитуд не ниже заданного порога.

Для каждого критерия выявлены ограничения применимости, а также набор параметров, которые могут варьироваться инженером в зависимости от конкретных условий.

0.04 0.02 0.00

-0.02 -0.04

0 ТОО 200 300 400 500 ''HC

Рисунок 3 - Пример экспоненциальной огибающей сигнала на синтетической трассе. Стрелкой показано время прихода отраженного от границы между слоями сигнала.

Так как в базовом методе анализа годографов заложено допущение о прямолинейности траекторий лучей, что не оправдано для грунтовой среды с сильной скоростной дифференциацией по слоям, требовалось усовершенствовать базовый метод. В результате специального исследования определены формальные признаки, по которым отличаются сильнодифференцированные по скорости среды от слабодифференцированных - отношение толщин смежных слоев и отношение скоростей распространения сигнала в них (таблица 1).

Таблица 1 - Критерии отнесения среды к сильнодифференцированной по скоростям распространения волн среде.

Отношение толщины слоя с меньшей скоростью к толщине слоя с большей скоростью распространения волн Предельное отношение меньшей скорости распространения волн к большей скорости, ниже которого среда является сильнодифференцированной по скоростям распространения волн

1.0 0.53

2.0 0.41

3.0 0.33

4.0 0.29

5.0 0.25

Задача ставилась следующим образом: по выделенным годографам волн, отраженных от каждой границы, определить параметры каждого слоя: пластовую скорость У1 и толщину /г,.

В связи с единой структурой данных сейсмического метода отраженных волн и георадиолокации (в модификации георадарного зондирования) решения, принятые в инженерной сейсмике, использованы для метода георадиолокации. В соответствии с этим, задается параметрическое уравнение годографа отраженной волны:

К

tívry¡\ -РХ

«V1 -рУ,

(1)

где п - количество слоев; V¡ — скорость распространения электромагнитных волн в /-М слое (пластовая скорость), м/нс; h¡ — толщина /-го слоя, м; р - параметр луча, определяемый по формуле

sin a. sin а, sin а , ,

vf-vf---¡Г' (2>

где a¡, а 2, ..., а„ - угол входа луча соответственно в первый, второй, ..., и-й слои.

Известно, что уравнение (1) непредставимо в виде зависимости t = fix), что говорит о принципиальной невозможности точного расчета искомых пластовых скоростей. Для приближенного определения пластовых скоростей использован способ предельной эффективной скорости, основанный на аппроксимации кривой (1) гиперболой, по уравнению которой определяется эффективная скорость. При приближении к оси годографа (когда расстояние между приемником и передатчиком стремится к нулю) эффективная скорость, которая в данном случае называется предельной эффективной скоростью, пересчитывается в пластовые скорости по обратной формуле Урупова-Дикса:

'-1

V 2-t -V 2-t

re(i) 0(/') ye(i-1) 'О(М)

'О(') O(i-l)

где — предельная эффективная скорость по гиперболе, аппроксимирующей годограф волны, отраженной от /-го слоя, м/нс; </) — двойное время хода сигнала

волны, отраженной от границы /-го и (7+1)-го слоев (соответствует положению вершины гиперболы отраженной волны), не; КС(М) и 1,т) - то же для (г-1)-го слоя.

Исходя из этого способа, предложено аппроксимировать гиперболой не весь годограф, а ту его часть, которая как можно ближе прилегает к оси годографа. Такая аппроксимирующая гипербола названа условным годографом. По условным годографам рассчитывается первое приближение грунтовой модели.

Для уточнения модели разработан итеративный алгоритм расчета, основанный на последовательном приближении параметров фунтовой модели {/г„ К,}. По текущим параметрам модели численно решается уравнение (1) относительно х и Г. Решение этого уравнения состоит в подборе такого параметра р, чтобы величина х оказалась равной текущему расстоянию между антеннами. Перебирая все расстояния между антеннами от нуля до максимального значения и численно решая, таким образом, уравнение (1), рассчитывается набор точек {х], /,-) для 0<х;<хтах. Эти точки формируют расчетный годограф, который сравнивается с фактическим годографом (рисунок 4). Если расчетный и фактический годографы не совпадают, следует внести коррективы в условный годограф и повторить процесс снова.

5 Ю 15 Ь,м

Рисунок 4 - Часть радарограммы, полученной после испытания зондированием: а - очертание фактического негиперболического годографа отраженной волны; б - условный гиперболический годограф; в - расчетный годограф;

В простейшем случае итеративный процесс выполняется до тех пор, пока фактический и расчетный годограф визуально не совпадут. Для автоматизированного решения применяется метод наименьших квадратов. Окончательная проверка правильности построения грунтовой модели предполагает использование прямолинейных годографов головных (преломленных) волн и прямой грунтовой волны.

Конечный этап методики расчленения грунтового разреза - собственно, преобразование временного разреза в глубинный по рассчитанной грунтовой модели. Для решения этой задачи предложен алгоритм численного решения уравнения (1) отдельно для каждого положения георадара и отдельно для каждой границы.

Введем следующие обозначения:

Сделаем замену в уравнении (1) с учетом этих обозначений и выразим величину Ип\

1г -

2

(4)

А _ хп(р)~Ь2 ■ I " К

Уравнение (5) решается численно относительно переменных р и Ип.

СТ. конец

Рисунок 5 — Блок-схема алгоритма определения параметров грунтовой модели

На основе разработанной методики написан программный комплекс, включающий программу обработки результатов георадарного зондирования, программу анализа георадарных трасс и программу обработки георадарных профилей. Часть программ была представлена на открытом дальневосточном конкурсе программных средств студентов, аспирантов и молодых специалистов «Программист-2010» (второе место в категории «Программы, предназначенные для конкретного заказчика»).

Методика литологического расчленения была представлена на конкурсе «Молодые ученые транспортной области» в рамках «Транспортной недели -2013» (первое место в номинации «Железнодорожный транспорт»),

В третьей главе представлены результаты экспериментальной проверки достоверности разработанного метода анализа годографов, а также проверки адекватности назначения разработанных критериев для выделения годографов отраженных волн и осей синфазности, приуроченных к границам между слоями.

Первая серия экспериментальных работ проведена на акватории р. Амур у г. Хабаровска в районе трассы железнодорожного тоннеля. Обследуемая среда состояла из трех слоев: снега, льда и воды (среда с сильной скоростной дифференциацией). Использовался георадар серии ЛОЗА-Н в комплекте с антеннами с центральной частотой сигнала 100 МГц.

Для сравнения выполнен расчет параметров грунтовой модели с применением традиционного метода анализа годографов (без учета искривления траекторий лучей). Результаты показали, что расчетная мощность слоя воды превышает реальную более, чем в 2,5 раза, а расчетная пластовая скорость превышает реальную более, чем в 3,5 раза. Таким образом, показано, что в данных условиях традиционный метод анализа годографов вносит неприемлемые погрешности в параметры грунтовой модели.

По разработанной методике выполнен вторичный расчет грунтовой модели, преобразованы временные разрезы в глубинные (рисунки 6, 7). Для проверки результатов эксперимента использованы значения промеров глубин,

выполненных лотом при бурении с лунок со льда на первом участке и выполненных при контрольном бурении скважин буровой установкой на втором участке. Построены графики процентной невязки для первого и второго участков (рисунок 8).

Рисунок 6 - Радарограмма с выделенными годографами отраженных волн: 1 - годограф волны, отраженной от границы между снегом и льдом, 2 - годограф волны, отраженной от границы между льдом и воздушной прослойкой, 3 - годограф волны, отраженной от границы между воздушной прослойкой и водой, 4 - годограф волны, отраженной от границы между водой и дном, 5 - условный годограф той же волны

Ь, м

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ¡000

л\

Д1............................................... /М-

\ V /-/.................- ................................................-.....................1 /..............................-....................

......................................■............................................... ------------X .............................................................................../1............................................................... .........- ........... // .........—...............

-----------у /--------------- ................А 4ч................................У/.........................................................................

................: =

Рисунок 7 - Глубинный разрез по дну р. Амур на первом и на втором участках: 1,2- расчетное положение дна. соответственно, на первом и втором участках; ■ - положение дна на первом участке (контрольные данные): А - положение дна на втором участке (контрольные данные)

а) 30 ....................................................................................................... бД°

25 . g

£20 * 7 т----------•---------------------------------------------

ra « 6 т----------------------------------------------......

i 15 ............................I 5.................................................•.........................................

|Ю . I?

5......-......................1..........•................................................ 2.....................................................:........

; *•.*."., . •---• ——

О 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 1000

L, м l, м

Рисунок 8 - Невязка между суммарной толщиной льда и воды, рассчитанной по разработанной методике, и контрольными данными: а - первый участок, б - второй участок.

Невязка в русловой зоне не превышает 10-15% на первом участке (за исключением единственного локального выброса) и 6% на втором. Величина невязки на первом участке существенно больше, чем на втором, в связи с тем, что контрольные измерения, выполненные лотом (первый участок), менее точны, чем выполненные при бурении скважин (второй участок).

В качестве дополнительной проверки достоверности методики по данным рассчитанной грунтовой модели смоделирована синтетическая радарограмма по методу FDTD в программе GPRMax. Анализ показал, что рассчитанные по разработанному методу положения годографов отраженных волн совпали с результатами математического моделирования.

Вторая серия экспериментальных работ включала лабораторные и полевые испытания.

При лабораторных испытаниях исследовались однослойная и двухслойная среды с песчаным грунтом различной влажности. Использовался георадар ОКО-2 в комплекте с антенным блоком АБ-700 (центральная частота сигнала 700 МГц) и MALA GEOSCIENCE СХ 11 в комплекте с антенным блоком частотой 1600 МГЦ.

По разработанному критерию первых вступлений на каждой трассе найдено время прихода волны, отраженной от дна установки (рисунок 9), по которому затем определены скорости распространения электромагнитных волн в песчаном грунте различной влажности.

Рисунок 9 - Пример трассы, выполненной георадаром MALA GeoScience СХ-11 в комплекте с

антенным блоком частотой 1600 МГц, на однослойной среде (песчаный грунт влажностью 0,18%). Стрелкой показано время прихода волны, отраженной от дна установки.

При полевых испытаниях использовался георадар ЛОЗА-В в комплекте с антеннами различной частоты излучаемого сигнала. На разных глубинах взяты образцы грунта, у которых затем лабораторно определена влажность. В контрольных точках профиля на различной глубине помещены металлические предметы, что позволило проверить измерения данными, полученными по методу дифрагированных волн. Результаты совпали практически полностью (разница не превышает 2%).

По найденным в ходе обработки результатов полевых и лабораторных испытаний значениям пластовых скоростей построена зависимость скорости распространения электромагнитных волн в песке от влажности (рисунок 10). Скорость распространения волн, определенная по разработанной методике расчленения грунтового разреза, соответствует линейной зависимости, построенной по данным лабораторных испытаний.

Точки аппроксимированы линейной функцией с уравнением

Г=- 0,0063 Ж+0,1703. (7)

Уравнение может использоваться для влажности, не превышающей 12%.

0.2 0ДВ П.1В 0.14 х О-« "i 0-1 >• 0.0В 0.05 0.04 0.02 D

О 2 4 6 8 10 12

VI. %

Рисунок 10 - Зависимость скорости распространения электромагнитных волн в песке от

влажности

Анализ результатов применения разработанных критериев поиска годографов отраженных волн и границ раздела грунтов показал, что не существует единственного универсального критерия, однако в совокупности критерии позволяют успешно оценить положение искомого сигнала.

Четвертая глава посвящена практическому внедрению методики расчленения грунтового разреза, на основе которой разработана методика георадарного обследования объектов транспортных сооружений, включающая полевые и камеральные работы.

Даны рекомендации по расположению и выбору георадарных профилей, выбору параметров георадарного обследования в зависимости от требуемой глубины обследования и разрешающей способности по горизонтали и по глубине, выбору мест проведения испытаний по технологии георадарного зондирования. Представлен примерный порядок действий по обработке радарограмм, приведен рекомендуемый порядок применения критериев выделения годографов отраженных волн и границ между грунтовыми слоями.

Методика внедрена на объектах железнодорожного земляного полотна ЗабЖД и ДВостЖД; автомобильных дорогах Р297 «Амур», М60 «Уссури», М56 «Лена»; на подходе к мосту на Большой Уссурийский остров через Амурскую протоку; на существующей и проектируемой взлетно-посадочной полосе аэродрома г. Благовещенск; на Амурской протоке и артзатоне в районе проектируемой дамбы для защиты Южного округа г. Хабаровска от наводнения.

Использование методики позволило решить следующие задачи: организацию постоянного мониторинга осадок основания земляного полотна; выявление деформаций в теле земляного полотна; определение положения вечномерзлых грунтов в основании земляного полотна; поиск зон локальных неоднородностей в теле грунтовых сооружений; определение структуры дорожной одежды автомобильной дороги; определение отметок дна акваторий; определение положения поверхности смещения оползня.

Так, на участке Кузнецове, Находка - Хмыловский ДВостЖД выполнено геофизическое обследование нового земляного полотна с использованием

разработанной методики георадарного обследования. В результате определено положение основания насыпи на продольном профиле и ряде поперечных профилей (рисунок 11). На полученном разрезе обнаружено наличие реализованного проектного решения - укладки слоев геотекстильного материала (рисунок 12).

Ь, м

Рисунок 11 - Пример георадарного профиля по поперечному профилю ПК 19+00 (антенны с центральной частотой сигнала 50 МГц): а - выделенная граница основания, б - положение основания до сооружения насыпи

Ь, м

Рисунок 12 - Пример георадарного профиля по поперечному профилю ПК 19+00 (антенны с центральной частотой сигнала 100 МГц); выделены обнаруженные слои укладки геотекстильного материала

Для повышения качества обследования результаты георадарного обследования объединены с результатами малоглубинной сейсмотомографии. На положение границ наложено распределение скоростей продольных и поперечных сейсмических волн, которое по известным закономерностям пересчитано в распределение физико-механического свойств (плотности, удельного сцепления, угла внутреннего трения, модуля деформации, коэффициента Пуассона).

По полученным данным составлена расчетная схема, по которой выполнен расчет напряженно-деформированного состояния системы по методу конечных элементов в программе СепШЕ32 (рисунок 13).

Рисунок 13 - расчетная схема земляного полотна на ПК 19+00

Результаты расчета напряженно-деформированного состояния, полученные с учетом введения неоднородных характеристик в расчетную схему, соответствуют реально измеренным осадкам, определенным при георадарном обследовании.

Благодаря разработанной методике увеличивается объем информации, получаемой при обследовании, что позволяет точнее определить эксплуатационный ресурс насыпей и других грунтовых сооружений.

Методика использована при разработке стандарта КГКУ «Хабаровскуправавтодор» СТО 01-2013 «Применение георадарных технологий в дорожной отрасли Хабаровского края».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработаны алгоритмизированные критерии для выделения годографов отраженных волн на радарограмме, являющейся результатом испытания георадарным зондированием, и для выделения осей синфазности, приуроченных к границам раздела грунтов, на георадарном разрезе;

2. Усовершенствован метод анализа годографов (по результатам испытания георадарным зондированием) применительно к грунтовой среде с сильной скоростной дифференциацией по слоям;

3. Разработан алгоритм расчета параметров грунтовой модели в заданной точке профиля;

4. Разработан алгоритм преобразования временного георадарного разреза в глубинный разрез по данным грунтовой модели;

5. По разработанным теоретическим решениям сформирована инженерная методика литологического расчленения грунтового разреза. Достоверность методики подтверждена результатами лабораторных и полевых экспериментов на тестовых средах. Подтверждена адекватность назначения критериев для выделения годографов отраженных волн и осей синфазности, приуроченных к границам между слоями;

6. На основе методики расчленения грунтового разреза разработана практическая методика георадарного обследования транспортных сооружений;

7. Методика обследования апробирована на различных объектах транспортной инфраструктуры: при мониторинге осадок нового железнодорожного земляного полотна на слабом основании, поиске зон локальных неоднородностей в теле грунтовых сооружений, определении структуры дорожной одежды автомобильных дорог, определении отметок дна акватории. Результаты методики могут быть использованы при расчете напряженно-деформированного состояния земляного полотна.

Публикации в журналах и изданиях, включенных в перечень, определенный Высшей аттестационной комиссией:

1. Сухобок, Ю.А. .Цитологическое расчленение разреза по данным георадиолокации / В.В. Пупатенко, Ю.А. Сухобок // Мир транспорта. — 2013,—№3, —С. 154-161.

2. Сухобок, Ю.А. Геофизическое обследование объектов инфраструктуры /

B.В. Пупатенко, Ю.А. Сухобок, И.В. Пупатенко // Путь и путевое хозяйство. — 2013. — № 4. — С. 35-37.

3. Сухобок, Ю.А. Опыт комплексного геофизического обследования объектов железнодорожной инфраструктуры / Г.М. Стоянович, В.В. Пупатенко, Ю.А. Сухобок // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2012. — № 1 (33). — С. 282-287.

Публикации в материалах конференций и периодических изданий:

4. Сухобок, Ю.А. Определение влажности песчаных грунтов по данным георадиолокации / В.В. Пупатенко, Ю.А. Сухобок // Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов: материалы III международной научно-технической конференции, Санкт-Петербург, 15-16 мая 2013 года. — СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2013. — С. 60-63.

5. Сухобок, Ю.А. Георадиолокационное обследование земляного полотна с различными конструкциями усиления / Г.М. Стоянович, В.В. Пупатенко, Ю.А. Сухобок Н Дороги. Инновации в строительстве. — 2013. — № 29. —

C. 22-24.

6. Сухобок, Ю.А. Контроль качества строительства насыпей на слабом основании геофизическими методами на участке Кузнецово, Находка -Хмыловский / Г.М. Стоянович, В.В. Пупатенко, Ю.А. Сухобок // Особенности проектирования и строительства железных дорог в условиях Дальнего Востока: межвуз. сб. науч. тр.; под ред. B.C. Шварцфельда. — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2009. — С. 180-189.

7. Сухобок, Ю.А. Определение параметров песчаного фунта при лотковых георадиолокационных испытаниях / Ю.А. Сухобок, М.В. Абанин // Наука университета - новации производства: тр. Всерос. науч.-практ. конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки (посвящена 75-летию ДВГУПС) 10-12 октября 2012 г. / под ред. Б.Е. Дынькина и А.Ф. Серенко. — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2012, — с. 55-59.

8. Сухобок, Ю.А. Применение скоростного анализа для построения модели многослойной грунтовой среды по данным георадиолокации / Ю.А. Сухобок, М.В. Абанин, В.В. Пупатенко // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования: труды Всероссийской молодежной научно-практической конференции (10-13 апреля 2012 года) : в 3 т. / под ред. Б.Е. Дынькина, А.Ф. Серенко. — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2012. — Т. 1.

— С. 154-159.

9. Сухобок, Ю.А. Обработка георадарных записей с целью поиска локальных неоднородностей / Ю.А. Сухобок, М.В. Абанин, A.C. Трещалова // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: труды Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием, 20-22 апреля 2011 г. В 5 т. / под ред. А.Ф. Серенко. — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2011. — Т.2. — С. 186-190.

10. Сухобок, Ю.А. Построение глубинного разреза сильно дифференцируемой по скорости среды при обследовании транспортных сооружений методом георадиолокации / Ю.А. Сухобок, В.В. Пупатенко // Наука университета -новации производства: тр. Всерос. науч.-практ. конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки (посвящена 75-летию ДВГУПС) 10-12 октября 2012 г. / под ред. Б.Е. Дынькина и А.Ф. Серенко. — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2012, —с. 60-64.

11. Сухобок, Ю.А. Преобразования радарограмм при выявлении границ раздела грунтов / Ю.А. Сухобок, В.В. Пупатенко // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: труды Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием, 20-22 апреля 2011 г. В 5 т. / под ред. А.Ф. Серенко. — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2011, —Т.2. —С. 190-194.

12. Сухобок, Ю.А. Контроль состояния грунтов высокой железнодорожной насыпи на участке Кузнецово - Находка - Хмыловский / Ю.А. Сухобок, Г.М. Стоянович, В.В. Пупатенко // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования: труды Всероссийской научно-практической конференции, 21-23 апреля 2010 г. В 6 т.; под ред. O.JI. Рудых.

— Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2010. — Т.2. — С. 10-13.

Сухобок Юрий Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ГЕОРАДАРНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВЫХ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

05.23.11 - Проектирование и стро1ггельство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.10.2014 г. Формат 60x84'/,,,. Гарнитура «Times New Roman». Уч.-изд. л. 1,7. Усл. печ. л. 1,5. Зак. 202. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.