Проблемы диагностики состояния земляного полотна в современных условиях

Одной из проблем на сети автомобильных дорог, связанных с обеспечением безопасности движения транспорта, является состояние эксплуатируемого земляного полотна. Связано это, в первую очередь, с увеличением интенсивности движения, ухудщением условий эксплуатации, изменением климатических условий и некоторыми другими причинами.

Анализ состояния земляного полотна показывает, что чаще всего причинами деформаций и разрущений являются сплывы откосов высоких насыпей, размывы и другие причины, связанные с действием атмосферных и грунтовых вод.

Ситуация на автомобильных дорогах, где системный учет и наблюдение за деформированными участками земляного полотна практически отсутствуют, а износ основных средств дорожно-эксплуатационных организаций достигает своей критической отметки, с каждым годом обостряется.

Значительная часть средств, выделяемых на капитальный ремонт, тратится на ямочный ремонт покрытия. Однако разрушение дорожного покрытия происходит, как правило, в результате деформаций земляного полотна. Причины, по которым происходит разрушение покрытия, обычно не устанавливаются и не устраняются, поэтому ямочный ремонт асфальтобетона из года в год выполняется практически в одних и тех же местах. Остается неудовлетворительным состояние гидротехнических сооружений.

В большинстве своем деформации земляного полотна связаны с его избыточным увлажнением, что способствует развитию негативных процессов на сети автомобильных дорог. Для правильного выбора мероприятий по стабилизации деформаций земляного полотна первостепенное значение имеет установление причины их возникновения. В частности, очень важно правильно оконтурить и локализовать ослабленные зоны, определить источники увлажнения, их режим, питание и т.д.

Вместе с тем методы и системы диагностики состояния земляного полотна не отвечают современным требованиям. Для оценки его фактического состояния эксплуатирующими организациями используются, как правило, только традиционные методы, включающие в себя эксплуатационные наблюдения, геодезические измерения и инженерно-геологическое обследование. Новые методы и технологии диагностики внедряются в практику очень медленно, а зачастую дорожники о них просто не знают.

Между тем применение только традиционных методов не позволяет достаточно своевременно и эффективно оценить техническое состояние земляного полотна. Выход из сложившейся ситуации — использование комплексного подхода, когда наряду с традиционными методами диагностики широко применяется геофизическое обследование проблемных участков земляного полотна. Более того, очень часто сложность и разнообразие задач, возникающих при обследовании деформируемых участков, не позволяют решать их с достаточной полнотой и точностью даже при использовании какого-либо одного из геофизических методов. Более достоверные данные, как правило, можно получить лишь при комплексном анализе результатов геофизических технологий, изучающих различные физические параметры исследуемых объектов. Это позволяет получать адекватную оценку процессов, протекающих в земляном полотне под воздействием подвижной нагрузки и влиянием природно-климатических факторов. Такой подход известен как рациональный комплекс геофизических методов, однако до сих пор он используется редко.

Под рациональным комплексом геофизических методов понимается такое их сочетание, которое обеспечивает решение задачи с наименьшими материальными затратами и в кратчайший срок. Он предусматривает также наиболее целесообразную последовательность выполнения геофизических работ. Обычно один метод, которым равномерно охватывается вся площадь изучаемого участка, выбирается в качестве основного. Дополнительный метод (или методы) используется для уточнения природы геофизических аномалий, выявленных на первом этапе обследования, детального литологического расчленения земляного полотна и его основания, получения некоторых количественных характеристик и т.д. При обследовании транспортных объектов рациональный комплекс геофизических методов следует варьировать в зависимости от характера решаемых задач.

Учитывая, что большинство дефектов земляного полотна связано с обводнением грунтов, при обследовании деформируемых участков в качестве основного рекомендуется использовать метод электромагнитного сканирования. В качестве дополнительных методов при работе на автомобильных дорогах предпочтительно применять, в первую очередь, сейсмотомографию, электродинамическое зондирование и георадарную съемку.

Электромагнитное сканирование представляет собой новую высокоразрешающую технологию исследования приповерхностных слоев грунта до глубин в несколько десятков метров с применением контролируемого электромагнитного излучения в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц. Используя более низкую, чем в георадарах, главную частоту спектра, этот метод практически не имеет ограничений, связанных с повышенной электропроводностью среды, и меньше зависит от приповерхностных неоднородностей.

Псевдоскорость распространения диффузионного электромагнитного поля приближенно можно оценить по формуле v = K/S, где К — коэффициент установки; S — суммарная продольная проводимость разреза. В зависимости от решаемой задачи измерения могут выполняться дискретно или непрерывно в движении, что предопределяет высокую технологичность и производительность работ. Как было сказано ранее, деформации земляного полотна обычно связаны с его избыточным увлажнением. Поэтому поисковая задача формулируется как поиск областей пониженного сопротивления, соответствующих зонам обводнения грунта до глубин 5...10 м (реже — 20...50 м).

Особенно эффективна методика линейного и площадного высокоплотного электромагнитного зондирования при исследовании оснований дорожных сооружений, насыпей, грунтовых дамб, плотин и других инженерных сооружений. Исследования проводятся телеметрической аппаратурой «Импульс-Авто», «Импульс-СЛ», «Импульс-Д». Отличительными особенностями аппаратуры и технологии являются; измерения во время движения со скоростью 0,5...3,0 м/с, высокая плотность регистрации во времени (100 м/с) и пространстве (0,01 м). Глубина исследования с движущим источником составляет около 20 м и от закрепленного источника не ограничена. Исследование скорости распространения высокочастотного токового вихря в глубину позволяет изучить геоэлектрический разрез. Детальность вертикального расчленения разреза зависит от характера распределения слоев и их электрического сопротивления. Для слабоконтрастного разреза вертикальное разрешение оценивается в 5...10% от глубины исследования.

Применение данной методики при обследовании ряда деформированных участков железных и автомобильных дорог подтвердило ее высокую эффективность при решении ряда специфических задач.

Земляное полотно на 109-м км автомобильной дороги «Байкал» представлено насыпью высотой до 13 м, расположенной на косогоре. Деформации земляного полотна наблюдаются в виде сползания низового откоса насыпи, которое захватывает обочины вплоть до границы дорожной одежды и выходит на подошву откоса. С верховой стороны насыпи поверхность грунта в полосе отвода не спланирована, продольный водоотвод в сторону водопропускной трубы, которая расположена в 150 M от оси оползня по ходу километров, не обеспечен. С низовой части местность заболочена, в периоды интенсивных атмосферных осадков грунтовые воды выходят на поверхность. Активизация деформаций происходит при весеннем оттаивании грунтов и в периоды затяжных дождей.

После начала оползневых деформаций пазухи и депрессии рельефа с верховой стороны насыпи, в которых скапливалась вода, были засыпаны местным грунтом для обеспечения водоотвода в сторону трубы, однако положительного эффекта эти мероприятия не дали. На момент обследования движение осуществлялось по временному объезду. При составлении программы обследования деформируемого участка было принято целесообразным осуществление электромагнитного сканирования в целях установления путей фильтрации грунтовых вод. Выполненные работы позволили получить план распределения суммарной продольной проводимости, являющейся функцией водонасыщенности грунтов, в интервале глубин 4...10 м. Области наибольшей проводимости сосредоточены у объездной дороги, уплотненные грунты основания которой являются, по всей видимости, преградой для перемещения высоких горизонтов грунтовых вод. Кроме того, зафиксирован обводненный горизонт с глубиной залегания 5...6 м от поверхности, разгрузка которого реализуется именно в строну оползневого участка. Полученные результаты были учтены при решении вопроса о капитальном ремонте дороги.

Электромагнитное сканирование позволяет эффективно решить многие вопросы, возникающие при диагностике деформируемых участков земляного полотна. Там, где требуется поиск мест расположения и конфигурации обводненных зон, исследование направления фильтрационных потоков, определение уровня грунтовых вод, их режима и питания, где есть дифференциация слоев грунта по влажности, данная методика дает наиболее полную и объективную информацию.

Вместе с тем там, где требуется литологическое расчленение слоев грунта, близких по влажности, установление границ необводненных балластных мешков и карманов, определение площади распространения и мощности балластных шлейфов, следует дополнительно привлекать другие геофизические методы, прежде всего сейсмотомографию, георадарную съемку и электродинамическое зондирование.

Сейсморазведка как метод диагностики состояния земляного полотна получил свое распространение в значительной мере благодаря простоте интерпретации. Сейсмотомографические разрезы позволяют с достаточно высокой детальностью оценить строение насыпи по скоростям распространения продольных и поперечных волн, а также их отношений. При определенных условиях эти параметры могут быть использованы для прогноза физико-механических свойств грунтов, их вещественного состава, характера водонасыщения, для выделения нестабильных участков земляного полотна.

Сейсмотомографический метод чаше всего применяют для решения следующих задач;

• исследование внутреннего строения земляного полотна;

• обнаружение и оконтуривание балластных мешков, лож, гнезд, шлейфов;

• определение местонахождения и конфигурации обводненных и ослабленных зон в теле насыпи;

• литологическое расчленение тела и основания насыпи;

• оценка свойств грунтов;

• определение границ оползневых массивов и т.д.

Сейсмотомографический метод позволяет выявлять в земляном полотне и основании различные напластования, распространение мерзлых зон и коренных пород на большой глубине.

Недостатком сейсморазведки является трудоемкая технология полевых измерений. Сейсмические технологии практически не реагируют на изменение влажности грунтов. В приповерхностном слое скорость продольных волн может меняться примерно в 10 раз и зависит от плотности; существует тенденция нарастания скорости с глубиной. Для надежной интерпретации сейсмических данных обязательно следует иметь общее представление о геологическом строении объекта.

Георадарные технологии в последнее время находят широкое применение на сети автомобильных дорог. Они основаны на регистрации отражений электромагнитной волны от границ, отличающихся по комплексной диэлектрической проницаемости. При некоторых упрощениях грунтовая фазовая скорость электромагнитной волны

где с — скорость света; E — диэлектрическая проницаемость, которая существенно зависит от свойств флюида в грунте.

Как видно, кинематика электромагнитной волны сильно зависит от диэлектрической проницаемости Е, но еще сильнее — от электрической проводимости о, которая также растет с ростом флюидонасыщения. Если вода минерализована растворенными в ней молекулами солей, то это часто приводит к полному экранированию электромагнитной волны и глубинность определяется положением верхней кромки этого слоя. Скорость распространения электромагнитной волны может меняться не более чем в 2 —2,5 раза. К недостаткам данного метода следует отнести также ограничение использования его в глинистых грунтах, так как в связных грунтах происходит сильное затухание импульсов. Кроме того, георадар фиксирует только конфигурацию границ грунтов без определения их физико-механических свойств. В сухих грунтах границы выделяются очень слабо, а иногда и совсем не фиксируются.

Достоинством метода является его высокая мобильность, позволяющая выполнять съемку непрерывно в движении.

Суть метода электроконтактного динамического зондирования (ЭДЗ) заключается в том, что в массив грунта ударами эталонного груза забивается металлический зонд. В процессе его погружения через определенные интервалы по глубине измеряется сила тока, пропускаемого в грунт через электроды, находящиеся на конце зонда. По принципу динамической пенетрации приближенно оцениваются прочностные характеристики дисперсных грунтов.

Положительными свойствами установки ЭДЗ являются ее мобильность и портативность, что очень важно для работы в стесненных условиях земляного полотна. К недостаткам относятся полное отсутствие механизации и автоматизации, низкая информативность и условная достоверность. Надежная глубина опробования грунтов методом ЭДЗ, как правило, не превышает 5...7 м.

Таким образом, краткий анализ достоинств и недостатков наиболее распространенных геофизических методов показывает, что обследование деформируемого земляного полотна, имеющего сложное инженерно-геологическое строение, должно быть комбинированным, с использованием нескольких технологий. Полученные результаты привязываются к опорным базовым горным выработкам с опробованием грунтов в них традиционными полевыми и лабораторными методами. Важно учитывать, что чувствительность каждого метода к изменению флюидонасыщения пород существенно различается.

Начинать исследования в большинстве случаев рекомендуется с электромагнитного сканирования как более простого и дешевого метода, позволяющего проводить съемку в движении и дающего полную и объективную информацию о наличии и положении обводненных и других аномальных зон в плане и профиле по всей площади земляного полотна и на всю его глубину.

По данным, полученным при электромагнитном сканировании, для более детального обследования выбираются характерные поперечники, на которых назначаются места опорных инженерно-геологических выработок.

Параллельно с проходкой горных выработок, опробованием в них грунтов и электродинамическим зондированием выполняется детальное сейсмотомографическое обследование выделенных поперечников.

Обработка материалов сейсмотомографии и электродинамического зондирования, а в случае необходимости и повторная обработка электромагнитного сканирования выполняются с учетом литологических колонок, разрезов и физико-механических свойств грунтов, полученных стандартными методами в опорных выработках.

На автомобильных дорогах в качестве дополнительного метода выгоднее применять георадарные технологии, которые позволяют одновременно обследовать как состояние земляного полотна и его основания, так и конструктивные слои дорожной одежды.

По мере накопления банка данных по конкретным перегонам и линиям представляется возможным в перспективе перейти только к геофизическому мониторингу проблемных участков.

Следует отметить, что чем меньше информации имеет проектировщик в своем распоряжении, тем большие коэффициенты запаса он вводит при проектировании стабилизационных мероприятий. Таким образом, увеличение стоимости изысканий при комплексном обследовании деформируемых участков будет компенсировано при реализации самого усиления.