768
.pdfта над теплотрассой с западинами и неровностями и даже к смещению части откоса.
Над газопроводами с отрицательной температурой газа вблизи мест снижения давления наоборот возникают пучинные гор-
бы [44].
3. ОБСЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРУЕМЫХ УЧАСТКОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА,
ДИАГНОСТИКА ПРИЧИН ИХ ДЕФОРМАЦИЙ
3.1. Обзор существующих методов обследования, их достоинства и недостатки
Результаты ремонта автомобильных дорог показывают, что деформируемые участки, отремонтированные по всем строительным нормам и правилам, не выдерживают требуемых сроков службы и зачастую снова преждевременно разрушаются [72].
Основными причинами такого состояния дел являются:
1)недостаточные объем, состав и достоверность исходных инженерно-геологических и гидрогеологических сведений для получения объективной информации вследствие заниженных объемов проводимых работ при изысканиях;
2)недостаточный опыт и квалификация персонала изыскательских организаций, неучет ими специфики деформируемого земляного полотна;
3)низкая оснащенность изыскательских организаций современным оборудованием;
4)использование при изысканиях исключительно традиционных методов, которые сводятся к геодезическим работам, бурению скважин и проходке шурфов;
5)отсутствие дифференциации методов инженерно-геологи- ческих изысканий в зависимости от вида деформации на конкретном участке;
6)отсутствие рекомендаций по выполнению изысканий при ремонте автомобильных дорог и т.д.
В условиях тендерных торгов специфика работ, связанных с диагностикой деформированного земляного полотна, как правило, не оговаривается. Соответственно в техническом задании на
71
производство инженерно-геологических изысканий она не отражается.
Стартовая цена на проектно-изыскательские работы сегодня такова, что получить достаточную исходную информацию для качественного проектирования просто невозможно. Если в конкурсную заявку включить объективно требуемые затраты на изыскательские работы, то в этом случае выиграть торги будет практически невозможно [72].
При разработке проектов капитального ремонта и реконструкции автомобильных дорог в лучшем случае инженерно-геоло- гические изыскания на участках с деформируемым земляным полотном выполняются в соответствии с требованиями на проектирование нового строительства (расстояние между выработками в среднем не менее 100 м) [73], в худшем – бурят по 3–4 скважины на 1 км или пользуются архивными данными. При этом в поперечном профиле инженерно-геологические работы практически не выполняются [72]. Тогда как при разработке проектов стабилизации деформаций земляного полотна объем геотехнических изысканий должен во много раз превышать аналогичные показатели для условий обычного строительства, ведь от полноты, детальности и качества изысканий непосредственно зависят выбор варианта стабилизации деформации и минимизация объемов работ. Кроме того, следует учитывать, что на одном участке ремонтируемой дороги могут проявляться совершенно разные виды деформаций.
В последние годы наметилось значительное отставание технического уровня инженерно-геологических изысканий от требований, которые предъявляются в связи с предполагаемыми объемами реконструкции существующих автомобильных дорог страны.
Квалификация персонала проектно-изыскательских организаций за последние годы заметно снизилась, а сложность поставленных перед ним задач значительно возросла. Не всегда существует понимание, что без устранения причин деформаций земляного полотна устраивать новые слои дорожного покрытия практически нецелесообразно.
Методы и системы диагностики деформируемого земляного полотна не отвечают требованиям времени. Для оценки его фак-
72
тического состояния эксплуатирующими организациями используются, как правило, только традиционные методы, включающие эксплуатационные наблюдения, геодезические измерения и ин- женерно-геологическое обследование. Хотя известно, что в условиях заболоченной местности Западной Сибири дефекты возникают чаще всего при невыявленной анизотропности и неоднородной слоистости земляного полотна и подстилающего его слабого основания [57]. Традиционные методы обследования таких сведений дать не могут. Новые же методы и технологии диагностики больного земляного полотна внедряются в практику очень медленно, а часто дорожники о них просто не знают.
Следует пересмотреть саму стратегию ремонтных работ, когда одни и те же виды работ выполняются по всему ремонтируемому участку автомобильной дороги [72]. Это влечет за собой и пересмотр существующих подходов к геотехническим изысканиям. Основой диагностики деформируемого земляного полотна в сложных инженерно-геологических условиях должны стать геофизические исследования.
3.2. Геофизические методы диагностики деформируемых участков земляного полотна
В современных условиях, как уже было сказано, использование только традиционных методов не позволяет достаточно своевременно и эффективно оценить техническое состояние земляного полотна [72, 74]. Выход из сложившейся ситуации заключается в использовании комплексного подхода, когда наряду с традиционными методами диагностики широко применяется геофизическое обследование проблемных участков земляного полотна.
3.2.1. Георадиолокационная диагностика
Георадиолокационное диагностирование проводится с использованием комплекса аппаратных и программных средств, специальных приборов – георадаров. Принцип действия георадара основан на излучении сверхширокополосных импульсов метрового и дециметрового диапазона электромагнитных волн и приеме сигналов, отраженных от границ слоев грунтов, слагающих насыпь и имеющих различные электрофизические свойства.
73
Результатом георадарной съемки являются радарограммы, с помощью которых можно судить о строении насыпи по глубине в продольном и поперечном профилях.
Интерпретация георадиолокационной информации состоит в выявлении на радарограммах различных неоднородностей в поведении фазовых линий и идентификации их с дефектами дорожной одежды и верхних слоев земляного полотна. Примеры отражения различных дефектов дорожной конструкции приведены на рис. 26–30.
Ремонт покрытия с заменой грунта
Рис. 26. Радарограмма участка, на котором производился ремонт с заменой верхнего слоя грунта
Достоинством данного метода является его высокая мобильность, позволяющая выполнять съемку без перерывов в движении. Поэтому георадары в последнее время находят все более широкое применение на сети автомобильных дорог. Более того, среди дорожников существует заблуждение, что, имея в наличии георадар, можно получить исчерпывающую информацию о состоянии земляного полотна и дорожной одежды. Что касается дорожной одежды, то такое мнение с определенным допущением может иметь место. Если же говорить о состоянии земляного полотна, то это не соответствует истине.
74
Возможное наличие коммуникаций
Рис. 27. Радарограмма участка, на котором разрушения на глубине 1–2 м, возможно, связаны с какими-либо коммуникациями
Дефект планировки земполотна
Рис. 28. Некачественная планировка земляного полотна перед устройством дорожной одежды
75
Стык
Рис. 29. Разрушение происходит на стыке участка со старым асфальтобетоном и участка, отремонтированным с заменой грунта
Неоднородности в земполотне
Рис. 30. Разрушения покрытия связаны с существованием на глубине более 1 м резких неоднородностей
Кинематика электромагнитной волны в значительной мере зависит от диэлектрической проницаемости Е, но еще больше от электрической проводимости σ, которая растет с ростом флюидонасыщения. Если вода минерализована, то это часто приводит к полному экранированию электромагнитной волны, глубинность определяется положением верхней кромки этого слоя. К недос-
76
таткам 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 физи- ко-механических свойств. В сухих грунтах границы выделяются очень слабо, а иногда и совсем не фиксируются [76].
Приведенные выше примеры радиограмм говорят о том, что их наглядность и информативность оставляют желать лучшего. Иными словами, георадиолокационное диагностирование показывает наличие дефекта, но не дает ясного представления о причинах его возникновения.
3.2.2. Сейсморазведка
Сейсморазведка позволяет изучать разрез до глубины 40–50 м путем измерения скоростей продольных и поперечных волн, возникающих и распространяющихся в грунтовой среде в результате приложения внешнего импульса (удара). Этот метод позволяет расчленить геологический разрез на горизонты с разными плотностными свойствами.
Сейсморазведка как метод диагностики состояния земляного полотна получил свое распространение во многом благодаря простоте интерпретации [77]. При определенных условиях оценка строения насыпи по скоростям распространения продольных и поперечных волн, а также их отношений может быть использована для прогноза физико-механических свойств грунтов, их вещественного состава, характера водонасыщения, для выделения нестабильных участков земляного полотна [78].
Сейсмотомографический метод чаще всего применяют для решения следующих задач [79, 80]:
–исследования внутреннего строения земляного полотна;
–обнаружения и оконтуривания балластных мешков, лож, гнезд, шлейфов;
–определения местонахождения и конфигурации обводненных и ослабленных зон в теле насыпи;
–литологического расчленения тела и основания насыпи;
–оценки свойств грунтов;
–определения границ оползневых массивов и т.д.
77
Сейсмотомографический метод обладает большой глубинностью и позволяет выявлять в земляном полотне и основании различные напластования, наличие мерзлых зон и коренных пород. Кроме того, информативность сейсмотомографии значительно выше других методов. В качестве примера на рис. 31 приведена сейсмотомограмма того же участка, что и на рис. 30.
Выход скальных грунтов
Рис. 31. Сейсмотомограмма участка, приведенного на радарограмме рис. 30
Сейсмотомограмма показывает, что аномалия скоростей (Vp более 2 000 м/с) связана с выходом коренных пород, которые препятствуют продольному стоку грунтовых вод. Последние скапливаются возле естественной преграды, создавая условия для интенсивного морозного пучения и последующего разрушения покрытия.
Для надежной интерпретации сейсмических данных необходимо иметь общее представление о геологическом строении объекта. В этом случае с помощью специальных корреляционных зависимостей можно построить томографические разрезы по отдельным физико-механических параметрам грунтов – Е, ν, ρ, С и
φ (рис. 32).
78
79
Рис. 32. Зоны равных значений физико-механических характеристик грунтов земляного полотна, построенные по материалам сейсмических исследований
3.2.3. Электромагнитное сканирование
Электромагнитное сканирование представляет собой новую высокоразрешающую технологию исследования приповерхностных слоев грунта до глубины в несколько десятков метров с применением контролируемого электромагнитного излучения в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц [81, 82]. Использование более низкой, чем в георадарах, главной частоты спектра позволяет этому методу практически не иметь ограничений, связанных с повышенной электропроводностью среды, и меньше зависеть от приповерхностных неоднородностей.
В зависимости от решаемой задачи измерения могут выполняться дискретно или непрерывно в движении, что предопределяет высокую технологичность и производительность работ. Деформации земляного полотна обычно связаны с его избыточным увлажнением. Поэтому поисковая задача формулируется как поиск областей пониженного сопротивления, соответствующих зонам обводнения грунта до глубины 5–10, реже 20–50 м. Особенно эффективна методика линейного и площадного высокоплотного электромагнитного зондирования при исследовании оснований дорожных сооружений, насыпей, грунтовых дамб и 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 м/с, высокая плотность регистрации во времени (100 нс) и пространстве (0,01 м). Глубина исследования с движущим источником составляет около 20 м. Глубина исследования 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. На рис. 33 представлен вид установки для исследования протяженных линейных участков транспортных магистралей.
80