Прогнозирование размеров оползневых деформаций на откосах земляного полотна автомобильных дорог методом георадиолокации

На правах рукописи

ЕРЕМИН Роман Александрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗМЕРОВ ОПОЛЗНЕВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ НА ОТКОСАХ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ МЕТОДОМ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Кулижников Александр Михайлович
Официальные оппоненты:	Кочетков Андрей Викторович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Транспортное строительство» Белоусов Сергей Николаевич кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Экономика и управление дорожным хозяйством»
Ведущая организация:	ООО «Институт промышленного гражданского строительства "ПОВОЛЖСТРОЙ­ПРОЕКТ" (г. Пенза)

Защита состоится 19 апреля 2012 г. В 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, в аудитории Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «16» марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Акчурин Т.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы диссертационной работы. Актуальность исследований в Поволжском федеральном округе обусловлена большим количеством случаев нарушения устойчивости откосов земляного полотна дорожных сооружений за последние годы. Связано это с недостатком и отсутствием кондиционных песков для возведения земляного полотна на территории региона, где высокие насыпи возводятся преимущественно из местных материалов, глин, суглинков, опоки, пылеватых супесей и песков. В неблагоприятные периоды года избыточное увлажнение грунтов земляного полотна атмосферными осадками и грунтовыми водами приводят к снижению их прочностных свойств, в результате чего возникают оползневые явления. Существующие традиционные методы диагностики оползневых участков не позволяют своевременно обнаружить в теле дорожного сооружения скрытые дефекты, вызванные переувлажнением. Назначение противооползневых мероприятий зачастую осуществляется после того, как оползень уже произошел, в связи с чем, восстановительные и защитные работы получаются более ресурсоемкими и как следствие более дорогими. Выявить скрытые дефекты в земляном полотне при первых визуальных признаках возможного нарушения устойчивости откосов земляного полотна, а так же при периодическом мониторинге изменения состояния сооружения способны геофизические методы исследований. Одним из эффективных методов является подповерхностная георадиолокация с использованием георадаров. В виду большой информативности и высокой производительности упомянутый метод находит за последние десятилетие все более широкое применение в обследовании дорожных сооружений.

Цель диссертационной работы. Повышение качества прогнозирования размеров оползневых деформаций откосов земляного полотна на основе разработки методики обследования и распознавания оползневых участков автомобильных дорог с помощью георадиолокационного метода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать возможность и эффективность применения георадиолокационного метода для обследования оползневых деформаций откосов земляного полотна дорожных сооружений.

2. Разработать физические модели механизмов развития оползневых деформаций откосов на основе анализа водно-теплового режима грунтов земляного полотна.
3. Сформулировать рабочую гипотезу выявления признаков формирования оползневых процессов откосов земляного полотна по данным амплитудно-частотных и фазовых характеристик георадарной съемки.
4. Разработать методику обследования георадарным методом оползневых деформаций откосов земляного полотна автомобильных дорог.
5. Выполнить георадарное обследование оползневых участков автомобильных дорог и анализ амплитудно-частотных и фазовых характе­ристик полученных радарограмм.
6. Выявить на полученных радарограммах признаки распознавания оползневых массивов на основании сформулированной рабочей гипотезы.
7. Разработать практические рекомендации по обследованию и прогнозированию размеров оползневых деформаций откосов земляного полотна методом георадиолокации.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена следующими положениями:

1. Использование сертифицированного георадарного оборудования (георадары серии «ОКО») и сертифицированного программного обеспечения к ним («Геоскан-32»)
2. Теоретические аспекты работы опираются на фундаментальные положения инженерной геологии, гидрогеологии, геофизики и геодинамики.
3. Полученные результаты полевых работ на участке автомобильной дороги М-5 «Урал» логически увязываются с описанием процессов в разработанных физических моделях и выдвинутой рабочей гипотезой.
4. Данные полученные методом скважинного бурения, позволили подтвердить результаты, полученные методом георадиолокации.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Впервые сформулирована рабочая гипотеза по локализации элементов зарождающегося оползня на основании анализа амплитудно-частотных и фазовых характеристик отраженного сигнала, полученных с помощью метода георадиолокации.
2. Разработана новая методика, по которой выполнены исследования по прогнозированию размеров оползневых деформаций откосов земляного полотна с помощью георадарных технологий.
3. Разработаны практические рекомендации по обследованию и прогнозированию размеров оползневых деформаций откосов дорожных сооружений методом георадиолокации.

Практическая значимость работы. Представленные в диссертации практические рекомендации нашли применение при решении задач по обследованию оползневых процессов откосов земляного полотна методом георадиолокации на сети федеральных автомобильных дорог ФУАД «Большая Волга». Результаты георадарного обследования использованы для прогнозирования размеров оползневых деформаций и назначения эффективных противооползневых мероприятий на участках федеральной автомобильной дороги М-5 «Урал».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы по мере их разработки докладывались и обсуждались: на научно методических семинарах кафедры «Автомобильные дороги» ПГУАС (2009-2011 г.г.); на шестой Международной научно – технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (2010 г., г. Пенза); на совещании при главном инженере ФКУ «Поволжуправтодор» (2011 г., г. Пенза); на расширенном заседании кафедры «Автомобильные дороги» ПГУАС (2011 г.); на расширенном заседании кафедры «Строительство транспортных сооружений» ВолгГАСУ (2011 г.).

Личный вклад автора заключается в:

1. обосновании эффективности применения метода георадиолокации для обследования оползневых деформаций откосов земляного полотна автомобильных дорог;
2. разработке физических моделей механизмов развития оползневых деформаций, основных положений рабочей гипотезы по выявлению на радарограммах зарождающихся элементов оползневого тела и прогнозированию его размеров;
3. разработке методики и практических рекомендаций по проведению обследования оползневых участков автомобильных дорог методом георадиолокации.

На защиту выносятся:

1. Рабочая гипотеза распознавания признаков формирования оползневых деформаций по данным георадарной съемки.
2. Прогнозные оценки размеров оползневых деформаций откосов земляного полотна, полученные на основе анализа амплитудно-частотных и фазовых характеристик георадарной съемки.
3. Методика обследования и практические рекомендации по прогнозированию размеров оползневых деформаций откосов земляного полотна методом георадиолокации.

Результаты научных исследований получили внедрение в работе ФКУ «Поволжуправтодор» при эксплуатации сети федеральных автомобильных дорог и ООО «Институт промышленного гражданского строительства "ПОВОЛЖСТРОЙПРОЕКТ" при разработке проектной документации по их реконструкции и капитальному ремонту, а так же в учебном процессе кафедры «Автомобильные дороги» ПГУАС при проведении курсового и дипломного проектирования.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 научных трудах, из них две работы опубликованы в ведущем рецензируемом научном издании.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, библиографического списка из 145 наименований и 2 приложений общим объемом 173 страницы, включает в себя 39 рисунков, 7 таблиц.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены разные трактовки механизмов образования оползневых явлений. Проанализированы природно-климатические и грунтово-гидрогеологические условия регионов Поволжья, рассмотрены причины образования ослаблений в грунтах откосов дорожных сооружений от воздействия различных факторов. Приведены преимущества и недостатки применения различных геофизических методов (сейсморазведка, электроразведка, георадиолокация и т.д.) при обследовании оползневых деформаций. Обоснован выбор георадиолокационного метода, как одного из эффективных для изучения оползневых процессов откосов земляного полотна автомобильных дорог. Проанализированы амплитудно-частотные и фазовые характеристики на радиолокационных разрезах, по которым можно судить о характере ослаблений в грунтах оползневого массива.

Вопросами устойчивости откосов и склонов занимались отечественные ученые: Д.М.Ахпателов, В.Ф.Бабков, А.А.Бартоломей, С.Н.Белоусов, А.Н.Бо­го­молов, Л.К.Гинзбург, М.Н.Гольдштейн, А.Г.Дорфман, Е.П.Емельянова, Г.С.Золо­та­рев, А.И.Иванов, В.Д. Казарновский, Г.К.Клейн, Г.М.Ломизе, Ю.М.Льво­вич, У.Х.Магдеев, Н.Н.Маслов, А.Л.Можевитинов, С.Н.Ники­тин, Н.П.Ор­нат­ский, И.И.Попов, В.В.Соколовский, Ю.В.Соловьев, З.Г.Тер-Мар­­ти­ро­сян, И.В.Федоров, Г.Л.Фисенко, В.К.Цветков, А.А.Цернант, Н.А.Цы­тович, Р.Р.Чугаев, Г.М.Шадунц, Г.М.Шахунянц и многие др. Зарубежные ученые: K.Akai, A.W.Bishop, W.Fellenius, O.K.Frolich, Y.H.Huang, H.Kley, N.R.Morgenstern, D.Taylor, K.Terzaghi, G.P.Tschebotarioff, N.Janbu
и многие др.

Развитию ослабленных зон грунта, которые приводят к формированию оползней, способствуют следующие основные факторы: статическая нагрузка от собственного веса откоса, вибродинамическое воздействие автотранспорта, изменение физических свойств грунтов в зависимости от водно-теплового режима земляного полотна. Каждый из факторов приводит к развитию ослаблений грунта в определенных местах откоса дорожного сооружения. На основании анализа ранее выполненных научно-исследо­ватель­ских работ выявлены области распространения ослабленных грунтовых зон откосов земляного полотна и спрогнозировано положение плоскости скольжения пересекающей эти ослабленные зоны.

Исходя из характера процессов, сформировавших области ослабления, сделаны следующие предположения:

• область ослабления грунта в верхней части откоса земляного полотна характеризуется существенным разуплотнением и высокой влажностью в неблагоприятные периоды года;
• область ослабления приповерхностного грунта в средней части откоса отличается разуплотнением, и существенным напряженным состоянием;
• область ослабления грунта у подошвы откоса характеризуется напря­женным состоянием и высокой влажностью в неблагоприятный период года;
• область ослабления грунта на поверхности зоны капиллярного водонасыщения характеризуется скачком изменения влажности.

В работе были проанализированы применяемые для обследования оползневых участков наряду с традиционными буровыми работами методы геофизических исследований: методы электроразведки (вертикального электрического зондирования и электропрофилирования), сейсморазведочный метод переломных волн и метод георадиолокации.

Электроразведка чаще всего используется при обследовании оползневых массивов значительных размеров и большой глубины, что характерно для оползневых склонов. Сейсморазведка, как правило, применяется при охвате протяженных расстояний с большим разносом излучающих и приемных элементов, что не позволяет ее эффективно использовать при обследовании местной устойчивости дорожных откосов. Георадиолокационные методы используются для получения непрерывных георадиолокационных разрезов на инженерных глубинах, что характерно для откосов земляного полона насыпей и выемок.

На основании обзора геофизических методов и анализа публикаций, посвященных практическим исследованиям, была составлена сравни­тель­ная таблица (табл. 1).

Таблица 1

Сравнительная таблица эффективности использования геофизических
и традиционных методов применительно к обследованию оползней откосов дорожных сооружений

Метод	Глуби­н­ность	Информа­тивность (ВЧР)	Точность	Производи­тельность	Эконо­мичность	Помехоус­тойчивость	Итог
Электро-разведка	3	2	1	2	2	3	12
Сейсмо-разведка	3	2	1	1	1	1	11
Георадиоло-кация	1	3	1	3	3	2	13
Традиционный буровой метод	2	1	3	1	1	3	11

Сравниваемые характеристики рассмотрены в рам­ках общей оценочной шкалы установленной непосредственно для оползневых участков автомобильных дорог. Оценка произведена по 3 бальной шкале. Главное преимущество метода георадиолокации, которое определило его приоритет над другими геофизическими методами – большая информативность в верхних частях разреза (ВЧР). Кроме того, георадарные обследования более экономичны и имеют производительность значительно выше, чем электро- и сейсморазведка.

Значительный вклад в решение инженерных задач в транспортном строительстве методом георадиолокации внесли ученые и специалисты: А.А.Белозеров; Е.В.Богатырев; М.Л.Владов; Л.Б.Волкомирская; Д.А.Гензе; В.В.Глазунов; Р.Р.Денисов; А.В.Дудник; Н.Н.Ефимова; А.Б.Казарин; А.Ю.Ка­лаш­ников; В.В.Капустин; В.В.Копейкин; А.М.Кулижников; С.П.Лукьянов; Н.А.Лушников; И.В.Макеечева; П.А.Морозов; А.В.Переходов; В.В.Помо­зов; В.П.Прохоров; Н.В.Пудова; Е.А.Сафонова; Н.П.Семейкин; А.В.Старо­войтов; М.И.Финкельштейн; В.А.Явна и многие др. За рубежом известны работы J.L.Davis (Канада); J.Emilsson; J.Friborg; C.A.Lenngren(Швеция); P.Maijala; Т.Saarenketo(Финляндия); T.Scullion (США) и др. Однако работ по обследованию оползневых участков автомобильных дорог георадиолокационными методами выполнено очень мало. Они в основном констатировали причины возникновения свершившихся оползней, а не прогнозировали размеры будущих оползневых массивов. В этих работах не дано научного обоснования распознавания размеров оползневого массива на радиолокационных разрезах, не сформулирована и не обоснована методика выполнения таких исследований, отсутствуют практические рекомендации по применению георадилокационых методов при обследовании оползневых деформаций.

Изучением георадарными методами поведения электромагнитных волн в грунтах имеющих области ослабления, в том числе и приуроченных к из­быточному увлажнению занимаются исследователи: А.А.Бе­лозеров, М.Л.Вла­дов, В.В.Глазунов, С.М.Данильев, Р.Р.Денисов, Н.Н.Ефимова, А.Ю.Ка­лашников, В.В.Капустин, А.М.Кулижников, В.В.Помозов, А.М.Романова, Н.П.Семейкин, А.В.Ста­ро­войтов, В.А.Явна и др. Исходя из анализа работ вышеупомянутых авторов в рамках диссер­тационных исследований были определены основные кинематические и динамические признаки свой­ственные ослабленным зонам в грунтах различных сооружений. Основные параметры динамических признаков – это амплитуда, частота и фаза сигнала. Кинематические признаки связаны с нарушениями структуры и взаимного расположения отражающих границ на радарограммах.

Во второй главе на основании общих положений об оползневых явлениях, областях распространения и характера ослабленных зон были рассмотрены пять физических моделей механизмов оползнеобразования в конструкциях земляного полотна в насыпях и выемках, сложенных различными типами связных грунтов. Сформулированы положения рабочей гипотезы.

В автореферате приведена наиболее распространенная модель (рис. 1), которая была принята с учетом ряда допущений:

• дорога располагается в неблагоприятных грунтовых и гидрогеологических условиях;
• крутизна откосов и высота насыпи благоприятствуют развитию оползней;
• грунты насыпи и грунты основания представлены пучиноопасными глинистыми грунтами (глинами, суглинками) и пылеватыми супесями, а более глубокие слои основания плотными глинами.

Рис. 1. Пример физической модели оползнеобразования в насыпи

Для прогнозирования по радарограммам размеров оползневых деформаций, оценка состояния грунта выполнена в характерных прогнозируемых ослабленных зонах предполагаемого оползня: подошве оползня, области развития кривой скольжения в средней части откоса и стенке срыва (рис.2).

Рис. 2. Схема прогнозируемых ослабленных зон в развитии предполагаемого оползня:
1 – верхняя часть откоса; 2 – область кривой скольжения в средней части откоса;
3 – подошва откоса

В совокупности принятые в работе положения о распространении и характере ослабленных зон, спектральном анализе амплитудно-частотных и фазовых характеристик, а так же механизмах оползнеобразования позволили выдвинуть рабочую гипотезу выявления основных элементов оползневого тела.

Зона 1. Разуплотненный грунт верхней части откоса, где начинает формироваться стенка срыва, в дальнейшем переходящая в плоскость скольжения. Зона 1 может характеризоваться высокой амплитудой сигнала и низкими значениями частоты в неблагоприятный период года. Продольные трещины проявляются разрывами и вертикальными смещениями осей синфазности на радарограммах.

Зона 2. Переувлажненный грунт ниже предполагаемой кривой скольжения, будет характеризоваться низкой частотой сигнала и прозрачной волновой картиной. Граница капиллярного водонасыщения будет определяться по отсутствию эффекта инверсии фазы сигнала.

Зона 3. Переувлажненый грунт основания и подошвы откоса, где будет формироваться подошва оползневого тела, будет характеризоваться высокой амплитудой и переотражением сигнала в зависимости от значений влажности. Границу области избыточной влажности, можно будет определить по отсутствию эффекта инверсии фазы сигнала.

В третьей главе описывается методика проведения подготовительных и полевых георадарных работ, методика обработки и интерпретации георадиолокационных данных, приводятся обработанные радарограммы, анализ амплитудно-частотных и фазовых характеристик, а также результаты скважинного бурения для подтверждения результатов георадарного обследования. По результатам работ выполнено прогнозирование размеров оползневых деформаций.

Задачи, решаемые в ходе экспериментальных работ:

1. Разработать методику проведения и программу полевых работ.
2. Определить оптимальные параметры комплектности и настройки оборудования, разметить створы проходов.
3. Выполнить георадарные исследования на оползневых участках автомобильных дорог согласно подготовленной методике. Скорректировать методику исследований по результатам экспериментальных работ.
4. Выявить на радарограммах кинематические и динамические признаки, указывающие на зоны ослабления в грунтах земляного полотна. Подтвердить рабочую гипотезу.
5. Осуществить топографическую привязку створов проходов георадара для повышения наглядности интерпретированных радарограмм.
6. Спрогнозировать по данным распространения ослабленных зон вероятные размеры оползневого массива.
7. Подтвердить данные георадиолокационных исследований результатами скважинного бурения.

В начале июня 2011 г. было проведено георадарное обследование оползневого участка федеральной автомобильной дороги М-5 «Урал», в Пензенской области.

Георадарные работы выполнялись на участках:

а) где произошло сползание откоса;

б) где структура откоса была не нарушена, но уже имелись некоторые внешние признаки возможного оползнеобразования.

Полевые работы проводились согласно подготовленной схеме георадаром «ОКО» с антенным блоком АБ-150 (рис. 3).

Рис. 3. Схема створов проходов георадара, на рисунке указаны номера створов и направление проходов георадара

По результатам георадарных работ было получено две радарограммы продольных проходов (рис. 4-5) и 18 радарограмм поперечных проходов георадара (две из них приведены на рис. 6б и рис.7б).

При обработке полученных радарограмм для предварительного определения областей распространения ослабленных зон грунта на радарограммах был проанализирован характер относительного изменения энергии отраженных сигналов. С этой целю, был произведен расчёт огибающей и фазы анализируемого сигнала x(t) по формулам:

(1)

, (2)

где y(t) – преобразование Гильберта (ортогональное дополнение) анализируемого импульсного сигнала x(t), рассчитанное по формуле:

(3)

где t и l время.

В результате были выделены области с характерными изменениями, отличающимися от соседних областей радарограммы более высокой или более низкой энергией сигнала. Преимущественно на радарограммах преобладали области с высокой энергией сигнала, которые указывают на зоны ослабленного грунта. Для определения характера ослабленных зон к ним был применен спектральный анализ.

На радарограммах профилей продольных проходов (рис. 4, 5), видны смещения осей синфазности в вертикальном направлении в районе 25-35 м по правому продольному створу и на участках 60-80, 110-150 м по левому продольному створу. Это может указывать на то, что грунт откосов смещается вниз. Там, где на радарограммах профилей продольных проходов в приповерхностных слоях заметно уширение осей синфазности, можно предположить, что вертикальное смещение вызвало разуплотнение этих слоев. Данный факт подтверждается и высокими значениями амплитуды, порядка 400-450 ед. при характерных на данной глубине значениях в 250-300 ед. На радарограммах профилей продольных проходов участкам наибольших вертикальных подвижек соответствуют области ограниченные метками 4-9 по правому створу и 3-9 по левому створу, они отмечены белой линией (рис. 4, 5). Граница изменения влажности на обоих профилях продольных проходов (на глубине 2-3 м) определена по признаку отсутствия эффекта инверсии фазы, она отмечена черной линией (см. рис. 4, 5). Грунт ниже этой границы характеризуется низкими значениями частоты порядка 20-40 МГц (что может свидетельствовать о высокой влажности), выше – характерными данной среде значениями частоты 100-150 МГц.

Рис. 4. Радарограмма продольного прохода по правой обочине дороги	Рис. 5. Радарограмма продольного прохода по левой обочине дороги

В целях прогнозирования возможных размеров оползневых деформаций из всех волновых профилей поперечных проходов были отобраны наиболее характерные радарограммы, полученные по результатам проходов по откосам с ненарушенной структурой грунтов. В автореферате приведены некоторые из них, на оставшихся профилях наблюдалась аналогичная картина.

На радарограммах поперечных проходов (рис. 6а-7а) можно наблюдать области высокой энергии сигнала. Данные аномальные зоны наблюдаются и в предполагаемых областях развития характерных элементов оползневого тела. Каждая из этих областей была пронумерована согласно схеме зон распространения аномалий спектра сигнала, приведенной в теоретической части работы (см. рис. 2). Для подтверждения положений рабочей гипотезы в указанных зонах были проанализированы амплитудно-частотные и фазовые характеристики сигнала (рис. 6б-7б). В основании (зона 3) и верхней части сечений откосов насыпи (зона 1), значения амплитуды составили 250-400 ед., при характерных данным глубинам на не подверженных оползневым явлениям откосах 100-200 ед. Высокие значения амплитуд в верхней части сечений откосов (зона 1) предположительно указывают на разуплотнение и вероятность развития здесь стенки срыва в случае увлажнения. Области высоких амплитуд в верхней части сечений откосов на радарограммах поперечных проходов соответствуют областям высоких амплитуд радарограмм продольных проходов. Высокие значения амплитуд и переотражение сигнала в основании насыпи (зона 3) могут указывать на ослабление в грунте вызванное переувлажнением. Ослабленные грунты в основании не окажут существенного сопротивления сползанию откоса. Граница изменения влажности была определена по эффекту отсутствия инверсии фазы сигнала на глубине порядка 2-3 м. Среда ниже этой границы характеризуется низкими значениями частот 20-40 МГц, при характерных значениях 100-150 МГц, данный факт может свидетельствовать о высокой влажности грунта в этой зоне. Прогнозируемые кривые скольжения были намечены по областям радарограмм с повышенной энергией сигнала (рис. 6в-7в), соответствующим характерным элементам предполагаемого оползневого тела.

Рис.6. Радарограмма вдоль первого поперечного сечения правого откоса дороги:
а – после преобразований Гильберта и выделения характерных элементов
прогнозируемого оползневого тела; б – после выявления границы изменения влажности (гив) и областей высоких амплитуд (ова); в – после топографической привязки и нанесения прогнозируемой кривой скольжения

Рис.7. Радарограмма вдоль четвертого поперечного сечения правого откоса дороги:
а – после преобразований Гильберта и выделения характерных элементов
прогнозируемого оползневого тела; б – после выявления границы изменения влажности (гив) и областей высоких амплитуд (ова); в – после топографической привязки и нанесения прогнозируемой кривой скольжения

Сводные данные по характерным радарограммам приведены в табл. 2.

Таблица 2

Сопоставительная таблица признаков ослаблений

Характеристики и признаки, обозначенные в теоретической гипотезе	Радарограммы по номерам проходов
	Правый			Левый			Характерные значения
	1	3	4	7	8	9
Стенка срыва (зона 1 на рис.2):
амплитуда	400	300	280	250	280	250	< 200
Кривая скольжения в средней части (область зона 2 на рис.2):
частота	22	25	30	22	28	22	100-150
отсутствие инверсии фазы сигнала	+	+	+	+	+	+	-
Подошва откоса (зона 3 на рис.2):
амплитуда	400	430	330	400	260	300	< 200
Основание откоса (зона 3 на рис.2):
отсутствие инверсии фазы сигнала	+	+	+	+	+	+	-

На основании полученных результатов сформулированы следующие выводы, подтверждающие рабочую гипотезу:

• О разуплотнении на радарограммах поперечных проходов в зоне 1 в верхней части сечений откосов говорят области высоких амплитуд.

• На правом и левом профилях продольных проходов зафиксированы пересечения областей высоких амплитуд с аналогичными областями профилей поперечных проходов в верхней части сечений откосов.
• О переувлажнении на радарограммах поперечных проходов в зоне 3 свидетельствуют области повышенных амплитуд у основания насыпи, в которых так же наблюдается переотражение сигнала.
• Граница изменения влажности на радарограммах в зоне 2 определена по признаку отсутствия эффекта инверсии фазы сигнала на глубине 2-3 м.
• Избыточно увлажненные грунты удалось выявить в зоне 2 ниже границы изменения влажности на радарограммах по установленным низким значениям частоты.

С целью подтверждения результатов георадарной съемки были проанализированы результаты скважинного бурения на том же участке.

Поперечный разрез (рис. 8) соответствует первому поперечному створу георадарной съемки (см. рис. 6). Положение кровли водонасыщенного слоя грунта по данным заверочного бурения показано пунктирной линией. Границы водоносного слоя, намеченные по данным инженерно-геоло­ги­че­ских изысканий схожи с данными полученными при георадарной съемке.

Рис. 8. Поперечный профиль земляного полотна автомобильной дороги
на первом поперечном створе георадарной съемки

Построенные на основании данных отбора проб грунтов графики изменения влажности по глубине (по данным скважин пробуренных у бровки и подошвы земляного полотна) показывают превышение опти­мальной влажности на глубине 1,5-3 м (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость влажности грунта от глубины

Резкое изменение влажности отмечается на тех же глубинах, где на радарограммах наблюдается отсутствие эффекта инверсии фазы сигнала.

В четвертой главе приведены подробные практические рекомендации по методике проведения обследований и прогнозированию размеров оползней откосов земляного полотна георадиолокационными методами. Основные этапы этой методики можно описать следующим алгоритмом:

• визуальный осмотр участка;
• анализ априорной информации: данные инженерно-геологических и геофизических изысканий на том же или аналогичном участке;
• моделирование наиболее вероятного механизма развития оползня;
• назначение схемы створов прохода георадара;
• определение комплектности и настройки георадарного оборудования;
• полевые георадарные работы;
• обработка и интерпретация радарограмм в камеральных условиях;
• заверочные буровые работы по результатам анализа радарограмм;
• нанесение на радарограммы прогнозируемые траектории плоскости скольжения;
• построение пространственной модели оползневого массива.

Экономический эффект от использования метода георадиолокации при обследовании оползневых участков автомобильных дорог с заверочным бурением превосходит аналогичные показатели инженерно-геологических изысканий только с помощью традиционных буровых методов работ более чем в 2,5 раза.

Основные выводы

1. Обоснована возможность использования метода георадиолокации при обследовании оползневых деформаций откосов земляного полотна автомобильных дорог, достоинством метода является большая информативность получаемых данных в верхних частях разреза, а так же высокая производительность при сравнительно низкой ресурсоемкости.
2. Описаны и приняты, пять физических моделей развития механизмов оползневых деформаций откосов насыпей и выемок, сложенных различными типами связных грунтов при их различном сочетании. Выявлены три прогнозируемых ослабленных зоны в развитии предполагаемого оползня.
3. Сформулирована рабочая гипотеза, основанная на анализе амплитудно-частотных и фазовых характеристик отраженного сигнала в зонах развития характерных элементов оползневого массива. В верхней части откоса (зона 1) предполагалось наблюдать: вертикальное смещение осей синфазности указывающее на раскрытие трещин; превышение характерных значений амплитуды сигнала более чем в 1,5-2 раза указывающее на разуплотнение; существенное снижение частоты сигнала, в неблагоприятный период, свидетельствующее о переувлажнении. В средней части откоса (зона 2), где прогнозировалось пересечение наиболее вероятной кривой скольжения с поверхностью зоны капиллярного водонасыщения, предполагалось увидеть отсутствие эффекта инверсии фазы, а в самой зоне водонасыщенного грунта - резкое снижение частоты сигнала и признаки прозрачной волновой картины. В основании и подошве откоса (зона 3) планировалось наблюдать высокие значения амплитуды сигнала и его переотражение, свидетельствующие о переувлажнении.
4. Разработана методика обследования откосов земляного полотна, позволяющая определить на них вероятность формирования оползневых деформаций, спрогнозировать их местоположение и размеры по данным георадарной съемки.
5. Экспериментальные работы были выполнены на участках автомобильной дороги М-5 «Урал» в Пензенской области с ненарушенной структурой откоса земляного полотна, а так же с явными признаками свершившегося оползня. Было получено 20 радараграмм по продольным и поперечным створам прохода георадара.
6. В результате выполнения экспериментальных работ положения рабочей гипотезы нашли свое подтверждение при анализе полученных радарограмм. В верхней части сечения откосов дорожной насыпи наблюдалось повышение амплитуды до 250-400 ед., в то время как характерные значения на аналогичной глубине на не подверженных оползневым явлениям откосах составляли не более 200 ед. В средней части предполагаемой кривой скольжения по отсутствию эффекта инверсии фазы была определена граница изменения влажности, ниже которой, среда характеризовалась значениями частоты сигнала порядка 20-40 МГц при характерных 100-150 МГц, и прозрачной волновой картиной. У подошвы откоса было замечено повышение амплитуды и переотражение сигнала. Рабочая гипотеза также подтверждена по результатам преобразований Гильберта, выполненных на радарограммах поперечных проходов. По выявленным, на основании преобразований Гильберта и спектрального анализа, ослабленным зонам грунта были спрогнозированы наиболее вероятные размеры оползневых деформаций откосов насыпи.
7. На основании проведенных экспериментальных работ были разработаны подробные практические рекомендации по выполнению обследований и прогнозированию размеров оползневых деформаций откосов земляного полотна автомобильных дорог.

Направления дальнейших исследований:

• мониторинговые наблюдения с помощью георадарных исследований для прогнозирования оползневых деформаций откосов земляного полотна во времени;
• исследования по определению количественных показателей влажности и плотности грунтов прогнозируемых оползневых участков на основании данных георадарной съемки;
• георадарные обследования влияния миграции подземных вод на оползневые деформации внешних откосов земляного полотна в выемках.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Еремин Р. А. Методика георадарных обследований оползневых участков // Дороги и мосты: сб. науч. тр. М.: ФГУП РОСДОРНИИ, 2011. №25. С. 85–98.
2. Еремин Р. А., Бажанов А. П. Функционально-параметрическая модель управления основными транспортно-эксплуатационными показателями автомобильной дороги // Дороги и мосты: сб. науч. тр. М.: ФГУП РОСДОРНИИ, 2011. №26. С. 56–65.

Публикации в других изданиях, материалах конференций:

3. Еремин Р.А. Современные возможности решения традиционных задач методом георадиолокации // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России: материалы VI междунар. науч.-техн. конф. Пенза: ПГУАС, 2010. Ч. 2. С. 283–287.
4. Еремин Р. А. Применение метода георадиолокации для диагностики оползневых участков автомобильных дорог в Поволжье // Новые дороги России: материалы междунар. конф. Пенза: ПГУАС, 2011. С. 171–176.
5. Еремин Р. А., Корнюхин А. В. Анализ текущего состояния автомобильных дорог Пензенской области // Новые дороги России: материалы междунар. конф. Пенза: ПГУАС, 2011. С. 528–533.
6. Еремин Р. А., Морковкина А. М. Методы устранения деформаций и разрушений асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах Поволжья // Новые дороги России: материалы междунар. конф. Пенза: ПГУАС, 2011. С. 371–377.
7. Еремин Р. А., Кулижников А. М. Прогнозирование размеров оползневых деформаций на откосах земляного полотна автомобильных дорог методом георадиолокации // Дорожная держава. 2011. №37. С. 44–46.

Еремин Роман Александрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗМЕРОВ ОПОЛЗНЕВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ НА ОТКОСАХ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ МЕТОДОМ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ

Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Подписано в печать 15.02.2012. Формат 6084/16.

Бумага офсетная. Печать на ризографе.

Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 110 экз.

Заказ №66.

Издательство ПГУАС.

Отпечатано в полиграфическом центре ПГУАС.

440028. г. Пенза, ул. Г. Титова, 28.

E-mail: [email protected]
www.pguas.ru