УДК: 621.396.96:551.34:625.7/.8(571.56)
Фото на заставку
Георадиолокационная диагностика криогенных процессов в грунтах оснований автодорог г. Якутска
ФЕДОРОВА Л. Л.
Институт горного дела Севера им. СО РАН, г. Якутск, Россия, *****@***ru
САВВИН Д. В.
Институт горного дела Севера им. СО РАН, г. Якутск, Россия, savvin. *****@***ru
МАНДАРОВ Д. А.
Северо-Восточный федеральный университет им. , г. Якутск, Россия, *****@***ru
ФЕДОРОВ М. П.
Институт горного дела Севера им. СО РАН, г. Якутск, Россия, *****@***com
Аннотация: строительство и эксплуатация автомобильных дорог в криолитозоне вносят большие изменения в природный температурный и водный режимы многолетнемерзлых грунтов. Все это сопровождается активизацией негативных криогенных процессов, заболачиванием, образованием бугров пучения, зон талых грунтов и различного рода просадок. В статье рассматриваются актуальные исследования, направленные на повышение информативности, оперативности и достоверности оценки состояния грунтов автодороги по показаниям дистанционных геофизических методов, в частности георадиолокации. Представлены результаты исследований возможностей применения метода георадиолокации для изучения состояния грунтов дорожной одежды в условиях высокой загруженности автомобильной транспортной сети на примере ул. Дзержинского г. Якутска. По данным георадиолокации построен инженерно-геологический разрез участка исследований. В результате оценен определенный тип мерзлотно-грунтового разреза, отражающий особенности состояния грунтового массива (мерзлые и талые грунты) и выявлены неоднородности дорожного основания (участки суффозионных процессов, наличие переувлажненных грунтов). Показано, что метод георадиолокации имеет высокую информативность для изучения негативных криогенных процессов в грунтах оснований автомобильных дорог.
Ключевые слова: неразрушающий метод диагностики; автомобильная дорога; грунты земляного полотна; георадиолокация; криогенные процессы; криолитозона
GPR diagnosis of cryogenic processes in soils of highwaysubgrade in the city of Yakutsk
FEDOROVA L. L.
Chersky Mining Institute of the North SB RAS, Yakutsk, Russia, *****@***ru
SAVVIN D. V.
Chersky Mining Institute of the North SB RAS, Yakutsk, Russia, savvin. *****@***ru
MANDAROV D. A.
Ammosov North-Eastern Federal University, Yakutsk, Russia, *****@***ru
FEDOROV M. P.
Chersky Mining Institute of the North SB RAS, Yakutsk, Russia, *****@***com
Abstract: the construction and exploitation of highways in the permafrost zone make great changes in the natural temperature and water modes of permafrost soils. All this is accompanied by activation of negative cryogenic processes, water-logging, formation of mounds of bulking, thawed soil zones and various kinds of subsidence. The article is devoted to actual research aimed at increasing the information content, efficiency and reliability of assessing the state of road soils according to the indications of various remote geophysical methods, in particular, GPR. The investigation results of GPR method possibility for studying the state of pavement soils under conditions of high congestion of the automobile transport network are presented. The Dzerzhinsky Street in the city of Yakutsk was chosen as a key site. Using the GPR data, an engineering-geological section and a distribution map of the anomalous regions were created. As a result, a certain type of permafrost-soil section, reflecting the features of soil massif state (frozen and thawed soils), was estimated. Besides, the heterogeneities of the road base were identified (areas of suffusion processes, presence of waterlogged soils). It is shown that the GPR method has a high informativity for studying negative cryogenic processes and phenomena in the soils of the subgrade of highways.
Key words: nondestructive diagnostic method; highway; subgrade soils; ground penetrating radar (GPR); cryogenic processes; permafrost zone
Введение
В условиях Крайнего Севера особое место занимает проблема строительства и эксплуатации инженерных сооружений [1]. Прежде всего это связано с чрезвычайно сложными климатическими и инженерно-геологическими условиями. Строительство и эксплуатация инженерных сооружений, таких как автомобильные дороги, в криолитозоне вносят большие изменения в природный, температурный и водный режимы многолетнемерзлых грунтов. Все это сопровождается активизацией негативных криогенных процессов, заболачиванием, образованием бугров пучения, зон талых грунтов и различного рода просадок [6]. Влияние этих процессов необходимо учитывать при принятии проектных решений строительства, эксплуатации и реконструкции автомобильных дорог. Поэтому актуальными представляются исследования, направленные на разработку технологий по повышению информативности, оперативности и достоверности оценки состояния автодороги по показаниям различных дистанционных геофизических методов, в частности георадиолокации [7, 10]. Цель данной статьи - исследование возможностей метода георадиолокации при изучении мерзлотно-грунтового разреза улицы в условиях высокой загруженности автомобильной транспортной сети.
Материалы и методы исследования
Город Якутск - столица Республики Саха (Якутия) - административный, научный, культурный, образовательный центр. Население города около 305 тыс. человек, что составляет 32% всего населения республики. Протяженность города с севера на юг - 20 км, с запада на восток - 10 км. Якутск, как и вся республика, расположен в зоне резко континентального климата и многолетней мерзлоты.
Инженерно-геофизические исследования проведены при финансовой поддержке МКУ «Главстрой» городского округа «город Якутск» на участке ул. Дзержинского, которая находится в центре города в густонаселенном районе и имеет множество инженерных коммуникаций. Согласно исследованиям (г. Якутск), мерзлотно-грунтовый разрез ул. Дзержинского выглядит следующим образом. Под слоем дорожной одежды (толщиной 0,8-1,2 м) до глубины 2,5-3,4 м залегают преимущественно мелкие буровато-серые маловлажные и «сухие» талые пески, иногда в верхней части с маломощными (0,1-0,3 м) прослоями супесей и суглинков. Далее до глубины 6,4-7,1 м грунт представлен светло-серыми и серыми средними песками, которые находятся в мерзлом состоянии. Затем до кровли тоннеля коллектора, то есть до глубины 8,3-8,5 м, залегают талые светло-серые средние кварц-полевошпатовые слюдистые пески (рис. 1).
Рис. 1. Поперечный разрез улицы по данным бурения
Fig. 1. Cross-section of the street according to the drilling data
Автомобильная дорога имеет твердое покрытие, четыре полосы движения, ширина проезжей части составляет 14 м. Под исследуемым объектом проходит канализационный коллектор № 1. Он был введен в эксплуатацию в 1968 г. и в настоящее время не функционирует. На этом участке в 2015 г. активизировались деформации, приведшие к образованию ямы на проезжей части (рис. 2).
Рис. 2. Нарушение асфальтового покрытия на участке исследований (фото: http://news. ykt. ru/article/32071)
Fig. 2. Destruction of asphalt on the road section (photo: http://news. ykt. ru/article/32071)
Для исследования мерзлотно-грунтового разреза ул. Дзержинского применены антенные блоки АБ-250 и АБ-1200У георадара «ОКО-2», параметры которых приведены в табл. 1 [12]. Выполнены разносезонные георадиолокационные измерения в октябре 2015 г. и в марте 2016 г. Георадиолокационные профили проложены по четырем полосам и по центру автомобильной дороги (рис. 3). Длина каждого профиля - 1 340 м, расстояние между ними - 3,5 м. Для транспортировки антенных блоков применен автомобиль ГАЗ «Соболь». Скорость движения не больше 20 км/ч.
Таблица 1
Параметры антенных блоков
Table 1
Antenna parameters
Технические характеристики | АБ-250 | АБ-1200У |
Центральная частота, МГц | 250 | 1200 |
Максимальная глубина зондирования, м | 8 | 1,5 |
Разрешающая способность по глубине, м | 0,25 | 0,05 |
Габариты, мм | 820?430?130 | 370?240?130 |
Масса, кг | 8 | 2,3 |
Потребляемая мощность, Вт | 7,0 | 3,5 |
Рис. 3. Схема расположения георадиолокационных профилей на участке работы
Fig. 3. The location scheme of GPR profiles on the study site
Из-за высокой интенсивности движения транспортных средств и загруженности улицы в дневное время (рис. 4) исследования участка проводились ночью и утром (ОДМ 218.2.020-2012. Методические рекомендации по оценке пропускной способности автомобильных дорог).
Рис. 4. Суточный график интенсивности движения автотранспорта на ул. Дзержинского
Fig. 4. Daily chart of traffic on the Dzerzhinsky street
Результаты и обсуждение
Исследования проведены в два этапа: первый - в период промерзания грунтов (весна), второй - в период их максимальной оттайки (осень). Преимуществом этой методики является возможность определения негативных криогенных процессов, например выявление незамерзающих зимой зон сильновлажных грунтов, и мониторинга состояния грунтов на основе сравнения разносезонных георадиолокационных данных [8], для обработки которых были использованы программы «GeoScan32» и «Георадар-Эксперт» [3].
Для детализации исследуемого участка автомобильной дороги до глубины 1,5 м использован антенный блок АБ-1200У (центральная частота 1 200 МГц).Фрагмент георадиолокационного разреза, полученного в октябре, представлен на рис. 5, а. Анализ амплитудно-временных характеристик волновой картины на радарограмме позволил выделить три слоя, отличные по своим диэлектрическим свойствам. Подошва первого из них определена в пределах глубин 0,24-0,36 м, второй расположен на глубине от 0,6 до 0,8 м. По данным проекта автомобильной дороги выделенные слои № 1 и № 2 соответствуют конструктивным слоям дорожной одежды до 0,8 м. Ниже грунты основания представлены песками (слой № 3). На момент исследований грунты разреза находились в талом состоянии. Выделенные границы раздела сред (между слоями № 2 и № 3) на глубине 0,6-0,8 м характеризуются разрывами осей синфазности, изменением времени задержки сигналов, хаотическими типами волновой картины и переотражениями электромагнитных волн. Учитывая видимые нарушения асфальтового покрытия (трещины, просадки, канализационные колодцы и т. д.), рассматриваемые аномальные волновые характеристики можно отнести к деформациям грунтов дорожной одежды, связанным с их просадками вследствие ослабления, вызванного процессом суффозии, а также миграцией влаги при промерзании сверху (переувлажненные грунты). Интервалы этих зон, отмеченные как аномальные участки, вынесены по профилю на интерпретационном разрезе (рис. 5, b).
Рис. 5. Результат интерпретации данных, полученных антенным блоком АБ-1200У: а - георадиолокационный разрез; b - интерпретационный разрез
Fig. 5. The interpretation of the data received by the antenna unit AB-1200У: а - GPR section, b - interpretative section
Основные типы волновых характеристик георадиолокационных сигналов аномалий участка исследований приведены на рис. 6.
Рис. 6. Типы волновых характеристик аномалий на георадиолокационном разрезе: а - зона ослабленных грунтов; b - пустоты; c - просадка грунтов; d - зона повышенной влажности
Fig. 6. Types of the wave characteristics of the anomalies on GPR section: a - zone of weakened soils; b - hollow; c - subsiding of the soils; d - high humidity zone
Несомненно, выявление аномальных зон в приповерхностной среде позволит спрогнозировать наиболее вероятные участки разрушения дорожного покрытия. Однако для назначения защитных мероприятий на участке исследований требуется дополнительная информация о наличии признаков глубинных негативных геологических процессов. Для достижения этих целей использован антенный блок АБ-250 (центральная частота 250 МГц).
Для определения глубины отражающих границ на участке исследований скорость распространения электромагнитных волн V определялась путем сопоставления результатов георадиолокации с данными бурения, а также при помощи известного приема, основанного на анализе волн, дифрагированных от локальных неоднородностей в исследуемом массиве пород [2]. В результате получено, что значение скорости V в исследованных мерзлых породах изменяется от 10 до 15,3 см/нс, а для талых - от 7,7 до 9 см/нс.
Для определения свойств разреза применяется также методика разносезонных измерений [8], что использовано в данной работе. Сравнение данных, полученных при максимальном промерзании и протаивании грунтов дорожной одежды и его основания, позволило изучить сложное криогенное строение участка. На рис. 7, a приведен пример выделения кровли мерзлых пород по данным октября и выделение признаков глубинных негативных геологических процессов по результатам работ в марте (рис. 7, b). Высокая диэлектрическая контрастность мерзлых и талых пород определяет наличие отраженных сигналов с большим значением амплитуд [11]. По этому признаку по разрезу, полученному в октябре, выделена кровля мерзлых пород (см. рис. 7, а). По данным весенних измерений при максимальном промерзании грунтов выделены аномальные границы в разрезе (показаны желтыми линиями), отличающиеся своей контрастностью, по которым предположительно происходит сброс сезонных поверхностных и грунтовых вод в мерзлотную толщу (см. рис. 7, b). По признаку повышенной амплитуды и переотражениям сигналов выявлены аномальные зоны (показаны красными квадратами), интерпретируемые как сильновлажные грунты (такие зоны наиболее ярко проявляются на георадиолокационном разрезе за счет скопления большого количества воды в основании, водоупором которой становятся мерзлые грунты), и зоны ослабления грунтов, идентификатором которых также служит хаотический тип волновой картины [5, 9].
Рис. 7. Результаты георадиолокационных исследований антенным блоком АБ-250 по методике разносезонных измерений (осень - весна): a - георадиолокационный разрез (октябрь), b - георадиолокационный разрез (март)
Fig. 7. The results of GPR tracking studies with the AB-250 antenna unit using the method of different-season measurements (autumn - spring): a - GPR section (October), b - GPR section (March)
На рис. 8 представлен фрагмент схемы расположения аномалий в плане с номерами по данным профилирования антенным блоком АБ-250, параметры которых приведены в табл. 2.
Рис. 8. Схема расположения аномалий в плане
Fig. 8. Scheme of the anomalies in plan
Таблица 2
Параметры аномалий
Table 2
Аnomalies parameters
Профиль | Аномалия | Длина, м | Глубина залегания верхней кромки аномалии, м |
Грл 1 | 1 | 12 | 4 |
2 | 16 | 3,4 | |
3 | 28 | 2,8 | |
4 | 64 | 2,6 | |
5 | 16 | 3,2 | |
Грл 2 | 1 | 14 | 3,6 |
2 | 18 | 2,9 | |
3 | 30 | 3 | |
4 | 26 | 2,6 | |
5 | 30 | 3,6 | |
Грл 3 | 1 | 22 | 2,7 |
2 | 40 | 2,4 | |
3 | 36 | 2,5 | |
4 | 44 | 2,1 | |
5 | 42 | 2,9 | |
Грл 4 | 1 | 22 | 3,4 |
2 | 36 | 3,1 | |
3 | 34 | 3 | |
4 | 30 | 2,6 | |
5 | 36 | 3,8 | |
Грл 5 | 1 | 22 | 3,3 |
2 | 42 | 2,8 | |
3 | 32 | 2,8 | |
4 | 26 | 2,5 | |
5 | 12 | 3,2 |
Для определения диэлектрических свойств (??) разреза использована программа «Георадар-Эксперт» [4]. Построение разрезов в программе производится на основе результатов анализа поля обратного рассеяния. Так, на разрезе наиболее отчетливо выделяется кровля мерзлых пород на уровне 4 м, характеризующаяся пониженными значениями диэлектрической проницаемости (рис. 9, а). В соответствии с данными предшествующих геофизических и буровых работ, а также в результате анализа настоящих исследований было установлено наличие талых грунтов ниже 6-8 м, образованных за счет многолетнего техногенного воздействия канализационного коллектора при его эксплуатации.
Таким образом, по результатам комплексных инженерно-геофизических изысканий с учетом информации об инженерно-геологических особенностях участка работ с использованием методики разносезонных измерений комплексом георадаров и с применением современных программ обработки построен интерпретационный разрез автомобильной дороги (рис. 9, b).При этом определены геометрия разреза, особенности строения дорожного основания, мощность, конфигурация талых и мерзлых зон, зоны ослабленных грунтов, обусловленные проявлением различных природно-техногенных факторов и их комплексов. На участке предположительно происходит растепление мерзлых грунтов и их осадка в оттаявшем состоянии, механическая суффозия, инфильтрация поверхностных и сезонно-талых вод в мерзлотную толщу. Также формирование аномалий связано с утечками из систем тепло - и водоснабжения. По результатам геофизических работ на участке исследований установлены контрольные (заверочные) скважины.
Рис. 9. Результат интерпретации данных георадиолокации исследуемой автомобильной дороги: а - диэлектрический разрез; b - интерпретационный разрез
Fig. 9. The results of GPR data interpretation for the study site: a - dielectric section, b - interpretative section
Заключение
Результаты георадиолокационных исследований по предложенной методике разносезонных измерений (осень - весна) позволили наиболее объективно оценить тип мерзлотно-грунтового разреза улицы Дзержинского (г. Якутск), отражающего особенности состояния грунтового массива (мерзлые, талые грунты), неоднородности дорожного основания (участки суффозионных процессов, наличие переувлажненных грунтов).
На основе комплексного анализа полученных данных выработаны георадиолокационные признаки идентификации участков проявления негативных криогенных процессов в подповерхностных грунтах автомобильных дорог. По выделенным признакам на исследованном участке определены просадочные деформации грунтов, связанные с их ослаблением и инфильтрацией поверхностных и грунтовых вод в мерзлотную толщу. Проведенные исследования показали высокую информативность метода георадиолокации для изучения криогенных процессов в грунтах улично-дорожной сети г. Якутска. Применение метода георадиолокации позволит прогнозировать наиболее вероятные зоны обвалов дорожного покрытия для проведения превентивных мероприятий (грунтозамещение, водоотведение и т. п.) с целью повышения безопасности и обеспечения устойчивого функционирования автодорог.
Информация об авторах
Заведующая лабораторией георадиолокации Института горного дела Севера им. СО РАН, к. т.н., доцент, г. Якутск, Россия
Научный сотрудник лаборатории георадиолокации Института горного дела Севера им. СО РАН, к. т.н., г. Якутск, Россия
Заведующий лабораторией грунтоведения и механики грунтов кафедры автомобильные дороги, аэродромы автодорожного факультета Северо-Восточного федерального университета им. , г. Якутск, Россия
Научный сотрудник лаборатории георадиолокации Института горного дела Севера им. СО РАН, г. Якутск, Россия
Information about the authors
Fedorova L. L.
Head of the Laboratory, Chersky Mining Institute, North SB RAS, PhD (Candidate of Science in Technics), associate professor, Yakutsk, Russia
Savvin D. V.
Scientific researcher of the Laboratory, Chersky Mining Institute, North SB RAS, PhD (Candidate of Science in Technics), Yakutsk, Russia
Mandarov D. A.
Head of the Laboratory Soil and Ground Mechanics, Highways and airfields Department, Faculty of Road Construction, Ammosov North-Eastern Federal University, Yakutsk, Russia
Fedorov M. P.
Scientific researcher of the Laboratory, Chersky Mining Institute, North SB RAS, Yakutsk, Russia
Список литературы
Алексеева, О. И., Демченко, Р. Я., Курчатова, А. Н., 1999. Мониторинг мерзлых оснований зданий в Якутске. Криосфера Земли, т. III, № 4, с. 9-14. Владов, М. Л., Старовойтов, А. В., 2004. Введение в георадиолокацию. Изд-во МГУ, М. Денисов, Р. Р., Капустин, В. В., 2010. Обработка георадарных данных в автоматическом режиме. Геофизика, № 4, с. 76-80. Калашник, А. И., Дьяков, А. Ю., 2015. Оценка нарушенности скальных пород уступа карьера электромагнитным зондированием. Горный информационно-аналитический бюллетень, специальный выпуск, № 56, с. 230-237. Старовойтов, А. В., 2008. Интерпретация георадиолокационных данных. Изд-во МГУ, М. Шепелев, В. В., Попенко, Ф. Е., 2009. Об организации инженерной защиты территории г. Якутска от подтопления и обводнения. Илин, № 3, с. 31. Benedetto, A., Pajewski, L., 2015. Civil engineering application of ground penetrating radar. Springer, Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London. Fedorova, L. L., Savvin, D. V., Fedorov, M. P., Struchkov, A. S., 2016.GPR Monitoring of Cryogenic Processes in Subgrade Soils. GPR 2016, Proceedings of 16th International conference of ground penetrating radar, Hong Kong Polytechnic University, 13-16 June, Hong Kong, pp. 1-5. doi: 10.1109/ICGPR.2016.7572624. Fedorova, L. L., Sokolov, K. O., Savvin, D. V., Kulyandin, G. A., 2014. Analysis of variance amplitudes of signals for detecting structural permafrost heterogeneities by ground penetrating radar. GPR-2014, Proceedings of 15th International conference on ground penetrating radar, Brussels, Belgium, June 30 - July 4, pp. 305-308. Saarenketo, T., 1995. The use of dielectric and electrical conductivity measurement and ground penetrating radar for frost susceptibility evaluations of subgrade soils. Proceedings of the Application of geophysics to engineering and environmental problems, pp. 73-85. Harry, M. J. (ed.), 2009. Ground penetrating radar: theory and applications. Elsevier Science. Техническое описание и инструкция по эксплуатации на георадар «ОКО-2». URL: http://www. geotech. ru/files/georadar/gprtov26beta303.pdf (дата обращения: 25.09.2017).
References
Alekseeva, O. I., Demchenko, R. Ya., Kurchatova, A. N., 1999. Monitoring of the frozen foundations of buildings in Yakutsk. Earth’s Cryosphere, vol. III, no. 4, pp. 9-14. (In Russ.). Vladov, M. L., Starovoitov, A. V., 2004. Introduction to a georadar-location. Publishing House of Moscow State University, Moscow. (In Russ.). Denisov, R. R., Kapustin, V. V., 2010. Processing of georadar data in the automatic mode. Geophysics, no. 4, pp. 76-80. (In Russ.). Kalashnik, A. I., Diakov, A. Yu., 2015. Assessment of a disturbance of rocky breeds of a ledge of a pit electromagnetic sounding. Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal), special issue, no. 56, pp. 230-237. (In Russ.). Starovoitov, A. V., 2008. Interpretation of georadar data. Publishing House of Moscow State University, Moscow. (In Russ.). Shepelev, V. V., Popenko, F. E., 2009.About the organization of engineering protection of the territory of Yakutsk against flooding and flood. Ilin, no. 3, p. 31. (In Russ.). Benedetto, A., Pajewski, L., 2015. Civil engineering application of ground penetrating radar. Springer, Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London. Fedorova, L. L., Savvin, D. V., Fedorov, M. P., Struchkov, A. S., 2016. GPR Monitoring of Cryogenic Processes in Subgrade Soils. GPR 2016, Proceedings of 16th International conference of ground penetrating radar, Hong Kong Polytechnic University, 13-16 June, Hong Kong, pp. 1-5. doi: 10.1109/ICGPR.2016.7572624. Fedorova, L. L., Sokolov, K. O., Savvin, D. V., Kulyandin, G. A., 2014. Analysis of variance amplitudes of signals for detecting structural permafrost heterogeneities by ground penetrating radar. GPR-2014, Proceedings of 15th International conference on ground penetrating radar, Brussels, Belgium, June 30 - July 4, pp. 305-308. Saarenketo, T., 1995. The use of dielectric and electrical conductivity measurement and ground penetrating radar for frost susceptibility evaluations of subgrade soils. Proceedings of the Application of geophysics to engineering and environmental problems, pp. 73-85. Harry, M. J. (ed.), 2009. Ground penetrating radar: theory and applications. Elsevier Science. Technical description and instruction on the exploitation of the GPR “OKO-2”. URL: http://www. geotech. ru/files/georadar/gprtov26beta303.pdf (accessed: 25 September 2017).
