Диплом Ельцов ДВ (1207704), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Тем не менее, необходимость инженерно-геодезических методов в том, что они дают исходные данные для применения точных геофизических методов, т.к. последние всегда требуют привязки к продольному или поперечному профилю. Также инженерно-геодезическая съемка используется для паспортизации пути и получения исходных данных, необходимых при расчетах устойчивости откосов насыпей и проектировании противодеформационных предприятий.

Инженерно-геологические методы определяют внутреннее строение и состояние грунтов путем механического проникновения внутрь земляного полотна. Наиболее популярно среди них бурение скважин, также применяется динамическое зондирование – пенетрация проходка шурфов и закопушек. В отличие от предыдущих методов они позволяют определить глубину залегания, мощность слоев грунта земляного полотна и их физико-механические свойства (при дальнейшем лабораторном исследовании взятых проб образцов). Кроме того, для успешного применения геофизических методов необходим небольшой объем опорных скважин для привязки и расшифровки данных (порядка 10-20% по сравнению с традиционным методом обследования) [6].

Однако данные методы точечны: они не позволяют получить непрерывное распределение характеристик грунтов ни в продольном, ни в поперечном сечении земляного полотна. Интерполяция полученных данных в межскважинной зоне в случае неоднородной среды приводит к существенным искажениям и даже ошибкам.

Также эти методы (как, впрочем, и большинство геофизических методов) не позволяют выполнять диагностирование земляного полотна в динамике – в процессе следования поездов по обследуемому участку.

4.2 Геофизические методы

К геофизическим методам относятся сейсмический, георадиолокационный, вибрационный, электрометрический, метод электроконтактного динамического зондирования (ЭДЗ), а также такие «экзотические» методы, как тепловизионная съемка, метод ядерно-магнитного резонанса и другие[9,26].

Все они основаны на изучении закономерностей изменения физических полей, характер и параметры которых зависят от физико-механических свойств грунтов, слагающих земляное полотно и основание. При этом выявляются, прежде всего, аномалии в физических полях, которые обусловлены неоднородностью геологического строения. Физическое поле может быть как искусственно созданным (в сейсмических методах, электроразведке, георадиолокации), так и природным (в вибрационном методе).

Принципиальная схема применения геофизических методов включает в себя [7]:

- возбуждение или использование для анализа возникающих при движении поездов физических полей в земляном полотне;

- прием ответных сигналов приборами;

- регистрацию сигналов измерительной аппаратурой;

- расшифровку полученной информации, ее обработку специальными математическими методами с применением автоматизированных систем;

- интерпретацию полученных результатов.

4.2.1 Сейсмические методы

Сейсмический метод диагностики основан на изучении закономерностей распространения упругих волн (продольных и поперечных) в грунтах насыпей от искусственно создаваемых ударных воздействий. Данный метод обследования проводится квалифицированными специалистами – геофизиками или геологами, с применением специальной аппаратуры и программных комплексов[10].

При распространении упругих колебаний в геологических средах образуется большое число вол. В разведочных целях используются в основном три вида: обусловленные различными физическими явлениями на границах: отраженные, преломленные и преломленные проходящие. В связи с этим выделяют три основных сейсмических метода: метод отраженных волн (МОВ), метод преломленных волн (МПВ) и метод прямых волн – сейсмическая томография (СТ).

Применение данного метода в обследовании оснований железнодорожного земляного полотна весьма затруднительно в силу наличия следующих особенностей [4]:

- малые глубины исследования (от десятков сантиметров до 15-20 м) и наибольшая мощность изучаемых слоев грунта;

-сейсмические работы проводятся при наличии рельсов, шпал, щебеночного материала балластной призмы;

-сложные очертания границ между слоями грунтов в деформирующих насыпях в виде балластных лож, мешков, гнезд, а также шлейфах на откосах;

-наличие помех, связанных с переменными токами сигнализации и СЦБ, протекающих в рельсовых цепях, и высокочастотной рельсовой волны.

Достоинством применения данного метода является то, что он позволяет обследовать грунтовую модель на достаточно большую глубину. В зависимости от модификации исследуемого прибора, позволяет определить литологию слоев грунта. Кроме того, данный метод обследования позволяет узнать распределение физико-механических и прочностных свойств грунтов. Но в то же время, является сравнительно дорогим методом и весьма трудоемким.

4.2.2 Георадиолокационный метод

Георадиолокационный метод обследования основан на излучении передатчиком сверхширокополосных (наносекундных) импульсов метрового диапазона волн и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, приемной антенной. Модель среды представляется в виде слоистой толщи с постоянными электрофизическими свойствами внутри каждого слоя и наличием локальных и протяженных объектов, отличающихся по электрофизическим свойствам от вмещающей среды [20].

Георадиолокационное обследование может производиться в двух модификациях: георадарное профилирование и георадарное зондирование.

При георадарном профилировании намечается профиль, по которому затем проходит оператор с георадаром, у которого антенна приемника и излучателя находятся на заданном расстоянии друг от друга. С заданным шагом георадар генерирует электромагнитный импульс и регистрирует отклик среды – функцию амплитуды отраженного сигнала от времени запаздывания отраженного импульса. Совокупность таких сечений по всему профилю дает непрерывный временной разрез – радарограмму, которая обычно изображается в виде графического изображения, у которого координаты каждого пикселя обозначают соответственно: абсцисса – расстояние от начала профиля, ордината – время отражения сигнала, а цвет – амплитуду отраженного сигнала (отображение так называемым методом переменной плотности (рис.4.1).

Рис.4.1. Пример радарограммы

При георадарном зондировании положение оси георадара не меняется, зато постепенно увеличивается расстояние между антеннами. В этом случае радарограмма представляет собой годограф. Модификация позволяет вычислить скорость распространения волн в грунте, т.е. выполнить тарировку, поэтому самостоятельно не применяется.

4.2.3 Электрометрические методы

Электрометрический метод является первым методом из области геофизики, который был применен еще в 1950 – 60-х прошлого столетия на эксплуатируемом земляном полотне [11]. Еще тогда было установлено, что наиболее эффективным является метод на основе изучения полей постоянного электрического тока, искусственно создаваемых в грунтовом массиве.

Общеизвестно, что различные грунты оказывают неодинаковое сопротивление электрическому току, проходящему через них. Электрическое сопротивление твердых минеральных частиц грунтов очень велико. Поэтому главным проводником электрического тока являются растворы солей, содержащиеся в порах грунта. Соответственно, чем больше в грунте активных пор, тем меньше сопротивление электрическому току оказывает грунт. Количественной характеристикой сопротивления грунта выступает удельное электрическое сопротивление. Диапазон значений, которого достаточен для того, чтобы обеспечить возможность распознания их с помощью данного геофизического метода

Для измерения электрического сопротивления грунтов и определения закономерности их распространения в грунтах земляного полотна, зачастую, применяют две схемы наблюдений: электропрофилирование (ЭП) и вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ). Для этих схем используется симметричная установка AMNB, показанная на рис.4.2. Она состоит из источника Б, измерительного прибора П, проводов и металлических заземлителей (электродов).

Рис.4.2. Схемы измерения электрического сопротивления грунтов 4-х электродной симметричной установкой AMNB: a – глубина исследования h1;

б – глубина исследования h2; AB и A’B’ – питающие электроды; MN и M’N’ – приемные электроды; Б – источник питания; П – измерительный прибор

При постоянных значениях расстояний между питающими электродами А и В исследование грунтовой толщи выполняется практически на одинаковую глубину, и эта схема наблюдений называется электропрофилированием (ЭП). При наблюдениях по схеме, когда расстояние между электродами А и В постепенно увеличивается (что позволяет проводить обследование по глубине грунтового массива), такая схема называется вертикальным электрическим зондированием (ВЭЗ).

В то же время, использование электрометрического метода при проведении работ по схемам ЭП и ВЭЗ несет в себе ряд особенностей, которые не встречаются в инженерной геологии. Применительно к диагностики земляного полотна можно выделить следующие из них:

- конфигурация поперечного сечения земляного полотна (насыпь, выемка);

- электрические поля – помехи, создаваемые в теле насыпи установками сигнализации и электрификации, железных дорог;

- наличие рельсовых нитей̆ и железобетонных шпал;

- плохие условия заземления электродов на щебеночной балластной призме.

В виду того, что сопротивление грунта характеризуется некоторыми факторами возможно возникновение ситуации, когда разные грунты будут обладать одинаковым электрическим сопротивлением. К числу таких факторов можно отнести: пористость; водонасыщенность; электрическое сопротивление вод, насыщающих грунт. Такой широкий диапазон значений электрического сопротивления является существенным недостатком применения данного метода обследования земляного полотна.

4.2.4 Прочие методы

Физической основой вибрационного метода является зависимость параметров колебаний от изменений свойств грунтов, слагающих земляное полотно. В качестве источника для возбуждения упругих волн (колебаний) используется поездная нагрузка, мощное воздействие которой приводит к возникновению вибраций грунта во всей насыпи. Неоднородности в земляном полотне приводят к увеличению или уменьшению интенсивности колебаний и влияют на их частоты (эти закономерности были установлены путем специальных экспериментальных исследований). Для получения параметров колебаний грунта применяется специальная система, состоящая из высокочастотных датчиков, устанавливаемых в различных сечениях земляного полотна[8].

Данный метод позволяет оценить состояние земляного полотна в динамике, исследовать воздействие подвижного состава с разными нагрузками и скоростями движения, а значит, есть возможность прогнозировать деформируемость грунтов земляного полотна при изменении условий эксплуатации железнодорожного пути.

Однако он во многом неинформативен; достоверно можно определить лишь значения упругих осадок под действующими поездными нагрузками и наличие некоторых дефектов, тогда как физико-механические свойства грунтов, а тем более литологическое сложение земляного полотна определить этим методом практически невозможно.

Тепловизионная съемка основана на измерении теплового излучения различных участков земной поверхности. Различные грунты обладают различной теплопроводностью и по-разному доставляют тепло до земной поверхности, поэтому в инфракрасном диапазоне обнаруживаются пятна различной интенсивности, по которым можно судить о подземных условиях.

Тепловизионная съемка достаточно оперативно позволяет обнаруживать зоны локального переувлажнения, подземные водотоки, карстовые полости, линзы льда. Однако применительно к обследованию земляного полотна методики устранения помех, интерпретации полученных материалов практически не разработаны, что говорит о практической невозможности применения этого метода для решения инженерных задач.

То же самое можно сказать относительно метода ядерно-магнитного резонанса. Он основан на резонансе протонов в электромагнитном поле в водородсодержащих средах. По изменению характеристик электромагнитного поля определяется число протонов (ядер водорода), и, исходя из этого, – содержание водорода в грунте, а это, в свою очередь, позволяет определить количество воды в балластном слое, наличие обводненных зон в теле земляного полотна.

Характеристики

Список файлов ВКР