методы и средства диагностики земляного полотна

М ОСКОВСКИЙ ГО С УДАРСТВЕН НЫ Й УН ИВЕРСИ ТЕТ
_____________ ПУТЕЙ СООБЩ ЕНИЯ (М И ИТ)_____________
Кафедра «Путь и путевое хозяйство»
Г.Г. КОНШИН
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
ДИАГНОСТИКИ
ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
Учебное пособие
по дисциплине «Диагностика и усиление ж елезнодорож ного пути»
для студентов специальности 2 9 0900
«Строительство железны х дорог, путь и путевое хозяйство»
специализации 2 9 0905
«Управление техническим состоянием ж елезнодорож ного пути»
М О С К ВА 2004
УДК 625.12:033.38
К-65
Коншин Г.Г. Методы и средства диагностики земляного по­
лотна: Учебное пособие. - М.: МИИТ, 2004. -213 с.
В учебном пособии сформулированы цели и задачи диагностики железно­
дорожного пути и показана её роль в системе ведения путевого хозяйства. Изложены
принципы и содержание современной системы диагностики земляного полотна, ос­
нованной на применении традиционных, геофизических методов, а также специаль­
ных передвижных диагностических комплексов. Даны примеры практического при­
менения методов диагностики для обнаружения различных деформаций земляного
полотна.
Рецензенты:
главный специалист Департамента пути и сооружений
ОАО «Российские железные дороги», канд. техн. наук
А.Г.Круглый;
заведующий кафедрой «Изыскания и проектирование
железных дорог», докт. техн. наук, проф. Ю.А.Быков.
© Московский государственный университет
путей сообщения (МИИТ), 2004
ВВЕДЕНИЕ
Диагностика в переводе с греческого означает
«способность распознавать», т.е. оценивать техниче­
ское состояние объекта, что является одним из важ­
нейших условий ведения путевого хозяйства. Особен­
но актуальной проблема разработки современных ме­
тодов и технических средств диагностики пути являет­
ся при более интенсивном воздействии подвижного
состава на путь. Это связано с планируемым повыше­
нием нагрузок вагонов и скоростей движения поездов.
Для таких условий процессы накопления остаточных
деформаций в пути будут развиваться значительно бы­
стрее, что требует оперативности в распознавании
возникающих в пути процессов и прогнозировании от­
казов. Эффективная диагностика позволяет своевре­
менно и достоверно оценивать фактическое состояние
пути и определять сроки его ремонтов.
Наиболее сложной является задача выявления
дефектов и деформаций земляного полотна, которые
оказывают отрицательное влияние на эксплуатацион­
ную работу не только отдельных участков, а даже це­
лых направлений железных дорог. Внедрение эффек­
тивной системы диагностики позволит своевременно
оценить состояние земляного полотна, установить
очередность, объемы его ремонта и усиления.
На основе выполненных автором исследований
сформулировано и впервые введено в практику много­
плановое понятие «диагностика земляного полотна»
3
(взамен более узкого понятия «обследование земляного
полотна») как нового научного направления в путевом
хозяйстве. Предложенная система диагностики земля­
ного полотна основана на применении как традицион­
ных, так и новых геофизических методов, современной
измерительной аппаратуры и компьютерных техноло­
гий, а также на использовании специально разработан­
ных передвижных диагностических комплексов.
В книге рассмотрены теоретические основы и
примеры применения различных геофизических мето­
дов диагностики: электрометрического; электроконтакт­
ного динамического зондирования (ЭДЗ); радиолокаци­
онного; сейсмического и вибрационного. Освещены во­
просы практического использования передвижных д и ­
агностических комплексов для оценки состояния земля­
ного полотна: Ш Г О (вагон инженерно-геологического
обследования); нагрузочного устрой ства Л И ГО (лабора­
тория инженерно-геологического обследования) конст­
рукции НПФ «Спецмаш»; диагностического поезда
ВНИИЖ Та; путеизмерительны х вагонов.
Учебное пособие предназначено для подготовки
студентов по новой специализации 290905 «Управле­
ние техническим состоянием железнодорожного пу­
ти». Оно может быть использовано на железных доро­
гах специалистами: центров диагностики, инженерно­
геологических баз, путеобследовательских станций по
земляному полотну, а также проектно-изыскательских
и научно-исследовательских организаций Российских
железных дорог.
4
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О ДИАГНОСТИКЕ ПУТИ
1.1. Основные термины и определения
технической диагностики
Во многих отраслях промышленности диагно­
стические исследования выполняются в соответствии с
ГОСТ 20911-89 «Техническая диагностика. Термины и
определения» М. Изд. Стандартов, 1990 г. Для диагно­
стики железнодорожного пути ниже приведены основ­
ные термины и определения в упрощенной редакции.
Техническое состояние - это совокупность
свойств объекта (пути), подверженных изменению в
процессе эксплуатации и определяемыми в конкрет­
ный момент времени установленной технической до­
кументацией на этот объект.
Диагностический признак-параметр объекта,
используемый в установленном порядке для определе­
ния технического состояния объекта. В зависимости от
фактических значений диагностических признаков ви­
дами технического состояния являются: исправность,
неисправность, работоспособность, неработоспособ­
ность, правильное функционирование, неправильное
функционирование.
Исправность - состояние, при котором объект
соответствует всем требованиям, установленным нор­
мативно-технической документацией.
5
Неисправность - состояние, при котором объ­
ект не соответствует хотя бы одному из требований
нормативно-технической документации.
Работоспособность - состояние, при котором
объект способен выполнять в текущий момент задан­
ные функции, сохраняя значения заданных выходных
основных параметров в пределах, установленных нор­
мативно-технической документацией. При этом не ос­
новные характеристики объекта могут не соответство­
вать требованиям (например, наличие коррозии, нару­
шение окраски, лишняя растительность на земляном
полотне и т.д.) Следовательно, работоспособный объ­
ект может быть неисправным. Исправный объект всегда работоспособен.
Неработоспособность - состояние, при кото­
ром значение хотя бы одного заданного параметра, оп­
ределяющего способность объекта выполнять задан­
ные функции, не соответствует требованиям норма­
тивно-технической документации. Переход объекта из
работоспособного в неработоспособное состояние в
заданных условиях называется отказом. При одном и
том же существующем техническом состоянии объект
может быть работоспособен для одних условий при­
менения или эксплуатации и неработоспособным для
других. Например, повторное использование старогодних элементов верхнего строения пути (рельсов,
шпал и т. д.) для малодеятельных участков пути.
Таким образом, объект может находиться в та­
ком неработоспособном состоянии, что он правильно
6
функционирует (т.е. выполняет предписанный алго­
ритм функционирования) в одних режимах работы и
неправильно в других. Работоспособный объект пра­
вильно функционирует во всех режимах работы.
Техническое состояние объекта может быть оп­
ределено двумя видами диагностики, которые отлича­
ются воздействиями: тестовым и функциональным.
Тестовая диагностика - оценка технического
состояния при подаче на объект тестовых воздействий
только для целей диагностирования. Например, подача
ультразвукового или электромагнитного сигнала для
определения дефекта в рельсах; или возбуждение фи­
зического поля (электрический ток, упругие волны) в
земляном полотне для обнаружения в нем тех или
иных деформаций.
Функциональная диагностика - это оценка
технического состояния во время функционирования
объекта, на который подаются только рабочие воздей­
ствия. Например, оценка технического состояния верх­
него строения пути и земляного полотна в процессе
движения поезда.
1.2. Связь между состояниями верхнего
строения пути и земляного полотна
Железнодорожный путь, как известно, представ­
ляет из себя единую инженерную конструкцию, в ко­
торой верхнее строение и земляное полотно взаимо­
связаны и работают совместно в различных эксплуата­
7
ционных и погодно-климатических условиях. Напри^
мер, наличие геометрических неровностей на поверх­
ности катания рельсов, балластных выплесков, отря­
сенных шпал и других неисправностей верхнего
строения пути приводит к повышенному динамиче­
скому воздействию поездов на земляное полотно и,
следовательно, к более интенсивному образованию
деформаций, например, в виде углублений в основной
площадке и сплывов откосов насыпей. В свою очередь
причиной повреждений верхнего строения пути явля­
ется неудовлетворительное состояние земляного по­
лотна. Вертикальные просадки пути, толчки, перекосы
могут возникать из-за одной или нескольких следую­
щих причин: пониженной прочности балластного
слоя; деформаций основной площадки; наличия ос­
лабленных по прочности зон грунта в теле насыпи;
оседании насыпи на слабом основании. Нарушения
положения рельсовой колеи в плане могут быть из-за:
смещения откосов насыпи, сдвига всей насыпи по на­
клонному основанию или смещения грунтового мас­
сива при проявлении оползневых процессов.
Таким образом, для приведения железнодорож­
ного пути в работоспособное техническое состояние
должны быть ликвидированы не только повреждения
верхнего строения пути, но обнаружены и в дальнейшем
устранены причины этих повреждений, которыми во
многих случаях являются деформации земляного полот­
на. Однако, такого комплексного подхода к диагностике
железнодорожного пути до сих пор нет. Это в ряде слу­
чаев приводит к тому, что средства, затрачиваемые на
ремонт и содержание пути, не дает должной отдачи.
1.3. Классификация технических состояний
пути
Железнодорожный путь в процессе эксплуата­
ции может находиться во множестве различных тех­
нических состояниях. Для целей практической диагно­
стики пути можно представит эти множества в виде
трёх основных групп: полная работоспособность пути
R(l), ограниченная работоспособность пути R(2) и не­
работоспособность пути R(0). При этом под ограни­
ченной работоспособностью пути понимается такое
его техническое состояние, при котором на исследуе­
мом участке пути движение поездов возможно, но с
меньшею скоростью или с определенными ограниче­
ниями по нагрузкам подвижного состава.
Для прогнозирования перехода верхнего строения
пути из одного технического состояния к другому проф.
X. Балух (Польша) предложил ряд технологических
схем, которые можно применить также для оценки тех­
нического состояния земляного полотна и пути в целом.
Схема 1 (рис. 1, а) характеризует плавный пере­
ход пути в течение времени tl от технического состоя­
ния полной работоспособности R (l) к состоянию ог­
раниченной работоспособности R(2) без достижения
состояния неработоспособности R(0). Такие случаи
характеризуют обратимый процесс старения без дос9
Рис. 1. Типичные схемы перехода путей
из технического состояния полной работоспо­
собности R (l) в техническое
состояние неработоспособности R(W
тижения состояния R(0), и имеют место при задержке
текущего ремонта пути. Своевременно выполненный
ремонт не допускает технического состояния R(2).
Схема 2 (рис. 1, б) характерны для случая даль­
нейшего развития процесса по схеме 1 и перехода пути
в течение времени t2 из состояния ограниченной рабо­
тоспособности R(2) в состояние неработоспособности
пути R(0) (при этом t2 >tl). Такое положение возмож­
но при серьёзном запаздывании текущего ремонта пу­
ти, а также при снижении несущей способности балла­
стного слоя из-за его чрезмерного загрязнения или по­
вышенных просадок пути вследствие деформаций ос­
новной площадки земляного полотна.
Схема 3 (рис. 1, в) характеризует состояние пу­
ти, при котором в отдельные периоды эксплуатации t3
появляются на фоне постепенного перехода пути из
состояния полной работоспособности R (l) в состояние
ограниченной работоспособности скачкообразное
ухудшение состояния пути без достижения R(0). Такие
случаи возможны, например, при повышенных про­
садках пути во время ливневых дождей, или в зимнее
время при образовании пучинных неровностей.
Схема 4 (рис. 1, г) характеризует обратимый
скачкообразный процесс перехода пути во время t4 в
состояние неработоспособности R(0). Эту схему мож­
но проиллюстрировать, например, деформациями на­
сыпей в виде сползания с откоса балластного шлейфа,
После устранения деформаций и ремонта путь воз­
вращается в работоспособное состояние R(l).
и
Схема 5 (рис. 1, д) характеризует необратимый
скачкообразный переход пути во время t5 из состояния
полной работоспособности R (l) в состояние неработо­
способности R(0). Такая схема может быть применена
для случаев, когда происходит излом рельса, внезап­
ное аварийное разрушение насыпи или карстовый про­
вал в основании рельсошпальной решетки, приводя­
щие к немедленному прекращению движения поездов.
При диагностике пути наиболее существенными
являются вопросы, связанные с определением состояния:
- в котором находится объект в настоящий мо­
мент времени;
- в котором объект окажется в некоторый буду­
щий момент времени;
- в котором объект находился в некоторый мо­
мент времени в прошлом.
В последнем случае вопросы возникают при
рассмотрении происшедших аварий на пути и анализе
первопричины их возникновения.
Дисциплина является комплексной и включает в
себя вопросы диагностики верхнего строения пути и зем­
ляного полотна, которые различаются применяемыми
методами и техническими средствами, интерпретацией
полученных результатов. Диагностика земляного полот­
на, как наиболее сложного элемента железнодорожного
пути, должна предусматривать: выявление имеющихся
дефектов и деформаций, определение свойств и состоя­
ния грунта земляного полотна и получение исходных
данных для выполнения необходимых расчетов.
12
2. ПРИНЦИПЫ И СОДЕРЖАНИЕ
СОВРЕМЕННОЙ ДИАГНОСТИКИ
ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
2.1. Общая характеристика состояния
эксплуатируемого земляного полотна
Земляное полотно на отдельных участках сети
дорог всегда имело те или иные дефекты и деформа­
ции. Под этими терминами понимаются изменения
формы, размеров, внутреннего строения земляного по­
лотна, состояния и свойств грунтов, которые являются
следствием воздействия внешних нагрузок, термоди­
намических условий, влажности и других факторов.
Дефекты и деформации возникают также из-за откло­
нений конструкций земляного полотна от современ­
ных норм; несовершенства технологий и ошибок, до­
пущенных при строительстве; неудовлетворительного
состояния верхнего строения пути и от ряда других
причин. Наличие дефектов и деформаций земляного
полотна часто приводит к ограничению скоростей
движения поездов или, в более редких случаях, к пол­
ному его перерыву. Всё это оказывает существенное
влияние на перевозочный процесс и безопасность
движения поездов.
Существует несколько классификаций дефектов
и деформаций земляного полотна. В наиболее полной
из них дефекты и деформации земляного полотна в за­
висимости от места проявления, причин возникнове­
13
ния и характера повреждений изложены в «Инструк­
ции по содержанию земляного полотна железнодо­
рожного пути». (ЦП-544.МПС РФ. М.: Транспорт,
1998, 189 с.) В «Инструкции по содержанию земляного
полотна железнодорожного пути» дефекты и дефор­
мации земляного полотна по месту проявления под­
разделяются на 8 групп: I группа - основная площадка;
II группа - откосы; III группа - тело и основание зем­
ляного полотна; IV группа - слабые основания; V
группа - места взаимодействия с инородными конст­
рукциями; VI группа - земляное полотно, подвержен­
ное неблагоприятным природным воздействиям; VII
группа - строительство дополнительных путей; VIII
группа - конструктивные дефекты земляного полотна
длительно эксплуатируемых линий.
Несмотря на наличие дефектов и деформаций
земляное полотно железных дорог России работает
удовлетворительно. На отдельных участках существуют
ограничения скоростей движения по состоянию земля­
ного полотна; на наиболее опасных объектах осуществ­
ляются противодеформационные мероприятия. До 1994
г. общая протяженность таких участков находилась в
пределах 12-13%. В дальнейшем, при реализации про­
граммы МПС по реконструкции и ремонту деформи­
рующихся и неустойчивых участков земляного полотна,
указанная цифра снизилась примерно до 9%.
За последние 5 лет на ремонт и усиление земля­
ного полотна в среднем расходовалось 1млрд. 150 млн.
руб. в год (в ценах 2001 г.). Оценка минимального
14
уровня вложений в капитальный ремонт и восстанов­
ления земляного полотна может быть выполнена на
основе его балансовой стоимости и нормы амортиза­
ционных отчислений. Так, балансовая стоимость зем­
ляного полотна на сети дорог на 2001 г. составляла
205,15 млрд. руб., что при норме амортизационных от­
числений 1% в год, предполагает вложения на сумму
2,05 млрд. руб. Отсюда следует, что фактические за­
траты на ремонт и восстановление земляного полотна
в период выполнения отраслевой программы состави­
ли 56% от нормы амортизационный отчислений (от
требуемых вложений).
Протяженность участков с дефектами и дефор­
мациями земляного полотна распределяется по доро­
гам крайне неравномерно. Наихудшее положение от­
мечается на железных дорогах Восточной Сибири и
Дальнем Востоке. Например, на Дальневосточной до­
роге протяженность поврежденных участков составля­
ет 37,3%, а на Забайкальской - 29,1%. Это связано со
сложными инженерно-геологическими и природно­
климатическими условиями.
Распределение дефектов и деформаций по ви­
дам также неоднородно. Наиболее широко распро­
странены дефекты и деформации основной площадки
в виде балластных углублений, зауженной ширины,
осадок и пучин, на которые приходится более 60%
всего дефектного и деформирующегося земляного по­
лотна.
15
За 1992-2000 г.г. в целом по общему протяже­
нию можно отметить снижение участков с поврежде­
ниями с 13,6% до 8,7%. Однако в последний год на­
блюдается рост до 9,5%.
Одной из причин сокращения в целом протяжен­
ности дефектного и деформирующегося земляного по­
лотна следует считать снижение воздействия от подвиж­
ной нагрузки. Затем с 1998 г. наметился рост грузона­
пряжённости, которая к 2001 г. увеличилась в 1,3 раза от
минимальной величины; в этот же период увеличилась
протяженность с деформациями земляного полотна.
Наличие дефектов и деформаций земляного по­
лотна является причиной ограничения скоростей дви­
жения подвижного состава (частичные отказы), а так­
же причиной перерывов в движении (полные отказы).
Уменьшение отрицательного влияния состояния зем­
ляного полотна на перевозочный процесс и безопас­
ность движения поездов может быть достигнута за
счет внедрения эффективной системы диагностики,
которая позволит своевременно оценить состояние
земляного полотна, установить очередность, объёмы
его ремонта и усиления.
2.2. Система диагностики земляного
полотна и составляющие её элементы
Эксплуатируемое земляное полотно с позиций
оценки его фактического состояния можно подразде­
лить на следующие категории.
16
Первая категория - аварийное земляное полотно,
т.е. это участки земляного полотна, где произошли
крупные деформации и остановлено движение поездов
(например, сплывы откосов, разрушение насыпей, кар­
стовые провалы). В этом случае происходит срочное
восстановление земляного полотна и одновременно
оперативное обследование не только разрушенного, но
и смежных с ним участков земляного полотна.
Вторая категория - эксплуатируемые участки
земляного полотна, на которых действуют предупреж­
дения об ограничении скорости движения поездов.
Третья категория - это участки земляного по­
лотна, расположенные в сложных инженерно­
геологических условиях и поэтому требующие повы­
шенного внимания из-за более вероятной возможности
проявления на них деформаций (районы распростра­
нения карста, болот, оползней, вечной мерзлоты).
Четвертая категория - высокие насыпи из гли­
нистых грунтов, которые, как правило, все потенци­
ально ненадежны.
Пятая категория - земляное полотно, которое в
данный момент считается стабильным, но фактическое
состояние его неизвестно. Для такого земляного по­
лотна возможны случаи внезапного проявления де­
формаций, особенно при более интенсивном воздейст­
вии поездной нагрузки.
Для получения объективной информации о тех­
ническом состоянии земляного полотна и своевремен­
ного выявления деформирующихся объектов разрабо­
17
тана система диагностики. Эта система имеет свои
особенности и отличия в методологическом подходе и
выборе методов и технических средств диагностиро­
вания в зависимости от рассмотренных выше катего­
рий состояния земляного полотна и протяженности
исследуемых участков.
Многолетние исследования позволили автору
сформулировать и ввести в практику понятие «диагно­
стика земляного полотна» как новое научное направле­
ние исследований, которое находится между областями
знаний, определяющими конструкцию земляного по­
лотна в его начальном виде, и способами и технологией
работ по ремонту и усилению земляного полотна. Ди­
агностика направлена на определение фактического со­
стояния земляного полотна, качественную и количест­
венную оценку происходящих в земляном полотне из­
менений под влиянием поездной нагрузки и климати­
ческих факторов, а также на прогнозирование состоя­
ния земляного полотна в процессе его эксплуатации в
современных и перспективных условиях.
Существовавшее до сих пор более узкое поня­
тие «обследование земляного полотна» не отражает
возможности оценки многообразия его технического
состояния под воздействием техногенных и природно­
климатических факторов не только в данный момент,
но и на перспективу.
Система диагностики земляного полотна пред­
ставляет собой совокупность взаимосвязанных эле­
ментов, образующих определенное единство. Элемен­
18
тами системы диагностики являются (рис. 2.1.): объект
исследования; методы и технические средства диагно­
стирования; классификация диагностических призна­
ков (критерии опознавания деформаций); подготов­
ленный технический персонал, взаимодействующий с
объектом исследования по правилам, установленным
соответствующей нормативно-методической докумен­
тацией; заключение о техническом состоянии объекта
с указанием места, вида и причины деформаций; ре­
шение о возможности и порядке дальнейшей эксплуа­
тации объекта или его усилении.
В зависимости от объекта исследования, экс­
плуатационных и природно-климатических условий,
поставленной задачи система может содержать в раз­
личном сочетании традиционные методы наблюдений,
обследований и контроля состояния земляного полот­
на, новые геофизические методы и специально разра­
ботанные передвижные диагностические комплексы.
На рис. 2.2. приведена классификация наиболее широ­
ко применяемых и перспективных методов диагности­
ки земляного полотна.
2.3. Традиционные методы наблюдений,
обследований и контроля
2.3.1. Методы эксплуатационных наблюдений
Эксплуатационные наблюдения входят в состав
текущего содержания земляного полотна, которое со19
Рис. 2.1. Принципиальная схема системы диагностики
земляного полотна
20
Методы диагностики земляного полотна
Традиционные
методы наблю­
дений, обсл едо­
ваний и контроля
Методы эксплуата­
ционных наблю де­
ний
И нж енерно­
геодезические ме­
тоды
И нженерно­
геологические ме­
тоды
Геофизические м е­
тоды
Электрометрический
м етод (ЭМ )
М етод электроконтактного динамическо­
го зондирования (Э Д З)
Радиолокационный
м етод (PM )
Сейсмический метод
(СМ )
Передвижные ди­
агностические ком­
плексы
Вагонлаборатория
инженерногеологическо­
го обследова­
ния (ВИГО)
Передвижные
нагрузочные
комплексы
(ПНК)
Вагоны - путеизмерители
(ВП )
Вибрационный метод
(B M )
Рис. 2.2. Классификация методов диагностики
земляного полотна
21
стоит из надзора за его состоянием, изучения причин
появления неисправностей, что устанавливается на ос­
нове его осмотров. Эксплуатационные наблюдения за
состоянием земляного полотна выполняют в соответ­
ствии с «Инструкцией по содержанию земляного по­
лотна железнодорожного пути», ЦП-544, Транспорт,
1998 год. Они включают в себя: систематический над­
зор, текущие осмотры, периодические
осмотры, специальные обследования и наблюде­
ния, режимные наблюдения и т.д. Эксплуатационные
наблюдения в основном осуществляются работниками
дистанции пути. Используются в основном простей­
шие приборы и приспособления: рулетки, рейки,
уровни, вешки, отвесы и т.п.
При эксплуатационных наблюдениях опреде­
ляются: состояние нагорных канав в выемках; наличие
застоя воды у кавальеров; размеры обочин; высота
верха балластной призмы над обочиной; завышенная
крутизна откосов; наличие пучин и выплесков и т.п..
Для повышения эффективности эксплуатацион­
ных наблюдений за состоянием земляного полотна
ВНИИЖТом рекомендуется бальная оценка (по выяв­
ленным в результате осмотра отдельных неисправностей)
состояния объектов по итогам наиболее полного пред­
зимнего (весеннего) комиссионного обследования. Одна­
ко, практическое использование этих рекомендаций за­
труднено из-за отсутствия обоснованных оценочных кри­
териев опознавания неисправностей, в том числе наибо­
лее опасных и влияющих на отказы земляного полотна.
22
2.3.2. Инженерно-геодезические методы
Инженерно-геодезическими методами выпол­
няют следующие работы: нивелирование по точкам
створов и головкам рельсов, проверку сдвижек пути,
съемку поперечных и продольных профилей земляно­
го полотна. Поперечные профили снимаются в харак­
терных сечениях земляного полотна и предназначают­
ся для паспортизации и получения исходных данных
при расчетах устойчивости откосов насыпей и проек­
тировании противодеформационных мероприятий.
В последние годы на Российских железных до­
рогах создается специальная реперная система (СРС)
для контроля положения пути в профиле и плане (ука­
зание МПС РФ №А-224У от 27.02.97 и №С-493У от
27.04 98). Эта система предназначена для путей перво­
го и второго классов, а также внеклассных (скорост­
ных магистралей), что составляет примерно 58 тыс.
км. На участках с такой системой работы, связанные с
ремонтом и выправкой пути должны выполнятся на
основе данных о его проектном положении, закреп­
ленном относительно реперов.
СРС широко применяют на железных дорогах
многих стран (Германия, Франция, Бельгия, Польша,
Чехия и др.). Рабочие реперы устанавливают при изго­
товлении опор или фундаментов контактной сети в за­
водских условиях, что значительно улучшает качество
и удешевляет стоимость устройства системы.
23
Специальная реперная система на железных до­
рогах России - это система геодезических пунктов с из­
вестными координатами в плане в принятой для данной
железнодорожной линии системе координат, высотами
в Балтийской системе высот и пикетажными значения­
ми. СРС состоит из пунктов опорной геодезической се­
ти (ОГС) и рабочей сети (PC). СРС включает в себя
также систему привязок пути к рабочим реперам.
Достоинство реперной системы заключается в
том, что постановка пути в проектное положение осу­
ществляется один раз; в последующем исправляют
только отступления от первоначального положения.
Это требует значительно меньших затрат на контроль
положения рельсошпальной решетки, а также на на­
блюдения за деформациями земляного полотна и дру­
гих инженерных сооружений. Порядок устройства
СРС изложен в документе «Специальная реперная
система контроля состояния железнодорожного пути в
профиле и плане. Технические требования», которые
утверждены МПС РФ 26.03.98.
2.3.3. Инженерно-геологические методы
Обследование деформирующихся мест земляно­
го полотна заключается в обобщении всех имеющихся
сведений по этим местам, топографической и инже­
нерно-геологической съемке, бурении скважин, опре­
делении физико-механических свойств грунтов, на­
блюдениях за состоянием деформирующихся мест и
камеральной обработке полученных данных.
Работы по обследованию деформирующихся
мест земляного полотна проводятся на действующих
путях в габарите подвижного состава и в стесненных
условиях на насыпях и выемках. Наиболее трудоемки­
ми являются буровые работы, которые на земляном
полотне
обычно
ведутся
ручными
ударно­
вращательными буровыми комплектами с помощью
змеевиков, буровых ложек, желонок и различного вида
долот. Способы буровых работ вручную подробно
описаны в различных руководствах для техников и бу­
ровых мастеров инженерно-геологических партий.
Ручное бурение имеет много недостатков. Это
тяжелый утомительный и малопроизводительный фи­
зический труд. Змеевики и буровые ложки иногда за­
клиниваются в грунтах, и требуются большие усилия и
применение различных приспособлений (ваги, дом­
краты) для их извлечения из скважин. Не всегда также
удается быстро отвинтить штангу от змеевика или
ложки, особенно если они заклинились в скважине и
могут вращаться, но не извлекаются из нее, например,
при наличии включений камня. Поэтому при бурении
скважин в габарите подвижного состава места работ
необходимо ограждать сигналами остановки.
Описанные выше особенности усложняют бу­
ровые работы и снижают и без того низкую произво­
дительность труда, особенно на участках с интенсив­
ным движением поездов. В связи с этим проектно­
изыскательские
организации
при
инженерно­
геологических обследованиях основной площадки
25
земляного полотна отказываются от бурения скважин
в габарите подвижного состава и даже в контуре габа­
рита приближения строений железных дорог. Скважи­
ны бурят на обочинах, междупутьях и в кюветах, пы­
таясь последующей интерполяцией выявить инженер­
но-геологические условия на пути. Однако, под рель­
совыми нитями и по оси пути с балластными углубле­
ниями инженерно-геологические условия совершенно
иные, чем под обочинами и кюветами. Поэтому такая
интерполяция часто приводит к ошибкам.
Ударно-вращательное бурение существенно на­
рушает структуру грунта в отбираемых образцах. При
взятии проб грунта змеевиком или буровой ложкой
происходит его перемешивание или послойное нареза­
ние.
Из вышеизложенного видно, насколько несо­
вершенны существующие способы бурения скважин
при инженерно-геологическом обследовании земляно­
го полотна. Большинство существующих отечествен­
ных и зарубежных механизированных буровых стан­
ков нельзя использовать для бурения скважин в габа­
рите подвижного состава и в стесненных условиях на
насыпях и выемках. Они имеют большой вес и не мо­
гут быть быстро убраны с пути, а также переноситься
по насыпям и в выемках.
В связи с этим ВНИИЖТом был создан шненовый буровой комплект ЦНИИ-2, предназначенный для
бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных
скважин. Скважины диаметром 70 мм проходятся до
26
глубины 15 м в песчаных и глинистых грунтах различ­
ной плотности, в том числе с включением мелкой
гальки или щебенки. Производительность станка в 4-5
раз превышает производительность буровых работ
вручную. На участках с интенсивным движением по­
ездов рекомендуется бурить наклонные скважины с
обочин в сторону пути, вместо бурения вертикальных
скважин в габарите подвижного состава.
Известен также разработанный ВНИИЖТом пор­
тативный буровой станок ПВБС-15 на базе бензинового
мотора «Дружба». Установка предназначена для буре­
ния вертикальных, наклонных и горизонтальных сква­
жин до глубины 15 м. Станок применяется в песчано­
глинистых грунтах при инженерно-геологическом об­
следовании на действующих железнодорожных путях,
на откосах насыпей и выемок, на крутых косогорах и в
других стесненных условиях. Скважины диаметром 70
мм проходятся со скоростью бурения: в песчаных грун­
тах 1-2м/мин; в глинистых 0,5-1 м/мин; в мерзлых 0,3­
0,5 м/мин; в мягких скальных грунтах 0,005-0,02 м/мин.
Основным недостатком применения механических бу­
ровых станков является сложность в точной геологиче­
ской документации скважин пройденных шнековым
способом и в отборе ненарушенных проб грунта для
последующего лабораторного анализа.
Таким образом, из приведенного материала сле­
дует, что методы эксплуатационных наблюдений и
инженерно-геодезические
методы
характеризуют
внешние
признаки
деформаций.
Инженерно­
27
геологические методы определяют внутреннее строе­
ние и состояние грунтов путем механического про­
никновения внутрь земляного полотна. Практика пока­
зывает, что при применении только традиционных ме­
тодов и существующих темпах их использования, за­
дача своевременного выявления опасных для движе­
ния поездов участков земляного полотна не может
быть решена в ближайшие десятилетия. Кроме того,
традиционные методы не позволяют выполнять диаг­
ностирование земляного полотна во время его функ­
ционирования (т.е. в динамическом состоянии, напри­
мер, в процессе следования поездов), что должно яв­
ляться необходимой составной частью любой системы
технической диагностики. Поэтому весьма актуальной
задачей является привлечение для диагностики земля­
ного полотна геофизических методов, которые широко
применяются в разведочной и инженерной геологии.
2.4. Общие сведения о геофизических методах
Геофизические методы служат для выявления
аномалий физических полей, обусловленных неодно­
родностями геологического строения, связанных с из­
менением физических свойств и геометрических пара­
метров слоев изучаемых объектов. Геофизическая ин­
формация отражает физико-геологические неоднород­
ности среды в плане, по глубине и во времени. При
этом возникновение аномалий связано с тем, что объект
исследования искажает физическое поле, например, от
28
контакта с разными слоями грунта, созданное либо ис­
кусственным воздействием на объект (тестовая диагно­
стика), либо используется физическое поле во время
эксплуатации объекта (функциональная диагностика).
Физические поля в земляном полотне могут воз­
никать от направленных тестовых воздействий: посто­
янного или переменного электрического тока через за­
битые в грунт электроды (электрометрический метод и
метод электроконтактного динамического зондирова­
ния); от излучения электромагнитных высокочастотных
зондирующих сигналов импульсного или непрерывного
действия (радиолокационный метод); от воздействия
ударных нагрузок типа молота по грунту (сейсмиче­
ский метод). К р о м е того, при функциональной ди агн о­
стики земляного полотна изучаются вибрации грунта от
движущего поезда (вибрационный метод).
Принципиальная схема применения геофизиче­
ски х методов диагностики земляного полотна состоит
из следующих последовательных этапов:
- возбуждение или использование от движущих­
ся поездов физических полей в земляном полотне;
- прием и преобразование ответного сигнала
приборами (отклик системы);
- регистрация сигнала измерительной аппарату­
рой;
- автоматизированная система обработки полу­
ченной информации;
- интерпретация и инженерно-геологическое ис­
толкование результатов геофизической диагностики.
29
Опыт инженерно геологических исследований,
создание системы диагностики земляного полотна по­
зволил сформулировать основные сферы применения
геофизических методов и решаемые ими задачи.
На основной площадке электрометрическим
(электроразведкой), сейсмическим методами, а также
электроконтактным динамическим зондированием оп­
ределяют: толщину балластного слоя; мощность и не­
однородность дренирующего грунта; углубления в ви­
де балластных корыт, лож и грязевых мешков.
В скальных выемках под балластной призмой
выделяются, например, по данным электроразведки,
ослабленные участки пород, которые могут служить
каналами для притока вод снизу под балластную
призму или содержат достаточно большое количество
глинистых частиц. Эти данные позволяют выяснить
природу пучин для участков пути, проходящих в
скальных выемках.
На откосах насыпей из связных грунтов сейс­
мическим методом можно устанавливать наличие
шлейфов, их мощность и различные по влажности
слои песка, а также определять увлажненную зону
контакта балласта с суглинком.
На участках скальных выемок сейсмический
метод может применяться: для установления мощно­
сти рыхлых покровных отложений скальных массивов;
мощности выветрелой зоны коренных пород; выявле­
ния и сконтуривания вертикальных ослабленных зон в
скальных породах; определения азимутов простирания
30
вертикальных и крутопадающих трещин или слоев
вертикальнослоистых толщ; определения коэффици­
ента объемной трещинной пустотности.
Сейсмическим методом и в ряде случаев мето­
дом электроконтактного динамического зондирования
(когда в насыпи не встречается крупной гальки или
отдельных камней) можно разделять грунты тела на­
сыпи по их виду и состоянию. Перспективно исполь­
зование геофизических методов для выявления и
оконтуривания ослабленных по прочности зон в теле
насыпи из-за многократных воздействий поездов и
климатических факторов.
При возведении земляного полотна в зимнее
время в теле насыпи могут образовываться мерзлые
линзы, последующее оттаивание которых в теплое
время вызывает обычно значительные осадки насыпи,
приводящие к перерывам в движении поездов. Методы
электроразведки позволяют определять наличие и, при
необходимости, оконтуривать мерзлые линзы в теле
насыпи, следить за изменением их размеров и контро­
лировать процесс оттаивания грунтов.
При обследовании насыпей, возведенных на
слабых грунтах, с помощью электроразведки опреде­
ляется величина погружения насыпи в толщу илистых
отложений и выявляются участки пути, на которых на­
сыпь села на твердое минеральное дно.
На оползневых косогорах, на которых сооруже­
но земляное полотно, с помощью сейсмического мето­
да определяются границы между оползающими (или
31
склонными к оползанию) и устойчивыми породами,
устанавливается морфология ложа оползня, выясняет­
ся геометрия оползневых блоков в плане и иногда
этажность оползня, оценивается характер трещинова­
тости оползневого массива и преимущественное на­
правление оползневых трещин. Чаще всего породы,
вовлеченные в оползневые подвижки, имеют сеть
микро- и макротрещин и характеризуются более низ­
кими значениями скоростей распространения упругих
волн по сравнению с коренными породами. Кроме
сейсмики, при исследовании оползней могут найти
применение электроразведка и каротаж скважин (элек­
трический, акустический и радиоактивный).
В районах распространения карстовых процессов
под земляным полотном или в непосредственной близо­
сти от его основания могут находиться карстовые по­
лости, которые при определенных условиях представ­
ляют реальную угрозу безопасности движения поездов.
Обычно карстовые зоны исследуются непосредствен­
ным вскрытием их разведочными выработками. Однако
это процесс весьма трудоемкий, так как ни точное ме­
стоположение, ни контуры карстовых зон неизвестны.
Применение электроразведки позволяет выявить место­
положение, глубину залегания и мощность толщи закарстованных пород. В ряде случаев положительные ре­
зультаты получены при применении сейсмического ме­
тода, гравиметрии и методов изучения токов фильтра­
ции, методов определения направления и скорости дви­
жения подземных вод по одной буровой скважине.
32
В районах многолетнемерзлых пород, где со­
оружается или эксплуатируется земляное полотно,
электроразведка, сейсмические и акустические методы
могут применяться при изучении глубины залегания
верхней и нижней границы мерзлых пород, мощности
рыхлых отложений, для выделения мерзлых пород
среди талых и таликовых зон в массиве мерзлых по­
род, для определения физико-механических свойств
мерзлых грунтов в их естественном залегании.
Таким образом, геофизические методы имеют
большие возможности при диагностике земляного по­
лотна и его основания. Выбор какого-либо одного гео­
физического метода или комплекса методов при реше­
нии различных инженерно-геологических задач зависит
от эффективности и точности методов в конкретных
геосейсмических и геоэлектрических условиях и их
технико-экономической целесообразности. Для успеш­
ного применения геофизических методов необходим
небольшой объем (10-20% от обследования традицион­
ными методами) опорных скважин для привязки и рас­
шифровки полученных геофизических данных.
В настоящее время существует настоятельная
необходимость расширить производственное приме­
нение геофизических методов при обследовании зем­
ляного полотна. Это позволит сократить сроки работ и
значительно снизить стоимость обследования, полу­
чить достаточную информацию для оценки надежно­
сти земляного полотна и составления проектного зада­
ния его усиления.
33
3. ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
3.1. Физические основы метода
Электрометрический метод, называемый в ин­
женерной геологии электроразведкой, первым из гео­
физических методов был применен еще в 1950 - 60-х
годах прошлого столетия на эксплуатируемом земля­
ном полотне. Работами А.М. Шаинского (1957 г.), В.Я.
Пригоды (1958 г.), Г.Г. Коншина (1959 г.), Н.П. Несте­
ренко и Н.А. Гореликова (1960 г.), М.В. Болдырева
(1962 г.) было показано, что наиболее эффективным
является метод на основе изучения полей постоянного
электрического тока, искусственно создаваемых в
грунтовом массиве.
Известно, что различные грунты оказывают не­
одинаковое сопротивление электрическому току, про­
ходящему через них. Электрическое сопротивление
самих твердых минеральных частиц грунтов очень ве­
лико, но грунты имеют поры различной величины и
конфигурации, которые содержат воду и растворенные
в ней соли. Растворы солей являются главными про­
водниками электрического тока. Чем больше в грунте
активных пор, тем меньше сопротивление электриче­
скому току оказывает грунт. Для количественной ха­
рактеристики сопротивления грунта служит параметр,
называемый удельным электрическим сопротивлени­
ем. За числовое значение этого параметра принимается
со- противление объема грунта, имеющего форму ку­
34
ба высотой 1 м и сечением 1 м2. удельное электриче­
ское сопротивление грунта обозначается символом р и
измеряется в Ом*м (т.е. в Омах, умноженных на метр).
Диапазон колебаний величин удельных электри­
ческих сопротивлений грунтов достаточен для того,
чтобы обеспечивать возможность распознавания их с
помощью электрометрического метода. Но с другой
стороны, для одного и того же грунта величины
удельного сопротивления варьируют в весьма значи­
тельных пределах. Широкий диапазон изменяемости
удельного сопротивления грунта объясняется не
столько сопротивлением породообразующих минера­
лов, сколько другими факторами, к которым, в первую
очередь относятся пористость, водонасыщенность и,
особенно, электрическое сопротивление вод, насы­
щающих грунт. В зависимости от этих факторов раз­
ные грунты могут обладать одинаковым электриче­
ским сопротивлением. Поэтому грунты относятся к
электролитическим проводникам, поскольку они про­
водят ток через насыщающие их растворы.
Тем не менее, можно сформулировать основные
закономерности в изменении величин удельного элек­
трического сопротивления различных грунтов, кото­
рые являются основой для применения электрометри­
ческого метода диагностики земляного полотна и его
основания.
35
3.2. Геоэлектрическая модель
земляного полотна
Геоэлектрическую модель длительно эксплуати­
руемой песчано-глинистой насыпи можно представить
в следующем виде. Слой щебеночного балласта имеет
удельное электрическое сопротивление р в несколько
тысяч Ом-м. Сопротивление р песчаного слоя в виде
подушки и балластных углублений в основной пло­
щадке в зависимости от состава песка, содержания в
нем щебня, глинистых частиц и увлажненности изме­
няется от 100 до 3000 Ом-м. Тело насыпи, сложенное
глинистыми грунтами, имеет удельное электрическое
сопротивление от 5 до 30 Ом-м; суглинками - от 10 до
60 Ом-м; супесями - от 40 до 100 Ом-м. Указанные
пределы сопротивлений могут изменятся в зависимо­
сти от изменения минерализации грунтовых вод. За­
грязненный балласт имеет более низкие сопротивле­
ния, чем чистый. Сопротивление мерзлых грунтов в
теле насыпи в десятки раз больше сопротивления та­
лых. Оно зависит от состава, текстуры и льдистости
грунтов. Изменения сопротивления тонкодисперсных
грунтов при переходе от талых к мерзлым не превы­
шает 10 раз, крупнообломочных обводненных дости­
гает нескольких сотен.
Грунты, которые залегают в основании земляно­
го полотна, характеризуются следующими геоэлектрическими свойствами:
36
ненарушенные скальные грунты (гранит,
базальт и др.), карбонатные грунты (известняк, гипс),
каменная соль характеризуются большим удельным
сопротивлением (порядка тысяч Ом-м);
карбонатные грунты, имеющие трещины
или подвергшиеся карстовым процессам, имеют
удельное сопротивление на порядок меньше, чем не­
нарушенные грунты;
карстовые полости выделяются резкими
аномалиями в величинах удельного сопротивления по
сравнению с окружающими грунтами: уменьшением р,
если полости заполнены рыхлыми грунтами, и увели­
чением р, если воздухом;
грунты, залегающие ниже уровня грунто­
вых вод и находящиеся в водонасыщенном состоянии,
обладают небольшим сопротивлением, а залегающие
над уровнем грунтовых вод, отличаются значительным
сопротивлением;
многолетнемерзлые грунты, или грунты
при сезонном промерзании имеют резко повышенные
значения удельного сопротивления по сравнению с та­
лыми грунтами.
Для более эффективного применения электро­
разведки постоянным током необходимо определять
характерные величины удельных сопротивлений для
различных грунтов непосредственно в районе работ.
37
3.3.
Схемы наблюдений
и измерительная аппаратура
Для измерения электрического сопротивления
грунтов и определения закономерности их распро­
странения в грунтах земляного полотна применяют, в
основном, две схемы наблюдений: электропрофилиро­
вание (ЭП) и вертикальное электрическое зондирова­
ние (ВЭЗ). Для этих схем используется симметричная
установка AMNB, показанная на рис. 3.1. Она состоит
из источника Б, измерительного прибора П, проводов
и металлических заземлителей (электродов).
Электрический ток от батареи Б под влиянием
разностей потенциалов у электродов А и В распро­
страняется от одного электрода к другому через толщу
грунта. Из рис. 3.1 видно, что при увеличении рас­
стояний между электродами А и В токовые линии
проникают на большую глубину (h2 > hi). Принято
считать, что глубина исследования по этой схеме на­
блюдений зависит от сочетания слоев грунта в массиве
и находится в пределах от 1/3 до 1/10 расстояния меж­
ду питающими электродами А и В. Глубина исследо­
вания определяется опытным путем для конкретного
объекта при проведении электроразведки вблизи кон­
трольной буровой скважины.
Между питающими электродами А и В устанав­
ливают приемные электроды М и N, с помощью кото­
рых измеряют разность потенциалов, возникающую
между ними при пропускании постоянного электриче­
ского тока через электроды А и В в грунт.
38
а)
OJ
40
Рис. 3.1. Схемы измерений электрического сопротивления грунтов 4-х электродной сим­
метричной установкой AMNB: а - глубина исследования hi; б - глубина исследования hy,
АВ и А’В’ - питающие электроды; MN и M’N ’ - приемные электроды; Б - источник пи­
тания ('батапея'): П —ичмепительный ппибор
Измерения заключаются в определении величи­
ны силы тока I между питающими электродами А и В,
величины разности потенциалов AU между приемны­
ми электродами М и N и величины удельного электри­
ческого сопротивления грунта р = kx(AU/ I), где к линейный коэффициент установки, зависящий только
от взаимного расположения и расстояния между элек­
тродами AMNB.
При постоянных значениях расстояний между
питающими электродами А и В исследование грунто­
вой толщи выполняется практически на одинаковую
глубину, и эта схема наблюдений называется электро­
профилированием (ЭП). При наблюдениях по схеме,
когда расстояние между электродами А и В постепен­
но увеличивается (что позволяет проводить обследо­
вание по глубине грунтового массива), такая схема на­
зывается вертикальным электрическим зондированием
(ВЭЗ).
При проведении электроразведочных работ по
схемам ЭП и ВЭЗ для диагностики земляного полотна
возникают ряд особенностей, которые не встречаются
в инженерной геологии. К ним относятся:
конфигурация поперечного сечения земля­
ного полотна (насыпь, выемка);
электрические поля - помехи, создаваемые
в теле насыпи установками сигнализации и электри­
фикации железных дорог;
наличие рельсовых нитей и железобетон­
ных шпал;
40
плохие условия заземления электродов н
щебеночной балластной призме.
Для снижения (или исключения) перечисленных
факторов на результаты электроразведки разработаны
специальные технические и методологические прие­
мы, которые позволяют получить достаточно надеж­
ные результаты.
При обследовании насыпей в пределах основной
площадки электрифицированных дорог применяют
аппаратуру
низкочастотную
АНЧ,
ИКС,
ЭЛЕКТРОТЕСТ. На откосах насыпей электрифициро­
ванных дорог и на участках не электрифицированных
дорог применяют также аппаратуру на постоянном то­
ке, например, автокомпенсатор АЭ-72. Эта аппаратура
является транзисторным милливольтметром, постро­
енным по автокомпенсационной схеме или по схеме
усилителя с глубокой отрицательной обратной связью.
В комплект аппаратуры низкой частоты (АНЧ-3) вхо­
дит генератор переменного напряжения частотой 5 Гц,
в котором постоянное напряжение батарей типа Б-70 и
Б-30 преобразуется в переменное. Трехфазный милли­
вольтметр в АНЧ-3, построенный по автокомпенсаци­
онной схеме, обладает высокой помехозащищенно­
стью от полей промышленной частоты. В качестве пи­
тающих А и В и приемных М и N электродов исполь­
зуют соответственно стальные и латунные стержни
диаметром 20 - 30 мм и длиной 300 - 400 мм.
41
3.4. Решаемые задачи и примеры практического
применения электроразведки
Основными задачами, решаемыми по схеме вер­
тикального электрического зондирования (ВЭЗ), яв­
ляются:
расчленение грунтов насыпи и основания
по литологическому составу и состоянию;
установление величины осадки и конфи­
гурации подошвы насыпи, возведенной на слабом ос­
новании (илах, торфе и т.д.) или мерзлых грунтах, оп­
ределение их мощности и глубины залегания;
обнаружение закарстованных зон и от­
дельных полостей в грунтах основания насыпи;
определение мощности оползневых тел,
осыпей на косогорах.
Технология выполнения работ методом электро­
разведки на откосах и у основания насыпей стандарт­
ная, которая принята в инженерной геологии. При вы­
полнении работ на основной площадке измерительную
аппаратуру и источники питания располагают на обо­
чинах, у бровок земляного полотна. Электроды заби­
вают на такую глубину, чтобы их верхние торцы не
превышали уровень головки рельсов.
По схеме наблюдений электропрофилирования
(ЭП) с симметричной установкой с двумя разносами пи­
тающих линий AA’MNB’B решают следующие задачи:
выявляют и оконтуривают в плане локаль­
ные неоднородности в теле насыпи (грязевые мешки,
42
гнезда, линзы подземных льдов, мерзлые породы и
др-);
определяют толщину балластного слоя и
границы распространения балластных шлейфов;
прослеживают изменения состава и со­
стояния грунта по площади;
выявляют и оконтуривают суффозионные
полости, подземные льды, вечномерзлые грунты, закарстованные участки в основании насыпи.
Влияние различных помех при электро- профи­
лировании учитывается так же, как и при вертикаль­
ном электрическом зондировании, а результаты пред­
ставляются в виде графиков р вдоль исследуемого
профиля.
Пример 1. Для определения мощности балласт­
ного слоя и наличия углублений в основной площадке
были проведены электроразведочные работы по схеме
электропрофилирования установкой AA’MNB’B с
разносами питающих электродов А ’В’ = Зм и АВ = 6м.
Было получено, что по аномалиям электропрофиля зонам пониженных и повышенных значений удельных
электрических сопротивлений р, выявляются участки с
деформациями основной площадки земляного полотна
(рис. 3.2). Зоны максимумов р интерпретировались как
увеличение мощности балласта, а зоны минимумов как уменьшение мощности балластного слоя или как
увлажнение его в результате застоя атмосферных вод.
Данные контрольного бурения подтвердили результа­
ты электроразведки.
43
44^^.
Рис. 3.2. Электропрофиль на участке пути с разной мощностью балластного слоя:
1 - график сопротивления р* для АВ = 3 м; 2 - то же для А’В' = 6 м; 3 - поверхность бал­
л а с т н о й П П И Ш М - Д — П О П О П 1 И Я Я я Т Т Т Т Я Г Т Н П т Г П П (Г ' S — V O H T n n п у н к т е п е в я ж и н м
Пример 2. По результатам электропрофилирова­
ния выделяют в верхней части длительно эксплуати­
руемой насыпи так называемую «балластную шапку»,
которая характеризуется высокими значениями удель­
ного электрического сопротивления р по сравнению с
более низкими р для глинистых грунтов тела насыпи.
Г рафик ЭП, полученный на двухпутной насыпи высо­
той 12 м, приведен на рис. 3.3. Границы распростране­
ния «балластной шапки» на графике определяются по
аномалии повышенных сопротивлений. Песчаный
слой на насыпи первого пути характеризуется более
низкими сопротивлениями, чем насыпи второго пути.
Это обусловлено загрязнением песка на первом пути,
включением глинистых частиц и наличием в песке ма­
ломощных прослоев супесей и суглинков. Удельное
сопротивление грунтов насыпи второго пути примерно
в 2 раза больше, чем первого.
Пример 3. Определяли мощность дренирую­
щего грунта насыпи высотой от 10 до 12 м. Балласт­
ный слой представлен мелкозернистым песком; тело
насыпи сложено тяжелыми пылеватыми суглинками.
Мощность дренирующего слоя грунта определя­
ли по результатам интерпретации данных вертикаль­
ного электрического зондирования (ВЭЗ) с введением
необходимых поправок за уровень помех и влияние
конфигурации насыпи. Максимальная погрешность в
определении глубины залегания подошвы дренирую­
щего слоя по данным ВЭЗ, как показали измерения у
контрольных буровых скважин, находилась в пределах
9%. Геоэлектрический разрез верхней части насыпи
45
С
4^
С\
г
4
6
в
мw
..
Рис. 3.3. Аномалия р*, полученная над песчаной подушкой насыпи по результатам элек­
тропрофилирования
- п есок;
~ п есок с примзсыо глинистых
ч асти ц ; £ 5 3 - су гл и ч о к ; цифры в кружочках сопротивление грун та O i« - ii;----- --- откос насыпи
п ервого пути
исследуемого участка, составленный по данным ВЭЗ,
приведен на рис. 3.4.
Пример 4. Электроразведка по схеме вертикаль­
ного электрического зондирования была использована
для определения величины погружения насыпи в тол­
щу илистых отложений. Выявлены участки, на кото­
рых насыпь села на твердое минеральное дно. На каж­
дом поперечнике зондирования выполнялись по оси
пути, обочинах насыпи, у ее основания, а также в 5-20
м в стороне от насыпи с целью определения удельных
электрических сопротивлений торфа и ила (рис. 3.5).
Сопоставление этих данных с бурением показало, что
погрешность определения электроразведкой находи­
лась в пределах 8%. Электроразведка сократила при­
мерно в два раза стоимость обследований и в четыре
раза объем работ.
Пример 5. Значительную опасность для движения
поездов представляют участки пути с карстующимися
грунтами, особенно в тех случаях, когда в них имеются
карстовые полости. Если полости располагаются в зоне
аэрации, т.е. выше уровня грунтовых вод, то они запол­
нены воздухом и отличаются более высоким удельным
электрическим сопротивлением, чем окружающие эти
полости карстующиеся породы и их поверхностная
кровля. Полости ниже уровня грунтовых вод, запол­
ненные влажными обломочными или глинистыми
грунтами характеризуются более низкими удельными
электрическими сопротивлениями, чем карстующиеся
породы и поверхностный покров грунтов.
47
Рис. 3.4. Геоэлектрический разрез верхней части насыпи, составленный по данны м ВЭЗ
I'/-'-•:.! - песок;
I:# Ч - песок с примзсыс пылеватых частиц;
- сугли нок; цифры в кружочках - удельное электри ческое
сопротивление гр у н та, Ом-м; --------- глубина зал еган и я подошвы
б ал л астн о го слоя по данным б у р е н и я ; -------- то же по данным ВЭЗ.:
Рис. 3.5. Схема расположения ВЭЗ на насыпи, возведенной на слабых грунтах:
а - переход М; б - переход
- насы пь;
р у > ] - торф ;
супесь
и л о в а та я ; [>д ?1 - ил;
|ф&| - гальха и гра­
вий о песком; рй^х! - трещиноватый Оезвльг;
----- отметка земли до отсылки насыпи; — — ос­
нование насыпи по данный бурения
Возможность выявления карстовых полостей за­
висит также от их размеров и мощности вышележащих
отложений. Если карстовая полость слишком мала и
находится на большой глубине от поверхности, то она
не может быть обнаружена. Однако, в ряде случаев за­
дача электроразведки облегчается благодаря так назы­
ваемым вторичным явлениям, сопутствующим образо­
ванию карстовых форм. Эти вторичные явления выра­
жаются в том, что над карстовой полостью породы бо­
лее разрыхлены, увлажнены или даже нарушены.
На рис. 3.6,а приведен пример электропрофили­
рования над карстовой воронкой, расположенной в из­
вестняках. Была использована установка AMNB с раз­
личными значениями разносов АВ, которые цифрами
показаны на рисунке. Электропрофили с резким по­
нижением удельного электрического сопротивления
указывают на местоположение карстовой воронки, ко­
торая заполнена влажным песчаным грунтом.
На участке, сложенном меловыми породами
выше уровня подземных вод, была обнаружена кар­
стовая полость, заполненная воздухом (рис. 3.6,6).
Электропрофилирование установкой AMNB с разно­
сами АВ = 20 и 50 м выделяют карстовую полость как
зону с повышенными значениями удельного электри­
ческого сопротивления.
50
Рис. 3.6. Электропрофилирование над карстовыми полостями:
а - заполнена влажным песчаным грунтом;
б - заполнена воздухом
51
4. МЕТОД ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО
ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
(ЭДЗ)
4.1. Сущность метода и описание установки ЭДЗ
Разновидностью электрометрических исследова­
ний является метод электроконтактного динамического
зондирования (ЭДЗ), который был разработан в лабора­
тории инженерной геологии и геофизики ВНИИ транс­
портного строительства (В.Я. Пригода). Этот метод со­
четает два способа одновременного исследования грун­
тов: динамическое зондирование и токовый каротаж.
Динамическое зондирование позволяет изучать харак­
теристики свойств в естественном залегании непрерыв­
но по всей глубине исследования. Данные токового ка­
ротажа позволяют расчленять грунты по литологиче­
скому составу, по результатам динамического зондиро­
вания оценивают их физико-механические свойства.
Для обследования применяют установку ЭДЗ с двух­
контактным наконечником, цилиндрическим подвиж­
ным электродом и измерительным прибором. Общий
вид установки ЭДЗ показан на рис. 4.1.
Для зондирования на верхний торец подвижного
электрода надевают упор для груза. Груз массой 10 кг
сбрасывают по направляющей штанге с высоты 0.5 м.
Электрический ток замеряют в миллиамперах через ка­
ждые 10 см погружения электрода. Одновременно под­
считывают количество одинаковых по силе ударов груза
52
■7
Рис. 4.1. Общий вид (а) и схема работы
(б) установки ЭДЗ:
1 - ограничитель высоты подъема груза; 2 - направ­
ляющая штанга; 3 - груз; 4 - рычаг извлекающего устройства;
5 - провод, соединяющий изолированные контакты с измери­
тельным прибором; 6 - стойка; 7 - измерительный прибор ИТ73; 8 - опорная плита; 9 - двухконтактный наконечник; 10 самозахватывающий механизм; 11 - подвижной электрод; 12 упор для груза
в залоге, необходимых для определения величины ус­
ловного динамического сопротивления Рд. После окон­
чания зондирования на заданную глубину, электрод
поднимают специальным извлекающим устройством.
Необходимая глубина достигается постепенным на­
ращиванием стальных труб длиной 0.5 или 1 м каждая.
Двухконтактный конический наконечник имеет
цельнометаллический стальной корпус с наружным
диаметром 35.6 мм (площадь поперечного сечения 10
см2) и углом при вершине 60°. Изолированные от корпуса
наконечника круглые латунные электроды диаметром 9
мм расположены в нижней конической части наконеч­
ника, в зоне максимального уплотнения грунта. Это
обеспечивает постоянный и надёжный контакт электро­
дов с исследуемым грунтом. От электродов внутри по­
лых труб идет кабель для соединения с измерительным
прибором. Диаметр наконечника в 1.5 раза больше диа­
метра несущих штанг, что уменьшает (а при глубине
зондирования до 3-5 м исключает) боковое трение
штанг о грунт при проведении динамического зондиро­
вания.
Погружая подвижной электрод постоянными по
силе ударами определяют два параметра: удельную
электропроводность грунтов и сопротивление их дина­
мической пенетрации. Совместная интерпретация гра­
фиков тока и пенетрации позволяет получить более од­
нозначную и полную информацию о составе и состоя­
нии исследуемых грунтов, чем интерпретация каждого
графика в отдельности.
54
4.2.
Технология работ
и методика обработки данных ЭДЗ
Технология выполнения работ методом ЭДЗ сле­
дующая. Перед началом зондирования первое звено
подвижного электрода с двухконтактным наконечни­
ком погружают в исследуемый грунт на глубину 30-50
см лёгкими по силе ударами (при высоте подъема груза
20-30 см). Вертикальность электрода проверяют по от­
весу. При наращивании последующих звеньев электрод
поворачивают с помощью ключа вокруг оси по часовой
стрелке. Затруднение при повороте свидетельствует об
искривлении электрода. В этом случае электрод извле­
кают и зондирование повторяют заново. Глубину по­
гружения электрода (зонда) определяют с точностью
до ±0.5 см по отметкам, нанесенным на штангах, или по
специальной рейке.
Зондирования производят непрерывно до задан­
ной глубины исследования или резкого увеличения ко­
личества ударов в залоге. Зондирование целесообразно
проводить, если для погружения электрода на глубину
10 см требуется не более 50 ударов.
ЭДЗ выполняют, в основном, на обочинах и от­
косах насыпей, применяя звенья подвижного электрода
длиной 1 м. На основной площадке, в особенности в
пределах рельсошпальной решетки, ЭДЗ применяют в
случаях, если время между проходящими поездами не
менее 20 мин. При этом применяются звенья подвиж­
ного электрода длиной 0,25-05 м.
55
Для получения опорных данных часть ЭДЗ вы­
полняют у имеющихся опорных выработок (скважин,
шурфов) на расстоянии от них не ближе 1 и не дальше
5 м.
В процессе измерений ЭДЗ фиксируется количе­
ство ударов груза при погружении электрода на глубину
10 см, а затем вычисляют условное динамическое со­
противление грунта по формуле:
Рд=М*п
(4.1)
п - количество ударов в залоге; М - множитель, кото­
рый учитывает конструктивные размеры и массу её от­
дельных частей, глубину погружения электрода за залог
(шаг наблюдения) и другие параметры.
Значения М рассчитывают по интервалам глубин,
соответствующим длине отдельных звеньев подвижно­
го электрода (табл. 4.1).
В полевых условиях значения Рд определяют по
формуле (4.1), а значение М принимают по табл.4.1 в
зависимости от номера звена подвижного электрода.
Таблица 4.1
1
Номера
2
звеньев
Интервал 0-1.4 1.4­
глубин, м
2.4
Множи­ 3.30 3.11
тель М
3
4
2.4­
3.4
2.96
3.4­
4.4
2.84
5
56
6
7
8
9
10
4.4­ 5.4­ 6.4­ 7.4­ 8.4­ 9.4­
5.4
6.4 7.4 8.4 9.4 10.4
2.73 2.65 2.57 2.50 2.45 2.39
Результаты ЭДЗ представляют в виде графиков
изменения значения условного динамического сопро­
тивления и силы тока от глубины исследования (рис.
4.2).
Инженерно-геологическую информацию об ис­
следуемых фунтах получают путем совместной интер­
претации фафиков силы тока и условного сопротивле­
ния динамической пенетрации. По изменению величины
тока устанавливают глубину залегания слоев фунта раз­
личного литологического состава и состояния. Результа­
ты динамической пенетрации используют, в основном,
для определения относительной плотности фунтов.
Совместная интерпретация получаемых с уста­
новкой ЭДЗ параметров повышает достоверность и од­
нозначность результатов обследования. Так, например,
текучепластичные и неуплотнённые суглинки, ха­
рактеризующиеся одинаковой величиной Рд, различа­
ются по величине электропроводности. Торф и глина,
имеющие в ряде случаев одинаковую электропровод­
ность, различаются по величине Рд.
4.3. Решаемые задачи и примеры практического
применения ЭДЗ
Основные задачи, решаемые методом электро­
контактного динамического зондирования, следующие:
определение толщины балластного слоя, ф аниц распространения и мощности балластных шлей­
фов;
57
Рис. 4.2. Пример электроконтактного динамического
зондирования откоса насыпи: 1 - график электропроводности
грунта I; 2 - график динамической пенетрации в виде
показателя прочности грунта Рд
58
- выявление и оконтуривание балластных корыт,
лож, мешков, установление их размеров и конфигура­
ции;
- расчленение тела насыпи по литологическому
составу и состоянию грунта;
- установление величины осадки и конфигура­
ции подошвы насыпи, возведённой на слабых грунтах;
- определение относительной плотности песча­
ных грунтов, изменения консистенции глинистых
грунтов, динамической устойчивости песчаных грун­
тов основания, насыщенных водой;
- установление мощности оползневых тел на ко­
согорах.
По сравнению с методами ВЭЗ и ЭП метод ЭДЗ
более трудоёмкий, приводит к незначительным нару­
шениям земляного полотна, но позволяет определять
границы грунтов различного литологического состава
или состояния с большей детальностью и точностью.
Ниже приведены примеры практического при­
менения ЭДЗ.
4.3.1. Определение мощности дренирующего слоя
и состояния грунтов откоса насыпи
Был обследован откос насыпи с целью опреде­
ления поверхности его возможного смещения. Сопро­
тивление динамической пенетрации определяли при
погружении электрода ударами груза массой 10 кг,
сбрасываемого с высоты 0.5 м. Условное сопротивле­
59
ние Рд рассчитывалось формуле (4.1) при значениях М
из табл.4.1.
Откос насыпи по литологическому составу грун­
тов расчленён на основе интерпретации графиков силы
тока I (рис. 4.3). Сила тока в песках изменяется от 0.02
до 0.1 мА, в суглинках - от 0.5 до 1 мА. В песках, со­
держащих глинистые частицы, сила тока иногда уве­
личивается до 0.3 мА.
Состояние грунтов насыпи определялось, в основ­
ном, по данным динамической пенетрации. Пески балла­
стного шлейфа при Рд<30 кгс/см2 относятся к рыхлым
пескам, при 30<Рд<120кгс/см2- к пескам средней плотно­
сти. Резкая дифференциация графика пенетрации в преде­
лах балластного слоя обусловлена значительным (более
30%) содержанием гравийно-галечного материала и
включением отдельных глыб известняка, отсыпанных при
восстановлении сплывшего откоса насыпи. Значения Рд и
I в зависимости от консистенции суглинков, согласно дан­
ным бурения и результатам статистической обработки де­
сяти ЭДЗ, приведены в табл.4.2.
По результатам ЭДЗ было определено, что мощ­
ность песчаного шлейфа на исследуемом откосе изме­
нялась от 1.7 до 2.7 м. Ошибки в определении глубины
залегания подошвы песчаного шлейфа, согласно дан­
ным бурения, не превышают ± 5 см. На глубине 0 .5 - 1
м песок балластного шлейфа рыхлый и содержит ме­
нее 10% гравийно - галечного материала, глубже - пе­
сок средней плотности и содержит значительное (бо­
лее 40%) количество гравия и гальки.
60
Рис. 4.3. Результаты обследования насыпи методом ЭДЗ
В Н' и“,
- суглинок текучапластичпосч а н о -грзвийный балласт;
- ю же мягкоплас1ИгШШ »
O B J - 10 10 1УГоплас1ИЧ-
____ ___
ный;
— , ftW l - основаниб насыпи:
У~Л - границы_суглинка различ­
ной консистенции; |S = H -ЗмА: нФП
- р кгс/см2 ; Н, - глубина
зондирования, см А
а
Таблица 4.2
Консистенция суглинка
0
11<
1
со
о
Тугопластичная
Мягкопластичная
Т екучепластичая
Параметры измерения ЭДЗ
Рд, кгс/см2
I, мА
3 5 -9 0
0 .6 -0 .7
1 5 -3 5
0 .7 -0 .8
5 -1 5
На границе с песчаным балластом слой суглинка
мощностью от 0.2 до 0.5 м находится в текучепластич­
ном состояние. С увеличением глубины консистенция
их постепенно изменялась от мягкопластичной до ту­
гопластичной. Среди тугопластичных суглинков на
глубине 4-5 м выявлен маломощный прослоек мягко­
пластичных суглинков. Мощность его около 20 см, он
прослеживается параллельно поверхности откоса на­
сыпи и при неблагоприятных гидродинамических ус­
ловиях может способствовать образованию новой по­
верхности смещения откоса насыпи. Этот опасный для
устойчивости насыпи прослоек мягкопластичного суг­
линка другими методами, в том числе и бурением, не
был выявлен. Это свидетельствует об эффективном
применении ЭДС при детальной диагностике грунтов
насыпи.
4.3.2. Определение величины осадки насыпи в торф
Результаты обследования по данным ЭДС приве­
дены на рис.4.4. Насыпь отсыпана из мелкозернистого
62
Рис. 4.4. О п р е д е л е н и е величины о садк и насы пи в т ор ф е
Е 5 И - щебень;
'••■••‘•'•1 - пвоок;
- гли­
н а ; I'VPl - торф оильно разложившийся ;
( 3 3 - *орф сдабораэдоживвшйоя; Г ^ 1 - криввя *ока;
Ш1ё1 - кривая иенохрацни
песка с включением гальки и прослоев опоковидных
глин. Полученные данные показали, что электропро­
водность глин и торфа примерно одинаковая, что за­
трудняет их выделение по графику силы тока, однако,
они имеют разное сопротивление динамической пе­
нетрации. При зондировании глин для погружения
электрода на 10 см достаточно от 1 до 6 ударов, при
зондировании торфа - от 6 до 25. По количеству уда­
ров можно отличить сильноразложившийся торф (6-12
ударов) от слаборазложившегося (12-25 ударов). Пес­
ки и глины различаются по степени электропроводно­
сти. В слабовлажных песках регистрируют силу тока
15-25 мА, обводненных 60-70 мА, в глинах 95-100 мА.
При определении уровня грунтовых вод учитывали
высоту капиллярного поднятия, которая для данного
песка равна 20 см. Границы между песком и глиной
установлены по графику силы тока, глубина залегания
подошвы насыпи - по результатам совместной интер­
претации графика силы тока и данных пенетрации.
Ошибки в определении глубины залегания литологи­
ческих границ по данным ЭДЗ, согласно контрольному
бурению скважин, не превышали 5см.
4.3.3. Оценка показателей свойств грунтов
Результаты ЭДЗ можно использовать для при­
ближённой оценки показателей свойств грунтов. При
этом учитывают поправочные коэффициенты, которые
определяют путём сравнения данных динамического
64
зондирования, полученных со стандартной установкой
(диаметр наконечника 74 мм) и с установкой ЭДЗ (диа­
метр наконечника 35.6 мм), а также с результатами оп­
ределения аналогичных характеристик грунтов лабо­
раторными или полевыми инженерно-геологическими
методами.
В настоящем примере показатели свойств грун­
тов относятся к пескам различной крупности с не­
большими величинами сцепления (менее 0.1 кгс/см2) и
к глинистым грунтам с содержанием органических
веществ менее 10%.
Зависимость между данными ЭДЗ в виде удель­
ного сопротивления грунта Рд и плотностью сложения
песков различного гранулометрического состава и
влажности приведены в табл.4.3.
Таблица 4.3
Состав и состояние
Плотность
Рд,
песка
кгс/см2сложения песка
Крупный и средней
<35
Рыхлый
крупности независимо 35-125 Средней плотности
от влажности
>125
Плотный
<30
Рыхлый
Мелкий маловлажный 30-110 Средней плотности
>110
Плотный
65
Нормативные значения угла внутреннего трения
фн и модуля деформации Ен для песчаных грунтов
приведены в табл.4.4, и для наглядности выявленных
закономерностей на рис.4.5.
Таблица 4.4
Нормативные в град, фн и Ен в кгс/см2 для песчаных грунтов
Условное
динамиче­ Крупных и средней
Мелких
Пылеватых
ское со­
плотности
проти­
фН
Ен
фН
Ен
фН
Ен
вление
Рд, кгс/см2
80
200
28
130
26
20
30
190
28
130
35
33
260
30
390
33
290
30
220
70
36
490
35
350
32
280
110
38
34
40
37
400
320
140
550
41
600
450
35
350
38
175
Следовательно, по данным ЭДЗ можно устано­
вить, что угол внутреннего трения фн чётко зависит от?
плотности песчаного грунта и его гранулометрическо­
го состава, а модуль деформации Ен линейно связан с
удельным динамическим сопротивлением Рд.
Нормативный модуль деформации глинистых
грунтов определяют из выражения:
"
Ен = Д х Рд .
(4.2)
Значения Д - для разных глинистых грунтов
при естественной влажности, по данным ПНИИСа;
изменяется в сравнительно узком интервале - от 6.3 до
6 .8.
66
Рис. 4.5. Зависимость нормативных значений угла внутреннего трения срн и модуля де­
формации Ен песчаных грунтов от условного динамического сопротивления Рд:
1 — ттгта v n v r m w Y и гпрттнрй w n v r m n c m ’ 9 — м рп к -и у Я — пыттрпяткту
Динамическую устойчивость песчаных грунтов,
насыщенных водой, определяют по табл. 4.5.
Таблица 4.5
Рд, кгс/см2
Вероятность разжижения песков
Среднее Минимальное
при динамических нагрузках
20
7
Большая вероятность разжижения
(пески рыхлого сложения, сцепление
практически отсутствует)
20-35
7-14
Разжижение возможно (пески рыхлые
или средней плотности со слабораз­
витым сцеплением)
35-50
14-20
Вероятность разжижения невелика
(пески средней плотности с развитым
сцеплением)
50
20
Разжижение песков практически не­
возможно (пески плотные и средней
плотности с хорошо развитым сцеп­
лением)
Примечание. Оценка разжижаемости песков производится по
средним значениям Рд. Учет минимальных значений Рд повы­
шает достоверность прогноза.
68
5.
РАДИОЛАКАЦИОННЫЙ
МЕТОД ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ
Для массовой и оперативной диагностики уча­
стков земляного полотна большой протяженности пер­
спективным является применение радиолокационного
метода. Этот метод до последнего времени применял­
ся в развитых зарубежных странах (США, Япония, Ка­
нада), где для его реализации была разработана слож­
ная радиоэлектронная аппаратура. Полученный опыт
показал, что радиолокационный метод характеризует­
ся большой разрешающей способностью, технологич­
ностью и высокими технико-экономическими показа­
телями. Это объясняется возможностью непрерывного
процесса измерений с движущегося транспортного
средства. Исследования по применению радиолокаци­
онного метода на эксплуатируемом земляном полотне
были начаты под руководством автора во ВНИИЖТе в
1989 г. Были разработаны методологические основы
метода с учетом специфических особенностей желез­
нодорожного пути, предложен передвижной измери­
тельный комплекс «Геодефектоскоп» и определены
сферы применения метода
5.7. Физические основы метода
Радиолокационный метод основан на изучении
параметров электромагнитных волн, которые образу­
ются в грунте с помощью высокочастотного генерато­
69
ра. Сигналы от генератора принимаются на поверхно­
сти после взаимодействия их с грунтовой средой. По
параметрам электромагнитных волн (скорость распро­
странения У и коэффициент поглощения а ) опре­
деляют геологические характеристики среды: наличие,
форму и глубину залегания отражающих границ, вид и
состояние грунтов в разрезе.
Наиболее широко используется такой параметр,
как скорость распространения электромагнитных волн
с
в грунте, которая равна: v ~
см/нс (5.1)
^отн
Здесь С - скорость света в вакууме, равная 30
см/нс; £отн- комплексная относительная диэлектриче­
ская проницаемость
где £ - диэлектрическая проницаемость исследуемои
среды; £0 - диэлектрическая проницаемость в вакуу­
ме.
Относительная диэлектрическая проницаемость
показывает, во сколько раз увеличивается емкость
конденсатора, если вместо воздуха в него поместить
данный грунт. Значения еотн зависят, в основном, от
количественного содержания воды и минерального со­
става грунта, и составляют для: воздуха - 1, воды - 80,
сухого песчаного грунта - 3, влажного песчаного
70
грунта - 25, влажного глинистого грунта - 15, скаль­
ного грунта(гранит, известняки, песчаник) - 5-8.
По степени поглощения электромагнитных волн
грунты можно разделить на три группы: слабопоглощающие - незасоленные грунты, пески, торф (а = 0,3 7,0 дб/м); сильнопоглощающие - глины и тяжелые
суглинки (а = 1 4 - 2 6 дб/м); промежуточные - по по­
глощению - легкие суглинки и супеси. Отсюда следу­
ет, что с увеличением поглощения электромагнитного
сигнала в грунте, глубина исследования радиолокаци­
онным методом изменяется от 25-30м для песчаных до
3-5м для глинистых грунтов.
При изучении характера распространения элек­
тромагнитных волн для случаев, когда длина волны
существенно меньше глубины до отражающих границ
(что характерно для практики), можно с известной
степенью приближения применять к переменному
электромагнитному полю законы геометрической оп­
тики. Тогда импульсный радиолокационный метод
можно рассматривать как электромагнитный аналог
сейсмического метода. Например для двухслойной
среды (балластный слой и грунт основной площадки)
регистрируется следующие типы волн (рис 5.1): 1 прямая волна (воздушная), распространяющаяся со
скоростью v , ; 2 - прямая волна (поверхностная) рас­
пространяющаяся со скоростью v 2 в верхней части
первого слоя; 3 - волна, отраженная от кровли толщи
грунта второго слоя, характеризующаяся скоростью
71
Передающая
Приёмная
v з и распространяющаяся по закону отражения гео­
метрической оптики в первом слое со скоростью v 2 ;
4 - головная волна, распространяющаяся в верхней
части второго слоя грунта со скоростью v 3 при усло­
вии, что v3 > v2 .
Глубина до границ слоев грунта в земляном
полотне определяется по формуле:
v,f,
h = ' 24 ,
(5.3)
2
где tj - время прихода отраженной волны, регистри­
руемое измерительной аппаратурой в виде временного
разреза земляного полотна по измеряемому профилю;
v, - скорость распространения волны, которая опре­
деляется по специальной методике.
Таким образом, радиолокационный метод фик­
сирует только конфигурацию отражающих электро­
магнитный сигнал границ грунтов без определения их
физико-механических свойств. Результатом радиоло­
кационных наблюдений является радарограмма, кото­
рая представляет собой непрерывный временной раз­
рез толщи грунтов вдоль профиля съемки.
5.2. Измерительные средства и технология работ
Эффективность применения радиолокационного
метода в значительной степени зависит от разрешаю­
щей способности измерительного прибора, который
называется георадаром. В последние годы разработа­
73
ны различные конструкции георадаров, которые осно­
ваны на двух разных принципах подачи радио- лока­
ционного сигнала: первый - импульсный с использо­
ванием коротких (доли микросекунды) зондирующих
сигналов, и второй - с непрерывным излучением с час­
тотной модуляцией. Среди конструкций георадаров
наиболее подходит для диагностики земляного полот­
на георадар «Зонд-12» (НПО «Радар», Рига, Латвия),
работающий по импульсной схеме (рис. 5.2). Его ос­
новные характеристики: диапазон частот, мГц - 25­
1000; диапазон измеряемых временных интервалов, не
- 50-500; скорость посылки сигналов, скан/ск - не ме­
нее 14; набор антенн с разным диапазоном частот, мГц
- 25-1000; напряжение питания компьютера и радара,
В - 12; масса радара не более , кг - 5. Штатный ком­
пьютер типа «NOTEBOOK» 486/487/66 Mhz/4 and
monitor /FDD/Mouse/
В зависимости от глубины исследования реко­
мендуется выбрать антенны, работающие в следую­
щих частотных диапазонах:
Пределы
глубин,м
Частота,
мГц
1
2,5
5
10-12
17-20
23-28
30-35
1000
900
500
300
150
75
25
Для диагностики основной площадки земляного
полотна с рельсового пути в 1991-1993 г.г. во ВНИИЖТе был разработан передвижной радиолокационный
74
Рис. 5.2. Принципиальная схема импульсного георадара
аппаратурно-измерительный комплекс «Геодефекто­
скоп» на специальной тележке (рис. 5.3). Испытания
«Геодефектоскопа» показали, что он обладает сле­
дующими достоинствами:
- обеспечивает диагностику земляного полотна по
протяжению пути со скоростями движения 3-5 км/ч;
- имеет общий вес комплекса, позволяющий си­
лами двух человек убрать его с пути;
- обладает широкой полосой пропускания в аппа­
ратурно-измерительном блоке, что позволяет обеспе­
чить глубинность исследования до 2-3 м, а при благо­
приятных инженерно-геологических условиях до 8-10 м;
- дает возможность производить измерения в
диапазоне температур от +40 до -30 °С;
- имеет на тележке электрически изолированные
колеса, позволяющие избежать замыкания рельсовых
цепей;
- размеры рельсовой тележки и смонтированной
на ней антенной системы не превышают габаритов
подвижного состава;
- комплекс оснащен датчиком оборотов колеса и
связанным с ним автономным блоком формирования
сигнала и нанесения его на радарограммы меток и рас­
стояний с определенным шагом и индикатором скоро­
сти движения при съёмке.
Работы с применением «Геодефектоскопа» про­
изводятся в «окно» или в промежутках между движе­
нием поездов. Требования по технике безопасности
аналогичны требованиям, которые предъявляются при
работе операторов с дефектоскопными тележками.
76
Рис. 5.3. Аппаратурно-измерительный комплекс «Геодефектоскоп:
георадар; 2 - устройство для установки и закрепления георадара; 3 - рельсовая тележ­
ка; 4 - антенны; 5 - аппаратура для многовариантного расположения антенн
При использовании радиолокационного метода
за пределами рельсошпальной решетки (обочины, от­
косы насыпи, вблизи основания земляного полотна)
применяют ручной вариант переносных антенн, а так­
же специально сконструированные транспортные
средства (рис 5.4 - рис 5.6) Стержневые антенны вы-полнены из диэлектрических держателей и металличе­
ских стержней длинной 2000 мм и 1000 мм. Достоин­
ством стержневых антенн является их малый вес и
простота конструкции, позволяющие использовать их
в составе ручного комплекса георадара. Плоские ан­
тенны используются специально для «Геодефектоско­
па» из диэлектрической подложки (фанера) и наклеен­
ных на нее диполей из медной фольги. В комплект
«Геодефектоскопа» входят три типоразмера плоских
антенн, длинной диполя 1000 мм, 500 мм, 250 мм.
Достоинство плоских антенн - направленный характер
их действия, при котором большая часть энергии сиг­
нала излучается в землю, что повышает уровень по­
лезных сигналов по сравнению со стержневыми ан­
теннами. Арматура для подвески антенн обеспечивает
различные их положения относительно рельсовых ни­
тей, шпал, друг друга и поверхности земли.
Радиолокационные наблюдения выполняются по
двум методикам: профилирования и наклонного зон­
дирования. Радиолокационное профилирование за­
ключается в измерениях при непрерывном перемеще­
нии вдоль данного профиля «Геодефектоскопа» с со­
хранением неизменного расстояния между приемной и
78
Рис. 5.4. Ручной способ перемещения двух антенн как единого целого
вместе с измерительным комплексом (а) и фрагмент временного разреза
на радиолокационном профиле (б)
Рис. 5.5. Транспортное средство в виде саней для перемещения
аппаратурно-измерительного комплекса по поверхности грунта:
1 - сани; 2 - георадар; 3 - одна из антенн
Рис. 5.6. Транспортное средство для перемещения по профилю только антенны
при неподвижной стоянке георадара (Япония)
передающей антеннами. Одновременно ведется реги­
страция поступающей информации, которая затем вы­
дается в виде визуализированного временного разреза
исследуемой грунтовой среды по трассе обследования.
Для преобразования временного разреза в разрез с ука­
занием значений глубины до отражающих границ, не­
обходимо знание значений скоростей волн в слоях ис­
следуемых грунтов, которые могут быть определены
при использовании в отдельных точках по длине про­
филя методики наклонного радиолокационного зонди­
рования. Для этого, при постоянном положении ан­
тенны-генератора, последовательно перемещается
вдоль профиля приемная антенна с шагом 0,5-1 м. По­
лученный в результате измерения график зависимости
между временами отражения сигналов от границ слоев
tj и расстоянием по профилю х; (годограф) позволяет
определить искомую скорость (v 2 в формуле 5.3).
Для разработки эффективной технологии при­
менения «Геодефектоскопа» с учетом особенности
конструкции железнодорожного пути, были проведе­
ны исследования на реальном земляном полотне с уст­
ройством в нем моделей отражающих границ в виде
металлических листов, расположенных на двух участ­
ках соответственно на глубинах 1 и 2 м от подошвы
шпалы. Работы с применением «Геодефектоскопа»
выполнялись по различным схемам измерений, отли­
чающимся расстоянием между антеннами, расположе­
нием антенн относительно рельсовых нитей, шпал, на­
правления профиля съемки и возвышения антенн над
поверхностью железнодорожного пути (рис. 5.7).
82
а) Профиль по оси пути (О-О1)
б) Профиль в подрельеовои.
сечении(П-ПТ
L» 0,75 *1,5
'
Схим I ( L«J; 3; 4,3 и
П
■
гм ш а
глпптп
в) Профиль по юнцам шпал
СКК)
ш
пи
№
ж
г) Профиль по обочине
(ОБ-ОБ’)
ОБ
Схема IV (1-2,4 м )
hl.1,1, 1,1,hi,|,1.1,1ОБ'
1ШПП
‘ml ШТ
Cxaua V ( L-0.9 м )
Р ис . 5.7. Схемы расположе­
O’ ния антенн при диагностике
urnra
земляного полотна с рель­
сового транспортного сред­
ства: А - антенны; L - рас­
стояние между антеннами
83
Анализ полученных данных показывает, что при
всех схемах измерений обеспечивается регистрация
отражений от поверхностей границ в земляном полот­
не. При этом рельсошпальная решетка не является
препятствием для регистрации отражений. Расположе­
ние антенн на земле и, случае необходимости на рас­
стоянии порядка 10 см от поверхности земли, позволя­
ет получить достаточно четкие отражения от границ
моделей в земляном полотне. Отсюда следует важный
практический вывод, что можно вести измерения бес­
контактным способом. Это позволяет устранять поме­
хи от колебаний антенны на неровностях поверхности,
существенно ускорять процесс измерений, а также ис­
следовать земляное полотно с транспортного средства
в различных сечениях в пределах рельсошпальной ре­
шетки, например, по оси пути, в подрельсовых сечени­
ях, под концами шпал. В среднем для всей совокупно­
сти технологических схем измерений относительная
погрешность составила 10%.
Были выявлены также некоторые особенности
работы «Геодефектоскопа» на эксплуатируемом пути,
которые состояли в следующем. Система расположения
антенн длинной стороной параллельно рельсовым ни­
тям обеспечивает получение более сильных полезных
сигналов, чем система расположения антенн в линию
вдоль пути. При измерениях на пути с железобетонны­
ми шпалами наблюдается экранирующий эффект от по­
следних. Поэтому используются схемы измерений с
расположением антенн за концом шпал. Для пути с де­
84
ревянными шпалами, возможно, применять любые
схемы измерений, поскольку деревянные шпалы про­
пускают электромагнитные волны без существенных
потерь. Полученные данные обрабатываются с исполь­
зованием
аппаратурно-программного
комплекса
«GEOPLUS», состоящего из аналого-цифрового преоб­
разователя (АЦП) и пакета прикладных программ.
5.3. Диагностические признаки радиолокационного
метода, решаемые задачи
Выполненные исследования и зарубежный опыт
показали, что наилучшим проводником для электро­
магнитных волн являются несвязные грунты, такие как
пески, гравийно-щебеночный балласт, легкие суглин­
ки, а также илы и торф. В глинистых грунтах происхо­
дит сильное затухание сигнала, что значительно сни­
жает глубину исследования. Однако поверхность гли­
нистых грунтов является хорошей (контрастной) от­
ражающей границей раздела различных сред, напри­
мер границы «торф-минеральное дно», или «балласт­
ный слой-поверхность основной площадки». Контра­
стность границ зависит также и от степени водонасыщенности грунта: чем больше водонасыщенность, тем
лучше выделяется граница на радарограмме.
Сформулированы диагностические признаки ра­
диолокационного метода, позволяющие при первич­
ной обработке радарограмм определять деформации
земляного полотна:
85
- локальное понижение фазовой линии свиде­
тельствует о наличии деформаций основной площадки
в виде балластных углублений;
- наличие разрывов или резкое уменьшение ам­
плитуд на фазовой линии (низкий коэффициент отра­
жения) связан с наличием в теле земляного полотна
ослабленных по прочности зон (рыхлого грунта);
- уменьшение скорости распространения элек­
тромагнитных волн является признаком увеличения
влажности грунта;
- резкое увеличение затухания электромагнит­
ной волны (уменьшение амплитуды колебаний) харак­
теризует полностью водо-насыщенные грунты или на­
личие уровня грунтовых вод (УГВ);
- с увеличением содержания глинистых частиц в
грунте значительно повышается затухание электро­
магнитной волны, которое отражается на радарограмме в виде резкого уменьшения интенсивности фазовых
линий отражающих границ;
Радиолокационный метод может применяться
для решения следующих задач:
- определения толщины и загрязненности балла­
стного слоя с выделением выплесков;
- установления конфигурации основной пло­
щадки земляного полотна, обнаружения балластных
корыт, лож, грязевых мешков и т.п.;
- определения мощности балластных шлейфов
на откосах насыпей, границ между слоями суглинка
различной консистенции, зон переувлажненных грун­
тов в верхней части земляного полотна;
86
- определения глубины залегания источников
увлажнения в земляном полотне и уровня грунтовых
вод в его основании;
- обнаружения и оконтуривания зон трещинова­
тости и карстовых полостей в основании железнодо­
рожного пути;
- определения мощности сезонного промерзания
и оттаивания рыхлых грунтов, оконтуривания участ­
ков вечномерзлых грунтов;
- определения глубины и конфигурации мине­
рального дна, отсыпанных из песчаного фунта насыпей
и контрбанкетов на участках распространения болот;
- обнаружения подземных коммуникаций, ста­
рых прорезей, зарытых труб и других предметов в
земляном полотне.
5.4. Примеры практичного применения
радиолокационного метода
5.4.1. Оценка состояния балластного слоя
и основной площадки
На главном пути с железобетонными шпалами в
пределах пассажирской платформы на протяжении 340 м
наблюдались многочисленные выплески балласта с по­
вышенной влажностью фунта протяженностью от 1 до
10 м. Целью применения радиолокационного метода бы­
ло определение глубины и конфигурации подземной час­
ти выплесков. При интерпретации результатов обследо­
87
вания было принято, что при проходе антенн «Геодефек­
тоскопа» над выплеском временной интервал между зон­
дирующим импульсом и суммой прямой волны по по­
верхности грунта и отраженной от подошвы выплеска
должен увеличиваться, поскольку скорость электромаг­
нитной волны в пределах выплеска снижается из-за по­
вышенной влажности среды. Анализ радарограмм пока­
зал, что скорость волны вне зоны выплеска составляет
у, = 9,1 см/нс. Время распространения пакета волн, со­
стоящего из прямой и отраженной волн в зоне выплеска,
составило 17 не. Отсюда скорость волны в выплеске
у2 = 5,9 см/нс. Разница скоростей вне выплеска и в выпле­
ске составляет 3,2см/нс или 35%. Следовательно умень­
шение скорости распространения электро магнитных
волн является отличительным диагностическим призна­
ком наличия балластного выплеска, а численное значение
этой скорости позволяет определить глубину его проник­
новения в подрельсовое основание пути.
На одном из участков Горьковской дороги, по дан­
ным инженерно-геологического обследования были об­
наружены деформации основной площадки в виде балла­
стных углублений, которые приводили к повышенным
просадкам путей. Измерения проводили по методике ра­
диолокационного профилирования с использованием
«Геодефектоскопа» с расположением антенн поперек
профиля съёмки. Результаты обработки данных на
ПЭВМ позволили получить радарограммы, на которых
четко прослеживаются разрывы сплошности отражаю­
щих границ (рис. 5.8). Такие аномальные зоны характер­
ны для деформирующейся основной площадки.
Sianals -
512
Points -
128
Рис. 5.8. Радиолокация основной площадки земляного полотна: фрагмент радарограммы
при профилировании «Геодефектоскопом» на участке пути с деформациями:
1 - разрывы в отражающей границе между балластным слоем и глинистым грунтом зем­
ляного полотна
5.4.2. Определение мощности балластного шлейфа
на откосе насыпи
На рис 5.9 показаны результаты радиолокации
откоса насыпи с помощью ручного комплекса стерж­
невых антенн, смонтированных на диэлектрическом
стержне, («коромысле») длиной 2м (см. рис. 5.4) Эту
антенную конструкцию укладывали на поверхность
откоса насыпи так, чтобы стержни антенны располага­
лись в линию и были ориентированы вдоль пути. Во
время измерений систему перемещали вверх по откосу
до бровки насыпи (линия A-В) при неподвижном по­
ложении георадара. На полученной радарограмме чет­
ко прослеживается наклонная отражающая граница зона контакта балластного шлейфа и глинистого грун­
та тела насыпи, что подтверждено бурением. Эта гра­
ница совпадает с поверхностью возможного смещения
откоса насыпи, о чем, в частности, свидетельствует
трещина отрыва, видимая на обочине.
5.4.3. Радиолокация основания земляного полотна
в сложных инженерно-геологических условиях
При применении радиолокационного метода на
закарстованных участках железных дорог отдельные
полости на радарограммах фиксируются в виде свое­
образных куполов (рис. 5.10).
90
ГЛУБИНА
Signals -
512
Points -
227
Рис. 5.9. Радиолокация откоса насыпи: фрагмент радарограммы с обозначением (1) гра­
ницы межпу балластным шлейфом и телом насыпи
*fOO
rail ' -• “ •■*'■''**' 1 ,|Х* ' f V( *u
-А *
, .- “ I * * -
'KЧ*
C ,V|, *i -Г. '#
< i.. « .w. i .«»
r - v . : .. »■•. v•**>*../,
'. k " ..■>.,'•• • Л
~ '|/
.<V*’’ '
W**1'!!1-1"
■«' ■ Jr\ I N..4 .■■■- .' |
£
l_
i
Рис. 5.10. Радиолокация участка с карстовыми явлениями: фрагмент радарограммы
с выделением карстовой полости (1) и зоны трещиноватости (2)
Хорошие результаты были получены при радио­
локационной диагностике насыпей на болотах. Так, на
одном из участков Северной дороги для повышения
устойчивости насыпи бал отсыпан контрбанкет из пес­
чаного грунта на протяжении 260 м. Необходимо было
определить глубину и конфигурацию подземной части
контрбанкета для оценки его недостаточности.
Наблюдение вели по методике радиолокационного
профилирования с использованием транспортного
средства, показанного на рис. 5.5. В отдельных точках
по длине профиля было выполнено наклонное радио­
локационное зондирование, чтобы определить скоро­
сти распространения волн в насыпных грунтах. На рис
5.11 приведен фрагмент глубинного разреза по профи­
лю, на котором выделены две границы. Сопоставление
в контрольных точках А и В глубин, определенных
радиолокационным методом с данными электроконтактного динамического зондирования (ЭДЗ), позво­
лило идентифицировать первую (1) отражающую гра­
ницу с подошвой песчаного контрбанкета, а вторую
(2) отражающую границу с поверхностью минерально­
го дна болота. Находящийся между этими границами
слой торфа по-видимому, спрессован под действием
песчаной массы.
Ещё один наглядный пример радиолокации на­
сыпи на болоте приведен на рис 5.12.
93
ч4с^
Рис. 5.11. Радиолокация и электроконтактное динамическое зондирование (ЭДЗ) участка
на болоте: определение глубины и конфигурации отсыпанного контрбанкета насыпи
Г Л У Б И Н ft
£ » i e mm m
i и у .ц » и i w
■ ч ш и и м ч у д - п " ■■
■ ■ ■—
R
R
' <\
**к ■
^ ’Nv>w J
- . * 4.
/|( 1/
V *• 1 i t
Гш
цЧ
VO
»4 •
*
’-Vr$ •
^. »
/ v^i 'яI К , •‘ * 4 ' ’ V.
•
r
.' » * • s V
V.W
. " ^ ' ij v 7*
- ч - ; “•"•
ч"*%
, * /f ч п.
V»i
*V
.* и
•9 1 %
* Ч»
/■•; ч /• V>
, А* в' *' •
. S'*
S ig n a ls -
512
P o in ts -
256
ФАЙЛ ДАННЫХ Р/Л ЗОНДИРОВАНИЯ
Р н с . 5.12. Радиолокация насыпи на болоте: определение глубины
до минерального дна (1)
I
•■
*i
6. СЕЙСМИЧЕСКИЙ МЕТОД
ДИАГНОСТИКИ
6.1. Теоретические и физические основы
сейсмического метода
Применение сейсмического метода для диагно­
стики земляного полотна основано на изучении полей
упругих волн, распространяющихся в грунтовом мас­
сиве под воздействием ударной нагрузки. В однород­
ной изотропной идеально упругой среде возникают
два типа объёмных волн - продольные Р и поперечные
S. Продольные волны (волны сжатия) связаны со сме­
щением частиц среды по направлению их распростра­
нения, т.е. вдоль луча. У поперечных или сдвиговых
волн смещения частиц среды происходят в плоскости,
нормальной к лучу. Следовательно, распространение
продольных волн связано с изменением элементарных
объемов среды, а поперечных - с изменением её фор­
мы.
Продольные волны распространяются значи­
тельно быстрее поперечных. Отношение скоростей
распространения продольных и поперечных волн:
(6 .1)
где ц - коэффициент Пуассона для материала среды.
96
Кроме продольных и поперечных волн, известны
так называемые поверхностные волны, связанные со
свободной поверхностью грунтового массива. У по­
верхностных волн релеевского типа R, которые чаще
всего используются для решения инженерных задач,
скорость составляет примерно 0,9 значения скорости
распространения поперечных волн us, а частицы среды
при прохождении волны движутся по траекториям,
близким к эллиптическим. Амплитуда смещения у рылеевской волны достигает максимума на некоторой
небольшой глубине от свободной поверхности, далее
уменьшается в глубину по экспоненциальному закону.
Этим и объясняется тот факт, что волны такого типа
могут быть зарегистрированы лишь на свободной по­
верхности.
При распространении сейсмических волн сме­
щения и напряжения столь невелики, что практически
все грунты, даже пески и глины, ведут себя как упру­
гие тела, к которым применимы законы линейной тео­
рии упругости.
При сейсмической диагностике земляного полот­
на используются различные способы возбуждения упру­
гих волн (рис.6.1). Рассмотрим колебания какой-либо
частицы М, удаленной на некоторое расстояние х от
точки воздействия импульсной силы. До прихода фрон­
та волны частица М находится в состоянии покоя. В мо­
мент времени t\, определяемой из условия t\=x:/х> (где и скорость распространения волны), частица придет в
движение (рис.6.2). Ограничиваясь рассмотрением
97
Рис. 6.1. Способы возбуждения упругих волн в насыпях:
1 - поверхность грунта; 2 - молот; 3 - металлический тампер;
4 - падающий груз по штанге 5 на металлическую подставку 6;
7 - изображение распространения волн
Рис. 6.2. Зависимость
колебаний частиц грунтовой
среды от воздействия
импульсного источника
возбуждения (типа удара)
98
только одной из трех составляющих колебаний (на­
пример, вертикальной), можно графически изобразить
движение частицы М в виде кривой. Для этого по вер­
тикальной оси отложим отклонение U частицы М от
положения равновесия в вертикальном направлении, а
по горизонтальной оси - время t. К параметрам, кото­
рые характеризуют упругую волну, возникающую от
импульсного возбуждения (типа удара), относятся:
- время */, когда отмечается первое отклонение
частицы М от положения равновесия (момент вступ­
ления волны);
- амплитуды колебаний а/, а2, а3 в моменты вре­
мени соответственно th t2, U, когда наблюдаются наи­
большие отклонения частицы М от положения равно­
весия;
- период колебаний Т, с, и, соответственно, час­
тота колебаний, Гц,
/ = 1/Т',
(6.2)
- длина волны Я, связанная с периодом и часто­
той соотношением
X = v T = v /f;
(6.3)
- затухание волны по длине профиля (уменьше­
ние амплитуды ai) в течение времени tt или на участке
ее пути длиной в одну волну X.
Распространение сейсмических волн в грунто­
вом массиве происходит по законам геометрической
оптики, т.е. на границах раздела и неоднородностей
волны могут отражаться, преломляться и рассеиваться
подобно тому, как это происходит со световыми ВОЛ­
99
нами на поверхностях раздела сред с различной опти­
ческой плотностью.
В реальном грунтовом' массиве под воздействи­
ем импульсного источника возбу- ждения возникает
более сложная волновая картина, которая рассматри­
вается в специальной литературе.
Физической предпосылкой применения сейсми­
ческого метода для диагностики земляного полотна
является наличие в нем границ, связанных со сменой
физических свойств грунтов, обусловленных измене­
нием литологии и состояния грунта - его напряженно­
го состояния, степени трещиноватости, неоднородно­
сти и т.п. Эффективность применения сейсмического
метода для изучения внутреннего строения земляного
полотна зависит от того, насколько четко выражена
преломляющая граница между слоями грунта (т.е.
сильная или слабая граница).
Сильными преломляющими границами являют­
ся границы между грунтами с различным типом струк­
турных связей, а также между грунтами, находящими­
ся в различных состояниях (неводонасыщенном, водо­
насыщенном и мерзлом). Выделение и прослеживание
этих границ с помощью сейсмического метода не вы­
зывает затруднений.
В грунтах, различных по составу, но обладаю­
щих одинаковым или сходным типом структурных
связей и находящихся в одном и том же состоянии,
наблюдаются участки перекрытия значений скоростей
продольных vp и поперечных us волн, и границы в та­
100
ких грунтах чаще относятся к слабым преломляющим
границам. Однако, в реальных условиях возрастанию
скоростей на литологических границах способствует
ряд факторов, например, увеличение напряжений и
прочности структурных связей.
Внутреннее строение эксплуатируемого земля­
ного полотна может быть представлено в виде сейсми­
ческих моделей, в которых отдельные слои грунта или
их группа заменяются каким-либо сейсмическим па­
раметром, например, скоростью продольных волн Dp.
Все их разновидности предлагается свести к двум
обобщенным сейсмическим моделям.
Первая сейсмическая модель является наиболее
простой и широко распространенной при исследова­
ниях в инженерной геологии, когда скорости упругих
волн ир увеличиваются (постепенно или скачкообраз­
но) с глубиной исследования h\ (при мощности от­
дельных слоев hi, h2, h3, ..., Л(),т.е.
VpI<Vp2<Vp3...<X>pi,
(6.4)
Основную информацию о строении земляного
полотна в этом случае можно получить с использова­
нием сейсмического метода пре- ломленных волн
(МПВ).
В земляном полотне при его длительной экс­
плуатации возникают различные повреждения, ослаб­
ленные по прочности зоны грунта и другие неодно­
родности. В таких случаях может на- блюдаться дру­
гое сочетание скоростей упругих волн для различных
слоев грунта, и земляное полотно представляется в ви­
101
де второй сейсмической модели. Например, в верхней
части литологического разреза встречаются слои грун­
та с высокой скоростью волн (upi > ирД которые соз­
дают своеобразный «сейсмический экран» для про­
никновения упругих волн вглубь массива. Наблюдает­
ся инверсия скорости волн с глубиной, т. е. залегание
слоев с пониженной скоростью распространения волн
среди высокоскоростных. При такой сейсмической
модели земляного полотна использовать преломлен­
ные волны трудно или даже невозможно.
Для земляного полотна, которое может быть
представлено в виде первой сейсмической модели,
применимы все методики исследования, и в первую
очередь, методика сейсмического профилирования
(рис.6.3). Для насыпей, которые по своему внутренне­
му строению ближе ко второй сейсмической модели,
целесообразно использовать методику сейсмического
просвечивания (рис.6.4).
6.2. Сейсмическая аппаратура и методика
продольного сейсмического профилирования
Для измерения упругих волн применяется аппара­
тура, измерительный канал которой состоит из сейсмо­
приемника, усилителя сигнала и регистратора записи.
Сейсмоприемник (СП) служит для приема и преобразо­
вания механических колебаний грунта в электрический
сигнал. Этот сигнал усиливается в усилителе записи
(УЗ), который в случае необходимости осуществляет
102
Рис. 6.3. Схема наблюдений по методике продольного
сейсмического профилирования
Рис. 6.4. Схема наблюдений по методике сейсмического
просвечивания: ПВ-1 - ПВ-5 - пункты возбуждения упругих
волн; 1-12 - пункты приема волн
103
фильтрацию мешающих колебаний за счет использова­
ния различия в частотном составе полезных волн и по­
мех. Изменение электрического сигнала во времени за­
писывают на регистраторе записи (РЗ), который позво­
ляет преобразовывать электрические сигналы в форму,
пригодную для их фиксации на носителе записи. Носи­
телем записи может быть светочувствительная бумага,
магнитная пленка и т.п.
Сейсмическая аппаратура при диагностике зем­
ляного полотна должна удовлетворять основным тре­
бованиям:
иметь многоканальную запись на сейсмограмме,
дающую возможность проводить корреляцию (выде­
ление) волн;
иметь разрешающую способность, позволяю­
щую находить и прослеживать различные волны на
сейсмограмме;
значительно усиливать сигналы от сейсмопри­
емников;
позволять одновременно вести запись сигналов в
видимой, аналоговой и электронной форме;
быть портативной, надежной в эксплуатации.
На разных этапах многолетних исследований
лаборатория земляного полотна ВНИИЖТа использо­
вала следующую отечествен- ную сейсмическую ап­
паратуру: Поиск-1-6/12-АСМ-ОВ на автомашине УАЗ469Б; СМОВ-О-24 на автомашине ГАЗ-66; портатив­
ную переносную сейсмостанцию Талгар-3. При ис­
пользовании этой аппаратуры показания сейсмопри­
104
емников регистрировались в аналоговой форме на фо­
тобумаге, магнитной ленте с воспроизведением на
обычной и электроэрозионной бумаге. Пример осцил­
лограммы, полученной с помощью аппаратуры Поиск1-6/12-АСМ-ОВ, показан на рис.6.5,а. Сейсмические
данные обрабатывают ручным способом в следующей
последовательности: выделяют на сейсмограмме от­
дельные типы волн и определяют время их распро­
странения ti, строят графики зависимости времени tj от
расстояния Xi по длине профиля измерений /,(дс,-) (годо­
графы - см. рис.6.5,б); рассчитывают по годографам
скорости волн ui; определяют границы между слоями
грунта hh отличающиеся между собой скоростями
волн Di; строят на основе указанных параметров геосейсмические разрезы земляного полотна. Далее сле­
дует наиболее сложный этап инженерно­
геологическое истолкование сейсмической информа­
ции с использованием разработанных диагностических
признаков и данных, полученных от контрольных
(опорных) скважин.
Опыт применения сейсмического метода для
решения различных инженерно-геологических задач
показывает, что ручной способ обработки исходной
информации весьма трудоемок. Для повышения эф­
фективности диагностики земляного полотна была
разработана автоматизированная система получения и
обработки сейсмической информации на основе ком­
пьютеризированной аппаратуры Диоген-24/10 и пакета
прикладных программ для ПЭВМ.
105
O 'O f
-
О'О г . О,O f
0,04
O fiS
0,06
0,07
0 ,0 t
Ц 09С
•~X,n
Рис. 6.5. Примеры осциллограммы (а) и годографа (б),
полученных при наблюдениях на насыпи по методике
продольного сейсмического профилирования
106
Аппаратура Диоген-24/10 представляет собой
портативную инженерную сейсмостанцию нового по­
коления, разработанную специалистами НТК «Дио­
ген» под руководством Б.А. Корнилова (г. Москва).
Эта аппаратура получает сигналы одновременно от 24
сейсмоприемников, установленных на поверхности
земляного полотна. При этом регистрируются и нака­
пливаются достаточно слабые полезные сигналы, за­
тем они суммируются в электронной памяти аппарату­
ры. Этот принцип позволяет использовать маломощ­
ные источники возбуждения упругих волн (что весьма
важно для земляного полотна) и значительно увеличи­
вать глубину исследования. Накопление сигналов кон­
тролируют на экране телевизионного монитора после
однократного удара или серии ударов (возбуждений)
упругих волн.
Структурная схема сейсмической аппаратуры
Диоген-24/10 приведена на рис.6.6. Сигналы от сейс­
моприемников, установленных на поверхности земля­
ного полотна, поступают на вход основного аналого­
цифрового блока, где они усиливаются, фильтруются и
оцифровываются. Затем оцифрованные сигналы по­
ступают в бортовую ЭВМ, преобразуются в авторежи­
ме «Графика» и отображаются на экране монитора в
виде сейсмических волн. Бортовая ЭВМ дает возмож­
ность проводить на экране монитора фазовую корре­
ляцию различных типов волн с автоматическим отсче­
том времени их распространения и последующей за­
писью численных значений в табличной форме.
107
Рис. 6.6. Структурная схема сейсмической аппаратуры «Диоген-24/10»
Отображенная на экране волновая картина в виде
сейсмограммы для всех 24 измерительных каналов по­
сле просмотра и оценки ее качества, распечатывается
на принтере (рис. 6.7).
В состав автоматизированной системы, как было
отмечено выше, входит пакет прикладных программ,
позволяющих строить годографы, определять скоро­
сти распространения упругих волн, выявлять границы
между слоями грунта, графически изображать геосейсмические разрезы земляного полотна. Такая обра­
ботка возможна с помощью программы «Godograf»,
разработанной на геологическом факультете МГУ им.
М.В. Ломоносова и программы «Examin-1», созданной
в лаборатории земляного полотна ВНИИЖТа в 1993 г.
Пример геосейсмического разреза насыпи приведен на
рис. 6.8. Автоматизированная система измерений и
обработки данных продольного сейсмического профи­
лирования позволяет в 3-5 раз быстрее получить ре­
зультаты, чем при аналоговой аппаратуре и ручном
способе обработки с практически одинаковой точно­
стью для этих двух способов.
Применение продольного сейсмического профи­
лирования на железнодорожном земляном полотне
имеет ряд особенностей:
объект диагностирования - искусственное со
оружение из грунта, имеющее определенную конфигура­
цию, геометрические размеры (насыпь, выемка) и внут­
реннее строение, сложившееся в результате длительной
эксплуатации пути под многократным воздействием по­
ездной нагрузки и погодно-климатических факторов;
109
Рис. 6.7. Фрагмент сейсмограммы с подсветкой положительных фаз колебаний, получен­
ных аппаратурой «Диоген-24/10»
П1
GHZZS1 — Пе с о к .
I,/.-.-/'.I — Сы п е с ь .
W > H — Саглинак.
У / 7 3 — Смглинок (я д р о нисыпи).
— Г вии т п сн овяи и* нлсы пи.
"У —
Сей
см ический
профиль
ва п л ь оси п у т и .
К о л о н к а (Ф РАГМ ЕН Т)ГЕП СЕЙ СМ И Ч ССКО ГО РДЗРЕЗД ,
П О С Т Р О Е Н Н О Г О Нй П Э В М .
Рис. 6.8. Пример построения геосейсмического разреза с использованием автоматизиро­
ванной системы обработки
- малые глубины исследования (от десятков сан­
тиметров до 15-20 м) и небольшая мощность изучае­
мых слоев грунта;
- необходимость вести сейсмические наблюде­
ния в пределах рельсошпальной решетки (наличие
рельсов, шпал, щебеночного материала балластной
призмы мешает установке сейсмоприемников и созда­
ет помехи в работе аппаратуры), а также на крутых от­
косах насыпей и выемок;
- сложные очертания границ между слоями
грунтов в длительно эксплуатируемых насыпях в виде
балластных углублений на основной площадке, а так­
же шлейфов на откосах;
- наличие помех, связанных с переменными то­
ками сигнализации, протекающими в рельсовых це­
пях, высокочастотной рельсовой волной и вибрациями
от проходящих поездов.
При продольном сейсмическом профилировании
пункты возбуждения волн (ПВ) и сейсмоприемники
(СП) располагаются на одной прямой линии - сейсми­
ческом профиле (см. рис. 6.3). Его длину выбирают в
зависимости от глубины исследования и грунтовых
условий. Например, при изучении глубин 10-15 м дли­
на профиля составляет 40-60 м при расстоянии между
СП-0,5-2 м. При детальном исследовании неустойчи­
вых участков земляного полотна применяют систему
непрерывного сейсмического профилирования, что
достигается перенесением ПВ на место стоянки по­
следнего СП (рис. 6.9). Эта система обеспечивает не112
Профиль I
глубина п.,
ПВ3 -flBj,
Глубина 1ч>К,
nB,4lBs
Глубина h.j>h.fc
ПВГ ПВХ
Протиль I
Гл«6ИИА h.|
nBj~ ПВ*
Глубина К ,> 1ц
ПВ/-ПВ4
Глубина К , > Ь г
Рис. 6.9. Система непрерывного продольного сейсмического профилирования
на неустойчивых участках земляного полотна
прерывность прослеживания сейсмогеологических
границ, уменьшая тем самым вероятность пропуска
ненадежных участков земляного полотна.
6.3. Методика сейсмического просвечивания
Методика сейсмического просвечивания впер­
вые была предложена автором во ВНИИЖТе [17] для
диагностики железнодорожных насыпей, в которых
после длительной эксплуатации может быть любое со­
четание слоев грунта с различными физико­
механическими характеристиками (вторая сейсмиче­
ская модель). Эта методика теоретически и экспери­
ментально обоснована, ее эффективность проверена на
ряде насыпей Юго-Западной, Прибалтийской и других
дорог.
Принципиальное отличие методики сейсмиче­
ского просвечивания от рассмотренной методики про­
дольного сейсмического про-филирования состоит в
следующем. При сейсмическом просвечивании источ­
ники возбуждения волн (удар молотом, тампером, эта­
лонным устройством) находятся на одном из откосов,
а регистрация волн, проходящих через насыпь, осуще­
ствляется сейсмоприемниками на другом откосе насы­
пи. Это позволяет проследить изменение параметров
упругих волн в зависимости от направления лучей и
различного объема исследуемых грунтов (см. рис. 6.4).
Такая схема получила наименование схемы наблюде­
ний на наклонных лучах.
114
Все работы по сейсмическому просвечиванию
при необходимости могут проводиться вне основной
площадки (только на откосах насыпи), что имеет
большое значение для соблюдения безопасности дви­
жения поездов и работающего технического персона­
ла, особенно для линий с высокой грузонапряженно­
стью. Кроме того, методика сейсмического просве­
чивания незаменима на небольших по протяжению
участках насыпи, на подходах к мостам, крутых кри­
вых, когда затруднительно располагать СП и пункты
возбуждения (ПВ) колебаний вдоль пути (как это при­
нято по методике продольного сейсмического профи­
лирования).
Интерпретация данных сейсмического просве­
чивания проводится по времени первых вступлений
проходящих волн в различных сечениях насыпи. Об­
работка заключается в расчете для каждого ПВ век­
торных диаграмм скорости волн (называемых инди­
катрисами), исходя из предположения о прямолиней­
ном распространении регистрируемой волны от ис­
точника (ПВ) до приемника (СП).
В случае однородной пространственной среды
векторы скорости упругих волн в разных направлени­
ях одинаковы, и индикатриса имеет круговую форму.
Закономерные изменения векторов скоростей ui в за­
висимости от направления могут быть вызваны упру­
гой анизотропией, связанной с упорядоченной гетеро­
генностью среды (под которой понимается среда с ма­
лыми неоднородностями структурного характера, а
115
также мелкой слоистостью, ориентированной трещи­
новатостью и т. п.). Резкие локальные уменьшения
(или увеличения) т для определенных направлений
указывают на наличие зон с пониженной (или повы­
шенной) скоростью (зоны грунта с ослабленной проч­
ностью, водонасыщенные линзы, трещиноватые зоны
и т. п.).
При обработке результатов сейсмического про­
свечивания насыпей одновременно со скоростями рас­
пространения упругих волн изучаются также ампли­
тудно-частотные характе-ристики, такие как амплиту­
ды и периоды (частоты) первых вступлений волн, мак­
симальная амплитуда и соответствующая ей частота,
продолжительность волнового процесса и т. п.
Для разработки методики обработки данных
сейсмического просвечивания были проведены ульт­
развуковое моделирование для установления зависи­
мостей между заданными повреждениями в моделях
насыпей и параметрами волн[27]. Первая модель пред­
ставляла из себя однородную среду без каких - либо
повреждений и была принята в качестве эталона; вто­
рая модель имела трещину в рабочей зоне, которая
часто образовывается в длительно эксплуатируемых
насыпях из глинистых грунтов; в третьей модели была
образована трещина, близкая к вероятной поверхности
обрушения откоса насыпи; в четвертой модели имити­
ровали ослабленный по прочности откос насыпи. Было
установлено, что при наличии повреждений в модели
насыпи в виде трещин, ослабленных зон и т. п. наблюпб
дается заметное увеличение времени прихода волн, и
соответственно уменьшение скоростей волн Dp в зонах
повреждений. В этих зонах происходит также значи­
тельное уменьшение амплитуд волн Л,.
Данные моделирования нашли подтверждение
при диагностике длительно эксплуатируемой насыпи
на Прибалтийской дороге. Насыпь протяжением 250 м
и высотой до 16 м сложена из легких суглинков с от­
дельными включениями и линзами супесей, на кото­
рой рассматривались три характерных участка (рис.
6.10, а). Участок I имел балластный слой в пределах
основной площадки и шлейфы на откосах мощностью
до 4 м и трещину на обочине шириной от 3 до 10 см.
На участке II, кроме мощного балластного слоя, как на
участке I, в теле насыпи образовался большой балла­
стный мешок. Участок III имел небольшой балластный
шлейф под рельсошпальной решеткой (1,5-2 м) и бал­
ластные шлейфы, выклинивающиеся к основанию на­
сыпи.
В результате обработки экспериментальных дан­
ных было получено, что параметры упругих волн на
участках I, II, III заметно отличаются друг от друга.
Сравнение годографов по первым вступлениям волн
при пункте возбуждения ПВ-1 по оси пути на различ­
ных участках насыпи оказывает, что небольшой бал­
ластный слой (участок III) характеризуется пологим
относительно горизонтальной оси графиком t(Li) (рис.
6.10, б). Для участка I, где в верхней части насыпи ра­
нее наблюдались местные сплывы откосов и трещины
117
ъ>
ПВ-Uocb пут и)
t,c
0,06
OflH
/\
vj
/м
lrl Л ж
Dfi2 х/ /
8
О
г) Ani
16
L,m
12 II
\
MM
П В -2 ( 4 =2,8 м )
\
\
I
\
20
V ,m /c
" V
т
ч
“* Х
У
\
1
\
10
v
V
_
0
........
.4
.
8
---------------------- ---------~ X ----------- -
12
16
Lf.H
'
Рис. 6.10. Сейсмическое просвечивание эксплуатируемой
насыпи: а - схема измерений (участки I, П, Ш); б - годографы
сейсмических волн; в - индикатрисы скоростей волн;
г - приведенные амплитуды волн
118
в пределах обочин, характерна крутая ветвь годографа
(на расстоянии Li=l+8 м), которая становится затем
более пологой, когда на время прихода волн к сейсмо­
приемнику оказывает влияние балластный материал
мощного шлейфа. При наличии балластного мешка в
теле насыпи на участке II был получен самый крутой
годограф от середины откоса насыпи и ниже. Следова­
тельно, по изменению крутизны годографа определя­
ется переход от одного вида грунта к другому: для
рассматриваемых условий от участков насыпи с не­
большим балластным слоем (устойчивый участок III),
к участкам I и II, где возможность деформаций насыпи
более вероятна.
При перемещении пунктов возбуждения колеба­
ний от ПВ-1 (ось пути) к бровке и далее по откосу к
ПВ-2 (расстояние от оси пути у =2,8 м), ПВ-3 (у= 5,8
м), ГТВ-4 (у=8,8 м,) при той же схеме установки сейс­
моприемников вдоль противоположного откоса на
скорость распространения упругих волн оказывают
влияние грунты более глубоких слоев земляного по­
лотна (рис. 6.10, в). При небольшом балластном
шлейфе (участок III) скорости упругих волн в верхней
части откоса составляли пр = 355-Н70 м/с. При распроетра-нении волнового фронта в глинистых грунтах на­
сыпи скорости волн возрастали до г>р = 560^-620 м/с.
С увеличением мощности балластного шлейфа
(участок I) значения скоростей уменьшались на 35-40
% по сравнению с участком III. Наименьшие значения
индикатрис скоростей отмечены при наличии в насы­
119
пи мешка, заполненного балластным материалом (уча­
сток II). Наиболее четко балластный мешок выделяет­
ся методом сейсмического просвечивания на рассмат­
риваемой насыпи при расположении пункта возбуж­
дения колебаний на расстоянии^ = 5,8 м от оси колеи
(ПВ-3). В этом случае наблюдались самые низкие зна­
чения индикатрис скоростей (рис.6.10, в). Это связано
с тем, что упругая волна, приходящая в первых вступ­
лениях ко всем сейсмоприемникам, формируется в ос­
новном в грунте, из которого состоит откос насыпи и
балластный мешок.
Как было показано на моделях насыпей, при
распространении упругой волны в однородной среде
величина амплитуды упругих волн уменьшается с уве­
личением расстояния. Если, например, на пути рас­
пространения волны встречаются трещины или какиелибо неоднородности, то характер изменения этих ам­
плитуд существенно меняется. Из анализа значений
амплитуд упругих волн, полученных в натуре на по­
верхности откосов эксплуатируемой насыпи на участ­
ках I, II, III, следует, что откос со сравнительно не­
большим балластным шлейфом (III) имеет наимень­
шие амплитуды; с удалением по длине откоса от ис­
точника возбуждения колебаний интенсивность этой
волны плавно убывает (кривая III на рис. 6.10, г). Уве­
личение мощности балластных шлейфов приводит к
возрастанию амплитуд колебаний при определении их
на сопоставимом расстоянии Li = 0 4 м от бровки на­
сыпи (кривая II). Наличие балластного мешка в теле
120
насыпи увеличивает примерно в 2 раза амплитуды
волн, зарегистрированных сейсмоприемниками на по­
верхности насыпи над этим мешком (кривая II при Li 6-^10 м) и нарушает плавность изменения величин ам­
плитуд по длине откоса насыпи. Образование трещины
на обочине насыпи привело к уменьшению амплитуд
продольной волны на длине откоса от L0 =0 до Li = 4 м
(кривая I на рис. 6.10, г) в 2 - 3 раза по сравнению с
участком насыпи, где такая трещина отсутствует. Ни­
же по откосу насыпи (при Li> 12 м) амплитуды волн
на сопоставимых участках II и III близки друг к другу.
В последние годы для обработки данных сейс­
мического просвечивания разработан комплект про­
грамм, реализованных на РС-486/487 такая компью­
терная методика, позволяющая получить детальный
срез исследуемой насыпи, получила название сейсмо­
томографии (А.Ф. Ким и др.). Она опирается на мно­
гократное прослеживание сейсмоприемниками (СП) на
поверхности одного откоса насыпи совокупности раз­
личных типов волн, возникающих от пунктов возбуж­
дения ПВ на другом откосе. Сейсмотомографические
разрезы строят по параметрам продольных Dp и попе­
речных волн u s , а также их отношений us /ир.
Пример сейсмотомографического разреза насы­
пи приведен на рис. 6.11. Методика сейсмотомографии
может быть использована для предварительного оцен­
ки эксплуатационного состояния железнодорожных
насыпей.
121
1 3 1
■■
1 2 7
--
м го с-\
| е-5о- -• '
0*59- \ G
ГГ-15ДО--Г
—|* с о -} 5
I 135 0- 13
I3S5 -Ч, 2
Уа;?1 о--1
М 730-^
CZ3 1* *-S
I1-*о- Ч, I
I•» О - -■
О
Ю .
2 0 .
OJ го
1 - щебень
- песчано-гравийный балласт, пес^к или супесь
- супесь
4 - гравийный балласт с суглинистым заполнителем
5 - суглинок пластичный
6 - суглинок текучепластичны и
Lftti
7 суглинок текучий
8 - дресва
9 - глинистые сланцы
10 - сухие гругты
11 - грунты влажные, пластичные
12 - грунты текучепластичные
13 - грунты текучей консистенции
Рис. 6.11. Сейсмотомографический разрез насыпи по скоростям продольных волн Vp. За­
байкальская дорога
6.4. Классификация диагностических признаков
сейсмического метода
Сформулированы диагностические признаки
сейсмического метода, которые сводятся к следующе­
му:
Изменение положения преломляющих сейсми­
ческих границ и размеров повреждений основной
площадки и откосов насыпи свидетельствует об осадке
грунта или смещении отдельных слоев грунта в насы­
пи.
Уменьшение абсолютных значений скоростей
распространения упругих волн \>р в грунтах насыпи,
изменение г>р по площади откоса насыпи является при­
знаком образования дефектов в структуре грунта, по­
явления ослабленных по прочности зон или откосов в
целом, что при неблагоприятных климатических или
эксплуатационных условиях может стать причиной
нарушения устойчивости насыпей.
Возрастание амплитуд волнового процесса, уве­
личение его продолжительности во времени от норми­
рованного (эталонного) ударного источника возбуж­
дения волн, смещение амплитудно-частотного спектра
волн в область меньших частот связано с увеличением
мощности балластных шлейфов и их рыхлым состоя­
нием и, следовательно, неустойчивостью откосов на­
сыпей.
Нарушение плавности затухания амплитуд уп­
ругих волн от источника возбуждения колебаний,
123
уменьшение или увеличение их амплитуд или частот
свидетельствуют о наличии в земляном полотне на пу­
ти распространения волн, отличающихся по своим фи­
зико-механическим свойствам от окружающего грун­
та, неодно-родностей в виде балластных углублений
(мешков, гнезд и т. п.), трещин и других повреждений.
Наиболее низкие скорости упругих волн имеют
место у грунтов, которые не обладают структурной
связью или у которых связи между частицами грунта
слабы. При увеличении плотности р и сцепления грун­
та с скорости продольных волн up возрастают. Напри­
мер, при наименьших плотностях покровного суглинка
(pmin = 1.3 г/см3) и гу му сированного суглинка (pmin =
1.1г/см3) соответствующие скорости продольных волн
(up = 300-К350 м/с и up = 2СХК250 м/с) минимальны.
Для тугопластичных грунтов характерны более высо­
кие скорости продольных волн при плотности ртах 1.7 г/см3 для пылеватого покровного суглинка up =
750м/с, для гумулированного суглинка up = 450м/с.
Резко повышенные скорости распространения
продольных волн up при практически неизменных
скоростях поперечных волн us, более высокие частоты
колебаний / характеризуют водо-насыщенные грунты
в теле насыпей или свидетельствуют о наличии грун­
товых вод в их основании.
Сейсмические диагностические признаки поновому характеризуют состояние земляного полотна, и
являются не менее важными, чем инженерно - геоло­
гические показатели, определяемыми стандартными
124
методами. Параметры упругих волн (скорости распро­
странения, амплитуды волн, амплитудно-скоростные
спектры, продолжительность волнового процесса и
характер его затухания и др.) являются такими же объ­
ективными показателями состояния грунта, как, на­
пример, плотность, влажность, сцепление, угол внут­
реннего трения и др. Например, линейные корреляци­
онные зависимости между показателем прочности
грунта Рд и скоростью продольных волн г)р. Эти зави­
симости дают возможность перейти от сейсмических
данных к показателям прочности грунта, оценить
сравнительную устойчивость различных участков на­
сыпи, выделить ослабленные по прочности зоны грун­
та. Сейсмический метод позволяет определять в осно­
вании насыпей из скальных пород зоны трещиновато­
сти и границы их распространения, что практически
невозможно при традиционном бурении ручным спо­
собом. Эти исследования проводятся без нарушения
целостности земляного полотна, не требуют предос­
тавления «окон» или снижения скоростей движения
поездов.
6.5. Сейсмодиагностика высокой деформирующейся
насыпи
Насыпь длиной 300 м и максимальной высотой
до 20 м расположена на одном из участков Прибал­
тийской дороги. Сразу же после сооружения насыпи и
сдачи ее в эксплуатацию в 1931-1932 гг. наблюдались
125
интенсивные просадки пути и частные сплывы отко­
сов. Суммарная величина просадок за безморозный
период составляла до 30 мм, а величина сдвижки - до
10-15 мм. Деформации насыпи были связаны, прежде
всего, с переувлажнением фунта тела насыпи. В ре­
зультате этого в процессе эксплуатации пути сполз­
шиеся в отдельных местах суглинистые грунты откоса
насыпи были заменены песком. Внутри насыпи обра­
зовались многочисленные замкнутые углубления в ви­
де балластных лож. Наибольшей глубины (до 4,9 м)
они достигали на участке максимальной высоты вбли­
зи моста.
Диагностика насыпи сейсмическим методом
была выполнена в восьми поперечных сечениях; на
каждом поперечнике было устроено от 9 до 17 профи­
лей или на всем участке протяжением 300 м были вы­
полнены наблюдения в 103 точках.
В результате обработки сейсмических данных и
сопоставлении их с материалами инженерно­
геологического обследования были построены попе­
речные разрезы насыпи; некоторые из этих разрезов,
показаны на рис. 6.12. Из приведенных материалов
следует, что правый откос насыпи имеет наибольшую
мощность балластного шлейфа, которая на обочине
составляет около 9 м. На левом откосе мощность бал­
ластного шлейфа под бровкой составляла 3,2 м с вы­
клиниванием его вниз по откосу насыпи на расстоянии
порядка 10 м. Очертания границы между балластным
слоем и грунтом тела насыпи по результатам сейсми-
126
YУР UpMUIlf '
Рис. 6.12. Поперечные сейсмогеологические разрезы насыпи, полученные в результате
детальной диагностики участка на Прибалтийской дороге: а и б - различные сечения на­
сыпи; I-XVI - сейсмические профили; 1-8 слои грунта, выделенные сейсмическим мето­
дом
ческого метода в пределах 10% совпадали с данными
бурения.
На всем протяжении насыпи ниже почвенно­
растительного слоя мощностью 0,3-0,5 м на правом
откосе были выделены четыре слоя песчано­
гравийного материала, имеющие скорости волн от ир=
180 270 м/с при среднем значении Dp = 232 м/с (слой
1), до Dp = 490^-530 м/с при Dp = 511 м/с (слой 4). Гра­
ница между балластным материалом и грунтом тела
насыпи имела вогнутую форму, на дне которой на глу­
бине h = 5,5 м была обнаружена линза водо­
насыщенного песка, скорость упругих волн которого
составляла Dp = 1340 м/с.
Грунты насыпи представлены суглинками, кото­
рые по сейсмическим данным были разделены на ряд
слоев, имеющие различные скорости упругих волн.
Так, суглинок 5, находящийся в верхней части левого
откоса насыпи (см. рис. 6.12) имел небольшие значе­
ния скоростей упругих волн Dp = 490^-400 м/с при Dp =
368 м/с. Это, очевидно, связано с тем. что этот грунт
находился в зоне наибольшего воздействия климати­
ческих факторов, которые приводили к увеличению
дефектов в структуре грунта. Такой слой суглинка на
правом откосе отсутствовал после сползания откоса
(возможно этот слой явился причиной деформации на­
сыпи). При восстановлении насыпи здесь был насыпан
мощный слой балластных материалов.
С глубиной в теле насыпи скорость упругих
волн Dp увеличивалась. Так, например, слой 7 имел
128
значения скоростей упругих волн в пределах D p =
590-^730 м/с при Dp = 651 м/с. Для ядра насыпи (слой 8)
характерны скорости Dp = 960-И076 м/с при Dp = 1025
м/с. Внутри этого грунта на местных водоупорах в
тонких прослойках грунта были обнаружены грунто­
вые воды (см. рис. 6.). Это нашло подтверждение в на­
блюдающемся на поверхности земли у основания на­
сыпи постоянном скоплении воды даже в сравнитель­
но засушливое время года.
В верхней части насыпи под рельсошпальной
решеткой по сейсмическим данным была обнаружена
зона уплотненного, по сравнению с обочинами и отко­
сами насыпи, грунта (Dp = 1000 м/с).
Для всего обследованного участка длиной 300 м
была выполнена статистическая обработка получен­
ных значений скоростей D p , результаты которой при­
ведены в табл. 6.1.
Из этой таблицы следует, что для слоев грунта
(1, 2, 3...8), выделенных сейсмическим методом, ха­
рактерна сравнительная однородность по протяжению
пути. Об этом свидетельствуют величины коэффици­
ентов вариации статистического ряда скоростей про­
дольных волн D p , которые изменялись в различных се­
чениях насыпи вдоль пути в пределах от 0,05 до 0,14
при среднем значении 0,09.Таким образом, примене­
ние сейсмического метода при обследовании насыпи,
позволило оценить ее фактическое состояние, опреде­
лить мощность и неоднородность дренирующего слоя
на основной площадке и откосах насыпи; окон-
129
туритьнеровности в земляном полотне, например, в
виде балластных лож; расчленить грунты насыпи по
их виду и определить зоны увлажнения грунта и уро­
вень грунтовых вод.
Сейсмическим обследованием, например, выяв­
лены слои глинистого грунта со средними скоростями
прохождения упругих волн Dp = 350, 500, 700 и 1100
м/с. Увеличение указанных скоростей с глубиной зале­
гания слоев грунта показывает закономерность его уп­
лотнения и упрочнения под бытовой нагрузкой.
Таблица 6.1
Обобщенные статистические характеристики скоростей
продольных волн vp для участка насыпи длиной 300 м
В и д грунта и его
о б о зн а ч ен и е на рис.
6.
п
up m in
up ш ах
П есок с гравием,
1
37
200
300
255
3 2 ,6
0 ,1 2
галькой с к ом ­
ками и ли н зам и
2
20
300
380
324
2 3 ,5
0 ,0 7
3
16
400
480
432
2 1 ,8
0 ,0 5
суглинка
4
15
490
580
542
3 8 ,2
0 ,0 7
5
35
210
425
338
4 8 ,7
0 ,1 4
6
7
47
34
450
580
600
890
520
3 7 ,2
0 ,0 7
702
8 7 ,9
0 ,1 2
8
18
900
1240
1067
100,3
0 ,0 9
С углинок
насыпи
тела
up
Sp
vp
Примечание: п - число наблюдений; up min, up max, op - соот­
ветственно минимальные, максимальные и средние значения
скоростей волн в м/с; Sp - среднее квадратичесхое отклонение;
vp - коэффициент вариации.
130
На некоторых поперечниках сейсмическим ме­
тодом выявлены места локального пере-увлажнения
песчаных и глинистых грунтов со скоростями прохож­
дения упругих волн порядка Dp = 1400-1500 м/с. В
этих местах возможно скопление свободной воды, от­
рицательно влияющей на устойчивость насыпи.
Недостаточно надежной частью насыпи могут
быть также песчаные грунты с включением прослоев и
линз суглинка в верхней части, подвергающиеся мак­
симальному воздействию поездной нагрузки и погод­
ных факторов. В глинистых грунтах поверхностной
толщи левого откоса насыпи на глубине до 2 м ско­
рость распространения продольных волн составляет Dp
= 300 + 350 м/с. Такие скорости волн свидетельствуют
о наличии дефектов структуры грунта, которые могут
служить причиной ослабления прочности при увлаж­
нении и привести к сплыву откоса насыпи.
Совместный анализ геолого-сейсмических пока­
зателей грунта позволил сделать заключение о том,
что в момент обследования насыпь в целом была дос­
таточно устойчивой. Однако, учитывая, что верхняя
часть насыпи сложена из песчаных грунтов с включе­
нием прослоек и линз суглинка должны быть осущест­
влены специальные мероприятия по повышению ее
надежности.
131
6.6. Сейсмодиагностика основания земляного по­
лотна
6.6.1. Определение зон трещиноватости в основании
насыпи
На устойчивость насыпей существенное влия­
ние оказывают отдельные крупные трещины или пре­
обладающая система мелких, определенным образом
ориентированных трещин (зон трещиноватости) в
грунтовой среде, которые часто внешне не проявляют­
ся. Физической основой обнаружения таких дефектов
земляного полотна с применением сейсмического ме­
тода является представление грунтовой среды в виде
модели, где трещины (или зоны трещиноватости) рас­
сматриваются как тонкие слои с сейсмической жестко­
стью Сж 2 = р2хи2 , находящиеся в однородной среде с
жесткостью Сж1 = pixui - плотности сред, a гм и D2
скорости распространения в рассматриваемых средах
продольной волны. При заполнении трещины мате­
риалом, сейсмическая жесткость которого Сж 2 близка
к жесткости Сж1 окружающей среды, упругая волна
преодолевает трещину с незначительными энергетиче­
скими потерями. Если трещина в массиве грунта пред­
ставляет собой тонкий слой, заполненный воздухом,
то упругие волны сейсмического диапазона (f= 10-500
Гц) преодолевают эти трещины, если раскрытие их не
превышает 0,1 см. При большей величине раскрытия
упругая волна практически не проходит через трещи-
132
ну, она может лишь обогнуть ее. Следовательно, при­
сутствие трещин препятствует в той или иной степени
распространению упругих волн. На рис. 6.13 приведе­
ны результаты применения сейсмического метода для
оценки состояния насыпи высотой 8 м на скальном ос­
новании, расположенной на пологом косогоре. Де­
формации насыпи выражались в сдвижках путей в ле­
вую сторону: I-го (левого) пути до 40 мм , IIго(правого) до 15 мм в год. Наблюдались также про­
садки левой нити левого пути до 10 мм в год.
Результаты диагностики показали, что насыпь
сложена из песчано-глинистых грунтов; в верхней ее
части ниже щебня (слой I) имеется балластный слой
(слой 2) толщиной 1,0-1,5 м, характеризующийся ско­
ростью распространения продольных волн Dp = 330­
400 м/с. Ниже находился суглинок (слой 3), имеющий
скорость распространения упругих волн до Dp = 550­
680 м/с. На глубине от 2 м (правая часть земляного по­
лотна) и до 4 м (на левой части) обнаружена резкая
сейсмическая граница (слой 4), характеризующийся
скоростями Dp = 1400-1800 м/с. Как показало контроль­
ное бурение, этот слой представлен водоносными пес­
ками, имеющими водоупором глины с включением
камней известняка. Он имеет наклон в сторону падения
косогора под углом 6-7°. На левом откосе косогора у
основания насыпи на глубине 3-4 м от поверхности был
выявлен второй преломляющий горизонт (слой 5), ко­
торый, как подтвердила скв.№ I (см.рис.6.13), является
уровнем грунтовых вод. Коренные скальные грунты
133
Рис. 6.13. Определение сейсмическим методом зон трещиноватости в основании насыпи,
расположенной на косогоре. Московская дорога
основания насыпи по скоростям упругих воли были
дифференцированы в зависимости от степени разру­
шенности. Например, для известняка, находящегося в
трещиноватом состоянии, скорости продольных волн
составляли Dp = 900-1000 м/с ; в плотном ненарушен­
ном состоянии такой известняк имел скорости волн Dp
= 3400-4200 м/с. Этот слой (6 на рис.6.13) прослежива­
ется по всему поперечнику насыпи и его уклон согла­
суется с другими слоями грунта в насыпи. Таким обра­
зом, выявленная сейсмическим методом трещинова­
тость верхнего слоя коренных известковистых пород
может быть причиной понижения устойчивости насы­
пи.
6.6.2. Обнаружение карстовых образований
в основании земляного полотна
В качестве примера рассмотрен участок пути на
Юго-западной дороге. Здесь карстующиеся породы
представлены известняками, залегающими на глубине
1-8 м. Все грунтовые отложения практически безводны
и находятся в зоне аэрации, формирование карстового
процесса в настоящее время полностью завершено. От­
сутствуют фунтовые воды, значительную роль в про­
цессе выветривания играет инфильтрация атмосферных
и талых вод. В марте 1979 г. на участке произошел про­
вал, вызванный завершением процесса выветривания
свода карстовой полости и потерей способности вы­
держивать нагрузку от подвижного состава.
135
Работы проводились по методике продольного
сейсмического профилирования в трех поперечных се­
чениях, в каждом из которых было расположено от 6
до 9 профилей, или на участке длиной 50 м было вы­
полнено 23 сейсмических профиля. Полученные ре­
зультаты показали, что основной физической пред­
посылкой выявления карстовых полостей и окружаю­
щих их трещиноватых пород является уменьшение
значений средней скорости упругих волн. Для участка
работ заполнителем карстовых полостей является бе­
ловато - серый карбонатный песок со средним значе­
нием скорости упругой волны в нем изап ~ 500 м/с. По­
этому полость диаметром предположительно 1.0 м
даст увеличение времени At прохождения волн на
0,0025 - 0,0035 секунд. На этих предположениях была
основана обработка основных результатов измерений.
В результате обработки сейсмических данных
были построены поперечные разрезы земляного по­
лотна на пикетах, где проводились работы. В качестве
примера на рис. 6.14 приведено детальное описание
одного из таких разрезов. Основными сейсмическими
границами, показанными на поперечниках, являются
границы между слоями мелкозернистого песка, трещи­
новатого и плотного известняка. Так, песок с мелкими
обломками известняка, который находится в верхней
части разреза, имеет небольшие значения скоростей
упругих волн \)р = 170 210 м/с. Такие значения скоро­
стей, очевидно, могут быть объяснены тем, что этот
грунт находится в зоне наибольшего воздействия
136
Vjlt
Рис. 6.14. Выявление карстовых образований в основании железнодорожного пути сейс­
мическим методом на Юго-западной дороге
О бозначения: I - сей см и ч еск и е пр оф ил и ;($ 4 0 }- значения ск о р о ст ей распространения продольны волн, и р;
- карстовая пол ость с зап олн и телем
климатических факторов и подвергается интенсивно­
му выветриванию. С глубиной плотность песка значи­
тельно возрастает и скорость прохождения волн в нем
увеличивается до Dp = 500
560 м/с. Песок, являю­
щийся заполнителем карстовых полостей, заштри­
хованная область на рис. имеет среднюю скорость
распространения волны D p > 530 м/с.
Трещиноватый известняк, окружающий карсто­
вые полости или подвергающийся процессу карстообразования, имеет значения скоростей упругих волн в
диапазоне от 1800 до 2500 м/с. Плотный известняк с
ненарушенной структурой имеет скорость распростра­
нения упругой волны более Dp > 2500 м/с. Такое диф­
ференцирование грунтов по скоростям распростране­
ния волн выдерживается до глубин порядка 12 - 18 м
по всему участку работ (табл. 6.2)
Таблица 6.2
Значения скоростей упругих волн
для различных разновидностей грунтов
на закарстованном участке
Грунт
Песок серый с мелкими
обломками известняка
Песок серый с крупными
обломками известняка
Глубина ис­
следования, м
Диапозон ско­
ростей волн,ър
м/с
0,1 - 3 ,0
170 -3 70
4,0 - 7,0
470 - 700
138
0
1
о
о
Известняк
белый
трещиноватый
Известняк плотный с не­
нарушенной (или малонарушенной) структурой
8 ,0 -1 0 ,0
8 0 0 - 1100
2500 - 3000
Из полученных материалов следует, что сейсми­
ческий метод продольного профилирования позволяет
выделить локальные зоны известняка с нарушенной
структурой или полости в известняке, заполненные
рыхлым грунтом. Эти зоны повышенной трещинова­
тости и раздробленности растворимых пород являются
кратчайшими путями движения подземных вод: они
способствуют активному выщелачиванию извест­
няков, а следовательно, дальнейшему развитию карста.
139
7. ВИБРАЦИОННЫЙ МЕТОД
ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ
7.1. Принципы и физические основы вибрационного
метода
Вибрационный и сейсмический методы диагности­
ки имеют общую физическую основу и базируются на
исследовании взаимодействия упругих волн с грунтами
земляного полотна. Как было показано в главе 6, сейсми­
ческий метод позволяет путем направленных импульсов
(ударных воздействий), имеющих определенную зону
распространения упругих волн, производить поэлемент­
ную диагностику земляного полотна, например, основ­
ной площади, откосов, ядра и основания насыпей. В виб­
рационном методе в качестве источника для возбуждения
упругих волн используется поездная нагрузка, мощное
воздействие которой приводит к возникновению колеба­
ний фунта (вибраций) во всей насыпи.
Сравнение осциллограмм с записями волновых
процессов, возникающих в насыпях под воздействием
поездной нагрузки и от удара молота по грунту
(рис.7.1), показывает их совпадение по общему виду
преобладающих максимальных амплитуд и соответст­
вующих им частот. Амплитудно-частотный анализ за­
писей показал, что амплитуды колебаний грунта насы­
пи при следовании поезда значительно больше, чем от
воздействия удара по грунту, а частоты отдельных ко­
лебаний (А/, А2,...,Ап) ПРИ двух способах динамиче­
ского воздействия (fn от поезда и fyd - от ударной на­
грузки) находятся в пределах 24-25 Гц.
140
Направление движения
Рис. 7.1. Сравнение волновых процессов, возникающих
в откосе насыпи под воздействием поездной и ударной
нагрузок: а - схема расположения осей тепловоза ТЭ-3;
б и в - записи при воздействии соответственно поездной
нагрузки (против стыка рельсов) и удара молота по грунту
141
Из изложенного следует, что волновые процессы
в сопоставимых сечениях насыпи под воздействием
поездной и ударной нагрузок отличаются по своей ин­
тенсивности, но близки по форме и находятся в одном
и том же частотном диапазоне. Следовательно, это да­
ет основание считать, что воздействия ударных и по­
ездных нагрузок имеют общие закономерности изме­
нения параметров упругих волн, поскольку определя­
ются в значительной степени внутренним строением,
свойствами и состоянием грунтов земляного полотна.
Вибрационный метод функциональной диагности­
ки земляного полотна имеет многочисленные аналоги,
которые успешно развиваются в различных отраслях
техники. Например, по параметрам колебаний, возни­
кающих при работе машин и механизмов, обнаруживают
неполадки. Эти методы основаны на использовании сле­
дующего явления: любому состоянию работающих ма­
шин или механизмов всегда соответствует характерная
группа признаков, проявляющихся в виде колебаний его
частей с определенными частотами и амплитудами. Со­
поставляя амплитудно-частотный спектр фактических
колебаний машины или ее частей со спектром, установ­
ленным нормативами, можно обнаружить изменения в
работе машины и определить их причины.
Известны работы, в которых вибрации исполь­
зуют для контроля за состоянием оснований и фунда­
ментов машин с динамическими нагрузками, за каче­
ством дорожных и аэродромных покрытий, и для ре­
шения других задач.
142
Колебания (вибрации) пути, возникающие при
движении поездов, приводят к расстройствам верхнего
строения пути и более интенсивному накоплению в
нем остаточных деформации, а также уменьшают
прочностные показатели грунта и снижают общую ус­
тойчивость земляного полотна. Такие вибрации носят
отрицательный характер и называются «вредными
вибрациями" пути. Влияние вибраций стремятся
уменьшить, применяя различные мероприятия по за­
щите верхнего строения и земляного полотна (вибро­
защита пути).
Разработанный метод функциональной диагно­
стики использует колебания грунта насыпей с целью
оценки их эксплуатационного состояния, т.е. изучает­
ся положительное проявление вибраций. Железнодо­
рожная насыпь рас-сматривается в виде системы, ко­
торая преобразует входное динамическое воздействие
в выходную реакцию (отклик) системы, например, в
изменяющиеся во времени колебательные процессы.
При этом предполагается, что определенному состоя­
нию эксплуатируемой насыпи соответствует группа
признаков, прояв-ляющихся в виде различных пара­
метров колебаний, к которым относятся следующие:
-максимальные (двойной размах на осцилло­
грамме) амплитуды скоростей колебаний (в виде при­
веденных амплитуд) Ап, мм, или в виде виброскоро­
стей V/, мм/с, и соответствующие им частоты f , возни­
кающие под каждой осью экипажа;
143
- зависимость изменения v,- по длине откоса на­
сыпи Lh начиная от бровки (где Vj = v0) и соответствие
этой зависимости экспоненте вида:
v / = vo exp (J3i Li)
(7.1)
- коэффициент затухания Д , входящий в форму­
лу (7.1);
- амплитудно-частотные спектры колебательно­
го процесса V i ( f ) ;
- продолжительность во времени Г, колебатель­
ного процесса от воздействия отдельных осей экипажа
(в зоне стыков рельсов).
Физической предпосылкой применения вибра­
ционной диагностики является зависимость парамет­
ров колебаний от изменений внутреннего строения на­
сыпей и слагающих их грунтов, происшедших в про­
цессе длительной эксплуатации. На пути распростра­
нения упругих волн в земляном полотне от воздейст­
вия поездной нагрузки находятся слои грунта с раз­
личными свойствами, зоны водонасыщенных или ос­
лабленных по прочности фунтов. Неоднородности в
земляном полотне приводят к увеличению или умень­
шению интенсивности колебаний, к изменению их
частоты. В грунтовой среде, близкой к однородной,
изменение максимальных амплитуд колебаний (под
каждой осью экипажа) с увеличением расстояния от
места возбуждения происходит по зависимости близ­
кой к экспоненте, а при наличии каких-либо неодно­
родностей эта зависимость, нарушается, появляются
аномальные зоны.
144
При вибрационной диагностике насыпей в каче­
стве интегрального показателя их эксплуатационного
состояния принимаются колебания грунта. Было опре­
делено влияние на параметры колебаний грунта сле­
дующих факторов: характера возмущающей нагрузки,
типа и состояния верхнего строения пути, конструк­
ции и эксплуатационного состояния земляного полот­
на (рис. 7.2). Основная задача вибрационной диагно­
стики состоит в выделении из всего многообразия
факторов, влияющих на колебания грунта, только па­
раметров, связанных с состоянием земляного полотна.
Для этого последовательно изучали влияние какоголибо одного фактора на параметры колебаний грунта
(при практически неизменных других условиях) и оп­
ределяли опознавательные признаки, характерные для
этого фактора. Все исследования проводили на насы­
пях с заранее известным инженерно-геологическим
строением, т. е. на эталонных объектах, имеющих ка­
кое-либо четко выраженное повреждение, например,
рыхлый откос, балластный мешок, грунтовые воды в
основания насыпи и т. п. Анализ и обобщение полу­
ченных данных позволили разработать классифика­
цию преобладающих опознавательных признаков, ко­
торую использовали при диагностике насыпей с при­
менением вибрационного метода.
145
Рис. 7.2. Основные факторы, влияющие на колебания грунта
насыпи
7.2. Измерительные средства и методика работ
Для измерения колебаний грунта насыпей от
воздействия поездной нагрузки используются датчики
сейсмического типа СВ-1-10 и СГ-1-10, которые опре­
деляют скорости колебаний (виброскорости). Эти
сейсмоприемники имеют сравнительно низкую собст­
венную частоту (10 Гц), небольшую массу (155 гр.),
удобны при установке в грунт, надежны в полевых ус­
ловиях и при транспортировке.
Для регистрации показаний сейсмоприемников
применяют шлейфовые асциллографы или другую
виброизмерительную аппаратуру. Перед измерениями
сейсмоприемники вместе с аппаратурой проходят ка­
либровку на вибростенде для определения количе­
ственных характеристик вибраций грунта. Схемы
146
Рис. 7.3. Схемы измерений колебаний грунта при диагностике
насыпей высотой 6-8 м (а) и более 8 м (б):
1 - динамическая поездная нагрузка; 2 - электромагнитный от­
метчик прохода осей экипажа; 3 - соединительный кабель; 4 провод отметчика осей; 5 - регистрирующая аппаратура
измерений приведены на рис 7.3. Первый сейсмопри­
емник (СП) устанавливают на бровке насыпи или; это
расстояние обязательно выдерживают в различных се­
чениях по длине обследуемого участка. Для диагно­
147
стики насыпей высотой до 6-8 м СП устанавливали с
шагом Лх = 1 м одновременно на двух откосах (рис.
7.3, а). Для насыпей высотой 8-15 м СП целесообразно
устанавливать на одном откосе и измерять колебания
грунта при следовании поезда по ближайшему пути
(рис. 7.3, б). Вдоль пути створы-поперечники с уста­
новленными СП размещали на расстоянии 12.5-25 м в
зависимости от поставленной задачи: оперативно по­
лучить общее представление об объекте или детально
диагностировать насыпь с выделением сомнительных
в отношении устойчивости участков.
Для успешного применения вибрационного ме­
тода при диагностике насыпей необходимо выполнить
следующие условия:
на исследуемом участке конструкция верхнего
строения пути должна быть одинаковой;
-измерения колебаний необходимо проводить
под однотипным подвижным составом (лучше под ло­
комотивами);
-п р и сравнении колебаний грунта земляного
полотна по протяжению пути должны быть использо­
ваны данные, полученные при близких друг другу
скоростях движения поезда (в случае различия в ско­
ростях необходимо в значения амплитуд виброскоро­
сти вводить поправки, учитывающие изменения ско­
рости движения поезда).
148
7.3. Классификация диагностических признаков
вибрационного метода
На основании исследований в лаборатории земля­
ного полотна ВНИИЖТа, автором были сформулирова­
ны диагностические признаки вибрационного метода, по­
зволяющие оценить эксплуатационное состояние насы­
пей. Они представлены в виде классификации в табл.7.1.
В соответствии с основным содержанием классификации
рекомендуется следующий порядок диагностирования
насыпей с применением вибрационного метода.
Для обследуемого участка определяют харак­
терные подвижные единицы (лучше локомотивы) и
скорости их движения, которые принимают за эталон­
ные. В случае отклонения поездных воздействий от
эталонных необходимо учитывать следующие факторы:
-различия в нагрузках от колесной пары на
рельсы современных локомотивов оказывают сравни­
тельно небольшое влияние на амплитуды колебаний
грунта откосов насыпей;
изменение скорости движения подвижной на­
грузки на Av,- = ±10 км/ч соответственно изменяет ам­
плитуды колебаний на ±5% (например, при увеличе­
нии скорости движения от 60 до 70 км/ч виброско­
рость грунта повысится на 5 %);
-т и п подвижного состава и скорости движения
не оказывают заметного влияния на частоты, соответ­
ствующие максимальным амплитудам колебаний под
каждой осью экипажа.
149
Таблица 7.1
Классификация диагностических признаков вибрационного метода
№
п/п
ОснооноЛ определяющий фактор
Диагностические признаки
Тип подвижного состава и осевые
Как правило,
нагрузки (за эталон нагрузки принят
локомотив);
Лц — амплитуда колебаний грун­ п пределах
та под локомотивом;
P i < Р« < Р:\ ;
/1ц — то ж е, под вагонами;
Pi. Ръ Pi — осевые нагрузки;
для вагонов:
/ и / / — сечение под рельсом на
AP l *= a + bP l ( \ , II, 111, IV) .
основной
площадке соответственно
для ровного рельса и в зоне стыка
При
III и I V — то же, на бровке насыпи
Дpi = ± 10 кН/ось ( ± 1 то/ось)
Aj > Лв 1! !Л> /н
ДA'Pi =г ± 2 ,5 % , ДД” я ± 3 ,6 % ,
Л /" 1 а
± 1 ,С
ЛЛ>у ; ± 1 ,5%
Как правило.
h>i ' fm ' fi’3•
Графическое изображение
диагностических признаков
Продолжение табл. 7.1
Ni
п/п
Основной определяющий фактор
Скорость движения поезда (за эта­
лон
принята
скорость
движения
поезда Уэт=50 к м / ч ) :
в пределах
иег — »i = Atff = 10 км/ч ;
t>2 — чэт = Д Vi =
Графическое и зо б р аж ен и е
диагностических призн аков
Диагностические признаки
10 к м /ч ;
"а
«1< и»т< и, ;
' o-f 6и/ (I, И) ;
/ — сечение под рельсом на основ­
при Ли, = ± 1 0 км /ч
ной площадке;
II — сечение на бровке насыпи
ЛА) ~ ± 2 ,5 % , ДЛ?1 к ± 5%.
Как правило,
Fv3т ~ fVi ~ fv2 "
Конструкция пути:
деревянные шпалы
Лдер , /дер , Рдер , Г дер —
ЧК.б
дер
2 , 2/1дер '
Л0 ехР (— Рдер
'•
или железобетонные —
Лж.б > /ж .в .
р ж .б. Тж.б
.6
(
\
Р ж .б
Р ж .б
Рдер ’
|п а х / ж .б ~ 1 .2 5 m a x / дер ;
ж .б < Т Дер
’
Продолжение табл. 7.1
V*
ll/lt
O ciionnnrt о п р е д е л я ю щ и й ф а к т о р
Участки пути:
/ — средняя часть звена (или
стыковой путь):
Л i, /1, Pi;
II — зона стыка рельсов:
At, ft, P.
Д иагности ческие при зн аки
А | (Li ) = m in , кривая /;
Ai = Л'о exp (— pj /.,) ; Pi = max ;
fx = max ; Л2 = 2/^
(на основной площадке под рельсом
Л2= 5Л ,);
Л3 — Л ^ ех р (— р2 L i ) кривая //;
P2> P i в интервале Li =*L\ — L0 (зо ­
на «а»);
Л2« Л , и Р г « Р | при L ; > L ,
Л з> Л 2 и Л3> Л 1 на всей длине L,■
Участок пути с выплесками в зоне
стыка рельсов — III:
А з ^- A q" ехр (— Р з/.,), кривая / //;
и,, Pj
p3 = min (P a < P s< P i); A z > A y в ин
тервале L[ — L \— L 0 \
h < f I (при max Л| и шах Л3) — на
бровке;
зона «6» — только выплески; зо
на «а + 6» — выплески в зоне стыка
рельсов
h.
Г ра ф и ч е с к о с п :»обра ж енис
д н и г н о с т и ч е с к и х ирилн акоп
fft
п/п
б
Осмсг-ноЬ определяющий фактор
Диагностические признаки
Устойчивая насыпь:
Л|, fi, Pi, Т 1
Ах (L i ) =* min ;
Л,
Л0 exp (— Pj L t) ;
Pi = max \ T i = min
7 Балластный шлейф различной мощ­
ности в откосе насыпи:
hi. hi, h% — мощность шлейфа, где
/ii = min; (h3> l i 2> h i )
A i < Л2 < Л:! ;
A t =■ Л0_,-ехр (— P; L :) ;
pi > P2 > Рз ;
/1
>
/2
>
Т г < Т 2 < T3
Ln>
8
Рыхлая балластная присыпка в верх­ A 2^ A { при L i — L 0;
Л2> Л , и Л у > Л г при
ней части насыпи:
рыхлая присыпка (зона «а»);
Л 2» h ’ Р2, Т 2, A z, А у
Р2> Р | при L i > L t \
Лг й Л у и p? ss p v при /.,-> /- 2 ,
Ь < [ 1 И Г2> Г , при Li=tL),
h ~ f i и Т'г*»'7", при L , > L 2.
Продолжение табл. 7.1
Графическое и зображ ен ие
диагностических нпнзнлков
Продолжение табл. 7.1
Продолжение табл. 7.1
Nt
n /n
10
1st
OcuoDitoft определяю щ ий ф актор
Д иагностические признаки
Л д^Лз при Li
Л з> Л 2 ^>Л|
Балластный мешок в теле насыпи
или Л 0 > Л ШЭ>ЛУ;
мощностью hg:
А ъ ¥ = А а exp ( — P o i i ) ;
А 3, Л в, Рб, /в;
балластный шлейф мощностью Нш зона «а» — балластный мешок:
при
/ о —min,
! ъ < ! ш — без
йо­
на Ьткосе насыпи:
ды (У);
А г, А пъ Pin, f mi
при f 6= n i a x „ f a > f ш — с нодой ( / /)
устойчивая насыпь:
А\, А у, pr, f у
Граф ическое изображ ен ие
диагностических признаков
Продолжение табл. 7.1
№
п/п
Основной определяю щ ий .фактор
11
Насыпь на
слабом
основании
(торф ):
hi и /|2 — разная толщина торфа,
где h 2>h i \
— прочное основание
Д иагностические признаки
Л _ , >
\ - о
ЛЛ -2 > Л - 1
ПР И Л1 > н о '*
> hl
ПР И
/о > / | > /« п р и /‘о < h i
< h 2
L
С/v\
12
Грун.овые воды *в основании на
сыпи на небольшой глубине
Грунтовые воды (/):
Лв = 0 ,7 5 Л„ при Li = L0 I
= 2 ,3 Д | при
6=3 L q ,
Л„ (L[) — по параболе ;
/ п > f x при L i = 1 я .
Без грунтовых вод ( / / ) :
4д = (0 ,2 0 — 0 ,3 0 ) j4x при L i — L0 ;
Ах = Л ' exp (— pi Li)\
fx < / а или fx = min при Z.t = L B
Граф ическое изображ ение
диагностических признаков
Параметры колебаний грунта в зависимости от
типа и состояния верхнего строения пути:
- для пути с железобетонными шпалами при со­
поставимых условиях амплитуды колебаний в среднем
в 2,2 раза больше аналогичных амплитуд на пути с де­
ревянными шпалами;
- для дуги с железобетонными шпалами макси­
мальные амплитуды в спектре колебаний наблюдают­
ся при более высоких частотах, чем для пути с дере­
вянными шпалами;
- в зоне стыков рельсов амплитуды колебаний
увеличиваются примерно в 2 раза по сравнению с ам­
плитудами средней части рельса звеньевого дуги (или
при бесстыковом пути);
- для хорошего состояния верхнего строения пу­
ти характерны наименьшие амплитуды колебаний в
верхней части насыпи;
- разжижение грунта и выплески из-под шпал
увеличивают амплитуды колебаний грунта в откосе
насыпи.
Для оценки эксплуатационного состояния насы­
пей установлены следующие диагностические крите­
рии.
1.
Для устойчивой насыпи из глинистых грунтов
при хорошем состоянии верхнего строения пути
характерны следующие диагностические при­
знаки:
- небольшие амплитуды колебаний как на бров­
ке насыпи, так и в других частях откоса;
157
- плавное затухание амплитуд колебаний от
бровки вниз по откосу насыпи, по закону, близкому к
экспоненте;
- повышенные значения коэффициентов затуха­
ния Д ;
- пологий спектр колебательного процесса с
преобладанием максимума амплитуд в полосе более
высоких частот;
- небольшая продолжительность 7} колебатель­
ного процесса от воздействия отдельных осей экипажа
(в зоне стыков рельсов).
2. Песчаная рыхлая присыпка в верхней части
насыпи вызывает резкое увеличение амплитуд (при
более низких частотах) горизонтальных поперечных и
продольных колебаний на длине откоса L-t около 4 м
(по сравнению с откосом, где такая присыпка отсутст­
вует). Далее по откосу рыхлая верхняя часть насыпи
практически не проявляется на амплитудах колебаний
и характере их затухания.
3. Наличие трещин в верхней части насыпи за­
метно снижает амплитудный уровень вибрационного
сигнала. Мощный слой балласта в откосе насыпи уве­
личивает амплитуды колебаний и уменьшает коэф­
фициент затухания их по длине откоса. При таких по­
вреждениях в спектре отсутствуют колебания с высо­
кими частотами.
4. Наличие водо-насыщенного балластного меш­
ка в теле насыпи увеличивает более чем в 2 раза ам­
плитуды колебаний, измеренных на поверхности отко­
158
са над этим мешком. График изменения амплитуд по
длине откоса насыпи имеет резкие аномальные зоны
(по сравнению с графиком амплитуды на участке, где
эти дефекты отсутствуют), Для водо-насыщенной зо­
ны балластного мешка характерен также более высо­
кочастотный колебательный процесс грунта под воз­
действием динамической поездной нагрузки.
5. Для насыпей на слабом основании (торф) ам­
плитуды колебаний грунта на 30-50% больше анало­
гичных для насыпей на прочном основании. Преобла­
дающие частоты колебаний грунта насыпи на прочном
основании несколько выше, чем на торфяном основа­
нии.
6. Наличие грунтовых вод в основании насыпи
на небольшой глубине увеличивает в 2,4-3,0 раза ам­
плитуды колебаний, измеренных вблизи основания, по
сравнению с аналогичными амплитудами колебаний
на основании, где грунтовые воды не обнаружены. Та­
кие зависимости наблюдали как в средней части рель­
сов, так и в зоне стыков рельсов при любой скорости
движения (до 130 км/ч). Кроме того, признаком грун­
товых вод в основании насыпи является появление в
спектре колебаний с высокими частотами.
Вибрационную диагностику целесообразно при­
менять в следующих случаях:
-д л я профилактической диагностики и качест­
венной оценки состояния насыпей (хорошее, удовле­
творительное, аварийное);
159
- как экспресс-метод при массовой диагностики
насыпей на большом протяжении и отдельных на­
правлениях, в том числе и при ранней диагностике
тех насыпей, которые ещё внешне считаются устой­
чивыми;
- при периодическом контроле в круглогодичном
цикле состояния насыпей с целью прогнозирования их
поведения в различных условиях эксплуатации пути;
-д л я оценки эффективности устройства противодеформационных конструкций в динамических ус­
ловиях работы насыпи.
Все задачи вибрационной диагностики насыпей
решаются в процессе динамического нагружения их
поездами, т.е. в процессе функционирования объектов.
Это позволяет иметь для каждой насыпи своеобразный
паспорт в виде виброграммы, за изменениями которой
можно следить в процессе эксплуатации пути.
Ниже приведены примеры практического при­
менения вибродиагностики эксплуатируемых насыпей.
7.4. Вибродиагностика насыпи после деформации
одного из ее откосов
Работы проводились на главном направлении
Юго-Западной железной дороги. Верхнее строение
было представлено бесстыковым путем с рельсами
Р65, железобетонными шпалами с эпюрой 1840
шт./км, двухслойным балластным слоем (щебень на
песчаной подушке). Насыпь высотой 12 м сооружалась
160
в два этапа: однопутная насыпь была отсыпана в 1870
г., а в 1890 г. произведена досыпка насыпи под второй
(левый, четный) путь. Насыпь сложена из тяжелых
карбонатных суглинков, которые являются неустойчи­
выми в условиях избыточного увлажнения.
Деформации насыпи в виде просадок пути и
сплывов откосов происходили с 1914 г., на обочинах
образовывались трещины и происходили неглубокие
оплывины откосов, о чем свидетельствовала мелкая
бугристость на их поверхности. Весной, а также в пе­
риод затяжных ливневых дождей происходил подпор
грунтовых вод паводковыми водами ручья. Это приво­
дило к значительному увлажнению насыпи снизу и
снижению устойчивости откосов.
В неблагоприятные периоды эксплуатации пути
грунты насыпи находились в неудовлетворительном со­
стоянии - консистенция их была преимущественно мяг­
копластичной. В последние годы наблюдались постоян­
ные просадки нечетного (правого) пути интенсивностью
до 8 мм (иногда до 10-12 мм) в декаду в пределах четырех-пяти пикетов обследованного участка.
В июне 1982 г. на левом откосе на протяжении
60 м произошло оползание откоса, приведшее к пере­
рыву в движении поездов. В дальнейшем деформи­
рующийся участок насыпи был восстановлен дрени­
рующим грунтом и на протяжении 80 м пути отсыпан
контрбанкет. Для прогнозирования состояния правого
откоса насыпи были выполнены исследования с при­
менением вибрационного метода.
161
Лги\
--.Л.
•
цгс
а
1
г
з
и
5<
6
Рис. 7.4. Сравнение осциллограмм с записями колебаний грунта
насыпи, полученных: а - на устойчивом откосе (участок I);
б - на неустойчивом откосе (участок П)
Колебания грунта правого откоса насыпи измеря­
лись в 15 сечениях на протяжении 400 м пути под воз­
действием поездов с локомотивами ЧС4, BJ160, BJI80 и
ТЭЗ при действующем ограничении скорости движения
50 км/ч. В каждом сечении сейсмоприемники располага­
лись по откосу (СП-1 при L0 = 0) через 2 м в 12 точках.
Анализ осциллограмм показал, что по величи­
нам амплитуд колебаний грунта обследуемую насыпь
можно четко разделить на два участка: первый (I) с не­
значительным амплитудным уровнем колебательного
процесса; второй (II) - с повышенными значениями
амплитуд колебаний грунта (рис. 7.4).
162
А , мм
20 -
18 /6 /*
-
12 ­
10 -
8 -А
б
J00
350
Устойчивый
участок(1)
ш
Ш
500
550
500Х,м
Неустойчивый участок (К )
Рис. 7.5. Распределение амплитуд колебаний грунта
на различных по устойчивости участках откоса насыпи
По результатам обработки полученных материа­
лов были построены графики изменения приведенных
(условных) амплитуд колебаний грунта Ап вдоль пути
для верхней (В) и нижней (Н) частей откоса насыпи
(рис. 7.5).
Сравнение амплитуд виброскоростей грунта на
этих участках показало, что амплитуды в верхней час­
ти насыпи на участке 11 больше амплитуд на участке /
в 2,2-2,3 раза, а в нижней части насыпи - в 1,4-1,8 раза.
Результаты аппроксимации изменения амплитуд
колебаний грунта по длине откоса насыпи по формуле
7.1 показали, что коэффициент затухания амплитуд
163
(полученный как среднее из пяти - шести значений) на
участке / ( Р, = —0,168 м'1) больше на 11% коэффици­
ента затухания на участке II (Р„ = - 0,142 м'1).
Были построены изолинии амплитуд Ап колеба­
ний грунта по всей площади правого откоса насыпи на
протяжении 400 м (рис. 7.6).
Отсюда наглядно видно, что на неустойчивом
участке насыпи изолинии с повышенными значениями
амплитуд колебаний распространяются на значительно
большую длину откоса. Например, изолиния с услов­
ной амплитудой А„= 3 мм на устойчивом участке на­
сыпи проходит по длине откоса Li - 6 м, а на неустой­
чивом - находится на длине L, = 12 м; изолиния с ам­
плитудой Ап = 2мм - соответственно при Z,, = 8 м (уча­
сток I) и Li = 20 м (участок II).
Полученные вибрационным методом результаты
прогнозирования состояния откоса насыпи были пол­
ностью подтверждены данными сейсмической диагно­
стики. Под балластным шлейфом был выделен слой
мягкопластичного суглинка, в котором упругие волны
распространялись со скоростью Vp=250 м/с. Такие зна­
чения vp характеризуют относительно низкую проч­
ность грунта. Что дает основание считать этот слой
ослабленной зоной. Очевидно, что при неблагоприят­
ных климатических условиях наиболее вероятной по­
верхностью, на которой происходит потеря устойчи­
вости правого откоса на участке II, является кровля
слоя со скоростью распространения волн Vp=250 м/с
164
flk '9 -ьПП
I
Устойчивый
уч а сток
Неустойчивый
уч а сто к
Рис. 7.6. Изолиния приведенных амплитуд колебаний грунта А„ правого откоса после
деформаций левого откоса насыпи
По результатам прогнозирования состояния пра­
вого откоса насыпи службе пути Юго-Западной дороги
были выданы рекомендации по усилению этого отко­
са, которые заключались в устройстве контрбанкета на
протяжении 200 м (Г1К 4+00-ПК 6+00), уположении
откоса насыпи и укладке защитных покрытий из син­
тетических материалов.
7.5. Вибродиагностика насыпи вблизи аварийного
участка
На одном из участков Московской железной до­
роги после проливных дождей произошла деформация
насыпи высотой около 12 м, построенной более ста лет
назад. Непосредственно у моста через автомобильное
шоссе на правом откосе насыпи образовались две
крупные трещины: одна длинной 2 м со срывом до 25
см, другая длиной 3,5 м со срывом до 100 см. В нижней
части насыпи наблюдался выпор грунта. В результате
этого на ПК 6+60 при проходе грузового поезда с теп­
ловозом ТЭЗ произошли резкие просадки пути, ополза­
ние откоса. Насыпь пришла в аварийное состояние.
Для ликвидации деформации насыпи в срочном
порядке стали отсыпать контрбанкет, запроектирован­
ный путеобследовательской станцией Московской же­
лезной дороги только в пределах участка пути с види­
мыми нарушениями устойчивости насыпи. Однако,
вполне возможно, могли существовать потенциально
опасные в отношении устойчивости участки насыпи,
которые также нуждались в усилении контрбанкетом.
166
При этом важно было определить состояние насыпи не
в отдельных точках, что делается традиционными ин­
женерно-геологическими методами, а прогнозировать
устойчивость всей насыпи в реальных условиях, т.е.
под воздействием динамических поездных нагрузок.
В связи с этим были произведены детальные из­
мерения колебаний грунта правого деформирующего­
ся откоса насыпи. Сейсмоприемники были установле­
ны в грунт в девяти сечениях на протяжении 80 м пути
по восемь штук в каждом сечении насыпи.
Характеристика обследуемого участка пути сле­
дующая: бесстыковой путь с рельсами Р65 и скрепле­
ниями К-2; железобетонные шпалы с резиновыми про­
кладками под подкладкой толщиной 10 мм; выплесков
балласта из-под шпал нет. Непосредственно у аварий­
но участка насыпи, где еще не был отсыпан контрбан­
кет, после прохода поездов наблюдались просадки пу­
ти. Поэтому путь регулярно подбивался до достиже­
ния головкой рельсов проектного положения.
Колебания грунта насыпи измерялись при дви­
жении грузовых поездов с тепловозами ТЭЗ в услови­
ях действующего ограничения скоростей до 20 км/ч.
Анализ полученных экспериментальных данных пока­
зал, что вблизи аварийного участка наблюдались уве­
личенные значения виброскоростей v2 (рис. 7.7). По­
строенные изолинии равных величин vz показали, что
вблизи аварийного участка изолинии с увеличенными
значениями vz распространяются на значительно
большую длину откоса, по сравнению с другими уча­
стками (рис.7.8). Например, изолиния с vz= l,0 мм/с на
167
Рис. 7.7. Диагностика насыпи вблизи аварийного участка:
а и б - схемы расположения сейсмоприемников на откосе
насыпи; в - графики изменения виброскоростей грунта вдоль
пути соответственно по профилям наблюдений 1-8
(см. схемы а и б)
168
П К 5+0
10
20
3D
t s JO
SO
70 .
80
/
Рис. 7.8. Изолинии виброскоростей грунта Uz на откосе^ насыпи
вблизи аварийного участка: 1-11- 9-91 - номера сечений; 0,2-2,0
—изолинии со значениями l)z, мм/с
169
устойчивом участке находится вблизи бровки насыпи
(Li=0,2+ 0,3 м), а на неустойчивом участке располага­
ется на окосе на расстоянии от бровки Lf=3,5 м; изоли­
ния со значением vz — 0,5 мм/с в зависимости от со­
стояния насыпи проходит соответственно на расстоя­
нии Li = 2,0-К2,6 м и Lj = 7 м. Следует отметить, что аб­
солютная величина виброскоростей грунта была неве­
лика из-за невысоких скоростей движения поездов,
однако в данном случае существенное значение имеет
их относительное изменение вдоль пути.
Исследуемая насыпь в зависимости от значений
виброскоростей была условно разделена на три участ­
ка: устойчивый и неустойчивый, а также аварийный.
Аварийным считали тот участок насыпи, где образова­
лись трещины и произошли резкие просадки пути и
сползание откоса. Устойчивым считали такой участок
насыпи, где уровень колебаний грунта был наимень­
шим и незначительно изменялся в различных сечени­
ях, просадки пути при движении поездов здесь были
небольшими и путь находился в хорошем состоянии.
Для устойчивого участка насыпи были подсчитаны
средние_значения виброскоростей грунта vycr (от ПК 5+00
до ПК 5+50) в различных сечениях по длине откоса на­
сыпи. Виброскорость фунта насыпи вблизи аварийного
участка приняли за максимальную vnwx (сечение на ПК 5
+ 80). Были получены следующие значения vmax/vycT.
Расстояние L,-,
Отношение
м
0
1
2
3
4
6
8
10
2,1 0
2,30
2,65
2 ,9 0
3,18
3,30
3,36
3,50
v m a x /v y c T
170
Отсюда видно, что вблизи аварийного участка
насыпи значения виброскоростей грунта, например на
бровке, увеличились в 2,1 раза по сравнению с анало­
гичными значениями на устойчивых участках насыпи.
При этом важно отметить, что недостаточная устойчи­
вость насыпи отражается на значениях виброскоростей
грунта по всей длине откоса насыпи. Отношение
Vmax / v m возрастает с увеличением L,. Недостаточная
устойчивость насыпи длиной х2 характеризуется по­
вышенным уровнем значений виброскоростей и гра­
фически определяется зоной А, показанной на рис. 7.9.
Также заметно изменяются коэффициенты зату­
хания Д виброскоростей грунта по длине откоса насы­
пи Li на различных по устойчивости участках насыпи.
Результаты определения коэффициентов затухания Д
для восьми сечений вдоль пути показывают, что для
устойчивого участка насыпи в верхней ее части (ЛL, =
0-ь4 м) средний коэффициент затухания Д_у =-0,367м'1
оказался в 1,6 раза большим, чем для неустойчивого
участка, за который принимали минимальный ко­
эффициент ftz-min в непо-средственной близости к ава­
рийному участку (J3z.min =-0,230 м'1).
Ниже по откосу насыпи в интервале длины отко­
са ALi = 5-И0 м этот диагностический признак устой­
чивого состояния насыпи сохраняется: для первого
участка пути коэффициент затухания в 1,35 раза
больше, чем для второго участка. В целом для всего
откоса устойчивой насыпи (AL, = 0-г 10 м) коэффициент
затухания в 1,4 раза больше, чем для неустойчивой.
171
Рис. 7.9. Схематическое изображение различных
по устойчивости участков насыпи: а - на бровке насыпи,
при Lo=0; б - на откосе насыпи при L,= 2 м; в - то же,
при L;= 10 м
172
Следовательно, для устойчивого участка насыпи
характерны большие значения коэффициентов затуха­
ния (Pz-y), чем для неустойчивого
т. е. всегда
выполняется условие j3z.y> J3z.min. Эта закономерность
сохраняется как для отдельных частей, так и для всего
откоса насыпи в целом.
Таким образом, результаты вибрационной диаг­
ностики насыпи при воздействии поездной нагрузки
позволили по значениям виброскоростей грунта про­
гнозировать состояние насыпи вблизи аварийного уча­
стка. Полученные, материалы по колебаниям грунта
корреспондировались с данными других наблюдений:
на неустойчивом участке насыпи отмечались значи­
тельные просадки пути после прохода поездов, что
приводило к необходимости постоянных работ. Кроме
того, в верхней части откосов насыпи методом ЭДЗ
были выявлены рыхлые балластные шлейфы мощно­
стью до 2м. Оценка устойчивости откоса насыпи на
протяжении 80 м пути была выполнена бригадой из
четырех человек за три дня с использованием сейсми­
ческой аппаратуры «Поиск» 1-6/12-АСМ-ОВ. Непо­
средственно на месте работ были даны рекомендации
о продлении контрбанкета на 50 м, по сравнению с
первоначально запроектированным, с захватом зоны с
максимальными значениями амплитуд вибросткорости
грунта. Последующая эксплуатация насыпи подтвер­
дила правильность полученных результатов и приня­
тых решений.
173
7.6. Вибродиагностика насыпи после устройства
контрбанкета
В настоящее время для устранения последствий
деформаций насыпей, которые проявляются в виде
сплывов откосов, чаще всего сооружают контрбанке­
ты. В связи с этим, кроме традиционной оценки эф­
фективности этого мероприятия в виде статического
расчета устойчивости, была применена вибродиагно­
стика для оценки динамического состояния насыпи до
и после сооружения контрбанкета.
На двухпутной насыпи Юго-Западной железной
дороги высотой около 30м, сооруженной из пылеватых
и гумусированных суглинков, колебания грунта отко­
сов измерялись на участке насыпи без контрбанкета (I)
и участке насыпи с контрбанкетом (II). Для обработки
были отобраны записи колебаний грунта под воз­
действием поездов, следовавших по участку со скоро­
стью 80 - 100 км/ч. В качестве эталонных подвижных
единиц принимались тепловозы ТЭЗ и ТЭ7, которые
дают практически одинаковые нагрузки от колесной
пары на рельсы (Рст = 210 кН) и имеют близкие по зна­
чениям неподрессоренные массы.
В каждой точке насыпи измерялись под воздейст­
вием поездной нагрузки три составляющие колебаний:
вертикальная (по оси г) и горизонтальные - поперек
пути (по оси у) и вдоль пути - (по оси х). Результаты
экспериментальных исследований, представленные на
рис. 7.10, показали, что при устройстве контрбанкета
значения виброскоростей грунта откоса насыпи под
воздействием динамических поездных нагрузок заметно
174
Рис. 7.10. Сравнение виброскоростей грунта откосов насыпи
под воздействием поездной нагрузки для участков пути без
контрбанкета (I) и с контрбанкетом (П): а - схемы расположе­
ния сейсмоприемников (1-7); б - графики для вертикальной со­
ставляющей Uz; в - то же для горизонтальной поперек пути со­
ставляющей и у; г - то же для горизонтальной вдоль пути со­
ставляющей Ох
175
уменьшаются. Очевидно, это связано с тем, что при
сооружении контрбанкета увеличивается масса грунта
земляного полотна, участвующая в колебательном
процессе при движении по пути поездной нагрузки.
Как показали результаты исследований, верти­
кальная составляющая виброскорости грунта в верхней
части насыпи без контрбанкета (L -д о 6 м) была на 42­
53% больше соответствующей виброскорости на участ­
ке насыпи, где сооружен контрбанкет. Для горизонталь­
ных составляющих эти значения соответственно боль­
ше: поперек насыпи на 22-38% и вдоль насыпи на 32­
51%. На самом контрбанкете (Lt = 12 м) значения виб­
роскоростей всех составляющих колебаний фунта были
меньше в 1,6-2,7 раза по сравнению с аналогичными по­
казателями в нижней части насыпи без контрбанкета.
В результате аппроксимации по экспонен­
циальному закону затухания виброскоростей грунта
вдоль откоса насыпи были определены коэффициенты
затухания (3z,y,x. На участке насыпи без контрбанкета
(вариант I) средние значения коэффициентов затухания
были равны: по вертикали (3z' = -0,147м'1, поперек
пути (Зу- - 0,133 м'1 , вдоль пути рх = -0,148м'1 , а на
участке насыпи с контрбанкетом (вариант II) - соответ­
ственно pz" = -0,170м' , ру" = -0,160м'1, [Зх" = -0,167м 1 ,
т. е. для всех составляющих виброскоростей значения
J3"z,y,x были большими на 13-21%. Следовательно, уст­
ройство контрбанкета не только уменьшает амплитуды
колебаний грунта в различных точках откоса насыпи,
но и приводит к более быстрому их затуханию по длине
откоса и в целом - к общему снижению динамического
воздействия поездов на земляное полотно.
176
8. ПЕРЕДВИЖНЫЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ
КОМПЛЕКСЫ
8.1. Вагон - лаборатория инженерно-геологического
обследования (ВИГО) земляного полотна
Эффективность диагностики земляного полотна
значительно повышается, когда традиционные и геофи­
зические методы применяются в комплексе, позволяя
получить более достоверную информацию. Поэтому
возникла необходимость в создании автономной под­
вижной лаборатории на базе пассажирского вагона, ос­
нащенную современными приборами и оборудованием,
необходимым компьютерным обеспечением и нор­
мальными бытовыми условиями для технического пер­
сонала. Такая лаборатория под названием вагон для
инженерно-геологического обследования (ВИГО) зем­
ляного полотна была создана НПФ «Спецмаш» (СанктПетербург) в рамках конверсионной программы «Безо­
пасность железных дорог». Определение функциональ­
ного назначения ВИГО и методическое обеспечение
используемого технологического оборудования было
выполнено ВНИИЖТом (Г.Г. Коншин, А.Г. Круглый).
В состав вагона-лаборатории входит следующее
технологическое оборудование:
- комплект геодезических инструментов;
- автономный буровой станок на базе автомоби­
ля для бурения скважин и взятия проб грунта с глуби­
ны до 25 метров (тип УКБ 12/25);
177
- малогабаритная буровая установка для буре­
ния скважин и взятия проб грунта с глубины до 12
метров (МБУ-12);
- лабораторное оборудование для анализа проб
грунта и получения физико-механических характери­
стик;
- сейсмическая аппаратура «Диоген-24»;
- установка электроконтактного динамического
зондирования (ЭДЗ);
радиолокационная аппаратура (георадар
«Зонд-12»);
- персональная ЭВМ с компьютером, дисплеем,
принтером и клавиатурой для расчетов земляного по­
лотна по результатам обследования и лабораторного
анализа грунтов;
- радиотелефонные средства связи;
- автомобиль УАЗ-462 для доставки оборудова­
ния и технического персонала к месту работ.
В вагоне-лаборатории ВИГО предусмотрены
мастерская, бытовые помещения, автономное энерго­
снабжение. Общая компоновка ВИГО показана на
рис.8.1.
Назначением вагона-лаборатории ВИГО являет­
ся:
- инженерно-геологическое обследование (диаг­
ностика) земляного полотна различных типов (насы­
пей и выемок без ограничения высоты и глубины) в
разных природно-климатических и инженерно­
геологических условиях;
178
Рис. 8.1. Компоновка вагона инженерно-геологического обследования ВИГО
оперативное
определение
физико­
механических свойств грунтов земляного полотна;
- математическая обработка результатов обсле­
дования, оперативное выполнение расчетов устойчи­
вости и несущей способности земляного полотна;
- разработка рекомендаций по усилению земля­
ного полотна (когда это требуется), с использованием
ЭВМ и соответствующего программного обеспечения.
Технологическая схема работы ВИГО приведена на
рис.8.2.
Основными функциями ВИГО являются:
- выполнение геодезических измерений на об­
следуемом участке пути;
- бурение скважин на глубину до 25 метров с
отбором и без отбора кернов в любых грунтах;
- лабораторный анализ образцов грунта и кер­
нов, полученных при бурении;
электроконтактное динамическое зонди­
рование подшпального основания и откосов насыпей;
- математическая обработка результатов диагно­
стических исследований, выполнение расчетов по
прочности, устойчивости и стабильности земляного
полотна с выдачей рекомендаций по его усилению.
Учитывая особенности линейных объектов зем­
ляного полотна и их разбросанность и удаленность от
стационарных баз, работы с использованием лабора­
тории ВИГО выполняется в режиме «вахтового мето­
да».
180
НАДАР
LJ
Р е ко м е н д а ц и и
УСТАНОВКА ЭЛЗ
ВЫЯВЛЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ с тр о е н и я
З ЕМ Л Я Н О ГО ПОЛОТНА ПО ЕГО ПРОТЯЖЕННОСТИ
по
в ы б о р у
j
б у р о в о й стан о к
У С Т А Н 0 8КА ,
узд „ Д и о г е н
У КВ 12/25
:—
м е с т
Р
д а л ь н е й ш е г о
*
о б с л е д о в а н и я
Ру чк о й к о м п л е к т
бурового оборудования т - ‘2
----------- — r z i
| КОМПЛЕКТ ГЕ0ЯЕЗН- ‘
|Ч'СК0Г0 ИНСТРУЙ{НТ<|
Т
РАЗБИЕНИЕ
РАЗРЕЗОВ НА СЛОИ С РАЗЛИЧНЫМИ
'физико -механическими свойствами
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ф и з и к а -м ехани ческих
ХАРАКТЕРИСТИК
ПО СПЕЦИАЛЬНОЙ МЕТОДИКЕ
( Р а зр а б о т ч и к -вниижт)
Выдача
реко м енд а ц и й по усилению
п ути
« м ес та х о бс л ед о ван и я
ж.д.
т
ВЗЯТИЕ ОБРАЗЦОВ''
ГРУНТА ПО
К ---1ГЛУБИНЕ МАССИВА I
ЛАБОРАТОРНОЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧ
ХАРАКТЕРИСТИК
г м
ОПРЕДЕЛЕНИЕ I
ГЕОМЕТРИИ
1
НАСЫПИ
j
| Пр о в е д е н и е
I ра с чето в на 38М ;
Гр а ф и ч е с к о е п ред с т а вл ен и е
резул ьт а т о в рас ч ет а
иг
х«1
П
(llWMtf - МРЦЕШМ
i
ятоичмост* илсыпи)
1
Г------------- --------------
Вычисление ко эф ­
ш!
9й^2яа
Xi,Zi - «МИНИНЫ
тт дипюм
----- иигд
к
ф иц и ен то в устойчи; ВОСТК НАСЫПИ-Ктст
И ДЕФО РМ А Ц ИИ
; осно ван и я - S o w
Г -------------
S->■
Рис. 8.2. Технологическая схема диагностирования земляного полотна ВИГО
По данным НПФ "Спецмаш" в настоящее время
(2004 год) изготовлено и эксплуатируется 7 вагоновлабораторий ВИГО (Октябрьская, Горьковская, Юж­
но-Уральская, Куйбышевская, Северная, Тындинская,
Забайкальская). Потребность лабораторий для специали-зированных подразделений путевого хозяйства со­
ставляет 15 штук.
8.2. Передвижные нагрузочные комплексы (ПНК)
8.2.1. Основы метода эталонных нагружений
В последние годы для диагностики деформативности земляного полотна разрабатывается метод
оценки качества основания пути с помощью передвиж­
ных нагрузочных комплексов (ПНК). Метод основан на
непрерывном вдоль пути измерении упругих осадок
рельсов под заданной нагрузкой. В качестве показателя
упругой осадки подрельсового основания пути принята
линейная доля упругой осадки рельса Yp, соответст­
вующего осевой нагрузке 30 тс и полученная по разно­
сти осадок под двумя различными нагрузками:
’' - ' т Н И
0,
(8 л )
где У, и У2 - осадки рельса при нагрузках на ось соот­
ветственно Рi= 1Отс и Р2=30тс.
В настоящее время на железных дорогах России
используются две конструкции передвижных нагру­
зочных комплексов:
182
- конструкция научно-производственной фирмы
(НПФ) «Спецмаш» (Санкт-Петербург) под названием
лаборатория инженерно-геологического обследования
ЛИТО СМ-460;
- конструкция отделения комплексных испыта­
ний ВНИИЖТа.
Принципиальное различие между двумя конст­
рукциями ПНК состоит в характере нагружения рель­
совых нитей. Передвижной нагрузочный комплекс
«Спецмаш» представляет собой вагон, в котором на­
гружение производится от одной специальной оси, а
ПНК ВНИИЖТа состоит из трех вагонов, имитирую­
щий нагрузку от реального подвижного состава
(рис.8.3).
8.2.2. Лаборатория инженерно-геологического
обследования ЛИГО
В состав ЛИГО входят следующие основные
функциональные элементы:
- нагрузочный агрегат, который обеспечивает
заданную тарированную нагрузку на путь;
измерительно-вычислительный комплекс,
фиксирующий возникающие при нагрузочных испы­
таниях упругие деформации (осадки) пути.
Нагрузочный агрегат создан на базе восьмиосно­
го вагона специального назначения (рис.8.4). Нагруже­
ние пути осуществляется колесами которые работают
независимо друг от друга, и для каждой рельсовой нити
183
а)
> = з ^ Г
■■Ь J/ Е=Ш1
.ъХ/. ■ JL.Ur
«со
46аа
оо
- • • ’
• >*
О
&»л*
-
тг~ г
j
*8 1
-
Щ
,'Л.
мы
If*'
Л‘ ’■
'*
■ ^З
«*ir;w w 4 n
—--------г,----------------------------О-------О-------------------------------------------
3Z3 L
■ЗсИ
Рис. 8.3. Схемы нагружения пути передвижными нагрузочными комплексами конструк­
ций НПФ «Спецмащ» ЛИГО (а) и ВНИИЖТа (б)
Контрольная аппаратура
Э К fIP9<&QsУДсваний,
Балпастныи гру]
Рис. 8.4. Нагрузочный агрегат ПНК «Спецмаш» ЛИГО
они жестко закреплены на штоках гидроцилиндров.
Двухосная измерительная каретка установлена под на­
грузочным агрегатом симметрично относительно на­
грузочных колес. Продольная база измерительной ка­
ретки составляет 6,4 м. расстояние от колес ходовых
тележек нагрузочного агрегата до колес измеритель­
ной каретки примерно 3 м.
Для регистрации линейных перемещений што­
ков гидроцилиндров устройства нагружения, исполь­
зуются оптические и механические датчики, позво­
ляющие вести измерения с точностью 0,3 мм.
Контрольно-измерительная аппаратура регист­
рирует нагрузки на ось и пройденный путь. Первичная
информация, полученная с датчиков системы измере­
ния, сохраняется в базе данных на жестом диске бор­
товой ПЭВМ. Полученные данные служат исходным
материалом для дальнейшей обработки информации с
целью определения упругих осадок пути.
Исследованиями ВНИИЖТа показано, что ак­
тивная зона сжатия при проходе нагрузочного поезда
(30 тс/ось) со скоростью 5-7 км/ч находится в пределах
4-6 м. это полностью соответствует понятию «рабочая
зона» в земляном полотне под динамической поездной
нагрузкой, предложенном автором настоящего посо­
бия (см. «Путь и путевое хозяйство», № 2, 2001 год).
Соответствие свойств основание пути установ­
ленным осевым нагрузкам и скоростям движения опре­
деляется упругой осадкой рельса под нормированной
нагрузкой 30 тс/ось, рассчитанной по формуле 8.1 по
измеренным разностям осадок под нагрузками Pi и Р2.
186
Примеры графиков изменения упругих осадок
пути в зависимости от качества подрельсового основа­
ния приведены на рис.8.5.
Д»фирм ациа o r pjc-.e-~o» r v r y u . >0 ч
Г
■
т
1
%-------
»й - л — лу
1
:М
141ч)
Л А г-
л
V
.1
д«юо
7КК»
г»1О0
1
1
состоянии путей
187
jmi.m
>л«1.М
Опыт применения ЛИГО на эксплуатируемой
сети дорог показывает, что передвижной нагрузочный
комплекс позволяет осуществлять следующие функ­
ции:
- выполнять сертификацию существующих же­
лезнодорожных путей МПС по основному деформаци­
онному показателю их основания - упругой осадки
под нормированной нагрузкой;
- выполнять приемочные испытания новых ли­
ний, в том числе скоростных магистралей и специаль­
ных маршрутов;
- выполнять испытания новых конструкций пу­
ти для определения их эксплуатационных качеств и
принятия решений об использовании;
- осуществлять выбор и отработку методов и
технических средств инженерно-геологического об­
следования земляного полотна железных дорог.
Для подразделений службы пути дороги и цен­
тра диагностики в функции нагрузочного поезда
ЛИГО должно входить:
- выявление и составление перечня участков
пути, нуждающихся в постоянном наблюдении и уси­
лении земляного полотна;
- оценка качества выполнения мероприятий по
усилению земляного полотна и капитальных ремонтов
пути.
По данным Департамента пути и сооружений
МПС РФ потребности в поездах ЛИГО - 15 штук, из­
готовлено - 2 (НПФ "Спецмаш" и Московская дорога).
188
8.2.3. Диагностический поезд ВНИИЖТа
Для определения возможности и условий обра­
щения на основных направлениях дорог России ваго­
нов с повышенными осевыми и погонными нагрузка­
ми, специалистами отделения комплексных испытаний
ВНИИЖТа разработан специальный диагностический
поезд с включением в его состав двух автономных из­
мерительных систем:
лазерного бесконтактного измерителя габаритов
приближения строения (габаритомера);
нагрузочного устройства для измерения дефор­
маций железнодорожного пути.
Нагрузочная система состоит из вагоналаборатории и двух грузовых вагонов с осевыми на­
грузками соответственно 10 и25тс. При осевой нагруз­
ке 1Отс исключается влияние на полученные результа­
ты сжатия рессорных комплектов вагона. Затем, когда
на то же сечение наезжает вагон с нагрузкой 25тс/ось,
производится повторное измерение упругой осадки
рельсовых нитей. Для оценки пройденного пути на ва­
гоне-лаборатории установлен тахогенератор, инфор­
мация от которого поступает на обрабатывающий
комплекс.
Принципиальная особенность нагрузочного
устройства ВНИИЖТа заключается в том, что в каче­
стве нагрузки используются полувагоны на тележках
ЦНИИ-Х-3, следующие по участку со скоростью 60
км/с. При этом важно отметить, что вся информация
189
получается (в отличии от НПК ЛИГО) при одноразо­
вом проходе диагностического поезда.
Диагностический поезд ВНИИЖТа был испы­
тан на многих дорогах России и в разных природно­
климатических условиях (Московская, Свердловская,
Красноярская, Забайкальская, Дальневосточная). С
помощью нагрузочного устройства были установлены
по величинам упругих осадок подрельсового основа­
ния, условия обращения вагонов с повышенными осе­
выми и погонными нагрузками на конкретных направ­
лениях.
Таким образом, при нагрузочных испытаниях
диагностическими комплексами конструкции ЛИГО и
ВНИИЖТа основным оценочным параметром деформативности пути являются измеряемые упругие осад­
ки рельсовых нитей. Их величины Усум формируются
из отдельных элементов пути:
рельсовых скреплений У скр;
материала балластного слоя У б;
грунта земляного полотна узп.
8.2.4. Интерпретация результатов
нагрузочных испытаний
Методика выделения из суммарной упругой
осадки У сум осадки за счет сжатия земляного полотна
У зп ещё недостаточно разработана. Поэтому оценива­
ют состояние пути в целом, полагая, что отличие в ве­
личинах упругих осадок определяется в основном по­
190
датливостью его подшпального основания. Исследо­
вания ВНИИЖТа показано [46]:
- при упругой осадке У сум < 4 .2 мм состояние
пути определяется свойствами балластного слоя при
прочном основании (модель деформации основания Ео
> 30 МПа);
....
- при упругой лсадке 4.2 < У сум < 5 .2 мм осно­
вание считается податливым (20 <Ео<30 МПа);
- при упругой осадке У сум > 5.2 мм основание
отличается повышенной деформативностью (Ео < 20
МПа).
‘
Предложен также способ интерпретации, со­
стоящий в сравнении величин упругих осадок на рас­
сматриваемом участке пути с так называемым эталон­
ным объектом. Под таким объектом понимается ис­
следованный передвижными нагрузочными комплек­
сами и проходами вагонов - путеизмерителей участок
пути, который характеризуется как высокостабильный
и однородный на значительном протяжении. В качест­
ве такого объекта ВНИИЖТом предложено принять II
путь Экспериментального кольца (г. Щербинка). По
данным нагрузочных испытаний под расчетной на­
грузкой ЗОтс/ось среднее значение упругой осадки по
длине пути составило 2.4 мм (линейный диапазон из­
менения осадок был равен 0.8 мм при среднеквадрати­
ческом отклонении 0.35 мм). Ближайшим аналогом по
деформационным показателям на эксплуатируемой се­
ти является скоростная магистраль Санкт-Петербург
Октябрьской дороги.
191
Для подготовки существующих железнодорож­
ных линий к скоростному движению пассажирских по­
ездов со скоростями до 200км/ч ВНИИЖТом разработа­
ны нормы несущей способности и методика расчета
земляного полотна, исходя из расчетной максимальной
статической осевой нагрузки передвижного диагности­
ческого комплекса 30 тс [45]. В качестве основопола­
гающих норм несущей способности земляного полотна
принимаются упругие осадки пути (рельса), полученные
в результате нагрузочных испытаний комплексом ЛИТО
или диагностическим поездом ВНИИЖТа.
Нормирование упругих осадок должно произво­
диться в период май - сентябрь (когда земляное по­
лотно стабильное) на участках с одинаковым типом
верхнего строения пути и близкими условиями его
эксплуатации.
В местах конструктивной неоднородности пути
(подходы к мостам и тоннелям, уравнительные проле­
ты, стрелочные переводы и др.) наряду с результатами
нагрузочных испытаний должны использоваться дан­
ные проходов путеизмерительных средств (путеизме­
рительные вагоны и тележки), а также технико­
технологическая документация на ремонт и текущее
содержание пути.
Нормируемые средние значения упругих осадок
и средние квадратические отклонения в зависимости
от диапазона скоростей движения пассажирских поез­
дов для пути с рельсами Р65, железобетонными шпа­
лами и щебеночным балластом приведены в табл. 8.1.
192
Таблица 8.1
Диапазон скоростей
движения, км/ч
Нормируемая
осадка пути
(рельса), мм
141-160
161-200
201 и более
3,8
3,4
3,0
Нормируемое
среднее квад­
ратическое от­
клонение
(СКО), мм
0,35
0,25
0,2
В местах, где упругая осадка превышает ее
среднее значение, должны приниматься первоочеред­
ные меры по усилению земляного полотна. На рис.8.6
приведен график изменения упругих осадок вдоль пу­
ти с указанием границ их нормируемых значений.
8.3. Вагоны-путеизмерители. Основные положения
методики оценки состояния земляного полотна
Показания вагонов-путеизмерителей зависят от
состояния земляного полотна. Переход насыпи в не­
стабильное состояние вызывает повышенные рас­
стройства геометрии рельсовой колеи. На кафедре
"Путь и путевое хозяйство" МИИТа (Е.С. Ашпиз)
предложена специальная методика оценки состояния
насыпей, основания на статистической обработке за­
писей просадок рельсовых нитей. Основные положе­
ния этой методики излагаются в соответствии с техни­
ческими документами, утверждёнными Департамен­
том пути и сооружений МПС [38,48].
193
50
55
SO
65
70
75
Путь, м
W
85
90
95
Рис. 8.6. График изменения упругих осадок вдоль пути с указанием границ
их нормируемых значений
00
Методика применяется для диагностики появления
деформаций земляного полотна, к которым относятся:
- деформации основной площадки земляного
полотна;
- деформации морозного пучения;
- деформации тела насыпи;
- деформация основания земляного полотна в
сложных инженерно-геологических условиях (болото,
оползневые косогоры, карст и многолетнемерзлые
грунты).
Для оценки стабильности земляного полотна
при обработке записей путеизмерительного вагона
производится вычисление следующих статистических
характеристик:
среднеквадратического отклонения (СКО) вели­
чины просадок на всем протяжении контролируемого
участка земляного полотна;
скользящего среднеквадратического отклонения
(ССКО) величины просадок на всем протяжении на­
сыпи;
приращения значения ССКО от данного прохода
путеизмерительного вагона к другому;
спектральной плотности длин просадок.
ССКО определяется как среднеквадратическое
отклонение величины просадок на базовом отрезке пу­
ти длиной L. Вычисление ССКО производится на всем
протяжении контролируемого участка земляного по­
лотна для каждого L со сдвижкой его начала на рас­
стояние Д (рис.8.7).
195
Рис. 8.7. Схема определения скользящего среднеквадратического отклонения процесса
просадок рельсовых нитей
Спектральная плотность длин просадок опреде­
ляется из разложения исходной записи просадок в гар­
монический ряд Фурье.
Статистическая обработка записей путеизмери­
тельного вагона выполняется на компьютере. Обра­
ботка состоит из введения записи в компьютер и рас­
четов статистических характеристик. При оборудова­
нии путеизмерительного вагона бортовой ЭВМ введе­
ние записи осуществляется сразу непосредственно на
вагоне. При отсутствии бортовой ЭВМ введение запи­
си в компьютер для расчетов выполняется с бумажной
ленты дигитайзером (преобразователем графиков
планшетного типа).
При введении записи в компьютер через
дигитайзер для исключения ошибок ввод выполняется
дважды и запись при отсутствии грубых различий ус­
редняется.
Особое внимание при обработке обращается на
правильность привязки записей по месту, которое мо­
жет контролироваться положением кривых, мостов и
т.п. Точность привязки должна обеспечиваться в пре­
делах ± Юлш.
Обработке подлежит запись просадок на всем
протяжении контролируемого участка земляного по­
лотна. Обрабатываются просадки наружной рельсовой
нити. Результаты расчетов величин ССКО и спек­
тральной плотности после обработки исходных запи­
сей переводится в виде графиков и таблиц (рис.8.8 8 . 10).
197
8+00
9
10
1
2
3
4+00
Т абл и ц а зн а ч ен и й С С К О у ч а с т к а [2 2 6 3 8 0 6 2 | / |И ю л 1 ]
(63 км П К 8 + 0 0 - 6 4 к м П К 4+ 00)
N
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
2,01
2,06
2,10
1,84
1,85
1,74
1.72
1.71
1,66
1.53
10
1,56
1,60
1,70
1,80
1,89
1,72
1.77
1.63
1.64
1.67
20
1,76
1,76
1,76
1,70
1,58
1.45
Рис. 8.8. Форма представления результатов расчета ССКО
процессов просадок
198
Приращение CKO просадок участка [22638062] / [Май] - [Июл]
Т а б л и ц а зн а ч ен и й п р и р а щ ен и я С С К О
у ч а с т к а [2 2 6 3 8 0 6 2 ] / [М ай1] / [И ю л1]
(6 3 км П К 8 + 00 - 6 4 км П К 4+00]
N
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
-0,05
-0,03
0,25
-0,16
-0,09
-0,14
-0,08
-0,05
0,15
-0,11
-0,20
-0,25
-0,10
0,13
-0,22
-0,02
-0,06
-0,19
-0,12
0,16
0,14
0,09
0,09
10
0,07
20
0,07
0,06
Рис. 8.9. Форма представления результатов расчета приращения
ССКО процессов просадок
199
Спектральная плотность просадок участка [22638062] / [Июл]
0,700
1
21
41
61
Т абли ца зн а ч ен и й сп ектр ал ьн о й п лотн ости п р о садо к
у ч а с тк а [2 2 6 3 8 0 6 2 ] / [И ю л1]
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
L, ш
0,0
256,0
128,0
85,3
64,0
51,2
42,7
36,6
32,0
28,4
S
1,465
0,376
0,359
0,364
0,263
0,262
0,236
0,175
0,229
0,276
N
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
L, m
25,6
23,3
21,3
19,7
18,3
17,1
16,0
15,1
14,2
13,5
S
0,475
0,334
0,228
0,206
0,221
0,328
0,407
0,231
0,249
0,362
N
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
L, m
12.8
12,2
11,6
11,1
10,7
10,2
9,8
9,5
9,1
8,8
S
0,245
0,522
0,438
0,273
0,387
0,101
0,262
0,425
0,17)
0,252
..
Рис. 8.10. Ф ор м а п р ед ста в л ен и я р езул ь татов р асч ет а сп ек траль­
н ой п л о тн о сти п р о ц ес с о в п р о са д о к
200
Записи обрабатываются по одному проходу в
месяц в течение периода наблюдения за участком, ко­
торый определяется в зависимости от возможных де­
формаций.
Параметры обработки величины ССКО прини­
маются Ь=50м и Д = 10м м или Ь=100м и Д = 20м м в за­
висимости от протяженности участка и вида деформа­
ции. Вычисление спектральной плотности проводится
при разложении записи просадок в ряд Фурье с 256
гармониками для участков 300м и длиннее и 128 гар­
мониками для более коротких участков.
По результатам вычисления величин ССКО на­
мечают участки с плохим состоянием пути, на кото­
рых ССКО превышает значение 3,0мм, а также участ­
ки, где положение рельсовой колеи нестабильно.
К последним относят участки с приращением
ССКО за месяц больше величины +0,3мм. На них ана­
лизируется спектральная плотность и если отмечаются
упорядочение спектра с преимущественным ростом
гармоник в диапазоне средних и длинных просадок, то
это свидетельствует о нестабильности земляного по­
лотна. Пример спектра характерного при нестабиль­
ном состоянии грунтов тела высокой насыпи, приве­
ден на рис.8.11.
201
Спектральная плотность просадок участка [ ] 2844062] / [Сен]
1
I hi
1 ...
1
I
1
i
L
и
21
'■
llil. -hi, ll, ll
41
61
Таблица значений спектральной плотности просадок
участка [12844062] / [Сен 1]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
L, m
0,0
256,0
128,0
85,3
64,0
51,2
42,7
36,6
32,0
28,4
S
0,497
0,255
0,174
0,434
0,280
0,260
0,333
0,296
0,269
0,449
N
11
12
13
14
15
16
N
17
18
19
20
13,5
L, m
25,6
23,3
21,3
19,7
18,3
17,1
16,0
15,1
14,2
S
0,497
0,454
0,239
0,236
0,513
0,187
0,396
0,207
0,602
0,530
N
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
L, m
12,8
12,2
11,6
11,1
10,7
10,2
9,8
9,5
9,1
8,8
S
0,581
1,040
0,660
0,755
0,383
0,336
0,207
0,153
0,212
0,318
N
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
L, m
8,5
8,3
8,0
7,8
7,5
7,3
7,1
6,9
6,7
6,6
S
0,191
0,248
0,284
0,498
0,159
0,245
0,084
0,051
0,325
0,231
N
41
42
434
44
45
46
47
48
49
50
L, m
6,4
6,2
6,1
6,0
5,8
5,7
5,6
5,4
5,3
5,2
0,052
0,175
S
0,321
0,220
0,186
0,169
0,122
0,118
0,046
0,107
Рис. 8.11. Характерный спектр при нестабильном состоянии
насыпи
202
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика.
Термины и определения. М.: Изд. стандартов, 1990, 13
с.
2. Балух X. Диагностика верхнего строения пути.
/ Под ред. М.Ф Вериго. М.: Транспорт 1981, 415с.
3. Коншин Г.Г. Диагностика и прогнозирование
эксплуатационного состояния земляного полотна же­
лезных дорог. Диссертация на соискание ученой сте­
пени докт. техн. наук М: ВНИИЖТ, 1986,456 с.
4. Коншин Г.Г. Вибросейсмическая диагностика
эксплуатируемого земляного полотна. Монография.
ВНИИЖТ, М: Транспорт, 1994,216с.
5. Инструкция по содержанию земляного полот­
на железнодорожного пути Ц П - 544 МПС России. М.:
Транспорт, 1998,189 с.
6. Методические рекомендации по геофизиче­
скому обследованию насыпей железных дорог. М:
ЦНИИС, ВНИИЖТ, 1975, 74с.
7. Коншин Г.Г., Круглый А.Г. Применение
сейсмического метода для зондирования железнодо­
рожных насыпей. М.: Вестник ВНИИЖТа №8, 1975,с.
37-41.
8. Коншин Г.Г., Круглый А.Г. Сейсмический ме­
тод определения деформаций эксплуатируемых насы­
пей из связных грунтов. Труды ЦНИИ МПС, вып. 565,
М.: Транспорт, 1976, с. 165-179.
203
9. Коншин Г.Г. Эффективность применения гео­
физических методов при инженерно-геологическом
обследовании земляного полотна. Труды ЦНИИ МПС,
вып. 565.М.: Транспорт, 1976, с.153-165.
10. Коншин Г.Г. Сейсмическая и электрическая
георазведка. М.: Путь и путевое хозяйство, № 9 , 1977,
с. 14-16.
^
11. Коншин Г.Г. Сейсмическая разведка источ­
ников увлажнения грунтов земляного полотна. М.:
Вестник ВНИИЖТа, №1,1978,с.44-47.
12. Методические указания по применению
сейсмического метода при обследовании эксплуати­
руемых железнодорожных насыпей. Главное управле­
ние пути МПС, ВНИИЖТ. М.: ВНИИТЭМР, 1979,59с.
13. Коншин Г.Г., Круглый А.Г. Оценка прочно­
стных показателей грунта железнодорожных насыпей.
М.: Вестник ВНИИЖТа. № 8, 1979, с.39-42.
14. Коншин Г.Г. Экономическая оценка эффек­
тивности применения геофизических методов при ин­
женерно-геологических изысканиях для строительства.
М.: Транспортное строительство, № 11,1979, с.38-39.
15. Коншин Г.Г., Нагорная Е.А. Новая мето­
дика обследования насыпей. М: Путь и путевое хозяй­
ство, № 3,1980, с.21-24.
16. Коншин Г.Г. Оценка состояния земляного
полотна по параметрам колебаний грунта от воздейст­
вия динамической нагрузки. Сб. Динамика оснований,
фундаментов и подземных сооружений, Ташкент,
1981, с.289-291.
204
17. Коншин Г.Г. Контроль состояния эксплуати­
руемых насыпей по методике сейсмического просве­
чивания. М.: Вестник ВНИИЖТа, № 5 1981, с. 54-58.
18. Коншин Г.Г. Исследование трещин и зон
трещиноватости в земляном полотне сейсмоакустическими методами. М.: Вестник ВНИИЖТа, №5 1981, с.
54-58.
19. Коншин Г.Г. Новые методы диагностики
железнодорожного земляного полотна. Бюллетень
ОСЖД. Варшава, № 5,1983, с. 8 -11.
20. Руководство по электроконтактному дина­
мическому зондированию грунтов. М.: ЦНИИС,
1983,62 с.
21. Коншин Г.Г. Исследование зависимости па­
раметров упругих волн от прочностных показателей
грунта насыпей. М.: Вестник ВНИИЖТа №Зс.48-51.
22. Методические указания по вибрационной
диагностике насыпей при воздействии поездной на­
грузки. Главное управление пути МПС, ВНИИЖТ. М.:
1985,52 с.
23. Методические указания по способам сейс­
мического контроля эксплуатационного состояния же­
лезнодорожного земляного полотна. Главное управле­
ние пути, МПС,ВНИИЖТ. М.:ВНИИТЭМР 1985, 47с.
24. Коншин Г.Г. Диагностика земляного полотна
на закарстованных участках. Железнодорожный
транспорт, сер. Путь и путевое хозяйство. М.: Экс­
пресс-информация, выпуск №6,1987,с. 15-21.
205
25. Коншин Г.Г. Вибрационный метод кон­
троля и прогнозирование состояния земляного полот­
на. Бюллетень ОСЖД. Варшава, №5,1988, с. 10-14.
26. Коншин Г.Г. Исследование реакции грунтов
железнодорожных насыпей на динамические воздей­
ствия с использованием упругой слоисто-блоковой
модели. М.: Вестник ВНИИЖТа, №6 1988, с 43-46.
27. Коншин Г.Г. Моделирование процессов по­
вреждения железнодорожных насыпей. М.: Вестник
ВНИИЖТа ,№1 1989, с.50-55.
28 . Коншин Г.Г. Способы прогнозирования де­
формируемости высоких насыпей в эксплуатационных
условиях. Железнодорожный транспорт, сер. Путь и
путевое хозяйство. М.: Экспресс-информация, вып.З,
1989. с.11-18.
*...............................
29. Коншин Г.Г. Принципы метода вибрацион­
ной диагностики железнодорожных насыпей и крите­
рии оценки их эксплуатационного состояния. Сб. На­
уч. трудов ВНИИЖТа. Прогресссивные способы и тех­
нологические процессы повышения стабильности
земляного полотна и балластного слоя. Под ред. Г.Г.
Коншина. М.: Транспорт, 1989,с. 5-25.
30. Коншин Г.Г., Круглый А.Г.,Аникин О.П.
Применение сейсмических методов для диагностики
земляного полотна на закарастованных участках же­
лезных дорог. Сборник научных трудов ВНИИЖТа
(см.пункт 29) М.: Транспорт, 1989,с.26-42.
31. Коншин Г.Г. Способ прогнозирования
внезапных деформаций высоких насыпей при движе­
206
нии поездов. Сб. научных трудов ВНИИЖТа (см.
пункт 29). М.: Транспорт, 1989, с. 73-86.
32. Коншин Г.Г., Аникин О.П., Круглый А.Г.
Сейсмометод на Байкало-Амурской. Путь и путевое
хозяйство, №6,1990,с.20-21.
33. Коншин Г.Г. Сейсмическая диагностика земля­
ного полотна М.: Железные дороги мира, №2,1991, с.2-8.
34. Коншин Г.Г. Диагностика эксплуатируемых
насыпей с использованием амплитудно-частотных ха­
рактеристик упругих волн. Межвуз.сб. науч. трудов,
вып. 844, М.: МИИТ, 1992,с.70-80.
35. Коншин Г.Г. Диагностика состояния желез­
нодорожных насыпей с применением сейсмичного ме­
тода. Метод, указ. к курсовому и дипломному проек­
тированию. М.: МИИТ, 1992, с.56.
36. Канарейкин Б.А., Курбатский В.Н., Ким А.Ф.
Опыт использования сейсмотомографии при изучении
строения железнодорожных насыпей. Изв. вузов.
Строительство. Новосибирск, №1 1993, с. 133-139.
37. Коншин Г.Г., Круглый А.Г. Диагностика
земляного полотна. М.: Путь и путевое хозяйство, №4,
1995, с.28-29.
*
38. Технические указания по организации кон­
троля за стабильностью высоких насыпей на прочном
основании. М.: МВПИНСОФТ, 1995, с. 44.
39.Коншин Г.Г. Система диагностики земляного
полотна в современных условиях эксплуатации желез­
ных дорог. Юб. сб. науч. тр., вып. 901, М.: МИИТ,
1996, с. 32-36.
207
40. Коншин Г.Г. Радиолокационный метод экс­
пресс диагностики земляного полотна. Юб. сб. науч.
тр., вып.901. М.: МИИТ, 1996, с. 37- 41.
41. Временные методические указания по оценке
качества основания железнодорожного пути. Главное
управление пути МПС,ВИИЖТ, М.: ВНИИЖТ,
1996,34 с.
42. Коншин Г.Г., Круглый А.Г., Михайлов С.И.
Компьютерная сейсмодиагностика. М.: Путь и путевое
хозяйство, №12, 1997, с. 14-15.
43. Коншин Г.Г. Радиолокация земляного полот­
на. М.: Путь и путевое хозяйство, №11, 1997, с.26-29.
44. Технические указания по применению георадиолокационного метода для диагностики земляного
полотна.
Департамент
пути
и
сооружений
МПС,ВНИИЖТ, М.: МВП ИНСОФТ, 1997, 24 с.
45. Нормы несущей способности и методика рас­
чета земляного полотна для скоростных линий (Нормы
и методика для опытной проверки). Департамент пути
и сооружений МПС, ВНИИЖТ. М.: 1999, 12 с.
46. Канаев Б.Ф. ,Певзнер В.О., Пешков П.Г.,
Зензинов Б.Н., Сергеева Ю.Н. Методика комплексной
оценки подрельсового основания. Путь и путевое хо­
зяйство, № 2, 1999,с. 11-13.
47. Ким.А.Ф. Геоинформационная система зем­
ляного полотна. Путь и путевое хозяйство,№ 4, 1999,
с. 18-22.
48. Положение по оценке состояния и содержа­
ния земляного полотна (для опытного применения).
208
Департамент пути и сооружений МПС ВНИИЖТа, М:
Транспорт, 2000, 54с.
49. Технические указания по инструментальной
диагностике земляного полотна. Департамент путей и
сооружений МПС, ВНИИЖТ.М.: ИПП Куна, 2000, 61с.
50. Гольдман В.Н., Сакович JI.A., Ефремов И.Н.
Специальная реперная система. М.: Путь и путевое хо­
зяйство, № 6,2001,с. 12-15.
51. Ашпиз Е.С. Мониторинг земляного полотна
при эксплуатации железных дорог. Монография. М.:
Путь-пресс, 2002, 112с.
52. Бугаенко В.М. Развитие системы диагности­
ки пути и сооружений. Путевые машины. Тр. 1-ой на­
учно-практической конференции. Изд. АКФ « Поли­
гон», Калуга, 2002, с.22-43.
53. Осипов В.В., Малючков С.С, Пахомов А.Г.
Устройство для непрерывного измерения упругой осадки
подшпального основания железнодорожного пути. Путе­
вые машины. Тр. 1-ой научно-практической конферен­
ции. Изд. АКФ «Полигон» Калуга, 2002, с. 146-154.
54. Ким А.Ф. Земполотно. Новые технологии
технического обеспечения. Новосибирск: Изд. СГУПСа,2002, 128с.
55. Левинзон М.А., Лазаренко Ю.М., и др. Ди­
агностический поезд ВНИИЖТа. Путь и путевое хо­
зяйство , № 10, 2002, с.24-25.
56. Осипов В.В., Малючков С.С, Петреев А.В.,
Иванов П.В.Геотехнический мониторинг земляного
полотна. Путь и путевое хозяйство. №6, 2002, с. 27-30.
209
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................................................3
1. Общие сведения о диагностике пути....................5
1.1. Основные термины и определения технической
диагностики......:.......................................................... 5
1.2. Связь между состояниями верхнего строения
пути и земляного полотна........................................ 7
1.3. Классификация технических состояний пути..... 9
2. Принципы и содержание современной
диагностики земляного полотна.........................13
2.1. Общая характеристика состояния
эксплуатируемого земляного полотна ............... 13
2.2. Система диагностики земляного полотна
и составляющие ее элементы ............................... 16
2.3. Традиционные методы наблюдений,
обследований и контроля ................. .................... 19
2.3.1.Методы эксплуатационных наблюдений..........19
2.3.2.Инженерно-геодезические методы....................23
2.3.3..Инженерно-геологические методы....................24
2.4. Общие сведения о геофизических методах........28
З.Электрометрический м етод.................................. 34
3.1 .Физические основы метода ....................................34
3.2. Геоэлектрическая модель земляного полотна ... 36
3.3. Схемы наблюдений и измерительная
аппаратура...................................................................38
3.4. Решаемые задачи и примеры практического
применения электроразведки................................42
210
4. Метод электроконтакгного динамического
зондирования (Э Д З)...............................................52
4.1. Сущность метода и описание установки ЭДЗ ... 52
4.2. Технология работ и методика обработки
данных Э Д З ............................................................... 55
4.3. Решаемые задачи и примеры практического
применения Э ДЗ........................................................57
4.3.1. Определение мощности дренирующеего
слоя и состояния грунтов откосов насыпи .... 59
4.3.2. Определение величины осадки насыпи
в торф........................................................................ 62
4.3.3. Оценка показателей свойств грунтов............... 64
5. Радиолокационный метод экспресс
диагностики ............................................................. 69
5.1.Физические основы м етода....................................69
5.2. Измерительные средства и технология работ ... 73
5.3. Диагностические признаки радиолокационного
метода, решаемые задачи....................................... 85
5.4. Примеры практического применения
радиолокационного метода ...................................87
5.4.1. Оценка состояния балластного слоя
и основной площадки........................................... 87
5.4.2. Определение мощности балластного
шлейфа на откосе насыпи...................................90
5.4.3. Радиолокация основания земляного полотна
в сложных инженерно геологических
условиях ................................................................. 90
211
6. Сейсмический метод диагностики .......................96
6.1.Теоретические и физические основы
сейсмического метода....................................... ....... 96
6.2. Сейсмическая аппаратура и методика
продольного сейсмического профилирования 102
6.3. Методика сейсмического просвечивания.........114
6.4. Классификация диагностических признаков
сейсмического м етода.......................................... 123
6.5. Сейсмодиагностика высокой
деформирующейся насыпи...................................125
6.6. Сейсмодиагностика основания земляного
полотна ..................................................................... 132
6.6.1. Определение зон трещиноватости
в основании насыпи .......................................... 132
6.6.2. Обнаружение карстовых образований
в основании земляного полотна......................135
7. Вибрационный метод функциональной
диагностики............................................................ 140
7.1. Принципы и физические основы
вибрационного м етода........................................ 140
7.2. Измерительные средства и методика работ.... 146
7.3. Классификация диагностических признаков
вибрационного м етода......................................... 149
7.4. Вибродиагностика насыпи после деформации
одного из её откосов..............................................160
7.5 Вибродиагностика насыпи вблизи аварийного
участка ....................................................................... 166
7.6. Вибродиагностика насыпи после устройства
контрбанкета............................................................174
212
8. Передвижные диагностические комплексы... 177
8.1. Вагон-лаборатория инженерно-геологического
обследования (ВИГО) земляного полотна...... 177
8.2. Передвижные нагрузочные комплексы
(ПНК) .......................................................................182
8.2.1. Основы метода эталонных нагружений.........182
8.2.2. Лаборатория инженерно-геологического
обследования (ЛИГО)........................................ 183
8.2.3. Диагностический поезд ВНИИЖТа............... 189
8.2.4. Интерпретация результатов нагрузочных
испытаний ............................................................ 190
8.3. Вагоны-путеизмерители. Основные положения
методики оценки состояния земляного
полотна......................................................................193
Литература .....................................................................203
213
Св. план 2004 г., поз. 5
КОНШИН Генрих Георгиевич
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ
ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
Учебное пособие
Сдано в набор 21.09.04.
Формат 60x84/16.
Тираж 200 экз.
Подписано в печать 04.11.04.
Заказ - 701.
Цена 94 руб. 00 коп.
Усл.-печ. л. - 13,5._____________________________________________________________
127994, Москва, А-55, ул. Образцова, 15.
Типография МИИТа