Определение электрофизических свойств грунтов в откосных зонах земляного полотна при георадарном обследовании

В статье описан новый способ проведения георадиолокационного обследования откосных зон грунтовых объектов транспортной инфраструктуры. В литологическом разрезе этих объектов присутствуют субгоризонтальные и наклонные границы раздела грунтов, а также откосные зоны. Традиционные методы обследования (бурение, шурфование), а также стандартный метод георадиолокации позволяют достоверно обследовать на этих объектах, как правило, лишь зоны под горизонтальной основной площадкой земляного полотна и субгоризонтальные участки основания вне его границ. Обследование под наклонными поверхностями часто затруднено или технически – геофизические методы, также как и традиционные, дают весьма сложную для дальнейшей расшифровки исходную информацию. Разрезы заполнены переотражениями и помехами, а процесс их расшифровки связан с большими методическими проблемами.

В данной работе представлен новый способ определения скоростей распространения радиоволн в приоткосных зонах дорожного земляного полотна. Исходной информацией являются данные, полученные при обследовании методом общей глубинной точки (ОГТ), при этом применяется известная методика обследования и стандартный набор аппаратных средств. Новизна результатов статьи определяется разработанным авторами алгоритмом обработки результатов измерений. Выполненная на его основе программная реализация даёт возможность получения уравнения годографа с учётом наклона слоёв. Учтены определяющие геометрические характеристики насыпей – наличие откосов переменной крутизны. Предложена методика расчёта скорости распространения радиоволн для двухслойной среды с границей, наклонённой к поверхности сканирования. Выполнена проверка достоверности разработанного способа с помощью моделирования методом конечных разностей во временной области.

В статье приведены примеры практического применения разработанного метода при георадарном обследовании реальных объектов земляного полотна (объектов транспортной инфраструктуры). Предложенный в статье метод даёт возможность увеличения информативной площади обследуемых поперечников. При этом сохраняется точность георадарного метода, увеличивается зона его применения для получения достоверной информации до 60 % от площади поперечного сечения земляного полотна.

1. Владов М. Р., Старовойтов А. В. Введение в георадиолокацию. – М.: Издательство МГУ, 2004. – 153 с. [Электронный ресурс]: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-vladov-ml-starovojtov-av-vvedenie-vgeoradiolokaciyu-mmgu‑2004rutk155sgsp.pdf. Доступ 26.10.2020.

2. Пупатенко В. В., Сухобок Ю. А. Литологическое расчленение разреза по данным георадиолокации // Мир транспорта. – 2013. – № 3. – С. 154–161. [Электронный ресурс]: https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/395. Доступ 26.10.2020.

3. Pupatenko, V. V., Sukhobok, Y. A., Stoyanovich, G. M. Lithological Profiling of Rocky Slopes using GeoReader Software Based on the Results of Ground Penetrating Radar Method. Procedia Engineering. Transportation Geotechnics and Geoecology, TGG 2017, Saint Petersburg, Russia, 2017, Vol. 189, рр. 643–649. [Электронный ресурс]: https://www.researchgate.net/publication/ 317192027_Lithological_Profiling_of_Rocky_Slopes_using_GeoReader_Software_Based_on_the_Results_of_Ground_Penetrating_Radar_Method/fulltext/592c1845a6fdcc44435e788d/Lithological-Profiling-of-Rocky-Slopes-using-GeoReader-Software-Based-on-the-Results-of-Ground-Penetrating-Radar-Method.pdf. Доступ 26.10.2020. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.05.102.

4. Pupatenko, V. V., Sukhobok, Y. A., Stoyanovich, G. M., Stetsyuk, A. E., Verkhovtsev, L. R. GPR data interpretation in the landslides and subgrade slope surveys. Selected issues, MATEC Web of Conferences, 2019, Vol. 265, 03003. [Электронный ресурс]: https://www.matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2019/14/matecconf_gccets2018_03003.pdf. Доступ 26.10.2020. DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201926503003.

5. Стоянович Г. М., Пупатенко В. В., Сухо- бок Ю. А. Поиск погребённых льдов методом георадиолокации при реконструкции железных дорог // Второй Международный симпозиум земляного полотна в холодных регионах: Материалы симпозиума (Новосибирск, 24–26 сентября 2015 г.) / Под ред. проф. А. Л. Исакова и проф. Ц. К. Лю. – Новосибирск: СГУПС, 2015. – С. 78–83. [Электронный ресурс]: https://drive.google.com/file/d/1sCvggXDsUwAjwKmKVPC cIhqEEK9kK98Q/view. Доступ 26.10.2020.

6. Ground Penetrating Radar. Ed. by David J. Daniels. London, The Institution of Electrical Engineers, 2004, 734 p. DOI: 10.1049/PBRA015E.

7. Вопросы подповерхностной радиолокации: Коллективная монография / Под ред. А. Ю. Гринева. – М.: Радиотехника, 2005. – 416 с. [Электронный ресурс]: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-grinev-ayu-red-voprosy-podpoverxnostnoj-radiolokacii-mradiotexnika‑2005ruk3.pdf. Доступ 26.10.2020.

8. Попов С. В. Определение диэлектрической проницаемости по годографам дифрагированных волн в рамках модели наклонно-слоистой среды // Криосфера Земли. – 2017. – Т. XXI. – № 3. – С. 83–87. [Электронный ресурс]: https://docplayer.ru/85796845-Opredelenie-dielektricheskoypronicaemosti-po-godografam-difragirovannyh-voln-vramkah-modeli-naklonno-sloistoy-sredy.html. Доступ 26.10.2020.

9. Ground Penetrating Radar: Theory and Applications. Ed. by H. M. Jol. Amsterdam, Elsevier Science, 2009, 508 p. [Электронный ресурс]: http://bookfi.net/book/698213. Доступ 26.10.2020.

10. Старовойтов А. В. Интерпретация георадиолокационных данных: Учебное пособие. – М.: Издательство МГУ, 2008. – 192 с. [Электронный ресурс]: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-interpretaciya-georadiolokacionnyh-dannyh.pdf. Доступ 26.10.2020.

11. Бричева С. С. Разработка методики изучения криогенных объектов при помощи георадиолокации // Дис… на соискание учёной степени канд. геолого-минерал. наук. – М.: Издательство МГУ, 2018. – 169 с. [Электронный ресурс]: https://istina.msu.ru/download/102445811/1f4myB:4rMolfBksN6A7nUkgfjcfLhA50g/. Доступ 26.10.2020.

12. Forte, E., Pipan, M. Review of multi-offset GPR applications: Data acquisition, processing and analysis. Signal Processing, 2017, Vol. 132, рр. 210–220. [Электронный ресурс]: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165168416300494?via%3Dihub. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2016.04.011. Доступ 26.10.2020.

13. Dix, C. Seismic velocities from surface measurements. Geophysics, 1955, Vol. 20, No. 1, рр. 68–86. [Электронный ресурс]: https://ru.scribd.com/document/260551160/Seismic-Velocities-From-Surface-Measurements-C-Hewitt-Dix. Доступ 26.10.2020.

14. Сейсморазведка: Справочник геофизика / Под ред. И. И. Гурвича, В. П. Номоконова. – М.: «Недра», 1981. – 464 с. [Электронный ресурс]: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-seismorazvedkaspravochnik-geofizikapod-red-gurvicha-nomokonovamnedra.djv. Доступ 26.10.2020.

15. Forte, E., Dossi, M., Pipan, M., Colucci, R. R. Velocity analysis from common offset GPR data inversion: theory and application to synthetic and real data. Geophysical Journal International, 2014, No. 297, рр. 1471–1483. [Электронный ресурс]: https://www.researchgate.net/profile/Renato_Colucci2/publication/262980200_Velocity_analysis_from_common_offset_GPR_data_inversion_Theory_and_application_to_synthetic_and_real_data/links/559be0c408ae0035df2336dc/Velocity-analysis-fromcommon-offset-GPR-data-inversion-Theory-andapplication-to-synthetic-and-real-data.pdf. DOI:10.1093/gji/ggu103. Доступ 26.10.2020.

16. Saarenketo, T., Scullion, T. Road evaluation with ground penetrating radar. Journal of Applied Geophysics, 2000, Vol. 43, No. 2–4, рр. 119–138. [Электронный ресурс]: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092698519900052X?via%3Dihub. DOI: https://doi.org/10.1016/S0926-9851(99)00052-X. Доступ 26.10.2020.

17. Сухобок Ю. А., Курбатов М. С. Программный комплекс для информационного моделирования георадарных данных GeoReader // САПР и ГИС автомобильных дорог. – 2019. – № 2 (13). – С. 26–31. [Электронный ресурс]: http://www.cadgis.ru/2019/13/CADGIS‑2019–2(13)-04.Sukhobok-Kurbatov(GeoReader).pdf. DOI: 10.17273/CADGIS.2019.2.4. Доступ 26.10.2020.

18. Yilmaz, O. Seismic Data Analysis: Processing, Inversion, and Interpretation of Seismic Data. Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, OK, 2001, Vol. 1, 1028 p. DOI: https://doi.org/10.1190/1.9781560801580. Доступ 26.10.2020.

19. Warren, C., Giannopoulos, A., Giannakis, I. gprMax: Open source software to simulate electromagnetic wave propagation for ground penetrating radar. Computer Physics Communications, 2016, Vol. 209, pp. 163–170. [Электронный ресурс]: https://www.researchgate.net/profile/Antonios_Giannopoulos2/publication/308044720_gprMax_Open_source_software_to_simulate_electromagnetic_wave_propagation_for_Ground_Penetrating_Radar/links/57eb070208ae5d93a4815e1b/gprMax-Open-source-software-tosimulate-electromagnetic-wave-propagation-for-Ground-Penetrating-Radar.pdf. DOI: 10.1016/j.cpc.2016.08.020. Доступ 26.10.2020.