Георадарный метод: фиксация неоднородностей грунта
{mosimage}Несовершенство системы изучения свойств грунтов, как показывает практика, достаточно часто приводит к повреждению зданий. Причем 80% нарушений целостности конструкции связано с неравномерной осадкой основания фундамента сооружения.
Досконально изучить свойства грунтов с помощью дискретной технологии исследования невозможно. Необходимо применять более совершенные методы, позволяющие исследовать грунтовые условия линейно, и в этом смысле большое будущее ожидает метод георадарного зондирования, утверждают участники прошедшего в столице форума-«круглого стола» «Современные подходы к предпроектной и проектной работе в строительстве. ПИР и организация строительства. Упрощение норм. Евростандарты».
Необходим комплексный подход
– Основная задача любого нормативного документа, в частности при геотехнических исследованиях, состоит в предоставлении достоверной и исчерпывающей информации, обеспечивающей процесс проектирования и строительства зданий и сооружений и не теряющей своей актуальности на весь период их эксплуатации, – считает Александр Кремнев, доцент кафедры строительных конструкций Полоцкого государственного университета. – Сложность решения данной задачи в том, что исследуемая грунтовая среда (верхняя часть коры литосферы) является естественным историческим образованием и характеризуется бесконечным разнообразием, созданным природой. Свойства этой среды постоянно меняются благодаря техногенному воздействию на нее человека.
Соответственно, получить достоверную и исчерпывающую информацию о состоянии грунта можно лишь при комплексном и всестороннем подходе к его изучению. Для этого следует собрать все данные о грунтовой среде, учесть сведения прошлых изысканий и опыт строительства в аналогичных грунтовых условиях, а также опыт обследования зданий и сооружений, расположенных вблизи рассматриваемой площадки строительства. Кроме того, необходимо применять различные методы исследований, что позволит избежать рисков и наступления «предельных» состояний зданий и сооружений.
Проблема застроенных территорий
Возникновение повреждений в зданиях, по мнению ученого, предопределяется субъективными и объективными причинами. К первой группе он относит элементарное невыполнение требований норм проектирования, связанное с низкой трудовой дисциплиной работников изыскательских организаций, недостаточным опытом проектировщиков и технической безграмотностью специалистов, эксплуатирующих здание. Объективные же причины кроются как раз в несовершенстве методов исследований грунтовой толщи оснований. При традиционной дискретной технологии изучения грунтов (бурение скважин) экспертиза требует проведения лабораторных испытаний не менее чем шести образцов одного и того же грунта, чтобы получить характеристики с достаточно высокой доверительной вероятностью. Проблема, однако, в том, что уйдя чуть в сторону от скважины, можно получить совершенно другие показатели, не соответствующие этой доверительной вероятности. Таким образом, невозможно избежать возникновения ошибок на стадии инженерно-геологических изысканий.
– Эта проблема стоит особенно остро при проведении изысканий на застроенных территориях, например в городах с древней историей, где толщина культурного слоя может достигать 4-5 метров и более, – добавил Александр Кремнев. – Природа и человек создают такую неравномерность грунта, что его свойства могут разительно отличаться буквально в метре друг от друга. Например, при строительстве одного здания в Полоцке под одним из его углов обнаружили выгребную яму глубиной 5 метров, и угол пришлось усиливать. При возведении другого сооружения обнаружили посреди него старый разрушенный сруб. Встречаются и старые подземные ходы, ведь Полоцк богат историей.
Улучшить ситуацию можно двумя путями. Как экстенсивный вариант можно еще более ужесточить требования отечественных строительных норм, запротоколировав обязательное расстояние между скважинами в несколько метров, что приведет к увеличению стоимости проведения изыскательских работ и в целом не улучшит положения. Интенсивный вариант решения проблемы, по мнению ученого, состоит в применении более совершенных методов, которые позволят изучить грунтовые условия линейно, то есть с построением пространственной инженерно-геологической модели. Способствовать этому может метод георадарного зондирования.
В основе – метод радиолокации
Георадарное зондирование – это геофизический метод сканирования верхних слоев земной коры. Данный метод достаточно широко применяется за рубежом для решения геотехнических, геологических, экологических, инженерных и других задач. Прямое назначение метода – обнаружение и фиксация неоднородностей и локальных объектов в подземной среде. Задачей метода становится восстановление структуры подземной среды по данным георадара, и это задание самое сложное, выполнение которого во всем мире находится на стадии развития.
Принцип действия георадара основан на методе радиолокации. Передатчик посылает сигнал – излучает в зондируемую среду сверхширокополосные электромагнитные импульсы, а приемник фиксирует сигналы, отраженные от неоднородностей и объектов, расположенных в грунте. Один акт посылки-приема сигнала в записанном виде называется трассой. Из множества таких трасс, зафиксированных в процессе движения георадара, составляется профиль – радарограмма, которая во время зондирования в реальном времени отображает информацию на дисплее.
По скорости возвращения отраженного сигнала и его амплитуде, отображаемых в виде графика, можно судить о плотности среды и ее границах. При наличии в земной толще какого-либо объекта на графике происходит скачок амплитуды, наглядно показывающий его местоположение. От выбранной частоты посылаемого сигнала зависит глубина исследуемой толщи и разрешающая способность радарограммы. Чем ниже установленная частота, тем большую глубину земной толщи можно исследовать, но при этом достаточно резко падает разрешающая способность. И наоборот, чем выше частота, тем лучше разрешение, но меньше глубина исследуемой толщи. Таким образом, для каждой конкретной задачи нужно определять свои частоты для зондирования.
Для поиска протечек и захоронений
Кроме частоты посылаемого сигнала, на результаты зондирования влияют также свойства исследуемой среды. Основных параметров при этом два: диэлектрическая проницаемость и электропроводность среды. От диэлектрической проницаемости, измеряемой в пределах от 1 у воздуха до 81 у воды, зависит скорость электромагнитной волны в изучаемой среде и разрешение данных. Чем выше этот параметр, тем меньше скорость волны, но выше разрешение. Поскольку вода обладает максимальным значением диэлектрической проницаемости, то при обследовании рыхлых грунтов особое значение имеет их влажность. Электропроводность среды влияет на затухание волн в изучаемой среде. Грунт с высоким значением электропроводности не способен проводить электромагнитную волну, вся энергия которой в данном случае переходит, условно говоря, в электрический ток. Георадар не способен принимать электрический сигнал, поэтому среды с высоким значением электропроводности непригодны для георадарного зондирования.
С помощью геофизического метода сканирования определяют мощность водного слоя и картируют донные отложения, обследуют инженерные сооружения. Применяют георадарное зондирование среды и для поиска металлических и неметаллических трубопроводов и мест их протечки; для определения границ распространения углеводородных загрязнений; поиска в земной коре выемок, погребенных отходов и захоронений, то есть для исследования культурного слоя.
– В пределах городов методом георадарного зондирования можно обнаружить подземные коммуникации, в том числе и заброшенные, а также подземные ходы и старые фундаменты, – отметил Александр Кремнев. – Он помогает отыскать дефекты в процессе строительства или эксплуатации в конструкциях автомобильных и железных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов. Кстати, именно дорожники стали пионерами в области закрепления этого метода в нормативных документах. В российских нормах прописаны и этапы зондирования, и предполагаемые к получению результаты. Без этого метода достаточно сложно построить достоверный разрез.
Ученый привел примеры использования георадара при зондировании свайного поля на территории ОАО «Полоцк-Стекловолокно» для определения местоположения свай и глубины их заложения. Выяснение длины и количества свай в ленточном свайном фундаменте мастерских УО «Полоцкий государственный университет» помогло определить возможность выполнения в здании надстройки.
Георадар – не панацея
– Используя метод георадарного зондирования, нужно понимать, что луч посылаемого сигнала достаточно узкий (примерно полметра), и он может четко строить профиль или радарограмму непосредственно под приемником и излучателем, – заметил полоцкий специалист. – Если вы пройдете рядом со сваей на расстоянии 50 см, то не обнаружите ее. Чтобы отыскать объект, нужно пройти вплотную к нему. Тем не менее, для прохождения 50 метров трассы необходимо буквально несколько минут, и этот метод все равно будет дешевле и быстрее, чем при бурении скважин на расстоянии метра-двух друг от друга.
Радар с большим комплектом антенн для различных целей стоит 300 тысяч долларов. В этот комплект входит оборудование, позволяющее увидеть, как выполнено армирование в железобетонной плите, и определить, есть ли в ней дефекты. Минимальный комплект с 3-4-мя антеннами для инженерно-геологических изысканий будет стоить примерно 100 тысяч долларов.
Зондирование хорошо применять, когда вблизи нет зданий, которые наводят отраженный сигнал, создавая на профиле горизонтальные полосы наклонного очертания. Бороться с этим недостатком довольно трудно, особенно при проведении зондирования в помещениях.
В то же время, георадар не является альтернативой известным методам проведения геологических изысканий. Он пока не может дать картину четкого строения исследуемой среды по слоям и не определяет характеристики грунтов. Однако он весьма привлекателен как способ, опережающий инженерно-геологические изыскания, позволяя уже на стадии рекогносцировки определить, например, места с наиболее слабыми грунтами, или грунтами, вызывающими опасения.