Способ измерения параметров слоев дорожной одежды
METHOD FOR MEASURING PARAMETERS OF PAVEMENT LAYERS

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации и может применяться при определении толщины слоев грунта, включая слои дорожной одежды, железнодорожной насыпи и глубины залегания отдельных объектов как искусственного, так и естественного происхождения, располагающихся в подповерхностном пространстве с целью повышении точности определения их глубины залегания.
Известно (Кулижников А.М. определение диэлектрической проницаемости материалов дорожной одежды по результатам георадиолокационных обследований на участках автомобильных дорог // Инженерные изыскания 11/2014, С. 46-52.), что одной из основных проблем при определении толщины слоев дорожной одежды при использовании радиолокатора подповерхностногозондирования (РПЗ) является отсутствие априорной информации о фазовой скорости распространения радиоволн в этих слоях, которая определяется электрическими характеристиками их материала. Поэтому при пересчете задержки сигналов, отраженных от границ слоев, например, дорожной одежды (ДО), в глубину их залегания возникают ошибки, которые могут достигать значительных величин, делая практически невозможным точное определение этой глубины. На данный момент практически единственным способом повышения точности определения границ залегания указанных слоев, например, применительно к слоям дорожной одежды является бурение кернов с последующей тарировкой радиолокационных данных. Понятно, что такой способ не позволяет точно определять указанные характеристики на большом участке дороги, так как электрические свойства дорожного покрытия не являются постоянными, а могут существенно меняться на разных ее участках.
Известен способ обследования земляного полотна железной дороги, включающий как георадарное обследование, так и использование данных бурения опорных скважин, описанный в ст.: Тренин В.В., Ершов Е.В. "Использование георадиолокации земляного полотна". - Путь и путевое хозяйство, 2007, №8, с. 29. На сложных участках для получения более объективной непрерывной информации о строении разреза применяют георадиолокационное обследование. Для этого использовался георадар «Зонд-12е», оснащенный экранированной антенной с частотой 750 МГц, работающей в отрыве от поверхности зондируемой среды. Радиолокационное обследование выполняют в непрерывном режиме. Антенну переносят вдоль оси пути или по бровке земляного полотна. По мере передвижения антенны сигнал в виде радиолокационного профиля отражается на экране ноутбука. Привязку к пикетам делают на радарограмме вручную
маркерами. Кроме того, маркерами отмечают начало и конец выемок, болот, положение искусственных сооружений. Все это впоследствии помогает интерпретировать георадарограмму. После окончания зондирования определенного участка пути профиль записывают на жесткий диск ноутбука. На следующем этапе обследования участки профиля с полезным сигналом, привязанные к пикетажу, соотносят с данными бурения опорных скважин, намечая при этом границы слоев грунта. В итоге получают непрерывный геологический разрез.
Известен способ комплексного обследования земляного полотна железных дорог (патент РФ № RU 2380472, 27.01.2010 г.), включающий бесконтактное георадиолокационное обследование, бурение скважин, регистрацию дефектов, анализ состояния по измеренным параметрам, вынос полученных данных на поперечный и продольный разрезы земляного полотна. Обследование земляного полотна железной дороги проводится последовательно, комплексно с предварительной обработкой и анализом полученных материалов для выявления аномальных участков и назначения контрольных точек бурения и дополнительных георадиолокационных профилей. Георадиолокационное обследование осуществляется с выделением слоев с различной диэлектрической проницаемостью. Бурение проводят не только в пределах выявленных аномальных зон, но и на каждом километре обследуемого участка. Бурение проводят по балластному слою с помощью ручного бурового комплекта с описанием загрязненности щебня, размера фракций и литологии, с описанием гранулометрического состава, влажности, плотности, консистенции грунтов. Полученные результаты измерений выносятся на утрированный продольный профиль пути.
Описанные способы, включающие этап бурения опорных скважин, при обследовании насыпи имеют тот недостаток, что бурение скважин и анализ строения и состава насыпи по результатам бурения достаточно трудоемкий процесс и требует больших затрат времени как в период полевых работ, так и на камеральную обработку материалов.
В качестве наиболее близкого аналога выбран георадарный способ определения диэлектрической проницаемости материалов дорожной одежды по результатам георадиолокационных обследований на участках автомобильных дорог (статья: «Кулижников A.M., Определение диэлектрической проницаемости материалов дорожной одежды по результатам георадиолокационных обследований на участках автомобильных дорог // Инженерные изыскания, №11,2014 г. С. 46-52»), основанный на анализе электромагнитных сигналов, регистрируемых приемной антенной георадара, численной обработке амплитуды электромагнитных сигналов на ЭВМ и сравнения с
градуировочными зависимостями, получаемыми из кернов пород дорожной одежды методом бурения скважин.
Недостатком данного способа является то, что в нем используется априорная информация в виде данных о глубинах расположения и толщинах слоев дорожной одежды, взятых из кернов их пород методом бурения небольших скважин для калибровки данных георадарного зондирования. Это не позволяет проводить оценку параметров дорожной одежды оперативно и без нарушения ее целостности. Кроме того, информация, полученная из одного керна, используется для калибровки георадарных данных на сравнительно большом отрезке дороги, что приводит к дополнительным погрешностям в оценке параметров дорожной одежды вследствие пространственной их изменчивости. Это вынуждает увеличивать число кернов, что в свою очередь увеличивает стоимость работ и снижает качество дорожного покрытия.
Задачей изобретения является создание нового способа определения толщины слоев дорожной одежды с использованием георадарного зондирования на основе зондирующего сигнала со ступенчатым изменением несущей частоты в заданном диапазоне.
Технический результат заключается в определении глубины залегания и толщин слоев дорожной одежды решением обратной задачи - определением указанных параметров дорожной одежды непосредственно из георадарных данных без бурения и взятия кернов образцов пород дорожной одежды. Для этого используется новый способ обработки георадарных сигналов, основанный на анализе расширения или сужения ширины пиков отраженных сигналов, соответствующих границам слоев с разными значениями их диэлектрической проницаемости, вследствие изменения соответствующих углов преломления радиоволн.
Реализация заявляемого способа позволяет следующее:
- Проводить обследование дорожной одежды и ж.д. насыпи оперативно, бесконтактно и неразрушающим способом.
- Увеличить надежность и точность определения глубины залегания и толщин слоев с помощью георадарного зондирования без априорной информации на основе бурения и взятия кернов образцов пород.
- Повысить эффективность, качество и информативность обследования насыпи железных дорог и автодорог.
Технический результат достигается предлагаемым способом измерения параметров слоев дорожной одежды георадарным зондированием, заключающимся в том, что:
- посредством георадара со ступенчатым изменением несущей частоты, осуществляют георадарное зондирование подповерхностной структуры слоев дорожной одежды при движении георадара вдоль выбранного профиля дороги,
- осуществляют пространственную привязку каждой точки зондирования к соответствующим пространственным координатам и принимаемым сигналам;
- полученные сигналы запоминают в памяти компьютера или любого запоминающего устройства.
После окончания зондирования в каждой точке зондирования определяют:
- ширину пятна в метрах, которое освещает диаграмма направленности (ДН) антенны по уровню 0,5 на поверхности дороги и угол падения ϕ, под которым конус ДН по уровню 0,5 пересекает поверхность дороги;
l
- ширину пика сигнала ΔS, отраженного от нижней границы первого от поверхности слоя дорожного одеяла, по уровню 0,5 от максимального значения;
1
- по ширине пика сигнала ΔS определяют угол преломления θ радиоволн в первом слое используя формулу:
ant
аk
2
где  σ - среднеквадратичное значение ширины диаграммы направленности антенны георадара, σ — дисперсия гауссового распределения, использованного для аппроксимации функции Ф(r),  - эффективная высота расположения антенны над поверхностью дороги, связанная с углом преломления θ следующей формулой:
которая определяет ширину автокорреляционной функции зондирующего сигнала по уровню 0,5 при отражении от распределенной границы какого-либо слоя в рассматриваемой среде с эффективной высотой антенны  который был бы равен измеренному отклику, если бы антенна располагалась на этой высоте;
2
- используя формулу Френеля  определяют диэлектрическую проницаемость ε указанного слоя;
d
- по значению этой диэлектрической проницаемости определяют коэффициент замедления фазовой скорости распространения радиоволн K в указанном слое по формуле:
d
- зная коэффициент замедления фазовой скорости распространения радиоволн K, определяют толщину первого слоя дорожной одежды по формуле:
повторяют описанную процедуру в каждой точке зондирования для всех слоев, толщину которых необходимо определить. Изобретение поясняется графически.
На фиг. 1 показана схема лучей радиоволн при прохождении слоев дорожной одежды. На фиг. 2 показана схема учета расширения Функции неопределенности зондирующего сигнала при отражении от поверхностно распределенной границы слоя. На фиг. 3 представлена зависимость ширины функции неопределенности зондирующего сигнала (ширины пика) от высоты антенны над поверхностью грунта. На фиг. 4 - радиолокационные сигналы, отраженные от слоев дорожной одежды.
Последовательность действий по предлагаемому способу.
С использованием георадара со ступенчатым изменением несущей частоты, который обеспечивает когерентный режим работы в задаваемом диапазоне частот, осуществляют георадарное зондирование подповерхностной структуры грунта в дискретных точках при движении георадара вдоль выбранного профиля. Дискретный шаг перемещения антенны георадара выбирают исходя из получения требуемой детализации данных. Кроме того, осуществляют пространственную привязку каждой точки зондирования к соответствующим пространственным координатам и принимаемым сигналам.
Получаемая информация в виде комплексных сигналов с выхода фазового детектора приемника в дискретной форме запоминается в памяти компьютера или любого запоминающего устройства.
Для идентификации и измерения толщины слоев дорожной одежды предлагается следующий способ. Известно [Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. Под ред. B.C. Кельзона. - М.: Изд-во «Советское радио», 1971, 558 с.], что ширина отклика принимаемого сигнала (или иначе ширина сечения функции неопределенности зондирующего сигнала в плоскости оси дальности) при отражении от какого-либо точечного объекта определяется шириной спектра зондирующего сигнала и коэффициентом замедления фазовой скорости распространения в среде по формуле:
d
где Δƒ - ширина спектра зондирующего сигнала, K - коэффициент замедления в среде, с - скорость света.
Ширина отклика сигнала, отраженного плоской границей между слоями дорожной одежды увеличивается вследствие поверхностно распределенного отражения и
определяется шириной диаграммы направленности антенны, высотой ее расположения над поверхностью и диэлектрическими свойствами рассматриваемого слоя. Зная высоту расположения антенны над поверхностью дороги и ее диаграмму направленности можно определить ширину пятна на плоской поверхности, облучаемого ДН.
Далее учитывается то обстоятельство, что при прохождении границы поверхности дороги происходит явление фокусировки луча ДН (фиг. 1) за счет того, что относительная диэлектрическая проницаемость слоя асфальта значительно больше единицы. Это приводит к тому, что угол преломления для лучей, соответствующих конусу ДН антенны по уровню 0,5 мощности излучения становится меньше угла падения ϕ.
Угол падения ϕ, образованный пересечением линии конуса ДН и нормали к поверхности дороги, и соответствующий угол прохождения (преломления) радиоволн θ в слой асфальта в этом месте определяются формулой Френеля:
2
Следовательно, ширина пятна ДН на нижней границе слоя асфальта ΔS будет зависеть от относительной диэлектрической проницаемости слоя асфальта и его толщины. Кроме того, ширина нормированной функции неопределенности зондирующего сигнала по уровню 0,5 при отражении от этой границе (отклик) определяться также шириной пятна ДН (фиг. 2) на предыдущей границе (например, для первого слоя - это поверхность дороги).
Функция неопределенности зондирующего сигнала применительно к поверхностно распределенному объекту (граница слоя) в данном случае может быть упрощенно записана в следующем виде:
(3)
ant
где σ - среднеквадратичное значение ширины диаграммы направленности антенны георадара,  - эффективная высота расположения антенны над поверхностью дороги, связанная с углом преломления θ следующей формулой:
а
k
2
В целях упрощения, выражение для функции неопределенности зондирующего сигнала аппроксимировалось гауссовым законом с дисперсией σ.
Формула (3) определяет ширину функции неопределенности зондирующего сигнала по уровню 0,5 при отражении от распределенной границы какого-либо слоя в рассматриваемой среде с эффективной высотой антенны , который был бы равен измеренному отклику, если бы антенна располагалась на этой высоте.
Вычисляя ширину функции неопределенности зондирующего сигнала по уровню 0,5, определяемую выражением (3) при разных значениях эффективной высоты антенны  и сравнивая ее с измеренным значением ширины пика сигнала соответствующим рассматриваемой границе находят значение , при котором эти величины совпадают. Фактически описанный метод совпадает с одним из методов решения интегрального уравнения, определяющего ширину функции неопределенности зондирующего сигнала по уровню 0,5, получаемого из выражения (3), относительно
Далее находят угол прохождения (преломления) радиоволны θ в слой асфальта, соответствующий углу падения ϕ, образованного пересечением линии конуса ДН и нормали к поверхности дороги по формуле:
После чего определяют угол прохождения радиоволны θ, соответствующий диаметру пятна ДН антенны (углу падения ϕ), и относительную диэлектрическую проницаемость слоя асфальта из формулы (2).
d1
Затем определяют коэффициент замедления K по формуле  и далее по формуле (1) вычисляют точное значение толщины рассматриваемого слоя дорожной одежды.
Аналогично последовательно вычисляют коэффициенты замедления радиоволн и толщину в оставшихся слоях дорожной одежды, используя информацию о ширине пятна ДН антенны, вычисленную на границе предыдущей слоя.
В целях упрощения вычислений все указанные выше зависимости можно свести к одной номограмме, по которой можно определять коэффициенты замедления радиоволн в слоях дорожной одежды по измеренным значениям ширин откликов отраженных сигналов от границ слоев при известной высоте расположения антенны георадара над поверхностью дороги и ширине диаграммы направленности его антенны.
Пример.
На фиг. 4 на изображении амплитуд сигналов, отраженных от подповерхностной структуры дорожной одежды, выделены ширины пиков сигналов, отраженных от границ трех слоев ДО. Изображение построено в предположении, что распространение радиоволн
происходит в свободном пространстве. Граница первого находится на глубине около 50 см, второго - на глубине около 1,2 м и третьего - на глубине примерно 2 м. На фигуре также показаны ширины пиков по уровню 0,5 в виде отрезков сплошных линий. Видно, что ширина первого пика составляет примерно 0,45 м, что совпадает с разрешающей способностью зондирующего сигнала по глубине.
Пересчет по приведенным выше формулам дал следующие значения величин коэффициентов задержки и глубины залегания первых двух границ слоев ДО:
d1
d2
K=4,6; h1=0,11 м; K=6; h2=0,2 м.
Значение коэффициента замедления радиоволн в первом слое практически совпадает с литературными данными, представленными, например, в работе [Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. Под ред. B.C. Кельзона.- М.: Изд-во «Советское радио», 1971, 558 с.]. Второй слой соответствует больше гидроизоляционному слою, например, щебню или влажной смеси песка или супеси с суглинком. Также это может быть уже и естественный слой грунта, хотя по диэлектрическим свойствам этот слой ближе по своим свойствам к щебню.