ГЕОРАДАРНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ, ЗАГРЯЗНЕННОСТИ И ТОЛЩИНЫ СЛОЕВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ И АВТОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ГЕОТЕКСТИЛЯ
GPR METHOD OF DETERMINING MOISTURE CONTENT, CONTAMINATION AND THICKNESS OF LAYERS OF RAILWAY AND ROAD FILL USING REFLECTING GEOTEXTILE

Изобретение относится к области георадарного обследования железных и автомобильных дорог, в частности к оцениванию состояния насыпи железнодорожного пути и автодорог по влажности и загрязненности.
Контроль состояния насыпи железных дорог и автодорог является актуальной задачей. Загрязненность балластной призмы железной дороги пылеватыми и глинистыми частицами приводит к снижению ее фильтрационных свойств, к заиливанию, что нарушает работу водоотводных сооружений и, в конечном счете, приводит к размыву и деформации земляного полотна и откосов насыпей, что ведет к разрушению строения железнодорожного пути. В настоящее время загрязненность балластной призмы железнодорожного пути производится методами бурения или шурфования, которые дают точечную информацию и являются весьма трудоемкими.
Загрязненность и снижение фильтрационных свойств насыпи автодороги может приводить к подтоплению и размывам насыпи, к образованию зон обводнения. При сезонном промерзании слоев дорожной одежды в зонах увлажнения происходит вспучивание и разрушение автодорожного асфальтобетонного покрытия. Поэтому контроль влажности и загрязненности насыпи железных дорог и автодорог является необходимым и актуальным.
Известны сверхширокополосные радиолокаторы (радары) для зондирования земли, исследования геологического строения верхних слоев грунта, зондирования подземных коммуникаций и сооружений, дна водоемов, стен зданий и т.п. Для этих радаров широко употребляется сокращенное название - георадары. Метод георадиолокации в последнее время широко применяется для контроля влажности и толщины слоев насыпи железных дорог и автодорог.
Так, например, ООО "Геологоразведка" разработало георадиолокационную систему для зондирования балластного слоя и земляного основания насыпи железнодорожного полотна (ст.: Изюмова С.В. и др. "Обследование земляного полотна георадаром «Геоскоп»". - Путь и путевое хозяйство, 2006, №6, с. 36). Данная система мониторинга полотна железной дороги включает электромеханическую тележку, выполненную из диэлектрика, передающую и приемную антенны георадара «Геоскоп» ("ТР-ГЕО-01") со встроенными блоками генератора импульсов и приемника. Данная система может быть также установлена на днище вагона-дефектоскопа. Работа георадаров данной серии основана на излучении короткого электромагнитного импульса с широким спектром и регистрации отраженных сигналов. Программа обработки строит радиолокационное изображение в виде вертикального разреза грунта. На этом разрезе выводятся радиолокационные изображения отражающих границ слоев балласта и земляного полотна, а также других неоднородностей грунта, техногенных объектов и подземных коммуникаций. Георадиолокационный метод зондирования позволяет определять толщину слоев балласта и выявлять водяные линзы, зоны локального переувлажнения насыпи.
ООО "Геологоразведка" разработало и применяет для зондирования автодорог автодорожный георадарный сканер "ТР-ГЕО" (ст.: Миронов С.И., Изюмов С.В., Дручинин С.В., Круглов Н.А. "Опыт применения автодорожного сканера ТР-ГЕО для геофизического обследования улично-дорожной сети". - Метро и тоннели, 2009, №2, с. 28, 29). Автодорожный сканер включает низкочастотный георадар "ТР-ГЕО-01", со средней частотой около 140 МГц, для зондирования подстилающего грунта до глубины 7 м и высокочастотного георадара "ТР-ГЕО-04", со средней частотой около 1.5 ГГц, для зондирования слоев дорожной одежды. Георадарное зондирование позволяет выявлять зоны локального переувлажнения, разуплотнения грунта под дорожным покрытием, находить подземные коммуникации и определять толщину слоев дорожной одежды.
Известен "Многоканальный георадиолокационный комплекс" (полезная модель РФ №118065) для зондирования балластного слоя и основной площадки земляного полотна железнодорожного пути. Он содержит размещенные на железнодорожной подвижной единице блок управления и регистрации и георадарную аппаратуру, которая включает по три антенных блока низкой частоты, с центральной частотой до 600 МГц, и/или средней частоты, с центральной частотой от 800 до 1200 МГц, причем один из этих трех блоков расположен на железнодорожной подвижной единице по оси пути, а два других по торцам шпал, и/или два антенных блока высокой частоты, с центральной частотой от 1700 МГц до 2500 МГц, которые расположены по торцам шпал. Антенные блоки низкой частоты используются для определения дефектов основной площадки земляного полотна. Антенные блоки средней частоты используются для выделения границ раздела слоев. Антенные блоки высокой частоты используются для определения загрязненности балластного слоя. Использование нескольких частотных диапазонов (низких, средних и высоких частот) в данном георадиолокационном комплексе позволяет повысить эффективность обследования балластного слоя и земляного полотна.
Общим недостатком этих способов и систем георадарного зондирования насыпи железных дорог и автодорог является сложность интерпретации полученных радиолокационных профилей, которую может осуществлять только подготовленный специалист. Получаемый в результате георадарного зондирования вертикальный радиолокационный профиль (или радарограмма) достаточно сложен для восприятия, поскольку содержит много избыточной информации, которая не нужна инженеру-автодорожнику или инженеру-железнодорожнику.
Кроме того, имеются известные трудности в одновременном и точном определении влажности и толщины слоев насыпи георадарным методом. Дело в том, что из данных георадиолокационного зондирования обычно определяется время прихода сигналов, отраженных от границ слоев насыпи и земляного полотна. Для точного определения толщины слоев необходимо пересчитать время распространения зондирующего и затем отраженного сигнала в глубину. Для этого необходимо знать диэлектрическую проницаемость всех слоев насыпи, лежащих выше рассматриваемой границы. Диэлектрическая проницаемость зависит от влажности, и обычно точно неизвестна. Более того, часто именно влажность слоев насыпи требуется определять при георадарном зондировании. И, наоборот, для определения влажности слоя насыпи по результатам георадарного зондирования требуется знать толщину слоя насыпи. Часто толщины слоев насыпи неизвестны, и их часто необходимо определять в результате георадарного зондирования. Поэтому для точного определения толщины слоев насыпи обычно используют данные бурения опорных скважин.
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 C2), 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.
Известен способ георадарного зондирования, называемый способом общей глубинной точки, для определения скорости электромагнитных волн и диэлектрической проницаемости однородного верхнего слоя грунта (см., например, стандарт США по использованию георадаров ASTM Standard D6432-11 "Standard guide for using the surface ground penetrating radar method for subsurface investigation"). В применении к сейсмоакустическому зондированию способ общей глубинной точки описан в кн.: Боганик Г.Н., Гурвич И.И. "Сейсморазведка", Тверь: АИС, 2006, 743 с. Согласно этому способу проводятся измерения сигнала, отраженного от нижней границы слоя, при различных расстояниях между передающей и приемной антеннами георадара. Антенны при этом разносятся в разные стороны на равные расстояния от заданной точки на поверхности, под которой необходимо определить глубину нижней границы слоя. При различных расстояниях между антеннами зондирующий сигнал проходит под различными углами наклона к поверхности различный путь в исследуемом верхнем слое грунта. При георадарном зондировании определяется время прихода сигнала, отраженного от границы слоя, откуда находится время распространения зондирующего сигнала через слой грунта. Путем сопоставления графика, выражающего зависимость времени распространения сигнала от расстояния между антеннами, с известными зависимостями, построенными для различных глубин нижней отражающей границы слоя, определяют как точное значение глубины отражающей границы, так и скорость электромагнитной волны в исследуемом однородном слое грунта. Если имеется несколько слоев с различной диэлектрической проницаемостью, данный способ можно применять последовательно к каждой отражающей границе между слоями в порядке возрастания глубины.
Известен многоканальный георадарный комплекс, представленный в ст.: В.И. Колесников, В.Б. Воробьев, В.А. Явна, А.Б. Киреевнин, В.В. Помозов, А.В. Дудник. "Георадиолокационная диагностика пути". - Путь и путевое хозяйство, 2007, №3, с. 19-21, предназначенный для проведения диагностики объектов земляного полотна железнодорожного пути. В этом комплексе реализуется описанный способ общей глубинной точки для определения скорости электромагнитных волн в каждом слое и глубин отражающих границ в насыпи железной дороги. Обследование по оси и обочинам пути проводится одновременно тремя антеннами, работающими в непрерывном режиме. Перемещение радара вдоль профиля осуществляется дрезиной МПТ-4 со скоростью 70 км/час. Отличительной особенностью комплекса является возможность приема сигналов в антенных блоках не только от собственной передающей антенны, но и от соседней передающей антенны. Возможность одновременного приема сигналов от одного передатчика на два разнесенных приемника позволяет определять скоростные характеристики слоев для более точного определения глубин.
Недостатком способа общей глубинной точки и описанного георадарного комплекса, реализующего данный способ, является следующее. Часто контраст диэлектрической проницаемости различных слоев насыпи бывает весьма небольшим. В результате, отраженный сигнал будет очень мал по амплитуде. Например, при небольшом различии во влажности значения диэлектрической проницаемости слоя щебня и слоя песка близки между собой. Коэффициенты отражения и прохождения электромагнитной волны на границе двух сред даются формулами Френеля. Согласно формулам Френеля, амплитуда сигнала георадара, отраженного от границы раздела между такими слоями, мала. Такой отраженный сигнал часто нельзя надежно зарегистрировать и определить время его распространения.
Известен "Программно-технический комплекс для определения загрязненности балластного слоя железнодорожного пути" (полезная модель РФ №88152). Работа данного комплекса основана на измерении количественных характеристик сигнала СВЧ-излучения, приходящего в приемную антенну георадара от слоев балластного материала, сравнение полученного результата с градуировочными зависимостями, в результате чего определяется загрязненность. Согласно полезной модели комплекс содержит антенные блоки георадара, которые связаны с блоком управления и регистрации амплитуды принятого сигнала для обследования балластного слоя. Антенные блоки георадара размещены в обтекателе, установленном на вагоне.
Прототипом является способ определения загрязненности балластного слоя железнодорожного пути (патент РФ № RU 2395638 C1), основанный на анализе электромагнитного поля, приходящего от загрязненного балластного слоя, и обработке его количественных характеристик. В данном способе измерение количественных характеристик сигналов в СВЧ-диапазоне, приходящих от слоев балластного материала, регистрируется приемной антенной георадара, затем амплитуда сигнала подвергается численной обработке на ЭВМ и сравнивается с градуировочными зависимостями.
Недостатком способа, выбранного в качестве прототипа, является следующее. Определять загрязненность слоя балласта можно по погонному затуханию электромагнитной волны в этом слое и известной влажности. Затухание увеличивается при увеличении содержания глинистых частиц, то есть при загрязнении насыпи глинистым грунтом, принесенным, например, снизу при смешивании балласта с нижележащим глинистым грунтом, или извне потоками поверхностной или грунтовой воды. Но затухание электромагнитной волны в насыпи, в том числе в насыпи, загрязненной глинистым грунтом, также очень сильно зависит от влажности. Поэтому нельзя составить градуировочные зависимости для определения загрязненности насыпи только по амплитуде сигнала, игнорируя зависимость затухания сигнала от влажности. Надо учитывать, что влажность насыпи очень сильно меняется в зависимости от времени, сезона и уровня атмосферных осадков, и обычно заранее неизвестна.
Также амплитуда сигнала, отраженного от границы между слоями насыпи, зависит не только от затухания электромагнитной волны в вышележащем слое или слоях насыпи, но и от коэффициента отражения от границы. Коэффициент отражения, согласно формулам Френеля, зависит от диэлектрического контраста между слоями, который, в свою очередь, в основном определяется различием во влажности слоев насыпи. Коэффициент отражения также зависит от характера неровностей самой границы. Поскольку значения влажности слоев насыпи, следовательно, коэффициент отражения, могут сильно варьироваться в зависимости от условий проведения измерений, невозможно заранее составить градуировочные зависимости. При малом различии в диэлектрической проницаемости между соседними слоями насыпи отраженный сигнал от границы между такими слоями очень мал. Он может вообще не быть зарегистрирован из-за малой амплитуды отражения на границе.
Определять загрязненность поверхностного слоя балласта можно также следующим образом. В условиях низкой влажности глинистая фракция загрязненного балласта аккумулирует влагу, в результате чего загрязненный балласт будет иметь большее значение влажности, и большее значение диэлектрической проницаемости, чем чистый балласт. В результате этого по мере увеличения загрязненности балласта будет увеличиваться коэффициент отражения зондирующего сигнала георадара от поверхности балласта, следовательно, будет увеличиваться амплитуда отраженного сигнала. Однако, такой способ определения загрязненности по амплитуде сигнала имеет тот недостаток, что он применим лишь в определенных условиях низкой влажности. При повышении влажности насыпи степень корреляции загрязненности и амплитуды отраженного сигнала будет сильно уменьшаться.
Задачей заявляемого способа является измерение не только загрязненности, но и влажности слоев насыпи, измерение толщины слоев насыпи, а также устранение отмеченных недостатков способа, взятого в качестве прототипа, и других известных аналогов.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение эффективности, информативности и качества обследования насыпи автодорог и железных дорог, увеличение точности в определении влажности и загрязненности слоев насыпи, повышение безопасности движения.
Задача решается, а технический результат данного изобретения достигается тем, что в способе определения влажности, загрязненности и толщины слоев балласта железнодорожной насыпи или слоев автодорожного покрытия, основанном на анализе электромагнитных сигналов, регистрируемых приемной антенной георадара, численной обработке амплитуды электромагнитных сигналов на ЭВМ и сравнении с градуировочными зависимостями, дополнительно в основании насыпи используют отражательный геотекстиль с электропроводящими отражающими и/или рассеивающими электромагнитные волны элементами заданной формы и размеров, и анализируют электромагнитные сигналы георадара, отраженные от электропроводящих элементов геотекстиля, анализируют время распространения электромагнитных сигналов георадара, отраженных от электропроводящих элементов геотекстиля, по времени распространения и известной глубине геотекстиля находят скорость распространения сигналов георадара, по замедлению сигналов георадара относительно скорости электромагнитной волны в вакууме определяют средний показатель преломления и диэлектрическую проницаемость, из диэлектрической проницаемости по известной зависимости находят среднюю влажность слоя железнодорожной насыпи или дорожной одежды автодороги над геотекстилем, анализируют амплитуду электромагнитных сигналов георадара, отраженных от электропроводящих элементов геотекстиля, и из амплитуды отраженных сигналов по градуировочным зависимостям определяют погонное затухание электромагнитной волны в слое насыпи, по погонному затуханию и измеренному замедлению зондирующего сигнала георадара, с помощью ЭВМ по известным зависимостям определяют содержание глинистых частиц в слое насыпи и степень загрязненности насыпи глинистым грунтом, электропроводящие отражающие и/или рассеивающие электромагнитные волны элементы слоя геотекстиля выполнены в виде полос одинаковой ширины, одинаковы по отражательным свойствам и расположены поперек направления железной дороги или автодороги, слой геотекстиля содержит в своем составе несколько разных наборов электропроводящих отражающих и/или рассеивающих электромагнитные волны элементов, каждый набор характеризуется своей шириной электропроводящих элементов и своими отражательными свойствами, которые одинаковы для элементов, принадлежащих одному набору, но могут быть различными в разных наборах, в насыпи используют несколько слоев отражательного геотекстиля, укладываемых на разных глубинах, на границах различных слоев насыпи и/или внутри слоев насыпи, слои геотекстиля или идентичны, или различаются по форме, размерам и отражательным свойствам электропроводящих элементов и по шагу их расположения вдоль трассы, анализируют затухание и/или скорость электромагнитных сигналов георадара, отраженных от электропроводящих элементов слоев геотекстиля, расположенных на разных глубинах, и по этим данным определяют среднюю влажность и/или загрязненность слоев железнодорожной насыпи или насыпи автодороги как в промежутке между поверхностью насыпи и первым слоем геотекстиля, так и в каждом промежутке между слоями геотекстиля, измеряют и затем с помощью ЭВМ анализируют функции времени распространения, или годографы, зондирующих сигналов георадара, отраженных от электропроводящих элементов геотекстиля, записанные при перемещении антенного блока георадара поперек электропроводящих элементов геотекстиля, в зависимости от расстояния середины антенного блока георадара от точки проекции оси электропроводящего элемента геотекстиля на линию перемещения антенного блока, по этим функциям с помощью обработки на ЭВМ определяют глубину расположения электропроводящих элементов геотекстиля, из этих функций находят распределение, в зависимости от глубины, скоростей сигнала в неоднородно-слоистой насыпи, вышележащей над геотекстилем, из распределения скоростей сигнала находят распределение влажности неоднородно-слоистой насыпи по глубине, в составе георадарного комплекса используют антенные блоки с разным частотным диапазоном, низкочастотные, со средней частотой спектра ниже 100-300 МГц для зондирования электропроводящих элементов геотекстиля с глубинами заложения более 2-3 м, и/или среднечастотные, со средней частотой спектра от 300 до 700 МГц для зондирования электропроводящих элементов геотекстиля с глубинами заложения 1-3 м, и/или высокочастотные, со средней частотой спектра от 700 до 3000 МГц для зондирования электропроводящих элементов геотекстиля с глубинами заложения менее 1 м, в составе георадара или георадарного комплекса применяют сверхширокополосные экранированные антенны типа щелевых или экранированных вибраторных с линейной поляризацией, при обследовании автомобильных дорог антенные блоки георадаров устанавливают на транспортном средстве как посередине, так и по бокам транспортного средства, для обследования по всей полосе движения, при обследовании железных дорог антенные блоки георадаров устанавливают на подвижной единице, например вагоне-дефектоскопе, как по оси железнодорожной колеи, так на краях железнодорожного полотна у торцов шпал.
Существенными отличиями заявляемого способа являются.
Использование в насыпи отражательного геотекстиля с электропроводящими отражающими и/или рассеивающими электромагнитные волны элементами заданной формы и размеров позволяет иметь вдоль всей исследуемой трассы, автодороги или железной дороги, объекты (электропроводящие элементы геотекстиля), гарантированно дающие при зондировании отраженный сигнал достаточно большой амплитуды, который может быть надежно измерен с помощью георадара, выделен на радарограмме и проанализирован.
Существенно, что в заявляемом способе форма и размеры (ширина) и свойства, по отражательной способности, этих электропроводящих элементов геотекстиля одинаковы вдоль всей трассы. Это позволяет получать калиброванные по относительной амплитуде и известные по форме годографа отраженные сигналы вдоль всей трассы с заданным шагом вдоль трассы, дающим достаточно детальное обследование насыпи вдоль трассы. Глубина заложения геотекстиля также обычно известна. Если даже она неизвестна точно, заявляемый способ определяет глубину электропроводящих элементов геотекстиля и скорость распространения сигнала путем анализа формы годографов отраженных волн. Таким образом, при известной или найденной глубине отражателей, для таких калиброванных (по относительной амплитуде) отраженных сигналов оказывается возможным составить градуировочные зависимости, позволяющие по измеренной георадаром амплитуде отраженного сигнала находить погонное затухание в слое насыпи. Далее по измеренной или найденной скорости распространения зондирующего и затем отраженного сигнала находится замедление сигнала георадара (показатель преломления волн в насыпи), отсюда находится диэлектрическая проницаемость слоя насыпи. Из диэлектрической проницаемости по известной зависимости находится влажность. Найденные вместе обе величины - погонное затухание и влажность - позволяют определить по известным зависимостям количество глинистых частиц в слое насыпи, то есть оценить загрязненность насыпи. Таким образом, использование одинаковых по ширине и другим свойствам электропроводящих отражающих (рассеивающих) элементов позволяет построить и использовать необходимые градуировочные зависимости.
В отличие от заявляемого способа георадарного исследования насыпи в прототипе и других аналогах анализируются сигналы георадара, отраженные от границ раздела между различными слоями насыпи и между насыпью и земляным основанием, а также сигнал отражения от поверхности насыпи. Коэффициент отражения сигнала георадара от границы раздела между слоями, согласно формулам Френеля, зависит от диэлектрической проницаемости обоих слоев, которая определяется во многом влажностью слоев. При близких значениях диэлектрической проницаемости слоев насыпи или нижнего слоя насыпи и земляного полотна, амплитуда отражения может быть очень низкой, так что отраженный сигнал может вообще не быть зарегистрирован или надежно проанализирован. Кроме того, поскольку влажность слоев насыпи может очень сильно варьироваться в зависимости от времени и условий измерений, амплитуда такого отраженного сигнала будет очень сильно меняться под воздействием этого фактора, играющего большую роль. В результате, затухание электромагнитной волны в слоях насыпи не может быть однозначно получено из данных измерений амплитуды сигнала, а это не дает возможности построить градуировочные зависимости.
В заявляемом способе анализируется не только амплитуда, но и время распространения зондирующего сигнала георадара. При известной глубине слоя геотекстиля это дает возможность определить влажность вышележащего слоя насыпи. Из измеренного времени распространения зондирующего сигнала туда и обратно, от передающей антенны до электропроводящего элемента геотекстиля, и обратно к приемной антенне, и известной глубины заложения геотекстиля, определяется средняя скорость распространения сигнала в слое, из нее среднее замедление электромагнитной волны в слое по отношению к скорости в вакууме, и из замедления находится средняя диэлектрическая проницаемость. Из диэлектрической проницаемости по известным из литературы зависимостям находится влажность слоя насыпи.
В отличие от заявляемого способа в прототипе и других аналогах невозможно или достаточно трудно определить влажность насыпи только по результатам георадарных измерений, поскольку глубина отражающей границы раздела между слоями насыпи обычно не бывает точно известна. Для точного измерения толщины слоев насыпи в известных способах, в дополнении к георадарному зондированию, используется бурение скважин. Сам по себе георадарный способ обследования является бесконтактным, неразрушающим, быстрым и эффективным. Использование дополнительного этапа бурения скважин и анализа колонок бурения сразу делают способ трудоемким, продолжительным, точечным и разрушающим. Определить одновременно глубину границы и влажность однородного слоя с использованием только георадарного зондирования можно с помощью известного способа общей глубинной точки. Однако этот способ имеет свои недостатки, указанные выше.
Поскольку в заявляемом способе одновременно определяется и влажность, и погонное затухание в слое насыпи, заявляемый способ позволяет определить загрязненность насыпи глинистыми частицами. Только по погонному затуханию сигнала георадара невозможно точно определить загрязненность, так как погонное затухание очень сильно зависит от влажности. В способе, выбранном в качестве прототипа, влажность слоя насыпи не измеряется, что делает измерение загрязненности неточным и ненадежным. В большинстве известных способов, являющихся аналогами, для точного измерения влажности дополнительно к георадарному зондированию применяется бурение опорных скважин. Это увеличивает время и затраты на обследование насыпи, что делает способ трудоемким, точечным и разрушающим. Способ общей глубинной точки позволяет измерять одновременно влажность и погонное затухание с использованием только георадарного зондирования, но он имеет свои недостатки.
Согласно заявляемому способу, использование в насыпи нескольких слоев отражательного геотекстиля позволяет более надежно и точно определить влажность и загрязненность всех слоев насыпи как верхнего слоя над первым слоем отражательного геотекстиля, так и всех слоев насыпи, расположенных между последующими нижележащими слоями отражательного геотекстиля. Ни один из известных способов обследования насыпи с помощью георадаров не позволяет так же точно и надежно измерить влажность и загрязненность всех слоев насыпи без применения бурения скважин. Это связано с тем, что часто контраст диэлектрической проницаемости различных слоев насыпи бывает небольшим. В результате, отраженный от таких границ георадарный сигнал очень мал по амплитуде, и его характеристики, время распространения и амплитуду невозможно надежно измерить.
Согласно заявляемому способу анализируются функции времени прихода сигналов, отраженных от электропроводящих элементов геотекстиля, от смещения антенн вдоль профиля, или, как их называют, годографы. Годографы измеряются в зависимости от смещения антенного блока от точки проекции оси электропроводящего элемента геотекстиля на линию перемещения антенного блока. Форма годографа зависит как от скорости сигнала в среде, так и от глубины отражающего или рассеивающего объекта. Путем обработки этих годографов на ЭВМ можно получить как скорость распространения волны в насыпи, так и глубину электропроводящего элемента геотекстиля. Этот этап обследования позволяет определить или уточнить глубины расположения слоя или слоев геотекстиля, если они не были известны заранее. Далее, если насыпь над слоем геотекстиля слоисто-неоднородна, то есть состоит из различных слоев, или сами слои насыпи неоднородны, по влажности в зависимости от глубины путем обработки на ЭВМ измеренных годографов можно определить распределение скоростей сигнала георадара и, следовательно, влажность во всем неоднородном вышележащем слое насыпи. Этот этап обследования позволяет исследовать насыпи, в том числе неоднородные по строению, содержащие один слой геотекстиля. Способ определения скорости зондирующего сигнала по форме годографа волны, отраженной от точечного или линейно-протяженного объекта, расположенного поперек профиля сканирования, известен. Например, он описан в кн.: Daniels D.J. ed., "Ground Penetrating Radar", 2-nd ed., The Institution of Electrical Engineers, London, UK, 2004, 734 p. Однако ни в прототипе, ни в известных аналогах этот способ не используется, поскольку в них не предусматривается заложение в насыпь отражающих или рассеивающих электропроводящих элементов.
Изобретение поясняется графически.
На фиг. 1-3 показаны схемы, поясняющие заявляемый способ на примере обследования насыпи железной дороги. На фиг. 1 показана схема вертикального сечения насыпи железнодорожного пути с изображением основных блоков устройства, реализующего заявляемый способ, и конструктивных элементов насыпи. На фиг. 2 показаны годографы сигналов, отраженных от электропроводящих элементов геотекстиля, и расположение электропроводящих элементов геотекстиля на вертикальном радиолокационном профиле. На фиг. 3 показан вид сверху на железнодорожный путь со схемой расположения электропроводящих элементов геотекстиля, заложенного в насыпь, и возможными вариантами расположения антенн георадара или георадарной системы на днище вагона-дефектоскопа. Фиг. 4-6 поясняют реализацию заявляемого способа: фиг. 4 - на примере случая, когда в насыпь уложен один слой отражательного геотекстиля; фиг. 5 - для случая, когда в насыпь уложены два слоя отражательного геотекстиля; фиг. 6 - для случая одного слоя отражательного геотекстиля, когда насыпь сверху слоя геотекстиля слоисто-неоднородна, и эти слои различаются по влажности.
1
2
На фиг. 1 показана схема вертикального сечения насыпи железнодорожного пути с изображением основных блоков устройства, реализующего заявляемый способ, и конструктивных элементов насыпи. Антенный блок георадара 1 включает передающую антенну 2 и приемную антенну 3. Также в георадаре может использоваться одна антенна, совмещающая функции передающей и приемной антенны. Передающая 2 и приемная 3 антенны могут быть расположены в общей защитной разиопрозрачной оболочке. Антенный блок 1 установлен на транспортное средство 4, в данном примере снизу на днище вагона-дефектоскопа 4. Насыпь железнодорожного пути в данном примере состоит из верхнего слоя балласта 5 (щебень), слоя песчаной подушки 6 (песок мелкозернистый), ядра насыпи 7 (супесь), и грунтов основания насыпи 8 (суглинок тугопластичный). Между слоем песчаной подушки 6 и слоем ядра насыпи 7 заложен верхний слой отражательного геотекстиля 9. Между слоем ядра насыпи 7 и грунтом основания насыпи 8 заложен нижний слой отражательного геотекстиля 10. Слой отражательного геотекстиля 9 содержит электропроводящие рассеивающие элементы 11, расположенные с одинаковым шагом L по направлению оси пути. Слой отражательного геотекстиля 10 содержит два набора электропроводящих элементов, набор отражающих электропроводящих элементов 12 и набор рассеивающих электропроводящих элементов 13. Оба набора электропроводящих элементов 12, 13 имеет одинаковый шаг расположения L по направлению оси пути. На фиг. 1 показаны шпалы 14, рельсы 15. Схематично показаны пути распространения 17, 18 соответственно зондирующего 17 и отраженного 18 сигнала при зондировании одного из электропроводящих рассеивающих элементов 11. Схематично показаны пути распространения 19, 20 соответственно зондирующего 19 и отраженного 20 сигнала при зондировании одного из электропроводящих отражающих элементов 12. Уровень заложения слоя отражательного геотекстиля 9 показан линией A-A, уровень заложения слоя отражательного геотекстиля 10 показан линией B-B, уровень границы между слоем балласта 5 и слоем песчаной подушки 6 показан линией C-C.
По принципу работы используемый георадар может быть импульсным, с пошаговой перестройкой частоты и измерением амплитуды и фазы волн на отдельных частотах в широкой полосе частот, а также функционирующий по принципу частотно-линейной модуляции. Наиболее распространенными являются импульсные георадары.
Слои отражательного геотекстиля несут также функцию разделяющего и фильтрующего материала в насыпи. Укладка слоя геотекстиля между балластом (щебнем) и песком или между слоями насыпи и грунтами основания предотвращает смешивание разнородных по гранулометрическому составу слоев насыпи или насыпи и нижележащего грунта. В то же время такие слои геотекстиля свободно пропускают воду. Укладка слоев геотекстиля улучшает качество дренажа, поскольку предотвращает засорение балласта глинистыми и пылеватыми частицами грунта. Могут применяться отражательные геокомпозитные материалы, содержащие армирующие георешетки и дренирующие элементы, которые выполняют функции дренажа и укрепления грунта. Использование в слоях геотекстиля и геокомпозитных материалов электропроводящих отражающих элементов позволяет практически реализовать заявляемый способ.
На фиг. 2 схематично изображен вид вертикального радиолокационного профиля (без изображения радарограммы) в координатах: x - смещение антенного блока 1 вдоль оси пути - время t распространения зондирующего и затем отраженного сигнала. Ось времени направлена на фиг. 2 вертикально вниз. Схематично показан вид годографов 21 сигналов георадара, отраженных от электропроводящих рассеивающих элементов 11, встроенных в слой геотекстиля 9, вид годографов 22 сигналов георадара, отраженных от электропроводящих отражающих элементов 12, встроенных в слой геотекстиля 10, годографов 23 сигналов георадара, отраженных от электропроводящих рассеивающих элементов 13, встроенных в слой геотекстиля 10. Схематично показано расположение контуров электропроводящих рассеивающих элементов 11, 13 и электропроводящих отражающих элементов 12 в координатах "x-t" радиолокационного профиля. Изображены уровень заложения слоя отражательного геотекстиля 9 (линия A-A), уровень заложения слоя отражательного геотекстиля 10 (линия B-B), уровень границы между слоем балласта 5 и слоем песчаной подушки 6 (линия C-C).
На фиг. 3 показан вид сверху на железнодорожный путь, показаны шпалы 14, рельсы 15. Показано расположение в плане электропроводящих элементов 12, 13 геотекстиля 10, заложенного в насыпь. Схематично показаны возможные варианты расположения антенных блоков георадаров 1, 24, 25, 26, 27 на днище вагона-дефектоскопа (сам вагон-дефектоскоп не показан).
Электропроводящие отражающие 12 и рассеивающие 13 элементы слоя геотекстиля 10 и рассеивающие элементы слоя геотекстиля 9 выполнены в виде электропроводящих полос, расположенных поперек оси пути, то есть поперек направления движения антенного блока георадара (1, 24, 25, 26, 27). Электропроводящие элементы геотекстиля могут иметь длину, равную всей ширине рулона при укладке слоя геотекстиля либо меньше. Но в любом случае длина полос электропроводящих элементов геотекстиля превышает ширину обследуемой части насыпи. На фиг. 3 показаны варианты электропроводящих полос геотекстиля 12, 13, вытянутых по всей ширине слоя геотекстиля 10. Эти электропроводящие полосы могут быть как сплошными, так и не сплошными, а разделенными на отдельные отрезки, каждый длиной не менее чем половина длина волны с учетом замедления волны в грунте, где имеется в виду длина волны, соответствующая средней частоте спектра георадара.
Электропроводящие элементы геотекстиля могут быть интегрированы в конструкцию геотекстиля, или изготовлены отдельно и прикреплены к геотекстилю. Например, в случае тканого геотекстиля они могут быть изготовлены в виде встроенных в геотекстиль полос металлизированной ткани или ткани, содержащей металлические нити. Для нетканого геотекстиля электропроводящие элементы могут быть изготовлены в виде металлических пластин, полос из металлической фольги или в виде диэлектрической пленки с металлическим напылением. Электропроводящие элементы могут изготавливаться из проволоки или сетки, как встроенной в геотекстиль, так и в виде прикрепленных полос.
Слой геотекстиля может содержать один набор одинаковых электропроводящих пластин, как слой геотекстиля 9, так и несколько разных наборов электропроводящих пластин, как слой геотекстиля 10 в рассмотренном примере. В каждом таком наборе электропроводящие полосы имеют одинаковую ширину и одинаковые другие свойства, обеспечивающие одинаковую отражательную способность, например, одинаковое поверхностное сопротивление пленки или напыления. Электропроводящие полосы каждого набора располагаются вдоль трассы насыпи с некоторым заданным шагом, необязательно строго постоянным вдоль трассы. Ширина и свойства пластин в каждом наборе одинаковы, но могут быть разными в различных слоях геотекстиля или в различных наборах одного слоя геотекстиля, как в слое геотекстиля 10 в рассмотренном примере.
Ширина электропроводящих элементов геотекстиля в каждом наборе элементов берется одинаковой. Отражательные свойства элементов в наборе также предполагаются одинаковыми. Для этого все отражающие элементы (полосы) делаются одинаковыми не только по ширине, но и по толщине, конструкции и электропроводности материала. Если полосы изготавливаются из металлической пленки или в виде напыления, должно быть одинаково поверхностное сопротивление. Выполнение отражающих элементов одинаковыми по электропроводящим, отражательным свойствам и ширине позволяет получать одинаковую относительную амплитуду отраженного сигнала от каждой полосы набора. Это, в свою очередь, позволяет строить и затем использовать градуировочные зависимости для определения погонного затухания в слое насыпи по измеренной амплитуде отраженного сигнала.
Ширина полос электропроводящих элементов геотекстиля в различных наборах элементов может быть разной. Условно разделим типы полос электропроводящих элементов геотекстиля на "отражающие" и "рассеивающие". Так или иначе, рассеивают электромагнитное излучение в стороны за счет дифракции все отражатели. Но элементы, имеющие большую ширину, главным образом, зеркально отражают падающее электромагнитное излучение своей поверхностью. Такие элементы будем называть отражающими. При большой ширине элементов рассеяние под другими углами в боковых направлениях относительно невелико. Рассеяние в боковых направлениях происходит, главным образом, из-за дифракции на краях полосы за счет краевых волн. Такие широкие отражающие элементы целесообразно использовать в слоях геотекстиля, укладываемых на большие глубины (более 2-3 м), когда важно получать отраженный сигнал большой амплитуды. Направленность отраженного излучения таких элементов велика, поэтому отраженный сигнал будет большим только когда антенный блок проходит близко к точке, расположенной над центром отражающего элемента. Прослеживать годограф отраженной волны для широких отражающих элементов трудно, поскольку амплитуда отраженного сигнала быстро падает при смещении антенного блока от точки над отражателем. К тому же форму годографа труднее анализировать, потому что при отражении под большими углами к плоскости пластины имеются два центра отражения, на одном и другом крае пластины, то есть, фактически приходят две отраженные волны. Для отражающих электропроводящих элементов ширина полос обычно составляет более чем примерно половину длины волны, соответствующей средней частоте спектра сигнала георадара, с учетом замедления сигнала георадара в насыпи. При этом замедление сигнала в насыпи можно принять равным 2 в случае низкой влажности. В рассматриваемом примере элементы 12 слоя геотекстиля 10 являются отражающими.
Рассевающими считаются элементы в виде относительно узких пластин. Падающее электромагнитное излучение одинаково эффективно отражается при падении падающей волны под любым углом. При этом рассеяние происходит не только в обратном направлении, но и под другими углами в стороны. Такие волны называют дифрагироваными. Рассеивающие электропроводящие элементы геотекстиля в заявляемом способе целесообразно использовать в том этапе заявляемого способа, где необходимо проследить и надежно построить годограф отраженного сигнала. Амплитуда отраженного сигнала невелика и уменьшается при уменьшении ширины пластины. Поэтому рассеивающие элементы геотекстиля обычно имеют ширину не менее чем одна четвертая часть длины волны, соответствующей средней частоте спектра сигнала георадара, с учетом замедления сигнала георадара в насыпи, равного 2 (для сухой насыпи). Чтобы элементы имели свойства рассеивающих, их ширина не должна быть намного больше, чем одна вторая часть длины волны, соответствующей средней частоте спектра сигнала георадара, с учетом замедления сигнала георадара в насыпи, равного 4 (для влажной насыпи). В рассматриваемом примере рассеивающими являются элементы 11 слоя геотекстиля 9 и элементы 13 слоя геотекстиля 10.
Таким образом, в составе наборов электропроводящих элементов геотекстиля целесообразно иметь оба типа элементов как отражающих, так и рассеивающих, Использование и тех, и других целесообразно на разных этапах заявляемого способа. Примером слоя геотекстиля, содержащего оба типа элементов, является слой геотекстиля 10 с отражающими элементами 12 и рассеивающими элементами 13. Электропроводящие элементы с шириной в промежуточном интервале между указанными выше характерными значениями ширины для отражающих и рассеивающих элементов примерно в одинаковой мере проявляют как отражающие, так и рассеивающие свойства. Их можно считать универсальными и использовать во всех случаях.
Выбор максимального шага вдоль трассы между соседними электропроводящими отражающими или рассеивающими полосами в каждом наборе определяется исходя из требуемой детальности обследования насыпи вдоль трассы. Для геотекстиля, укладываемого на большие глубины, более 2-3 м, между насыпью и нижележащими грунтами, достаточно располагать электропроводящие полосы с шагом несколько метров, обычно от 2 до 5 м. Для слоя геотекстиля, укладываемого под верхним слоем балласта на малых глубинах, менее 1.5-2 м, шаг между электропроводящими полосами может составлять 1-2 м.
В случае если закладывается несколько слоев геотекстиля на разных глубинах, отражательные элементы верхних слоев геотекстиля, если они имеют большую ширину, могут в некоторой степени мешать измерениям сигналов, отраженных от элементов в слоях геотекстиля, лежащих под ними. Помехи будут невелики, поскольку в результате дифракции зондирующая или отраженная волна будет огибать такого рода препятствия. Этот фактор может быть помехой для измерения амплитуды отраженного сигнала от нижних элементов. Поэтому шаг расположения элементов вдоль трассы в разных слоях геотекстиля нужно либо делать различным и не кратным одному значению, либо укладывать слои геотекстиля так, чтобы электропроводящие элементы не располагались точно один под другим.
В качестве антенн георадара 2, 3 можно использовать сверхширокополосные антенны согласно патенту патент РФ 2001114074/09 "Антенное устройство для георадара" или антенны, конструкция которых описана в кн.: Изюмов С.В., Дручинин С.В., Вознесенский А.С. "Теория и методы георадиолокации", Учеб. пособие, М.: Изд. "Горная книга", Изд. Московского государственного горного университета, 2008, 196 с. Эти антенны, щелевые или экранированные вибраторные, дают низкий уровень излучения в обратном направлении, поэтому их можно устанавливать на днище вагона-дефектоскопа или на автомобиле.
Подобные антенны 2, 3 щелевого типа показаны на фиг. 3 в составе антенного блока 1 георадара и в составе антенных блоков георадаров 24, 25, 26, 27, отличающихся взаимным расположением антенн 2, 3 внутри антенного блока, ориентацией поляризации и антенных блоков по отношению к направлению движения. На фиг. 3 схематично показано изображение сечения передней излучающей стороны щелевых антенн 2, 3. Черным показаны металлические лепестки излучающей стороны антенн 2, 3, белым - прорези, образующие щель. Антенны 2, 3 имеют линейную поляризацию излучаемого поля. Стрелкой с буквой Е около изображений антенных блоков 1, 24, 25, 26, 27 показано направление поляризации, то есть вектора электрического поля Е зондирующей волны для каждого антенного блока 1, 24, 25, 26, 27.
Передающая 2 и приемная 3 антенны по-разному ориентированы по отношению друг к другу в антенных блоках 1, 24, 25, 27 и в антенном блоке 26. В антенных блоках 1, 24, 25, 27 антенны 2, 3 расположены в плоскости вектора магнитного поля H, а в антенном блоке 26 антенны 2, 3 расположены в плоскости вектора электрического поля Е. Направление поляризации (вектора E) зондирующей волны относительно направления оси пути и шпал 14 также различно для антенных блоков 1, 24, 25 и для антенных блоков 26, 27. В разных случаях целесообразно использовать либо тот, либо другой варианты взаимного расположения передающей 2 и приемной 3 антенн внутри антенного блока георадара 1 и различные варианты ориентации антенного блока георадара 1, 24, 25, 26, 27 относительно оси пути и шпал 14.
Для зондирования узких рассеивающих элементов геотекстиля 13 оптимальная ориентация вектора Е зондирующей волны - параллельно полосам рассеивающих элементов 13, то есть, как в антенных блоках 1, 24, 25, а точнее перпендикулярно направлению движения антенного блока (оси трассы). Для узких рассеивающих элементов при такой поляризации амплитуда отраженного сигнала значительно больше. Для зондирования широких отражающих элементов геотекстиля 12 можно использовать любую поляризацию.
Ширина диаграммы направленности указанных типов антенн больше в плоскости вектора Е, чем в плоскости вектора H. Поэтому прослеживать и строить годографы волн, отраженных от электропроводящих элементов геотекстиля, легче, когда вектор электрического поля Е зондирующей волны направлен вдоль направления движения, то есть, при ориентациях антенных блоков 26, 27. Но при этом такая поляризация является неоптимальной для зондирования узких рассеивающих элементов геотекстиля. С точки зрения уменьшения помех, вносимых влиянием железобетонных шпал, эта поляризация, как в антенных блоках 26, 27, предпочтительна.
Расположение антенн 2, 3 по отношению друг к другу в плоскости вектора Н, как в антенных блоках 1, 24, 25, 27, позволяет обеспечить большую развязку между передающей 2 и приемной 3 антеннами георадара. Ориентация продольной оси антенных блоков 24, 25, 26 вдоль направления движения удобнее при расположении антенных блоков по сторонам вагона-дефектоскопа для зондирования над концами шпал.
На фиг. 3 три антенных блока 1, 24, 25 приведены как пример георадарной системы, состоящей из трех георадаров, позволяющей обследовать насыпь по всей ширине как по оси трассы между рельсами, так и по краям насыпи.
Поскольку электромагнитное поле с низкой частотой меньше затухает во влажном грунте или во влажной насыпи, для зондирования электропроводящих элементов геотекстиля, расположенных на больших глубинах, более 2-3 м, целесообразно использовать в составе георадарного комплекса низкочастотные георадары, со средней частотой спектра ниже 100-300 МГц. Для зондирования электропроводящих элементов геотекстиля с глубинами заложения 1-3 м можно использовать среднечастотные георадары, со средней частотой спектра от 300 до 700 МГц. Наконец, для обеспечения лучшей разрешающей способности, для зондирования электропроводящих элементов геотекстиля на малых глубинах заложения, менее 1 м, следует использовать высокочастотные георадары, со средней частотой спектра от 700 до 3000 МГц.
Устройство для зондирования железнодорожной насыпи, или автодороги, георадар или георадарная система, установленная на транспортном средстве 4, при зондировании насыпи в заявляемом способе работает следующим образом. Транспортное средство 4 с антенным блоком 1 георадара или антенными блоками 1, 24, 25 георадаров георадарной системы перемещается вдоль трассы. Передающие антенны 2 непрерывно с заданной частотой повторения излучают короткие импульсные электромагнитные зондирующие сигналы в насыпь и грунт. Каждый излучаемый зондирующий сигнал проходит последовательно сверху вниз через все слои насыпи, преломляясь на поверхности насыпи и на границах раздела между различными слоями насыпи, имеющими различные значения диэлектрической проницаемости и показателя преломления. Отраженные от электропроводящих элементов геотекстиля сигналы проходят обратно последовательно слои насыпи снизу вверх, преломляясь на диэлектрически контрастных границах между слоями насыпи и на поверхности насыпи. Пути зондирующего сигнала 17, 19 и пути отраженного сигнала 18, 20 при зондировании соответственно элемента 11 слоя геотекстиля 9 и элемента 12 слоя геотекстиля 10 схематично показаны на фиг. 1. Преломление волн зондирующего и отраженного сигнала описывается законом Снелля. Отраженные сигналы принимаются приемными антеннами 3 георадаров.
Далее рассмотрим работу георадара с антенным блоком 1. Для каждого измеренного георадаром сигнала измеряется и записывается в массив данных координата "x" антенного блока 1, которую имела середина антенного блока 1 в момент измерения сигнала. Для измерения координаты "x" используется одометрическая система вагона-дефектоскопа и/или спутниковая система навигации. В принятом георадаром сигнале выделяется отраженный сигнал от поверхности насыпи, который приходит первым. По его положению во времени находится высота антенного блока над поверхностью насыпи для данной координаты антенного блока.
0
0
0
Принятые сигналы записываются в память ЭВМ и обрабатываются. По мере перемещения антенного блока 1 вдоль трассы строится вертикальный радиолокационный профиль, где измеренные сигналы изображаются в плоскости радиолокационного профиля "x-t", показанной на фиг. 2, где "x" - координата антенного блока при перемещении вдоль профиля, t - время распространения сигнала георадара на всем пути сигнала при зондировании. (Само радиолокационное изображение на фиг. 2 не показано.) Путем численной обработки результатов на ЭВМ находятся годографы сигналов, отраженных от электропроводящих элементов геотекстиля. Вид этих годографов показан на фиг. 2. На фиг. 2 годографы 21 построены для сигналов, отраженных от рассеивающих элементов 11 слоя геотекстиля 9, годографы 22 построены для сигналов, отраженных от отражающих элементов 12 слоя геотекстиля 10, а годографы 23 построены для сигналов, отраженных от рассеивающих элементов 13 слоя геотекстиля 10. Годографы строятся как функции t(x-x) времени распространения отраженного сигнала "t" в зависимости от расстояния "x-x" середины антенного блока 1 георадара от точки с координатой "x" проекции оси электропроводящего элемента геотекстиля на линию перемещения антенного блока 1.
0
0
0
0
0
0
По построенным годографам 21, 22, 23, в частности, определяется время распространения сигнала в верхней точке каждого годографа, когда антенный блок 1 располагался в точности над электропроводящим элементом геотекстиля. Для примера на фиг. 2 показан один из годографов 21 с временем распространения сигнала "t", в точке с координатой антенного блока "x". Измеряется амплитуда "a" отраженного сигнала в каждой верхней точке "x" годографа. Значения времени распространения "t", амплитуды "a" и формы годографа для каждого отраженного сигнала от каждого электропроводящего элемента геотекстиля записываются в память ЭВМ и затем обрабатываются в соответствии с заявляемым способом.
Реализация заявляемого георадарного способа определения влажности и загрязненности балласта железнодорожной насыпи или слоев автодорожного покрытия с использованием отражательного геотекстиля заключается в следующем.
При строительстве или ремонте насыпи автодороги или железной дороги используют слои отражательного геотекстиля, содержащие электропроводящие отражающие и/или рассеивающие электромагнитные волны элементы, как описано выше и показано на фиг. 1, 3.
0
Проводится георадарное зондирование насыпи, как описано выше, измеряются сигналы, отраженные от электропроводящих отражающих элементов 12 и рассеивающих элементов 11, 13 слоев геотекстиля 9, 10. Для каждого сигнала, отраженного от электропроводящих элементов геотекстиля, путем обработки на ЭВМ находятся и строятся годографы 21, 22, 23. Алгоритмы автоматического выделения отраженных сигналов на радиолокационном профиле с помощью ЭВМ включают известные алгоритмы, применяемые в георадиолокации: обратная фильтрация для "сжатия" сигнала во времени, преобразование миграции, которое преобразует изображения отраженных сигналов, имеющие на радиолокационном профиле вид годографов, показанных на фиг. 2, в точки. Выделение годографов, по форме обычно близких к гиперболическим, может осуществляться с помощью обобщенного преобразования Хафа (Hough). Эти виды обработки описаны, например, в кн.: Daniels D.J. ed., "Ground Penetrating Radar", 2-nd ed., The Institution of Electrical Engineers, London, UK, 2004, 734 p. Нахождение функции годографа на заданном отрезке вокруг координаты верхней точки "x" годографа может осуществляться корреляционным методом. Согласно этому корреляционному методу положение по времени каждой следующей точки на графике годографа определяется по максимуму взаимной корреляционной функции сигналов, снятых в соседних положениях антенного блока, текущем и следующем.
0
0
0
Далее для каждого отраженного сигнала, для каждого электропроводящего элемента геотекстиля, измеряются время распространения "t" в верхней точке "x" годографа, амплитуда сигнала "a" в этой точке и функция годографа, как показано на фиг. 2 и описано выше.
0
1
0
1
2
0
0
1
1
2
2
Рассмотрим сначала случай, когда в насыпь уложен один слой отражательного геотекстиля. На фиг. 4 показано вертикальное сечение насыпи, слой отражательного геотекстиля 28 с электропроводящими рассеивающими элементами 29, верхний слой насыпи 30 над геотекстилем 28, нижележащий слой насыпи 31, несколько положений антенного блока при сканировании 32, 33, 34, воздушный промежуток 35 между линией движения антенного блока и поверхностью насыпи. Ось "x" - координата середины антенного блока при сканировании вдоль профиля, ось "z" - глубина, Высота расположения антенного блока над насыпью равна d. Толщина слоя насыпи 30 - d. Центры антенного блока в положениях 32, 33, 34 обозначены A, A, A, электропроводящий рассеивающий элемент геотекстиля 29 обозначен точкой O. Ломаные линии A-B-O, A-B-O, A-B-O схематично показывают путь распространения зондирующего и отраженного сигнала при зондировании рассеивающего элемента 29 для положений антенного блока 32, 33, 34. Преломление зондирующей и отраженной волны и, следовательно, форма этих ломаных линий описывается законом Снелля. Пути зондирующего и отраженного сигнала близки друг к другу. Поэтому для упрощения рисунка, для каждого положения антенного блока построена одна ломаная линия пути сигнала, идущая в центр антенного блока. Длина этой ломаной линии близка к усредненному пути зондирующего и отраженного сигнала.
0
0
1
1
1
0
0
1
1
Время распространения сигнала t в положении антенного блока 32 с координатой x измеряется, как описано выше. Это время является суммой времени распространения на пути в воздушном промежутке 35  и времени распространения в верхнем слое насыпи 30 , где c - скорость электромагнитной волны в вакууме, c/n - скорость сигнала георадара в верхнем слое насыпи 30, n - показатель преломления в верхнем слое насыпи 30, равное замедлению сигнала по отношению к скорости с в вакууме, , где ε - диэлектрическая проницаемость верхнего слоя насыпи 30. Толщина воздушного промежутка 35 d может не всегда быть равной высоте установки антенного блока из-за колебаний на рессорах транспортного средства (автомобиля). Поэтому толщина воздушного промежутка 35 d измеряется с помощью зондирования георадаром по времени прихода сигнала, отраженного от поверхности насыпи. Для георадарной системы, установленной на автолаборатории, возможно применение дополнительных средств измерения высоты антенного блока над поверхностью асфальтового покрытия, например лазерного или ультразвукового измерителя дальности. Если глубина заложения слоя отражательного геотекстиля 28 d известна, то показатель преломления n в верхнем слое насыпи находится по формуле:
1
1
0
0
d·n/c+d/c=t/2.
1
Из найденного показателя преломления n или из диэлектрической проницаемости  находится влажность верхнего слоя насыпи 30 по известным зависимостям. Например, для песчаного и глинистого грунта зависимости диэлектрической проницаемости от влажности представлены в ст.: Лещанский Ю.И., Лебедева Г.Н., Шумилин В.Д. "Электрические параметры песчаного и глинистого грунтов в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн", Изв. высш. уч. зав., Радиофизика, 1971, т. 14, №4, с. 562-569.
0
0
Описанный способ нахождения влажности слоя насыпи по измеренному значению времени распространения сигнала t в точке A расположения антенного блока 32 точно над электропроводящим элементом геотекстиля применим как для узких рассеивающих элементов, так и для широких отражающих элементов.
1
Если по влажности верхний слой насыпи 30 неоднороден, найденное по описанному способу значение n дает среднее по верхнему слою насыпи 30 значение показателя преломления. Из него можно оценить среднее значение влажности слоя насыпи 30.
1
0
Глубина заложения d слоя отражательного геотекстиля 28 может быть точно неизвестна, или ее необходимо определять при зондировании. Возможны также просадки грунта, и в местах просадок эта глубина больше проектного уровня. Для точного определения глубины слоя отражательного геотекстиля в этом случае применяются следующие действия. Для каждого электропроводящего элемента геотекстиля берется функция годографа отраженного сигнала, полученная в результате проведенного георадарного зондирования, как описано выше. Для случая одного однородного или слабо неоднородного слоя насыпи, в соответствии со схемой, представленной на фиг. 4, функция годографа t(x-x) имеет вид:
i
0
i
1
i
i
t(x-x)=2|BO|·n/c+2|AB|/c,
i
i
i
0
1
1
i
i
i
i
i
1
1
0
0
1
1
1
1
где |AB|, |BO| - отрезки пути, пройденного сигналом георадара соответственно в воздушном промежутке 35 и слое насыпи 30, "i" - номер положения антенного блока, i=0, 1, 2, … Эта функция годографа t(x-x) определяется толщиной слоя насыпи 30 d и средним показателем преломления n в слое насыпи 30. Длины отрезков |AB|, |BO| ломаной A-B-O определяются из значений d, n по закону Снелля. С помощью ЭВМ находится множество таких функций-годографов t(x-x), удовлетворяющих условию t(0)=t, для различных возможных значений d и n. Далее с помощью ЭВМ из найденного множества возможных годографов выбирается тот, который наилучшим образом, в смысле минимального среднеквадратичного отклонения, соответствует измеренному годографу. В результате определяются толщина d слоя насыпи 30 и средний показатель преломления n в слое насыпи 30. Из показателя преломления находится влажность слоя насыпи 30, как описано выше.
0
1
0
0
0
1
1
Загрязненность слоя насыпи 30 глинистыми частицами определяется следующим образом. Затухание сигнала георадара определяется сферической расходимостью волн, затуханием в среде зондирования и потерями при отражении волн от объекта зондирования. С помощью ЭВМ, с учетом характеристик данного георадара, для различных глубин "d" зондирования, где d=d+d, и d известно, и для данных конкретных типов электропроводящих элементов 29 отражательного геотекстиля 28 строятся градуировочные зависимости, позволяющие определять полное затухание "Q" в среде зондирования по измеренной амплитуде "a" отраженного сигнала. Далее берется измеренное в результате георадарного зондирования, как описано выше, значение амплитуды "a" отраженного сигнала от электропроводящего элемента геотекстиля в момент, когда середина антенного блока 32 проходит точно над рассматриваемым элементом 29 геотекстиля (в точке с координатой x). В этом положении антенного блока проходимый сигналом путь туда и обратно в верхнем слое насыпи 30 равен 2d - удвоенной толщине слоя насыпи 30. Эта толщина либо известна заранее, либо определяется в соответствии с заявляемым способом, как описано выше. Из найденного по градуировочной зависимости полного затухания сигнала и пройденного сигналом пути в слое насыпи 30 определяется погонное затухание Q (дБ/м) сигнала георадара в слое насыпи 30.
Таким образом, в результате описанных выше действий для материала верхнего слоя насыпи 30 (фиг. 4) определяются значения влажности и погонного затухания в слое насыпи. Это позволяет с помощью ЭВМ определить содержание глинистых частиц по известным зависимостям. Например, для песчаной насыпи можно использовать зависимости, измеренные экспериментально, приведенные в ст.: Лещанский Ю.И., Лебедева Г.Н., Шумилин В.Д. "Электрические параметры песчаного и глинистого грунтов в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн", Изв. высш. уч. зав., Радиофизика, 1971, т. 14, №4, с. 562-569. Можно также использовать расчетные модели, основанные на формулах смеси, как указано в кн.: Изюмов С.В., Дручинин С.В., Вознесенский А.С. "Теория и методы георадиолокации", Учеб. пособие, М.: Изд. "Горная книга", Изд. Московского государственного горного университета, 2008. - 196 с. Эти зависимости имеют сложный характер, поскольку погонное затухание само сильно зависит от влажности. В частности, от содержания глинистых частиц в насыпи сильно зависит затухание электромагнитных волн при небольших значениях влажности. Также от содержания глинистых частиц зависит затухание на высоких частотах, на длинах волн 10-90 см. Содержание глинистых частиц в насыпи находится с помощью ЭВМ по указанным зависимостям.
0
0
0
1
1
1
2
2
2
Использование в насыпи нескольких слоев отражательного геотекстиля позволяет более точно определять влажность и загрязненность слоев насыпи в зависимости от глубины. На фиг. 5 показано вертикальное сечение насыпи, два слоя отражательного геотекстиля 28 и 36 с электропроводящими рассеивающими элементами соответственно 29 и 37, верхний слой насыпи 30 над геотекстилем 28, слой насыпи 31 между слоями геотекстиля 28 и 36, воздушный промежуток 35 между линией движения антенного блока и поверхностью насыпи. Электропроводящий рассеивающий элемент 37 нижнего слоя геотекстиля 36 обозначен точкой O. Ломаные линии A-B-C-O, A-B-C-O, A-B-C-O схематично показывают путь распространения зондирующего и отраженного сигнала при зондировании рассеивающего элемента 37 нижнего слоя геотекстиля 36. Остальные обозначения, как на фиг. 4. В данном примере показан случай, когда влажность насыпи увеличивается при увеличении глубины, поэтому в соответствии с законом Снелля угол между направлением распространения сигнала и вертикалью уменьшается при увеличении глубины.
1
1
1
0
0
0
0
2
2
В случае насыпи с несколькими слоями отражательного геотекстиля значения влажности и загрязненности слоев насыпи определяются последовательно, сверху вниз. Рассмотрим пример с двумя слоями отражательного геотекстиля. Для верхнего слоя насыпи 30 показатель преломления n, погонное затухание Q и толщина слоя d определяются путем зондирования электропроводящих элементов 29 верхнего слоя геотекстиля 28 и последующей обработки данных, как описано выше. Поэтому эти величины теперь считаются известными. Далее анализируются результаты георадарного зондирования электропроводящих элементов 37 следующего, лежащего ниже слоя отражательного геотекстиля 36. Берется время распространения сигнала t в положении антенного блока 32 с координатой x, амплитуда отраженного сигнала "a", измеренного в этой точке, и функция годографа t(x-x) для данного отраженного сигнала. Если толщина d слоя насыпи 31 известна, показатель преломления n в слое насыпи 31 находится из формулы:
2
2
1
1
0
0
d·n/c+d·n/c+d/c=t/2.
2
2
0
Если толщина d слоя насыпи 31 неизвестна, эту толщину и показатель преломления n в слое насыпи 31 находим путем анализа функции годографа t(x-x) отраженного сигнала. В соответствии со схемой, представленной на фиг. 5, функция годографа t(x) имеет вид:
i
0
i
2
i
i
1
i
i
t(x-x)=2|CO|·n/c+2|BC|·n/c+2|AB|/c,
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
2
2
2
1
0
2
2
0
0
2
2
2
2
где |AB|, |BC|, |CO| - отрезки пути, пройденного сигналом георадара соответственно в воздушном промежутке 35, верхнем слое насыпи 30 и нижележащем слое насыпи 31, "i" - номер положения антенного блока, i=0, 1, 2, … Длины отрезков |AB|, |BC|, |CO| ломаной A-B-C-O определяются из значений d, n и известных значений d, n, d по закону Снелля. Эта функция годографа зависит от неизвестной толщины слоя насыпи 31 d и показателя преломления n в слое насыпи 31. С помощью ЭВМ находится множество таких функций-годографов t(x-x), удовлетворяющих условию t(0)=t, для различных возможных значений d и n. Далее с помощью ЭВМ из найденного множества возможных годографов выбирается тот, который наилучшим образом, в смысле минимального среднеквадратичного отклонения, соответствует измеренному годографу. В результате определяются толщина d слоя насыпи 31 и средний показатель преломления n в слое насыпи 31. Из показателя преломления находится влажность слоя насыпи 30, как описано выше.
0
1
2
0
1
0
0
2
1
1
2
2
2
Загрязненность слоя насыпи 31 глинистыми частицами определяется следующим образом. С помощью ЭВМ, с учетом характеристик данного георадара, для различных глубин "d" зондирования, где d=d+d+d, и d, d известны, и для данных конкретных типов электропроводящих элементов 37 отражательного геотекстиля 36 строятся градуировочные зависимости, позволяющие определять полное затухание "Q" в среде зондирования по измеренной амплитуде "a" отраженного сигнала. Далее берется измеренное в результате георадарного зондирования значение амплитуды "a" отраженного сигнала от электропроводящего элемента геотекстиля в момент, когда середина антенного блока 32 проходит точно над рассматриваемым элементом 37 геотекстиля (в точке с координатой x). В этом положении антенного блока проходимый сигналом путь туда и обратно в слое насыпи 31 равен 2d - удвоенной толщине слоя насыпи 31. Эта толщина либо известна заранее, либо определяется в соответствии с заявляемым способом, как описано выше. Из найденного по градуировочной зависимости полного затухания сигнала вычитается найденное ранее затухание в вышележащих слоях (в данном случае Q·d). Остаток равен затуханию в слое насыпи 31. Разделив его на пройденный сигналом путь 2d в слое насыпи 31, находим погонное затухание Q (дБ/м) сигнала георадара в слое насыпи 31. Из значений влажности и погонного затухания Q в слое насыпи 31 находится содержание глинистых частиц, как описано выше.
0
0
Рассмотрим случай, когда в насыпь уложен один слой отражательного геотекстиля, а насыпь над слоем геотекстиля слоисто-неоднородна и состоит из различных слоев, различающихся по гранулометрическому составу и/или влажности. Толщины слоев насыпи, число этих слоев и значения показателя преломления зондирующей волны в слоях неизвестны. Глубина заложения слоя отражательного геотекстиля также может быть неизвестной. Все эти значения определяются путем анализа измеренной формы годографа отраженного сигнала. Функция годографа зависит от всех указанных неизвестных и определяется с использованием закона Снелля, как описано выше. С помощью ЭВМ находится множество таких функций-годографов t(x-x), удовлетворяющих условию t(0)=t, для различных возможных значений неизвестных толщин слоев, числа слоев и значений их показателя преломления. Далее с помощью ЭВМ из найденного множества возможных годографов выбирается тот, который наилучшим образом, в смысле минимального среднеквадратичного отклонения, соответствует измеренному годографу. В результате находится число основных слоев, определяющих электрические свойства насыпи, их толщины и показатель преломления. Поиск годографа, обеспечивающего минимальное среднеквадратичное отклонение в многомерном пространстве указанных неизвестных параметров, может осуществляться с помощью генетического алгоритма или метода "роя пчел". Эти методы описаны, например, в кн.: Гринев А.Ю., Темченко B.C., Багно Д.В. "Радары подповерхностного зондирования. Мониторинг и диагностика сред и объектов", М.: Радиотехника, 2013, 392 с.
В промежутках между электропроводящими отражающими и/или рассеивающими элементами отражательного геотекстиля влажность и загрязненность слоев насыпи находятся путем интерполяции. По найденным значениям показателя преломления слоев насыпи строится вертикальный разрез скоростей электромагнитных волн вдоль всего профиля как над электропроводящими элементами отражательного геотекстиля, так и в промежутках между ними. При обработке результатов георадарного зондирования это позволяет получать точные значения глубин найденных неоднородностей насыпи, техногенных объектов и глубины границ между слоями в промежутках между электропроводящими элементами отражательного геотекстиля.
Заявляемый способ позволяет, как описано выше, определять глубину электропроводящих элементов отражательного геотекстиля и находить точную глубину границ раздела между слоями насыпи также в промежутках между электропроводящими элементами, то есть по всей протяженности насыпи. Следовательно, заявляемый способ можно использовать для определения или уточнения толщины слоев насыпи. Это позволяет обнаруживать места просадок насыпи и грунта под насыпью, предотвращать таким образом возможные провалы грунта под железными дорогами и автодорогами.
По отсутствию отражения или по аномально низкой амплитуде сигналов, отраженных от электропроводящих элементов отражательного геотекстиля, можно определять места вдоль насыпи, где эти электропроводящие элементы были по какой-либо причине разрушены, например, в местах деформации слоев насыпи. Это также позволяет находить возможные места деформации слоев насыпи.
Реализация заявляемого способа позволяет следующее:
- Определять зоны повышенного увлажнения насыпи.
- Определять места повышенной загрязненности насыпи, затрудненной инфильтрации воды.
- Определять места просадок и деформации слоев насыпи.
- Проводить обследование насыпи быстро, бесконтактно и неразрушающим способом.
- Увеличить надежность и точность определения влажности и загрязненности слоев насыпи с помощью георадарного зондирования.
- Повысить эффективность, качество и информативность обследования насыпи железных дорог и автодорог.
- Повысить безопасность движения.