Геоэлектрический способ определения мощности пригодного для инженерно-строительных работ почвенно-мерзлотного комплекса
GEOELECTRIC METHOD FOR DETERMINING CAPACITY OF SOIL-PERMAFROST COMPLEX SUITABLE FOR ENGINEERING AND CONSTRUCTION WORKS

Изобретение относится к области геоэлектрических измерений мерзлых грунтов и может быть использовано для определения мощности пригодного для инженерно-строительных работ почвенно-мерзлотного комплекса, а также для изучения грунтов криолитозоны.
Известно, что почвенно-мерзлотные комплексы являются типичным компонентом ландшафтов Арктики, а также неарктических частей Западной и Восточной Сибири. Они распространены в зонах присутствия сплошной и островной мерзлоты. В условиях почвенно-мерзлотных комплексов инженерно-строительное проектирование сталкивается с трудностями, которые связаны с наличием слоя многолетнемерзлых пород, подстилающего деятельный слой, пригодный для инженерно-строительных работ. В связи с этим стоит проблема идентификации деятельного слоя или слоя, пригодного для инженерно-строительных работ ненарушающими методами.
Известно, что проблема определения мощности деятельного слоя решается некоторыми способами, которые относятся к физике почв и грунтов.
Наиболее распространенным способом является способ заложения шурфов с одновременным бурением [1]. Однако этот способ относится к механическим способам и поэтому малопроизводительный и дорогой.
Известен также способ [2], заключающийся во внедрении стального щупа в почвенно-грунтовую толщу до его встречи с непроницаемой мерзлотной толщей, что фиксируется по звуку. Однако этот способ, который также является механическим, дает неточное определение глубины мерзлого грунта при встрече с массивно-кристаллической породой, а также, кроме того, приводит к нарушению почвенно-грунтовой толщи при ежегодном мониторинге при проведении стационарных наблюдений на исследуемых площадках.
Известен способ определения литологического состава мерзлых пород [3]. Однако этот способ ограничен областью его использования, поскольку предназначен, как правило, для исследования вертикальной литологической неоднородности преимущественно глинистых толщ.
Известен способ проведения инженерно-геологических изысканий, основанный на электрофизической характеристике грунтов [4]. Однако этот способ является сложным и длительным, поскольку возникает необходимость проведения одновременной термометрии почвенно-грунтовой толщи.
Известен способ геоэлектроразведки, основанный на вертикальном электрическом зондировании [5]. Однако этот способ также требует дорогостоящего дополнительного бурения, что влияет и на сроки проведения зондирования.
Известен способ определения границ залегания многолетнемерзлых пород [6]. Однако этот способ является трудоемким, поскольку помимо бурения требует одновременного проведения термометрии.
Известен геоэлектрический способ прогнозирования оползней на искусственных грунтовых сооружениях, наиболее близкий к заявляемому изобретению и выбранный в качестве прототипа [7]. Известный способ заключается в геоэлектрическом определения мощности пригодного для инженерно-строительных работ почвенно-мерзлотного комплекса.
Недостатками прототипа являются недостаточно высокая точность, воспроизводимость и чувствительность, а также сложность и длительность его проведения, поскольку этот способ требует обязательного проведения многих и разных измерений, учитывающих разные рельефные формы ландшафта (в частности, требуют измерения вдоль полотна, откоса, подножий как с одной, так и с другой стороны исследуемой толщи). Кроме того, существенным недостатком является также необходимость измерения минерализации грунтовых вод для составления продольного профиля электрического сопротивления толщи, что также увеличивает время проведения исследований, а также снижает чувствительность и точность проводимых измерений.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности и чувствительности для анализа их пригодности для инженерно-строительных работ, а также сокращение времени исследования почвенно-мерзлотной толщи.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном геоэлектрическом способе определения мощности пригодного для инженерно-строительных работ почвенно-мерзлотного комплекса, заключающемся в вертикальном электрическом зондировании исследуемого участка грунта с интервальным фиксированием на нем величин электрического сопротивления и в его продольном разрезе с тем же интервалом, определении удельного сопротивления слоев исследуемого участка грунта, по которому графически отображают величину мощности обводненной зоны исследуемого участка грунта, в соответствии с заявленным изобретением, вертикальное электрическое зондирование проводят на почвенно-мерзлотном комплексе с предварительно выбранными на нем участками с однородной растительностью, однородность которой определяют по постоянной величине электрического сопротивления, полученной при продольном электрическом зондировании исследуемого комплекса в интервале 20-60 см, вертикальное электрическое зондирование проводят при постоянном фиксировании электрического сопротивления с интервалом 5-20 см, и по минимальному значению, полученному в профилированной толще исследуемого участка, в пределах 5-20 Ом⋅м, определяют нижнюю глубину мощности пригодного для инженерно-строительных работ почвенно-мерзлотного комплекса, а при значении электрического сопротивления менее 5 Ом⋅м дополнительно проводят вертикальное зондирование этого исследуемого участка.
Заявленный способ относится к относительно простому и недорогому способу измерения глубины почвенно-мерзлотной толщи, осуществляемому при малых интервалах питающих и приемных электродов. Предложенный способ позволяет определять мощность пригодной для инженерно-строительных работ толщи почвенно-мерзлотного комплекса с точность до 5 см.
Сущность заявленного способа поясняется Фиг. 1 - Фиг. 3.
На Фиг. 1 представлено профильное изменение электрического сопротивления почвенно-мерзлотного слоя на полуострове Гыдан.
На Фиг. 2 представлено профильное изменение электрического сопротивления в почвенно-мерзлотном слое в окрестностях г. Салехард.
На Фиг. 3 представлено профильное изменение электрического сопротивления при детальном профилировании обводненной почвенно-мерзлотной толщи в окрестностях г. Салехард.
Заявленный способ был апробирован в полевых условиях в рамках экспедиционных работ на территории Ямало-Ненецкого автономного округа.
Ниже приведены примеры апробации.
Пример 1. Геоэлектрическое зондирование площадки с однородным почвенно-растительным покровом
Электродную систему переносят для каждого последующего зондирования через каждые 20-60 см в зависимости от микрорельефа исследуемого участка (при выраженных формах микрорельефа используют интервал 60 см, при слабовыраженных формах микрорельефа используют интервал 20 см). Выполняют не менее 10 вертикальных электрических зондирований с пространственным интервалом от 20 до 60 см. Таким образом, достигается пространственная представительность проведенных исследований.
Пример 2 (2А - апробация на полуострове Гыдан)
Вертикальное геоэлектрическое зондирование проводят с интервалом единичных вертикальных электрических зондирований, равным 5 см. Фиг. 1. иллюстрирует профильное изменение величины электрического сопротивления при интервале зондирования, равном 5 см. Как видно из Фиг. 1, минимальные величины сопротивления, равные 5-20 Ом⋅м, наблюдаются на глубине 55-60 см, что свидетельствует о наличии обводненной толщи на границе со слоем многолетнемерзлых пород.
Пример 2 (2Б - апробация в окрестностях г. Салехард)
Вертикальное геоэлектрическое зондирование проводят с интервалом единичных вертикальных электрических зондирований, равным 20 см. Фиг. 2. иллюстрирует профильное изменение величины электрического сопротивления при интервале зондирования, равном 20 см. Как видно из Фиг. 3, минимальные величины сопротивления, равные 5-20 Ом⋅м, наблюдаются на глубине 120-250 см, что свидетельствует о наличии обводненной толщи на границе со слоем многолетнемерзлых пород. Нижняя граница обводненной толщи принимается как нижняя граница слоя почвенно-мерзлотного комплекса, пригодного для инженерно-строительных работ.
Пример 3
Подробное геоэлектрическое зондирование проводят, если выяснилось, что электрическое сопротивление исследуемой толщи составило менее 5 Ом⋅м. При этом интервал зонирования выбирают равным 5 см. Фиг. 3 иллюстрирует изменение величин электрического сопротивления при детальном зондировании толщи с низкими величинами сопротивления. По ходу кривых сопротивления уточняют наличие литологической неоднородности изучаемых почвенно-грунтовых толщ. Наличие участков пород с сопротивлением менее 5 Ом⋅м свидетельствует о наличии слоев обводненной глины.
Как показали примеры апробации, заявленный способ имеет высокую точность и чувствительность при определении мощности пригодного для инженерно-строительных работ почвенно-мерзлотного слоя.
Технико-экономическая эффективность заявленного способа состоит в возможности быстрого определения мощности слоя почвенно-мерзлотной толщи, пригодного для инженерно-строительных работ. Предложенный способ отличается от большинства известных и используемых способов тем, что позволяет обеспечивать измерение мощности слоя почвенно-мерзлотного комплекса, пригодного для инженерно-строительных работ, без механического нарушения целостности почвенно-растительного покрова.
Заявленное изобретение, как показали примеры апробации, позволит, что очень важно, проводить мониторинг динамики мощности пригодного для инженерно-строительных работ слоя почвенно-мерзлотного комплекса с высокой скоростью и без проникновения в почвенно-грунтовую массу.
Кроме того, результаты апробации выявили по сравнению с наиболее близким техническим решением высокую производительность полевых измерений, постоянство системной воспроизводимости измеряемых величин электрического сопротивления, что достигается оптимальным подбором интервалов разносов между принимающими электродами на специально выбранных участках с однородной растительностью. Вместе с тем, новый способ позволяет изучать вертикальную неоднородность почвенно-мерзлотной толщи без механического ее нарушения, в том числе бурения грунта; его существенной отличительной особенностью, помимо перечисленного, является высокая производительность и чувствительность, сохранение экологии окружающей среды за счет отказа от необходимости заложения шурфов, бурения или иного механического проникновения в почвенно-мерзлотную толщу за счет использования стального щупа, что существенно удешевляет и упрощает инженерно-строительные изыскания в мерзлых грунтах.
Источники информации
1. Абрамов А.А., Слеттен Р.С., Ривкина Е.М., Миронов В.А., Гиличинский Д.А.. Геокриологические условия Антарктиды // Криосфера Земли 2011. т. XV, No 3, с. 3-19.
2. Мажитова Г.Г., Каверин Д.А. Динамика глубины сезонного протаивания и осадки поверхности почвы на площадке циркумполярного мониторинга деятельного слоя (CALM) в европейской части России // Криосфера Земли. 2007. т. XI, No 4, с. 20-30.
3. Патент Российской Федерации RU 2420765 «Способ определения литологического состава мерзлых пород».
4. Патент Российской Федерации RU 2080626 «Способ проведения инженерно-геологических изысканий».
5. Патент Российской Федерации RU 2117967 «Способ геоэлектроразведки».
6. Патент Российской Федерации RU 2329370 «Способ определения границ многолетнемерзлых пород».
7. Патент Российской Федерации RU 2383904 «Геоэлектрический способ прогнозирования оползней на искусственных грунтовых сооружениях» (прототип).