В.П.Лисин ,Р.Н.Середенко� ( SIA Interseis, Латвия)
Комплексные зондирования грунтового массива методами малоглубинной сейсмики, электротомографии и радиолокации
Инженерная геофизика 2015, г.Геленджик, 24-26.04.2015 г.
Схема расположения мест опытных работ вдоль маршрута магистрали Rail Baltica в центральной части Латвии
В ходе подготовки технико-экономического обоснования строительства магистрали Rail Baltica должна быть выполнена оценка инженерно-геологических условий, в том числе получены общие сведения о строении и свойствах грунтового массива. Для получения этих данных предполагалось выполнить вдоль одного из вариантов маршрута в пределах территории Латвии 15 точечных зондирований методами малоглубинной геофизики с последующим геотехническим бурением в этих местах и выполнением статического зондирования. При разработке методики зондирований были проведены опытные работы на 4-х полигонах в центральной части Латвии
Фрагмент карты четвертичных отложений центральной части Латвии (Григялис А.А. и др. 1980)
Маршрут магистрали на территории Латвии характеризуется весьма разнообразными инженерно-геологическими условиями. Несмотря на относительно небольшие перепады высот и равнинный рельеф местности, строение отложений четвертичного чехла и коренных пород верхней части разреза существенно различается в направлении от северных границ Латвии на юг. Даже в пределах рассматриваемого ограниченного участка маршрута в его центральной части четвертичные отложения весьма разнообразны.
Весьма характерными для всего участка маршрута являются покровные моренные отложения, покрывающие чехлом коренные породы девона практически на всей территории Латвии.
ОСОБЕННОСТИ ВОЛНОВОЙ КАРТИНЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА МАЛОГЛУБИННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
Типичная волновая картина при неглубоком залегании коренных пород
При разработке методики зондирований необходимо было определить оптимальный набор малоглубинных геофизических методов, обеспечивающий получение возможно большего количества информации и глубинность исследований не менее 30-50 м с максимальной разрешенностью при изучении приповерхностного слоя грунтов.
Типичная волновая картина при большой мощности четвертичных отложений
Были опробованы сейсмические методы отраженных, рефрагированных и поверхностных волн, электротомография и радиолокационное профилирование. Зондирования отрабатывались с использованием 1-2 х расстановок геофонов и электродов при длине профилей 150-300 м.
Схемы геофонных расстановок и комплект регистрирующей аппаратуры
Для отработки зондирования с использованием всех трех типов волн использованы два варианта геофонных расстановок с шагом каналов 2 м: 64-х канальная расстановка длиной 126 м применялась для регистрации рефрагированных и отраженных волн, 32-х канальная длиной 62 м – для регистрации поверхностных волн Сейсмические исследования выполнены с использованием регистратора IS128.03.
Примеры временных разрезов на продольных и поперечных волнах
Отображение моренных гряд на разрезах с использованием продольных (а) и поперечных (б) волн. Метод отраженных волн дает наибольшую глубинность исследования грунтового массива и коренных пород. Использование поперечных волн при одинаковых частотах существенно повышает разрешенность метода.
Определение скоростей распространения продольных волн путем анализа вертикальных спектров скоростей
Записи отраженных волн позволяют оценить скорости распространения упругих волн и, соответственно, физические свойства грунтов до глубин
порядка 100-150 м
Разрезы скоростей продольных и поперечных волн, полученные по методу рефрагированных и поверхностных волн
Наименее трудоемкий по полевым работам метод рефрагированных волн во многих случаях позволяет получить весьма информативные разрезы распределения скоростей продольных волн в грунтовом массиве, определить конфигурацию поверхности коренных пород. При шаге каналов 2-5 м максимальное удаление источника от приемника составляло 158 м
Сейсмограммы и матрицы фазовых скоростей зондирований по методу MASW
Для регистрации поверхностных волн использовалась короткая 32х-64х канальная расстановка с шагом каналов 1-2 м, размещаемая в центре зондирования. Возбуждение импульсов производилось на обоих флангах расстановки
Пример расчета скоростей распространения поперечных волн по методу MASW
Полученные по методу MASW скорости распространения поперечных волн создают предпосылки для расчета динамических упругих модулей грунтового массива, а затем, на основе корреляционных зависимостей для получения и прочностных и деформационных параметров грунтового основания
ОСОБЕННОСТИ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ
Геоэлектрический разрез моренных отложений переуглубленной ледниковой долины
Для работ по методу электротомографии использовалась одноканальная аппаратура ЭРП-1 с механическим коммутатором каналов и 32-х электродная коса с шагом каналов 5 м. Вверху пример геоэлектрического разреза по профилю вдоль дна переуглубленной ледниковой долины, заполненной моренными суглинками и крупнообломочными флювиогляциальными отложениями
Примеры геоэлектрических разрезов
Вверху – разрез с высокоомным слоем сухого насыпного песка, покрывающего толщу водонасыщенных моренных суглинков. Внизу – разрез со слоем влажного аллювиального песка и моренного суглинка, залегающего на коренных доломитах
Отображение борта ледниковой долины на разрезах ОГТ, скоростей продольных волн и геоэлектрическом
Временной разрез ОГТ по отраженным волнам (вверху) отображает конфигурацию границ слоев с различными физическими свойствами.
Разрез, полученный по рефрагированным волнам (в центре), дает оценку распределения физсвойств в массиве моренных отложений и более детально отображает форму дна погребенной ледниковой долины.
Геоэлектрический разрез (внизу) в интегральном виде отображает степень водонасыщенности моренных грунтов и подстилающих коренных отложений.
ГЕОРАДАРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ
Отображение особенностей строения моренных отложений на георадарных разрезах с различной частотой зондирующего импульса
В условиях осушенных моренных отложений глубинность исследований может достигать 15 и более метров при использовании низкочастотных дипольных антенн с частотами зондирующего импульса 150 и 75 МГц
150 МГц
75 МГц
Георадарный разрез, полученный с высокочастотной эранированной антенной с частотой импульса 900 Мгц
Использование высокочастотной антенны позволяет расчленить лишь приповерхностный слой дорожного покрытия, представленного щебневой и песчаной отсыпками. Прослеживаются локальные неоднородности эоловых и моренных отложений до глубины 2-2,5 м. Прослеживание более глубоких границ проблематично
Георадарный разрез, полученный с низкочастотной дипольной антенной с частотой импульса 150 Мгц
Использование дипольной антенны 150 МГц наиболее эффективно для получения детальных разрезов в зонах аэрации моренных и аллювиально-эоловых отложений до глубин 8-10 м. В пониженных местах с неглубоким залеганием уровня грунтовых вод глубинность исследований с этой антенной существенно снижается
Георадарный разрез, полученный с низкочастотной дипольной антенной с частотой импульса 75 Мгц
Дипольная антенна с частотой импульса 75 МГц обеспечивает наибольшую глубинность исследований, но дает более генерализованную картину расчленения приповерхностной части разреза. Записи с этой антенной могут быть использованы для совместной интерпретации с данными сейсморазведки
Интерпретация георадарного разреза эоловых и �моренных отложений, подстилаемых коренными доломитами
Интерпретация георадарного разреза выполнена с учетом данных малоглубинной многоволновой сейсморазведки и образцов грунта, полученных при бурении скважины, расположенной на удалении 0,5 км от профиля
Оценка степени водонасыщенности грунта по георадарному зондированию
На ограничение глубинности георадарных исследований определяющее влияние оказывает глубина поверхности полного водонасщения в грунтах. Отражение от поверхности водоносного горизонта обычно является последним на разрезе. Однако зона аэрации может быть изучена с достаточно высокой детальностью.
Исследование состояния грунтового массива �под жестким покрытием мостовой
Применение экранированных высокочастотных антенн целесообразно в случаях неглубокого залегания уровня грунтовых вод, когда глубинность исследований дипольными антеннами ограничена, и когда необходимо изучить с высоким разрешением строение приповерхностного слоя грунтов, к примеру отсыпок полотна дорог, мостовых, набережных
900 МГц, экранированная антенна
150 МГц, дипольная антенна
Сопоставление георадарного разреза с разрезами скоростей поперечных и продольных волн
Проявляющиеся на георадарном разрезе зоны повышенных амплитуд, отождествляемые с обводненными участками насыпного грунта, отображаются на сейсмических разрезах аномалиями пониженных скоростей и интерпретируются как участки проявления суффозионных процессов, выноса тонкодисперсных фракций и разуплотнения грунтового массива.
ПРИМЕРЫ КОМПЛЕКСНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ ГРУНТОВОГО МАССИВА
Полигон 1 на участке погребенной ледниковой долины
Мощность аллювия и моренных отложений в центральной части долины достигает 120 м. Разрезы скоростей продольных (в центре) и поперечных волн (внизу) характеризуют лишь верхнюю приповерхностную часть грунтового массива на глубину до 20 м.
Полигон 1. Сейсмический разрез ОГТ по отраженным волнам
Расширение полосы частотного диапазона при обработке в сторону низких частот позволяет достичь глубинности 150 и более метров при использовании простейшего источника сейсмических импульсов – кувалды весом 8 кГ с накоплением 3-5 воздействий
Полигон 1. Интерпретация сейсмического разреза ОГТ
Для интерпретации использованы строящиеся водозаборные скважины, две из которых не достигли кровли коренных девонских песчаников, являющихся региональным напорным водоносным горизонтом
Полигон 2. Участок с мощным слоем аллювиальных отложений
Выполненный на полигоне комплекс малоглубинных геофизических исследований и рассчитанные на его основе параметры и свойства грунтового массива показали хорошее соответствие с данными статического зондирования и лабораторных исследований проб грунтов, отобранных при бурении геотехнических скважин.
Это позволило использовать геофизические данные для построения модели грунтового основания на всей площадке строительства крупного энергетического блока.
Схемы сейсмоакустических исследований в геотехнических скважинах на полигоне 2
Слева непродольное вертикальное профилирование, справа – межскважинное многоканальное просвечивание по методу сейсмотомографии
Разрез непродольного ВСП в скважине на полигоне 2 и графики измеренных скоростей Vp и Vsи расчетных физико-механических параметров
Удаление пункта возбуждения от устья скважины 3 м. Шаг пьезоприемников в зонде 0,25 м. На разрезе цветами обозначены: красный – прямая падающая волн,синий – прямая гидроволна, зеленый – падающие обменные и поперечные волны, желтый – восходящие отраженные продольные волны.
Полигон 3. Отображение на сейсмических разрезах, выветрелой поверхности закарстованных коренных пород
Вверху разрез скоростей продольных волн, внизу временной разрез ОГТ
Полигон 3. Участок в долине р.Даугавы с проявлениями активного и погребенного карста
При малой мощности четвертичных отложений разрез характеризуется в целом высокими скоростями распространения упругих волн. В малом временном промежутке детальное расчленение верхней части разреза проблематично.
Лучшей разрешенностью в этом случае обладает метод рефрагированных волн.
На геоэлектрическом разрезе участками низких сопротивлений выделяются возможные обводненные зоны проявления погребенного карста.
Полигон 4. Гряда, сложенная озерно-ледниковыми и эоловыми отложениями на поверхности доломитов
Георадарный разрез позволяет детально расчленить приповерхностную часть грунтового массива до глубины 10-15 м, что невозможно сделать по данным сейсморазведки на отраженных и рефрагированных волнах
Заключение
1. Для решения геологических задач первого этапа технико-экономического обоснования маршрутов проектируемой железнодорожной магистрали комплекс малоглубинной геофизики должен включать многоволновую сейсморазведку, электротомографию и георадарное зондирование.
2. При выполнении точечных зондирований малоглубинными геофизическими методами сейсмоприемная расстановка должна включать 32-64 канала с шагом между ними от 2 до 5 м при общей длине 30-60 м при использовании поверхностных волн, 100-120 м при работах по методу ОГТ на отраженных волнах и до 150-160 м при регистрации рефрагированных волн.
3. Для профилирования по методу электротомографии следует использовать симметричную 32-х канальную расстановку с шагом электродов 5 м.
4. Для георадарных исследований целесообразно использование низкочастотных дипольных антенн с частотой зондирующего импульса 75 и 150 МГц.
5. Указанные параметры систем наблюдений позволяют организовать технологичный и экономически целесообразный процесс отработки зондирований в локальных точках маршрута проектируемой магистрали.
ЧТО ДАЛЬШЕ?�СЛЕДУЮЩИЙ ЭТАП – РАСЧЕТ УПРУГИХ �МОДУЛЕЙ И ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОВ
Расчет разрезов модулей упругости
Разрезы упругих констант рассчитываются для массивов скальных и полускальных грунтов на основании полученных разрезов скоростей продольных и поперечных волн и расчетных разрезов плотности
Скорость поперечных волн
Плотность
Коэффициент Пуассона
Модуль упругости Юнга
Установление статистических зависимостей между скоростями упругих волн и параметрами грунтов по данным динамического зондирования
Для прогноза прочностных и деформационных характеристик грунтов, в дополнение к ранее полученным статистическим зависимостям, обобщаются связи сейсмических скоростей с параметрами грунтов, получаемыми при статическом и динамическом знодировании на участках выполнения геофизических работ.
Реальное и расчетное по Vs стандартизованное число ударов N при стандартном пенетрационном зондировании
Расчет стандартизованного числа ударов N при стандартном пенетрационном зондировании по скорости поперечных волн
Приведенный в нижней части разрез расчетного числа ударов N при стандартном динамическом зондировании (SPT) используется для расчета нормативных параметров грунтов при проектировании. В соответствии с рекомендациями к стандарту ASTM, расчетное число ударов соответствует последним 30.5 см из
45.7 см погружения зонда при падении груза 63.5 кГ с высоты 76.2 см.
Установление статистических зависимостей между скоростями упругих волн и параметрами грунтов по данным статического зондирования
Зависимости между параметрами статического зондирования и скоростями упругих волн в моренных грунтах сильно зависят от количества в них крупнообломочного материала
Графики параметров Qc, Fs, U
и cкоростей Vs и Vp
Зависимость скорости Vs от отношения fs/qs для различного типа моренных грунтов
Зависимости скорости Vs от сопротивления конусу qc для различного типа моренных грунтов
Разрезы прогнозных прочностных и деформационных свойств грунтов
Проинтерпретированные и увязанные с данными пенетрационного зондирования и бурения прогнозные разрезы прочностных и деформационных параметров грунтов являются основой для построения расчетной модели грунтового основания на участке зондирования 2
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ
В.П.Лисин, Р.Н.Середенко (SIA Interseis)
Комплексные зондирования грунтового массива методами малоглубинной сейсмики, электротомографии и радиолокации