Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Железные дороги arrow Методические рекомендации по геофизическому обследованию насыпейжелезных дорог  
19.08.2018
    
Методические рекомендации по геофизическому обследованию насыпейжелезных дорог

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

УТВЕРЖДАЮ:

Зам. директора института

А. КУЧКО

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ГЕОФИЗИЧЕСКОМУ ОБСЛЕДОВАНИЮ
НАСЫПЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Москва 1975

ПРЕДИСЛОВИЕ

В Методических рекомендациях приведены основные задачи геофизики при обследовании насыпей железных дорог, методы и техника обследований, технология работ и применяемая аппаратура; установлены специфические трудности для постановки геофизических исследований и пути их преодоления; указаны способы интерпретации полученных материалов, точность определений искомых параметров и необходимые конструктивные изменения существующих образцов оборудования и аппаратуры с учетом специфики работ на насыпях действующих железных дорог.

Методические рекомендации разработаны в лаборатории инженерной геологии и геофизики ЦНИИСа инж. В. Я. Пригодой. Методика сейсмического обследования насыпей составлена старшим научным сотрудником земляного полотна ЦНИИ МПС канд. техн. наук Г. Г. Коншиным.

Работа предназначена для геофизиков и геологов проектно-изыскательских институтов Минтрансстроя, путеобследовательских станций, желдорпроектов и Гипротранспути МПС.

Замечания и предложения направлять по адресу: Москва, И-329, Игарский проезд 2, ЦНИИС.

Зам. директора института                                                                                       А. КУЧКО

И. О. руководителя отделения изысканий

и проектирования железных дорог                                                                        В. БЫКОВ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. В настоящее время при инженерно-геологическом обследовании насыпей существующего пути проводят визуальные и инструментальные наблюдения за состоянием земляного полотна, закладывают неглубокие шурфы (копуши, закопушки), делают расчистки и прорези, бурят скважины, применяют геофизические методы разведки [1]. При проходке выработок берут пробы грунта для определения гранулометрического состава, влажности, плотности, пределов пластичности и др.

1.2. Проходка шурфов и скважин на насыпях действующих железных дорог нарушает целостность земляного полотна и на участках линий, характеризующихся большой грузонапряженностью и повышенными скоростями движения поездов, создает опасность проведения работ. Применение геодезических методов позволяет в значительной степени сократить объемы трудоемких буровых и шурфовочных работ, снизить стоимость работ в целом и, что особенно важно, повысить безопасность проведения обследований.

1.3. Геофизические работы выполняют в комплексе с геологическими, а в ряде случаев - самостоятельно с учетом имеющихся геологических данных.

1.4. При выполнении геофизических работ на действующих линиях необходимо руководствоваться существующими правилами техники безопасности и производственной санитарии [2, 3]. Персонал геофизической партии или отряда должен знать правила технической эксплуатации железных дорог [4], «Инструкцию по сигнализации на железных дорогах Союза ССР» [5] и «Инструкцию по технике безопасности при геофизических работах» [6].

2. ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ОСОБЕННОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ОБСЛЕДОВАНИЙ

Задачи и методы геофизики

2.1. Задачи обследования основной площадки:

установление толщины балластного слоя;

определение мощности и неоднородности дренирующего слоя грунта;

выявление и оконтуривание балластных лож, корыт, грязевых мешков и гнезд; установление их размеров и конфигурации.

2.2. Задачи обследования откосов и тела насыпи:

определение мощности и площади распространения балластных шлейфов на откосах насыпей;

расчленение тела насыпи по литологическому составу и состоянию грунтов;

выявление и оконтуривание ослабленных зон и линз обводненных грунтов в теле насыпи;

установление величины осадки и конфигурации подошвы насыпи, возведенной на слабых грунтах (илах, торфе, сапропелях и др.) или на мерзлом протаивающем основании;

выявление и оконтуривание линз мерзлых грунтов и льда в теле насыпи.

2.3. Задачи обследования основания насыпи:

расчленение грунтов по литологическому составу и состоянию;

выявление и оконтуривание закарстованных зон, мерзлых грунтов, подземных льдов, парелетков и других новообразований;

установление водоносных горизонтов.

2.4. Для решений указанных задач применяют: симметричные и трехэлектродные вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ) с установками AMNB и AMN, B →∞;

симметричное электропрофилирование (ЭП) с двумя разносами питающих линий по схеме AA1MNB1B;

электроконтактное зондированиеКЗ) в сочетании с динамической пенетрацией грунтов;

сейсморазведку методом преломленных волн (КМПВ).

Особенности электроразведки

2.5. При выполнении электроразведки, обработке результатов наблюдений и интерпретации получаемых материалов необходимо учитывать влияние следующих факторов:

конфигурации насыпи (формы поперечного сечения и высоты);

электрического поля, создаваемого в теле насыпи установками сигнализации и электрификации железных дорог;

рельсовых нитей.

Перечисленные факторы влияют в основном на результаты измерений методами ВЭЗ и ЭП.

2.7. Влияние конфигурации насыпей. Железнодорожную насыпь можно уподобить положительной форме рельефа в виде бесконечно вытянутой трапецеидальной призмы. Вследствие экранирующего действия откосов плотность тока искусственно создаваемых электрических полей увеличивается, в результате чего электрические параметры, измеряемые с установками ВЭЗ и ЭП, будут искаженными. Чем выше насыпи и круче откосы, тем больше искажения.

2.8. Минимальное влияние конфигурации насыпи наблюдается при расположении установок ВЭЗ и ЭП вдоль земляного полотна. Изменение кажущихся удельных электрических сопротивлений определяют из выражения

,                                                           (1)

где j - плотность тока в насыпи между приемными электродами MN;

j0 и ρк0 - соответственно плотность тока и значение кажущихся сопротивлений при плоской границе раздела земля-воздух.

С увеличением высоты насыпи и разносов питающих линий (до некоторого предела) плотность тока j возрастает, а, следовательно, возрастает и значение ρк при одном и том же сопротивлении исследуемого грунта.

Наиболее значительные искажения наблюдаются на однопутных насыпях с минимальной шириной основной площадки и максимальной крутизной откосов.

2.9. Величину искажений, создаваемых конфигурацией однопутной насыпи с шириной основной площадки 5,5 м и крутизной откосов 1:1,5, можно определить по графикам изменения  в зависимости от высоты насыпи и величины полуразносов питающих линий установок ВЭЗ и ЭП (рис. 1). Эти графики составлены на основании статистической обработки результатов исследований, полученных на 45 моделях насыпей, построенных из однородных грунтов в масштабе 1:25 к натуральной величине насыпи. Установки ВЭЗ и ЭП при проведении исследований располагались вдоль оси насыпи. Анализ проведенных графиков показывает:

искажения кажущихся сопротивлений при величине разносов питающих линий, меньших ширины основной площадки, можно практически не учитывать;

с увеличением разносов и высоты насыпей искажения сначала увеличиваются, а затем, после определенных для каждой высоты насыпи отношений , уменьшаются;

максимальные значения  = 1,06; 1,08; 1,15; 1,30; 1,60; 1,90; 2,20 отмечаются для насыпей высотой HH = 0,5; 1;2; 3; 6; 9; 12 м при  = 1,25; 1,30; 1,35; 1,45; 1,90; 2,5;

при  большем 4, 5, 8, 15 и 30 для насыпей соответственно высотой 0,5; 1; 2; 3 и 6 м искажения составляют менее 10 % и их можно не учитывать;

насыпи высотой до 1 м на результаты измерений практически влияния не оказывают;

при обследовании насыпей высотой более 1 м для определения удельных электрических сопротивлений исследуемых грунтов в полученные значения ρк необходимо вносить поправки за искажения, определяемые по рис. 1.

Значения  для максимальных и минимальных значений  при высоте насыпи 6, 9 и 12 м определены интерполяцией полученных графиков.

2.10. Искажения ρк у бровок насыпи больше, чем на оси пути. Они зависят от крутизны откосов и удаления установок ВЭЗ и ЭП от бровки.

Оценить величину искажений у бровок насыпи при разной крутизне откосов можно по результатам опытных исследований, проведенных на моделях насыпей в Ленгипротрансе1ис. 2).

1 Работы выполнены Шкилевским П. А. и Гребешевым В. М.

Рис. 1. Зависимость  от высоты насыпи и полуразносов питающих линий  м:

···· h = 48, HH = 12, L = 41; -····- h = 36, HH = 9, L = 33; -···- h = 24, HH = 6, L =24; -··- h = 12, HH = 3, L = 14,5; -·- h = 8, HH = 2, L = 11,5; - - h = 4, HH = 1, L = 8,8; - h = 2, HH = 0,5, L = 6

h - высота модели насыпи, см;  - полуразносы питающих линий экспериментальной установки, см; L - ширина основания насыпи в натуре, м

Искажения, полученные в 1,5 м от бровки крутого склона с уклоном 1:1,28 (38°), на 7-10 % больше, чем на оси пути; искажения у пологого склона с уклоном 1:2 (27°) больше на 3-5 %. Величину искажений с промежуточными уклонами склонов получают интерполяцией приведенных графиков.

2.11. Влияние конфигурации насыпи сказывается, в основном, на определении удельных электрических сопротивлений исследуемых слоев грунта и в меньшей степени - на определении глубины их залегания.

Рис. 2. Зависимость  от крутизны откосов насыпи и места расположения измерительной установки на основной площадке

- на оси пути; - - на расстоянии 1,5 м от бровки пологого склона (уклон 1:1,28); -·- то же крутого склона (уклон 1:2)

2.12. По результатам электрических исследований, выполненных на моделях насыпей методами симметричного, дипольного и комбинированного ЭП, трехэлектродного и симметричного ВЭЗ, установлено, что влияние конфигурации насыпей в наименьшей мере сказывается на результатах исследований, полученных с симметричными установками, которые и рекомендуется применять при обследовании насыпей.

2.13. Влияние поля сигнализации и электрификации железных дорог. Электрические поля, возникающие в теле насыпи в результате действия установок электрификации и сигнализации железных дорог, создают помехи, влияющие на результаты электрометрических исследований.

Помехи непостоянны во времени и зависят от нахождения локомотивов относительно участков исследуемого пути и положения устройств автоблокировки, а также от режима работ электровозов, тяговых подстанций и системы сигнализации.

Кроме того, величина помех зависит от системы тока и уровня напряжения электрифицированных дорог, схемы рельсовых цепей, характера кода работы светофоров, удаления участков работ от изолирующих рельсовых стыков и типа применяемой измерительной геофизической аппаратуры.

Наибольшие помехи, обусловленные электрификацией и сигнализацией железных дорог на постоянном токе, наблюдаются у изолирующих рельсовых стыков при зеленом сигнале светофора и наличии локомотива на перегоне, наименьшие - на неэлектрифицированных дорогах при желтом или красном сигналах светофора.

2.14. Характер распределения помех, обусловленных полем сигнализации на постоянном токе у изолирующего стыка, рассмотрен в работе Болдырева М. В. [7].

Относительная погрешность результатов измерений на расстоянии 3-5 м от изолирующего стыка вдоль оси пути при зеленом сигнале светофора достигает 98-99 %. Этот участок насыпи нужно обследовать бурением скважин или проходкой шурфов. При удалении измерительной установки от стыка погрешность уменьшается. На расстоянии, большем длины измерительной установки, помехи практически не влияют на результаты измерений.

2.15. Максимальные погрешности вкрест оси пути наблюдаются в пределах основной площадки. С увеличением размеров установки помехи растут. При удалении от оси пути на расстояние, большее размера установки, влияние помех практически отсутствует [7].

2.16. На участках, удаленных от изолирующих стыков, характер изменения помех перпендикулярно оси однопутной и двухпутных дорог, электрифицированных на переменном токе, показан на рис. 3. Помехи определялись по среднему значению падения напряжения ΔVср на приемной линии MN длиной 2,7 м. Уровень помех отсчитывался по среднему положению колеблющейся стрелки, а амплитуда - по разнице между ее наибольшим и наименьшим отклонениям.

Максимальное значение величин помех наблюдается у рельсовых нитей и достигает 300 мВ при измерениях на приборе ЭСК-1 и 5 мВ - на приемнике АНЧ-1. За пределами основной площадки влияние помех резко снижается, и на расстоянии от оси пути 7 м и более помехи практически отсутствуют.

Рис. 3. Характер распределения помех перпендикулярно оси однопутной (а) и двухпутной (б) железных дорог, электрифицированных на переменном токе

- величины помех, полученные на ЭСК-1

- - то же                                          на АНЧ-1

Характер изменения амплитуд помех аналогичен характеру изменения среднего уровня помех, но значение амплитуд значительно меньше. Максимальное значение амплитуд достигает 15 мВ при измерении на ЭСК-1 и 3 мВ - на АНЧ-1.

Помехи не постоянны во времени. Величина их в течение 5 мин изменяется на 20-30 %.

2.17. Для обследования основной площадки электрифицированных дорог применяют низкочастотную аппаратуру АНЧ-1 или ИКС-1. При обследовании откосов и основания насыпи применяют также аппаратуру на постоянном токе: ЭП-1; ЭСК-1, ЭСК-71 или АЭ-72. Если уровень помех превышает одну треть величины полезного сигнала, электроразведочные работы прекращают.

На расстоянии 3-5 м от изолирующего стыка проводят только геологическое обследование земляного полотна.

Для обследования насыпей неэлектрифицированных дорог применяют электроразведочную аппаратуру как на переменном, так и на постоянном токе.

2.18. Влияние рельсовых нитей.

Влияние рельсовых нитей на результаты электрометрических исследований можно рассматривать в двух аспектах. С одной стороны, контакт рельсов с балластным слоем способствует утечке тока в грунт от рельсовых цепей сигнализации и от выпрямителей тяговых двигателей электровоза. С другой стороны, он способствует утечке тока электрического поля, искусственно создаваемого электрометрическими установками, из грунта в рельсы, что приводит к уменьшению плотности тока в области приемных электродов, в результате чего измеряемые величины кажущихся сопротивлений получаются заниженными. Утечки в обоих случаях зависят от переходных сопротивлений между рельсовыми нитями и грунтами верхней части насыпи, которые во многом определяются состоянием шпал.

2.19. Влияние рельсовых нитей, обусловленное утечкой тока в тело насыпи от устройств сигнализации и двигателей электровозов, сказывается на уровне электрических помех, который измеряют и учитывают при проведении полевых электрометрических исследований.

2.20. Влияние рельсовых нитей на распределение тока, создаваемого электрометрическими установками, можно определить по результатам исследований на моделях насыпей, выполненных для случая, когда основание рельсов контактирует с исследуемым грунтом. Влияние рельсовых нитей зависит от полуразносов питающих линий, ширины колеи и не зависит от высоты насыпи. График изменения значений кажущихся сопротивлений в результате влияния рельсовых нитей приведен на рис. 4. Искажения сопротивлений наблюдаются в интервале разносов от АВ = 2,5с до АВ = 35с - ширина колеи). Максимальное искажение наблюдается при АВ = 12с и составляет 10 %. На участках дорог, где переходные сопротивления между рельсами и грунтом насыпи высокие, влияние рельсовых нитей не учитывают.

Рис. 4. Влияние рельсовых нитей на результаты электрометрических измерений:

ρб.р. - кажущееся сопротивление, измеренное без рельсов; ρр - то же при наличии рельсов

Особенности сейсморазведки

2.21. Проведение сейсморазведки при обследовании насыпей имеет специфические особенности, обусловленные:

влиянием помех от переменных токов сигнализации, протекающих в рельсовых нитях;

влиянием высокочастотной рельсовой волны;

присутствием на записях звуковой волны;

наличием шпал и щебня на основной площадке.

2.22. Электрические помехи в рельсовых нитях представляют собой группу периодических колебаний с частотой 50 Гц и длительностью 0,2-0,3 с. Интенсивность помех зависит от расстояния между пунктом возбуждения и сейсмоприемником и удаления их от рельсовых нитей [8]. При сейсмическом профилировании вблизи рельсовых нитей помехи затрудняют регистрацию первых вступлений упругих волн только в случае попадания полезной части записи в интервал помех. Это приводит к необходимости повторной регистрации показаний.

2.23. Высокоскоростная (V > 5000 м/с) высокочастотная (f = 300-500 Гц) волна, обусловленная распространением колебаний в рельсах, затрудняет регистрацию полезных волн [8]. При использовании сейсмостанций эти помехи ликвидируются включением частотных фильтров.

2.24. Звуковая волна находится на осциллограммах как правило вблизи первых вступлений и имеет скорость распространения, близкую к грунтовой волне, но отличается от полезной волны более высокой частотой колебаний (f = 250-300 Гц). Шпалы вносят искажения волновой картины, в результате чего первые вступления волн на фоне помех практически невозможно обработать. Применение фильтраций позволяет значительно ослабить влияние звуковой волны и помех от шпал.

2.25. Экспериментально установлено, что для уменьшения влияния помех необходимо для станции СС-24П вводить частотную фильтрацию ФНЧ-90, ФВЧ-65, а для станции «Поиск-1-6/12 АСМ-ОВ» - ФНЧ-100 и ФВЧ-50. В этом случав полоса пропускания полезных волн составит около 60-100 Гц.

2.26. По оси пути и междупутью искажающее влияние помех меньше. Первые вступления от 5-6 сейсмоприемников прослеживаются даже без включенной фильтрации, хотя далее выделение их на последующих записях было затруднено. Поэтому интерпретация проводится для последующей надежной фазы головной волны с учетом поправки на эту фазу.

С удалением от рельсошпальной решетки, начиная от обочины основной площадки, помехи отсутствуют и сейсмические работы проводятся без включения блока фильтрации.

При сейсмической разведке откосов насыпей помехи практически не наблюдаются. Это позволяет использовать сейсмическую аппаратуру без включенной фильтрации. Качество записей упругих волн получается удовлетворительным, первые вступления волн на осциллограммах четко прослеживаются.

2.27. При щебеночной балластной призме контакт сейсмоприемников со щебнем неудовлетворительный. В таких случаях в местах установки сейсмоприемников по профилю необходимо делать небольшие лунки в щебне, засыпать их рыхлым грунтом и затем устанавливать в них сейсмоприемники. Иногда целесообразно сейсмоприемники устанавливать на металлические диски. Минимальное расстояние между сейсмоприемниками вдоль профиля в зоне рельсошпальной решетки составляет ΔX = 50-55 см (между двумя соседними шпальными ящиками).

2.28. Наличие на границе между балластным слоем и грунтом насыпи прослойки водонасыщенного песка является экраном для исследования более глубоких слоев грунта.

3. ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА

Вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ)

3.1. Основными задачами обследований насыпей методом ВЭЗ являются:

расчленение грунтов насыпи и основания по литологическому составу и состоянию;

установление величины осадки и конфигурации подошвы насыпи, возведенной на слабых грунтах (илах, торфе, сапропелях, иольдиевых глинах и др.) или на мерзлом протаивающем основании;

выявление мерзлых грунтов, определение их мощности и глубины залегания;

выявление закарстованных зон в грунтах основания насыпи;

определение мощности оползневых тел, осыпей, курумов на косогорах и др.

3.2. Для решения указанных задач применяют симметричные и трехэлектродные установки ВЭЗ. Трехэлектродные установки используют на участках, примыкающих к искусственным сооружениям (тоннелям, мостам, водопропускным трубам и др.), и на высоких насыпях с малым радиусом кривых (от 150 до 500 м). Разносы питающих и приемных линий во всех случаях ориентируют вдоль земляного полотна. «Бесконечность» трехэлектродных установок выносят перпендикулярно оси пути на расстояние не менее 5AB.

3.3. Отношения последующих и предыдущих разносов питающих линий рекомендуется принимать равными от 1,2 до 1,4. Расстояния между приемными электродами выбирают согласно условию . Окончательный выбор значений полуразносов питающих AB и приемных MN линий определяется расстояниями между осями шпальных ящиков, величина которых зависит от количества шпал, уложенных на 1 км пути.

На железных дорогах, согласно СНиП II.1-62, в зависимости от их категории укладывают 1600, 1840 и 2000 шпал на 1 км. Расчетные значения полуразносов приемных и питающих линий и коэффициентов установок ВЭЗ при разном количестве шпал на 1 км приведены в табл. 1.

На участках с неравномерной укладкой шпал места заземлений приемных и питающих электродов часто не попадают в шпальные ящики. В этих случаях при AB < 12 м центр установок смещают относительно намеченной точки наблюдений на 1-2 шпальных ящика или пересчитывают коэффициенты установок в зависимости от изменения длины питающих и приемных линий. При AB > 12 м достаточно переместить на ширину шпалы только отдельные электроды в сторону уменьшения разносов питающих линий. Ошибки в определении коэффициента K при этом не превышают 2-3 %.

3.4. При обследовании насыпей электрифицированных дорог на постоянном и переменном токе применяют низкочастотную аппаратуру АНЧ и ИКС. На откосах высоких насыпей электрифицированных дорог и на участках неэлектрифицированных дорог применяют также аппаратуру на постоянном токе: ЭП-1, ЭСК-1, ЭСК-71 или АЭ-72 (ЭСК-2М).

В качестве приемных и питающих электродов используют соответственно латунные и стальные стержни диаметром 20-30 мм и длиной 300-400 мм.

Вместо катушек применяют плоские деревянные или металлические рамы с изолированными гнездами, предназначенными для подключения питающих электродов. Конструкция деревянной рамы-катушки приведена на рис. 5. Катушка с проводом не превышает головки рельса и может оставаться на месте при подходе поезда.

Рис. 5. Деревянная рама-катушка, используемая при электрометрических обследованиях основной площадки насыпей

Таблица 1

Количество шпал на 1 км пути

n = 1600

n = 1840

n = 2000

MN

AB/2

Kc

Kтр.

MN

AB/2

Kc

Kтр.

MN

AB/2

Kc

Kтр.

1,2

n>

Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.
Полезное: