Возможности сейсмического оборудования для мониторинга основания железнодорожных путей в районах со сложными грунтовыми условиями

Железные дороги — это важные антропогенные сооружения, обеспечивающие жизнедеятельность территорий, развитие которых определяет необходимость строительства новых транспортный путей, в том числе железнодорожных магистралей. В нашей стране интенсивно развивающиеся территории — это в основном районы со сложными грунтовыми условиями (Сибирь, Заполярье и пр.). Важно, что именно здесь актуальней становится проблема глобального потепления, которая, в том числе, приводит к деградации многолетнемерзлых грунтов. По текущим прогнозам, примерно треть вечной мерзлоты в южных регионах Сибири и Аляски исчезнет к концу нынешнего столетия [10].

Одним из важных объектов железнодорожной инфраструктуры, влияющих на безопасность, является геотехническая система «земляное полотно — основание», причем ее стабильность существенно зависит от состояния грунтов основания. В связи с таянием мно-

голетнемерзлых грунтов и значительным переувлажнением основания происходят потеря устойчивости и осадка насыпей. В таких условиях земляное полотно наиболее подвержено деформациям от динамического воздействия подвижного состава [8].

С каждым годом происходит увеличение объемов грузопотоков и скорости поездов, в связи с чем становится очевидной проблема безопасности. Она включает создание эффективной технологии обеспечения непрерывного мониторинга состояния грунтов, причем важно выявление изменений на ранней стадии. Эта проблема активно исследуется путейцами, в том числе разрабатывается комплекс геолого-геофизических методов [4], анализ которых показывает возможности их дополнения при учете следующих факторов.

• •    При изысканиях на основе сейсмических методов анализируются, как правило, кинематические характеристики записей (времена прихода волн, т. е. скорости распространения); динамические характеристики подключаются в основном при анализе затухания волн. Опыт сейсмологического мониторинга показывает существенно б о льшую тензочувствительность динамических характеристик (амплитуды, частотного состава) [6]. Таким образом, именно эти параметры должны служить основой для выявления слабых изменений в грунтах.

• •    При проведении обследований на транспорте основное внимание уделяется верхней части разреза пути, глубины ниже 5 м считаются не подверженными воздействиям поезда, т. е. не учитываются в системе «движущийся поезд — грунт» [7]. Это связано с тем, что детальные изыскания проводились месдозами, не позволяющими увидеть эти взаимодействия. Современное сейсмологическое оборудование дает такую возможность [3].

• •    Исследование деформирования полотна при движении поезда велось в основном по вертикали [7], сейсмологические датчики позволяют одновременно регистрировать три компоненты воздействия.

Результаты, изложенные ниже, учитывают перечисленные факторы.

Объекты и методы исследования

Для проведения исследований был выбран участок Северной железной дороги (СЖД) Онежского района Архангельской области в пределах аккумулятивной равнины озерно-ледникового происхождения приморской низменности. Проводились натурные сейсмические наблюдения по оценке вибрационных воздействий, создаваемых подвижными составами, с применением широкополосной сейсмической аппаратуры, в течение двух полевых сезонов, характеризующихся различными погодными условиями. Объектом исследований являлось основание земляного полотна в районах неблагоприятных и устойчивых грунтов. Согласно СП 11-105-97 [9], территория района отнесена к II категории сложности инженерно-геологических условий.

В качестве измерительного оборудования для регистрации колебаний от поезда использовалась широкополосная сейсмическая аппаратура фирмы Nanometrics (Канада): датчик — универсальный сейсмометр Trillium Compact с частотным диапазоном 120 с—100 Гц, регистратор Centaur с динамическим диапазоном 142 дБ при 100 отс/с.

Результаты и их обсуждение

Первый цикл наблюдений проводился в августе 2017 г., при сухой погоде, на двух участках пути: неблагоприятном (А) и благоприятном (В) (табл. 1). Неблагоприятный участок пути также характеризуется разным состоянием грунтов (AI — ослабленное, AII — укрепленное ослабленное). Второй цикл выполнялся в конце апреля — середине июня 2019 г. (дождливый период) на том же участке, с указанной выше аппаратурой. Оборудование (датчик и регистратор) устанавливались непосредственно в грунт на глубине 1 м. Горизонтальные компоненты датчика ориентированы поперек (Y, направление на насыпь) и вдоль (X) пути. Расположение сейсмических датчиков и схематические разрезы насыпи поперек полотна для неблагоприятного и устойчивого участков пути представлены в статье [5].

На рис. 1, а приведены характерные сигналы, создаваемые подвижным составом, зарегистрированные широкополосными датчиками TC-120s, на которых отчетливо видна суперпозиция воздействий: сильного низкочастотного вследствие пригруза грунтов поездом и высокочастотного от колес подвижного состава.

Сначала нами рассматривались колебания в низкочастотной области. Анализируя записи, можно заметить, что низкочастотные колебания присутствуют на всех трех компонентах: горизонтальных (вдоль и поперек пути) и на вертикальной, причем горизонтальные составляющие доминируют. Для создания методики мониторинга грунта необходимо определить параметры, по которым можно судить как о состоянии, так и о его изменении. С этой целью были сопоставлены кривые низкочастотных колебаний для разных грунтов (AI, AII, B), для разных компонент, для разных поездов при регистрации в одной точке.

На рис. 2 представлены кривые, соответствующие траекториям движения точки насыпи при движении поездов в полосе частот 120 с—0.5 Гц в горизонтальной плоскости, полученные при обработке записей, сделанных в сухом августе 2017 года.

Регистрировались вибрации, создаваемые подвижными составами разного типа, для обеспечения независимости от индивидуальных параметров. Преимущественно это были грузовые поезда с 50—70 вагонами, длительность прохождения относительно точки наблюдения составляла 60—100 с.

При анализе низкочастотных составляющих записей был выявлен главный признак грунта, находящегося в неблагоприятном для пути состоянии (AI), — наличие отрицательных амплитуд скоростей смещений в направлении вдоль пути X, т. е. точки насыпи движутся как вперед под действием движущегося поезда, так и в обратном направлении после его прохождения. Для других типов грунтов для компоненты X (вдоль пути) такого эффекта не наблюдается, для благоприятных грунтов (В) нет и «возвратного» движения поперек полотна. Также наблюдается отпор грунта после снятия нагрузки, об этом свидетельствует форма траектории по вертикали (рис. 1, а), характерная для всех типов грунтов.

Таким образом, анализируя низкочастотную составляющую сигнала ниже 0.5 Гц, можно говорить, что признаком проблемного состояния грунта является двуполярная волновая форма, наличие положительных и отрицательных фаз колебаний в направлении вдоль и поперек пути. Укрепление неблагоприятных грунтов

Рис. 1. а — пример записи амплитуд скоростей смещения поездов, зарегистрированных в грунте у насыпи на участке AI по компонентам: X — вдоль пути, У — поперек пути, Z — вертикальная составляющая: верхний — исходный сигнал 120 с—100 Гц; нижний — фильтр 120 с — 0.5 Гц; b — развертка записей для одного поезда с применением фильтра 0.5—100 Гц

Fig. 1. a — an example of recording the amplitudes of the drift velocities of trains recorded in the ground at the embankment into sections AI by components: X — along the track, Y — across the track, Z — vertical component: upper — initial signal 120 s—100 Hz; lower — filter 120 s — 0.5 Hz; b — scanning records for one train using a filter of 0.5—100 Hz

Рис. 2. Кривые, соответствующие траекториям движения точки насыпи при движении поездов в полосе частот 120 с — 0.5 Гц в горизонтальной плоскости. Датчики установлены в грунтах разных типов. Цветные линии — разные поезда. Август 2017 года Fig. 2. Trajectories embankment сurves when the trains move in the frequency band 120 s — 0.5 Hz in the horizontal plane. Sensors are installed in different types of soils. Colored lines — different trains. August 2017

улучшает состояние грунта, вдоль пути в этом случае наблюдается однополярная низкочастотная волновая форма, но поперек пути колебание двуполярное. Для устойчивых грунтов в горизонтальной плоскости регистрируется практически однополярный сигнал.

Рассмотрим результаты спектрального анализа колебаний в высокочастотной области (фильтр 0.5— 100 Гц). На рис. 3 представлены характерные спектры мощности записей движения поездов на неблагоприятном участке, где присутствуют два пика около 2 и 5 Гц, отражающие динамику колебательной системы «насыпь — грунты основания». Спектр мощностей для благоприятного участка пути показывает достаточно равномерное распределение нагрузки по частотам [1]. Для разных поездов значения пиковых частот лежат в пределах 1.5—2. и 4—5 Гц, причем для горизонтальной составляющей поперек пути (Y) наиболее яркий пик присутствует в районе 2 Гц, для вертикальной составляющей колебаний (Z) характерный пик появляется на 4—5 Гц, последнее согласуется с известными данными [7]. Пик 2 Гц в направлении поперек пути соответствует так называемому вилянию тележки. Анализ спектров мощности показывает, что полоса частот 2—8 Гц является характерной для сигналов проходящих поездов.

Был проведен статистический анализ значений квадратов амплитуд скоростей смещений (мощности виброскорости) в данной области частот для компонент колебаний X, Y, Z. На рис. 4 приведены гистограммы значений квадратов амплитуд гармоник из выбранного частотного диапазона по двум осям (Y, Z) для одного поезда. Видно присутствие ярко выраженного медианного значения, которое в дальнейшем будем использовать как анализируемый параметр записи.

Статистический анализ проводился для записей поездов за август 2017 г. и апрель 2019 г., в результате были выявлены характерные медианы значений квадратов амплитуд скоростей смещения в «мокрый» и «сухой» периоды. Для исключения влияния веса поезда были выполнены своеобразные «нормировки» полученных значений, рассчитаны отношения квадратов амплитуд во взаимно перпендикулярных направлени-

Рис. 4. Типичные гистограммы значений квадратов амплитуд гармоник из диапазона 2—8 Гц по трем осям для записи одного поезда: а — для оси Y поперек пути; b — для оси Z (вертикальная составляющая)

Fig. 4. Typical histograms values of squared amplitudes of harmonics from the range of 2—8 Hz along three axes for recording one train: a — for the Y axis across the track; b — for the Z (axis the vertical component)

Рис. 3. Характерные спектры мощности записей движения поездов на неблагоприятном участке Fig. 3. Characteristic power spectra of train records on the weak site

Таблица 1. Параметры участков наблюдений

Table 1. Parameters of observation sites

Характеристики Characteristics Участок наблюдения \ Observation area	Сейсморазведочный профиль Seismic profile	Средние скорости * Vp, ì/ñ Average velocities * Vp, m/s	Характеристики основания Characteristics of base
AI	I	350	Ослабленное / Weak
AII	II	400	Укрепленное ослабленное / Armed weak
B	III	650	Хорошее / Good

*до отложения глинистых пород / *before sedimentation of clay rocks ях. В таблице 2 представлены типичные результаты для «мокрого» и «сухого» периодов.

Видим, что в мокрый период наблюдается значительное увеличение относительной амплитуды поперек пути по сравнению с сухим периодом, что говорит об усилении колебаний в горизонтальной плоскости в обводненных грунтах. На рис. 5 представлено распределение значений относительных амплитуд поперек пути, полученных по результатам статистического анализа записей поездов за 2017 и 2019 гг.: по вертикальным осям отложены величины квадратов амплитуд поперек пути (приняты разные масштабы), по горизонтальной оси приведено значение относительной амплитуды по оси ¥(отношение A 2 Y/A 2 Z). Отношение квадратов амплитуд поперечной составляющей к вертикальной для сухого периода не превышает 0.6, для мокрого это отношение всегда больше 0.6. Статистическая обработка дает следующий результат: в мокрый период колебания по оси ¥ интенсивнее, чем в сухой, что соответствует большей деформируемости грунта поперек пути при прохождении поезда. При деградации вечномерзлых грунтов или в сезон оттаивания, характеризующийся обильным обводнением, энергия колебаний в горизонтальной плоскости (поперек пути) значительно возрастает по сравнению с летним периодом. Также можно говорить о том, что в летний период основная энергия колебаний, вызванных движением поезда, сосредоточена в вертикальной плоскости.

Математическое моделирование различных состояний грунтов основания железнодорожного полотна

Для исследований необходимо определить разрешающую способность метода, которая зависит от чувствительности сейсмической аппаратуры к изменени ям упругодеформированного состояния среды. С этой целью были разработаны модели насыпи с различными вариантами деформационных слоев, учитывались инженерно-геологические условия района, в котором проводились наблюдения, а именно необходимо было рассмотреть сезонные изменения, такие как зимнее промерзание, сезонное обводнение или возможная деградация мерзлых грунтов. Были изучены три модели. Исходная модель I позволила оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) в различных слоях насыпи. Относительно этой модели рассматривались возможные изменения НДС при меняющихся сезонных условиях. Модель II — вариант при зимнем промерзании, модель III — появление обводнения при сезонном оттаивании или при деградации мерзлых грунтов. Варианты расчетных моделей и характерные размеры анализируемого участка приведены в статье [3]. Численное моделирование земляного полотна железной дороги выполнялось в программном комплексе PLAXIS 2D, работающем на основе метода конечных элементов; геометрия слоев и основные параметры задавались по данным малоглубинной сейсморазведки [1]. Расчеты проводились с использованием половины схемы, рассматривалась статистическая нагрузка, что на качественном уровне соответствует длиннопериодным колебаниям (период 100 с и более). Использована упругопластическая модель Кулона — Мора, позволяющая выполнять расчет напряжений и деформаций грунта. Мерзлые и обводненные грунты задавались также линейно-упругой моделью, аналогичной модели Кулона — Мора. Нагрузка от проезжающего поезда принималась 40 000 т.

Были получены изополя вертикальных (Z) и горизонтальных (Y — поперек пути) смещений, объемных и сдвиговых деформаций для транспортной нагрузки для всех трех моделей. На рис. 6 представлены результаты

Таблица 2. Типичные значения медиан квадратов амплитуд скоростей смещения

Table 2. Typical values of the medians of the squares of the amplitudes of the drift velocities

Значение амплитуды Value of amplitude Период Period	А2Х, м2/с2	А2 У м2/с2	A2Z м2/с2	А2Х/ А2 У	А2 У/ А2 Z	А2Х/ А2 Z
Август 2017 поезд 1 / August 2017 train 1	7.66E-09	1.0Е-08	7.17E-08	0.764	0.140	0.107
Август 2017 поезд 2 / August 2017 train 2	1.36E-08	1.34Е-08	6.62Е-08	1.017	0.202	0.206
Август 2017 поезд 3 / August 2017 train 3	7.71Е-09	6.59Е-09	5.81Е-08	1.169	0.113	0.133
Апрель 2019 поезд 1 / April 2019 train 1	5.9 Е-10	6.35Е-10	6.6Е-10	0.930	0.961	0.894
Апрель 2019 поезд 2 / April 2019 train 2	3.28Е-10	1.42Е-10	2.13Е-10	2.313	0.664	1.537
Апрель 2019 поезд 3 / April 2019 train 3	8.64 Е-10	6.1Е-10	7.51Е-10	1.417	0.813	1.151

моделирования сдвиговых деформаций для модели II, соответствующей зимнему промерзанию, и модели III, соответствующей обводненному состоянию; красный кружок — место размещения широкополосного датчика. Сдвиговые деформации определяют зоны, в которых касательные напряжения преобладают над нормальными. Как правило, эти области формируют потенциальные поверхности обрушения, контролируемые расчетами устойчивости. Аналог такой зоны виден на рисунке 6, б, где максимальные касательные деформации образуют наклонную зону скольжения. Это согласуется с большими значениями отношений мощностей высокочастотных колебаний в мокрый период по сравнению с сухим (рис. 5). Видно, что насыпь в мерзлом состоянии (модель II) без обводнения в нижней части разреза характеризуется сдвиговыми деформациями, приуроченными к вертикали, что не грозит горизонтальными подвижками насыпи. На практике известно, что при промерзании верхнего слоя насыпь становится более прочной. Картина сдвиговых деформаций, представленная для модели III, соответству ет неблагоприятному состоянию пути. В сравнении с моделью II это может описывать случай оттаивания мерзлых грунтов. Опасной может быть зона, отходящая вглубь и вбок от оси насыпи. Такая зона, инициируемая движением состава, может стать оползневой. Это свидетельствует о необходимости контролировать изменения, происходящие в земляном полотне, в горизонтальной плоскости в направлении поперек пути. Вопрос о возможности экспериментального наблюдения эффектов, выявленных при моделировании, рассмотрены в работе [2].

Заключение

Экспериментально показана и подтверждена моделированием возможность проведения сейсмического мониторинга состояния грунтов основания железнодорожного пути на основе анализа записей колебаний при прохождении поезда. Выявлены параметры, по вариации которых можно судить об изменениях, происходящих в грунтах оснований на ранних стадиях развития деформаций. Важно, что получаемые сейс-

Рис. 5. Распределение значений относительных амплитуд поперек пути (Y), полученных по результатам статистического анализа записей поездов за август 2017 г. и апрель 2019 г.

Fig. 5. Distribution of values of relative amplitudes across the track (Y) obtained from the results of a statistical analysis of train records for August 2017 and April 2019

Рис. 6. Изополя сдвиговых деформаций: а — для модели II; b — для модели III. Красный кружок — место размещения широкополосного датчика

Fig. 6. Isofield of shear deformations: a — for model II; b — for model III. The red circle is the location of the broadband sensor мические записи свидетельствуют о реакции грунтов одновременно при разных видах воздействия — квази-статическом при нагружении поездом насыпи (низкочастотная компонента записи) и вибрационном от ударов колес (высокочастотная часть). При этом наиболее информативным для низкочастотной области (меньше 0.5 Гц) является мониторинг горизонтальных компонент колебаний, возникающих от воздействия поезда. Для высокочастотной области, кроме известного измерения виброускорений и вибросмещений для вертикальных компонент [7], также необходимо учитывать колебания в горизонтальной плоскости. Информация об отношениях мощностей колебаний в горизонтальной и вертикальной областях свидетельствует об изменениях, происходящих в земляном полотне под воздействием подвижного состава. Полученные результаты могут лечь в основу методики одновременного статического и динамического зондирования грунтов в условиях естественного залегания, а при длительном размещении датчиков — для мониторинга состояния земляного полотна и подстилающих грунтов железнодорожных путей.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ № 19-35-90071 «Разработка методики обследования оснований транспортных сооружений сейсмическими методами, с использованием движущегося транспорта в качестве зондирующего сигнала», а также НИОКТР АААА-А17-117060110064-1 (ИФЗ РАН) и государственного задания АААА-А18-118012490072- 7 (ФГБУН ФИЦ КИА РАН).