Износ аэропортов России до сих пор имеет высокий индекс. Например, на начало 2018 года со слов министра по развитию Дальневосточного региона износ местных аэропортов достигал 80%. При этом ежегодно возрастает пассажиропоток и, как следствие, нагрузка на инженерные сооружения аэропортов. Важно осуществлять своевременный мониторинг состояния искусственных покрытий взлетно-посадочных полос (ВПП), рулевых дорожек (РД) и прилегающих инженерно-технических сооружений.

 

С каждым годом развитие георадиолокационных технологий  позволяет проводить их активное внедрение в практику инженерных изысканий на стадиях проектирования и строительства объектов транспортной  инфраструктуры. С уверенность можно сказать, что георадиолокация является одним из самых мобильных и информативных методов неразрушающего контроля для обследования искусственных покрытий аэропортов. Постоянное усовершенствование аппаратной базы позволяет развивать новые направления в георадиолокационных изысканиях, решать всё более сложные и интересные задачи.
 

Физические предпосылки для использования метода георадилокации

 

Теория метода георадиолокации в первичном приближении основана на механизме отражения электромагнитной волны от границ слоев с разными электрическими свойствами (электропроводностью и диэлектрической проницаемостью) [1].

Как известно, максимальные контраст в диэлектрической проницаемости наблюдается между воздухом (ε=1) и водой (ε=81). Их соотношение в слое определяет непосредственно диэлектрическую проницаемость материала. Сухие, монолитные, слабо трещиноватые материалы, к которым относятся асфальт и бетон, имеют сравнительно низкие значения диэлектрической проницаемости и высокие скорости прохождения электромагнитной волны [2]. Влагонасыщенные среды имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, как следствие, низкие значения скорости распространения электромагнитных волн. Глубина исследования зависит от затухания электромагнитной волны и напрямую связана со значением удельного электрического сопротивления (УЭС).

 

Основной величиной, измеряемой при георадиолокационных исследованиях, является время прихода электромагнитной волны от отражающей границы к приемнику. Измерив время прихода волн, можно определить геометрию объекта. Амплитудно-частотные характеристики позволяют на качественном уровне уточнить свойства, обследуемой среды [1].

 

Предпосылками для обследований искусственных покрытий георадиолокационным методом являются высокие значения УЭС для асфальта и бетона, как следствие – минимальное затухание, наличие изменений диэлектрических свойств между конструктивными слоями твердого покрытия; существенное различие свойств также наблюдается на границе твердого покрытия и искусственного основания. Нарушение целостности твердого покрытия – трещины, каверны и т.д. – приводят к дополнительным изменениям свойств материалов, что отражается на полевых записях георадара (радарограммах)

 

К наиболее часто решаемым задачам относятся:

– определение конструкции искусственного покрытия
– выявление нарушенных зон в теле искусственного покрытия
– выявление нарушенных зон в грунтовом основании
– выявлении причин деформации ВПП, РД, перронов, стоянок
– контроль соответствия конструкции искусственного покрытия технической документации

 

Для решения этих задач нами используются георадары ОКО-3М (производство «Логис», Россия) в комплекте с антенными блоками различной частоты и их аналоги. Для обследования непосредственно искусственного покрытия целесообразно использовать антенные блоки с диапазоном частот от 700 до 2000 МГц, что позволяет изучать конструкцию до 2 метров с разрешающей способностью до 0,02 м. Для изучения на качественном уровне грунтов естественного основания рекомендуется использовать антенные блоки с частотным диапазоном 250-400 МГц, что позволяет увеличить глубину исследования до 5м с разрешением до 0,15 м.

 

Примеры выполнения работ

 

Рассмотрим конкретные примеры работ на территории аэродромов с применением георадиолокации.

 

На рисунке 1 приведён фрагмент радарограммы, полученной при съемке на одном из московских аэродромов с целью получения информации о конструкции ИВПП. На георадарном профиле выделены границы слоёв и соотнесены с данными отбора кернов. Определены 2 уровня армированя в слое армобетона на глубинах 20 и 40 см. Выделены слои армобетона, щебня, песка и суглинистое основание. Таким образом, была получена не локальная информация о конструкции полосы в точке скважины, а вдоль всей полосы.

Рис. 1. Фрагмент радарограммы с результатами интерпретации, полученной георадаром ОКО-3М, АБ-1700 МГц.

 

Задача выявления нарушенных зон в теле искусственного покрытия является одной из самых распространенных при обследовании аэродромов. Как правило, к таким зонам относят участки повышенного увлажнения, расслоения или разуплотнения материалов, изменения глубины положения элементов конструкции или участки несоответствия проектной документации. На рисунке 2 приведен фрагмент радарограммы полосы с конструкционными различиями и нарушениями в ней. Кроме непосредственно строения искусственного покрытия были выделены зоны разуплотнения, определено положения погребенных трещин и обнаружен участок разрушенного в процессе эксплуатации слоя цементобетона. Разрушение цементобетона в последствии было подтверждено бурением. Именно в этом месте наблюдались наиболее интенсивные видимые деформации поверхности.Рис. 2. Фрагмент радарограммы, полученной при обследовании действующего аэродрома. Георадар ОКО-3М, АБ-1200МГц.

 

Определение характера армирования, а также обнаружения пустот и каверн малого размера является приоритетной задачей при обследовании инженерных сооружений, в том числе и искусственных покрытий аэродромов. На рисунке 3 представлен фрагмент радарограммы с выявленными кавернами и уточненным положением уровня арматуры.

Рис. 3. Фрагмент радарограммы с выявленными кавернами и уточненным положением уровня армирования. Георадар ОКО-3М, АБ-1700МГц.

 

Уточнение характера армирования является важным аспектом при оценке допустимой нагрузки на ИВПП. Причем, важным является не только определения факта наличия или отсутствия армирования в слое армо- или железобетона, но и глубина заложения, количество слоев, шаг между прутьями. На рисунке представлена радарограмма с различным характером армирования. Левая часть записи соответствует уровню армирования 0,04-0,08 м, шаг армирования 0,15 м. На правой части записи армирование выдержано по уровню на отметке 0,08 м, но имеет более редкий шаг 0,3 м.

Рис. 4. Фрагмент радарограммы с различным характером армирования в пределах одного участка ИВПП. Георадар ОКО-3М, АБ-1700МГц.

 

На проблемных участках необходимо выполнять псевдо 3D съемку по системе параллельных профилей, расстояние между профилями должно быть меньше искомой аномалии на объекте. На рисунке 5 приведен срез площадной съемки, сделанной по продольным профилям для глубины 0,16 м. Места нераскрытых или сухих трещин прослеживаются на рисунке в виде тонких линий. При приближении к проблемному участку линии утолщаются, превращаясь в зоны.

 

Рис. 5. Срез по продольным профилям для глубины 16 см. Георадар ОКО-3М, АБ400 МГц. 

 

Со сменой глубины среза форма области с низкочастотной записью и переотражениями несколько смещается. Дальнейшее развитие ситуации приведено на рис. 6.

 

Возможно, стыки между плитами на проблемном участке имеют большее раскрытие или в них отсутствует гидроизоляция. Прослеживается область повышенных амплитуд, вытянутая вдоль участка в районе ПК 35.5 область низкочастотной записи вливается в область, расположенную перпендикулярно ей на ПК 35.5 – 42.5.

Рис. 6. Срез по продольным профилям для глубины 0.6 м. Георадар ОКО-3М, АБ1200 МГц.

 

На обследуемой площади выделена плита, проходящая на ПК 35.5 – 42.5, характеризующаяся отсутствием арматуры. То есть в этом месте уложены неармированные плиты. На глубине 2,0-2,3 м через весь участок на ПК39.5-39.7 проходит труба неизвестного назначения (рис. 7.). Труба проявляется на всех продольных профилях.

 

Подошва слоя песка локализуется на глубине 0,8-0,85 м, минимальная мощность наблюдается в зоне развития просадок; это связано с выносом песчаного материала на дневную поверхность или в сторону проходящих коммуникаций.

Рис. 7. Радарограмма по продольному профилю 9. Неармированная плита и отражение от трубы на глубине 2,15 м. Георадар ОКО-3М, АБ400 МГц.

 Рис. 8. Срез по профилям для глубины 2.1 м. Ось трубы. Георадар ОКО-3М, АБ400 МГц.

 

По результатам выполненного георадиолокационного обследования на площадки выделены участки с повышенной влажностью, приуроченные к нескольким стыкам железобетонных плит и выходящими на дневную поверхность через отраженные трещины. Картирована труба неизвестного назначения, идущая поперек оси руления (ПК 35.5 – 42.5). Вокруг трубы локализуется зона разуплотненного грунта.

 

Таким образом, были выдвинуты две версии происхождения просадки:

1. В слой песка проникают незамерзающие реагенты с поверхности, насыщая его и делая подвижным, далее вследствие нагрузки обводненный песок выдавливает на поверхность через разошедшиеся швы, в сторону этой версии свидетельствуют следы песчаного материала на проблемном участке. Также это объясняет начало просадки до периода активного таяния.
2. Песчаный материал выносится вследствие протечки трубы или направленной суффозии вдоль нее.

 

Для обоснования каждой версии потребуется вскрытие искусственного покрытия.

 

Еще один пример использования георадиолокации для обнаружения и определения глубины развития просадок в теле искусственного покрытия ВПП приведен на рис. 9. Данный фрагмент съемки относится к участку ВПП, под которым проложен коллектор. На радарограмме имеются признаки увеличения влажности всей конструкции, а также четко выделяется сформировавшаяся просадка глубиной 0,7 м. В целях выравнивания ВПП участок был покрыт многочисленными слоями асфальта, что тоже достаточно четко видно на радарограмме. Режимные наблюдения показали, что нарушенная зона не стабилизирована и  просадка продолжает развиваться.

Рис.9. Просадка в теле искусственного покрытия

 

Возможные трудности при обследовании аэродромов с использованием георадиолокации

 

На данный момент единственным ограничением к применению георадиолокации на искусственных покрытиях является наличие в конструкции авиационных плит ПАГ. Затруднение вызвано тем фактом, что частое армирование является по сути экраном для электромагнитной волны. Согласно теории георадиолокационных наблюдений в случае частого армирования возможно применение только антенных блоков длинна волны которых меньше шага армирования [1].

 

Однако особенностью ПАГ является то, что армирование в продольном и поперечном направлениях имеют разный шаг. При обследовании ИВПП, в конструкции которых применяются ПАГ-14, ПАГ-18 и ПАГ-20, выполнение георадиолокационной съемки возможно только по линиям, согласованным с линиями частого армирования, т.е. профили должны располагаться параллельно короткой стороне авиационной плиты.

 

Ниже – пример удачного использование георадара на ИВПП с ПАГ-14. Анализ радарограмм, полученных антенными блоками различной частоты показал, что на радарограммах АБ-1200 уверенно выделяется подошва верхнего слоя твердого покрытия представленного асфальтобетоном, подошва железобетонных плит ПАГ-14 и положение арматурного каркаса внутри плит; местами, в основном на поперечных профилях, подошва слоя пескоцемента, включающего выравнивающий слой (Рис.10).

 

 

Рис. 10 Фрагмент радарограммы поперечного профиля на участке ИВПП с ПАГ-14. Георадар ОКО-3М, АБ-1200МГц.

 

Заключение

Георадиолокация является эффективным методом обследования искусственных покрытий аэродромов. Будучи самым мобильным из всех геофизических методов, георадиолокация позволяет оперативно получить информацию о строении, общем состоянии ИВПП, РД, перронов, выявить зоны дефектов. Получаемые данные непрерывны вдоль полосы и это дает возможность проектировщикам наиболее правильно определить участки отбора кернов для детального исследования деформированных зон. Экономическая целесообразность применения метода доказана.

 

Авторы – специалисты ООО “НПЦ Геотех”:

Светлана КЛЕПИКОВА, ведущий инженер-геофизик

Наталья ПУДОВА, ведущий инженер-геофизик

Максим ШИРОБОКОВ, директор по развитию

 

Список литературы

1. Владов М.Л., Старовойтов А.В., 2004. Введение в георадиолокацию. Изд-во МГУ, Москва.
2. Старовойтов А.В., 2008. Интерпретация георадиолокационных данных. Изд-во МГУ, Москва.