Резонансно-Акустическое профилирование (РАП). Инженерная геология

РЕЗОНАНСНО–АКУСТИЧЕСКОЕ  ПРОФИЛИРОВАНИЕ  (РАП).  ИНЖЕНЕРНАЯ  ГЕОЛОГИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА

       Принципиальное отличие резонансно–акустического профилирования (РАП) от традиционной сейсмоакустики (наиболее близкого к РАПу метода геофизики) состоит в том, что основным источником информации в РАП являются собственные (резонансные) колебательные процессы среды, возникающие при ударном воздействии на исследуемый массив. В традиционной сейсморазведке собственные колебания рассматриваются как паразитная составляющая, наложенная на отраженный сейсмосигнал.
       В основе интерпретации РАП лежит изучение спектрального состава отклика исследуемого массива на ударное воздействие. При этом регистрируемый сигнал рассматривается как совокупность собственных колебаний, свойственных возбуждаемому ударом массиву, а не как совокупность эхо–сигналов. При этом спектр сигнала содержит информацию о параметрах изучаемого объекта.
       Согласно спектрально–акустическим представлениям, при ударном воздействии на слоистый объект, реакцией на воздействие будет совокупность (спектр) гармонических затухающих колебательных процессов. Каждой составляющей спектра соответствует породный слой (или сумма слоев) определенной мощности, т.е. возбуждаемый объект является колебательной системой, характеризующейся собственной частотой колебаний. Частота каждой из составляющих спектра находится в обратной зависимости от мощности соответствующего слоя. Возникающие при ударном воздействии упругие колебания, в виде затухающих гармонических процессов, формируются поперечными волнами, при этом четкость проявления границ между слоями–резонаторами определяется возможностью взаимного «проскальзывания» соседних слоев при наличии в исследуемом массиве сдвигового упругого процесса, т.е. степенью «ослабленности» контакта между слоями.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АППАРАТУРЫ

       Аппаратура РАП–3 используется для проведения работ по резонансно–акустическому профилированию. С помощью этой аппаратуры могут решаться следующие задачи: геофизические, инженерно–геологические, гидро–геологические, археологические, поиски и трассировка подземных коммуникаций, иссле-дование стен и фундаментов зданий и т.п.).
       Методика РАП заключается в регистрации резонансного акустического сигна-ла от поверхностей механического ослабленного контакта (ОМК) в широком спектральном диапазоне с последующей записью и интерпретацией его частотных характеристик. Возбуждение сигнала происходит путем ударного воздействия молотком на точке регистрации. Благодаря эффекту резонанса, сила отклика (принимаемый сигнал) от объекта с ОМК, как правило, существенно превышает силу первоначального воздействия. За счет этого достигается значительная глубина зондирования (до 600 м ). Применяемый в аппаратуре РАП–3 датчик акустических колебаний разработан и сконструирован таким образом, что амплитудно–частотные и спектральные характеристики электрического сигнала, снимаемого с него, полностью идентичны акустическому сигналу в точке контакта датчика акустических колебаний с исследуемым объектом.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА РАП ПРИ РЕШЕНИИ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ

1. ПОИСК ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

       Метод РАП может успешно применяться для поиска подземных инженерных коммуникаций: трубопроводов, фундаментов, туннелей и т.п. Результаты работ на одном из объектов (рис. 41) подтвердили высокую эффективность метода для решения подобных задач.

                                                                                                                                              Профиль трассы трубопровода

Рис. 41  ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РАП ПРИ ПОИСКАХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

2. ИЗУЧЕНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

        Метод РАП может успешно применяться для изучения геологического разреза при проведении инженерно–строительных работ. Приведенный ниже рисунок демонстрирует эти возможности. Техническим заданием строительных работ предусматривалась прокладка инженерных коммуникаций подземной проходкой. Инженерные коммуникации должны были прокладываться в толще глин на глубине около 20 метров . Для качественного выполнения работ было важно знать глубины залегания и выдержанность по мощности проектного горизонта.
       Как видно по рисунку 42, поставленная задача была успешно решена при помощи метода РАП. Следует заметить, что возможности применения других геофизических методов были ограничены, так как территория строительства расположена в центре Москвы (Лужники), что обуславливало очень высокий уровень промышленных электромагнитных помех. В результате проведенных работ выделены не только кровля (глубина 12 м ) и подошва (глубина 26 м ) проектного горизонта, мощность которого выдержана по всей длине съемочного профиля, но и с большой детальностью откартированы все горизонты исследуемого разреза. Результаты работ совпадают с данными о разрезе, полученными при бурении разведочной скважины (на рисунке 42 справа от разреза РАП).

Рис. 42  ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РАП ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА
ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

3. КАРТИРОВАНИЕ ТАЛИКОВЫХ ЗОН В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

       В районах развития многолетней мерзлоты метод РАП может успешно применяться для выделения и прослеживания границ мерзлых пород с различной льдистостью или для выявления и оконтуривания таликов. Ниже рассматрива-
ется пример таких исследований, выполненных под аварийным зданием в Норильске.
       Как видно из рис. 43, на геомеханическом разрезе достаточно отчётливо видна слоистая структура изучаемого участка. Серо–зеленые оттенки отражают слои мерзлых песчано–глинистых и песчано–галечных грунтов. Контакты слоев с различными геомеханическими свойствами (галечники, пески и суглинки с различной льдистостью) выделяются высокими амплитудами, которые соответствуют границам смены цвета. Таликовая зона на геомеханическом разрезе должна выделятся нарушением слоистости рыхлых пород с различной льдистостью. В цветовой гамме рисунка зона выделяется в синих оттенках, чтосоответствует отрицательным значениям амплитуд спектра акустических волн характерного для разуплотненных пород. В оранжево–красных оттенках выделены границы водоупоров.

Рис. 43  Результат работы методом РАП по выделению зон таликовых зон под аварийным домом
              г. Норильск.

4. КАРТИРОВАНИЕ ЗОН ФИЛЬТРАЦИИ В ТЕЛЕ ДАМБЫ

       Вследствие прорыва дамбы одного из водоемов, входящих в систему водоснабжения Петродворцовой системы фонтанов, возникла необходимость ее восстановления и выявления зон фильтрации в теле дамбы, потенциально опасных на возникновение повторных прорывов. Работы по выявлению зон фильтрации проводились по насыпи дамбы и позволили выявить аварийные участки (рис. 44), определить объемы и скорректировать методику инженерно–восстановительных работ.

Рис. 44  Результаты работы методом РАП по обследованию дамбы резервного пруда
              Петергофская система фонтанов.