Движущиеся железнодорожные составы являются источником вибраций, негативно воздействующих на земляное полотно. Его обследования традиционно выполняются с помощью датчиков-акселерометров, которые записывают ускорение и нацелены на фиксацию высокочастотных вибраций грунта. Сейсмологи исследовательского центра комплексного имени академика Н.П. Лавёрова впервые применили для полотна железной дороги широкополосные датчики-велосиметры, позволяющие оценить параметры скорости колебаний грунта в области низких частот.

О результатах работы рассказывает зав. лабораторией сейсмологии ФИЦКИА УрО РАН, д.т.н. Галина Антоновская:

– Несмотря на то, что грант РФФИ-РЖД закончился в 2019 году, мы продолжаем наши исследования по разработке технологии автоматизированного мониторинга железнодорожной насыпи, в которой движущиеся поезда являются источником сигнала для исследования состояния насыпи.

Благодаря использованию трехкомпонентных широкополосных сейсмических датчиков нам удалось увидеть процесс релаксации грунта после прохождения поезда. При обследовании состояния железнодорожных насыпей принято использовать акселерометры и анализировать динамические воздействия, создаваемые поездами, в высокочастотной области. Акселерометры устанавливают непосредственно под железнодорожный путь или рядом с ним и далее – вдоль откоса насыпи и внутри нее.

Применять велосиметры (тем более широкополосные) для подобных исследований никому не приходило в голову, так как ранее эти датчики были громоздкими, требовались определенные условия для их установки, то есть они не подходили для задач мониторинга в полевых условиях. Известно, что скорость колебаний является более чувствительным параметром к изменениям грунта, чем ускорение. В лучшем случае применялись геофоны, которые используются при проведении сейсморазведочных работ. Но это короткопериодные датчики, регистрирующие сигнал от 5 Гц и выше.

С развитием технологий усовершенствовалась и сейсмологическая аппаратура. Появились датчики небольших размеров, необходимой чувствительности и широким диапазоном регистрируемых частот. Они просты в обращении, пригодны для решения различных задач. Вот такую современную аппаратуру (правда импортную) мы и начали применять при реализации нашего проекта.

Исследования мы проводили на участке Северной железной дороги в районе города Онега. Аппаратуру установили у основания насыпи. Анализ сейсмической записи проходящих поездов в широкой полосе частот показал, что присутствуют низкочастотные колебания не только во время прохождения поезда, но и после. Мы подобрали низкочастотный фильтр и поняли, что наблюдаем реакцию грунта (насыпи) на воздействие проходящего состава. Причем проседание (смятие) насыпи происходит сильнее в направлении поперек железнодорожного пути, а не как считается – по вертикали.

Следует отметить, что природа высокочастотных и низкочастотных воздействий на земляное полотно различна. В первом случае это взаимодействие колес и рельсов, во втором – нагрузка от железнодорожного состава аналогична действию движущегося штампа (штамповые испытания – один из методов полевых исследований, которые применяют при проведении инженерно-геологических изысканий; характеристики грунта определяют по результатам его нагружения вертикальной нагрузкой в забое горной выработки с помощью штампа). Здесь реакция земляного полотна на низкочастотные воздействия определяется упругими свойствами грунта. Учитывая, что при сейсмической регистрации колебаний, создаваемых движущимся поездом, добавочная деформация в точке наблюдения среды пропорциональна амплитуде колебаний, то, анализируя динамику изменения амплитуд низкочастотных воздействий во времени, можно определять изменение состояния грунтов.

Мы установили систему непрерывного мониторинга на период с конца апреля по конец июня, то есть охватили процесс оттаивания грунта. Дальнейший анализ участков сейсмической записи релаксации грунта после прохождения состава в области сверхнизких частот (ниже 0.1 Гц) позволил нам подобрать наиболее информативные параметры, реагирующие на изменения свойств грунта. Это отношение амплитуд горизонтальных составляющих и интервал времени между окончанием прохождения поезда и максимальным отклонением амплитуды в направлении поперек железнодорожного пути. Была создана программа автоматической обработки данных.

К сожалению, у нас не было возможности установить датчики температуры в грунт. Сопоставление вариаций подобранных нами параметров (а они не типичны для сейсмологии) мы смогли только с температурой окружающего воздуха. Нетипичность подхода была и в подборе аналитических моделей.

Наблюдаемую нами картину на горизонтальных компонентах может дать модель, состоящая из упругого жесткого слоя на вязком полупространстве, т.е. когда насыпь расположена на слабом основании. Решение зависит от упруго-вязких параметров модели. Такое состояние описывает модель Эльзассера, применяемая для описания геодинамики литосферных плит. Так идеи из классической сейсмологии мы применили для решения прикладной задачи.

Важно, что были получены согласующиеся с экспериментом аналитические решения задачи деформирования насыпи. Данный подход позволяет получить сведения об изменениях важных характеристик грунтов: модуле сдвига в насыпи и коэффициенте вязкости в грунтах основания. Существенно, что это одни из наиболее сложно определяемых характеристик грунта, а также то, что данные получены без отбора образцов в условиях естественного залегания (in situ).

Преимуществом разрабатываемой технологии автоматизированного мониторинга по сравнению с эпизодическими (дискретными) обследованиями заключаются, во-первых, в возможности обнаружения опасных процессов на ранней стадии их развития, а во-вторых, не требуются специализированные источники внешних сигналов и нет нарушения графика движения поездов.

Мы связались с коллегами из Российского университета транспорта, кафедры Путь и путевое хозяйство, и они заинтересовались в наших наработках. Сейчас мы объединились для проработки деталей разрабатываемой технологии.

Результаты проделанной работы опубликованы в научном журнале Canadian Geotechnical Journal (квартиль Q1 в базе Scientific Journal Rankings).

Фото 1: Галина Антоновская.

Фото 2: ведущий программист лаборатории Алексей Кошкин устанавливает оборудование.

На иллюстрации 3: характерный вид волновых форм, зарегистрированных широкополосным сейсмометром при движении поезда мимо датчика: а) исходная запись поезда; б) с применением низкочастотного фильтра 0.1 Гц.

Фото 4: сотрудники лаборатории на объекте в Онежском районе.

Фото. 1.

Фото. 2.

Иллюстрация 3.

Фото. 4.