Zastosowanie innowacyjnych, nieniszczących metod. Zastosowanie. Opis zadania

Transkrypt

1 dr inż. Mikołaj Miśkiewicz, mgr inż. Jacek Lachowicz, mgr inż. Paweł Tysiąc, dr inż. Piotr Jaskuła, prof. dr hab. inż. Krzysztof Wilde, prof. zw. PG, Politechnika Gdańska Zastosowanie W artykule przedstawiono możliwość wykorzystania metod nieniszczących w diagnostyce nawierzchni drogowych jako alternatywę do metod tradycyjnych w celu wyjaśnienia przyczyn powstawania zarysowań poprzecznych nawierzchni w sąsiedztwie obiektów mostowych. Wykorzystano dwie metody skanowania: laserowe w celu szczegółowej inwentaryzacji powierzchni nawierzchni oraz georadarowe (GPR) w celu inwentaryzacji struktury nawierzchni. W wyniku zastosowania skanowania laserowego obszarów w rejonie dylatacji obiektów mostowych, które wykonywano z dokładnością około 3 mm, otrzymano przestrzenną mapę geometrii. Otrzymane wyniki zobrazowano w postaci mapy graficznej oraz przekrojów poprzecznych przedstawiających odchyłki od idealnej założonej w projekcie powierzchni. Skanowanie georadarowe wraz z postprocessingiem miało na celu wykrycie ewentualnych nieciągłości w strukturze warstw nawierzchni powyżej płyty przejściowej. Wykorzystano do tego analizę przewodności poszczególnych warstw. Badania wykonane metodami nieniszczącymi weryfikowano z wykorzystaniem standardowych testów związanych z badaniem i pobieraniem próbek rdzeniowych nawierzchni. W wyniku pomiarów georadarowych i analizy pobranych próbek otrzymano zgodne wyniki. Wskaźniki zagęszczenia poszczególnych warstw były znacznie mniejsze w rejonie przyczółka niż w odległości kilku metrów od niego. Pomiary wykazały występowanie zarówno błędów projektowych, jak i związanych z budową konstrukcji nawierzchni. Zastosowanie innowacyjnych, nieniszczących metod badawczych do diagnostyki i monitoringu konstrukcji inżynierskich jest coraz bardziej powszechne. Dzięki wykorzystaniu metod przedstawionych m.in. w pracach [1-10] możliwy jest bezinwazyjny wgląd w stan konstrukcji. Opisane w artykule badania dotyczyły zdiagnozowania przyczyn poprzecznych spękań nawierzchni [11, 12], które wystąpiły w rejonie obiektów mostowych. Wykorzystano skanowanie georadarowe [10] oraz skanowanie laserowe [13-19], a wyniki potwierdzano z wykorzystaniem standardowych badań przeprowadzonych po wykonaniu odwiertów rdzeniowych [20, 21]. Obydwie nieniszczące metody diagnostyczne są powszechnie stosowane [22, 23], jednakże ich równoległe wykorzystanie jest pewną nowością. Umożliwia to szerokie spektrum wnioskowania o stanie analizowanej konstrukcji, porównywalnego nawet z metodami niszczącymi. Można się więc spodziewać, że połączenie obydwu wykorzystanych metod może występować coraz częściej. Summary The application of non-destructive methods in the diagnostics of the road pavement near bridges The article presents the potential of using the non- -destructive methods of road pavement diagnostics as an alternative to traditional means of assessing the causes of transverse cracks in pavements adjacent to bridge structures. Two scanning methods were used: laser scanning to measure geometric surface deformation and ground penetrating radar (GPR) inspection to assess the road pavement condition. With the use of a laser scanner, as an effective tool for road deformation assessment, several approach pavement surfaces near bridges were scanned. Keywords: laser scanning, GPR, road pavement diagnostics, non- -destructive methods Opis zadania Konstrukcja nawierzchni analizowanego odcinka drogi została zaprojektowana i wykonana jako nawierzchnia podatna, z warstwami asfaltowymi ułożonymi na podbudowie z mieszanki niezwiązanej oraz warstwie ulepszonego podłoża stabilizowanego cementem. W warstwie wiążącej i podbudowie asfaltowej zastosowano beton asfaltowy o wysokim module sztywności (AC WMS). Przekrój na- 26 Magazyn Autostrady 7/2018

2 Fot. 1. Przykładowy analizowany fragment nawierzchni Rys. 1. Przekrój nawierzchni wierzchni zaprojektowanej pod obciążenie ruchem KR6 przedstawiono na rys. 1. Styki obiektów mostowych z przyczółkami, gdzie wystąpiły poprzeczne spękania nawierzchni, rozwiązano z wykorzystaniem jednomodułowych szczelnych urządzeń dylatacyjnych. Płyty przejściowe zgodnie z projektem wykonano o długości 5 m i grubości 30 cm. W stosunkowo niedługim czasie po oddaniu drogi do ruchu stwierdzono wystąpienie poprzecznych spękań nawierzchni przy większości dylatacji modułowych obiektów mostowych. Spękania te wystąpiły w odległości ok. 30 cm od stalowego profilu urządzenia dylatacyjnego, w miejscu oparcia płyty przejściowej na przyczółku (fot. 1). Uszkodzenia zostały prowizorycznie zabezpieczone poprzez uszczelnienie masą zalewową. Z analizy dokumentacji wynika, że od momentu wystąpienia spękań do czasu prowadzenia pomiarów nie przeprowadzano żadnych poważniejszych działań zmierzających do ich usunięcia. W czasie badań można było zauważyć, że spękaniom towarzyszy również nadmierne osiadanie fragmentu nawierzchni tuż przed spękaniem (rys. 1). Osiadanie nawierzchni występowało najczęściej w śladach kół pojazdów, ale również i w obszarach niepoddanych bezpośredniemu oddziaływaniu kół, np. w obszarze pasów awaryjnych lub przy wewnętrznych krawędziach skrzydeł przyczółków. Pas ruchu awaryjny najbardziej obciążony Nr warstwy Odległość od dylatacji [m] ,73 3,23 2,82 4,34 4,77 4,92 4,06 2 4,28 3,54 3,19 3,36 3,54 4,09 3,90 3 5,53 4,94 5,69 4,71 8,38 8,74 7,18 4 6,88 7,18 7,67 8,23 8,78 9,49 8,23 1 4,69 3,41 3,41 3,41 6,69 5,53 5,69 2 3,90 2,56 2,71 2,80 3,36 3,72 4,17 3 4,74 5,19 4,25 3,98 6,69 7,15 5,83 4 9,57 8,07 8,69 9,60 10,47 10,19 10,22 Legenda: warstwa nr 1 warstwy asfaltowe SMA + AC WMS; warstwa nr 2 podbudowa z mieszanki niezwiązanej; warstwa nr 3 ulepszone podłoże z gruntu stabilizowanego cementem; warstwa nr 4 górna warstwa nasypu Tab. 1. Efektywna wartość względnej przenikalności elektrycznej analizowanych warstw 27

3 Rys. 2. Poglądowy rysunek z zaznaczonymi trasami skanowania GPR a) b) Rys. 3. Podłużna mapa georadarowa ze skanowania na najbardziej obciążonym pasie ruchu Badania nawierzchni wykonywano za pomocą zestawu georadarowego IDS, w skład którego wchodzą: jednostka sterująca DAD 400 khz, akumulator, przenośny komputer oraz zestaw dwóch anten, tj. dwóch par nadajniko-odbiorników o częstotliwościach pracy 400 MHz oraz 900 MHz. Wybór częstotliwości pracy anteny ma znaczący wpływ na wynik pomiarów. Im większa jest częstotliwość, tym mniejsza będzie głębokość penetracji fali elektromagnetycznej, ale jednocześnie wyższa rozdzielczość. Skanowania wykonywano za pomocą obu anten. Do prezentacji wyników wybrano skany z anteny o częstotliwości 400 MHz, które najwierniej przedstawiały konstrukcję nawierzchni. W rejonie płyty przejściowej obiektu mostowego wykonano skany poprzeczne oraz podłużne na najbardziej obciążonym pasie ruchu oraz na pasie awaryjnym w pobliżu dylatacji z obiektem mostowym. Widok z rozmieszczeniem tras skanowania przedstawiono na rys. 2. Podłużne mapy georadarowe z najbardziej obciążonego pasa ruchu oraz z pasa awaryjnego pokazano na rys. 3 i 4a. Pod każdą mapą przedstawiono wykres oszacowanych efektywnych wartości przenikalności elektrycznej dla każdej wykrytej warstwy konstrukcyjnej drogi. Na podstawie informacji o grubości kolejnych warstw i czasach odbicia fali elektromagnetycznej autorski algorytm przetwarzania danych GPR wykreślił zmiany tego parametru elektrycznego wzdłuż profilu. Uzyskane wartości przenikalności elektrycznej w funkcji odległości od dylatacji przedstawiono w tab. 1. Parametr ten może się różnić dla jednego materiału w zależności od wielu czynników, w tym m.in. wilgotności i gęstości materiału. W przypadku analizowanego obiektu wyraźnie widać, że przenikalność elektryczna ulega znacznym zmianom w pobliżu dylatacji nad płytą przejściową, tj. w odległości do 4 m od dylatacji. Może to świadczyć o miejscach zwiększonej wilgotności bądź o strefach niejednorodnego zagęszczenia w poszczególnych warstwach konstrukcyjnych (o zwiększonej pojemności powietrznej). W tab. 1 kolorem czerwonym zaznaczono te wartości stałej dielektrycznej, które różnią się o ponad 20% od średniej wartości danej warstwy. Dodatkowo zauważono anomalie w pobliżu dylatacji, tj.: zmianę fazy odbitego sygnału, zwiększoną moc odbitego sygnału oraz wielokrotne odbicia podłużne (rys. 3 i 4a). Anomalie te mogą świadczyć o: zaburzeniu struktury, zwiększonej wilgotności bądź pustkach powietrznych. W celu poprawnej interpretacji zaobserwowanych anomalii przeprowa- 28 Magazyn Autostrady 7/2018

4 a) Rys. 4. Mapy georadarowe: a) podłużna mapa ze skanowania na awaryjnym pasie ruchu, b) poprzeczna mapa georadarowa ze skanowania przy dylatacji dzone zostały obliczenia numeryczne propagacji fali elektromagnetycznej przy użyciu metody różnic skończonych w dziedzinie czasu (ang. finite difference time domain method FDTD). Mapy poprzeczne wraz z wykresami przenikalności elektrycznej przedstawiono na rys. 4b. Można zauważyć, że różnice w stałej dielektrycznej występują w poprzek drogi, co może być spowodowane faktem małego obciążenia ruchem pasa awaryjnego. Badania diagnostyczne metodą georadarową wykazały zmiany wartości przenikalności elektrycznej poszczególnych warstw konstrukcyjnych nawierzchni w strefie okołodylatacyjnej. Zmiany stałej dielektrycznej w strefie czterech metrów od dylatacji mogą świadczyć o zwiększonej porowatości lub wilgotności badanego ośrodka. W przypadku zwiększonej wilgotności wartość przenikalności elektrycznej jest wyższa od wartości średniej ze względu na wartość przenikalności wody ( r = 81). Natomiast w przypadku zwiększonej porowatości materiału wartość przenikalności jest mniejsza od średniej ze względu na wartość przenikalności powietrza ( r = 1). Podsumowując, za wysoce prawdopodobne uznano wystąpienie stref niejednorodnego zagęszczenia w strefie przydylatacyjnej. Skanowanie laserowe deformacji nawierzchni Badania deformacji nawierzchni wykonywano za pomocą skanera laserowego Leica P30, które umożliwia skanowanie z prędkością 1 mln punktów na sekundę przy dokładności 2 mm na 50 m. Niewątpliwym atutem skanera jest możliwość redukcji szumów na poziomie 0,4 mm. W pobliżu Rys. 5. Mapa izometryczna skanowanej nawierzchni z zaznaczonymi przekrojami dylatacji wybranego obiektu mostowego wykonano skan całej szerokości jezdni. Stanowiska skanera na obiekcie przedstawiono na rys. 2. Obróbkę pozyskanych danych pomiarowych rozpoczęto od usunięcia szumów oraz ekstrakcji nawierzchni. Następnie metodą najmniejszych kwadratów utworzono płaszczyznę w punktach charakterystycznych drogi. Po stworzeniu płaszczyzny poszczególne stanowiska zostały wyrównane zmodyfikowanym algorytmem ICP. Ostatecznie w modelu wynikowym przedstawiono różnice odległości (po wysokości) pomiędzy poszczególnymi punktami a przyjętą płaszczyzną (rys. 5). Dokładność chmury punktów powstałej wskutek skanowania wynosi 2 mm. Wiąże się to z dokładnością pomiaru odległości przez skaner (1 mm/10 m), poziomem szumów chmury punktów (0,4 mm/10 m) oraz wyrównaniem stanowisk pomiędzy sobą, gdzie odchylenie stan- 29

5 A-A B-B C-C Rys. 6. Przekroje poprzeczne skanowanej nawierzchni (skala: 1 m wzdłuż przekroju 1 cm po wysokości) W celu określenia zawartości wolnych przestrzeni w warstwach asfaltowych oraz w celu stwierdzenia zasięgu propagacji spękania wykonano odwierty rdzeniowe. Badania te posłużyły również do potwierdzenia grubości warstw nawierzchni. dardowe wynosiło ok. 1 mm. Wyrównanie siatki punktów nastąpiło metodą najmniejszych kwadratów. Dokładność analiz określa się na 3-4 mm, co jest związane z wpasowaniem powierzchni referencyjnej dla poszczególnych odcinków nawierzchni, opisanej wcześniej. Mapę izometryczną skanowanej nawierzchni przedstawiono na rys. 5. Wyraźnie jest tu widoczne obniżenie prawego, bardziej obciążonego, pasa jezdni o około 1 cm w stosunku do powierzchni referencyjnej. Z kolei skraj lewego pasa znajduje się około 1 cm powyżej położenia referencyjnego. W najbliższym sąsiedztwie dylatacji na prawym pasie istnieje strefa obniżona o 0,5-1,5 cm w stosunku do położenia referencyjnego oraz o kilka milimetrów na lewym pasie. Dodatkowo na rys 6. przedstawione zostały przekroje nawierzchni: w poprzek jezdni w bliskim sąsiedztwie dylatacji (A-A), w poprzek jezdni w przekroju oddalonym od dylatacji o 10 m (B-B), wzdłuż prawej krawędzi pasa ruchu ciężkiego (C-C). Jako linię referencyjną przyjęto: dla przekrojów poprzecznych punkty znajdujące się na dylatacji, dla przekrojów podłużnych dwa punkty na skrajach opracowania (jeden na dylatacji, drugi znajdujący się 10 m dalej). Przekroje poprzeczne wskazują na znaczne obniżenie prawego pasa jezdni w stosunku do powierzchni referencyjnej. W sąsiedztwie dylatacji pomierzona odchyłka od płaszczyzny referencyjnej wynosi około 1,5 cm. Na lewym pasie zaobserwowano wyniesienie powierzchni jezdni w stosunku do płaszczyzny referencyjnej o około 0,5 cm. Na przekroju poprzecznym oddalonym o 10 m od dylatacji zaobserwowano podniesienie powierzchni na skraju lewego pasa, nie odnotowując zmian na pasie prawym. W przypadku przekroju podłużnego zaobserwowano obniżenie powierzchni jezdni w rejonie dylatacji. W odległości około 10 m od dylatacji wysokość nawierzchni oscylowała w pobliżu wartości referencyjnych. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że w bliskim sąsiedztwie dylatacji na najbardziej obciążonym pasie ruchu występują znaczne deformacje nawierzchni. Maksymalne wartości deformacji nawierzchni w porównaniu do teoretycznego poziomu referencyjnego wynosiły około 1,7 cm. Zarejestrowane wartości deformacji nawierzchni wskazują na nierównomierne jej osiadanie na dojeździe do obiektu i spowodowane nim powstanie progu na krawędzi ścianki zaplecznej przyczółka. W celu weryfikacji zaobserwowanych stref niejednorodnego zagęszczenia z metod nieniszczących przeprowadzono również badania niszczące. W celu określenia zawartości wolnych przestrzeni w warstwach asfaltowych oraz stwierdzenia zasięgu propagacji spękania wykonano odwierty rdzeniowe. Badania te posłużyły również do potwierdzenia grubości warstw nawierzchni. Lokalizację miejsc odwiertów pokazano na rys. 7 wraz z zawartością wolnych przestrzeni. Zawartość wolnych przestrzeni w warstwie wiążącej AC WMS oraz w obu warstwach technologicznych podbudowy z betonu asfaltowego AC WMS w próbkach pobranych bezpośrednio przy dylatacjach, w sąsiedztwie spękań, była ok. 2-3 razy większa niż w miejscu położonym ok. 15 m od dylatacji. Wskazuje to na gorsze zagęszcze- 30 Magazyn Autostrady 7/2018

6 Artykuł prezentowano podczas konferencji Nowoczesne diagnostyka i naprawy nawierzchni drogowych w Kielcach 8-9 maja 2018 r. Rys. 7. Badania niszczące: a) zdjęcie próbki, b) wyniki badania zawartości wolnych przestrzeni nie tych warstw tuż przy obiekcie mostowym, w porównaniu z zagęszczeniem na zwykłym odcinku. Znajduje to potwierdzenie w wyglądzie próbek. Te pobrane bezpośrednio przy dylatacji były niejednorodne i w pewnych fragmentach wręcz porowate. Badania wykonane z wykorzystaniem odwiertów potwierdziły wnioski z badań nieniszczących. W pracy przedstawiono metody diagnostyczne, które posłużyły do oceny stanu nawierzchni w rejonie spękań poprzecznych przy dylatacji wybranego obiektu mostowego. Pomiary wykonano metodą georadarową oraz skanowania laserowego, a w celu potwierdzenia diagnozy przeprowadzono badania niszczące. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów metodą georadarową, tj. zaobserwowanych na radargramach odbić podłużnych, możliwe było wyznaczenie wartości względnej przenikalności elektrycznej dla poszczególnych warstw konstrukcyjnych. Zmiany tego parametru na długości skanu pozwoliły stwierdzić, że mogą występować strefy niejednorodnego zagęszczenia na poszczególnych warstwach. Ponadto można stwierdzić, że różnice w wartościach przenikalności były większe dla pasa ruchu najbardziej obciążonego. Z przeprowadzonych pomiarów techniką skaningu laserowego stwierdzono, że w bliskim sąsiedztwie dylatacji na najbardziej obciążonym pasie ruchu występują znaczne deformacje nawierzchni, gdzie maksymalne wartości deformacji nawierzchni w porównaniu do teoretycznego poziomu referencyjnego wynosiły około 1,7 cm. Odwierty pozyskane podczas badań niszczących pozwoliły na stwierdzenie, że zawartość wolnych przestrzeni w próbkach pobranych przy dylatacji jest znacznie większa niż w przypadku próbek pobranych 15 m od dylatacji. Przeprowadzone analizy potwierdzają, że metoda georadarowa oraz technika skaningu laserowego mogą być z powodzeniem wykorzystywane do diagnostyki stanu nawierzchni drogowych. W artykule skupiono się wyłącznie na prezentacji wyników badań terenowych i pominięto szczegóły wykonywanych symulacji numerycznych, co zostanie przedstawione w kolejnych pracach dotyczących wykonanych testów. Piśmiennictwo 1. Lachowicz J., Rucka M.: Experimental and Numerical Investigations for GPR Evaluation of Reinforced Concrete Footbridge. 16 th International Conference of Ground Penetrationg Radar (GPR) str. 1-6, Hongkong Rucka M.: GPR investigation of the strengthening system of a historic masonry tower. Journal of Applied Geophysics, 131/2016, s Owerko T.: Investigation of displacements of road bridges under test loads using radar interferometry case study. Sixth International IABMAS Conference, s Kuraś P.: Advantages of radar interferometry for assessment of dynamic deformation of bridge. Sixth International IABMAS Conference, s Mazurkiewicz L.: Experimental and numerical study of steel pipe with partwall defect reinforced with fibre glass sleeve. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 149/2017, s Miśkiewicz M.: Structural Health Monitoring of Composite Shell Footbridge for Its Design Validation. Baltic Geodetic Congress (Geomatics), s , Miśkiewicz M.: Technical monitoring system for a new part of Gdańsk Deepwater Container Terminal. Polish Maritime Research, S1 (93) 24/2017, s Miśkiewicz M.: Monitoring system of the road embankment. Baltic Journal of Roads and Bridge Engineering, 12 (4)/2017, s Chróścielewski J.: Assessment of tensile forces in Sopot Forest Opera membrane by in situ measurements and iterative numerical strategy for inverse problem. Shell Structures: Theory and Applications, 3/2014, s Saarenketo T., Scullion T.: Road evaluation with ground penetrating radar. Journal of Applied Geophysics, 43/2000, s Judycki J.: New Polish catalogue of typical flexible and semi-rigid pavements. MATEC Web of Conferences, Judycki J.: Field investigation of low-temperature cracking and stiffness moduli on selected roads with conventional and high modulus asphalt concrete. Bestinfra 2017, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Zai D.: 3D road surface extraction from mobile laser scanning point clouds IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, s , Szulwic J., Tysiąc P.: Searching for road deformations using mobile laser scanning. MATEC Web of Conferences, Bobkowska K.: Bus bays inventory using a terrestrial laser scanning system. MATEC Web of Conferences, Janowski A.: Remote sensing and photogrammetry techniques in diagnostics of concrete structures. Computers and Concrete, 18 (3)/2016, s Janowski A.: Airborne and mobile laser scanning in measurements of sea cliffs on The Southern Baltic. 15 th Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2015, vol Nagrodzka-Godycka K.: The method of analysis of damage reinforced concrete beams using terrestrial laser scanning. 14 th SGEM GeoConference on Informatics, Geoinformatics and Remote Sensing, 3/2014, s Janowski A.: Modes of Failure Analysis in Reinforced Concrete Beam Using Laser Scanning and Synchro-Photogrammetry. How to apply optical technologies in the diagnosis of reinforced concrete elements? Second International Conference On Advances in Civil, Structural and Environmental Engineering ACSEE 2014, s Judycki J.: Investigation of low-temperature cracking in newly constructed high modulus asphalt concrete base course of a motorway pavement. Journal of Road Materials and Pavement Design, 16/2015, s Judycki J., Jaskula P.: Diagnostyka i modernizacja konstrukcji nawierzchni drogowych. Magazyn Autostrady, 12/2010, s Graczyk M.: Zastosowanie georadaru w diagnostyce stanu konstrukcji nawierzchni i ocenie bezpieczeństwa eksploatacyjnego lotnisk. Logistyka, 3/2014, s Krysinski L., Sudyka J.: GPR abilities in investigation of the pavement transversal cracks. Journal of Applied Geophysics, 97/2013, s