Technika radarowa w drogownictwie nowa jakość w ocenie konstrukcji nawierzchni

Transkrypt

1 mgr inŝ. Jacek SUDYKA Instytut Badawczy Dróg i Mostów Zakład Diagnostyki Nawierzchni Warszawa Technika radarowa w drogownictwie nowa jakość w ocenie konstrukcji nawierzchni Radar technique in highway engineering new quality in evaluation of pavement construction Streszczenie: W niniejszym referacie zostaną zaprezentowane moŝliwości georadaru stosowanego do oceny konstrukcji nawierzchni drogowych. Pomiary wykonywane georadarami GPR (Ground Penetrating Radar) dostarczają danych, na podstawie których moŝna ocenić konstrukcję nawierzchni drogowej jak i innych obiektów inŝynieryjnych. Pomiary wykonywane georadarem GPR pozwalają uzyskać liniowy obraz zmian w układzie warstw konstrukcji. Badanie moŝna wykonywać równieŝ wielotorowo, co umoŝliwia rozpoznanie konstrukcji w przekroju poprzecznym. Abstract: This paper presents applications of Ground Penetrating Radar (GPR) in evaluation of pavement construction. Data from the GPR measurements are very helpful in evaluation of pavement construction and others engineering structures. Measurements made by GPR provide linear picture of changes in pavement structure. It is also possible to carry out surveys in a few lines, which enable evaluation of pavement construction in transverse profile.

2 1 Wstęp Identyfikacja konstrukcji nawierzchni i podłoŝa jest podstawowym elementem procesu wymiarowania wzmocnienia nawierzchni drogowych. Właściwe rozpoznanie rodzaju grubości warstw konstrukcyjnych zapewnia odpowiednią jakość oceny stanu nawierzchni i wpływa bezpośrednio na poprawność obliczeń prowadzonych w trakcie opracowywania technologii wzmocnienia. Czynnikiem decydującym o jakości otrzymywanych wyników, mającym największy wpływ na dokładność oceny konstrukcji nawierzchni, jest zmienność konstrukcji badanego odcinka drogi. Na odcinkach o małej zmienności sposób oceny konstrukcji nie jest tak istotny jak w przypadku odcinków o duŝej zmienności, na których zastosowanie jedynie metody klasycznej (wykonanie odwiertów) moŝe doprowadzić do duŝych błędów na etapie oceny nośności nawierzchni. Zastosowanie w procesie identyfikacji konstrukcji nawierzchni drogowej techniki dającej więcej informacji o jednorodności układu warstw konstrukcyjnych moŝe dać wymierne efekty w ocenie i wymiarowaniu wzmocnień nawierzchni drogowych. Urządzeniami, przy pomocy których moŝna precyzyjnie ocenić stan konstrukcji nawierzchni są systemy georadarowe GPR (Ground Penetrating Radar) wykorzystujące teorię propagacji fal elektromagnetycznych. Dzięki zaawansowanym rozwiązaniom moŝliwe jest precyzyjne rozpoznanie układu i grubości warstw. Brak ingerencji w nawierzchnię oraz szybkość prowadzonych pomiarów sprawiają, Ŝe badania radarowe moŝna wykonywać w kilku torach pomiarowych, co umoŝliwia rozpoznanie konstrukcji nawierzchni równieŝ w przekroju poprzecznym. 2 Krótka historia techniki radarowej Podstawy teorii fal elektromagnetycznych stworzyli James Clerk Maxwell w 1864 roku i Heinrich Hertz w 1886 roku. Ich teorie nie były stosowane w praktyce przez prawie 40 lat, aŝ do roku 1924, kiedy to brytyjski fizyk Sir Edward Victor Appleton określił wysokość jonosfery, wykorzystując podstawowe właściwości propagacji fal elektromagnetycznych. Prawie dziesięć lat później inny brytyjski fizyk Sir Robert Watson-Watt zbudował pierwszy system radarowy a nieco później, po wybuchu II Wojny Światowej, Brytyjczycy skonstruowali sieć systemów radarowych do wykrywania wrogich statków. Pierwsze pomiary georadarowe zostały wykonane przez niemieckiego geofizyka W. Sterna w 1929 roku ale dopiero w latach 50 tego stulecia technikę tę zastosowano na szerszą skalę w samolotach US Air Force. W latach 70 i 80 udoskonalano zarówno technikę pomiaru jak i metody interpretacji wyników, a główne próby praktycznego zastosowania GPR dotyczyły między innymi takich zagadnień jak pomiar grubości pokrywy lodowej, lokalizacja podziemnych tuneli, uskoków a takŝe połoŝenia min [1]. W połowie lat 80 powstał pierwszy cyfrowy system pomiarowy GPR, który swych analogowych poprzedników wyprzedzał pod wieloma względami, a przede wszystkim oferował moŝliwość zapisu danych w postaci cyfrowej na komputerach. Dzięki szybkiemu rozwojowi techniki na przestrzeni ostatnich lat dostępnych jest dziś wiele metod pomiaru i oceny wyników uzyskanych przy pomocy techniki radarowej. Jedną z takich metod jest wizualizacja danych w postaci wykresów 3D z moŝliwością przedstawienia obrazu w funkcji czasu. Takie rozwiązania pozwalają naukowcom np. na przedstawianie ruchu obszaru zanieczyszczeń w gruncie. 3 Podstawy teoretyczne Silna zaleŝność między fizycznymi własnościami materiałów geologicznych (równieŝ wody) oraz ich właściwości elektromagnetyczne pozwalają na identyfikację róŝnych struktur podpowierzchniowych z wykorzystaniem metod elektrycznych [2]. Większość materiałów geologicznych uwaŝana jest za półprzewodniki lub dielektryki. Parametrami opisującymi tego

3 rodzaju materiały mogą być: przewodność elektryczna, przenikalność elektryczna oraz przenikalność magnetyczna. Największe znaczenie w zastosowaniach techniki radarowej ma przenikalność elektryczna, która wyraŝana jest jako przenikalność względna lub częściej jako stała dielektryczna. Tabela 1 zawiera typowe wartości stałych dielektrycznych εr dla kilku rodzajów materiałów często stosowanych w budownictwie drogowym. Najmniejsza wartość εr występuje dla powietrza (εr =1), a największa dla wody (εr =81). Zakres tych wartości dotyczy materiałów konstrukcyjnych badanych laboratoryjnie, natomiast w badaniach prowadzonych w terenie będą one zleŝeć od takich czynników jak np. wilgotność, gęstość materiału itp. Tabela 1 Typowe wartości stałych dielektrycznych dla materiałów badanych w warunkach laboratoryjnych [4] Materiał Stała dielektryczna ε r Powietrze 1 Woda 81 Piasek(suchy) 4-6 Granit (suchy) 5 Wapień (suchy) 7-9 Beton portlandzki 6-11 Beton asfaltowy 3-5 Przy przechodzeniu przez kolejne warstwy prędkość emitowanych fal zmienia się wraz z właściwościami elektrycznymi tych warstw[5]. JeŜeli znamy prędkość rozchodzenia się fali oraz czas jej przejścia przez badaną warstwę to korzystając z odpowiednich zaleŝności moŝemy obliczyć grubość warstwy Oprócz stałej dielektrycznej konieczne jest równieŝ określenie czasu przejścia fali przez warstwę. W technice GPR fala elektromagnetyczna emitowana jest w kierunku badanej konstrukcji i gdy przenika przez granicę kolejnych materiałów o róŝnych właściwościach elektrycznych, część z niej przechodzi przez granicę do nowego materiału, reszta zaś ulega rozproszeniu lub odbiciu. Dzięki temu zjawisku moŝliwe jest zarejestrowanie przy pomocy odpowiedniego odbiornika fal odbitych z granic między róŝnymi materiałami (Rysunek 1). Rysunek 1 Zarejestrowane odbicia fali elektromagnetycznej

4 Innym parametrem, istotnym ze względu na potrzeby diagnostyki nawierzchni, jest częstotliwość emitowanej fali. Od częstotliwości fali zaleŝy głębokość penetracji radarowej. Falami o wyŝszych częstotliwościach moŝna penetrować mniejsze głębokości, lecz dzięki krótszej fali, z większą dokładnością. I odwrotnie, fale o niŝszych częstotliwościach stosuje się do badania większych głębokości, lecz z mniejszą dokładnością, spowodowaną większą długością fali (Rysunek 2). Rysunek 2 Głębokość penetracji w zaleŝności częstotliwości anteny 4 System pomiarowy GPR Jednym z przedstawicieli systemów pomiarowych GPR jest, znajdujący się w Instytucie Badawczym Dróg i Mostów, Georadarowy System Pomiarowy GRSP (GRoundSPy). Jest to urządzenie przeznaczone głównie do badań grubości i rodzaju warstw konstrukcyjnych nawierzchni drogowych i podłoŝa gruntowego. Dzięki zastosowanym w tym urządzeniu rozwiązaniom technologicznym moŝliwe jest równieŝ prowadzenie zaawansowanych prac badawczych związanych z oceną takich parametrów jak wilgotność konstrukcji nawierzchni, poziom zwierciadła wody gruntowej, głębokość przemarzania, stan zbrojenia i betonu w płytach pomostów obiektów mostowych, lokalizacja pustek i przewodów. Modułowa budowa systemu, jak równieŝ otwarte pod względem konfiguracji oprogramowanie sterujące stanowią o jakości uzyskiwanych danych. Urządzenie składa się z następujących elementów: zespołu zasilania, sterowania, zapisu i przetwarzania danych, jednostki centralnej SIR- 20 wraz z komputerem oraz anten o róŝnych częstotliwościach. Aparatura badawcza zainstalowana jest na specjalnie przygotowanym samochodzie pomiarowym (Rysunek 3), który stanowi integralną część systemu pomiarowego. O moŝliwościach pomiarowych systemu GPR decyduje odpowiednio dobrana jednostka centralna oraz zestaw anten. W przypadku omawianego systemu jednostką centralną jest dwukanałowy moduł zbierania danych z komputerem typu toughbook, przy pomocy którego moŝliwe jest sterowanie i zbieranie danych z jednej lub dwóch anten jednocześnie. System wyposaŝono w zestaw anten o częstotliwościach: 2,2 GHz - głębokość penetracji ok. 30 cm, rozdzielczość pionowa 2 3 cm, 1,0 GHz - głębokość penetracji ok. 70 cm, rozdzielczość pionowa 7 8 cm, 0,4 GHz - głębokość penetracji ok. 300 cm, rozdzielczość pionowa 20 cm).

5 Rysunek 3 Samochód pomiarowy z zainstalowanymi antenami 1,0 i 2,2 GHz Dzięki takim parametrom anten oraz duŝej wydajności jednostki centralnej moŝliwe jest prowadzenie pomiarów pod ruchem z prędkością pomiarową od 30 do 70 km/h (w zaleŝności od rodzaju zastosowanej anteny), przy zachowaniu kroku pomiarowego wynoszącego 25 cm. 5 Zastosowania techniki radarowej w drogownictwie Zalety georadaru wykorzystywane są przez wiele agencji zajmujących się zarządzaniem sieciami drogowymi. Jak to juŝ wcześniej wspomniano do najczęstszych aplikacji techniki radarowej naleŝą pomiar grubości warstw, ocena pustek, lokalizacja obiektów w gruncie. Bardziej skomplikowane badania, stosowane jako badania uzupełniające to ocena rozwarstwień, pomiar głębokości do zbrojenia, pomiar głębokości do skały, ocena ubytków lepiszcza czy wymycia w pobliŝu przyczółków mostów i wiaduktów [6]. Podstawowe zastosowania pomiarowe systemów radarowych w sposób syntetyczny przedstawiono w Tabeli 2. Tabela 2 Wybrane cechy konstrukcji, które mogą być zmierzone z wystarczającą dokładnością przez zastosowanie róŝnych typów radarów [7] wybrane cechy prędkość pomiaru niska <20 km/h wysoka >50 km/h zmiana konstrukcji tak tak tak minimalna grubość zmierzonej warstwy pustki pod niezbrojonymi płytami betonowymi wilgotność podbudowy pomocniczej tak tak tak tak ** charakterystyka radaru MHz 1 GHz 2,0 2,5 GHz gp* h* h* 100 mm (200 mm dla warstwy wierzchniej) tylko jeŝeli głębokość pustki jest znaczna jedynie do głębokości ok. 600 mm 50 mm dla wszystkich warstw tak bez moŝliwości oceny ilościowej tak tak tak nie stwierdzono jedynie do głębokości ok. 400 mm 25 mm dla wszystkich warstw nie stwierdzono zbyt mała głębokość penetracji *) antena typu gp (ground coupled) umieszczana jest bezpośrednio na powierzchni badanej konstrukcji, natomiast antena typu h (horn) ok cm nad badaną konstrukcją, **) jeŝeli wielkość pustki większa niŝ częstotliwość pomiaru

6 Na zamieszczonym poniŝej rysunku przedstawiono przykład zastosowania georadaru w diagnostyce konstrukcji drogowej. Zaprezentowane dane uzyskano na podstawie pomiaru anteną 1,0 wykonanego w trzech przejazdach, na kaŝdym pasie po jednym przejeździe. Na badanym odcinku wykonano nowe warstwy asfaltowe (na części istniejącej Rysunek 5, profile A i B) oraz nową konstrukcję stanowiącą poszerzenie nawierzchni o dodatkowy pas ruchu (Rysunek 4, profil C). Rysunek 4 Wyniki pomiaru anteną 1 GHz w trzech przejazdach: profil A przejazd na pasie prawym, profil B przejazd na pasie środkowym i profil C przejazd na pasie lewym Na podstawie badań GPR udało się zidentyfikować pięć warstw, z których dwie pierwsze stanowiły warstwy asfaltowe, następnie warstwę kruszywa stabilizowanego mechanicznie ułoŝonej na warstwie pospółki i warstwie odcinającej z piasku. W trakcie analizy danych stwierdzono, co wykazały wykonane w późniejszym czasie odwierty, rozwarstwienia i brak szczepności między warstwami asfaltowymi. Kolejnym przykładem oceny konstrukcji nawierzchni są prezentowane poniŝej wyniki pomiaru GPR na drodze kołowania na lotnisku Okęcie (Rysunek 5). W trakcie standardowej oceny grubości i jednorodności warstw stwierdzono występowanie spękań w warstwie betonowej, które na rysunku oznaczono symbolem. Ponadto stwierdzono znaczną wilgotność warstwy piasku na co wskazywały wysoka stała dielektryczna i duŝa amplituda sygnału odbitego z granicy między warstwami konstrukcyjnymi a warstwą piasku.

7 Rysunek 5 Ocena konstrukcji drogi kołowania na lotnisku Okęcie antenami 1,0GHz (profil A) i 0,4GHz (profil B) prezentacja wyników przy pomocy programu Road Doctor Rysunek 6 Interpretacja danych z pomiaru anteną 1,0GHz przy pomocy programu Road Doctor; profil A ocena ilościowa warstw konstrukcyjnych, profil B wyniki pomiarów ugięć, profil C obliczone stałe dielektryczne dla pierwszych czterech warstw, profil D wstępna ocena równości podłuŝnej nawierzchni (zarejestrowana wysokość anteny nad powierzchnią), profil E ocena zawartości wolnych przestrzeni dla warstwy ścieralnej

8 O jakości i rodzaju uzyskiwanych wyników często decyduje oprogramowanie interpretacyjne. Na Rysunku 6 przedstawiono dane uzyskane przy pomocy programu Road Doctor. Na podstawie pomiaru anteną 1,0GHz uzyskano dane o jednorodności i układzie warstw konstrukcyjnych nawierzchni (profil A). Dodatkowo obliczono, wykorzystywane w ocenie jakościowej warstw, stałe dielektryczne dla pierwszych czterech warstw (profil C). MoŜliwe było równieŝ wyznaczenie wysokości anteny nad badaną powierzchnią (profil D). Tego rodzaju dane mogą być wykorzystywane w wstępnej ocenie równości podłuŝnej nawierzchni. Na profilu E przedstawiono ocenę zawartości wolnych przestrzeni dla warstwy ścieralnej. Obliczone wartości skalibrowano z wynikami badań laboratoryjnych próbki warstwy ścieralnej. 6 Wpływ dokładności identyfikacji konstrukcji nawierzchni na wymiarowanie wzmocnienia dróg Dla potrzeb niniejszego referatu przeprowadzono analizę porównawczą wymiarowania wzmocnienia nawierzchni wykonaną w oparciu o wyniki uzyskane z odwiertów oraz z pomiarów GPR na wytypowanym odcinku badawczym. Na Rysunku 7 przedstawiono sposób podziału na odcinki jednorodne pod względem konstrukcji. Kolor niebieski (sekcje A 1, B 1, C 1 i D 1 ) oznacza podział dokonany w oparciu o metodę sum skumulowanych dla zarejestrowanych ugięć i informacje uzyskane z klasycznego rozpoznania konstrukcji, natomiast kolor zielony (sekcje A, B, C, D, E i F) oznacza podział dokonany w oparciu o informacje uzyskane z pomiarów GPR. W interpretacji pomiarów radarowych wykorzystano dane tylko z dwóch odwiertów kalibracyjnych A 1 B 1 C 1 D A B C D E F , , , , , , , , ,000 pikietaŝ [km] Rysunek 7 Podział na odcinki jednorodne pod względem konstrukcji; kolor niebieski podział na odcinki na podstawie ugięć(metoda sum skumulowanych) i odwiertów, kolor czerwony podział na odcinki na podstawie pomiarów GPR RóŜnice w podziale na odcinki widoczne są dla sekcji A 1 oraz C 1 i D 1, gdzie po analizie wyników z pomiarów GPR konieczna była zmiana podziału na odcinki jednorodne. Największe róŝnice w grubościach warstw zarejestrowano na sekcjach C 1 i D 1. Taka zmiana w podziale spowodowała znaczne róŝnice między wartościami modułów sztywności warstw obliczonych na podstawie odwiertów i pomiarów radarowych. Dla sekcji C 1 i D 1 róŝnice te wynosiły: dla warstw asfaltowych wzrost o 10 %, dla warstw podbudowy wzrost o 54 % a dla podłoŝa gruntowego wzrost o 43 % w stosunku do modułów obliczonych na podstawie odwiertów (Rysunek 8).

9 Moduł [MPa] Easf Epod Egr metoda klasyczna metoda GPR Rysunek 8 Moduły sztywności warstw obliczone dla sekcji C1 i D1 na podstawie odwiertów i pomiarów GPR Aby bardziej zobrazować stwierdzone dla sekcji C 1 i D 1 róŝnice obliczono trwałość zmęczeniową nawierzchni (Rysunek 9) Trwałość nawierzchni [mln osi 100 kn] warstwy asfaltowe podłoŝe metoda klasyczna metoda GPR Rysunek 9 Ocena trwałości konstrukcji nawierzchni dla sekcji C1 i D1 Z przedstawionych danych wynika, Ŝe oszacowana na podstawie pomiarów GPR trwałość istniejącej konstrukcji jest znacznie większa od tej, obliczonej na podstawie odwiertów. O ile dla warstw podłoŝa róŝnice nie są zbyt duŝe to dla warstw asfaltowych stwierdzono ponad 2,5-krotny wzrost trwałości. W tym przypadku moŝna stwierdzić, Ŝe wzmocnienie nawierzchni projektowane na podstawie danych z odwiertów będzie zbyt duŝe tj. obliczona nakładka wzmacniająca będzie znacznie grubsza niŝ ta obliczona na podstawie danych z pomiarów GPR.

10 7 Wnioski Przedstawione w niniejszym referacie zalety techniki radarowej oraz efektywność i jakość uzyskiwanych danych sprawiają, Ŝe staje się ona podstawową metodą oceny stanu konstrukcji nawierzchni drogowych. W poszukiwaniu oszczędnych i efektywnych technologii remontu istniejących nawierzchni drogowych zastosowanie georadaru wydaje się być nieodzowne. Przedstawione wyniki badań i analiz pokazują moŝliwe do osiągnięcia oszczędności w remontowaniu nawierzchni. Pomiary GPR powinny być szeroko stosowane na poziomie projektu, jak równieŝ na poziomie sieci np. w odbiorach nowo wykonanych dróg. Niewątpliwą zaletą systemów radarowych jest ich wydajność oraz niski koszt wykonania badań. Brak ingerencji w nawierzchnię oraz szybkość prowadzonych pomiarów sprawiają, Ŝe pomiary radarowe moŝna wykonywać w kilku torach pomiarowych, co pozwala na precyzyjne rozpoznanie konstrukcji nawierzchni równieŝ w przekroju poprzecznym. Oprócz standardowej informacji o grubościach warstw moŝliwa jest równieŝ ocena innych parametrów konstrukcji takich jak np. wilgotność, stan połączenia warstw czy jednorodność warstwy ścieralnej pod względem zawartości wolnych przestrzeni. O jakości i rodzaju uzyskiwanych wyników często decyduje oprogramowanie interpretacyjne. Jednak mimo zaawansowanej technologii oraz wysokiej jakości otrzymywanych danych wciąŝ nie udało się rozwiązać problemu automatycznego przetwarzania i interpretacji. W dalszym ciągu zdecydowana większość procesu przetwarzania i interpretacji danych musi być sterowana przez doświadczonego inŝyniera. W ciągu kilku minionych lat w wielu krajach opracowano normy dotyczące wykorzystania georadaru w pomiarach grubości warstw nawierzchni oraz w pomiarach grubości warstw asfaltowych na pomostach. 8 Bibliografia [1] SMEMOE C., Processing and visualisation of GPR data for assessing natural hydrogeologic, Brigham Young University, [2] MOORMAN B., Grodnu-penetrating radar applications in paleolimnology, University of Calgary, Canada. [3] Encyklopedia internetowa Wikipedia [4] BLACK K., KOPAC P., The application of Ground-Penetrating Radar in highway engineering, Public Roads, [5] MILLIGAN R.W., High speed pavement investigation - a standard for the 90s, Impulse Geophysics, 1995 [6] BENEDETTO A., BENEDETTO F., DE BLASIIS M.R., GIUNTA G. Reliability of radar inspection for detection of pavement damage, Road Materials and Pavement Design, Volume 5 - No. 1/2004 Korzystano równieŝ z informacji na temat systemów radarowych zamieszczonych na stronach