Georadar mérések közutak szerkezetének vizsgálatára. Szakdolgozat. Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar. Geofizikai Intézeti Tanszék

Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Geofizikai Intézet

Szilvási Marcell Georadar mérések közutak szerkezetének vizsgálatára

Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Geofizikai Intézeti Tanszék

Georadar mérések közutak szerkezetének vizsgálatára Szakdolgozat

szerző: Szilvási Marcell szakirány: Műszaki Földtudományi Intézeti konzulens: Dr. Prónay Zsolt okl. geofizikusmérnök (Magyar Földtani és Geofizikai Intézet) Tanszéki konzulens: Dr. Ormos Tamás egyetemi docens



Eredetiségi Nyilatkozat "Alulírott XY, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a diplomatervet / szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a diplomatervben csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem." Miskolc, 2013. május 08.

................................................... a hallgató aláírása



„GEORADAR MÉRÉSEK KÖZUTAK SZERKEZETÉNEK VIZSGÁLATÁRA”

A feladat részletezése: - Foglalja össze röviden a közutak (autópályák és/vagy városi aszfalt utak) jellemző szerkezeti felépítését, és azok leggyakoribb meghibásodásait!

- Ismertesse és elemezze az útszerkezeti hibák kimutatására alkalmas georadar módszereket, és feldolgozásokat!

- Egy adott útszakaszon mért radargrammok felhasználásával mutassa be a feldolgozás és értelmezés folyamatát az útszerkezetekben rejlő hibák feltárása céljából!

- Elemezze és értékelje a kapott eredményeket, az alkalmazott georadar módszer(ek) tükrében, és tegyen javaslatokat az esetleges további vizsgálatokra!



Tartalomjegyzék 1. Rövidítések, változók jegyzéke

6

2. Bevezetés

7

3. Introduction

8

4. Útpálya szerkezet

9

4.1 Az útpálya szerkezet fogalma

9

4.2 Hajlékony és merev pályaszerkezeteket

10

4.3 Az útpálya szerkezetre ható igénybevételek

12

4.4 Az útpálya szerkezet anyagaival szemben támasztott követelmények

17

4.4.1 Los Angeles vizsgálat

17

4.4.2 Micro-Deval vizsgálat

18

4.4.3 Útépítéshez felhasznált kőzetek előírásai

19

4.5 Időállóság

22

4.6 Dinamikus tömörség és teherbírás mérés

23

4.7 Az autópályák és városi utak szerkezete

24

4.8 Leggyakoribb meghibásodási típusok és jellemzőik

25

5. Georadar

28

5.1 A radarmérések elve

28

5.2 Hullámterjedés

33

5.3 A mérőműszerek

36

6. Feldolgozás és értelmezés

37

6.1 Nyersanyag

37

6.2 Szelvény szerkesztések

37

6.2.1 Nulla idő

37

6.2.2 Időablak kivágás

39

6.2.3 Szelvény hosszúság szerkesztése

39

6.2.4 Hibás csatornák eltávolítása

40

6.3 A hasznos jelek erősítése

40

6.3.1 Háttér eltávolítás (Remove Global Background)

40

6.3.2 Automatikus erősítésszabályozás

41

6.3.3 Inverz amplitúdó csillapodás korrekció

42


6.3.4 Inverz energiacsillapodás korrekció 6.4 Jellemző szerkezetek és hibák


44 44

6.4.1 Útszerkezet

44

6.4.2 Hidak

46

6.4.3 Közművek

47

6.4.4 Javított utak

48

7. További vizsgálatok

49

7.1 Több frekvencián való szondázás

49

7.2 Magmintavétel

49

8. Összefoglalás

50

9. Summary

51

10. Irodalomjegyzék

52



1 Rövidítések, változók jegyzéke B Mágneses indukció B = μμ0H [T] c

A fénysebesség vákuumban c=2.998*108 m/s

d Rétegvastagság [m] D Elektromos eltolás vektor D = εε0E [C/m²] E Elektromos térerősség [V/m] ε

Permittivitás [F/m]

ε0 Vákuum permittivitása = 8.85*10-12 [F/m] H Mágneses térerősség [A/m] λ

Hullámhosszúság [m]

f

Frekvencia [Hz]

R Reflexiós együttható t

Kétszeres menetidő [s]

ω Körfrekvencia [rad/s] μ Permeabilitás [H/m] μ0 A vákuum permeabilitása

[H/m]

σ Elektromos vezetőképesség [mS/m] α Csillapítás [dB/m] v Hullámsebesség [m/ns]

6



2 Bevezetés Dolgozatom első részében az útpályaszerkezetekkel foglalkozom, hiszen elengedhetetlen része a feladatmegoldásnak hogy előbb megismerjük mivel is van dolgunk. Hogyan épülnek fel az utak, mire számítsunk, amikor georadarral vizsgáljuk őket. Milyenek az egyes rétegek jellemzői, hogyan viselkednek a szondázások alkalmával, valamint az sem elhanyagolható, hogy milyen meghibásodások

lehetnek bennük.

Leggyakrabban

geotechnikai eredetűek ezek a tönkremenetelek, de származhatnak kivitelezésbeli (rossz anyagminőség, hanyag építés) mulasztásokból is. A következő blokkban a georadarral mint mérőműszerrel és annak működési elvével foglalkozom. Ez egy viszonylag fiatal kutatási módszer, igaz a kicsivel több mint egy évszázados múlttal rendelkező geofizika sem mondható ősi szakterületnek. Manapság a georadar egyre inkább előtérbe kerül különböző feladatok megoldásánál. Annak okán, hogy főként sekély kutatási területeknél alkalmas vizsgálódásra, tökéletes az útszerkezetek vizsgálásához. A továbbiakban bemutatom a georadarral mért adatok feldolgozásának főbb lépéseit, illetve azok jelentőségét a MatGPR nevű szoftver segítségével. A különböző georadarral mért jellegzetességek, és úthibák radar képe is bemutatásra kerül.

7



3 Introduction In the first part of my thesis I dealing with the constructions of the roadways, as it is an essential part of the task, that what we are dealing with. The road structures and what to expect when you investigate them with GPR. What are the characteristics of each layer, and how they response during the soundings. Also, it is not negligible which failures may be therein. In most cases the origin of these failures are geotechnical, but it can be the result of the construction omissions (poor quality materials, careless work). In the next block I deal with the GPR measurement instrument and its principle of operation. This is a relatively young research method, it is also true that the century-old history of geophysics cannot be said of ancient science. Nowadays GPR increasingly comes to the fore in solving various tasks. Ground that it is a suitable examination mostly in swallow areas, therefore this is a perfect way for investigate pavements. In the following I present the main steps of the processing of the measured data with GPR, and their importance by using software called MatGPR. Finally various features and the pictures of the pavement failures are shown.

8



4 Útpálya szerkezet 4.1 Az útpálya szerkezet fogalma „Az útpálya szerkezet elnevezés kifejezésére juttatja azt, hogy az útpálya felépítésében résztvevő elemek szerkezeti szerepet töltenek be: mindegyik részének megvan a maga statikai és dinamikai feladata, emellett szervesen együtt dolgoznak, sőt a talaj legfelső része is részt vesz a szerkezet munkájában. A régi 15 cm alap + 10 cm makadám felépítésű útpálya már túlhaladott: a korszerű útépítés több rétegből álló „szerkezetet” létesít, sőt ezek mindegyikét külön méretezi és mindegyik rétegre megállapítja azokat a minőségi jellemzőket, amelyek kielégítése után szabad csak a további rétegeket elhelyezni. Az útpálya szerkezet a következő fő részekből áll: -

burkolat (kopó + kötő réteg)

-

alap

-

ágyazat

-

javított talajréteg

1. ábra Az útpálya szerkezet és felépítése (Ambrus 2012)

9



Az útpálya szerkezet elvi vázlata az 1. ábrán látható. Az ábrából is kitűnik, hogy a pályaszerkezet több rétegből áll, sőt az egyes rétegeknek a fenti csoportosítás szerinti elnevezése gyakran el is mosódik.” (Boromisza és Ertl, 1967)

4.2 Hajlékony és merev pályaszerkezeteket „Szilárdságtanilag hajlékony és merev pályaszerkezeteket különböztetünk meg. Az előbbiek viszonylag vékony burkoló rétegből állnak, az alattuk levő rétegek lefelé fokozatosan

vastagabbak.

Merev

pályaszerkezet

a

betonburkolat.

Ez

alatt

a

feszültségelosztás nagyobb kiterjedése következtében – az előbbieknél vékonyabb szerkezeti rétegek készülnek (pl. csak ágyazat).” (Boromisza és Ertl, 1967)

2. ábra Merev pályaszerkezet (Ambrus 2012)

10



3. ábra Félig merev pályaszerkezet (Ambrus 2012)

4. ábra Hajlékony pályaszerkezet (Ambrus 2012) „A hajlékony és a merev szerkezetek közötti lényeges különbség a feszültségeloszlásban jelentkezik. A hajlékony útpályaszerkezetek több rétegből állnak, a szerkezet teherbíró képessége a többrétegű rendszer feszültségeloszlásától függ. A felsőbb rétegek nagyobb igénybevételnek vannak kitéve, ezért nagyobb szilárdságú, ellenállóbb anyagokból készülnek. A hajlékony pályaszerkezet a kisebb rugalmasságú modulusú rétegek kisebb merevsége következtében sokkal nagyobb feszültséget közvetít a talajra, mint a betonburkolat. A talaj teherbíró képességének ezért lényeges befolyása van az egész szerkezet teherbíró képességére.

11



A betonburkolat nagy rugalmassági modulusa és merevsége következtében a feszültségeket viszonylag nagy területen osztja el, a szerkezet teherbíró képességének nagyobb részét a burkolat viseli. Ezért lényeges a betonburkolatoknál nagy szilárdságú betonokra törekedni. Ezzel szemben a burkolat alatti szerkezeti rétegek szilárdságának és teherbíró képességének az egész útpályaszerkezet teherbíró képességére való befolyása kisebb. A hajlékony (4. ábra) és merev (2. ábra) szerkezetek közötti szilárdságtani különbség a korszerű felépítésű aszfaltburkolatú pályaszerkezeteknél elmosódik, mert a vastag és nagy rugalmassági modulus aszfaltburkolatok már „félmerev” jellegűnek tekinthetőek. Ha figyelembe vesszük a mindinkább elterjedő meleg bitumenes útalapoknak a hagyományos zúzottkő-alapoknál nagyobb merevséget, nyilvánvalóvá válik, hogy ezek az új szerkezetek a szigorú értelemben vett hajlékony szerkezeteknél sokkal merevebbek. Az ilyen „félmerev” szerkezetek tervezésénél újabb szempontok érvényesülnek és lényeges szerepet játszanak az egyes rétegek anyagainak szilárdsági jellemzői (3. ábra). Annak érdekében, hogy a pályaszerkezet széle is teljes mértékkel részt vegyen a tehereloszlásban, az útpályaszerkezeteket lefelé szélesedve kell kiképezni. Ennek a megoldásnak technológiai oka is van: az egyes rétegek szélei általában gyengébb minőségűek, mint a középső részek, ezért teherelosztó hatásuk kisebb,másrészről a szélesebb alap- és ágyazati rétegek a padka irányából előálló talajnedvesedés hatását csökkentik.” (Boromisza és Ertl, 1967)

4.3 Az útpályaszerkezetre ható igénybevételek Az útpályaszerkezetre statikus és dinamikus igénybevételek hatnak (5. ábra). A statikus igénybevételek közül jelentősek: -

a keréknyomás nagysága

-

a gumiabroncs belső nyomása

-

a talaj különböző mozgásai

12



5. ábra Mértékadó igénybevételek a felépítményben (Ambrus 2012)

A dinamikus igénybevételek közül a következőket kell megemlíteni: -

a forgalom intenzitása és sebesség

-

a járművek sebességváltozása

-

a járművek tömege

„A keréknyomás hatására az útpályaszerkezet megsüllyed, behajlik, majd a terhelés megszűnése után általában eredeti helyzetét visszanyeri. A burkolat a túlzott mértékű alakváltozás hatására tartósan megsüllyed, vagy elreped. Az alakváltozás a gyakorlatban előforduló terhelési viszonyok között (pmax=4-6 Mp) a keréknyomás nagyságával lineárisan nő. A gumiabroncsban uralkodó belső nyomás és a keréknyomás nagysága a gumiabroncs felfekvési felületét és ezáltal a teherelosztást befolyásolja. Az átadott fajlagos nyomás közel akkora, mint a gumiabroncsban uralkodó belső nyomás. Az érintkezési nyomás az erősen profilozott gumiabroncsoknál a belső nyomásnál 30%-kal is nagyobb (pl. pmax = 7 13



kp/cm2) lehet, azonban a burkolat alatt 2-3 cm-re a nyomáskülönbségek kiegyenlítődnek (6. ábra). Az útpályaszerkezet igénybevétele szempontjából a gumiabroncs nyomása számottevő szerepet nem játszik, döntő mértékben a keréknyomás nagyságát kell figyelembe venni.” (Boromisza és Ertl, 1967)

6. ábra (Ambrus 2012) A talaj különféle mozgásai (pl. térfogatváltozása) az új pályaszerkezet élettartamát befolyásolják ugyan, azonban a pályaszerkezet anyagainak minőségével ez nincs kapcsolatban. Kivétel a tömörödés, aminek mértéke erősen függ a szemcsenagyságtól, vagyis a minőségétől. „A forgalom intenzitása, vagyis a járművek száma (terhelésismétlődés) a burkolatot fárasztja, ez repedéseket okoz, majd később a burkolat feltörik. A kísérletek és a megfigyelések szerint a terhelésismétlődés, vagyis a forgalom növekedése jelentős burkolatvastagítást igényel. A forgalom sebessége az egyes járművek sebességváltozása következtében veszi igénybe a burkolatot (vízszintes nyíróerők), az útpályaszerkezet függőleges alakváltozására való hatása kisebb.” (Boromisza és Ertl, 1967) A járművek tömege viszont sokkalta inkább befolyásolja az útszerkezetek deformációjának gyakoriságát, mint a forgalom intenzitása, mert az átlagos forgalom összetevői főként személygépjárművek. De egyes útszakaszokon, főként a kiemeltebb kereskedelmi útvonalakon a teherszállító kamionok aránya a kis tömegű autókhoz képest radikálisan megnövekedett. Kevésbé számítana ez a tényező, ha kifogástalanul sík lenne az út. De mint tudjuk ezt nehéz véghezvinni hosszú kilométereken keresztül, és az idő fogaskereke is közrejátszik a tökéletesség megszűnéséhez. Leszögezhetjük, hogy pálya egyenetlenségek mindig vannak. Ha ezeken a helyeken átmegy egy átlagoshoz képest sokkal nagyobb súlyú 14



gépjármű, például egy megrakodott kamion, aminek a teljes súlya elérheti a 40 tonnát is, akkor ott egy jókorát üt az úton lévő göröngyön, repedésen. Sokszori ismétlődés után elfárad az anyag és tovább reped a szerkezet mélyébe is, vagy felválik a kopóréteg, és egyre sebezhetőbbé válik ezáltal az útfelület. „Az egyes út-pályaszerkezeti rétegek összetétele nem homogén, hanem kisebb kőzetszemekből (adalékanyagból) és ezeket kötő, vagy ragasztó anyagokból (cement vagy bitumen) állnak. Az útpályaára ható igénybevételeket ezek a kőzetszemek adják át egymásnak. Szilárdságtani szempontokból ezek az igénybevételek a következők: -

nyomás

-

húzás

-

hajlítás

-

nyírás

-

ütés

-

súrlódás (koptatás)

-

időjárási és vegyi tényezők

A számításoknál az egyes pályaszerkezeti rétegeket idealizálva homogéneknek tekintjük ugyan, de a kőzetvizsgálatoknál az alapvető szilárdsági igénybevételeket igyekszünk szem előtt tartani. A gépjárművek gumiabroncsa által átadott nyomás a mélység függvényében kezdetben rohamosan, majd kisebb mértékben csökken. A nyomó igénybevétel tehát a pályaszerkezet legfelső rétegében, a burkolatban a legnagyobb. A terhelő felület átmérőjének kétszeres mélységében a nyomófeszültség elhanyagolható. Megjegyzendő, hogy a felületre jutó nyomás nem nagy (amint erre a fentiekben már utaltunk), legfeljebb 5-6 kp/cm2, de az adalékanyag élein ennél jelentősen nagyobb nyomó igénybevétel adódhat át. A húzás egyrészt a radiális feszültségekből, másrészt a járművek sebességváltozásából (fékezés,

gyorsítás)

adódik.

Nagysága

a

mélységgel

rohamosan

csökken.

A

húzófeszültségek nem annyira a kőzetre, hanem inkább a kötő- vagy ragasztóanyagokra, illetve a kőzet és a kötőanyagok közötti kapcsolatra veszélyesek. Ezenkívül, ha a burkolat nagyon vékony és a kötőréteggel nem dolgozik össze (a „leragasztás” nem sikerült), a burkolat felszakadozik. 15



A függőleges irányú terhelésből származó nyírófeszültség a terhelési felület átmérőjének harmadának megfelelő mélységében a legnagyobb, tehát a felület alatt körülbelül 10-5 cm mélyen. Általában ez a kötő- és az alapréteg határfelületére és ez azt jelenti, hogy a két réteg közötti biztos kapcsolatot, lekötést biztosítani kell. A hajlítás mértéke az útpályaszerkezet méretezése szempontjából döntő jelentőségű. A hajlítófeszültségek 3-5 cm mélyen a legnagyobbak. A hajlítás a fentiekben mondottak értelmében az adalékanyag szempontjából kevésbé lényeges, de az eges rétegek állékonyságát az adalékanyag és a kötőanyagok közötti kapcsolat meglazulása folytán döntően befolyásolja. A súrlódás (koptatás) leginkább a pályaszerkezeti rétegeket képező adalékanyagokat veszi igénybe. A járművek áthaladásakor a pályaszerkezet behajlik. A behajlás sugara a felső rétegeknél a legkisebb, lejjebb mind nagyobb. A rétegek hajlítása következtében, az egyes adalékanyag szemcsék a hajlítás sugarától függő mértékben egymást súrolják, illetve koptatják. Ezek az úgynevezett „mikro elmozdulások” nagyon lényegesek az anyagok ellenálló képessége és a pályaszerkezet állékonysága szempontjából. Minél kisseb a hajlítás sugara, annál nagyobb a súrlódási igénybevétel. A felsőbb rétegekben nagyobb kopási ellenállást kellene megkövetelni, mint az alsóbakban. Ha azonban figyelembe vesszük a nagy sebességgel haladó járművek dinamikus, vibráló jellegű hatását, nyilvánvalóvá válik, hogy az említett kis elmozdulások a pályaszerkezet teljes keresztmetszetében működnek. A vibráló hatás már a jármű áthaladása előtt jelentkezik és annak áthaladása után még fennáll.” (Boromisza és Ertl, 1967) Az ütés elsősorban a burkolat felső rétegeinek kőszemcséit veszi igénybe, az alsóbb szerkezeti rétegekben az egyes kőzetszemcsék által tovább adódó ütőhatás lefelé fokozatosan csökken. Olyankor keletkezik ütés, amikor valamiféle egyenetlenségen a gépjármű menet közben huppan egyet. Ennek következtében egy pillanatra kevésbé terheli az alátámasztást (elrugaszkodik tőle, akár a fizikai kontaktus is megszűnhet az út és a jármű között = ugratás), de rákövetkezően a gravitáció vissza is rántja és a visszaérkezéskor a hirtelen lendületváltozás (amit ütésnek hívunk) okoz pillanatnyi terhelést, mikro deformációkat.

16



„Az időjárási tényezők a szerkezeti rétegek adalék- és kötőanyagait egyaránt befolyásolják. Elsősorban a hőmérséklet nagyságát (fagyást) és ennek váltakozását kell számításba venni, de számottevő hatása van a csapadéknak is. A hőmérsékletváltozások az adalékanyag szilárdságát csökkentik. A nedvesség a kőzetek egyes alkotó ásványaira, például a földpátjaira káros hatással van, ezáltal a kőzet élettartamát csökkenti. Megemlítendő még, hogy

a

hőmérséklet

eredményeznek,

ingadozásai

ezek

a

fent

a

betonburkolatokban

említett

koptatóhatásban,

hajlítófeszültségeket illetve

szilárdságtani

megfogalmazásban a beton fáradásában mutatkoznak. Összefoglalva

tehát

a

pályaszerkezet

kőzetszemcséire

ható

igénybevételeket,

megállapíthatjuk, hogy azok összetetten, többnyire együttesen jelentkeznek. A hatásuk élmenti nyomásban, ütésben, koptatásban és kőzettani elváltozásokban mutatkozik. A legnagyobb igénybevételek a felsőrétegekben lépnek fel, tehát a pályaszerkezetet úgy kell felépíteni, hogy egyes rétegek minősége felfelé fokozatosan javuljon.” (Boromisza és Ertl, 1967)

4.4

Az

útpályaszerkezet

anyagaival

szemben

támasztott

követelmények. 4.4.1 Los Angeles vizsgálat „A Los Angeles vizsgálatot nagy átmérőjű (710 mm) forgó dobban kell végezni, ahol az igénybevételt a forgódobban a terelőlemezről a kőanyagról leeső nagyátmérőjű (45-49 mm), adott tömegű (400-445 g) acélgolyók valamint a dob belső felületén való súrlódás biztosítja. A vizsgálat így ütve koptató. A dob forgási sebessége percenként 31-35 fordulat. A vizsgálati adag szemmegoszlása feleljen meg a következő követelményeknek: - 60-70% között essen át a 12,5 mm-es vizsgáló szitán, vagy - 30-40% között essen át a 11,2 mm-es vizsgáló szitán. A tiszta vizsgálódobba először a golyókat kell berendezésbe helyezni, majd a vizsgálati mintát. A dobot lezárjuk és a vizsgálati berendezésben 500-szor megforgatjuk. A vizsgálat után a dobban levő anyagot maradéktalanul kivesszük és a golyókat különválasztjuk, a kőanyaghalmazt az 1,6 mm-es vizsgálószitán átszitáljuk és tiszta vízsugárral átmossuk. A

17



fennmaradt anyagot szárítószekrényben tömegállandóságig szárítjuk, majd kihűlés után meghatározzuk a tömegét. A Los Angeles aprózódás mértékét minden egyedi vizsgálati mintára vonatkozóan a következő képlettel számítjuk ki:

ahol LA a Los Angeles-együttható (m%) és m pedig az 1,6 mm-es szitán fennmaradt anyag tömege (g).” (Németh és Földessy, 2011)

7. ábra Los Angeles vizsgálatra alkalmas forgódobos koptatóberendezés (Németh és Földessy, 2011) 4.4.2 Mikro-Deval vizsgálat „A szabvány valamely kőanyaghalmaz-minta kopási ellenállásának vizsgálati módját írja le. A micro-Deval vizsgálatot egy 154 ±1 mm átmérőjű 200 ±1 mm hosszú vízszintes tengelyű forgódobban 10 ±0,5 mm átmérőjű acélgolyókból álló koptató felülettel végzik. A kőanyaghalmaz, a koptatótöltet és a dog belső felülete között fellépő súrlódás aprózza a mintát. A dob forgási sebessége percenként 100 ±5 fordulat. A micro-Deval vizsgálat 18



készülhet száraz és vizes eljárással. A vizes eljárásnál a mintához adott mennyiségű (2,5 ±0,05 l) vizet kell tölteni. Így az aprózódás a kőzet szövetét a víz hatásával fokozottabban veszi igénybe. A vizsgálattechnikai előírások a vizsgált minta szemnagyságához adják meg a minta mennyiséget, a koptatótöltet tömegét és az összfordulatszámot. A mikro-Deval aprózódást minden egyedi vizsgálati mintára egy tizedesre kerekítve a következő képlettel számítjuk:

ahol MDE a mikro-Deval aprózódás vizes állapotban (m%), m pedig az 1,6 mm-es szitán fennmaradt méreten felüli anyag tömege (g).” (Németh és Földessy, 2011) 4.4.3 Útépítéshez felhasznált kőzetek előírásai „Az előzőekben elmondottak alapján az útpályaszerkezet kőzeteitől a következőket követeljük meg: -

ütőszilárdság

-

nyomószilárdság

-

súrlódási (kopási) ellenállás

-

megfelelő szemcse alak

-

időállóság

-

tapadóképesség (aszfaltos szerkezeteknél)

A gazdaságos építés azt kívánja, hogy a pályaszerkezet egyes rétegeiben az igénybevételnek megfelelő minőségű kőzeteket használjunk, ne állítsunk túlzott követelményeket ott, ahol arra nincs szükség, abban a rétegben viszont, ahol a jobb minőség szükséges, ott az valóban fenn is álljon. Ezáltal lehetőség van a gyengébbnek minősíthető, legtöbbször helyi feltárásokkal kitermelhető anyagok felhasználására és a magasabb értékű anyagoknak a legjobban igénybevett rétegekben való felhasználásában. A fenti következmények minősítésére a Los Angeles (ütő- koptató hatás), Deval (koptatás), nyomószilárdsági, szemcsealak és kőzettani vizsgálatok alkalmasak. Az ütőszilárdság elsősorban a burkolati és kopórétegeknél lényeges. A vizsgálatra a Los Angeles – féle ütő-koptató alkalmas. A forgalom nagyságától függően a Los Angeles – 19



érték (aprózódási veszteség) legfeljebb 25% lehet. Ezt a követelményt elsősorban a jó minőségű eruptív kőzeteink elégítik ki. Az egyébként nagy szilárdságú kvarckavicsok ütéssel szembe való ellenállása alacsony, ezért burkolatként nagyobb forgalomra többek között ezért sem javasolhatók, annak ellenére, hogy kopási ellenállásuk nagy. Nyomószilárdságot általában 5 cm élhosszúságú kockákkal állapítják meg. Meghatározása ütő- koptató szilárdság meghatározásánál kevésbé lényeges. Azok a kőzetszemek ugyanis, amelyek Los Angeles és a Deval követelményeket kielégítik, és a zömök (kubikus) alakulnak, többnyire nyomószilárdság szempontjából is megfelelőek. A kopási ellenállás nem csak a burkolati, vagy kopórétegekben, hanem a pályaszerkezet alsóbb rétegeiben is fontos. Ugyanis a járművek dinamikus és hajlító igénybevételei a pályaszerkezet minden rétegében jelentkeznek, mindamellett a felsőbb rétegekben nagyobb kopási ellenállást kívánunk meg, mint az alsóbbakban. A vizsgálatra a Deval eljárás alkalmas. A száraz Deval érték burkolatokban a forgalomtól függően legalább 9-15 legyen. A megfelelő szemcsealak elsősorban a felsőbb rétegeknél lényeges követelmény. Az aszfalt- és a betonburkolatokban egyaránt zömök, kubikus szemcsealakot követelünk meg. Itt jegyezzük meg, hogy a folyam- és a bányakavicsok alakja zömök ugyan, de gömbölyded, a halmazsúrlódási szöge a zúzotthalmazokénál kisebb, a bitumentapadó képessége is csekély. Kötőrétegekben csak könnyű forgalomnál alkalmas. Közepes forgalomnál a kötőrétegnek legalább fele zúzott adalékanyagból álljon, a nehézforgalomnál pedig csak zúzott adalékanyagot szabad felhasználni. A hosszúkás vagy tű alakú szemcséknél az élekre- vagy csúcsokra ható fajlagos nyomás nagy, ezért az élek letöredeznek. Az ilyen szemcsealakot nagymennyiségben tartalmazó halmazok beépítését el kell kerülni. Az időállóságon a kőzet ásványi alkotórészeinek gyakorlati szempontból való változatlanságát értjük. Ezen belül szűkebb körű igényt jelent a kőzet fagyállósága. Az ásványok elbomlása, átalakulása kémiai folyamat, a fagyállóság viszont fizikai igénybevétellel szemben tanúsított ellenállás. Az időállási vizsgálatok tehát kőzettani és fagyállósági vizsgálatokat foglalnak magukban.

20



Az ásványtani mikroszkópi vizsgálatoknál le kell írnia a kőzetalkotó ásványok mállottsági állapotát és ennek alapján a kőzet egészét a következő mállottsági csoportok egyikébe kell sorolni: -

teljesen üde

-

kissé mállott (egyes ásványokon kis mértékű mállás észlelhető)

-

közepesen mállott (a kőzetalkotó ásványok legfeljebb kissé mállottak, vagy egyes ásványok nagyon mállottak)

-

erősen mállott (valamennyi kőzetalkotó ásvány kisebb – nagyobb mértékben mállásnak indult)

-

teljesen mállott (a mállás valamennyi ásványnál előrehaladott).

Külön ki kell emelni azokat az ásványokat, amelyek a műszaki felhasználóság szempontjából különösen károsak (például nefelin, olivin, pirit, agyagásványok). A fagyállóságot vagy fagyasztás- felengedési ciklusok váltakozásával, vagy az ennél egyszerűbb és újabban elterjedt szulfátos kristályosodási eljárással vizsgálják. A próbatestnek a kristályosítás folyamán elszenvedett súlyvesztesége fordítottan arányos az időállósággal a következők szerint: kristályosítás veszteség:

Időállóság:

0-10%

fokozottan időálló

10-20%

időálló

20-30%

kevésbé időálló

30% felett

nem időálló

1. táblázat A kristályosítási veszteség alapján az időállóság (Boromisza és Ertl, 1967) Megemlítendő, hogy az időállóságra a nedves Deval vizsgálat is útmutatást ad. A nedvesség és a súrlódás együttesen ugyanis a kőzet földpátjait rendkívül igénybe veszi, a kopási veszteség tehát nagy, a Deval érték alacsony.” (Boromisza és Ertl, 1967)

21


Szilvási Marcell Georadar mérések közutak szerkezetének vizsgálatára határértékek

Pályaszerkezeti Forgalom nagysága réteg

Kopó

Kötő

Alap

Ágyazat

Los Angeles száraz Deval max % min. 14 15 18 12

Nehéz és nagyon nehéz Közepes könnyű és nagyon könnyű Nehéz és nagyon nehéz Közepes könnyű és nagyon könnyű Nehéz és nagyon nehéz Közepes, meleg, bitumenes szerkezet

25 18 25 25 33 45

9 12 9 9 7 5

Közepes, makadám rendszerű szerkezet Nehéz és nagyon nehéz

35 45

7 5

-

-

könnyű és közepes

2. táblázat Az egyes pályaszerkezeti rétegek kőzeteinek javasolt kopószilárdsági határértékei. (Boromisza és Ertl, 1967)

4.5 Időállóság „Az időállóság megítélésére a vízfelvétel is utal. Ha légszáraz kőzetminta felvétele normális atmoszférán 3%-nál több, akkor a kőzet nem időálló. Ha a vízfelvétel 0,5%-nál kevesebb, akkor időálló, hacsak mállásra utaló jel nem található rajta. A két érték közötti vízfelvétel esetében az időállósági vizsgálatokat el kell végezni. A vízfelvételi vizsgálattal tehát minden más vizsgálatokat megelőzően ki lehet zárni a nem időtálló kőzeteket. A kőzet tapadóképességét a Riedel-Weber eljárással vizsgálják. A vizsgálat célja annak megállapítása, hogy milyen szódaoldat (Na2CO3) koncentráció képes leválasztani a bitumenes kötőanyagot a kőzetszemcsék felületéről. Fontos lehet még egyes kőzeteknél a hőállóság vizsgálata. Erre szabványosított eljárás nem alakult ki, de valószínű, hogy a hőkezelt (200 Co-on) és a nem hőkezelt kőzettel elvégzett Los Angeles-i aprózódási veszteségek különbsége jellemezheti a hőállóságot. Újabban előtérbe kerül a kopórétegek fényvisszaverő-képességi igénye. A vizsgálatot fehér testtel való összehasonlítással végzik elektromos mérőműszerekkel.

22



A zúzottkövek minősítésére mindjobban elterjedő Los Angeles és Deval vizsgálatok vonatkozásában megjegyezzük, hogy az elsőt főként burkolatoknál vagy kopórétegek adalékanyagainál, az utóbbit pedig minden pályaszerkezeti réteg adalékanyagánál célszerű elvégezni. Az adalékanyag további követelménye a megfelelő szemeloszlás. Az egyes burkolati és alaprétegek szemeloszlása a burkolat vagy alapréteg fajtájától függ és ezeket szabványok, szabályzatok írják elő. (Boromisza és Ertl, 1967)

4.6 Dinamikus tömörség és teherbírás mérés Nem mindegy hogy az utakat milyen altalajra építjük, illetve a már meg lévő utak alatt milyen a talaj. Ha megsüllyednek az utak, az valamiféle tönkremenetelre utal, ilyenkor szükségszerű a tömörség és teherbírás vizsgálat. „A tömörség a legfontosabb minőségi jellemző a teherbírás mellett a mélyépítésben. Az eddig alkalmazott tömörségmérések a sűrűség mérésen alapultak, mint a homok-kiöntéses, a víztérfogat-méréses, vagy az izotópos mérés. A mért helyi sűrűséget a víztartalom ismeretében először száraz sűrűségre átszámítottuk, majd egy viszonyítási sűrűséghez hasonlítottuk, százalékban megadva. Magyarországon 2003-ban új, dinamikus módszerekkel mérő berendezés kifejlesztése kezdődött, mely két mérés egyidejű elvégzésére alkalmas. A kialakított könnyű ejtősúlyos berendezés egyrészt méri a hagyományos dinamikus modulust, mint teherbírást, másrészt az ejtések hatására létrejött tömörödési görbéből képes számítani a tömörségi fokot is. A 2005-ben épült M7 autópályákon lehetőség nyílt az új, Eu-szabadalmat kapott tömörségmérési módszer kipróbálása. A hagyományos izotópos mérési módszerrel való összehasonlítást több alkalommal, nagyszámú összehasonlító mérésekkel végezték el. Ezekből a legnagyobbat 2005 őszén, az M7 autópálya Zamárdi – Balatonszárszó szakaszán 23 próbaszakaszon, öt különböző anyagon, szakaszonként 3-3 szelvényben, szelvényeként 3-3 mérési ponton, statikus teherbírás és víztartalom-méréssel párosítottak. Az összehasonlító tömörségmérések tapasztalatai szerint a két fajta tömörségmérés várható értéke valóban azonos, egyezően az elmélettel. Kiemelkedő, hogy egyetlen méréssel meghatározható mind a teherbírási modulus, mind a tömörségi fok. A forradalmi újítás jelentős idő és költségmegtakarítással jár, és megbízhatóbb, pontosabb mérési eredményt biztosít. 23



Dinamikus tömörségmérés elmélete: A tömörített rétegen egy súlyt ejtegetve a laboratóriumi Proctor-géppel egyező mértékű munkát végzünk a helyszínen, az adott víztartalmú rétegen. Az így meghatározott tömörséget helyi, relatív tömörségi foknak (CrE%) nevezzük. A B&C (Bearing Capacity & Compactnessrate Tester) egy olyan könnyű-ejtősúlyos mérőberendezés, melynek tárcsa átmérője 163 mm a 70-75 cm magasságból ejtett 10 kg tömegű ejtősúly a tárcsa alatt 0,35 MPa dinamikus terhelést hoz létre. Ez szükséges ahhoz, hogy a szükséges tömörítési munka az ejtések során létrejöjjön, egyben pedig lehetőség arra, hogy dinamikus modulust a szokásos 0,3 MPa statikus terhelési tartomány közelében határozzuk meg.” (Subert, 2007)

4.7 Az autópályák és városi utak szerkezete Az útpálya szerkezete alsó és felső alaprétegből, kötőrétegből és kopórétegből áll. Az alsó alapréteg alatt szükség esetén védőréteget alakíthatnak ki. Megkülönböztetünk merev (cement kötőanyagú beton) és hajlékony (bitumen kötőanyagú aszfalt) pályaszerkezeteket. A burkolat anyaga legtöbbször aszfalt, de létezik betonpaneles megoldás is, mint a régi M7-es autópályánál. A betonburkolatok előnye, hogy könnyebben fenntarthatóak, és hosszabb az élettartamuk. Az utak altalaja nagyon változatos, ezért különböző kivitelezési technológiát igényelnek. Az M7-es új szakaszán Ordacsehi és Balatonkeresztúr között lápos, mocsaras volt a vidék. A mocsárra geotextília szőnyeget terítettek, amelyet másfél méter vastag köves alapozó réteggel borítottak be. Ezt a réteget speciális (15–20 tonnás) ejtőgép segítségével addig tömörítették, amíg a talaj el nem érte a megfelelő tömörségét. Speciális technológiát igényelnek a repülőterek le- és felszállópályái, valamint a gurulóutak is. A ferihegyi repülőtér legújabb elkészült gurulóútja Magyarországon eddig nem alkalmazott aszfaltszerkezetű, együttes felülete mintegy 26 000 m2. Létezik úgynevezett csendes aszfalt burkolat is, amely speciális porozitása révén hangelnyelő képességgel is rendelkezik, ami 3–5 dB(A) között mozoghat. A burkolatok legnagyobb ellensége a fagy és a síkosság mentesítés során alkalmazott só. (Hunyadi Dóra, 2006)

24



4.8 Leggyakoribb meghibásodási típusok és jellemzőik Kátyú: Az utak használata során a forgalmi igénybevétel és a környezeti hatások nyomán létrejött, a szerkezet bomlásával járó károsodás, egy vagy több pályaszerkezeti réteg kisfelületű (legfeljebb 20 m2) folytonossági hiánya, ami az út használatát nehezíti, a balesetveszélyt növeli, a közlekedési eszközöket fokozottan igénybe veszi, az utazás kényelmét rontja. Keréknyom (vályúképződés, nyomvályú, kis sugarú keréknyom, nagy sugarú keréknyom, spur): A nehézgépjárművek ismételt áthaladása következtében keletkező keresztirányú alakváltozás, plasztikus deformáció. Kifejezetten a keréknyomokban észlelhető. Oka lehet a kopás is. Gyűrődés (hullámosodás): A burkolat hosszirányú kiemelkedése, eredeti szintjéből való kidomborodása. Általában a pálya egyéb deformációjával kísért jelenség. A pályaszerkezet süllyedése: Körülhatárolhatóan, egy meghatározott helyen a pályafelület süllyedése altalajelázás, közmű-meghibásodás, háttöltés-süppedés miatt. Repedés (törés): Útpálya folytonosságának megszakadása a részek elmozdulásával vagy a nélkül. Hajszálrepedés (hosszanti fáradásos repedés): A járművek kerekeinek nyomában kialakuló, az úttengellyel közel párhuzamos vékony, finom repedések, amelyek pókhálószerű repedezettségé alakulnak át. Építési hiba esetén közvetlenül pókhálószerűen alakul ki. Mozaikos repedés (hálós repedés, alligátorbőr-repedés): Megközelítően mozaikszerű vagy hálószerű repedések együttese, általában teherbírási elégtelenség miatt. Burkolat szélének letörése. A pályaszerkezet széle teherbírási, megtámasztási hiányosság miatt megsüllyed és az aszfaltburkolat hosszirányban megreped (8. ábra).

25



8. ábra aligátorbőr - repedés Keresztirányú repedés (reflexiós repedés): Az úttengelyre közel merőlegesen, egymástól meghatározott távolságban kialakuló, ismétlődő repedések fél-merev pályaszerkezetben. Szabálytalan irányú repedés (átrepedés, vadrepedés): Alaprétegben keletkező szabálytalan repedések átütése a burkolaton a fél-merev pályaszerkezetben. Összedolgozási hiba (munkahézag hibája, varrathiba, slusszhiba): hossz- vagy keresztirányban egyenes vonalú repedés,

amely

két

aszfaltburkolati

sáv

összedolgozásánál

vagy

aszfaltterítés

újrakezdésénél jelentkezik, főleg hosszirányban. Bomlás: A kopóréteg vagy a burkolat anyagának szétesése. Hámlás (tányérosodás): Kis területen létrejövő, csak a kopórétegben jelentkező üregszerű folytonossági hiány. Leválás: A kopóréteg lemezszerű kitöredezése. Felülethiba: Csak a burkolat felületének hibája a burkolat anyagának megbomlása nélkül. Kötőanyag feldúsulás a felületen (izzadás, zsírosodás, fényesedés): Többé-kevésbé körülhatárolt szakaszon foltszerűen, sávszerűen vagy az egész burkolatfelületre felnyomuló aszfalthabarcs, esetleg csak bitumen. Az érdesség lecsökkenése (kisimulás): Az aszfalt-kopóréteg elveszíti makro- és mikroérdességét.

26



Érdesítő zúzottkő kipergése: Utólagos érdesítésnél a zúzottkő nem köt bele a befogadó bitumenrétegbe vagy aszfaltba. Nyitott felület (szivacsos felület): Az útpályán foltokban, sávszerűen vagy az egész felületen jelentkező, az általánostól eltérő, annál hézagosabb felület. Egyéb hiba: Az eddigi rendszerbe nem sorolható kivitelezési, az út nem rendeltetésszerű használatából vagy mulasztásból adódó hibák. (Gyűjtés az Útügyi Műszaki Előírásokból)

27



5 Georadar 5.1 A radarmérések elve A földradar módszer fizikai leírása a hullámoptika jelenségköréhez tartozik és az indukció jelenségén alapul. A radar antenna által kibocsájtott nagyfrekvenciájú hullámok a levegőben fénysebességgel terjednek, és képesek behatolni az optikailag átlátszatlan anyagokba (pl. talaj, fal, stb.), ily módon leképezni azt. Az alkalmazott impulzusok középfrekvenciája a kutatás jellegéhez igazodva 100 MHz és 2 GHz között változhat. Elektromágneses hullámok révén igazak rájuk az optika törvényei és jelenségei: törés, visszaverődés, refrakció, stb. A földradar-kutatások során földbe sugárzott rövid, nagyfrekvenciájú, jól fókuszált elektromágneses impulzusok visszaverődését rögzítjük. A fizikai alapjait tekintve elektromágneses mérések eredményeinek feldolgozása és interpretációja a reflexiós szeizmikus kutatásoknál megismert módon történik. A mérőműszer adó- és egy vevőantennából áll. A jel (hullám) akadálytalanul halad az anyagban mindaddig, amíg egy eltérő anyagi állandókkal rendelkező közeg határához ér. Itt a hullám egy része reflektálódik, egy része továbbhalad a második közegben. A visszavert jel visszajut a vevőhöz, amely rögzíti azt. (Nagy, 2010; Nagy és Taller, 2012) Ha a berendezéssel egy felszíni vonal mentén, sűrű térbeli mintavétellel felvételeket készítünk, akkor a visszavert jelek leképezik a felszín alatti határfelületeket és az egyéb pontszerű vagy kiterjedt hatókat, melyeket anomáliának nevezünk (9. ábra baloldala). A radarszelvényeken anomáliaként fog jelentkezni minden olyan pont, melyben az anyagra jellemző elektromos vezetőképesség és/vagy dielektromos állandó megváltozik. (Nagy és Taller, 2012) Ilyen magas frekvenciákon a kőzetek elektromágneses viselkedését elsősorban a dielektromos állandójuk (ε) határozza meg. A 3. táblázatban néhány kőzet (anyag) jellemző relatív dielektromos állandója és más, a radarmérések szempontjából lényeges paramétere található. (Nagy, 2010)

28

Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Geofizikai Intézet Anyag


EM hullámsebesség v [m/ns]

Elektromos vezetőképe sség σ [mS/m]

Dielektromos állandó ε [F/m]

Csillapítás α [dB/m]

Levegő

0,3

5*10-12

1

0

Édesvíz

0,033

0,02 - 2

81

0,1

Száraz homok

0,13 - 0,15

0,14

3-5

0,01 - 0,03

Nedves homok

0,05

6

20 - 30

0,3 - 3

Agyag

0,06

100

5 - 40

1 - 300

Mészkő

0,12

0,5 - 2

4-8

0,4 - 2

Gránit

0,12

0,01 - 1

7

0,8

Beton

0,13

2

7

1,3

Aszfalt

0,15

0,01

3-4

0,01

3. táblázat Anyagparaméterek (Nagy és Taller 2012) A réteghatárokon a radarhullámok törése és visszaverődése az akusztikus hullámoknál megismert törvényszerűség szerint történik. A beeső (A0) és a visszaverődő (A1) amplitúdó aránya pedig a

képlettel írható le. Az R reflexiós koefficiens a rétegek komplex dielektromos állandójától (K) függ, amelyet a

összefüggés definiál (σ a fajlagos vezetőképesség

és f a radarhullám frekvenciája). Tapasztalatok szerint réteghatár kimutatására R > 0.01 esetben van esély. A komplex dielektromos állandóhoz hasonlóan képezhetjük az úgynevezett veszteségi szög (α) tangensét tgα=σ/(2πfε). A veszteségi tényező (tangens) a kőzetbe hatoló hullám csillapodásának mértékére jellemző, fizikai értelemben a hővé alakult elektromágneses energia arányát mutatja. A 3. táblázat tanúsága szerint a víz kiemelkedő dielektromos állandóval rendelkezik, tehát a földradar mérések elsősorban a különböző víztartalmú rétegek határáról verődnek vissza. Fémes vezetők felszíne szintén kiváló reflektor. A táblázatban közölt sebességértékekből meghatározható a hullámhossz is (λ = V/f, azaz pl. vízben, 100 MHz frekvencián 33 cm). Így becsülhető a mérések felbontóképessége, ugyanis a tapasztalatok azt mutatják, hogy a radarszelvényen két réteghatár akkor különíthető el, ha a köztük lévő távolság legalább a hullámhossz felenegyede. A táblázat utolsó oszlopa a különböző kőzetek egységnyi vastagságú szakaszán 29



áthaladó hullám energiacsökkenését mutatja. Látható, hogy anyagrétegekben rendkívül nagy csillapítás is létrejöhet (100 db/m 10-szeres energiacsökkenést jelent!), praktikusan meghiúsítva az energia továbbterjedését. A földradar berendezés adó és vevő antennáját rendszerint optikai kábel köti össze a vezérlőegységgel. A digitálisan mintavételezett radarjeleket a vezérlőegységhez csatolt mobil számítógép rögzíti. A méréseket egy egyenes mentén haladva, állandó vagy változó adó- és vevőantenna távolsággal végezzük. Eredményként, a mérési elrendezésnek megfelelő egycsatornás vagy, a szeizmikus méréseknél megismert módon összegzett reflexiós időszelvényeket kapunk. (Nagy, 2010)

9. ábra A földradar mérés elvi vázlata (Nagy és Taller, 2012) „A radar szelvényeken az x tengelyén a vonal menti pozíció, az y tengelyén a menetidő látható (9. ábra jobboldala). A hullámterjedési sebesség becslésével az időtengely mélységtengellyé transzformálható, ezáltal az anomáliák mélysége jó közelítéssel megállapítható. A jel behatolási mélységét a közeg paraméterein kívül befolyásolja a hullám frekvenciája is. Általánosan igaz, hogy nagyobb frekvenciával jobb felbontóképesség, de kisebb behatolási mélység érhető el. A földradar mérésekkel kimutathatók közművek, csővezetékek, eltemetett fémtárgyak, a talajvízszint, réteghatárok, lehatárolhatók üregek, nedves zónák és egyéb hatók is. Az anomáliák sokfélesége miatt a szelvények kiértékelését nagyban megkönnyítik és pontosítják az a priori ismeretek.” (Nagy és Taller, 2012) „A mellékelt elektromágneses spektrum szerint a georadar által használt frekvencia értékek a többi elektromágneses geofizikai módszerhez képest nagyok (10. ábra) és az alkalmazott 30


frekvenciatartomány

is


viszonylag

szélesnek

mondható. Az

ilyen

frekvencia

intervallumban a legnagyobb frekvenciákon mind a vezetési mind az eltolódási áramok hatását figyelembe kell venni. Ennek megfelelően a lefelé haladó elektromágneses síkhullámú tér elektromos komponensének mélység szerinti viselkedése

alakú, és a hullámszám négyzete a telegráf egyenletből:

Ezt az egyenletet

-ra és

-ra megoldva írható, hogy

összefüggésből a szkin mélységre kapjuk, hogy

míg a hullámhosszra

alapján

31



Összehasonlítva az MT-nél kapott értékekkel jól látható a szkin mélység és a hullámhossz dielektromos állandótól való függése is a vezetőképesség-, mágneses permeabilitás- és frekvenciafüggés mellett. A szkin mélység a hullám elnyelődését fejezi ki, a hullámhossz pedig a (horizontális és vertikális) felbontást befolyásoló tényezők egyike.” (Pethő és Vass 2011)

10. ábra Az elektromágneses spektrum (Pethő és Vass 2011)

32



5.2 Hullámterjedés

11. ábra Georadar beérkezések vízszintes határfelület esetén (Pethő és Vass 2011) „A 11. ábrán látható vízszintesen rétegzett két-réteges esetre a feltüntetett adó-vevő elrendezés mellett négy beérkezés van. Az első két levegő (1) és részben levegő (2) hullám, valamint a földben terjedő hullámok közül a direkt hullám (3) mindig megelőzi a reflektált hullámot (4). A kritikus szögben megtörő levegő hullám (2) esetén a kritikus szög nagysága az alábbi feltételből határozható meg:

A 12. ábrán látható hullámok közül egyedül a kritikus szögben megtörő levegő hullám (2) az, amely csak bizonyos adó-vevő távolság után jelentkezik, a többi beérkezés tetszőleges adó-vevő távolság (offset) mellett mérhető. Az offset függvényében az egyes hullámok beérkezési idejét megadó függvényt menetidőgörbének nevezzük. A 12. ábrán jól látható, hogy a leggyorsabban terjedő hullám, a közvetlen levegő hullám (1) érkezik be minden esetben elsőként, a kutatás szempontjából a legtöbb információt adó reflektált hullám pedig utolsóként. A nem reflektált három hullám menetidőgörbéje egyenes, az egyenes meredeksége fordítva arányos az EM hullám adott közegbeli terjedési sebességével. Ennek megfelelően a kritikus szögben refraktált levegő hullám és a közvetlen levegőhullám

33



menetidőgörbéje egymással párhuzamos egyenesek. A reflexiós hiperbola aszimptotája a közvetlen föld hullám menetidőgörbéje (12. ábra).” (Pethő és Vass 2011)

12. ábra Homogén vízszintesen kétréteges esetben mérhető georadar menetidő görbék felül, hullámterjedési útvonalak alul (Pethő és Vass 2011) „A mérés céljától függően többféle mérési elrendezés lehetséges. Közös mélységpontos elrendezés mellett különböző offsetekkel (x) mérve a reflektált hullám beérkezési időit a felső réteg sebessége meghatározható, mely adat a reflexiós mérés idő-mélység transzformációjához használható fel. További számításokkal a többi réteg sebessége is számítható. A leggyakrabban reflexiós mérést végeznek, a reflektáló szintek követése, inhomogenitások meghatározása céljából. Ahhoz, hogy a georadar felvétel valósághűen

34



tükrözze a vizsgált szerkezeteket, hasonló korrekciókat kell elvégezni, mint a reflexiós szeizmikus adatok feldolgozása során. A kutatási feladatnak megfelelő frekvenciát kell választani. A nagy frekvenciákon elvégzett mérések vízszintes és függőleges felbontása jobb, viszont ezeken a frekvenciákon az EM tér mélységbehatolása kisebb. A georadar módszerre definiálható reflexiós együttható két réteg elektromágneses impedancia kontrasztjától függ:

Ezt részletesen felírva, majd a nagy frekvenciás közelítést alkalmazva kapjuk, hogy

A georadar méréseknél tehát annál "jobb" reflexiót kapunk, minél nagyobb az egymással kontaktusban lévő kőzetek dielektromos állandói között a különbség.” (Pethő és Vass, 2011)

35



5.3 A mérőműszerek A radarméréseket GSSI (Geophysical Survey Systems, Inc) által gyártott SIR 3000-es típusú műszerrel (13. ábra) végezzük, a feladatoknak megfelelő antennaválasztással. A 4. táblázat bemutatja az antennák frekvenciáját, általános alkalmazási területüket, a behatolási mélységet és a felbontást.

Gyártmány

Antenna középfrekvenci a [MHz]

Behatolási mélység [m]

Legkisebb kimutatha tó objektum [m]

Általános alkalmazá s geotechnika, bányászat közművek, üregkutatá s, geotechni ka

GSSI

100

2 - 15

0,43

GSSI

400

0-4

0,1

GSSI

900

0-1

0,05

betonvizsgálat

GSSI

2600

0 - 0,4

0,02

betonvizsgálat

4. táblázat Különböző frekvenciájú műszerek jellemzői (Nagy és Taller 2012)

13. ábra GSSI SIR 3000 kézi kijelző és felvevőegység és egy Sir 20 műszer (http://metalfind.net ill. Wayne Muller)

36



6 Feldolgozás és értelmezés Az adatfeldolgozást a MATGPR R2 szoftverrel végeztem. Ez a szoftver szabad hozzáférésű, és egy teljes körű, magas szintű matematikai háttérrel rendelkező programban (MATLAB) lett írva. Andreas Tzanis fejlesztette ki, minden jog őt illeti. A jelenlegi fejlettségi szintjében nem ér fel (és nem is törekszik arra) a kereskedelmi célú professzionális programokhoz, azonban több szempontból is fejlett eszköz a GPR adatok kezelésére. Egyszerűségében rejlik a nagyszerűsége. A GSSI mérőeszközei „.dzt” kiterjesztésű nyers adatfájlokat szolgáltatnak.

6.1 Nyersanyag Először be kell hívnunk a programba az adatfájlt, amit elemezni kívánunk (14. ábra).

14. ábra Nyers adatfájl Szerző saját szerkesztése

6.2 Szelvény szerkesztések 6.2.1 Nulla idő A radar fénysebességet mér, ezért a szeizmikus időjellel szemben az indítójel futásideje a kábelen összemérhető a mérendő idővel. A Time-zero (nulla idő, vagy jel pozíció) funkció lehetővé teszi, hogy beállítsuk azt az időt, amikor már a felszín alól érkeznek a jelek. Ezt 0 37



időnek nevezzük. Az igazi 0 időt a levegőben terjedő direkt hullám alapján határozzuk meg. Az egyszerűség kedvéért, annak beérkezési idejéhez rendeljük hozzá a 0 időpontot. A 15. ábrán látható a kép tetején, hogy egy „üres” mező található, ez az a szakasza a mérésnek, amikor csak az indítójel futásidejét mérjük, erre nincs szükségünk, ezt töröljük. Mégpedig úgy, hogy az első beérkezési jel (levegőben terjedő direkt hullám) előtti szakasz végpontját kijelöljük, majd a Trace viewer (csatorna megjelenítő) segédprogram eliminálja a szelvényünkről ezt a részét a felvételünknek.

15. ábra A jel kezdeti idejének állítása Szerző saját szerkesztése

38



6.2.2 Időablak kivágás Az is gyakori, hogy a jelek későbbi része már csak felesleges zajokat tartalmaz. Ezzel nem szeretnénk az értékes memóriát elhasználni, ilyenkor lehetőség van az időablak leredukálására (Time-Window Trimming). Az alábbi, 16. ábra bemutatja hogyan változott meg a kapott kép felbontása, ezáltal jobban szemügyrevehető a mért adatsor lényeges része, és kisebb helyet foglal el a számítógép memóriájában.

16. ábra Időablak kivágás Szerző saját szerkesztése 6.2.3 Szelvény hosszúság szerkesztése A

szelvény

hosszát

is

tudjuk

csökkenteni,

annak

érdekében,

hogy

jobban

szemrevételezhessük az „érdekesebb” alakzatokat. Ehhez egy segédprogram (Edit Scan Axis) (17. ábra) áll a rendelkezésünkre. Itt megadhatjuk hogy hányadik mért csatornától (trace) hányadikig kívánjuk csökkenteni a szelvényünket. Megadhatjuk akár a csatornának a számát is, de kijelölhetjük a szelvényen is a határértékeket.

39



17. ábra Szelvény hosszúság szerkesztő program Szerző saját szerkesztése 6.2.4 Hibás csatornák eltávolítása Megtehetjük, hogy egyes csatornákat eltávolítunk a képből. Erre általában akkor van szükségünk, amikor már mérés közben látunk valami hibát, vagy utólag észleltük hogy valamit nem úgy mértünk le egy ponton ahogy azt kellett volna. Ilyen esetekben ott teszünk egy „marker”-t a felvevőegység kezelőfelületén, és a feldolgozásnál tudni fogjuk, hogy miért van ott eltérés a jelben, és azt korrigáljuk a „Remove Bad Traces” funkcióval.

6.3 A hasznos jelek erősítése 6.3.1 Háttérzaj eltávolítás (Remove Global Background) A globális háttér eltávolítás (18. ábra) tulajdonképpen egy jelátlagolás. Ez egy olyan gyűjtő folyamat ami eltünteti azokat a jeleket (zajokat), amik minden csatornán megtalálhatóak és kiemeli a koherens jelek összességét.

40



18. ábra Háttér eltávolítás Szerző saját szerkesztése 6.3.2 Automatikus erősítésszabályozás Az AGC (Automatic Gain Control = automatikus erősítésszabályozás) helyreállítja a hullámok jelerőségét, egyúttal a hordozott információt felerősíti. Az jel amplitúdójának erősítése a beérkezési idejétől függ. Minél később ér vissza egy jel annál jobban fel kell erősíteni, hiszen több idő alatt, több utat tesz meg és eközben jobban csillapodik a kőzetekben/anyagokban. Ez a folyamat egyes esetekben már a mérés közben megtörténik a mérőműszer által és úgy kapjuk a kész jelalakunkat. Ez sokszor előnyös, hogyha azonnal, a helyszínen kellenek az információk rögtön a mérés után, viszont az a hátránya, hogy lehetetlenné teszi az adatok későbbi feldolgozását.. A programban maximum a teljes idő fele lehet az ablakszélessége. Jelen példában 0,5 ns és 3 ns-os ablakokat használtam a funkció prezentációjára. Az alábbi ábrákon (19. ábra; 20. ábra) jól kivehető, hogy minél kisebb ez az ablak, annál jobban felerősíti a jeleket, de egyúttal a zajokat is, ezáltal nehezebben kivehetőbbé teszi azoknak az objektumoknak a letapogatott

képét,

amelyekre kíváncsiak

vagyunk.

Ezért érdemesebb nagyobb

ablakszélességű erősítést alkalmazni, ezáltal a jelek mélységtől függő erősségének a kiegyensúlyozása mellett, egy szűrőt is használunk. A rendelkezésünkre álló jelhosszúság ebben a példában nem éri el a 7 ns-ot, a szűrőnk nagysága maximum ennek a fele lehet, ezért alkalmaztam a 3 ns-omot. 0,5 ns-os erősítésnél kisebbet nem érdemes megadni, mert akkor nehezen kivehető a lényegi információ a kapott képen. 41



19. ábra Automatikus jelerősítés 0,5 ns ablakszélességgel Szerző saját szerkesztése

20. ábra Automatikus jelerősítés 3 ns ablakszélességgel Szerző saját szerkesztése 6.3.3 Inverz amplitúdó csillapodás korrekció Lehetőségünk van inverz amplitúdó csillapodás korrekció alkalmazására kétféle számítási módszerrel is. Az egyik az adatok „helyi számtani átlagával”, a másik viszont az adatokból képzett „helyi mediánokkal” számol (21. ábra). A jelerőségeket a jel visszaérkezési időkkel, a 22. ábrán látható piros vonalnak az inverzével korrigálja, így erősíti azokat.

42



21. ábra A legjobban illeszkedő modell Szerző saját szerkesztése

22. ábra Inverz amplitúdó csillapodás korrekció Szerző saját szerkesztése

43



6.3.4 Inverz energiacsillapodás korrekció Módunkban áll az amplitúdó helyett az energia figyelembevételére is. Ez az inverz amplitúdó csillapodás korrekcióhoz hasonlóan, a későbbi jelekre egyre jobban hat, ezáltal felerősítve azokat a korábban beérkezők szintjére (23. ábra).

23. ábra Inverz energiacsillapodás Szerző saját szerkesztése

6.4 Jellemző szerkezetek és hibák 6.4.1 Útszerkezet A 24. ábrán látható egy körülbelül 105 méteres útszakasz, 2,6 GHz-es georadar feldolgozott szelvénye. Ennek a műszernek körülbelül 40 cm a behatoló képessége, de az elég részletes. Az ábra jobb oldalán feltüntettem a menetidőből számított mélységet, amit úgy kapunk meg, hogy a terjedési sebességet (amit 0,13 m/s-nak vettem, mert a betonban és az aszfaltban körülbelül ennyi az átlagos terjedési sebesség) elosztjuk a kétszeres menetidővel. Azért a kétszeressel mert a jelnek először le kell mennie aztán vissza, és így kétszer teszi meg ugyanazt az utat. A szelvényen jól kivehető, amit piros vonallal ki is emeltem, az útszerkezet 3 főbb rétege. A legfelső az aszfalt kopó-, és kötőrétege, ami körülbelül ~7 cm. A 45.-től az 53. méterig

44



tapasztalható egy vékonyulás, ami esetlegesen a hosszú évek folyamán problémát okozhat az útpálya szerkezetében. A következő átlagosan ~11 cm az útnak az aszfalt felső alaprétege, ami lényegébe véve egyenletes lefutású ezen a szakaszon. Az alsó alapréteg, amivel a szerkezet alulról „le van zárva” már elég variábilis vastagság szempontjából. Helyenként csupán ~6cm, de például a szelvény végén már eléri a ~14 cm-t is. Természetesen a munkagépekkel nehéz cm-es pontosságra törekedni az alapmű felett, ezért ez a kis hiba az alapréteg aljában véleményem szerint még belefér, fő hogy a felsőbb rétegek homogenitása megmaradjon.

24. ábra Útszerkezetben georadarral megfigyelhető rétegek Szerző saját szerkesztése

45



6.4.2 Hidak A hídszerkezeteket alapja általában vasbeton (crcp), majd azon kerül elhelyezésre az alap és az aszfaltréteg (25. ábra).

25. ábra folyamatos vasbeton szerkezet (http://motorwayarchive.ihtservices.co.uk ill. http://www.crcpavement.org/)

26. ábra betonacél szerkezet (Dar Hao Chen 2010)

46



A 26. ábrán látható acélrudak elhelyezkedését jól lehet vizsgálni a georadarral. Jelen esetben a 2,6 GHz-es szondázással az is leolvasható hogy körülbelül 15 cm-enként helyezkednek el a vasháló elemei (27. ábra).

27. ábra Betonacél szerkezet Szerző saját szerkesztése 6.4.3 Közművek

Az utak alatt is elhelyezkedhetnek közművek és útvizsgálat során ezekről nagyon jól visszaverődnek a földradar jelek (28. ábra), mivel ezek a csövek/vezetékek általában valamilyen fémből vannak. Esetleges útmeghibásodásoknak okozói lehetnek, és ilyen esetben jól látható a kár eredete.

28. ábra Közművek (www.floridageomatics.com) 47



6.4.4 Javított utak

29. ábra Teljes mélységében kicserélt útszerkezet (Phillips és társai, 2006)

Amikor a radarszelvény egy szakaszán teljesen más szerkezetet látunk, de önmagában szabályos, olyankor el kell gondolkodnunk, hogy ez esetleg nem is hiba, hanem emberi beavatkozás (javítás, megerősítés) eredménye. Ilyenkor megerősítést nyerhetünk, ha a mérést mi végeztük, és raktunk egy jelet (marker) a mérés közepette arra a pontra ahol valami rendellenességet tapasztaltunk az úton pl. repedés, útjavítás, stb. A mérési jegyzőkönyvbe célszerű az ilyen eseteket lejegyezni, főként ha hosszú a szelvényünk, hogy a feldolgozás során is emlékezzünk rá, mi található épp annál a markernél. A 30. ábrán egy körülbelül 10 méter hosszú anomáliát mutat, amin a teljes útréteg kicserélésre került.

48



7 További vizsgálatok 7.1 Több frekvencián való szondázás Amennyiben arra jutunk, hogy nem megfelelő volt a frekvenciaválasztás, akkor vissza kell menni a terepre és egy másik frekvenciájú antennával is mérnünk kell. A rutinos geofizikusok ezért is szoktak egyszerre több, más tulajdonságú műszerrel vizsgálódni, hogy a kutatólaborban már minden szükséges információ rendelkezésükre álljon. Például ha kis frekvenciával vizsgálódunk, akkor nagyobb mélységre láthatunk be az út alá, de biztos hogy nem veszünk észre apróbb hibákat repedéseket. Viszont ha nagy frekvenciával szondázzuk meg a célpontot, akkor nagyon részletes eredményt kapunk, de csak a felszínről és közeli térségéről. Ilyenkor praktikus összevetni a két mérés eredményeit, és mindegyiknek az előnyös tulajdonságait kihasználni: a nagyfrekvenciás mérés adja a szelvény felső rétegeit nagy felbontásban; a kisfrekvenciás mérés a szelvény alsó szegmensét, ahonnan még visszaérkeznek az információkat hordozó jelek.

7.2 Magmintavétel A pontosabb és kézzel foghatóbb eredményekért a hibásnak vélt útszakaszokon magminta vételt érdemes végezni (30. ábra). Így már sokkal jobban nyomon követhető, mi is folyik az aszfaltréteg alatt. A magmintán azonosított rétegvastagságok segítségével a radarmérés mélysége jól kalibrálható. De természetesen ez roncsoló hatású az útra nézve, költségesebb és időigényesebb, mint az „egyszerűbb” georadar mérés és kiértékelés.

30. ábra Közútból vett magminta (C.J. Summers 2013)

49



8 Összefoglalás Dolgozatomban összefoglalásra került az utak georadar mérésének háttér információja. Hogyan épülnek fel szerkezetileg az útpályák, és mi a főbb szerepük ezeknek az elemeknek, valamint milyen előírások vannak az építőanyagokkal szemben. A földradar mérési mechanizmusát, a mérőjel haladási útvonalát és gyengülését is bemutattam. Ezek az ismeretek elengedhetetlenek a georadar szelvények feldolgozásához és az úthibák felismeréséhez. 2012 nyarán az MFGI-nél (Magyar Földtani és Geofizikai Intézet) töltöttem a 6 hetes kötelező

szakmai

gyakorlatomat

a

Mérnökgeofizikai

Főosztály alkalmazásában.

Autópályán végeztünk georadar méréseket, amiknek aktív tagja voltam. A dolgozatomban feldolgozott georadar nyersanyagok onnan származnak. Főként az esetleges szerkezeti hibák kimutatása volt a célunk (elvékonyodás, süllyedés, törés), de a hídszerkezeteket is vizsgáltuk radarral. Bemutattam a fontosabb feldolgozási módszereket, és az útszerkezetek georadar képét. A megsüllyedt területeknél további georadar és szeizmikus méréseket javaslok. Ennek célja, hogy kiderítse vajon permanens vagy csak építés utáni alkalmi süllyedésről van szó, illetve helyesen mérték e fel a geotechnikai viszonyokat az út alatt. Pontosabb információkért, ha szükséges fúrómag mintát kell venni akár a mélyebb rétegekből is.

50



9 Summary In my thesis I summarized the background information of the GPR (Ground Penetrating Radar) measurements on roads. I have written how are structurally build up the track, and what are the main functions of these building elements and materials. It was written, what are the requirements against the construction materials. I also presented the mechanism of the ground penetrating radar, the travel path of the signal, and its weakening. This knowledge is essential for the processing of the georadar segments and to detect the errors of the roads. In the summer of 2012 I did my required six weeks long internship at the MFGI (Geology and Geophysics Institute of Hungary) in the purposes of the department of geophysics engineering. We have done some measurements in highways with GPR, and I was an active member in it. In my thesis the processed raw materials are the result of those measurements. Primarily our aim was the possible detections of structural defects (thinning, sagging and cracks); however we analyzed the structural of bridges too. I presented the major processing methods, and the figures of the pavement structures. In the sunken areas I suggest other GPR and seismic measurement. The objective is to find out whether permanent or just temporary post-construction sink it is, and the legitimate of the measurements about the geotechnical conditions of the road. If it is needed more accurate information, than should be taken core samples from the road.

51



10 Irodalomjegyzék 1. Ambrus K. : Pályaszerkezeti aszfaltrétegek igénybevételei (2012) http://www.epito.bme.hu/uvt/oktatas/feltoltesek/BMEEOUVTUE2/szm_22_2012_ pszerk_igenybevetel.pdf , letöltés időpontja: 2013.04.20. 2. Boromisza T., Dr. Ertl R.: Mérnökgeológia 3. (Tankönyvkiadó, Budapest, 1967) 58-68. 3. D. H. Chen: Using Ground Coupled Radar Techniques to Detect Concealed Subsurface Voids in: TIPS 2010/szeptemberi számából http://ftp.dot.state.tx.us/pub/txdot-info/cst/tips/subsurface_voids.pdf , letöltés időpontja: 2013.04.02 4. Dövényi P. és Lipovics T. (2006): Geofizikai Terepgyakorlat http://geophysics.elte.hu/Geofizika_kornyezettud.pdf letöltés időpontja: 2013.04.02. 5. Fi I. : Utak és környezetük tervezése. (Budapest, 2002) http://www.uvt.bme.hu/targyak/utterv/fi_uk.pdf , letöltés időpontja: 2013.02.17 6. M. D. Gehrig, D. V. Morris és J. T. Bryant: Ground Penetrating Radar for Concrete Evaluation Studies http://www.foundationperformance.org/pastpresentations/gehrig_paper_march2004 .pdf , letöltés időpontja: 2013.04.13. 7. Greschik Gy., Boromisza T. és Molnár L. (1975): Vonalas Létesítmények Mérnökgeológiája (Sokszorosította: Magyar Állami Földtani Intézet, Budapest, 1975) 8. Kisgyörgy Lajos - Schuchmann Gábor: Közlekedéstervezés, utak. Jegyzet http://www.uvt.bme.hu/targyak/kterv_I/kterv_I_II_kgysch/ , letöltés időpontja: 2013.04.04. 9. Meskó A.: Rugalmas Hullámok A Földben. (Akadémia Kiadó, Budapest, 1994) 10. W. Muller (2009): Application Of Ground Penetrating Radar To Road Pavement Rehabilitation http://www.tmr.qld.gov.au/~/media/busind/techstdpubs/Queensland%20roads%20t

52



echnical%20journal/March%202009/aogprtrpr0903qldroads.pdf , letöltés időpontja: 2013.04.20 11. Nagy P. és Taller G.: Épített Szerkezetek Kutatása Radarral http://www.konferenciairoda.hu/epved_muemlek_vasut_2012/taller_nagy_cikk.pdf , letöltés dátuma: 2013.03.20. 12. Németh N. és Földessy J. (2011): Nyersanyagkutatási módszerek http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0033_SCORM_MFFTT600341/ sco_11_03.htm , letöltés időpontja: 2013.04.20 13. Pethő G. és Vass P. (2011): Geofizika alapjai http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0033_SCORM_MFGFT6001T/a datok.html , letöltés időpontja: 2013.03.17. 14. C. Phillips, A. Balasundaram, Z. Ahmed, R. Kohlberger, D. Hoffman (2006): The Integrated Use of GPR and Conventional Methods for Continuous Pavement Condition Investigations: A Case Study of the QEW Rehabilitation and Widening Project http://www.tacatc.ca/english/resourcecentre/readingroom/conference/conf2006/docs/s021/phillips. pdf , letöltés időpontja: 2013.04.03. 15. Subert I. (2007): Új módszer a tömörségmérésre dinamikus könnyű-ejtősúlyos berendezéssel http://www.andreas.hu/hun/download/bc/pub/Uj%20modszer.pdf , letöltés időpontja: 2013.04.20 16. A Tzanis: MATGPR Release 2: A freeware MATLAB® package for the analysis & interpretation of common & single offset GPR data in: Fast Times 2010/01 számából http://www.eegs.org/portals/2/fasttimefiles/ft1501_mar2010_low_r04.pdf , letöltés időpontja: 2013.03.04

53

Georadar mérések közutak szerkezetének vizsgálatára. Szakdolgozat. Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar. Geofizikai Intézeti Tanszék

Recommend Documents