Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Geofizikai Intézeti Tanszék
KÖZFORGALMÚ UTAK ÚTHIBÁINAK RONCSOLÁSMENTES VIZSGÁLATA FÖLDRADAR SEGÍTSÉGÉVEL DIPLOMAMUNKA
Készítette: Kóti Ádám Földtudományi mérnöki mesterképzési szak Konzulensek: Dr. habil. Ormos Tamás egyetemi magántanár Dr. Prónay Zsolt, a Magyar Földtani és Geofizikai Intézet tudományos főmunkatársa beadás dátuma: 2014.05.09.
Miskolc, 2014
Eredetiségi Nyilatkozat "Alulírott Kóti Ádám, 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, 2014.05.09. ................................................... a hallgató aláírása
TARTALOM 1.
Bevezetés és célkitűzés ..............................................................................................2
2.
A földradar rövid története ......................................................................................3
3.
A földradar módszer .................................................................................................4 3.1.
A módszer fizikai alapelve .................................................................................5
3.2.
Fizikai paraméterek ...........................................................................................6
3.3.
Alkalmazási területek ........................................................................................7
3.3.1.
Bányászat és kőfejtés ..................................................................................7
3.3.2.
Geotechnika és környezetvédelem ..............................................................8
3.3.3.
Törvényszéki és régészeti alkalmazások ....................................................9
3.3.4.
Csövek és kábelek kutatása ......................................................................10
3.3.5.
Beton szerkezetek vizsgálata .................................................................... 10
3.3.6.
Vasúti pályák mérése ................................................................................ 11
3.3.7.
Utak és útburkolatok vizsgálata ............................................................... 11
3.4.
4.
3.4.1.
Felszíni 2D reflexió.................................................................................... 12
3.4.2.
Felszíni 3D reflexió.................................................................................... 13
3.4.3.
Fúrólyukbeli reflexió ................................................................................ 13
3.4.4.
Közös mélységpontos rendszerek ............................................................. 14
Közforgalmi utak jellemző szerkezeti felépítése .................................................... 14 4.1.
Az altalaj legfontosabb műszaki tulajdonságai ............................................... 16
4.2.
Az útszerkezetet befolyásoló külső tényezők ................................................... 17
4.3.
Leggyakrabban előforduló úthibák típusai és azok okai ................................ 18
4.3.1.
Repedések.................................................................................................. 19
4.3.2.
Vetemedés ................................................................................................. 20
4.3.3.
Szétesés ......................................................................................................21
4.3.4.
Felületi hibák ............................................................................................ 21
4.4. 5.
Méréstípusok .................................................................................................... 12
Hidak és átjárok úthibái .................................................................................. 22
Elvégzett munka......................................................................................................23 5.1.
Mérési módszerek ............................................................................................ 23
5.2.
Adatfeldolgozási eljárások ............................................................................... 24
5.2.1.
Nyers adatok beolvasása ...........................................................................25
5.2.2.
Szelvények megjelenítése ..........................................................................26 i
5.2.3.
Alapvető feldolgozási műveletek menüpont (Basic Handling) ................ 26
5.2.3.1.
Kezdési idő igazítása (Adjust Signal Position) ................................... 26
5.2.3.2.
Szelvény- magasság (Trimming Time Window) és hosszúság (Edit Scan Axis) beállítása ...........................................................................26
5.2.3.3.
Erősítésszabályozás (Standard AGC) ................................................ 28
5.2.3.4.
Inverz amplitúdó csillapodás (Inverse Amplitude Decay) ................ 29
5.2.4.
Szűrések (Filtering) ................................................................................... 30
5.2.4.1. 5.2.5.
Globális háttér eltávolítás (Remove Global Background) ................. 30
Képfeldolgozás (Imaging) ......................................................................... 31
5.2.5.1.
Statikus korrekció (Static Correction) ............................................... 31
5.2.5.2.
Sebesség modell létrehozása (Get 1-D velocity modell) ..................... 31
5.2.5.3.
Migráció (1-D Migration) ................................................................... 32
5.2.5.4.
Időszelvény mélységszelvénnyé történő átalakítása (1D Time-toDepth Conversion) .............................................................................. 32
A feldolgozott mérési szelvényeken azonosított úthibák ....................................... 33
6.
6.1.
Légrés az aszfaltban ......................................................................................... 33
6.2.
Repedés az aszfaltban ...................................................................................... 38
6.3.
Vasbeton szerkezetek vizsgálata ......................................................................41
6.4.
Autópálya híd környezetének vizsgálata ......................................................... 45
6.4.1.
Terület bemutatása ................................................................................... 45
6.4.2.
A háttöltés radarvizsgálatának eredménye .............................................. 45
6.4.3.
Az úszólemez vizsgálata ............................................................................ 47
6.5.
Földmű hibája .................................................................................................. 48
7.
Javaslatok ................................................................................................................ 50
8.
A GPR fejlődése a jövőben ..................................................................................... 51
9.
Összefoglalás ...........................................................................................................51
10.
Köszönetnyilvánítás............................................................................................. 52
11.
Irodalomjegyzék .................................................................................................. 53
ii
Abstract Ground Penetrating Radar (GPR) is a special geophysics tool that is mainly applied by engineering and geophysics researches. Operation of the tool is based on spreading of electromagnet waves. In my thesis I am presenting this geophysics method and its application in supervising public roads. I am also showing the most frequent road errors and examining some concrete sections of the road. Further the aim of my thesis is to present the method and its development, and the geophysics structure in order to find those errors of the road and make suggestions for their correction and improvement. In addition I am showing the most frequent processing procedures that can be used during processing radar shots. Description of professional studies made it clear that continuous supervising processes are needed to maintain and preserve proper conditions of public roads. Georadar is the most appropriate tool for that target due to its ability to provide a big amount of information within a short period, quickly about the structure of the roads. With surveying the quality of roads and interventions at the proper time the biggest failures and deficiencies can be avoided and in this way money can be saved for the road maintenance companies as well as for the taxpayers. When constructing the roads perfect implementation and building should be achieved. Georadar has become the most important and most frequently used geophysics method. I am presenting many kinds of road errors from the road base to its top. During the work all the ruptures, sockets and yields could be identified. I tried out the results of all processing procedures and I could work out a suitable procedure.
1
1. Bevezetés és célkitűzés A földradar módszer (Ground Penetrating Radar (GPR)) egy speciális geofizikai eszköz, amelyet főként a mérnöki tudományok területén és a geofizikai kutatásokban alkalmaznak. Az eszköz működése az elektromágneses hullámok közegbeli terjedésén alapszik. Napjainkban a GPR-t egyre szélesebb körben alkalmazzák. A technika képes roncsolásmentesen, in situ módon leképezni az útburkolat szerkezetét. A földradar segítségével csak kis mélységeket lehet vizsgálni. A műszer behatolása kb. 300 m, amit jég felszínen való mérés során értek el. Szilárd földfelszínen optimális esetben is mindössze 30-40 méteres mélység kutatható az eszközzel. A műszer kis vezetőképességű közegben működik a leghatásosabban. Jó vezetőkben a behatolási mélység a nagymértékű hullámcsillapodás miatt jelentős mértékben lecsökkenhet, ami a radar alkalmazhatóságát nagymértékben korlátozza. A georadar által előállított radargrammok feldolgozásával viszonylag egyszerűen megállapítható az útburkolat vastagsága, valamint a különböző útburkolat rétegek helye. A többi geofizikai módszerhez képest, mint például a szeizmika, viszonylag alacsony a felmerülő üzemeltetési költség. Az elmúlt évtizedben történt fejlesztések nyomán nagy sebességű mérésre alkalmas GPR-t is készítettek, amely segítségével akár 100 km/h sebességgel is végezhetünk közúti méréseket. A fentiek miatt a radar mára a legelterjedtebb geofizikai módszerré vált az útszerkezetek vizsgálatában. Szakdolgozatomban
ismertetem ezt
a
geofizikai
módszert,
valamint
annak
alkalmazhatóságát a közutak vizsgálatában. Bemutatom a leggyakoribb úthibákat és elvégzem néhány konkrét útszakasz vizsgálatát is. Dolgozatom célja továbbá, hogy bemutassam a módszert és annak fejlődését, valamint az útszerkezetek geotechnikai felépítését-, az általam vizsgált útszakaszok esetleges hibáit észleljem, valamint megoldási javaslatot tegyek e problémák megoldására. Továbbá bemutatom a radarfelvételek feldolgozása során alkalmazható leggyakoribb feldolgozási eljárásokat.
2
2. A földradar rövid története „Radarberendezés először 1990-ben került kereskedelmi forgalomba Skolnik (1990) amerikai kutató révén. Az elektromágneses módszerek közé tartozó GPR képes az eltemetett felszín alatti tárgyakat, határfelületeket a felszínen végzett mérések alapján azonosítani. A módszer alkalmazási területe rendkívül széleskörű, amelyet a számítógépes adatfeldolgozási technikák és a javuló műszaki háttér tovább fokoz. Eltemetett fém tárgyak azonosítására az elektromágneses hullámokat először Hülsmeyer (1904) alkalmazta. Ezen vizsgálatok eredményeit Leimbach és Löwy (1910) publikálta elsőként. Kétpólusú dipól antennát használtak függőleges furatban. A beérkezett jelek amplitúdóját páronként hasonlították össze egymással. A technika kibővülése rámutatott a módszer korlátaira. Hülsenbeck (1926) nyomán jelent meg az első olyan impulzus technika, amely meghatározta az eltemetett szerkezetek jellemzőit. Megmérte a dielektromos állandó változását és felhasználta a radar és a szeizmikus módszer hasonlóságait. 1930-tól kezdődően további fejlesztéseket végeztek az impulzus technika nagy mélységű szondázásokra történő felhasználása érdekében. Az új radar rendszert alkalmazták jégben (Steenson, 1951; Evans 1963), édes vízben, sivatagi homokban illetve szénben (Cook 1975) is. 1974-ben Morey (1974) számos mérnöki területen kipróbálta az eszköz működését. Az 1970-es években a Holdra szállással megnövekedett az érdeklődés a technika iránt. Egy szeizmikus eszköz mellett ez volt az első geofizikai műszer, amit a Hold felszínén alkalmaztak az Apollo 17 „Surface Electrical Properties Experiment” kísérlete során. A GPR-t képesek voltak távvezérléssel irányítani, ellenben a szeizmikus eszközzel, amelynél az érzékelőket kézzel kellett elhelyezni.” (Daniels 1996)
3
3. A földradar módszer „A ground penetrating radar (GPR) a geofizika egyik legújabb eszköze. A berendezés egy adó- és egy vevőantennából, a vezérlő és adatgyűjtő elektronikai egységből és az adatok tárolására szolgáló számítógépből áll. A nagyfrekvenciás (10 MHz-5 GHz) adó antenna elektromágneses impulzusokat juttat a vizsgálandó közegbe. A vevőegység a különböző felületekről visszavert jelek amplitúdóját regisztrálja az idő függvényében, valamint digitalizálja azokat. Az idősorok tárolását a számítógép végzi. Az anyagokban az elektromágneses hullámok terjedése a közeg fizikai tulajdonságaitól függ. A hullám terjedési sebességét elsősorban a közeg dielektromos állandója határozza meg. A nagyfrekvenciás adóantenna által kibocsátott jel csillapodásáért pedig nagyrészt az elektromos vezetőképesség felelős. Két eltérő réteg határfelületén a fizikai paraméterek megváltozásával a jel egy része visszaverődik, másik része tovább halad a következő rétegbe. Az így előálló időszelvényen megfelelő fizikai kontraszt esetén felismerhetőek a felszín alatti objektumok és geológiai eltérések (1. ábra). x
Levegő
Távolság
x
S
Menetidő
A A B
B C
C
1. ábra: GPR mérés menete és a hozzá tartozó időszelvény (Annan 2001, Nagy 2011) A berendezés működéséhez szükséges a jelek beérkezési idejének pontos regisztrálása, ezért nagyon sűrű 5-2000 ps (pikoszekundum=10-12 s) mintavételezést alkalmaznak. Az elektromágneses hullámok beérkezési idejét a közegbeli terjedés sebessége és a rétegek mélysége határozza meg. A földradar által mért beérkezési időknél figyelembe kell venni, hogy a hullámok az adótól a reflektáló felületig és vissza a vevőig terjednek, tehát a kétszeres úthoz tartozó időt mérjük. Ha a hullám terjedési sebessége meghatározható, vagy legalábbis megbecsülhető a különböző rétegekben, az időszelvény mélységszelvénnyé alakítható át. A visszavert jel amplitúdójának nagysága a réteghatár két oldalán található
4
anyag fizikai paramétereinek eltérésétől függ-, és a vezetőképességet elhanyagolva az alábbi képlettel számítható:
ahol R a reflexió erőssége, ɛn a dielektromos állandó,
az elektromágneses hullám
terjedési sebessége a megfelelő közegben. Magas frekvenciájú antennával jó felbontást érhetünk el, azonban a behatolási mélység kicsi. Az alacsonyabb frekvenciájú földradarok behatolási mélysége nagyobb, itt viszont a felbontóképesség kisebb, mint az előbb említett esetben.” (Nagy 2011)
3.1.
A módszer fizikai alapelve
A Maxwell egyenlet véges vezetőképességű egy dimenziós közegben, a frekvencia tartományban, az elektromos komponensre a következőképpen irható fel (Reynolds 2002):
ahol
(x,t) az elektromos térerősség vektora, µ a mágneses permeabilitás, σ a fajlagos
vezetőképesség, ɛ a dielektromos állandó, x a távolság, ω pedig a körfrekvencia. A Maxwell féle hullámegyenletek alapján a mágneses komponens is hasonló képlettel írható fel. Abban az esetben, ha a frekvencia kicsi ω2<< ω, a hullám jelleg elhanyagolható. Nagy frekvenciáknál pedig ω2>>ω, tehát az első tag hanyagolható el. Nagy vezetőképesség esetén az első tag jelentősége megnő. „A georadar a többi elektromágneses geofizikai módszerhez képest nagy frekvenciát és széles frekvenciatartományt használ. A frekvenciát és frekvenciatartományt figyelembe véve számolnunk kell a vezetési és az eltolódási áramok hatásával is. A fenti képlet alapján kiszámolható az adott közegben a hullámsebesség (
5
és a csillapodás (
mértéke:
ahol c a fény sebessége vákuumban, az r index a relatív értéket jelenti.”(Pethő és Vass 2011)
3.2.
Fizikai paraméterek
A földradar mérést az anyagok dielektromos állandója (ɛ), a fajlagos vezetőképessége (σ), és ebből következően az elektromágneses hullám terjedési sebessége (v) és a hullámok csillapodása (α) befolyásolja. A különböző anyagok előbb felsorolt fizikai tulajdonságait az 1. táblázatban láthatjuk. Az összefoglaló táblázat Pattantyús-Ábrahám Miklós szakirodalmi gyűjtése alapján készült. Dielektromos Hullámsebesség Fajlagos állandó v (m/ns) vezetőképesség (mS/m) Levegő 1 0,3 0 Desztillált víz 80 0,033 0,01 Édesvíz 81 0,033 5-50 Tengervíz 81 0,01-0,03 3000 Édesvízi jég 3-4 0,15-0,17 1 Tengervízi jég 6 0,12 20 Hó 1,4 0,25 0,02 Durva törmelék, feltöltés 6-12 0,09-0,11 Beton 7 0,13 2 Aszfalt 3-4 0,15 0,01 Útszerkezet 8 0,1 0,1 Fal, vakolat 6 0,12 Petróleum 2,1 0,2 10 Olaj 2,4 0,19 0,01 Műanyag, gumi 3 0,17 Jól vezető Fém 1000000 Mészkő 4-8 0,12-0,15 0,5-2 Homokkő 9 0,1-0,12 40 Gránit 5-7 0,12-0,13 0,01-1 Nedves talaj 30 Fagyott talaj 6 0,12 1 Száraz, homokos talaj 3 0,17 0,14 Nedves, homokos talaj 19-25 0,06 6 Száraz, iszapos talaj 2,5 0,19 0,11 Nedves, iszapos talaj 19 0,07 20 Száraz, agyagos talaj 2 0,21 0,3 Nedves, agyagos talaj 15-25 0,06 100 Agyag 5-40 0,06 2-1000 Iszap 5-30 0,07 1-100 Kőzetliszt 10 0,1 Száraz homok 3-6 0,13-0,17 0,01-0,05 Nedves homok 20-30 0,05 1-10 Köves talaj 7 Kavics, kő, hordalék 7 0,1 0,1 Anyag
Csillapítás (dB/m) 0 0,002 0,9-9 550 0,8 13 0,03 1,3 0,01 0,06 12 0,01 100000 0,4-2 24 0,8 0,7 0,14 2,3 0,12 7,8 0,36 150 1-300 1-100 0,01-0,03 50 0,06
1. táblázat: A leggyakrabban előforduló anyagok elektromos tulajdonságai (szerző saját szerkesztése) 6
3.3.
Alkalmazási területek
A GPR módszer alkalmazási területe nagyon széleskörű, hiszen a geológiai kutatásoktól a mérnöki tervezésig számos helyen használhatóak. Dolgozatomban a földradar módszer közúti mérésekben való alkalmazhatóságát fogom részletesen kifejteni-, de felsorolás szintjén szeretném megemlíteni az eszköz további felhasználási lehetőségeit is. A modern földradarokat felhasználják az épített környezet roncsolásmentes vizsgálatára, régészeti feltárásokra, utak és alagutak minőségének értékelésére, üregek és tárolók helymeghatározására, alagutak, csövek és kábelek azonosítására. 3.3.1. Bányászat és kőfejtés „A földradart széles körben használják a bányászatban, kőfejtésben és alagútépítésben. A berendezés érzékeli a kis mélységekben (0-40 m) lévő kőzettípus változásokat és az olyan szerkezeti elemeket, mint például a törések, repedések. Speciális alkalmazásuk a geológiai szerkezetek azonosítása, ásványkincsek feltárása, fedőréteg vastagságának meghatározása, bánya telek értékelése, alagút tervezése, arany lelőhely osztályozása és érc zónák kimutatása. Arany és ásványi nyersanyagkutatás: Világszerte használják ásványkincsek feltárására. Leggyakrabban folyóvízi arany és gyémánt telepek azonosítására, valamint parti titán és vasban gazdag nehéz üledékek vizsgálatára (2. ábra). Továbbá ásványi anyagokban gazdag erek nyomon követésére és laterites nikkel telepek feltárására is használják a berendezést.
2. ábra: Kimberlit kutatás Tanzániában (http://www.sensoft.ca)
7
Kitermelt kő minősége: Az építési célra kifejtett kőzetnek speciális tulajdonságokkal (hangszigetelő, vízzáró) kell rendelkezniük, ezért a kőzetek kiválasztása fontos feladat. A GPR képes érzékelni a szerkezeti integritásokat és észlelni a nem kívánt töréseket repedéseket, ami gazdasági hasznot nyújt. A márvány-, gránit- és mészkőfejtéseknél szerte a világon használják a földradart
a kitermelt
kő minőségének vizsgálatára.”
(http://www.sensoft.ca) 3.3.2. Geotechnika és környezetvédelem „Geotechnika: A georadar nagy felbontású képet nyújt a felszín alatti földtani szerkezetekről széleskörű geotechnikai alkalmazást lehetővé téve ezzel. A műszerrel a mérnökök képesek az alapkőzet mélységének meghatározására és egyes talajrétegek azonosítására (3. ábra).
3. ábra: Talaj szerkezetének kutatása (http://www.sensoft.ca) Hidrogeológia: A GPR eszközök érzékenyek a talajvíz tartalomra és a geológiai szerkezetekre, ennek köszönhetően a módszer alkalmas a hidrogeológiai vizsgálatokra. Továbbá a talajvízszint lehatárolására, patak és folyómeder szerkezetének megállapítására és a szennyezőanyag áramlásának ellenőrzésére is használható a módszer. Környezetvédelmi értékelések: A szennyezett területek állapotának felmérése egy jelentős alkalmazási területe az eszköznek. Használják eltemetett tárgyak helyének azonosítására (hordók, csövek és régi alapok), valamint maguknak a szennyező anyagoknak a kimutatására is a talajokban.” (http://www.sensoft.ca)
8
3.3.3. Törvényszéki és régészeti alkalmazások „Az eszköz (megfelelő paraméter kontraszt esetén) képes érzékelni eltemetett tárgyakat és a talajban lévő inhomogenitásokat, ami alkalmassá teszi a törvényszéki vizsgálatokra, valamint régészeti lelőhelyek értékelésére. A rendőrség rendszeres használja eltemetett drog, pénz és fegyver rejtekhelyek, valamint jelöletlen sírok kutatására (4. ábra). A régészek rendszeresen keresnek a földradarral történelmi jelentőségű tárgyakat, valamint térképeznek fel nagy, akár több hektáros történelmi helyszíneket (5. ábra).
4. ábra: Bizonyíték keresése a beton réteg alatt (http://www.sensoft.ca) Régészet: Hasonlóan, mint a kriminalisztikánál a GPR képes finom változásokat érzékelni a talajokban, valamint leképezi a földfelszín alatt lévő, eltemetett szerkezeteket. Mivel a műszer roncsolásmentes kutatási eljárást biztosít, egyre növekszik a népszerűsége a régészek körében. A földradar segítségével meghatározhatjuk a keresett tárgy mélységét, míg a mágneses módszerrel csak a tárgy jelenlétét tudjuk megállapítani. A két módszer együttes
alkalmazása
hatékony
vizsgálatot
nyújt
a
régészeti
kutatásokban.”
(http://www.sensoft.ca)
5. ábra: Eltemetett történelmi helyek kutatása (http://www.sensoft.ca) 9
3.3.4. Csövek és kábelek kutatása „A georadart használják eltemetett csövek és kábelek azonosítására is (6. ábra). Az eszköz érzékeli a fémes és nem fémes szerkezetek helyét. A GPR egyszerűen alkalmazható „keresés és kijelölés” üzemmódban gyors helyszíni megoldásokra, lehetőséget nyújt a felszín alatti infrastruktúra meghatározására.
6. ábra: Csővezetékek kutatása (http://www.sensoft.ca) Csövek és kábelek lokalizálása: A hagyományos kábelek keresésére alkalmas eszközökkel szemben a GPR érzékeli a műanyag-, azbeszt-, beton- és fém csöveket is (7. ábra). A készülék elhelyezésének és a jel terjedési idejének ismeretében a cél tárgyak mélysége becsülhető. Felszín alatti térképezés: Az építkezések során szükséges az eltemetett közművek és infrastruktúrák részletes feltérképezése. Az új szerkezetek tervezésében fontos a mélység és elhelyezkedés ismerete. Kiterjedt kutatások azt mutatják, hogy a földradarral történő roncsolásmentes
vizsgálatokkal
jelentős
költségeket
lehet
megtakarítani.”
(http://www.sensoft.ca) 3.3.5. Beton szerkezetek vizsgálata „A földradar ma már a beton szerkezetek vizsgálatára is használják. Amikor a beton szerkezeteket fúrják és vágják a felújítások és javítások során, fontos, hogy elkerüljék a beágyazott kábeleket, vezetékeket. Gyakran az épületek tervrajzában foglaltak nem egyeznek meg teljes mértékben a megvalósítottakkal. Az egyetlen eszköz, amely képes ezt a problémát megoldani a GPR.” (http://www.sensoft.ca)
10
7. ábra: Műanyag- és fém csővezetékek (http://www.sensoft.ca) 3.3.6. Vasúti pályák vizsgálata „A vasúti pályák állapota az anyaghibák, a fokozott terhelés és a nem megfelelő karbantartási munkálatok miatt folyamatosan romlik. A pályák javításának érdekében fontos, hogy a károkat és annak okait idejében felfedezzék. Amennyiben a mérnökök a GPR eredményeket fúrásos kutatással együtt értelmezik, információt kaphatnak az ágyazat, a vízelvezető réteg és a földmű domborzatáról. A georadar berendezések vasúti járműre szerelve alkalmasak nagy sebességű vizsgálatokra, anélkül hogy akadályoznák a vasúti forgalmat.” (http://mfgi.hu) 3.3.7. Utak és útburkolatok vizsgálata „Utak vagy útburkolatok vizsgálata során számos esetben célszerű a GPR eszköz alkalmazása. Minden útszerkezet különböző anyagú rétegekből épül fel. A útburkolatok szilárdság deflectographhal mérhető. Ez egy nagy tömegű eszköz, amely az útburkolat elhajlását méri. A deformáció mértékét együtt vizsgálják a forgalom mértékével és az útburkolat szerkezetével. Az így kapott adatokból becsülhető az útburkolat várható élettartalma. A radar technika használatával megállapíthatjuk a bitumen rétegek vastagságát, a bennük lévő vasbeton lemezeket, a lemezek között lévő térközök nagyságát, a lemez összekapcsolódások helyét, valamint az ezeket fedő rétegek vastagságát is. A GPR-t a meglévő utak hibáinak azonosítására is használjuk a különböző útburkolati rétegekben. A burkolat vastagságát a mindennapos gyakorlatban közvetlen magminta vétellel is meghatározhatjuk, amely során az útburkolat állapotát kutató fúrólyukkal tárjuk fel. A módszer hátránya, hogy kárt okoz az út szerkezetében. A radar kimutatja az útburkolat 11
alsóbb rétegeinek vastagságát is. Korábban ez a feladat csak próbafúrással volt megoldható, ami költséges és roncsolással járó kutatási módszer. Általában a felmerülő költségek 20%-át az utak kivitelezése, a további 80%-át pedig az úthálózatok későbbi gondozása teszi ki.” (Daniels 1996)
3.4.
Méréstípusok
Az alábbi fejezetben kívánom bemutatni a leggyakrabban használatos mérési elrendezéseket a georadar módszer tekintetében. Az általam végzett mérések során minden esetben a 2D reflexiós eljárást használtam. 3.4.1. Felszíni 2D reflexió
A 2D reflexiós mérési módszer során az adó- és a vevőantenna távolsága (offset) állandó.
Az
antennák
a
haladási
irányra
párhuzamosan
és
merőlegesen
is
elhelyezkedhetnek. Az elektromágneses sugárzást kibocsátó dipól jellegű antennák mérhető maximális jelerősségét az egymással párhuzamosan elhelyezett antennákkal érhetjük el. A mérés könnyebb kivitelezése érdekében általában a haladási irányra merőlegesen tartott antennákat alkalmazzuk. Speciális esetekben eltérhetünk ettől az elrendezéstől. Például nehéz terepen, ahol a felszínen keresztirányban történő vizsgálat során akadályokba ütközünk. A mérés eredménye egy kétdimenziós radarszelvény (8. ábra).
8. ábra: Radarszelvény 2D reflexiós mérési elrendezés esetén (szerző saját szerkesztése) 12
3.4.2. Felszíni 3D reflexió
A felszíni 2D reflexiós méréseket elvégezhetjük több irányban, sűrűn egymás mellett hálós szerkezetet létrehozva. Az így előálló mérési módszert nevezzük háromdimenziós reflexiós eljárásnak. A megfelelő háromdimenziós leképezés elérése érdekében a vizsgálatot a két fő irányban, egymásra merőlegesen célszerű elvégezni. A vizsgálat eredményeit egy háromdimenziójú „kocka”, vagy idő/mélységmetszetek formájában szokták megjeleníteni.
3.4.3. Fúrólyukbeli reflexió
A fúrólyukbeli reflexiós eljárás során az antennák párhuzamosak és az offset állandó. A mérés során dipólantennákat használnak, ami a teljes teret vizsgálja. Az így kapott hullámkép eltér a felszíni módszerekétől. A hullámképen minden egyes fúrást metsző sík két visszaverődéssel jelenik meg. A reflexiók először a lyuk egyik oldaláról származnak, amikor az antenna közeledik hozzá. Ezután a távolodó antenna a lyukfal másik oldaláról detektál. Ezzel magyarázható a lyukbeli mérések szelvényén jelentkező „V” alakú formák (9. ábra).
9. ábra: Lyukradar szelvény (http: http://mon.univ-montp2.fr alapján) 13
3.4.4. Közös mélységpontos rendszerek
A közös mélységpontos mérési módszerek lényege, hogy az egyik antennát egy helyben tartjuk a másik antennát pedig állandó lépésközökkel mozgatjuk, vagy mindkét antennát azonos lépésközzel egymástól egyre távolabb helyezzük el (10. ábra). Az eljárás célja az optimális offset kiválasztása, a sebességek meghatározása, esetleg a jel/zaj viszony javítása a szeizmikában alkalmazott stacking eljárás mintájára.
10. ábra: Közös mélységpontos módszer (http://radio.rphf.spbstu.ru alapján)
4. Közforgalmi utak jellemző szerkezeti felépítése „Az utakat úgy kell megépíteni, hogy bírják a terhelést. Ha a közutakat megfelelően tervezik és építik, akkor évekig csak minimális karbantartást igényelnek. A munka célja egy olyan út megépítése, ami elbírja a terheléseket bármely időjárási körülmény előfordulása esetén a tervezett élettartamra. Ehhez szükséges a meglévő altalaj stabilizálása, valamint egy szilárd alap kialakítása az altalaj és az útburkolat között. Gondoskodni kell a vízelvezetésről, mert a víz gyengítheti az útszerkezetet. Továbbá olyan útszerkezetet kell építeni, amely:
elég vastag ahhoz, hogy szerkezetileg az összes várható forgalmi terhelést elviselje egy adott ideig
megfelelően tömörített, hogy maximálisan terhelhető legyen
az árkokba vezeti el az út alól a szerkezetbe bejutó vizeket.
Az útszerkezet több különböző összetételű rétegből épül fel (11. ábra). Az in-place talajok, úgynevezett altalajok szolgálnak az út alátámasztás alapjául. A termőtalaj és más szerves anyagok eltávolítása után az altalajt tömörítéssel vagy különböző aszfalt emulziókkal stabilizálhatják. Az altalaj tetején általában egy alapréteget építenek, jó 14
minőségű sóderből vagy kőzúzalékból. Amikor nagy forgalom várható az alapréteg általában Hot Mix Asphalt (HMA). Egyes esetekben az altalaj rossz minősége miatt szükség lehet talajcserére. Az így kapott réteg növeli a teherbírást, javítja a vízelvezetést, ezzel csökkenti a fagyjelenségeket. A járművek kerekei nyomófeszültséget okoznak a felső útburkolat rétegekben. Ezek az erőhatások nagyobb felületen oszlanak el az altalajon, amelyet a 12. ábra szemléltet. Az altaljnak, ezért ténylegesen viselnie kell a forgalmi terhelést.
11. ábra: Egy tipikus útburkolat keresztszelvénye (Kearney et. al 2004 alapján)
12. ábra: A kerék terhelésből származó nyomás eloszlása az altalajon (Kearney et. al 2004 alapján) A 13. ábra azt mutatja, hogy az útburkolat és az altalaj-, hogyan deformálódik a terhelés hatására. A deformáció nyomófeszültséget okoz az útburkolat felső rétegeiben és húzófeszültséget az alsókban. Ha a deformáció elég nagy és sokszor ismétlődik, akkor a húzófeszültség repedést, anyagfáradást eredményez a réteg alján. A további terhelés a 15
repedések felfelé vándorlását okozza, amíg azok el nem érik a felszínt. A felszíni és felszín alatti repedésekre mutatok be példát a 6.2. fejezetben. A felszíni víz ezután behatol a résen át az alapba és gyengíti azt. Ennek hatására nagyobb alakváltozás történik a repedés környezetében az útburkolatban és kátyú keletkezik. Ha az útburkolat elég teherbíró és az altalj, az alap elég erős ahhoz, hogy a fellépő nyomó- és húzófeszültségeket elviselje, akkor a terheléssel kapcsolatos repedés nem alakul ki. Így sok évvel megnő az útburkolat élettartalma.” (Kearney et. al 2004)
13. ábra: Az útburkolat deformációja a kerék alatt (Kearney et. al 2004 alapján)
4.1.
Az altalaj legfontosabb műszaki tulajdonságai
„Az útburkolat szükséges vastagságát az altalaj tulajdonságai és jellemzői határozzák meg annak érdekében, hogy elbírja a várható forgalmi terhelést. A talaj legfontosabb műszaki tulajdonságai: a szemcseméret, permeabilitás, kapillaritás, plaszticitás és a fagyérzékenység. Szemcseméret eloszlás: Az ásványi szemcsék egy talajban jellemzően két nagy kategóriába oszthatóak: durva és finom szemcsés. Durva szemcséjű talajok közé tartoznak a görgeteg, a kavics és a homok. Finomszemcsés pedig az iszap és az agyag. A legtöbb természetes altalaj a kavics, homok, iszap és agyag frakciók keveréke. Azokat az anyagokat, amelyekben kevés az iszap és agyag „tiszta anyagoknak” melyekben 12 százalékos, vagy annál nagyobb az iszap és agyag „piszkos” talajnak nevezik. Nedvesség esetén a piszkos talajok szerkezete meggyengül. Permeabilitás: Vízáteresztő képesség, az a könnyedség, amellyel a víz átfolyik a talaj pórusain. A részecske textura, a szemcseméret és a tömörítés mértéke jelentősen 16
befolyásolják a talaj áteresztőképességét. Durva szemcséjű talajok jobban átjárhatók, mint a finomszemcsések, azonban ezt már kis mennyiségű iszap és agyag frakció is megváltoztathatja. Az iszap és agyag nagyon kis permeabilitású, ezért sokáig megtartják a nedvességet. Kapillaritás: A víz felfelé mozgása a finom talajban a kapillárisokon keresztül. A víz a finom iszapban és agyagos talajban rendkívül magasra emelkedik. Ezek a talajok nem csak megtartják a vizet, hanem felemelik azt a kapilláris hatás révén. Ez a tulajdonság befolyásolja a talaj fagyérzékenységét. Képlékenység: A talaj azon képessége, hogy repedés nélkül deformálódik a terhelés alatt. Megfelelő nedvességtartalom esetén a plasztikus talajokat egy vékony szálba lehet sodorni, ami nem fog szétmorzsolódni. Fagyérzékenység: A fagyérzékeny talajokban jéglencsék alakulnak ki. A jéglencsék lefelé haladva nőnek, amelyeket az alulról áramló kapilláris víz táplál. Jéglencsék alakulnak ki és növekszenek a talajban, ha a hőmérséklet és a talajvízszint a fagyhatár közelében van. Ahol hosszú ideig fagypont alatt van a hőmérséklet a fagyhatár lefelé mozog, a jéglencsék nőnek és az útburkolat emelkedik. Mivel az időjárást nem lehet befolyásolni, a víz forrását kell megszüntetni vagy olyan talajokat kell alkalmazni, amelyek nem fagyérzékenyek. Az iszap nagyon érzékeny a fagyváltozékonyságra. A kavics és homok a legjobb anyagok arra, hogy megszüntessék a fagyérzékenység problémáját, mert kevés a kapilláris jelenség bennük.” (Kearney et. al 2004)
4.2.
Az útszerkezetet befolyásoló külső tényezők
„Tavaszi olvadás: A fagyhatás legrosszabb tényezője az olvadási folyamat, amelynek nyomán gyengül az altalaj. Az olvadás okozta károk ugyanolyan súlyosak lehetnek, mint a fagyás következtében fellépők. Az altalaj alátámasztás legnagyobb károsodása akkor lép fel, amikor a nedves őszt követi a nagyszámú téli fagyás-olvadás ciklus és a gyors tavaszi olvadás. Az útalapban lévő jég olvadása tavasszal fordul elő, felülről lefelé és általában az úttest közepén kezdődik. A víztelített anyag nagyon gyenge és valószínűleg nem időtálló. A felesleges víz eltávolítása történhet felszín alatti drén építésével is. Csatornázás, árok: Az útépítők hamar megtanulták, hogy a legfontosabb dolog az út tervezése és kivitelezése során a vízelvezetés. Ez a legfontosabb tényező annak érdekében, hogy az útszerkezet ellenálljon az időjárásnak és a forgalmi terhelésnek.
17
Víz mozgása az utak körül: A vízelvezetés problémája lehet felszíni vagy felszín alatti, de mindkettővel külön-külön kell foglalkoznunk. A vízelvezető rendszer tervezésében, nem szabad elfelejteni a fő célokat:
gyűjtsük össze és vezessük el a felszíni és felszín alatti vizeket
előzzük meg vagy késleltessük az eróziót
fogjuk fel a vizet a környező területekről és vezessük el őket.
Amennyiben az útburkolaton keresztül víz jut az útszerkezetbe, gyengülés következik be, ami végül korai meghibásodáshoz vezet. Egyes talajok jelentősen megdagadnak víz hatására, ami emelkedést okoz az út szerkezetében és gyengíti azt. Ezek az elsődleges okok vezetnek az útburkolat szakadások, repedések és kátyúk kialakulásához. Rosszul osztályozott vagy rosszul tömörített aszfaltkeverékek lehetővé teszik a víz behatolását, majd a fagyás-olvadás folyamat miatt szétesnek és meglazulnak az aszfalt aggregátumok. Mindezek idő előtti útburkolat hibákat okoznak. Nagyon nehéz megszabadulni a felszíni és felszín alatti vizektől. Az útburkolat és a padka hatékony vízelvezetése megakadályozza az altalaj telítődését, valamint minimálisra csökkenti az úttesten lévő esővíz okozta veszélyes vezetési körülményeket. Az útburkolat felszínét úgy kell kialakítani, hogy a víz a leggyorsabban lefolyjon az útról. Elkerülhetetlen egy kis víz belépése az útszerkezetbe, de törekedni kell arra, hogy ez minimális legyen. Ezt elérhetjük, ha megakadályozzuk, vagy kijavítjuk az útburkolat repedéseit.” (Kearney et. al 2004)
4.3.
Leggyakrabban előforduló úthibák típusai és azok okai
„Az útburkolat meghibásodását a legtöbb esetben a növekvő forgalmi terhelés, a környezeti hatások, a rossz vízelvezetés, anyaghiány, vagy az útburkolat szerkezetének hibás kialakítása eredményezi. A felsorolt tényezők kombinációjaként a burkolatok károsodást szenvednek. A rossz minőségű talaj egymagában nem okoz problémát, viszont nagy forgalmi terhelés mellett az útszerkezet már károsodást szenvedhet. Az aszfalt útburkolat hibáit négy osztályba sorolhatjuk” (Kearney et. al 2004):
repedések
vetemedés
szétesés
felületi hibák.
18
4.3.1. Repedések „Többféle típusú repedést tudunk azonosítani az útburkolatokon. Az utak karbantartása és kezelése függ a hiba mértékétől és okától. Ezért fontos, hogy felismerjük a repedés típusát és annak okát. Minden 6 mm-nél nagyobb repedést valamilyen összenyomhatatlan anyaggal kell kitölteni, hogy a csapadékvíz beszivárgását megakadályozzuk. Ha víz kerül az útburkolatok altalajába (egy repedésen keresztül) jelentős gyengülés keletkezhet az alapban. Ha a beszivárgást nem szüntetik meg, kiegészítő repedések alakulhatnak ki és végül meghibásodik az útburkolat. Reflexiós repedések: Képződhetnek közvetlenül az aszfalt burkolatban és az alatta lévő rétegekben egyaránt. A repedés kialakulhat hossz-, kereszt-, vagy átlós irányban. A hőmérsékletváltozás hatására az egyes rétegekben fellépő eltérő mértékű vízszintes irányú tágulás vagy összehúzódás okozhat ilyen repedéseket. Aligátorbőr repedések: Egy sor egymással összefüggő repedés, amely úgy néz ki, mint az aligátor bőre. Az ilyen repedések a nagy forgalmi terhelés hatására jönnek létre az útburkolat ismételt alakváltozásának hatására. Az útburkolatot hajlító igénybevétel éri, aminek köszönhetően fáradás lép fel az anyagában és repedés keletkezik be. Az aligátorbőr repedés minta jelzi, hogy:
az aszfalt útburkolat túl vékony volt
az útburkolat alapja vagy altalaja rossz minőségű anyagból épült
a forgalmi terhelés meghaladta a tervezett mértéket
nagy a nedvességtartalma és rossz a vízelvezetése az útszerkezetnek.
Általában a rossz alap miatti repedések területe kicsi. Azonban az ismételt nagy terhelések hatására létrejövő meghibásodás a teljes útburkolat szakaszt érintheti. Azoknál az útburkolatoknál, ahol vékony (4cm>) az aszfalt réteg az aligátorbőr repedések gyorsan kátyúvá fejlődnek. Lineáris repedés: A hosszirányú repedéseknek számos oka lehet. A felső borítás hosszirányú repedése a leggyakoribb és minden útosztálynál megtalálható úthiba. Kis sűrűségű aszfalt keverék esetén nincs elegendő kötés ereje az útburkolatnak, hogy megakadályozza a repedéseket. Ez lehetővé teszi az aszfalt idő előtti oxidálódását, amely az aszfalt megkeményedéséhez és végül szétrepedéséhez vezet. Egy másik hosszanti repedéstípus a keréknyomok között fordulhat elő. A hosszanti repedések általában a
19
keréknyomás terheléséhez kapcsolódnak és aligátorrepedésekhez vezetnek. A lineáris repedéseknek másik fő oka a fagyváltozékonyság az alapban vagy az altaljban. Tömb repedés: Az útburkolat téglalap alakú darabokra esik szét. A leggyakoribb kis forgalmú utakon és nagy betonozott területeken, mint például parkolókban. Ezek az útburkolatok általában nem megfelelően tömörítettek, magasabb a levegővel telített üregek száma, ami egy feltételezhető oka a repedéseknek. Jellemzően ugyanazok a tényezők okozzák, mint a reflexiós repedéseket. Hosszirányú és keresztirányú repedések egyesüléséből jönnek létre. Szegély repedés: Hosszanti repedések az útburkolat szélén vagy keresztirányú repedések, amelyek kifutnak a padkára. A leggyakoribb oka az oldalsó támasztás hiánya. Az altalaj süllyedése, gyenge vízelvezetés és fagyváltozékonyság is okozhatja. Csúszási repedés: Félhold alakú repedések, amelyek a forgalom okozta vízszintes erőkből erednek. Kialakulásuk oka, hogy hiányzik a kötés a felületi réteg és a pálya között. A kötés hiánya felléphet por, piszok, olaj vagy más egyéb szennyeződés hatására.” (Kearney et. al 2004)
4.3.2. Vetemedés „Az útburkolat torzulása során az aszfalt keverék instabillá válik, továbbá a szemcsés alapban vagy altaljban gyengülés következik be. A repedéseket is kísérheti bizonyos típusú torzulás. Ez számos formát ölthet, de a nyomvályúsodás és a hullámosodás a leggyakoribb. Nyomvályúsodás:
Az
útburkolat
felületén
a
keréknyomokban
előforduló
bemélyedések. Súlyos esetben a nyomvályú külső oldalán felemelkedés fordulhat elő. A legtöbb ilyenfajta úthibát az utak konszolidációja, nedvességtartalom változása, az altalaj mozgása vagy forgalmi terhelés okozza. Nyomvályúk csak az útburkolat felső rétegében vannak. Ezeket többnyire a nehéz terheket szállító kamionok útburkolatra ható nyomása eredményezi. Az aszfalt keverékek fejlesztése, aggregátum előírások és tesztek jelentősen csökkentik ezeket a típusú meghibásodásokat. Hullámosodás: Az útburkolat képlékeny alakváltozásának egyik formája, ami hullámosodást okoz az útburkolat egész felületén. Jellemzően ott lépnek fel, ahol súlyos horizontális terhelés lép fel. Az útburkolatok azon szakaszán jelenik meg, ahol a forgalom elindul és megáll, a járművek fékeznek, valamint az éles kanyarokban. A hullámosodást az aszfaltkeverék rossz minősége okozza.” (Kearney et. al 2004)
20
4.3.3. Szétesés „Szétbomlás/mállás: Az útburkolat anyagából az iszap és agyag aggregátumok fokozatosan távoznak. Majd a nagyobb aggregátum részecskék meglazulnak, mivel a környező támasztás megszűnik. A folyamat a keréknyomokban felgyorsul a forgalmi terhelés miatt. Mállás megy végbe a teljes felületen, beleértve az útburkolat azon részét, ahol nincs forgalom. Az útburkolat mállásának előidézője a csapadékvíz és a forgalmi terhelés. Rétegleválás: A teljes vastagság elvesztése az útburkolat felületén. Az eredeti útburkolat és a borítás közötti kötés hiánya okozza. Az útburkolat két rétege közé jutó víz szerepet játszik a meghibásodásban. A rétegelválás többnyire a kerékút területére korlátozódik és több évvel a burkolás után jelentkezik problémaként. Amikor ez bekövetkezik nehéz őket megfelelően javítani. A régi felület tisztítása és könnyű aszfalt emulzió alkalmazása enyhíti ezt a problémát. Kátyúk: Különböző méretű tál alakú lyukak az útburkolatban, amelyek a forgalom hatására keletkeznek. A fagyás-olvadás ciklus szintén kátyúk kialakulásához vezet. Kezdődhet egy kis repedéssel, amely lehetővé teszi a víz bejutását és gyengíti az út alapját vagy egy kis terület mállásával, ami kátyúvá mélyül. Egyik napról a másikra számos kátyú keletkezhet az aligátorbőr repedésekből. Gyenge talajok, rossz vízelvezetés, túl vékony aszfalt felület és a rossz tömörítés kátyúk keletkezéséhez vezethetnek.” (Kearney et. al 2004) 4.3.4. Felületi hibák „Felhevült aszfalt: Az útburkolatban egy sima fekete, fényes megjelenésű rész lesz, amely napsütéses időben ragadós. A leggyakoribb oka a kő borítás vesztesége egy szeletben és a HMA aszfalt mix túlzott tömörödése a forgalom által. A felhevült aszfalt nagyon sima és majdnem olyan csúszós, mint a jég. Mivel a legtöbb ilyen úthiba a kerékútban jelentkezik ez egy komoly biztonsági kockázat, amivel azonnal foglalkozni kell. Kopott részecskék: Az útburkolat csúszásmentessége függ a jármű gumiabroncsaitól és az útburkolat felületében lévő aggregátumoktól. A tiszta, száraz útburkolatok magas súrlódás értékűek. Azonban egy kis mennyiségű csapadék is képes drasztikusan megváltoztatni egy jármű megállási képességét. Ahhoz, hogy megfelelő súrlódás legyen a 21
gumiabroncsnak ki kell szorítani a vizet a futófelület alól. Puha részecskék, mint a mészkövek egy aszfalt keverékben lekopnak a forgalomtól és csúszóssá válnak.” (Kearney et. al 2004)
4.4.
Hidak és átjárok úthibái
„A közelmúltban számos híd építésénél úszólemezeket alkalmaztak. Az úszólemez köti össze a hidat és a mellette lévő töltést (14. ábra). Az így megépített hidaknál idővel süppedést tapasztaltak. Ezt a problémát gyakran úgy említik, mint a híd végén előforduló hepehupát.
14. ábra: A híd és a háttöltés összekötése úszólemezzel (Briaud et al. 2003 alapján)
Becslések szerint a Texasi Közlekedésmérnöki Osztály évente 7 millió dollárt költ a híd végén lévő hepehupákkal kapcsolatban. Elindítottak egy projektet a hiba okának vizsgálatára és javaslatokat tettek a jelenlegi helyzet javítására. A projekt eredménye egy új széles karima rögzítése az úszó lemez rendszer végére, amit érzékeny és gyenge töltésekre terveztek és azokon tesztelték. A híd végén lévő lezökkenés első pillantásra egy egyszerű probléma: a töltés süllyedése nagyobb, mint a hídé, mert a talaj jobban összenyomódik, mint a mély alapozású alátámasztások. A probléma mégis bonyolultabb, ami sok tényezővel magyarázható, beleértve a vízelvezetést, a töltés magasságát, forgalmi szintet, hőmérséklet ciklusokat. Az amerikaiak számos területen laboratóriumi vizsgálatot végeztek és két kiválasztott helyszínen terepi méréseket végeztek. Az eredmények alapján a lezökkenések
22
minimalizálását tervezését tűzték ki célul. Néhány houstoni hídnál vizuális felmérést hajtottak végre. A korábbi eredmények alapján két hidat jelöltek ki részletes vizsgálatra. Egy sor laboratóriumi és helyszíni vizsgálatot végeztek el minden oldalon. A kutatások szerint a fő oka az úszó lemezek süppedéseinek:
természetes talaj települése a töltés alatt
a töltést felépítő töltő anyag nem megfelelő tömörítése
a rossz vízelvezetés híd hídfője mögött és az ahhoz kapcsolódó töltés eróziója.
A texasi kutatók javaslata alapján ellenőrzött minőségű visszatöltést kell alkalmazni a felépítmény 30 méterén belül. Szükséges továbbá minden töltőanyagot 95%-ra tömöríteni a módosított Proctor vizsgálat alapján. A felépítmény 30 méteres övezetén belül sűrűn, egymástól kis távolságokra ellenőrizzük a tömörítés eredményét. Ha az ilyen visszatöltést nem lehet elérni a 30 méteres zónán belül, stabilizáló cementet kell alkalmazni a zökkenőmentes átmenet érdekében.” (Briaud et al. 2003)
5. Elvégzett munka A diplomamunka megírása során a Magyar Földtani és Geofizikai Intézet (MFGI) és a MinGeo Kft. aktuális munkáiba nyerhettem betekintést. A mérések célja minden esetben a közforgalmú utak úthibáinak vizsgálata volt földradar segítségével. A rendelkezésemre bocsátott adatok feldolgozása és értelmezése után az alábbi eredményeket mutatom be a 6. fejezetben: 6.1. Légrés az aszfaltban, 6.2. Repedés az aszfaltban, 6.3. Vasbeton szerkezetek vizsgálata, 6.4. Autópálya híd környezetének vizsgálata, 6.4. Földmű hibája.
5.1.
Mérési módszerek
A mérések során az MFGI és a MinGeo Kft. az amerikai GSSI rendszert alkalmazza. A kutatási folyamatot megelőzően célszerű különböző frekvencián működő antennákkal tesztméréseket végezni az egyes frekvenciákhoz tartozó behatolási mélység és felbontóképesség meghatározása érdekében. A 6. fejezetben ismertetett vizsgálatoknál 200 MHz; 1,5 GHz és 2, 6 GHz frekvenciájú antennákat alkalmaztak az eredmények optimalizálása érdekében. A 15. ábrán a 200 MHz-es GSSI antennát láthatjuk használat közben. 23
15. ábra: 200 MHz-es GSSI radar mérés közben (szerző saját szerkesztése)
5.2. Adatfeldolgozási eljárások Az adatfeldolgozást a MatGPR 2.2.4.3.-as feldolgozó szoftverrel végeztem. A szoftver ingyenesen használható, amelyet a mátrix műveletekkel dolgozó Matlab programnyelven írtak. A szoftver segítségével gyorsan és egyszerűen feldolgozhatjuk a nyers GPR adatainkat. Általában a feldolgozást a következőképpen végeztem: Az adatok beolvasása után a terjedési időt a 0 időhöz igazítottam. A második lépésben a háttérzaj leválasztásával javítottam a felvételek jel-zaj arányát. Majd ezután erősítést alkalmaztam, hogy az elektromágneses
hullám
csillapodása
miatt
bekövetkező
jelerősség
csökkenését
kiküszöböljem. A diffraktáló pontokból érkezett diffrakciós hiperbolákat migráció segítségével összegeztem. Az utolsó lépésben az időszelvényt mélységszelvénnyé alakítom át. A több lépésből álló feldolgozási folyamatot 16. ábra szemlélteti. Az értelmezni kívánt radarfelvételeim esetében ez vezetett a legjobb eredményre.
24
16. ábra: A georadar szelvényeken elvégzett feldolgozási eljárások és sorrendjük (szerző saját szerkesztése)
5.2.1. Nyers adatok beolvasása A radarmérés eredményeként előálló nyers szelvényeket a feldolgozás megkezdéséhez importálni kell a MatGPR szoftverbe. Ehhez a főmenü Data fülére kell kattintani és a legördülő menüpontok közül az Import Raw Data opciót választani. Ezután már csak a megfelelő kiterjesztésű formátumot kell kiválasztani. Az általam használt GSSI műszer „.dzt” formátumban menti el az adatokat. A fenti lépéseket elvégezve megjelenik a feldolgozásra váró nyers adatfájl (17. ábra).
17. ábra: A megjelenő nyers radarszelvény (szerző saját szerkesztése) 25
5.2.2. Szelvények megjelenítése
A 17. ábrán láthatjuk, hogy a beolvasott radarszelvény a ” jet” elnevezésű színskálával jelenik meg. Ez az alapértelmezett színezés, de a program segítségével lehetőségünk van ennek átállítására (Image Colours). A szelvényen lévő változások számomra a szürke színárnyalatban észlelhetőek a legkönnyebben, ezért a továbbiakban ezt használtam. A MatGPR
radarszelvényeket
megjelenítő
ablakában
további
lehetőségek
is
rendelkezésünkre állnak. A „Figure Tools” menüpont segítségével szabadon alakíthatjuk és menthetjük a megjelenített ábráinkat.
5.2.3. Alapvető feldolgozási műveletek menüpont (Basic Handling) 5.2.3.1. Kezdési idő igazítása (Adjust Signal Position)
„A radar mérések során figyelembe kell vennünk, hogy az elektromágneses hullám terjedési ideje a kábelben összemérhető a talajbeli terjedési idővel. A földradarral való mérések során fénysebességet mérünk, ezért külön kell választanunk azt az időt, amikor a jel a kábelen halad keresztül és azt, amikor már az útszerkezet rétegein. Az Adjust Signal Position opció megnyitásával manuálisan kijelölhetjük az első beérkező jelet (18. ábra). Az új 0 időtől tehát a mérni kívánt közegben terjed a hullám, előtte pedig a kábelben. Így az első beérkezés előtti szakaszt (a hullám terjedési ideje a kábelben) a program levágja a szelvényünkről. Ezt végrehajtva 7.632 ns-nál lesz az új kezdési, vagy más néven 0 idő.” (Szilvási 2013) 5.2.3.2. Szelvény- magasság (Trimming Time Window) és hosszúság (Edit Scan Axis) beállítása
„A megjelenített radarszelvények egy bizonyos terjedési idő felett már nagyon zajosak, ezért lényegi információt nem tartalmaznak. A MatGPR programmal meghatározhatjuk azt a terjedési időt [ns], ami felett már ne szerepeljenek adatok a szelvényen (19. ábra). Ezzel a művelettel kisebb lesz az adott szelvény memória igénye, továbbá átláthatóbbá válnak a felvételek. 26
A szelvények időtartama mellett a hosszúságuk is szabályozható. Az Edit Scan Axis segítségével pontosan megadható a szelvény eleje és vége (19. ábra). Ezzel szintén csökkenthetjük a felvétel memóriaigényét és a túlságosan zajos, vagy minket nem érdeklő részeket eltávolíthatjuk a szelvényről.” (Szilvási 2013)
18. ábra: Kezdési idő igazítása (szerző saját szerkesztése)
19. ábra: Szelvény méreteinek beállítása (szerző saját szerkesztése) 27
5.2.3.3. Erősítésszabályozás (Standard AGC)
„A különböző anyagokban terjedő elektromágnese hullám folyamatosan csillapodik. Minél tovább halad a hullám az adott közegben, annál nagyobb csillapodást szenved, és annál később érkezik vissza a vevőbe. Tehát minél nagyobb a terjedési ideje egy jelnek, annál kisebb amplitúdó tartozik hozzá a szelvényen. Az automatikus erősítésszabályozás (Automatic Gain Control=AGC) alkalmazásával korrigálható ez a hatás. Az AGC a nagyobb terjedési időkhöz tartozó jeleket jobban felerősíti, mint a korábban visszaérkező jeleket. Így az eljárás láthatóvá teszi a kis jeleket is. A Standard AGC elvégzéséhez meg kell adnunk az időablak hosszát [ns]-ban. A programban ez az érték maximum a teljes időablak fele lehet. Az általam bemutatásra kerülő szelvény esetében ez a hosszúság 92,564 ns. Kis ablak választása esetén az eljárás jobban felerősíti a jeleket, viszont egyúttal a zajokat is. Ennek következtében a számunkra fontos információk nehezebben kivehetővé válnak a szelvényünkön. Érdemes tehát olyan hosszúságú időablakot választani, amelynél a jel-zaj arány nem rontja a felvétel értelmezhetőségét. A megfelelő ablak kiválasztásának szemléltetésére egy túl hosszú és egy túl rövid, 45 ns és 5 ns, időablakot alkalmaztam, ami a 20-21. ábrán látható radarszelvényeket eredményezte. A két ábrát összehasonlítva jól látható, hogy a hosszú időablaknál nem minden réteg azonosítható, míg a túl rövid ablaknál, különösen a nagyobb időknél, a zaj jelentősen felerősödött, viszont minden egyes réteg jól látható.
20. ábra: Standard AGC 45 ns-os időablaknál (szerző saját szerkesztése) 28
21. ábra: Standard AGC 5 ns-os időablaknál, szerző saját szerkesztése
Látható
a
kisebb
hosszúságú
időablak
esetében
a
jel-zaj
arány romlása
értelmezhetetlenné teszi a radarszelvényt, míg a teljes időablak feléhez közeli 45 ns-os szelvényen még mindig jól kivehetőek a reflexiók.” (Szilvási 2013)
5.2.3.4. Inverz amplitúdó csillapodás (Inverse Amplitude Decay)
„A felvételek javítása érdekében alkalmazhatjuk az inverz amplitúdó csillapodás eljárást is. Ez a korrekciós művelet szintén a közegben haladó elektromágneses hullám folyamatos csillapodását kompenzálja a szelvény könnyebb értelmezhetősége érdekében. A módszer veszi a csillapodások számtani átlagát vagy mediánját. Az így előálló adatokra egy görbét illeszt, amely az adatokra legjobban illeszkedő modell adatokat adja meg (22. ábra). Az így kapott csillapodási adatok inverzével erősíti fel a jelek amplitúdóit a program. Az eljárás eredményesebbnek bizonyult a szelvényeimen alkalmazva, mint a Standard AGC (23. ábra).” (Szilvási 2013)
29
22. ábra: A csillapodási adatokra legjobban illeszkedő modell (szerző saját szerkesztése)
23. ábra: Inverz Amplitúdó Csillapodás korrekcióval kapott szelvény (szerző saját szerkesztése)
5.2.4. Szűrések (Filtering) 5.2.4.1. Globális háttér eltávolítás (Remove Global Background)
„Ez egy jel-zaj arány javítására szolgáló művelet. A program eltávolítja azokat a zajokat, amelyek minden csatornán megtalálhatóak. Az eljárás eredményeként a számunkra fontos jelek észrevehetőbbé válnak (24. ábra).” (Szilvási 2013)
30
24. ábra: Globális háttér leválasztása (szerző saját szerkesztése)
5.2.5. Képfeldolgozás (Imaging) 5.2.5.1. Statikus korrekció (Static Correction)
A statikus korrekció a rendelkezésünkre álló helyszíni adatok alapján végezhető el a felvételeken. A művelet a földfelszín domborzati hatásából eredő változásokat veszi figyelembe. Vertikális levetítés segítségével egy referenciafelületre vonatkoztatja az összes mérési pontot. A referenciafelület és a mérési pontok között lévő távolság megtételéhez szükséges időket kiszámítva a program időtolást alkalmaz a megfelelő csatornákon. Kiküszöbölve ezzel az georadar által mért szelvényeken a topográfia hatását. Az általam mért szelvények hossza és topográfiája nem indokolta a korrekciós eljárás elvégzését.
5.2.5.2. Sebesség modell létrehozása (Get 1-D velocity modell)
A 2. táblázatban lévő hullám terjedési sebesség [ns] és rétegvastagság [m] adatok alapján létrehoztam egy adatfájlt. Ezt az adatfájlt beimportálva a MatGPR-be elérhetővé válnak a további képalkotási funkciók. Az időszelvény mélységszelvénnyé történő átalakítása, illetve a migráció is csak ezután végezhető el.
31
5.2.5.3. Migráció (1-D Migration)
„A radarszelvényeken megjelenő időszelvény a valódi földtani szelvény torzított képe. A geofizikai kutatások során a valóság és annak képe közötti különbséget ki kell küszöbölnünk, hogy még megbízhatóbb információkhoz jussunk.” (Meskó 1994) „A geofizikában migrációnak nevezzük azt az eljárást, amikor az észlelt visszaverődéseket a keletkezési helyükre vetítjük vissza. A radarszelvényeken a visszaverődések nem a valódi dőlésükkel jelennek meg. A migráció segítségével a reflexiók visszaállíthatóak. Továbbá a migráció pontszerűvé fókuszálja a diffraktáló pontokból érkezett diffrakciós hiperbolákat (25. ábra).” (http://www.geophysics.elte.hu) A migrációs eljárást a 6.3. fejezetben a vasbeton szerkezet vizsgálata során is bemutatom.
25. ábra: Radarszelvény migráció után (szerző saját szerkesztése)
5.2.5.4. Időszelvény mélységszelvénnyé történő átalakítása (1D Time-toDepth Conversion)
A közutak földradarral végzett mérésének célja legtöbbször az útszerkezet rétegek pontos helyének és állapotának felmérése. A feldolgozás során tehát a terjedési időket célszerű mélységekké konvertálnunk. A MatGPR feldolgozó program az (1D Time-toDepth Conversion) menüpontra kattintva elvégzi a műveletet (26. ábra). A terjedési
32
sebességek és rétegvastagságok pontosságának, valamint a frekvencia függvényében általában
1 dm pontossággal meghatározhatjuk a különböző szerkezetek helyét.
26. ábra: Időszelvény mélységszelvénnyé alakítása (szerző saját szerkesztése)
6. A feldolgozott mérési szelvényeken azonosított úthibák Ebben a fejezetben konkrét példák segítségével bemutatom az útszerkezet meghibásodásának egyes típusait és okait. Sorrendben az útszerkezet felső részétől egészen a legaljáig. A 6.3. fejezetben feltüntetett adatok mérésében, feldolgozásában és értelmezésében alkalmam nyílt részt venni. A további példákhoz a mérési adatokat készen kaptam, így ezeknél az előző fejezetben részletezett feldolgozási eljárásokat alkalmaztam és a szelvények értelmezését végeztem el saját munka gyanánt. Az általam javasolt feldolgozási eljárások lépéseinek sorrendjét és azok elvégzését az adott szelvénytől függően olykor változtattam. Ennek oka minden esetben az volt, hogy a legjobb minőségű és legkönnyebben értelmezhető feldolgozott szelvényhez jussak. A 16-os számú folyamatábrán azokat az általánosságban használt eljárásokat tüntetem fel, amit a legtöbb szelvény esetén alkalmaztam.
6.1. Légrés az aszfaltban A régi aszfalt réteg felmarása és egy új aszfalt réteg lefektetése után, 1,5 GHz-es antennával készült a mérés. A feldolgozás előtti radarszelvény látható a 27. ábrán. 15 ns terjedési időnél levágtam a felvételt, mert ennél nagyobb terjedési időnél nem látható 33
visszaverődés. Továbbá, fókuszálva az útburkolat rétegben található hibára, a 0 m és 110 m közötti szelvénydarabot szintén lemetszem a szelvényről (28. ábra). Harmadik lépésként a kezdési időt igazítom a már korábban említett módon (29. ábra), majd a minden csatornán egyformán megjelenő zajt szűrtem ki a háttér leválasztással (30. ábra). Következő lépésként „Inverz amplitúdó csillapodás” módszerrel erősítettem a jelerősséget, ennek eredménye a 31. ábrán látható. Utolsó lépésben az időszelvényt mélységszelvénnyé alakítottam át. Kétféle módszerrel végeztem el a mélység transzformációt. Először egy korábbi fúrásból ismert rétegadatokból és a mért terjedési időkből számoltam ki az egyes rétegekhez tartozó terjedési sebességeket (32. ábra). A művelet során a rétegek jellemzően nagyobb mélységbe kerültek, a 3. és 4. kb. 10 cm-rel. Ennek az oka, a pontosabb sebességfüggvény. A rétegekre vonatkozó adatokat két tizedesre kerekítve a 2. táblázat tartalmazza. Ezután az általános gyakorlat szerint 0,1 m/ns állandó sebesség mellett transzformáltam a terjedési idő értékeket mélységekké (33. ábra).
27. ábra: Nyers radarszelvény (szerző saját szerkesztése)
34
28. ábra: A radarszelvény számunkra érdekes része (szerző saját szerkesztése)
29. ábra: Idő igazított radarszelvény (szerző saját szerkesztése)
35
30. ábra: Háttér leválasztás utáni radarszelvény (szerző saját szerkesztése)
31. ábra: Inverz amplitúdó erősítés utáni radarszelvény (szerző saját szerkesztése)
36
32. ábra: Mélységszelvény változó sebességfüggvénnyel (szerző saját szerkesztése)
Réteg 1. 2. 3. 4.
Beérkezési idők [ns] 0,80 1,88 5,17 8,30
Az adott rétegben a terjedési idő [ns] 0,80 1,08 3,29 3,13
Rétegek mélysége [cm] 4,00 11,00 35,00 45,00
Rétegek vastagság [cm] 4,00 7,00 24,00 10,00
Sebesség [m/ns] 0,10 0,13 0,15 0,06
2. táblázat: Terjedési sebesség értékek a rétegvastagság és terjedési idők ismeretében (szerző saját szerkesztése)
Az útszerkezet elvi rétegsora fentről lefelé az alábbiak szerint épül fel: finom aszfalt, durva aszfalt, régi aszfalt, beton és zúzott kő. A rétegek határát a 33. ábra jobb oldali szelvényén vízszintes színezett vonalakkal jelöltem. A finom- és durva aszfalt réteg határa 0,1 méter mélységnél, a durva aszfalt réteg és a régi aszfalt réteg határa 0,26 méternél, a régi aszfalt réteg és a beton réteg határa pedig 0,4 méternél azonosítható. Barna nyíl jelöli a legfelső
rétegben,
szabályosan
egyforma
távolságban
megjelenő
függőleges
inhomogenitásokat. Ezeket véleményem szerint az okozza, hogy az újraaszfaltozás után bevágásokat hoztak létre az úrszerkezetben az időjárás miatt fellépő hőtágulásból származó feszültségek kiküszöbölése miatt. A 33. ábrán a felszíntől 10 cm-re a finom- és durva aszfalt réteg határán inhomogenitás mutatkozik, amelyet halványkék karikával határoltam 37
körül. A reflexió látható erőssége miatt valószínűsíthető, hogy egy levegővel kitöltött rés található ezen a helyen. A rés az aszfalt réteg kialakítása során keletkezhetett, feltehetőleg a jelen lévő nedvesség miatt a két réteg nem tapadt egymáshoz. Ebben az esetben az úthibát javíthatjuk valamilyen töltő anyag injektálásával. Erre a célra leggyakrabban cementet alkalmaznak. Amennyiben további légrések vannak ugyanazon rétegben az újraaszfaltozás is indokolt lehet.
33. ábra: Mélységszelvény (állandó 0,1 m/ns-os terjedési sebesség mellett) (szerző saját szerkesztése)
6.2.
Repedés az aszfaltban
Az alábbi mérés az autópálya leálló sávjában készült 2,6 GHz-es antennával. A következő ábrákon a lemért hosszú szelvény két jellemző szakaszát mutatom be. A 34. ábrán jól látszik a leálló sávban elhelyezkedő repedés. Továbbá a kép alapján egyértelműen megállapítható, hogy a repedés környezetében magmintát vettek és hézagkitöltő anyaggal tömítették az úthibát. A repedés a pálya egész szélességében jelentkezik, de a leálló sávban a legmarkánsabb. A mérés célja annak meghatározása volt, hogy a repedés kiterjedt-e a burkolat teljes vastagságára. A nyers szelvényen a repedés nem azonosítható (35. ábra), ezért elvégeztem a feldolgozási eljárásokat a felvételen. A 36. ábrán erős reflexióval jelenik meg az aszfalt- és beton réteg határa, valamint a beton és a földmű határa. Előbbi 0,2 méter mélységben, utóbbi pedig 0,35 méter mélységben van. A radarszelvényeken további jelenségek is látszanak, de a vizsgálat tárgyát csak a repedés képezte, a szelvényen látható légréseket és 38
egyéb eltéréseket nem értelmeztem. A 36. ábrán diffrakciók, réteg szakadások azonosíthatóak a felszíntől kb. 0,4 méteres mélységig. Ez alapján elmondható, hogy az útburkolat teljes vastagságában el van repedve.
34. ábra: Repedés képe a felszínen (szerző saját szerkesztése)
35. ábra: Felszíni repedés nyers szelvény (szerző saját szerkesztése)
39
36. ábra: Felszíni repedés feldolgozás után (szerző saját szerkesztése)
A 37. és 38. ábrákon egy felszín alatti repedés radarszelvényi látható, amely szintén diffrakciók és rétegtörések formájában jelenik meg 0,1-0,4 méteres mélységben. A szelvények értelmezéséhez, ennél a példánál is szükséges volt a radargrammok feldolgozására. A felszín alatt lévő repedések azonosítása nehéz feladat, ugyanis nagyon változó képe lehet a felvételeken. Megjelenését a réteg anyaga, a repedést kitöltő anyag fajtája és a repedés elhelyezkedésének mélysége egyaránt befolyásolhatja. Az 38. ábrán látható repedés az előző példához hasonlóan az aszfalt és a beton rétegeket is érinti, viszont a felszínen ez még nem észlelhető. Az útszerkezetben lévő repedéseket diffrakciók és szakadások alapján értelmeztem. Az útburkolat rétegek javítására a következő eljárásokat javasolnám:
újraaszfaltozás
dilatáció beépítése (időjárás miatt fellépő hőtágulásból származó feszültségek kiküszöbölése)
műanyag rács beépítése a rétegek közé, hogy külön tudjanak mozogni
repedések kitöltése.
40
37. ábra: Felszín alatti repedés nyers szelvénye (szerző saját szerkesztése)
38. ábra: Felszín alatti repedés feldolgozás után (szerző saját szerkesztése)
6.3.
Vasbeton szerkezetek vizsgálata
Vasbeton szerkezetek az utakon elsősorban hidaknál és egyéb műtárgyaknál fordulhatnak elő. Ezen szerkezetek vizsgálatakor általában a következő kérdések merülhetnek fel: mekkora az acél szálak közötti távolság, milyen vastag a szálak fölött lévő betonfedés és a vasszerkezet mennyire korrodálódott az évek során. A betonfedés 41
vastagsága miatt fontos a terjedési sebesség pontos meghatározása. A georadar szelvények feldolgozásának
gyakorlatában
három
sebesség-meghatározási
módszert
is
alkalmazhatunk: 1. Az elvi rétegsor ismeretében egyszerűen táblázat segítségével is becsülhetem a sebességet. Lásd az 1. táblázatban szereplő terjedési sebesség adatokat. 2. Fúrásból ismerem a rétegsort és ahhoz illesztem a szelvényem (kalibrálás). Lásd a 2. táblázatban szereplő példát. 3. A diffrakciókra hiperbolákat illeszthetünk, amelyek paraméterei megadják a sebességet, vagy különböző sebességgel végrehajtott migrációkkal becsülhetjük meg a beton rétegben a hullám terjedési sebességét. Az utóbbi módszerre mutatok be különböző sebességekkel migrált szelvényeket a 4142. és 43. ábrán. Azt a sebességet fogadtam el jónak, amelynél a diffrakció a legkisebbre húzódott össze. A 39. és 40. ábra alapján elmondható továbbá, hogy a betonvasak távolsága kb. 25 cm, valamint minden vas erős, markáns reflexióval jelenik meg, ezért a korróziós hatás nem jelentős.
39. ábra: Vasbeton szerkezet nyers mérési szelvénye (szerző saját szerkesztése)
42
40. ábra: Vasbeton szerkezet feldolgozott szelvénye (szerző saját szerkesztése)
41. ábra: Vasbeton szerkezet szelvényén végzett migráció eredménye túl nagy terjedési sebesség (v=0,2 ns) használata esetén (szerző saját szerkesztése)
43
42. ábra: Vasbeton szerkezet szelvényén végzett migráció eredménye túl kicsi terjedési sebesség (v=0,008 ns) használata esetén (szerző saját szerkesztése)
43. ábra: Vasbeton szerkezet szelvényén végzett migráció eredménye (v=0,11 ns) használata esetén (szerző saját szerkesztése)
44
6.4.
Autópálya híd környezetének vizsgálata
6.4.1. Terület bemutatása A kiegyenlítő lemezt 200 Mhz-es antennával, az út hossztengelyével párhuzamosan mért szelvényekkel vizsgáltuk 20 m-es szelvényhosszal és 30 cm-es szelvényközzel. Az én feladatom a 3. pályán mért szelvények mérése, feldolgozása és kiértékelése volt. A mérés közelítő helyszínrajza a 44. ábrán látható.
44. ábra: A híd úszólemezének geofizikai vizsgálata helyszínrajz (szerző saját szerkesztése)
6.4.2. A háttöltés radarvizsgálatának eredménye
A háttöltés radarvizsgálata során a 200 MHz-es szelvényekből mélységmetszeteket készítettem, ezek közül mutatok be egyet a 45. ábrán. A metszeten a radarhullámok amplitúdóit ábrázolom, úgy, hogy adott időknél elmetszettem az egymás mellett sűrűn felvett radarszelvényeket. A radarhullám sebessége az egyes rétegekben nem azonos, ezért az időtartományból mélységtartományba történő átalakítás során eltérés mutatkozhat. A differencia kb. +/- 10 cm. A bemutatott mélységmetszet alapján elmondható, hogy az összeálló színes foltok egymáshoz hasonló fizikai tulajdonságú anyagokat mutatnak. A radarszelvények vizsgálataiból kiderült, hogy a sötét foltok a nedvesebb, kisebb szemcseméretű anyagokhoz köthetők, a világos foltok pedig nagyobb szemcseméretű, szárazabb anyagokhoz. A mélységmetszeten jól látható, hogy a háttöltés az úszólemez 45
végénél kimosódott (45. ábra). A pontosabb eredmény érdekében célszerű lenne fúrásos mintavétellel alátámasztani ezeket az észrevételeket.
45. ábra: Úszólemez környezetében lévő üreg és kimosódás mélységmetszeten (szerző saját szerkesztése)
A 46. ábrán több egymás alatti mélységmetszet látható, amelyeken jól követhető egy süppedés képének és méretének változása a mélységgel. A sárga körülhatárolás jelzi a süppedés körvonalát. Az ábrán szereplő szelvények fentről lefelé és balról jobbra értelmezhetőek. 1. a
1. b
46. ábra: Süppedés a háttöltésben mélységmetszeten (szerző saját szerkesztése) 46
A háttöltésnél észlelt hibák javítási lehetőségei:
a régi töltés eldózerolása és újraépítése, megfelelő minőségű anyagból, jól tömörítve
habbeton injektálás, ami könnyű szerkezetű és nem terheli túl az alapot, mint a nehéz beton
víz elvezetés, megfelelően dőlő drénezés kialakítása.
6.4.3. Az úszólemez vizsgálata A 47. ábrán azok a szelvények és értelmezésük látható, amelyeken a területre jellemző egyes jelenségek a legjobban bemutathatóak. Az ábra bal felső szelvényén látható a feldolgozott radarszelvény a rajta lévő erősen reflektáló felületekkel. A legnagyobb amplitúdójú reflexiók az úszólemezről és hozzá kapcsolódó jól tömörített háttöltés felszínéről származnak. A lemez ferdén helyezkedik el kb. 1-2 méteres mélységben, 8-12 méteres szelvénytávolságban. Jól látható a lemezhez tartozó vízelvezető cső általi visszaverődés (hiperbola) 1-1,5 méteres mélységben az úszólemez végénél. A jobb felső szelvényre berajzoltam a kiegyenlítő lemez vélhető elhelyezkedését. Az ábra alsó szelvényein ugyanazon mélységtartományban szintén észlelhető az előbb említett jól reflektáló felület. Az úszólemez alatti rétegben erős reflexiók mutatkoznak. A lemez két végénél megjelenő visszaverődés vélhetően egy üreg helyét jelöli. Az üreg, vagy kimosódás oka valószínűleg a kiegyenlítő lemeznél lévő rossz vízelevezetés. Az üregek és kimosódások elkerülése a megfelelő vízelvezetés- (drénezés) és tömörítés függvénye. A szemcsésebb összetételű anyagok miatt a kiegyenlítő lemez környezetében a radar behatoló képessége nagyobb volt, mint a pályatesten. A kiegyenlítő lemez alakjában felfedezhető némi deformáció, ami egyaránt adódhat a mélységszámítás során alkalmazott terjedési sebesség pontatlanságából, illetve a lemez tényleges deformációjából.
47
47. ábra: Az úszólemez és környezetének azonosítsa (szerző saját szerkesztése)
6.5.
Földmű hibája
Az útszerkezet legalsó szerkezeti egységének vizsgálata során egy folytonos 60 km hosszú szelvény egyes kiválasztott szakaszait értelmeztem. A 48. ábrán közel vízszintes helyzetű, viszonylag azonos vastagságú rétegek azonosíthatóak. A szelvényen 17-22 ns terjedési időnél 100 méteres távolságban valamilyen külső hatás észlelhető, amelyet valószínűleg egy fém tárgy okozott. Az első ábra hasonlítási alapul szolgál a következő szelvény darabok értelmezéséhez.
48
48. ábra: Földmű vizsgálat szelvénye (szerző saját szerkesztése)
A 49. ábrán jól látható, hogy a felső réteg vastagsága 250-500 m között megnő és ez követi az alatta lévő rétegek lefutását. A jelenség egy nagyméretű süppedésként azonosítható, amit az altalaj laza szerkezete eredményezhetett.
49. ábra: Földmű vizsgálat szelvénye (szerző saját szerkesztése)
Az 50. ábrán 780 méternél 0,2 méteres mélységben szintén szakadás mutatkozik, amely két eltérő jellegű részre osztja a szelvényt. Feltételezhetően megsüllyedt a földmű felső része, amelyet új teherbíró réteg kialakításával próbáltak kijavítani. Mivel a javított és az eredeti réteg vastagsága eltér, várhatóan repedés fog keletkezni az útszerkezetben. Ezek mellett látható még, hogy az új réteg közepe is elkezdett süllyedni, ezért hamarosan újabb beavatkozást igényelhet az útszakasz. Kék színnel jelöltem a javított réteget, pirossal a régi
49
réteget. A szelvény alján látható egyenlő távolságra lévő függőleges vonalak (zöld szín) valószínűleg valamilyen külső hatásnak köszönhetőek.
50. ábra: Földmű vizsgálat szelvénye (szerző saját szerkesztése)
7. Javaslatok
A szakirodalmi leírások alapján világossá vált számomra, hogy a meglévő közutakat megfelelő állapotának megőrzése érdekében folyamatos ellenőrző vizsgálatokra van szükség. A georadar a legmegfelelőbb műszer erre a célra, köszönhetően annak, hogy gyorsan nagy mennyiségű információt biztosít a közforgalmú utak szerkezetéről. Az utak minőségének felmérésével, és az időbeni beavatkozással megelőzhetőek a nagyobb meghibásodások, amivel pénzt spórolhatunk meg az útkezelő társaságoknak és egyben az adófizetőknek. Az utak kialakításánál törekedni kell a tökéletes kivitelezésre. Biztosítani kell a jó vízelvezetést, a talajrétegek megfelelő tömörítését és az útburkolat szerkezet i rétegeinek helyes kialakítását. Mindezek betartásával és a folyamatos ellenőrző vizsgálatokkal létrehozható egy hosszú élettartalmú közlekedési út. A meglévő károsodásokat érdemes további közvetlen feltáró vizsgálatokkal alátámasztani (fúrásos kutatás).
50
8. A GPR fejlődése a jövőben A földradar fejlődése a jövőben a műszaki és informatikai előrehaladásnak köszönhetően biztosítva van. Az újabbnál-újabb feldolgozó szoftverek lehetőséget nyújtanak arra, hogy még pontosabb információkat nyerjünk az adott közegről. Ezzel megkönnyítve a tudományos munkatársak számára az értelmezés feladatát. A fejlődés fő iránya a sokcsatornás eszközök elterjedése (3D) és a sávszélesség (felbontóképesség) növelése. A nagysebességű mérésekre alkalmas berendezések megjelenésével a GPR alkalmazása az útszerkezet vizsgálatban még inkább teret fog hódítani magának. Ezt támasztja alá, hogy a fejlettebb országokban (USA, Franciaország, Finnország, Svédország) már most is az egyik legnépszerűbb eszköz az úthálózatok felmérésében. Hazánkban a technológia viszonylag magas ára és a megfelelően képzett szakemberek hiánya, valamint a mérnökök újtól való idegenkedése miatt ez még várat magára.
9. Összefoglalás A georadar mára a közforgalmi utak felszíni vizsgálatának legfontosabb és leggyakrabban
használt
geofizikai
módszerévé
vált.
Az
eszköz
segítségével
roncsolásmentes vizsgálatokkal jó felbontású képet kapunk az útszerkezet különböző rétegeiről. A GPR által előálló radarszelvények feldolgozásával és kiértékelésével a közútkezelő mérnökök és geofizikai szakemberek képesek a közutak különböző meghibásodásainak azonosítására. Lehetséges a technikával az útburkolatban még be nem következett károsodásokat előre jelezni és ezzel komoly összegeket megtakarítani a közútkezelő társaságoknak. A földradar
folyamatos fejlesztésének köszönhetően
nagysebességű mérésekre is alkalmassá vált a műszer. Ehhez hozzájárul a javuló informatikai háttér, valamint az egyre kifinomultabb feldolgozási eljárások. Az általam feldolgozott szelvények alapján többféle úthibát bemutatok, az útszerkezet aljától a tetejéig. Az elvégzett munka során sikerült repedéseket, üregeket és süppedéseket azonosítanom, valamint kipróbáltam a különböző feldolgozási eljárások eredményességét, ami alapján kidolgoztam egy jól működő eljárást. Ezt alkalmazva a reflexiók jól kivehetőek a felvételen, az útszerkezet és az abban történt változások könnyen észlelhetőek. 51
10. Köszönetnyilvánítás Köszönetet szeretnék mondani Dr. Prónay Zsoltnak, külső konzulensemnek, a Magyar Földtani és Geofizikai Intézet (MFGI) tudományos főmunkatársának, akitől rengeteg segítséget kaptam és bátran fordulhattam hozzá kérdéseimmel. Szeretnék köszönetet mondani belső konzulensemnek, Dr. Ormos Tamás, egyetemi magántanárnak, aki nagyban hozzájárult szakdolgozatom elkészüléséhez. Szeretném megköszönni a Magyar Földtani és Geofizikai Intézet minden dolgozójának, hogy hozzájárult a dolgozatom elkészítéséhez, hiszen lehetővé tették számomra, hogy a geofizikai műszerek széles körét, ezek között a georadar műszert is terepi mérések során alkalmazhassam. Köszönöm továbbá a MinGeo Kft-nek, hogy az általuk végzett mérések adatait a rendelkezésemre bocsájtották.
Miskolc, 2014. május 08.
Kóti Ádám szigorló
52
földtudományi
mérnök
hallgató
11. Irodalomjegyzék
A. P. Annan (2001): Ground Penetrating Radar Workshop Notes. Sensor & Software Inc. pp. 1-192. B. O. Steenson (1951): Radar methods for the exploration of glaciers, Phd thesis, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA C. Hülsmeyer (1904): German patent, no.165546 D. J. Daniels (1996): Surface-penetrating radar. The Institute of Electrical Engineers, pp. 237-244. E. Kearney és C. Blades (2004): Asphalt Paving Principles. Cornell Local Roads Progra, pp. 33-42. G. Leimbach és H. Löwy (1910): German patent, no. 237949 Hülsenbeck (1926): German patent, no.489434 J. Cook (1975): Radar transparencies of mine and tunnel rocks. Geophys., 40, pp. 865-885 J.-L. Briaud, J. Seo, H. Ha, és T. Scullion (2003): Investigation of Settlement at Bridge Approach Slab Expansion Joint: Bump at the End of Bridge. Texas Transportation Institute, pp. 1-4. J. Reynolds (2002): An Introduction to Applied and Environmental Geophysics. Simon Fraser University, EASC 307 Meskó A. (1994): Rugalmas Hullámok a Földben. Akadémia Kiadó, Budapest, pp. 93102. M. R. Morey (1974): Continous sub-surface profiling by impulse radar. Proceedings of conference on Subsurface Exploration for Underground Excavation and Heavy Construction, American Society of Civil Engineers, pp. 213-232. Nagy P. (2011): Jelentés a Mázsa és a Monori útcákban végzett radarmérésekről. pp. 1-13. Pethő G. és Vass P. (2011): Geofizika alapjai. http://www.tankonyvtar.hu S. Evans (1963): Radio techniques for the measurement of ice thickness. Polar Rec. 11, pp. 406-410. Szilvási M. (2013): Georadar mérések közutak szerkezetének vizsgálatára
53
Internetes forrás: http://sensoft.on.ca Letöltés dátuma: 2013. 11. 25. http://mfgi.hu/hu/node/194 2013 Letöltés dátuma:2013.11.20. http://geophysics.elte.hu/3_4_Migracio.pdf Letöltés dátuma 2014.02.10. http://radio.rphf.spbstu.ru/a263/pulsepic.htm Letöltés dátuma: 2014.01.20. http://mon.univmontp2.fr/claroline/backends/download.php?url=L1BSRVNFTlRBVElPTlMvUkFEQVIz LnBkZg%3D%3D&cidReset=true&cidReq=UMBGH318 Letöltés dátuma: 2014.04.20.
54
