Εκτίµηση παχών ασφαλτικών στρώσεων οδοστρώµατος µε χρήση γεωφυσικής µεθόδου

Transcript

1 Εκτίµηση παχών ασφαλτικών στρώσεων οδοστρώµατος µε χρήση γεωφυσικής µεθόδου Ανδρέας Λοΐζος Αν. Καθηγητής ΕΜΠ Χριστίνα Πλατή Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ Γεώργιος Ζάχος Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει διεθνώς συστηµατικές έρευνες για την εφαρµογή βασικών αρχών της γεωφυσικής επιστήµης στα οδικά έργα. Στις έρευνες αυτές οδήγησε κυρίως η ανάγκη αναγνώρισης της στρωµατογραφίας των οδοστρωµάτων, αφενός για τον έλεγχο επάρκειας του σχεδιασµού τους και αφετέρου για τη συλλογή στοιχείων όσον αφορά στη διαχείριση της συντήρησή τους. Η γεωφυσική µέθοδος του γεωραντάρ (Ground Penetrating Radar-GPR) είναι µία µη καταστρεπτική µέθοδος ή οποία χρησιµοποιείται εκτός άλλων για την εκτίµηση των παχών των ασφαλτικών στρώσεων. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, τα πάχη των ασφαλτικών στρώσεων που προσδιορίζονται µέσω της εφαρµογής της υπόψη µεθόδου σε τµήµατα αυτοκινητοδρόµου συγκρίνονται µε αντίστοιχα µετρηµένα πάχη από πυρήνες. Τα αποτελέσµατα της σύγκρισης είναι ενθαρρυντικά για την ευρύτερη εφαρµογή της µεθόδου. Λέξεις κλειδιά: στρωµατογραφία, γεωραντάρ, ασφαλτικές στρώσεις, πάχη 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Απαραίτητο στοιχείο για την επαρκή αξιολόγηση και διαχείριση ενός οδικού άξονα ή και ενός οδικού δικτύου είναι, εκτός άλλων, η πληροφορία σχετικά τα χαρακτηριστικά των οδοστρωµάτων. Επιµέρους χαρακτηριστικό των οδοστρωµάτων είναι τα πάχη των στρώσεων του. Μέχρι πρόσφατα, η εξασφάλιση πληροφορίας όσον αφορά στα πάχη των επιµέρους στρώσεων των οδοστρωµάτων ήταν δύσκολη εξαιτίας του κόστους, του χρόνου, της όχλησης και της φθοράς που προκαλούν οι συνήθεις καταστρεπτικές συµβατικές µέθοδοι (δηλαδή η λήψη πυρήνων). Για το λόγο αυτό, τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί νέες, µη καταστρεπτικές τεχνικές καταγραφής των παχών των στρώσεων οδοστρώµατος που βασίζονται σε γεωφυσικές µεθόδους. Για την εφαρµογή τέτοιου είδους µεθόδων, η συλλογή των σχετικών στοιχείων γίνεται µε υψηλής τεχνολογίας συστήµατα γεωραντάρ (Ground Penetrating Radar GPR). Η θεµελιώδης αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην ηλεκτροµαγνητική θεωρία, καθώς χρησιµοποιούνται ηλεκτροµαγνητικά κύµατα για τη διερεύνηση των υλικών του οδοστρώµατος. Βασικό πλεονέκτηµα της τεχνικής γεωραντάρ, εκτός του ότι είναι µία µη καταστρεπτική µέθοδος διερεύνησης των οδοστρωµάτων, είναι η δυνατότητα απρόσκοπτης, συνεχούς και ταχείας καταγραφής της στρωµατογραφίας, καθώς και η αποφυγή παρεµβάσεων που επιβάλλονται από τις ως τώρα απαιτούµενες λήψεις πυρήνων, οι οποίες από µόνες τους µπορούν να συντελέσουν στη µείωση της ποιότητας της οδού όταν γίνονται σε µεγάλη έκταση. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον όσον αφορά στη διερεύνηση της στρωµατογραφίας ενός οδοστρώµατος είναι ο προσδιορισµός του συνολικού πάχους των ασφαλτικών στρώσεων. Το στοιχείο αυτό είναι απαραίτητο για την αξιολόγηση τόσο του σχεδιασµού όσο και της αναµενόµενης συνολικής

2 συµπεριφοράς του οδοστρώµατος σε βάθος χρόνου λειτουργίας του. Επίσης το υπόψη πάχος αποτελεί σηµαντικό στοιχείο για την ευρύτερη διερεύνηση όσον αφορά στη συµβολή των ασφαλτικών στρώσεων στη δοµική αντοχή του οδοστρώµατος, αλλά και την εκτίµηση της εναποµένουσας διάρκειας ζωής του. εδοµένης λοιπόν της σηµασίας συλλογής και εξασφάλισης στοιχείων πάχους, στόχος της παρούσας εργασίας, είναι η διερεύνηση της ακρίβειας του γεωραντάρ, όσον αφορά στη µέτρηση του πάχους των ασφαλτικών στρώσεων οδοστρώµατος. Η συλλογή των στοιχείων διερεύνησης έγινε µε το υψηλής τεχνολογίας Σύστηµα γεωραντάρ/gpr του Τοµέα Μεταφορών και Συγκοινωνιακής Υποδοµής (ΜΣΥ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείο (ΕΜΠ). Η επί τόπου έρευνα πραγµατοποιήθηκε δειγµατοληπτικά σε τµήµατα του αυτοκινητόδροµου ΠΑΘΕ. Τα δεδοµένα οδοστρώµατος που συλλέχθηκαν µε το Σύστηµα GPR αναλύθηκαν µε χρήση κατάλληλων λογισµικών, έτσι ώστε από την ανάκλαση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων να προσδιοριστούν τα πάχη των ασφαλτικών στρώσεων του οδοστρώµατος κατά µήκος της οδού. Για την επίτευξη του ερευνητικού στόχου πραγµατοποιήθηκε και δειγµατοληπτική λήψη πυρήνων. Τα δείγµατα, τα οποία συλλέχθηκαν, συγκρίθηκαν -όσον αφορά στα πάχη των ασφαλτικών στρώσεων- µε τα αντίστοιχα αποτελέσµατα που προέκυψαν από την ανάλυση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων στις ίδιες θέσεις. 2 ΑΡΧΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΕΩΡΑΝΤΑΡ Το γεωραντάρ (GPR) είναι ο γενικός όρος που αποδίδεται σε τεχνικές οι οποίες χρησιµοποιούν τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα (συχνοτήτων από 1 έως 2500 ΜHz), για την αναγνώριση του εσωτερικού των κατασκευών ή του εδάφους (Maser 1996). Ιστορικά, η χρήση του GPR αρχικά επικεντρώθηκε στην αναγνώριση της στρωµατογραφίας του εδάφους, αλλά πιο πρόσφατα, άρχισε να χρησιµοποιείται ως µη καταστρεπτικό σύστηµα ελέγχου (µη µεταλλικών) κατασκευών, όπως είναι για παράδειγµα το οδόστρωµα (βλ. εικόνα 1). Εικόνα 1. Σκαρίφηµα της διάταξης συστήµατος GPR σε οδούς

3 Οι εφαρµογές που µπορεί να αναφερθούν είναι πολλές. Χαρακτηριστικές είναι αυτές που αφορούν άµεσα στο αντικείµενο του πολιτικού µηχανικού όπως είναι ο εντοπισµός κενών µέσα στο έδαφος, η µέτρηση του πάχους των στρώσεων οδοστρώµατος, η χαρτογράφηση της στρωµατογραφίας του εδάφους, η ανίχνευση ελαττωµάτων στο εσωτερικό των κατασκευών, οι εφαρµογές σε έργα σιδηροδροµικής υποδοµής κ.ά. Ένα τυπικό σύστηµα γεωραντάρ αποτελείται από τη διάταξη ποµπού/δέκτη, την κεραία (ή τον συνδυασµό κεραιών), τη µονάδα ελέγχου και τη βάση δεδοµένων όπου εισάγονται τα στοιχεία συλλογής (βλ. εικόνα 2). Η θεµελιώδης αρχή λειτουργίας του γεωραντάρ, βασίζεται στην ηλεκτροµαγνητική θεωρία, αφού τα σήµατα που εκπέµπει είναι ηλεκτροµαγνητικά κύµατα, τα οποία περιγράφονται µαθηµατικά από τις εξισώσεις της ηλεκτροµαγνητικής θεωρίας (Maser 1996). Ένα σύστηµα GPR δηµιουργεί βραχείς παλµούς ηλεκτροµαγνητικής ενέργειας, οι οποίοι διεισδύουν στη δοµή του οδοστρώµατος και ανακλώνται κάθε φορά που συναντούν υλικά µε διαφορετικά ηλεκτροµαγνητικά χαρακτηριστικά (διηλεκτρική σταθερά) (Jaselskis και Συνεργάτες 2003). Το εύρος και ο χρόνος άφιξης των κυµάτων στο δέκτη χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό των παχών, καθώς και άλλων χαρακτηριστικών των στρώσεων του οδοστρώµατος (βλ. εικόνα 3). Μονάδα Ελέγχου Ποµπός // έκτης Συστατικά ενός συστήµατος GPR Βάση εδοµένων Κεραία Εικόνα 2. Μονάδες λειτουργίας ενός συστήµατος GPR Ποµπός Αέρας Ασφαλτική στρώση Βάση έκτης ΣήµαΡαντάρ Τάση Χρόνος Έδραση Εικόνα 3. Αρχή λειτουργίας ενός συστήµατος GPR

4 Εικόνα 4. ιάδοση ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων Για την πραγµατοποίηση µίας γεωέρευνας το Σύστηµα GPR τοποθετείται, αρχικά, κοντά στην υπό µελέτη επιφάνεια και µακριά από αντικείµενα που θα µπορούσαν να επηρεάσουν το ηλεκτροµαγνητικό σήµα (π.χ. µεταλλικές επιφάνειες). Τα ραδιοκύµατα κατευθύνονται στο έδαφος. Όταν συναντούν υλικό µε διαφορετικά ηλεκτροµαγνητικά χαρακτηριστικά, αφενός µέρος τους ανακλάται πίσω στο δέκτη και αφετέρου µεταβάλλεται η ταχύτητα (v) που το διαπερνούν. Ουσιαστικά, το Σύστηµα µετράει τα χρονικά διαστήµατα που χρειάζονται τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα να διαπεράσουν τα υλικά του οδοστρώµατος και να επιστρέψουν στο δέκτη (εικόνα 4). 3 ΣΥΛΛΟΓΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Για την εκπόνηση της παρούσας έρευνας και την συλλογή στοιχείων χρησιµοποιήθηκε το Σύστηµα GPR του Τοµέα ΜΣΥ του ΕΜΠ, το οποίο βασίζεται στην διάταξη ποµπού δέκτη (βλ. εικόνες 2-4). Το υπόψη Σύστηµα είναι κατασκευασµένο από την GSSI (Geophysical Survey Systems INC) - και προσαρµόζεται σε κατάλληλα διαµορφωµένο όχηµα (βλ. εικόνα 5). Βασικό σκέλος του Συστήµατος είναι οι κεραίες ραντάρ µε συχνότητες από ΜHz, οι οποίες χρησιµοποιούνται µεµονωµένα ή συνδυαστικά ανάλογα µε το είδος και το βάθος της γεωέρευνας. Επίσης, περιλαµβάνει εκτός των κεραιών και του σχετικού εξοπλισµού υποστήριξης τους, εξειδικευµένα λογισµικά για την συλλογή και ανάλυση των στοιχείων συλλογής. Συγκεκριµένα περιλαµβάνει ειδικό λογισµικό καταγραφής (GSSI 2002), το οποίο είναι απαραίτητο για την καταγραφή και αποθήκευση των δεδοµένων που συλλέγονται µε την τεχνική του γεωραντάρ, καθώς και ειδικό λογισµικό επεξεργασίας και ανάλυσης (Roadscanners 2001), µέσω του οποίου τα ακατέργαστα δεδοµένα συλλογής µετατρέπονται σε χρήσιµες πληροφορίες. Ιδιαίτερα για τη διερεύνηση της στρωµατογραφίας του οδοστρώµατος ενδείκνυται η χρησιµοποίηση της κεραίας των 1000MHz (Τύπος 4108 Ηorn) (εικόνα 6), µε την οποία συλλέγονται επαρκή στοιχεία για την εκτίµηση των παχών των στρώσεων του οδοστρώµατος. Χρησιµοποιείται σε συνήθεις ταχύτητες κυκλοφορίας (>70km/h), µε αποτέλεσµα να µην χρειάζεται κάποιο ιδιαίτερο µέτρο οδικής ασφάλειας κατά τη διάρκεια των µετρήσεων. Η κεραία των 1000 ΜHz τοποθετείται στο µπροστινό µέρος του οχήµατος σε απόσταση περίπου 50 εκ. από την επιφάνεια του οδοστρώµατος και η διαδικασία µέτρησης είναι απρόσκοπτη. Για την βαθµονόµηση του βάθους µέτρησης, δηλαδή τον ορισµό του σηµείου 0, αλλά και για την υποστήριξη περαιτέρω διαδικασιών ανάλυσης, τοποθετείται πάνω στην επιφάνεια του οδοστρώµατος και κάτω από την κεραία, ειδική µεταλλική πλάκα (βλ. εικόνα 6). Σηµειώνεται ότι,

5 το µέταλλο έχει θεωρητικά άπειρη διηλεκτρική σταθερά και ανακλά όλα τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα που εκπέµπει η κεραία, µε αποτέλεσµα να ορίζεται µε σαφήνεια η επιφάνεια του µετάλλου. Η επιφάνεια αυτή θεωρείται ως και το σηµείο εκκίνησης µέτρησης του βάθους (σηµείο 0). Εικόνα 5. Το Σύστηµα Γεωραντάρ του ΕΜΠ Εικόνα 6. Η κεραία των 1000 ΜHz

6 Οι µετρήσεις µε το Σύστηµα GPR του ΕΜΠ πραγµατοποιήθηκαν δειγµατοληπτικά σε αντιπροσωπευτικά τµήµατα του αυτοκινητόδροµου ΠΑΘΕ. Για τη διεξαγωγή των µετρήσεων, την επεξεργασία αλλά και την ανάλυση των δεδοµένων συλλογής, ελήφθησαν υπόψη οι προδιαγραφές της (ASTM 1998). Πέραν όµως των απρόσκοπτων, µη καταστρεπτικών καταγραφών µε το υπόψη Σύστηµα πραγµατοποιήθηκαν δειγµατοληπτικές λήψεις πυρήνων σε αντιστοιχία µε τα υπό διερεύνηση οδοστρώµατα. Από τους πυρήνες µετρήθηκαν και καταγράφτηκαν τα πάχη του συνόλου των ασφαλτικών στρώσεων σε 25 θέσεις.