Hulromsundersøkelser med georadar

Transkript

1 RAPPORT 4B Hulromsundersøkelser med georadar Georadarsundersøkelser på rullebane Del av FoU prosjekt Infrastructure i 3D i samarbeid mellom Innovasjon Norge, Trafikverket og TerraTec

2 Trafikverket Postadress: Postadress: Röda vägen 1, Borlänge E-post: Telefon: Dokumenttitel: RAPPORT 4B, Hulromsundersøkelser med georadar, Georadarsundersøkelser på rullebane. Del av FoU prosjekt Infrastructure i 3D i samarbeid mellom Innovasjon Norge, Trafikverket og TerraTec Författare: TerraTec Dokumentdatum: Version: 1.0 Kontaktperson: Joakim Fransson, IVtdpm, Publikationsnummer2018:078 2

3 Innhold INTRODUKSJON... 4 Innmåling og posisjonering... 4 TEORI... 5 Om identifisering av hulrom under banedekket... 5 RESULTAT... 7 DISKUSJON OG KONKLUSJON... 9 Om datafangst og utstyr... 9 Påvisning av hulrom

4 Introduksjon TerraTec har i 2017 benyttet georadar til å kartlegge hulrom under betongelementene på en rullebane i Nord-Norge. TerraTec utførte oppdraget ved å bruke 3D-Georadar for å oppnå heldekning av rullebanen. Metoden vil kunne overføres til deteksjon av hulrom på og langs vegsystemer, og resultatene er tenkt å kunne bidra til behovsprøving for vedlikehold. Denne rapporten viser dataeksempler og diskuterer georadar som metode for å finne hulrom under betongdekket på rullebane. Bilde: Tor Melø Figur 1: Bakkeradar som slepes av en bil. Innmåling og posisjonering Datasettet blir posisjonert med etterprosesserte posisjoner, se rapport 4A, «Ground Penetrating Radar» om forskjellige metoder for posisjonering av GPR-data. I dette tilfellet ble metoden beskrevet som «GNSS-only positioning» benyttet For å kontrollere kontrollere/verifisere georefereringen, ble objekter som er synlige i GPRdata, som f.eks. kumlokk, målt inn, og benyttet som kontrollpunkt. Dette er visualisert i figur 2. 4

5 2 2 Område med sju kumlokk Kontrollpunkt over kumlokk Figur 2: Kontrollpunktene over kumlokkene viser god posisjonering. Teori Om identifisering av hulrom under banedekket Grunnleggende GPR-teori er presentert i TerraTecs rapport 4A - Ground Penetrating Radar. For å påvise hulrom under asfaltlag må teorien utvides noe. Forskjellige materialer har forskjellige elektriske og magnetiske egenskaper, som kontrollerer hvordan elektromagnetiske bølger oppfører seg i materialet. En viktig egenskap for elektromagnetiske bølgers forplantning er ɛ r, et materiales relativ permittivitet. Et materialets permittivitet beskriver hvor godt det kan motstå et elektrisk felt. Refleksjoner skapes av grenseflater som har relative forskjell i ɛ r eller permittivitet. Hvor mye energi som blir reflektert (R) er kontrollert av følgende relasjon: R = ( ɛ 1- ɛ 2) / ( ɛ 1+ ɛ 2), hvor ɛ 1 er det første materialets permittivitet og ɛ 2 er det annet materialets permittivitet (Figur ). Hulrom er karakterisert basert på frekvens, styrke av energiretur, og polaritet (om returbølgen er positiv eller negativ). Et luftfylt hulrom vil vise lav frekvens, høy energiretur/amplitude (sterk) og motsatt polariteten av returbølgen fra overflaten. I bakkeradar er overflaten negativ, derfor vil luftfylte hulrom vise positiv energiretur. Et vannfylt hulrom vil også vise lav frekvens og høy energiretur/amplitude, men vil ha samme polariteten som overflaten, det vil si negativ, altså motsatt polariteten fra luftfylte hulrom (Figur ). Det vises noen eksempler av dette i Figur og Figur. Det er vanskelig å spesifisere volumet av hulrommene på grunn av at frekvensen i hulrommene er så lav at oppløseligheten der er redusert og vi ser ikke bunnen av hulrommet i dataene. 5

6 Luft ɛ 1 = Betong ɛ 2 = 4- ɛ 4 = 8 ɛ 1 = 1 ɛ 3 = 81 Hulrom med vann Kumlokk/ armering Hulrom med luft Kampestein skaper diffraksjoner ɛ 1 < ɛ 2 << ɛ 3 << ɛ 4 R = ( ɛ 1 - ɛ 2 )/( ɛ 1 + ɛ 2 ) Figur 3: Tegning for å vise forskjellige type hulrom og andre gjenstander under bakken og hvilke typer refleksjoner de gir. 6

7 Resultat Følgende eksempler viser oversiktsbilder der hulrom under rullebanedekket er identifisert basert på georadarundersøkelser. Mulig hulrom, vektorisert Mulig hulrom: lav frekvens (bred i dybde) signatur Mulig hulrom: Høy energi (sterk) og positiv signatur (motsatt av overflaten) E W + Figur 4: Eksempel av mulig luftfylt hulrom. Hulrom er tolket basert på lav frekvens, høy energi (sterke) og positiv returbølge-signatur. Et polygon er vektorisert rundt det mulige hulrommet. 7

8 Mulig vannfylt hulrom, vektorisert Mulig hulrom: lav frekvens (bred i dybde) signatur Mulig hulrom: Høy energi (sterk) og negativ signatur (samme som overflaten) + Figur 5: Eksempel på mulig vannfylt hulrom. Hulrom er tolket basert på lav frekvens, høy energi (sterke) og negativ returbølge-signatur. 8

9 Diskusjon og konklusjon Om datafangst og utstyr Våre erfaringer viser at bakkeradar generelt sett er egnet til å påvise hulrom. Det må presiseres at datakvaliteten er sterkt avhengig av grunnforholdene. Påvisning av hulrom Hulrom under toppdekket på både rullebane og veg representerer en svakhet i konstruksjonen som er svært viktig å avdekke da det kan lede til farlige situasjoner. Identifisering av hulrom er basert på retursignalet fra georadaren. Hulrom, enten de er fylt med vann eller luft, kan identifiseres greit ut i fra frekvensresponsen og hvilken polaritet signalet har (positiv eller negativ). Georadar er mottakelig for støy fra eksterne kilder utenfor vår kontroll. Dette må tas med i betraktning når resultatene skal anvendes i praksis. Resultater bør verifiseres ved boring. 9

10 Trafikverket, Borlänge. Besöksadress: Röda vägen 1. Telefon: , Texttelefon: