Wykorzystanie metody georadarowej na drodze gminnej

Zasada działania georadaru

Georadar (ang. ground penetrating radar – GPR) wykorzystuje zasadę transmisji i odbicia fal elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości w zakresie od 10 MHz do 2,6 GHz, która umożliwia mapowanie (lokalizację) obiektów znajdujących się na pewnej głębokości w stosunku do powierzchni ziemi (rys. 1). Oprócz samego wykrycia obiektów znajdujących się pod ziemią georadar pozwala także na oszacowanie głębokości elementu lub pustki, co jest przydatne w trakcie robót budowlanych w gęstej zabudowie miejskiej lub na terenach, na których dokonano płytkiej eksploatacji złóż kopalnych. W drogownictwie georadar jest wykorzystywany do weryfikacji grubości wykonanych lub istniejących warstw konstrukcji nawierzchni, sprawdzenia układu i grubości materiałów budujących płytkie (przypowierzchniowe) warstwy litosfery czy też do sprawdzenia głębokości występowania zwierciadła wód gruntowych. Dokładność szacunków w zakresie głębokości znajdowania się oraz rozmiarów badanych elementów zależy od dokładnej znajomości prędkości fali elektromagnetycznej w danym ośrodku. Informacje o prędkości zwykle pochodzą z dostosowania równania hiperboli na radargramie, gdzie zidentyfikowane hiperbole dyfrakcyjne można powiązać z obiektami znajdującymi się pod powierzchnią ziemi [3]. Wraz z rozwojem nauki i inżynierii w zakresie sejsmologii, elektryki i geofizyki także budowa oraz technologia georadarowa ulegały ewolucji i zmianom, jednak działanie georadaru, co do zasady, wciąż jest takie samo.

Aktualnie najbardziej popularną techniką wykonywania pomiarów georadarowych jest profilowanie refleksyjne. Podczas takiego pomiaru anteny nadawcze i odbiorcze są jednocześnie przesuwane po linii pomiarowej wzdłuż wytyczonego profilu. Anteny oddalone są względem siebie o tę samą odległość przez cały czas trwania profilowania. Efektem końcowym takich działań jest informacja o rozkładzie struktur w przypowierzchniowej części ośrodka (od kilkudziesięciu centymetrów do nawet kilku metrów) i wyznaczenie głębokości oraz zakresu ich występowania wzdłuż badanego profilu podłużnego. Pomiar sposobem profilowania refleksyjnego polega na wysyłaniu przez anteny nadawcze w głąb ośrodka (np. asfaltowego, betonowego, gruntowego) pojedynczych impulsów fali elektromagnetycznej o określonej częstotliwości. Fala elektromagnetyczna, przechodząc przez ośrodki o różnych parametrach elektrycznych, ulega tłumieniu, załamaniu, rozproszeniu i odbiciu. Ta ostatnia (fala odbita) jest rejestrowana przez anteny odbiorcze. Proces rejestracji i zapisu pomierzonych danych jest wykonywany na miejscu pomiaru z wykorzystaniem laptopa i zapisywany w postaci echogramu. Ostateczny rezultat w postaci wykresu (echogramu wynikowego) jest otrzymywany po zrealizowaniu procedury przetwarzania danych. Zasięg głębokościowy metody georadarowej jest uzależniony od wielu czynników, m.in.: częstotliwości używanych anten, względnej stałej dielektrycznej ośrodka, wilgotności oraz składu mineralnego ośrodka.

Sprzęt do wykonywania pomiarów georadarowych najczęściej występuje w dwóch postaciach:

• w formie wózka, który jest poruszany z wykorzystaniem operatora (fot. 1),
• w formie sprzętu montowanego do pojazdu (fot. 2).

Sprzęt pomiarowy w formie wózka jest często wykorzystywany na krótkich odcinkach badawczych (długość do 1 km) oraz w miejscach, w których ruch pojazdów jest znikomy lub odbywa się z niewielkimi prędkościami. Georadar montowany jako dodatkowy osprzęt na pojeździe jest dedykowany do badań na dłuższych odcinkach dróg i z koniecznością poruszania się z większą prędkością.

Wybrane wyniki badań georadarowych na drodze gminnej

Technologia pomiarów georadarowych staje się coraz bardziej popularna, dostępniejsza oraz przystępniejsza cenowo, a w związku z tym jest też chętniej wykorzystywana w rożnych gałęziach przemysłu i budownictwa. W drogownictwie pomiary georadarowe służą głównie do rozpoznania podłoża gruntowego i jego budowy, sprawdzenia grubości warstw tworzących nawierzchnię drogową, identyfikacji elementów uzbrojenia podziemnego oraz ustalenia wysokości zwierciadła wód gruntowych. Przedstawione w dalszej części artykułu wybrane wyniki badań GPR skupiły się na odtworzeniu układu i grubości warstw konstrukcji nawierzchni oraz sprawdzeniu wysokości zwierciadła wód gruntowych.

Pomiary GPR zostały zrealizowane na jednej z dróg gminnych w województwie śląskim. Droga o długości ok. 800 m jest przeznaczona na ruch pojazdów kołowych do działek, na których jest planowana lokalizacja strefy ekonomicznej z siedzibami firm spedycyjnych, magazynowych i produkcyjnych. Przekrój drogowy składa się z jednej jezdni o dwóch pasach ruchu prowadzących ruch w przeciwnych kierunkach, pasów postojowych dla pojazdów oczekujących na wjazd do poszczególnych firm oraz jednostronnego ciągu pieszo-rowerowego z wydzielonym pasem dla pieszych i rowerzystów (fot. 3). Nawierzchnia drogowa była przygotowana do przeniesienia ruchu o kategorii KR3.

Uwarunkowania gruntowo-wodne, tj. przebieg odcinka drogowego przez obszar złożony z gruntów spoistych, wysadzinowych o dużej wilgotności i wysokim poziomie zwierciadła wody gruntowej (ZWG) obserwowanym podczas prowadzenia prac budowlanych, pozwoliły na zainteresowanie się ww. odcinkiem w kontekście pomiarów georadarowych. Badania GPR wykonano w marcu, czyli w okresie potencjalnie wysokiego poziomu ZWG, który może powodować gorsze warunki do pracy nawierzchni pod obciążeniem od ruchu pojazdów. Do badań wykorzystano georadar w formie wózka do przejazdów ręcznych (fot. 1). Sprzęt ten był wyposażony w antenę o nominalnej częstotliwości emitowanej fali elektromagnetycznej równej 270 MHz z teoretycznym zasięgiem głębokościowym do ok. 5,0 m. Rozdzielczość pozioma metody wynosiła ok. 50 cm, natomiast rozdzielczość pionowa – ok. 10 cm.

Badania wykonano na dwóch pasach ruchu oraz w ciągu dwóch pasów postojowych w śladzie prawego koła pojazdów (ok. 75 cm od prawej krawędzi każdego z pasów). W artykule przedstawiono wyniki pomiarów dla pasów wewnętrznych, tj. pasów, po których odbywał się ruch pojazdów kołowych. Prezentowane na rys. 2 i 3 wyniki pomiarów GPR są już efektem przetwarzania danych i processingu.

Galeria