RIS/MF w klasyfikacji gruntu

A. Cianciara, Inżynieria Bezwykopowa 11/2003

Wstęp

Georadary pozwalają na wykonywanie prześwietleń gruntu oraz konstrukcji budowlanych. Można przy ich pomocy poszukiwać pustek, instalacji podziemnych czy też zbrojeń w konstrukcjach betonowych. Wszystkie te zadania można wykonać georadarem z rodziny RIS firmy IDS. System RIS umożliwia jeszcze jedno zastosowanie techniki georadarowej - wykonywanie klasyfikacji gruntu i obrazowanie tego w postaci mapy. Pomiar ten jest szczególnie przydatny w wierceniach horyzontalnych gdzie bardzo istotną informacją jest rodzaj materiału, jaki po drodze napotka głowica wiercąca. System RIS/MF opracowany przez IDS został specjalnie dostosowany do tego zastosowania.

1. System RIS/MF w klasyfikacji gruntu.

Klasyczna technika georadarowa opiera się na pomiarach czasu, jaki upłynął od wysłania impulsu elektrycznego do momentu zarejestrowania jego odbicia od obiektu tzw. "echa". Na tej podstawie kreślone są echogramy, z których można odczytywać położenie obiektów podziemnych. Odbicia fal następują od wszelkiego rodzaju zmian w strukturze wewnętrznej materiału np. na granicy ziemia - plastik. Cecha ta pozwala na wykrywanie zmian, natomiast nie umożliwia określenia rodzaju materiału, przez jaki przechodziła fala elektromagnetyczna.
Aby możliwe było określenie rodzaju materiału konieczne jest poddanie analizie jeszcze inne parametry sygnału oraz zmiana sposobu wykonywania pomiaru.
Georadar RIS/MF posiada wszystkie właściwości systemu RIS, oraz dodatkowo wyposażony został w antenę zespoloną skonstruowaną specjalnie do prowadzenia klasyfikacji badanego materiału. Antena ta wysyła impulsy elektromagnetyczne o różnych częstotliwo.ciach i o odmiennej polaryzacji. Układ ten tworzy łącznie 8 równocze.nie pracujących kanałów pomiarowych. Taka konfiguracja pozwala na wykonywanie badań w następujących kanałach pomiarowych:

Średniej częstotliwości do prowadzenia płytkiej detekcji,
Niskiej częstotliwości do pomiarów głębokich,
Wieloczęstotliwościowym o odmiennych polaryzacjach do wykonywania badań stratygraficznych i wyznaczania warstw. Cały zespół anten ma szerokość około 2 metrów, przez co jest możliwy do zastosowania w terenie zabudowanym. Jednocześnie badany jest pas o szerokości 2 metrów, co znacznie skraca czas wykonania pomiaru.

W celu klasyfikacji materiału wykonywany jest pomiar i analiza łącznie około 60 różnych parametrów sygnału.
Opracowywanie wyników pomiarowych, w metodzie przyjętej przez IDS, polega na segmentacji poziomej i pionowej profilu. Cały profil jest dzielony na prostokątne obszary. Dla każdego takiego obszaru wyznaczany jest zestaw parametrów sygnałów pomiarowych tworzących jego charakterystyczny wzorzec. Następnie pobrany wzorzec porównywany jest z wcześniej rozpoznanymi wzorcami znajdującymi się w bazie danych. Na tej podstawie określana jest budowa badanego obszaru.

2. Opis przeprowadzonych pomiarów weryfikujących.

Typowym problemem technik bezwykopowych jest to czy w trakcie wykonywania pracy nie napotkamy skał, które znacznie podnoszą koszty wykonania odwiertu.
Z takimi też problemami spotykają się wykonawcy Nowej Zelandii, gdzie warstwa twardych skał znajduje się płytko pod warstwami mułowo-gliniastymi. Dodatkowo może też występować warstwa pośrednia, gdzie w warstwie mułowo-gliniastej znajdują się duże kawałki twardych skał.
Celu przeprowadzonego badanie było zweryfikowanie stosowanej klasyfikacji gruntu w praktyce.
Badania wykonano systemem RIS/MF w Auckland w Nowej Zelandii. W ich wyniku otrzymano mapy warstw stratygraficznych i lokalizację głębokości zalegania skał.
Po przeprowadzonym badaniu georadarowym pobrane zostały próbki materiału w celu przeprowadzenia weryfikacji jakości klasyfikacji.

2.1 Pomiary terenowe.

Pomiar radarowy wykonany został za pomocą jednostki pomiarowej systemu RIS wyposażonej w:

antenę zespoloną MF (4 anteny w konfiguracji 8 kanałowej),
kółko lokalizacyjne - do dokładnego pozycjonowania pomiarów w pasie pomiarowym,
oprogramowanie rejestrujące IDSGras V.4.1 acquisition SW,
pozostały osprzęt tak jak w innych georadarach z rodziny RIS (wózek pomiarowy, jednostka sterująca RIS).

Rys. 1. Georadar RIS/MF w trakcie pomiarów.

2.2 Opracowanie wyników pomiarowych.

Wyniki pomiarów opracowywane były na komputerze w następującej konfiguracji:

komputer PC klasy Pentium II wyposażony w dwa monitory,
oprogramowanie IDSGRED/IN/ROAD v.4.0,
oprogramowanie IDSGRED/IN/SUBREM v.1.0,
oprogramowanie CAD MicroStation lub AUTOCAD uzupełnione o moduł IDSGEOMAP.

Rys. 2. System opracowywania wyników pomiarowych IDSGRED/IN/ROAD V.4.0.

3. Wyniki przeprowadzonych pomiarów.

Na rysunku 3 przedstawiono mapę obszaru oraz poszczególne etapy przetwarzania wyników pomiarów:

mapa klasyfikacyjna,
mapa segmantacji poziomej,
mapa segmentacji pionowej (warstwy),
echogram georadarowy.

W trakcie wykonywanej analizy wyznaczone zostały 3 różne klasy materiału. Klasyfikacja wykonana została z uwzględnieniem potrzeb technik bezwykopowych. Poszczególne klasy podatno.ci na wiercenia przedstawione zostały na mapie następującymi kolorami:

Żółty - klasa A (glina, muł i piasek).
Zielony - klasa B (glina ze żwirem, margiel i żwir).
Niebieski - klasa C (gruby żwir, skała).

System RIS pozwolił na zidentyfikowanie warstwy skalnej z dokładnością 10 cm. Skała został wykryta na głębokości od 1,6 m do 2,5 m (jak na rysunku 3).
W rzeczywistości, mapa przedstawia tylko dwa obszary: górnego typu B Ioraz dolnego typu C na prawie całej długości badanego profilu. Wykryto też niewielkie obszary materiału typu A w warstwie skalnej.
W celu zweryfikowania pomiarów wykonano 3 niezależne odwierty i pobrano próbki do badania. Wykonane badanie potwierdziło obecność warstw skalnych, nad którymi znajduje się glina z średniej wielkości odłamkami skalnymi.
Czarne punkty na mapie klasyfikacyjnej przedstawiają głębokość, na której napotkano w pobranych próbkach obecność twardych skał. Jak widać wykonany pomiar georadarem mający zlokalizować głębokość zalegania skał pokrywał się z ich rzeczywistym położeniem.

Rys. 3. Przykładowa prezentacjia przetwarzania wyników pomiarów.

Literatura:

[1] IDS RIS Application Note - GPR Subsoil Interpretation in New Zealand.
[2] http://www.idsgeoradar.com
[3] http://www.georadary.pl