Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 2: Nghiên cứu công nghệ GPR trong khảo sát đường sắt

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ GPR trong khảo sát đường sắt

Tải bản đầy đủ - 0trang

Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



tần số này ảnh hưởng tới độ sâu có thể thăm dò và khả năng xác định các mục tiêu

nhỏ dưới lòng đất.



-



Monitor / PC: Các màn hình hoặc máy tính được sử dụng để hình dung những

thơng tin GPR trong thời gian thực hiện và vận hành hệ thống. Tùy thuộc vào loại

màn hình, hoặc nếu một máy tính được sử dụng, dữ liệu GPR có thể được lưu trữ

để xử lý.



-



Cơng cụ chuyển đổi A / D:



Công cụ chuyển đổi A / D hình thành giao diện giữa các Ăng ten và bộ điểu khiển

chuyển đổi tín hiệu từ sóng sang dạng số và ngược lại tùy thuộc vào hướng phát triển

cũng như mong muốn sử dụng nó. Cơng cụ chuyển đổi A / D cũng kết nối với các bộ

mã hóa từ nơi nó nhận được thơng tin về việc khi nào để kích hoạt một xung sóng

Radar.

2.1.3 Ngun lí hoạt động

GPR phát ra một tín hiệu tần số ra da vào lòng đất , phát hiện thu lại những tần số

vọng lại, phân tích về thời gian và cường độ của chúng. Sự phản xạ của tín hiệu được

tạo ra khi sóng ra da đi qua các lớp vật liệu có tính chất khác nhau. Một phần tín hiệu

phản xạ lại còn phần khác vẫn tiếp tục đi xuyên qua các tầng vật liệu khác cho đến khi

nó suy giảm hoặc bộ điều khiển bỏ qua tín hiệu quay về của nó. Sóng ra-da được phát

ra theo dạng hình nón, q trình phát và thu sóng ra-da diễn ra liên tục khi ta di

chuyển hệ thống quanh một khu vực rộng, dữ liệu được tổng hợp và xử lý trong một

chương trình phần mềm chun dụng ở máy tính và xuất ra một mặt cắt ngang địa

hình



phỏng

.

Hệ thống GPR để áp dụng kiểm tra, nghiên cứu những cấu trúc, đặc tính của các vật

chất bên dưới lớp đất, lớp bê tông, sắt thép mà chỉ bằng những khảo sát bên ngồi

khơng thể nghiên cứu hết như là khảo sát địa kỹ thuật và mơi trường, thăm dò địa

chất, khảo sát nền móng cơng trình cầu cống, đánh giá độ ơ nhiễm các nguồn nước,

thăm dò khống sản, các đường ống ngầm, khuyết tật trong bê tông, sắt thép…..



Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



2.1.4 Phạm vi áp dụng

Số liệu GPR được xử lý bằng các thuật tốn với độ chính xác cao, kết quả sẽ vẽ ra được

mặt cắt phản ánh cấu trúc địa chất chi tiết tại khu vực khảo sát. Vì vậy thiết bị GPR đã

được sử dụng trong nghiên cứu khảo sát địa kỹ thuật và môi trường phục vụ điều tra cơ

bản, thăm dò địa chất, cụ thể là:

- Khảo sát cơng trình nền móng xây dựng đường sắt, cầu cống, sân bay, bến cảng

v.v…

-



Phát hiện các dị vật, ranh giới cấu trúc địa chất, vị trí ẩn họa liên quan đến trượt lở

đất.



-



Khảo sát nước dưới đất, đánh giá độ ơ nhiễm và xác định các tầng nước.



-



Thăm dò tìm kiếm khoáng sản, độ sâu của đá gốc và các vỉa quặng trong mỏ



-



Ứng dụng trong khảo cổ học.



-



Xác định các loại đường ống dẫn ngầm, cáp ngầm, các dị vật trong những bãi phế

thải đã bị vùi lấp từ trước.



-



Xác định vị trí các lỗ hỗng, khuyết tật trong than đập, thân đê.



2.2 Áp dụng công nghệ GPR vào khảo sát nền đường sắt

2.2.1 Đặc điểm nền đường sắt và lớp đá balats

2.2.1.1 Nền đường sắt

Nền đường sắt là cơ sở chịu tác dụng của các bộ phận kết cấu tầng trên đường sắt và

đoàn tàu ở trạng thái tĩnh và động. Các tải trọng này truyền xuống nền đường đến tầng

móng rồi khuếch tán.



Hình 1: Sơ đồ truyền lực của tải trọng xuống nền đường

Nền đường thường được xây dựng trên móng đất đá và sử dụng đất đá này làm vật

Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



liệu xây dựng. Đất đá đều là những vật liệu khơng liên tục có đặc tính vỡ vụn, rời rạc, có

khe rỗng cộng thêm với khí hậu thay đổi quanh năm dẫn đến sự biến đổi của đất đá và

ảnh hưởng tới tính chất chịu lực của cơng trình.

Tuyến đường xây dựng thường gặp phải sự ảnh hưởng phức tạp của điều kiện tự nhiên

như: địa hình, địa chất phức tạp, khí hậu thủy văn, động đất. Từ đó phát sinh nhiều sự cố

nền đường taluy nền đào bị nước phá hoại, nền đường đất giãn nở khi ướt, co lại khi khô,

dẫn đến taluy nền đường sạt trượt, nền đường đông cứng vào mùa đông nhiệt độ thấp, khi

động đất thì cát của nền bị hóa lỏng dẫn đến nền đường bị trượt. Các hư hại, biến dạng

của nền đường cụ thể là lớp đệm nền đường cũng có nguyên nhân tác động từ kết cấu

tầng trên, các cơng trình nhân tạo, tải trọng tĩnh và tải trọng động của đoàn tàu. Một số

phương pháp đo đạc thực nghiệm đã cho kết quả nghiên cứu động lực học của đồn tàu

ảnh hưởng mạnh tới đất lòng đường.

Trong cơng trình xây dựng nền đường chiếm vị trí quan trọng về khối lượng thi cơng,

diện tích chiếm dụng đất và vốn đầu tư lớn.

2.2.1.2 Lớp đá Ballast

Lớp đá ballast có nhiệm vụ đảm bảo độ ổn định cho ray và tà vẹt trong không gian dưới

tác dụng của lực thẳng đứng, lực ngang và lực dọc, đảm bảo khơng có biết dạng. Truyền

áp lực nhận từ tà vẹt xuống nền đường, làm lớp đệm đàn hồi để giảm lực đập của bánh

xe.

Mặt cắt ngang lớp đá balats cần phải đảm bảo chiều rộng, chiều dày và độ dốc mái đá,

sao cho chịu được ứng suất của đoàn tàu gây ra đến đỉnh nền đường phải nhỏ hơn ứng

suất cho phép. Đặc biệt trong đoạn đường cong độ rộng và chiều cao lớp đá balats cũng

thay đổi để đảm bảo mục đích chạy tàu an tồn. Vật liệu làm đá ba lát phải chắc, ổn định

dưới tải trọng, không bị vỡ vụn nát khi chèn, chịu được phá hoại của thời tiết, nước chảy

không bị trôi. Các vật liệu làm đá ballast chủ yếu là đá dăm, đá cuội, cát hạt to, vỏ sò hến,

sỉ lò.

2.2.2 Cấu trúc hệ thống GPR trong khảo sát đường sắt

Các hệ thống ăn ten thu phát tín hiệu có tần số xác định được ghép nối với nhau, kết

hợp hai, ba hoặc nhiều hơn. Chúng được đặt cách mặt đất một độ cao nhất định để đảm

bảo khả năng thăm dò là tốt nhất và đảm bảo có thể di chuyển dễ dàng nhờ đặt sau các

thiết bị di chuyển, có thể là tàu hoặc ơ tơ như hình ảnh thể hiện trong hình .



Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



Hình 2: Hệ thống thử nghiệm thăm dò đường sắt GPR của công ty GSSI, một

hệ thống GPR gắn ở phía trước của xe lửa, sử dụng lên đến bốn anten thu phát, được

áp dụng ở Al-Nuaimy năm 2004.



Hình 3:Hệ thống sử dụng để thu thập dữ liệu ở đường sắt Wyoming, Michigan tháng

7 năm 2007.

Thông thường tốc độ thu thập dữ liệu là ở tốc độ 40 km/h và cần một khoảng thời gian

15 nano giây để thu thập dữ liệu đến độ sâu khoảng 30m. Tất nhiên, hệ thống cũng có thể

thu thập dữ liệu ở khoảng thời gian dài hơn và do đó làm tăng độ sâu khảo sát. Các dữ

liệu được thu thập bằng cách sử dụng ăn ten thu phát GPR, một bộ đo khoảng cách

(DMI) gắn liền với xe. Bộ đo DMI cung cấp thời gian và vị trí của hệ thống một cách liên

tục cho phép kết hợp hoạt động với bộ điều khiển GPR để điều chỉnh quá trình khảo sát.

Dữ liệu GPR, video, và các dữ liệu GPS tại mỗi địa điểm được tổng hợp và xử lý ở các

bước tiếp theo.

Đối với nền đường sắt thường kết hợp sử dụng các ăng ten với tần số khác nhau:

- Ăng - ten với một tần số 1GHZ hay 2 GHz để hình ảnh rõ ràng và chi tiết hơn lớp

đá ballast và subballast lớp tới độ sâu 2-3m.

-



Ăng - ten với tần số thấp hơn nhiều từ 400-500 MHz cho phép thâm nhập qua các

vật liệu đá balast, cát, các tầng đất với chiều sâu thâm nhập từ 15m thăm dò sâu

lớp đất nền.



Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



Left Side

Antenna



2.2.3



Center

Antenna



Right Side

Antenna



Hình 4: Độ sâu làm việc của các Ăng ten có tần số khác nhau.

Thu phát tín hiệu sóng ra-da



Các nghiên cứu chỉ ra rằng sự nhiễm bẩn của đá balast ảnh hưởng tới sự thay đổi

hằng số điện môi của lớp vật liệu. GPR hoạt động bằng cách phát một tần số rada xác

định, ghi lại cường độ và thời gian trở lại của các tín hiệu phản xạ. Sự phản xạ của tín

hiệu được tạo ra khi các tần số đi gặp các vật liệu có tính dẫn điện khác nhau hay là sự

thay đổi hằng số điện môi của các vật liệu. Cường độ, mức độ phản xạ tín hiệu được xác

định bởi sự tương phản trong các hằng số điện môi và độ dẫn điện của các vật liệu.

Granite ballast



Ÿr

Khô

3.2



Dolomite Ballast



3.7



Chất liệu



Trap

Rock

Ballast

(basalt)

Trap Rock Ballast (10%

fouled)

Trap rock Ballast (30%

fouled)



Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Ÿr Bão hòa

26.4



5.0



25.

5

31.

4

22



3.5



28



4.3



Ÿr



Ráo



nước

16.

016.

5

4.8

17.

020.

6



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



Bảng 1: Sự thay đổi hằng số điện môi của các vật liệu được xác định trong

phòng thí nghiệm.

Trong khi một phần tín hiệu GPR phản chiếu trở lại các ăng-ten, phần còn lại

khơng dừng lại và vẫn tiếp tục xun qua các lớp vật liệu khác cho đến khi nó suy giảm

hết hoặc bộ phận điều khiển GPR ngưng tiếp nhận nó sau khoảng thời gian nhất định .

Tỷ lệ suy giảm tín hiệu rất khác nhau và phụ thuộc vào các tính chất của vật liệu mà sóng

đi qua. Vật liệu với hằng số điện môi cao sẽ làm chậm sóng radar và nó sẽ khơng thể để

thâm nhập sâu. Vật liệu có độ dẫn cao sẽ làm giảm bớt các tín hiệu nhanh chóng. Sự bão

hòa nước làm tăng đáng kể hằng số điện môi của vật liệu. Hệ thống GPR dựa trên sự thay

đổi này để đánh giá chính xác chiều dày lớp đá, mức độ nhiễm bẩn và sự thay đổi độ ẩm

trong lớp đá balast nhiễm bẩn. Các nghiên cứu và tài liệu kết quả cụ thể đánh giá độ

chính xác của hệ thống lên tới 95%.



Clean Ballast

Mostly Clean Ballast

Fouled Ballast or Subballast



Subgrade



Ballast Cross-section



Scan of

GPR Data



Line Scan image of

multiple scans of

GPR Data



Hình 6: Giải thích sự suy giảm cường độ tần số ra-đa khi xuyên qua các lớp vật liệu

2.2.4 Khảo sát đoạn đường sắt Orin, Wyoming, tháng 7 năm 2007

2.2.4.1 Thu thập dữ liệu

Quá trình quét dữ liệu GPR ở đoạn tuyến này được tiến hành từ 23-7 tới 26-7 năm

2007.

Công ty khảo sát sử dụng một ô tô tải trọng nhỏ gắn 3 ăngten, angten 500 MHZ ở vị

trí trung tâm chính giữa 2 đường ray và hai angten 2GHZ gắn ở hai bên đường.



Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



Hình 7: Hai ăng-ten 2 GHz được gắn 2 bên và một ăng ten 500 MHz đã được gắn

giữa 2 đường ray.

- Hai Ăng-ten với tần số 2 GHz để cho hình ảnh rõ ràng và chi tiết hơn lớp đá

ballast và subballast lớp tới độ sâu 2-3m.

-



Ăng ten trung tâm với tần số thấp hơn 500 MHz cho phép thâm nhập qua các vật

liệu đá balast, cát, các tầng đất với chiều sâu thâm nhập từ 15m thăm dò sâu lớp

đất nền.



Các dữ liệu về lượng mưa trong các ngày 23-7 tới 26-7 cũng được thống kê và lập

bảng, phục vụ cho quá trình theo dõi và xác minh dữ liệu GPR sau này.

2.2.4.2 Mặt đất thực

Đồng thời với quá trình khảo sát bằng GPR mặt đất thực của đoạn tuyến được xem xét

với các lỗ đào bằng tay lấy tại 20 địa điểm trên vai đường. Các lỗ đào được lấy ở các vị

trí mà khả nghi có sự cố với nền đất, chiều dày các lớp vật liệu tại lỗ đào được đo và lập

bảng để so sánh với dữ liệu GPR.



Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



(a) Dữ liệu mặt cắt 500 MHz

(b) Hình ảnh của phần lỗ đào

Hình 8: Vị trí một lỗ đào từ thực địa, bên trái là dữ liệu hình ảnh GPR tương ứng với

lỗ đào



Hình 9: Một lỗ đào khác trên đoạn tuyến, nơi có thể phát hiện được độ sâu nhiễm bẩn

ở khá gần mặt đất.



Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



Hình 10: Hình ảnh một lỗ đào và cơng tác đo đạc

Tại một lỗ đào khác đã phát hiện tình trạng nhiễm bẩn bụi than, lớp bụi than dày 4

inch nằm ngay dưới lớp ballast mà không thể phát hiện được từ quan sát bề mặt.



A) Bề mặt tại một địa điểm

(B) Bụi than ngay dưới lớp bề mặt

Hình 11: Lỗ đào bằng tay phát hiện nhiễm bẩn bụi than



2.2.4.3 Dữ liệu 2 GHz

Dữ liệu 2 Ghz sau khi được xử lí bằng phần mềm, cho ta các mặt cắt có hiển thị màu

sắc như hình dưới.

Độ dày lớp đá ba lat, vị trí nhiễm bẩn nặng, vị trí có nước ngầm được chỉ ra cụ thể,

hiển thị rõ ràng với màu sắc trực quan và cho phép người dùng nhanh chóng xác định

Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



được thực trạng nền đất.



Chấm màu biểu thị vị trí độ sâu

nhiễm bẩn, độ sâu tồn tại nước

ngầm



Dải màu đánh giá độ nhiễm bẩn

của lớp balat



a, Xử lí dữ liệu.



-



Hình 12: Dữ liệu hình ảnh và giải thích

Dải dữ liệu trên cùng:

o Màu xanh lá biểu thị vùng sạch

o Màu đỏ và đen biểu thị vị trí lỗi bẩn

o Màu xanh lam biểu thị vị trí có độ ẩm lớn



-



Dải dữ liệu thứ hai:

o

Các chấm

màu giá

đỏ độ

hiển

thị độ

sâu nhiễm bẩn của lớp đá balat

b, Thang

màu đánh

nhiễm

bẩn.

o Các chấm màu xanh hiển thị vị trí chiều sâu có độ ẩm lớn.



-



Dải dữ liệu thứ ba: là giải màu sắc hiển thị đánh giá chung độ ô nhiễm của lớp đá,

thang màu ở vị trí cuối cùng chỉ các mức độ ơ nhiễm, màu trắng tương ứng với vị

trí sạch, màu đen tương ứng với vị trí nhiễm bẩn nặng nhất.



Kiểm tra theo dõi dữ liệu GPR 2 GHZ cho ta thấy các vị trí, chiều sâu của balat sach,

balat vừa dính bẩn và balat nhiễm bẩn nghiêm trọng. Hơn nữa các vị trí nhiễm bẩn

nghiêm trọng thường chỉ xuất hiện cục bộ trên suốt chiều dài tuyến khảo sát, việc xác

định vị trí này là hết sức quan trọng giúp giảm chi phí , giảm thời gian và nâng cao hiệu

quả của quá trình duy tu bảo dưỡng.



Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Trường :ĐH GTVT



Báo cáo Thực Tập Tốt Nghiệp



Hình 13: Dữ liệu hình ảnh của một đoạn chiều dài khảo sát chưa bị hư hỏng.



Hình 14: Dữ liệu hình ảnh của một đoạn chiều dài khảo sát bị hư hỏng, nhiễm bẩn

nặng.



Nguyễn Văn Cường

Sắt K53



Đường



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ GPR trong khảo sát đường sắt

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×