Chương 2: Nghiên cứu công nghệ GPR trong khảo sát đường sắt
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 liệu xây dựng. Đất đá đều là những vật liệu không 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 công 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 công 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 đoàn tàu ảnh hưởng mạnh tới đất lòng đường.
Trong công trình xây dựng nền đường chiếm vị trí quan trọng về khối lượng thi công, 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 không 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 toàn. 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 ô tô như hình ảnh thể hiện trong hình .
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.
Right Side Antenna Lef Side Antenna Center Antenna
Hình 4: Độ sâu làm việc của các Ăng ten có tần số khác nhau.
2.2.3 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.
Chất liệu Ÿr
Khô
Ÿr Bão hòa Ÿr Ráo
Granite ballast 3.2 26.4 nước16.
Dolomite Ballast 3.7 25. 0
5
16.
Trap Rock Ballast 5 (basalt)
4.3 31.
4
4.8 Trap Rock Ballast (10%
fouled)
5.0 22 17.
Trap rock Ballast (30% 0 fouled)
3.5 28 20.
6
Clean Ballast Mostly Clean Ballast
Fouled Ballast or Subballast
Subgrade
Scan of GPR DataLine Scan image of multiple scans of GPR Data Ballast Cross-section
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 không dừng lại và vẫn tiếp tục xuyên 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 không 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%.
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.
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.
(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.
Hình 10: Hình ảnh một lỗ đào và công 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.