TU ANUNCIO / YOUR PUBLICITY

AQUÍ PODRÍA ESTAR TU ANUNCIO: / HERE COULD BE YOUR AD E-mail

sábado, 24 de enero de 2004

GPR (Geo-radar) Conclusions, Bibliography (XIV)

Investigación de Enmacosa dentro del proyecto "APLICACIÓN DE SENSORES RADAR PARA DETECTAR Y EVALUAR EL ESTADO DEL PAVIMENTO Y LA RED DE TUBERÍAS Y SERVICIOS EN EL SUBSUELO URBANO", cofinanciado por la Xunta de Galicia (2001-2004). 


Capítulo 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1 Leyes de Maxwell

1.2 Parámetros electromagnéticos de un medio

1.2.1 Conductividad (σ)

1.2.2 Permitividad dieléctrica (ε)
1.2.3 Permeabilidad magnética ( μ )
1.3 Propagación de una onda electromagnética
1.4 Parámetros efectivos
1.5 Impedancia de un medio
1.6 Profundidad nominal de penetración (skin depth)
1.7 Reflexión y transmisión de ondas electromagnéticas
1.8 Pérdidas de energía por procesos internos al medio
1.8.1 Dispersión geométrica del frente de ondas
1.8.2 Absorción
1.8.3 Dispersión de la energía (“scattering”)
1.9 Capacidad de penetración. Ecuación radar
1.10 Capacidad de resolución y zona de influencia

Capítulo 2: CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS GPR
2.1 Origen y desarrollo del GPR
2.2 Características de los equipos
2.2.1 Unidad de control
2.2.2 Parámetros de un registro
2.2.3 Antenas
2.2.4 Accesorios
2.2.5 Equipos complementarios
2.4 Equipos del mercado
2.4.1 Equipos de propósito general
2.4.2 Equipos adaptados al estudio de carreteras
2.4.3 Equipos exclusivamente destinados a la detección de tubos y tuberías
2.5 Presentación de resultados

Capítulo 3: DETECCIÓN DE REDES DE SERVICIOS EN ENTORNOS URBANOS
3.1 Consideraciones sobre tipos de servicios, tipos de suelos y antenas utilizadas
3.2 Aparición de eventos hiperbólicos en los registros
3.3 Otros factores relacionados con la naturaleza y tamaño de los reflectores
3.4 Consideraciones sobre la polaridad de la señal recibida
3.5 Determinación de la velocidad de propagación de la onda
3.6 Ejemplos de estudios realizados

Capítulo 4: EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS
4.1 Aplicaciones
4.1.1 Medición del espesor del pavimento
4.1.2 Control de calidad en nuevas construcciones
4.1.3 Estudio de daños
4.2 Diseño del remolque
4.2.1 Introducción
4.2.2 Descripción técnica
4.3 Ejemplos de registros obtenidos

Conclusiones

Bibliografía


viernes, 23 de enero de 2004

GPR (Geo-radar) Pavement evaluation with GPR (XIII) / Evaluación de pavimentos con geo-rádar (XIII)


Investigación de Enmacosa dentro del proyecto "APLICACIÓN DE SENSORES RADAR PARA DETECTAR Y EVALUAR EL ESTADO DEL PAVIMENTO Y LA RED DE TUBERÍAS Y SERVICIOS EN EL SUBSUELO URBANO", cofinanciado por la Xunta de Galicia (2001-2004). 




Capítulo 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1 Leyes de Maxwell

1.2 Parámetros electromagnéticos de un medio

1.2.1 Conductividad (σ)

1.2.2 Permitividad dieléctrica (ε)
1.2.3 Permeabilidad magnética ( μ )
1.3 Propagación de una onda electromagnética
1.4 Parámetros efectivos
1.5 Impedancia de un medio
1.6 Profundidad nominal de penetración (skin depth)
1.7 Reflexión y transmisión de ondas electromagnéticas
1.8 Pérdidas de energía por procesos internos al medio
1.8.1 Dispersión geométrica del frente de ondas
1.8.2 Absorción
1.8.3 Dispersión de la energía (“scattering”)
1.9 Capacidad de penetración. Ecuación radar
1.10 Capacidad de resolución y zona de influencia

Capítulo 2: CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS GPR
2.1 Origen y desarrollo del GPR
2.2 Características de los equipos
2.2.1 Unidad de control
2.2.2 Parámetros de un registro
2.2.3 Antenas
2.2.4 Accesorios
2.2.5 Equipos complementarios
2.4 Equipos del mercado
2.4.1 Equipos de propósito general
2.4.2 Equipos adaptados al estudio de carreteras
2.4.3 Equipos exclusivamente destinados a la detección de tubos y tuberías
2.5 Presentación de resultados

Capítulo 3: DETECCIÓN DE REDES DE SERVICIOS EN ENTORNOS URBANOS
3.1 Consideraciones sobre tipos de servicios, tipos de suelos y antenas utilizadas
3.2 Aparición de eventos hiperbólicos en los registros
3.3 Otros factores relacionados con la naturaleza y tamaño de los reflectores
3.4 Consideraciones sobre la polaridad de la señal recibida
3.5 Determinación de la velocidad de propagación de la onda
3.6 Ejemplos de estudios realizados

Capítulo 4: EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS
4.1 Aplicaciones
4.1.1 Medición del espesor del pavimento
4.1.2 Control de calidad en nuevas construcciones
4.1.3 Estudio de daños
4.2 Diseño del remolque
4.2.1 Introducción
4.2.2 Descripción técnica
4.3 Ejemplos de registros obtenidos

Conclusiones

Bibliografía

4.2 Diseño del remolque / Trailer design 


4.2.1 Introducción / Introduction 

Como ya adelantamos en el capítulo 2, los equipos destinados a facilitar el transporte del equipo durante las mediciones y la toma de datos son de vital importancia ya que de su apropiado diseño dependerá que la adquisición de datos sea lo más rápida, eficiente y cómoda posible.

As already proposed in Chapter 2, the teams designed to facilitate the transport of equipment during measurements and data collection are vital because of its appropriate design will depend on the data acquisition as fast, efficient and comfortable as possible .


Figura 11. Remolque diseñado por ENMACOSA para el estudio de pavimentosFigure 11 ENMACOSA trailer designed for studying pavements

En el diseño hay que tener en cuenta, principalmente, el tipo de terreno donde se debe efectuar el estudio, las características del equipo GPR en el que va a ser empleado y la aplicación a la que va a ser enfocado. La utilización de un vehículo de transporte adaptado a estas condiciones facilitará en gran medida los trabajos de campo. En general los vehículos adecuados para el estudio de carreteras permiten transportar con seguridad la antena a velocidades entorno a 60 km/h. Para ello y dependiendo del diseño que se desee implementar la antena o antenas son fijadas en un pequeño remolque situado en la parte delantera o trasera del vehículo desde donde el operario controla el resto del sistema (figura 11). 

Teniendo presentes estas consideraciones los esfuerzos de este estudio en cuanto a la evaluación de pavimentos han estado dirigidos al diseño y construcción de un remolque ligero de este tipo y que ha sido adaptado, concretamente, para el transporte de antenas ground-coupled. El remolque, en este caso, se engancha en la parte posterior de un vehículo dónde se situará el resto del equipo (unidad de control y portátil) y desde dónde el operario podrá configurar todo los parámetros del sistema (figura 12). 

The design must take into account, in particular, the type of terrain where you must perform the study, the characteristics of the GPR equipment to be used and the application that is going to be focused. The use of a transport vehicle adapted to these conditions will greatly facilitate fieldwork. Generally suitable for the study of roads allow vehicles to safely transport the antenna at speeds around 60 km / h. For this and depending on the design requirements to implement the antenna or antennas are fixed on a small trailer at the front or rear of the vehicle from which the operator controls the rest of the system (Figure 11). 

With these considerations in the efforts of this study regarding the evaluation of pavement have been directed to the design and construction of a light trailer of this type and has been tailored specifically for the transport of ground-coupled antennas. The trailer, in this case, is hooked on the back of a vehicle where the rest of the team (and portable control unit) and from where the operator can set all system parameters (Figure 12) is located.



Figura 12. Distribución del equipo. Figure 12 Distribution of the equipament


Figura 13. Componentes no metálicos. Figure 13 Non-metallic components.

Los factores limitantes más importantes que se han tenido en cuenta en las etapas de diseño y fabricación están estrechamente relacionados con la velocidad necesaria a la que se desea que el remolque transporte con seguridad el equipo (entre 60-80 km/h). La utilización de antenas ground-coupled impone una mayor dificultad de diseño ya que, como ya comentamos anteriormente, para conseguir sus mejores prestaciones deben de estar muy cerca del suelo. Otra importante limitación tanto en la fabricación de estos remolques como en la de otros elementos que sirven de soporte para las antenas es que no se puede emplear ningún material metálico ya que esto podría introducir interferencias no deseadas en la señal GPR que queremos analizar (figura 4.13). Esta necesaria ausencia de elementos metálicos, dificulta también el diseño y  construcción de un remolque lo suficientemente rígido para soportar las velocidades deseadas.

The most important limiting factors have been taken into account in the design and manufacturing stages are closely related to the required rate at which the trailer to safely transport equipment (60-80 km / h) is desired. The use of ground-coupled antennas represents a major constraint design since, as we discussed above, to achieve their best performance must be very close to the ground. Another important limitation in both the manufacture of these trailers and the other elements that support for antennas is that you can not use any metallic material as this may introduce unwanted interference in GPR signal we want to analyze (Figure 4.13 ). This required no metal elements, also complicates the design and construction of a trailer rigid enough to withstand the desired speeds.

4.2.2 Descripción técnica / Technical description 


Después del desarrollo de distintos prototipos que han sido probados en el entorno de la empresa y en carreteras locales, se ha conseguido construir un remolque altamente cualificado para el estudio del subsuelo utilizando técnicas de detección radar mediante el uso de sistemas GPR. Ha sido diseñado para su uso específico en la evaluación de firmes en carreteras, autovías, autopistas, pistas de aterrizaje, etc.

After the development of several approaches that have been tested in the environment of the company and local roads, has managed to build a highly qualified trailer for the study of subsurface using radar detection techniques using GPR systems. It has been designed specifically for use in evaluating firm in roads, freeways, highways, runways, etc.

Figura 14. Remolque adaptado para antenas ground-coupled. Figure 14 Trailer adapted for ground-coupled antennas.
Una de las características tanto el chasis portante como los componentes de rodadura y dirección es la de estar constituidos por elementos no-metálicos. De esta forma se evita que las ondas electromagnéticas emitidas por las antenas radar produzcan reflexiones adicionales en el mismo que interfieran con la señal recibida. 

Su diseño y construcción es altamente resistente a factores atmosféricos (lluvia, nieve,...). Permite el ser remolcado por cualquier clase de vehículo que posea un gancho de remolque homologado, pudiendo alcanzar sin ningún inconveniente velocidades de hasta 60 km/h. Su peso total es de 40 kg y tiene una capacidad de carga dinámica de 430 Kg y una capacidad estática de 300 Kg. 

Todos los elementos, exceptuando el chasis, son fácilmente desmontables para su mantenimiento ó reparación en el caso de esta fuese necesaria. Los únicos componentes que precisan de un mantenimiento prolijo son, el sistema de rodadura y  el de dirección, aunque muy sencillo y de coste prácticamente nulo. Para ello se debe aplicar vaselina antes de ser utilizado minimizando de esta manera el rozamiento y facilitando la disipación de calor. En su parte posterior se puede acoplar cualquier tipo de soporte para cualquier complemento, como puede ser el uso de una rueda taquimétrica que ayude a posicionar de una forma precisa los registros obtenidos. 

One of the characteristics of both the supporting frame and the running gear and direction is to be made ​​of non-metallic elements. In this way it is prevented that the electromagnetic waves emitted by the radar antenna additional reflections occur in the same interfering with the received signal. 

Their design and construction is highly resistant to atmospheric factors (rain, snow, ...). Allows be towed by any kind of vehicle that has a trailer hook approved, without any problems and can reach speeds up to 60 km / h. Its total weight is 40 kg and has a dynamic load capacity of 430 kg and a static capacity of 300 Kg. 

All elements except the chassis, are easily removable for maintenance or repair in the event it becomes necessary. The only components that require maintenance are a neat, the system rolling and steering, although very simple and virtually no cost. This requires applying petrolatum before use, thereby minimizing friction and facilitate heat dissipation. In the back you can attach any kind of support for any supplement, such as the use of a tachometer wheel that helps precisely position of the records obtained.

Figura 15. Rueda taquimétrica acoplada al remolque. 
Figure 15 tachometer wheel coupled to the trailer.

4.3 Ejemplos de registros obtenidos / Examples of records obtained


Para la realización de este estudio se ha utilizado una única antena de 500 MHz con motivo de hacer un análisis en profundidad de las distintas capas del firme a evaluar.

En el registro representado se puede observar la existencia de una primera capa de pavimento de unos 30 cm de espesor y de una segunda capa de relleno de espesor variable con profundidades comprendidas entre los 40 y 80 cm.

Se representan tres trazas tomadas del perfil en las que se pueden observar las reflexiones producidas por cada interfaz. La traza numero 3 en la que se observan múltiples reflexiones se corresponde con la presencia de una grieta  en el pavimento.

To carry out this study we have used a single antenna 500 MHz occasion to do a thorough analysis of the different layers of the firm to evaluate. 

Represented in the record shows the existence of a first layer of pavement about 30 cm thick and a second fill layer of variable thickness with depths between 40 and 80 cm. 

Profile taken three traces where you can see the reflections from each interface are shown. The trace number 3 in which multiple reflections are observed corresponding to the presence of a crack in the pavement.


Para la realización de este perfil se ha utilizado una antena de 500 MHz.  El registro de la parte superior se corresponde con un registro virgen obtenido con dicha antena. Para su obtención se ha determinado una toma de datos cada 5 metros, un stacking de 8 trazas y una ventana de tiempos de 45 ns, la frecuencia de muestreo deslizante es de 6.64 GHz para un total de 309 puntos por traza.

To carry out this profile has been used an antenna 500 MHz. Registration top corresponds to a blank record obtained with the antenna. To obtain a wall has been determined data every 5 meters, stacking 8 traces and time window of 45 ns, the sampling frequency slider is 6.64 GHz for a total of 309 points per trace.


Continúa en:  Continued on:  GPR (Geo-radar) Conclusions, Bibliography (XIV)

For more information or if you prefer this article in pdf-format, contact with us:


Or, send us an e-mail.

jueves, 22 de enero de 2004

GPR (Geo-radar) Pavement evaluation with GPR (XII)/ Evaluación de pavimentos con geo-rádar (XII)


Investigación de Enmacosa dentro del proyecto "APLICACIÓN DE SENSORES RADAR PARA DETECTAR Y EVALUAR EL ESTADO DEL PAVIMENTO Y LA RED DE TUBERÍAS Y SERVICIOS EN EL SUBSUELO URBANO", cofinanciado por la Xunta de Galicia (2001-2004). 




Capítulo 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1 Leyes de Maxwell

1.2 Parámetros electromagnéticos de un medio

1.2.1 Conductividad (σ)

1.2.2 Permitividad dieléctrica (ε)
1.2.3 Permeabilidad magnética ( μ )
1.3 Propagación de una onda electromagnética
1.4 Parámetros efectivos
1.5 Impedancia de un medio
1.6 Profundidad nominal de penetración (skin depth)
1.7 Reflexión y transmisión de ondas electromagnéticas
1.8 Pérdidas de energía por procesos internos al medio
1.8.1 Dispersión geométrica del frente de ondas
1.8.2 Absorción
1.8.3 Dispersión de la energía (“scattering”)
1.9 Capacidad de penetración. Ecuación radar
1.10 Capacidad de resolución y zona de influencia

Capítulo 2: CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS GPR
2.1 Origen y desarrollo del GPR
2.2 Características de los equipos
2.2.1 Unidad de control
2.2.2 Parámetros de un registro
2.2.3 Antenas
2.2.4 Accesorios
2.2.5 Equipos complementarios
2.4 Equipos del mercado
2.4.1 Equipos de propósito general
2.4.2 Equipos adaptados al estudio de carreteras
2.4.3 Equipos exclusivamente destinados a la detección de tubos y tuberías
2.5 Presentación de resultados

Capítulo 3: DETECCIÓN DE REDES DE SERVICIOS EN ENTORNOS URBANOS
3.1 Consideraciones sobre tipos de servicios, tipos de suelos y antenas utilizadas
3.2 Aparición de eventos hiperbólicos en los registros
3.3 Otros factores relacionados con la naturaleza y tamaño de los reflectores
3.4 Consideraciones sobre la polaridad de la señal recibida
3.5 Determinación de la velocidad de propagación de la onda
3.6 Ejemplos de estudios realizados

Capítulo 4: EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS
4.1 Aplicaciones
4.1.1 Medición del espesor del pavimento
4.1.2 Control de calidad en nuevas construcciones
4.1.3 Estudio de daños
4.2 Diseño del remolque
4.2.1 Introducción
4.2.2 Descripción técnica
4.3 Ejemplos de registros obtenidos

Conclusiones

Bibliografía

4.1.3 Estudio de daños. / Damage assessments. 


En Finlandia la aplicación más popular del GPR se centra en la exploración de daños en carreteras. En estos estudios, el cliente suele ser un supervisor local del mantenimiento de las carreteras que precisa información sobre los defectos que han aparecido repentinamente y que requieren ser reparados inmediatamente. La capacidad para identificar de una manera precisa los límites del problema permitirá economizar los costes de la reparación  lo que cubrirá los costes del estudio GPR.

En USA los estudios de daños han sido realizados principalmente en investigación sobre puentes como la condición del concreto protectivo y selladura de agua o el estado de la cubierta (deck) del puente, aunque hay una gran cantidad de daños en carreteras que pueden ser detectados con la tecnología GPR.

In Finland the most popular application of GPR focuses on the exploration of damaged roads. In these studies, the client is usually a local supervisor of road maintenance that accurate information on defects that have suddenly appeared and need to be repaired immediately. The ability to accurately identify a problem limits enable saving of the repair costs will cover the costs of the GPR study. 

In USA the damage surveys have been conducted mainly in research on the condition of bridges and concrete protective and sealing of water or the condition of the deck (deck) bridge, although there is a lot of damage to roads that can be detected with PIM technology.



 Daños por helada / Frost damages 

En las investigaciones sobre daños por helada el objetivo del estudio es localizar con precisión las zonas dañadas y descubrir las razones de los daños. Los daños más importantes se producen por la existencia de un subsuelo muy subceptible a heladas. Otros factores que pueden contribuir son compactaciones pobres, malos drenajes...

En Finlandia las razones más habituales de los levantamientos por congelación (frost heave) incluyen: el tipo de subsuelo soporte y las regiones de transición húmedas, la presencia de capas de rocas y piedras grandes. Sin embargo, en muchos casos los propios elementos estructurales que constituyen la carretera provocan también los daños, incluyendo las cuñas con una transición demasiado abrupta que intentan distribuir los movimientos del frost heave sobre un área muy grande y la presencia de antiguos conductos. Todos estos elementos pueden ser identificados a partir de los datos GPR y en la mayoría de los casos las recomendaciones preliminares sobre los métodos para repararlos, pueden ser facilitados en el propio campo de trabajo.  

In research on frost damage the objective of the study is to accurately locate the damaged areas and discover the reasons for the damage. The major damage occurs by the existence of a ground frost subceptible. Other factors that may contribute include poor compaction, poor drainage ... 

In Finland the most common reasons for frost heave (frost heave) include: the type of ground support and humid regions of transition, the presence of layers of rocks and boulders. However, in many cases, the structural elements that constitute the road themselves also cause damage, including wedges with a too abrupt transition distribute attempting frost heave movements over a large area and the presence of old pipes. All these elements can be identified from the GPR data and in most cases the preliminary recommendations on methods to repair, can be provided in the field of work itself.


Figura 5 Daños en el pavimento producidos por un subsuelo muy susceptible a heladas.Figure 5 Damage to the pavement resulting from a basement very susceptible to frost
Figura 6  Frost heave.  El suelo que sirve como soporte al pavimento presenta cavidades llenas de agua que a bajas temperaturas se convierte en hielo. Debido a la capilaridad, su tamaño sigue aumentando de forma que llega a producir un levantamiento parcial del pavimento.Figure 6 Frost heave. The ground floor serves as support has filled cavities at low temperatures water becomes ice. Due to the capillary size continues to increase so that does cause a partial lifting of the pavement

Grietas y propagaciones de grietas / Cracks and crack propagation 

Localizar grietas subterráneas y encontrar las razones de su propagación es un campo de creciente interés. En estos proyectos el contratista quiere saber si las grietas existentes en el pavimento son simplemente grietas superficiales o por el contrario son debidas a defectos estructurales importantes, en este caso estas grietas reaparecerán en la superficie de la carretera poco después de que se rellenen. Por lo que conociendo la causa de las mismas es posible elegir una estrategia de rehabilitación alternativa en estas zonas, como mejorar la estabilización de la base o emplear geotextiles para prevenir el crecimiento de las grietas.

Ha habido bastante experimentación para determinar si los métodos GPR pueden ser empleados para localizar grietas especialmente en puentes (Momayez et al. 1994), y algunos tests también han sido realizados en autopistas (Maser y Scullion, 1992b). La mayoría de los resultados no han sido tan esclarecedores como se esperaba. Sin embargo, estos tests han sido realizados a velocidades elevadas y con pocas trazas por metro con antenas de bocina. Por lo que este procedimiento no presenta la resolución óptima para identificar defectos verticales de este tipo. Los resultados positivos solo han sido logrados para grietas de gran tamaño (Maser y Scullion, 1991).

Locate underground cracks and find the reasons for its spread is a field of growing interest. In these projects the contractor wants to know if the cracks in the pavement are just surface cracks or otherwise are due to major structural defects, in this case these cracks will reappear on the surface of the road shortly after they are completed. So knowing the reason thereof may choose alternative rehabilitation strategy in these zones to improve the stabilization of the base or geotextiles used to prevent growth of the cracks.

There has been considerable experimentation to determine if GPR methods can be used to locate cracks especially on bridges (Momayez et al., 1994), and some tests have also been conducted on motorways (Maser and Scullion, 1992b). Most of the results have not been as enlightening as expected. However, these tests were performed at elevated and with few traces per meter with horn antennas speeds. As this procedure does not have the resolution to identify optimal vertical defects of this type. Positive results have been achieved only for large cracks (Maser and Scullion, 1991).

Figura 7 La aparición de grietas y su propagación es uno de los problemas más comunes.Figure 7 The appearance of cracks and their propagation is one of the most common problems
En Finlandia las grietas en el asfalto han sido detectadas utilizando antenas ground coupled de 1GHz con una densidad de muestreo elevada (10-20 muestras/m). En estos casos ha sido posible seguir la propagación de las grietas y también identificar la causa de las mismas, lo que nos proporciona una información muy útil a la hora de predecir el estado del pavimento. Este tipo de test no se puede hacer a velocidades elevadas (autopista).

Otros investigadores también han realizado estudios para determinar si el GPR puede aportar información sobre la fatiga del pavimento (que está estrechamente relacionado con la propagación de grietas). Los resultados tampoco han sido muy alentadores. 

In Finland the cracks in the asphalt have been detected using ground coupled antennas 1GHz with a high sampling density (10-20 samples / m). In these cases it has been possible to follow the crack propagation and identify the cause of the same, which gives us a very useful in predicting pavement condition information. This type of test can not be done at high speeds (highway). 

Other researchers have also conducted studies to determine whether GPR can provide information on pavement fatigue (which is closely related to crack propagation). The results have not been very encouraging.

Stripping

En Texas, en varias mezclas de asfalto antiguas construidas con grava de río se ha descubierto su tendencia al stripping, y la mayoría han sido enterradas bajo otras capas de asfalto. El stripping es un mecanismo relacionado con la humedad por el cúal la unión del asfalto y el conglomerado se rompe provocando una capa inestable de baja densidad. Si es posible, las capas stripped deben ser detectadas y eliminadas antes de aplicar un nuevo revestimiento. El Instituto de Transporte de Texas ha dirigido varios estudios para identificar la presencia de stripping dentro del pavimento existente. Si la capa de asfalto es homogénea (sin stripping), en los registros 

Figura 8  Grieta producida por stripping.
Figure 8 Crevice produced by stripping.
GPR aparecerá una reflexión fuerte en la superficie y otra en la interfase asfalto/base. En cambio si hay presencia de stripping, un pico adicional aparecerá entre las reflexiones de la superficie y la base.

En los estudios realizados hasta ahora las capas stripped producen este pico negativo en la forma de onda GPR, indicando la presencia de esta capa de baja densidad. Estos trabajos son más eficientes con antenas de bocina de 1GHz (air-launched). Se necesitan más estudios para relacionar los niveles de stripping con su impacto en la onda GPR.

In Texas, several mixtures of old asphalt built with river gravel has been found to trend stripping, and most have been buried under other layers of asphalt. The stripping is a moisture-related mechanism by which the binding of the asphalt and the conglomerate has ruptured, causing an unstable layer of low density. If possible, stripped layers must be detected and removed before applying a new coating. The Texas Transportation Institute has conducted several studies to identify the presence of stripping within the existing pavement. If the asphalt layer is homogeneous (no stripping), records 

GPR strong reflection appears on the surface at the interface and other asphalt / base. However if stripping is present, an additional peak appears between the reflections from the surface and the base. 

In studies so far stripped layers produce this negative peak in the form of GPR wave, indicating the presence of this layer of low density. These jobs are more efficient with 1GHz horn antennas (air-launched). Further studies are needed to relate the levels of stripping to their impact on the GPR wave.
Figura 9 Reflexiones GPR relativas a una zona con capa de asfalto: a) en buen estado b) donde se observa la presencia de stripping aproximadamente a 3 pulgadas y media de la superficie. Figure 9 GPR Reflections on an area with asphalt: a) in good condition b) where the presence of stripping is observed approximately 3 ½ inches from the surface.

Detección de oquedades / Detection of voids 

La formación de huecos bajo el pavimento es un problema muy serio. Este fenómeno está particularmente asociado a pavimentos de hormigón construidos con bases estabilizadas. Con el paso del tiempo las bases se socavan y el material de soporte frecuentemente se viene abajo cuando es sometido a grandes cargas (camiones de gran tonelaje). La tecnología GPR permite detectar huecos con humedad bajo los bloques de hormigón. Un claro ejemplo de ello lo constituyen los estudios realizados en la US59 del norte de Houston, Texas. Si la estructura estuviera en buenas condiciones muy poca energía GPR debería reflejarse en la interfase bloque hormigón / base cementada ya que las propiedades eléctricas de ambos materiales suelen ser similares. Sin embargo, si aparecen huecos con humedad entonces una reflexión más importante deberá aparecer.

Se necesitan más estudios para ver si el GPR puede detectar la presencia de huecos llenos de aire bajo los bloques de hormigón y distinguir entre los huecos con humedad y las capas de base saturadas.

The formation of voids under the pavement is a very serious problem. This phenomenon is particularly associated with concrete pavements constructed with stabilized bases. With the passage of time will undermine the foundations and support material often falls apart when subjected to heavy loads (HGVs). The GPR technology can detect moisture low hollow concrete blocks. A clear example of this are the studies in the US59 north of Houston, Texas. If the structure was in good condition GPR little energy to be reflected at the interface concrete block / base cemented because the electrical properties of the two materials are generally similar. However, if moisture gaps with a larger reflection then must appear appear. 

Further studies are needed to see if the GPR can detect the presence of air-filled voids under the concrete blocks and hollow distinguish between wet and saturated underlayments.

Asentamientos y corrimientos de suelo / Landslides and ground settlements 

En estudios realizados en Finlandia para tratar de determinar las causas de asentamientos, la tecnología GPR ha resultado especialmente eficaz donde había asentamientos irregulares en perfiles transversales. En este caso, para elegir la estrategia de reparación óptima, los topógrafos deben saber la forma tridimensional de la estructura de la carretera y el estado del suelo sobre el que descansa. GPR localiza las causas de las irregularidades de desnivel que son comunes en áreas montañosas con carreteras construidas en desniveles pronunciados. Situando las áreas de humedad que producen estas irregularidades. En USA el método tiene un gran potencial para estudios de daños provocados por áreas arcillosas de gran extensión, porque estos suelos, altamente absorbentes, deben ser identificados fácilmente con GPR.

In studies conducted in Finland to try to determine the causes of settlements, the GPR technology has been particularly effective where there were settlements in cross sections. In this case, to choose the optimal repair strategy, surveyors must know the three-dimensional shape of the road structure and condition of the ground on which it rests. GPR locates the causes of slope irregularities that are common in mountainous areas with roads built on steep slopes. Locating areas of moisture produced by these irregularities. In USA the method has great potential for studies of clay damage large areas because these soils, highly absorbent, must be easily identified with GPR.

Figura 10 Este tipo de problemas es común en áreas montañosas con carreteras construidas en desniveles pronunciados.Figure 10 This type of problem is common in mountainous areas with roads built on steep slopes.

4.2 Diseño del remolque / Trailer design 

Continúa en:  Continued on:  GPR (Geo-radar) Pavement evaluation with GPR (XIII)

For more information or if you prefer this article in pdf-format, contact with us:


Or, send us an e-mail.

miércoles, 21 de enero de 2004

GPR (Geo-radar) Pavement evaluation with GPR (XI) / Evaluación de pavimentos con geo-rádar (XI)

Investigación de Enmacosa dentro del proyecto "APLICACIÓN DE SENSORES RADAR PARA DETECTAR Y EVALUAR EL ESTADO DEL PAVIMENTO Y LA RED DE TUBERÍAS Y SERVICIOS EN EL SUBSUELO URBANO", cofinanciado por la Xunta de Galicia (2001-2004). 




Capítulo 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1 Leyes de Maxwell

1.2 Parámetros electromagnéticos de un medio

1.2.1 Conductividad (σ)

1.2.2 Permitividad dieléctrica (ε)
1.2.3 Permeabilidad magnética ( μ )
1.3 Propagación de una onda electromagnética
1.4 Parámetros efectivos
1.5 Impedancia de un medio
1.6 Profundidad nominal de penetración (skin depth)
1.7 Reflexión y transmisión de ondas electromagnéticas
1.8 Pérdidas de energía por procesos internos al medio
1.8.1 Dispersión geométrica del frente de ondas
1.8.2 Absorción
1.8.3 Dispersión de la energía (“scattering”)
1.9 Capacidad de penetración. Ecuación radar
1.10 Capacidad de resolución y zona de influencia

Capítulo 2: CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS GPR
2.1 Origen y desarrollo del GPR
2.2 Características de los equipos
2.2.1 Unidad de control
2.2.2 Parámetros de un registro
2.2.3 Antenas
2.2.4 Accesorios
2.2.5 Equipos complementarios
2.4 Equipos del mercado
2.4.1 Equipos de propósito general
2.4.2 Equipos adaptados al estudio de carreteras
2.4.3 Equipos exclusivamente destinados a la detección de tubos y tuberías
2.5 Presentación de resultados

Capítulo 3: DETECCIÓN DE REDES DE SERVICIOS EN ENTORNOS URBANOS
3.1 Consideraciones sobre tipos de servicios, tipos de suelos y antenas utilizadas
3.2 Aparición de eventos hiperbólicos en los registros
3.3 Otros factores relacionados con la naturaleza y tamaño de los reflectores
3.4 Consideraciones sobre la polaridad de la señal recibida
3.5 Determinación de la velocidad de propagación de la onda
3.6 Ejemplos de estudios realizados

Capítulo 4: EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS
4.1 Aplicaciones
4.1.1 Medición del espesor del pavimento
4.1.2 Control de calidad en nuevas construcciones
4.1.3 Estudio de daños
4.2 Diseño del remolque
4.2.1 Introducción
4.2.2 Descripción técnica
4.3 Ejemplos de registros obtenidos

Conclusiones

Bibliografía

Capítulo 4: EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS

4.1 Aplicaciones


La aplicación de los sistemas de radar para evaluar el estado del pavimento en fimes rígidos y flexibles constituyen un campo de gran interés para el ámbito de la ingeniería civil, la construcción de infraestructuras y el mantenimiento de éstas. La detección de cavidades y áreas de subsidencia en el subsuelo supone una preocupación continua para el ingeniero civil, tanto como estudio previo a la ejecución de una obra, como por las posibles consecuencias en la propia obra en sí o simplemente por el efecto que causa su aparición en construcciones ya ejecutadas.

Este efecto depende en gran medida del tipo de superficie situado sobre la cavidad. En general, si la superficie está constituida por un pavimento flexible, cabe esperar algún tipo de “aviso” en forma de ondulación superficial. De distinta naturaleza son los problemas que se producen por la aparición de cavidades bajo firmes o estructuras rígidas, tales como losas de hormigón; en este caso el colapso se puede producir de forma inesperada. Un estudio pormenorizado de estos fenómenos ha sido llevado a cabo en nuestro país utilizando el primer sistema de radar que llegó a España en el año 1990, adquirido por el Laboratorio de Geotécnia del CEDEX y financiado por la Dirección General de Carreteras (Prospección geofísica de alta resolución con geo-radar. Aplicación a obras civiles. Serie Monografías Científicas, Servicio Publicaciones Ministerio de Fomento, 198 p, Madrid, 1996. ISBN 84-7790-256-9)
 Deterioros como grietas, fisuras y oquedades que suelen ser generados por causas mecánicas, es decir, por esfuerzos sobre elementos de la estructura que generan unas tensiones que acaban produciendo la ruptura cuando el esfuerzo mecánico generado es superior al previsto durante la construcción. Los daños producidos pueden ser grietas, fisuras o desprendimientos, entendiendo como grietas, las aperturas de un elemento constructivo que afectan a su totalidad, como fisuras, aquellas que afectan únicamente a su superficie o a los elementos de recubrimiento de la estructura, y como desprendimiento, la separación de parte del acabado de una estructura del soporte sobre el que se había aplicado. A menudo, este último tipo de defecto es consecuencia de la evolución de fisuras y grietas (Monjo, 1991). Estos daños se pueden ocasionar por todo tipo de sobrecarga producida en un elemento estructural, dilataciones térmicas, deformaciones o problemas constructivos.

The application of radar systems to evaluate the pavement condition on rigid and flexible FIMES is a field of great interest to the field of civil engineering, infrastructure construction and maintenance of these. Detection of cavities and areas of subsidence in the ground is a continuing concern for civil engineering, as well as prior to the execution of a work study, and the possible consequences in the work itself itself or simply the effect of their appearance and executed buildings. 
This effect depends largely on the type placed on the cavity surface. In general, if the surface is composed of a flexible pavement, expect some kind of "warning" in the form of buckling. Of different types are the problems which occur by the appearance of cavities under firm or rigid, such as slabs of concrete structures; in this case, collapse may occur unexpectedly. A detailed study of these phenomena has been carried out in our country using the radar system first came to Spain in 1990, acquired by the Geotechnical Laboratory CEDEX and funded by the Directorate General of Highways (Geophysical Prospecting high resolution geo-radar. Application to civil works. Scientific Monograph Series, Ministry of Public Service Publications, 198 p, Madrid, 1996 ISBN 84-7790-256-9) 
Impairments as cracks and voids that are usually generated by mechanical causes, ie, strain on structural members generating voltages ends up causing rupture when mechanical stress is higher than expected generated during construction. The damage may be cracks, fissures or tears, meaning cracks, openings constructive element affecting its entirety, as cracks, those that affect only the surface or covering elements of the structure, and as a detachment, separation of the finishing of a support structure on which it was applied. Often, the latter type of defect is the result of the evolution of cracks and (Monjo, 1991) cracks. This damage can cause all kinds of overhead incurred in structural members, thermal expansion, deformation or construction problems.

 4.1.1 Medición del espesor del pavimento Measuring the thickness of the pavement


La mayor parte de los trabajos de GPR en USA se han basado en el estudio de las medidas del espesor del pavimento. Esta información ha sido recogida tanto para estudios del estado de la red donde el espesor es necesario para las bases de datos PMS como para propósitos generales relacionados con el diseño de pavimentos. La antena de 1GHz es la más idónea para este tipo de estudios. 

Uno de los principales problemas de los PMS (Pavement Management Systems) es la falta de una buena documentación de espesores de capas. Las bases de datos basadas en viejos planes son por lo general difíciles de implementar y su precisión es más que cuestionable. GPR está siendo utilizado como una de las herramientas necesarias para construir estas bases de datos de capas de pavimento, minimizando el número de corers que deben ser recogidos. Con está técnica se pueden identificar las secciones homogéneas de pavimento y estimar de esta manera el espesor de la capa superior. En la mayoría de los casos la reflexión de la parte inferior de la base es relativamente fácil de localizar, pero las grandes variaciones en las propiedades dieléctricas de los materiales que componen la base, a veces provocan problemas a la hora de calcular de manera precisa el espesor. Aunque por otro lado, estos cambios en las constantes dieléctricas de los materiales de la base aportan una información sobre las propiedades mecánicas de esta capa. En el futuro habrá que trabajar más en el desarrollo de modelos dieléctricos para los diferentes tipos de materiales de pavimento, lo que permitirá conseguir una mayor precisión en el cálculo del espesor. Con pavimentos muy antiguos es a veces complicado obtener el espesor a partir de los datos GPR porque los materiales de la base y los subyacentes están mezclados y no aparece una reflexión clara entre las dos capas. En países como Finlandia, la información relacionada con los espesores de pavimento obtenidos mediante estudios GPR, está siendo almacenada en una base de datos GIS basada en PMS.

Most of the works of GPR in USA have been based on the study of the measurements of the thickness of the pavement. This information was collected for both studies the state of the network where the thickness is required for PMS data bases as for general purposes related to pavement design. 1GHz antenna is most suitable for such studies. 

One of the main problems of PMS (Pavement Management Systems) is the lack of good documentation layer thickness. Databases based on old plans are usually difficult to implement and their accuracy is questionable. GPR is being used as one of the tools to build these databases pavement layers, minimizing the number of cores to be collected tools. This technique can identify the uniform sections of pavement and thus estimate the thickness of the top layer. In most cases the reflection of the bottom of the base is relatively easy to locate, but the large variations in the dielectric properties of the materials making up the base, sometimes cause problems in accurately calculating the thickness. While on the other hand, these changes in the dielectric constants of the base materials provide information on the mechanical properties of this layer. In the future there will be more work in the development of dielectrics for different types of pavement materials models, allowing greater precision in calculating the thickness. With very old pavements is sometimes difficult to obtain the thickness from the GPR data because the base material and the underlying are mixed and no clear reflection occurs between the two layers. In countries such as Finland, the information related to the thickness of pavement in studies GPR is being stored in a GIS database based PMS.

4.1.2 Control de calidad en nuevas construccionesQuality control in new constructions

GPR también puede utilizarse como una herramienta de control de calidad en los proyectos de asfaltado. Los pavimentos construidos más recientemente  son relativamente fáciles de evaluar con GPR. Las interfases de la parte superior de la base y la parte superior de la  subrasante son normalmente bastante claras. La precisión en las predicciones  GPR para los espesores de pavimentos nuevos tienen un error generalmente menor del 3%. Además, como las reflexiones en los nuevos pavimentos suelen ser más uniformes, la tecnología GPR puede obtener mejores resultados a la hora de localizar defectos de construcción. Las aplicaciones más comunes para pavimentos recientes son:

GPR can also be used as a tool for quality control in asphalt projects. The most recently constructed pavements are relatively easy to evaluate GPR. The interfaces of the top of the base and the top of the subgrade are usually quite clear. The accuracy of the GPR predictions for new pavement thicknesses are generally less error of 3%. In addition, as reflections on the new pavement generally more uniform, the GPR technology can get better results when locating construction defects. The most common applications for new pavements are:

Verificación de espesores /  Thickness verification


La técnica GPR se puede utilizar para identificar en que zonas se deben tomar más corers, aquellas donde se detecta que las capas son más finas. La verificación de espesores solo es recomendada para pavimentos de asfalto, no para pavimentos de hormigón ya que la señal GPR se atenúa substancialmente en las capas de hormigón construidas recientemente. Otro problema con estas capas es que habitualmente están colocadas encima de capas base de cemento estabilizadas. Estos materiales tienen propiedades dieléctricas muy parecidas por lo que en ocasiones no se aprecian reflexiones destacables por debajo del bloque de hormigón.

The GPR technique can be used to identify areas that should be taken more corers, those where it is detected that the layers are thinner. Thickness verification is recommended only for asphalt pavements, not for concrete as the GPR signal is attenuated substantially in newly constructed concrete layers. Another problem is that these layers are typically positioned above stabilized cementitious layers. These materials have very similar dielectric properties so sometimes unremarkable reflections are seen below the concrete slab.
Figura 1 Verificación del espesor de las distintas capas. Figure 1 Verification of the thickness of the various layers.

Detección de defectos / Defect detection 


Los registros obtenidos para las capas de asfalto recientemente construidas se caracterizan por dos reflexiones típicas, la primera debida a la capa superficial de asfalto y la segunda a la parte superior de la base. El intervalo de tiempo entre estas dos reflexiones es empleado para estimar el espesor de la capa de asfalto. Teniendo en cuenta la supuesta homogeneidad de esta capa pueden ser detectados defectos de construcción si se observan reflexiones intermedias significantes en este intervalo.



Records obtained for layers of newly constructed asphalt typically are characterized by two reflections, the first due to the surface layer of asphalt and the second to the top of the base. The time interval between the two reflections is used to estimate the thickness of the asphalt layer. Given the homogeneity of this layer assumed can be detected if significant construction defects intermediate reflections are observed in this range.

Figura 2 Detección de defectos en pavimentos nuevos utilizando GPR. a) Traza individual representativa de un pavimento homogéneo bien compactado b) En esta traza se observa reflexiones adicionales  intermedias debidas a un defecto de construcción.Figure 2 Detection of defects in new pavements using GPR. a) Draw a representative single homogeneous floor well compacted b) This intermediate trace additional reflections are observed due to faulty construction

Detección de segregación / Detection segregation 



Figura 3 Típico agrietamiento producido por segregación.
Figure 3 Typical cracking caused by segregation.

Un problema relacionado con la mayoría de las capas de asfalto densamente escalonadas es la segregación de la "carga final". Estas pequeñas zonas de segregación son muy difíciles de detectar durante los procesos de fijación y compactación y normalmente se hacen visibles después de unos meses de servicio. Esta segregación  provoca generalmente zonas porosas espaciadas lo que puede desembocar con el tiempo en la formación de baches y agrietamientos.



Algunos estudios realizados han constatado una variación de la permitividad superficial detectada por el GPR en pavimentos que presentan problemas de segregación, mientras que para pavimentos en buen estado la permitividad se mantiene aproximadamente constante.



A problem with most densely graded asphalt layers is the segregation of the "final charge". These small areas of segregation are very difficult to detect during the process of setting and compaction and usually become visible after a few months of service. This usually causes segregation spaced porous zones which can lead eventually to the formation of potholes and cracks. 

Some studies have found a variation of the surface detected by the GPR permittivity in pavements which have problems of segregation, while paving in good permittivity remains approximately constant.

Figura 4 Influencia de la segregación del asfalto en el la permitividad dieléctrica superficial detectada por el GPR. Figure 4 Influence of segregation of asphalt in surface dielectric permittivity detected by the GPR.

4.1.3 Estudio de daños. / Damage assessments. 





For more information or if you prefer this article in pdf-format, contact with us:


Or, send us an e-mail.