SÄHKÖINEN VASTUSLUOTAUS TIEN PAINUMALASKENNAN LÄHTÖTIETOJEN HANKKIMISESSA

TIEN POHJA- JA PÄÄLLYSRAKENTEET TUTKIMUSOHJELMA 1994-2001 Menetelmäkuvaus TPPT 9 Espoo, 4.12.2001 SÄHKÖINEN VASTUSLUOTAUS TIEN PAINUMALASKENNAN LÄHTÖTIETOJEN HANKKIMISESSA 6 4 2 0-2 -4 Tierakenne w, % 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 4600 4610 4620 4630 4640 4650 4660 4670 4680 4690 4700 Jouko Törnqvist Rainer Laaksonen Markku Juvankoski VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka

1 Alkusanat Tien pohja- ja päällysrakenteet tutkimusohjelman (TPPT) lopputulosten tavoitteena on entistä kestävämpien uusien ja perusparannettavien kestopäällystettyjen teiden rakentaminen siten, että myös rakenteiden vuosikustannukset alenevat. TPPT-ohjelmassa kehitettiin tierakenteiden mitoitusta (TPPT-suunnittelujärjestelmä). Suunnittelujärjestelmään kuuluvissa mitoitusohjeissa ja menetelmäkuvauksissa esitetään ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tierakenne voidaan kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa. TPPT-suunnittelujärjestelmään sisältyy myös päällysrakenteen elinkaarikustannustarkastelu, jonka suorittamiseksi esitetään menettelytapa. Suunnittelujärjestelmälle on ominaista, että tierakenteen mitoitus tapahtuu paikkakohtaisilla tiedoilla ja parametreilla (liikenne, ilmasto, pohjamaa, käytettävät rakennemateriaalit, vanhat rakenteet). Mitoituksessa käytettävien pohjamaata ja rakennemateriaaleja koskevien parametrien määritys tapahtuu ensisijaisesti laboratoriokokeilla tai maastossa tehtävin mittauksin ja tutkimuksin. Myös muiden mitoituksessa tarpeellisten lähtötietojen hankinnassa ja ongelmakohtien tai muutoskohtien paikannuksessa käytetään maastossa ja tiellä tehtäviä havaintoja ja mittauksia. Suunnittelujärjestelmään kuuluvat oleellisena osana sitä täydentävät suunnittelun ja mitoituksen lähtötietojen hankintaa käsittelevät menetelmäkuvaukset. Esitettävät menetelmät ja menettelytavat on todettu käyttökelpoisiksi käytännön havaintojen ja kokeiden perusteella. TPPT-ohjelman tuloksena laaditaan myös yhteenveto ohjelmaan sisältyneistä, mitoitusohjeiden laadinnassa hyväksikäytetyistä koerakenteista sekä yhteenveto tien rakennekerrosten materiaaleista ja niiden valintaan vaikuttavista tekijöistä. Tämän Sähköinen vastusluotaus tien painumalaskennan lähtötietojen hankkimisessa menetelmäkuvauksen ovat laatineet Jouko Törnqvist, Markku Juvankoski ja Rainer Laaksonen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikasta. Menetelmäkuvauksen sisältö on käyty läpi yhdessä tielaitoksen asiantuntijoiden kanssa. Joulukuussa 2001 Markku Tammirinne

2 Sisällysluettelo 1 TIEN PAINUMALASKENNAN LÄHTÖTIEDOT... 3 1.1 Painumalaskenta... 3 1.2 Sähköinen vastusluotaus... 4 2 SÄHKÖISTEN VASTUSLUOTAUSTEN SUUNNITTELU... 8 2.1 Mitattavien kohteiden valinta... 8 2.2 Mittauslinjan sijoittelu kohteessa... 9 3 SÄHKÖINEN VASTUSLUOTAUS... 10 3.1 Laitteet... 10 3.2 Mittaus... 11 3.3 Mittauksen laadunvalvonta... 12 3.4 Mittaustulosten taltiointi ja tulkinta... 12 3.5 Virhelähteet... 13 4 PAIKKAKOHTAINEN VESIPITOISUUSMUUNNOS JA TARKENNETUT PAINUMAPARAMETRIT... 14 4.1 Vesipitoisuusmuunnos... 14 4.2 Paikkakohtaiset painumaparametrit... 18 5 SÄHKÖISEN VASTUSLUOTAUKSEN MITTAUSDATAN KÄSITTELY PAINUMALASKENTAA VARTEN... 18 5.1 Sähköisen datan formaatti... 18 5.2 Datatiedostojen yhdistäminen... 20 5.3 Vastuksen ja vesipitoisuuden välinen vuorosuhde... 21 5.4 Mittausdatan jatkokäsittely... 22 6 TULOSTUS PAINUMALASKENNAN LÄHTÖTIEDOIKSI... 22 LIITE 1 LIITE 2 Sähköinen luotaus, mittaustiedon yhdistys, korjaus ja lajittelu RAIPIXohjelmalla Sähköisen vastusluotauksen tulosten käsittely ja piirtäminen

3 1 TIEN PAINUMALASKENNAN LÄHTÖTIEDOT 1.1 Painumalaskenta Maapohjan ominaisvastusjakautumaa mittaavalla sähköisellä vastusluotauksella (maavastusluotaus) hankitaan TPPT-suunnittelujärjestelmän mukaisessa tien painumalaskennassa tarvittavia lähtötietoja. Lähtötietojen hankinta poikkeaa huomattavasti tämänhetkisestä tavanomaisesta käytännöstä. Olennaisin muutos on pyrkimys painuman lähtötietojen jatkuvaan kuvaukseen. Menettelyn käyttöönoton lähtökohtana on ollut TPPT:n yksi tulostavoite: hallita tien tasaisuus ja sen muutokset. TPPT-suunnittelujärjestelmän painuman laskentamenettely perustuu jatkuvan maastomallin muodostamiseen ns. pikselimallina (Menetelmäkuvaus TPPT 19 Tien jatkuvan painumaprofiilin laskenta pikselimallilla). Pikselimallin maan ominaisuuksia kuvaavat lähtötiedot saadaan toisaalta sähköisestä vastusluotauksesta ja toisaalta täydentävistä pohjatutkimuksista. Maastomalli muodostuu tasotapauksessa (tien pituussuunnassa tai tien poikkisuunnassa) pienistä suorakaide-elementeistä, joissa elementtikohtaisista painumaominaisuuksista osa määritetään sähköisen vastusluotauksen tuloksista muodostettavan vesipitoisuustomografian avulla. Pikseleistä koostuvan maastomallin periaate on esitetty kuvassa 1. Tiepenger Huokosveden virtaussuunnat Vesipitoisuudesta riippumattomat parametrit pikseleittäin Vesipitoisuuden avulla määritellyt parametrit pikseleittäin Kuva 1. Pikseleistä koostuvan maastomallin periaate. Tien poikkisuuntainen tapaus. Kuvassa 2 on esitetty toimintakaavio lähtötietojen muodostamiseksi pikselikerrosmalliin. Tavanomaisessakin suunnittelukäytännössä tarvittavien lähtötietorekistereiden ja tiedostojen lisäksi toimintakaavioon kuuluvat olennaisina osina muunnokset maavastusluotauksista saatujen ominaisvastusten ja vesipitoisuuksien välillä sekä edelleen muunnokset vesipitoisuusavaruuden ja painumaparametrien välillä. Ensimmäisessä muunnoksessa ominaisvastukset muunnetaan paikkakohtaisiksi vesipitoisuuksiksi, jolloin käytetään hyväksi radiometristen mittausten tuloksia ja / tai maanäytteistä laboratoriossa määritettyjä pistekohtaisia vesipitoisuuksia. Toisessa muunnoksessa vesipitoisuus muutetaan painumalaskennan parametreiksi joko yleisten vuorosuhteiden tai ödometrikokeisiin pohjautuvien paikkakohtaisten muunnosten avulla. Muiden laskennassa käytettävien suureiden, esim. vesipitoisuudesta riippumattomien painumaparametrien, kuormitus- ja virtausreunaehtojen jne. muodostaminen tehdään tavanomaisen suunnittelukäytännön mukaisesti. Painuman laskenta suoritetaan pikselimalliin perustuvalla TSARPIX-ohjelmalla (ohjelman kuvaus: Menetelmäkuvaus TPPT 19 Tien jatkuvan painumaprofiilin laskenta pikselimallilla). Sähköisellä vastusluotauksella saatavaa informaatiota voidaan käyttää myös tavanomaisen kerrosrajoja sisältävän maastomallin luomiseen ja

4 siihen perustuvan painumalaskennan suorittamiseen. Tätä käyttöä ei ole käsitelty tässä yhteydessä. MITTAUS Luotausten suunnittelu Maanpinnan maastomalli Pohjatutkimusten suunnittelu Luotaustulosten laadunvalvonta RAIPIX -ohjelma Pikselikerrosmalli Laboratoriokokeet Maavastusluotaukset Pohjatutkimusrekisteri TSARPIX -ohjelma Kairaukset Näytteenotto Tien tasaus- ja poikkileikkaustiedot Ominaisvastusvesipitoisuusmuunnos Vesipitoisuuspainumaparametrimuunnos Vesipitoisuudesta riippumattomat parametrit Muut kerrostiedot Virtausreunaehdot Muut toimenpiteet, laskennat jne Kuva 2. Toimintakaavio lähtötietojen muodostamiseksi pikselikerrosmalliin. 1.2 Sähköinen vastusluotaus Sähköinen maavastusluotaus on yksi ainetta rikkomattomista, geofysikaalisista menetelmistä, joilla voidaan saada tietoa maapohjan ominaisuuksista niin, että ominaisuudet voidaan kuvata jatkuvana. Sähköinen vastusluotaus ei ole ns. rajapintamenettely (kuten esim. maatutka, seisminen luotaus, ks. esim. Geofysikaaliset tutkimusmenetelmät, Suomen geoteknillinen yhdistys r.y. ja Rakennustieto. Helsinki 1993 ja Geofyskiaaliset tutkimusmenetelmät. Maatutkaluotaus. Suomen geoteknillinen yhdistys r.y. ja Rakentajain Kustannus Oy, 1991), vaan luonteeltaan diffuusin rakennekuvauksen tuottava menetelmä. Toisin sanoen mittaustuloksista ei suoraan nähdä rajapintoja, vaan menetelmän tuloksena saadaan vastusarvoja. Sähköisellä vastusluotauksella on mahdollista, toisin kuin esimerkiksi maatutkaluotauksella,

5 saada informaatiota myös hyvin vesipitoisten maakerrosten alapuolelta, ja siten tunnistaa esimerkiksi savikerroksen alapuolisten tiiviiden maakerrosten tai kalliopinnan sijainti. Mikäli kallioon ulottuvien tiiviiden maakerrosten sähkönjohtavuuserot ovat hyvin pieniä, ei maakerroksia kuitenkaan välttämättä pystytä erottamaan kalliosta. Kivennäismaan sähkönjohtavuus riippuu merkittävimmin huokosveden määrästä ja sen suolapitoisuudesta. Lisäksi savien sähkönjohtavuuteen vaikuttaa saven sisältämien sähköä johtavien mineraalien määrä (mm. kiisut, grafiitti). Tavanomaisissa olosuhteissa saven vesipitoisuus kuitenkin on sähkönjohtavuuden määräävä tekijä. Siten esimerkiksi saven ominaisvastus on merkittävästi pienempi kuin karkearakeisten maakerrosten ominaisvastus. Sähköisen vastusluotauksen periaate painumalaskennan lähtötietojen hankinnassa on esitetty kuvassa 3. Menettelyn runkona on sähköinen ominaisvastusmittaus Wennerin α - menetelmällä. Wennerin menetelmässä kaksi virtaa syöttävää elektrodia (uloimpina) ja kaksi potentiaalieroa mittaavaa elektrodia (sisempinä) asennetaan samaan linjaan maan pinnalle siten, että elektrodien välit, a, ovat yhtä suuret. Näennäinen ominaisvastus, ρ a, määritetään syötetyn virran, I, ja syntyneen ja mitatun potentiaalieron, V, avulla kaavalla (1). V ρ a = 2 πa (1) I Mittauselektrodit asennetaan maahan tietyille vakioetäisyyksille toisistaan. Sähköä syöttävien elektrodien kytkentää sekä potentiaalieroa mittaavien potentiaalielektrodien jännitemittausta ohjataan automaattisesti tietokoneella. Lähekkäisten elektrodien virran syötöllä ja mittauksella saadaan tietoa maan pintaosista. Mitä kauempana toisistaan olevista elektrodeista virtaa syötetään ja potentiaalieroa mitataan, sitä syvemmältä maapohjasta informaatiota saadaan. Tämän johdosta yhdellä levityksellä saadaan maapohjasta keilamainen vastuskuvaaja. Kuvassa 4 on esitetty esimerkkinä (talonrakennussovelluksesta) yhdellä levityksellä saadun vastusjakautuman perusteella tulkittu maapohjan vesipitoisuusjakautuma. Sähköisellä vastusluotauksella saadaan mitattua sähköinen vastus tietyllä syvyydellä maanpinnasta (mittauselektrodien tasosta, joka on 0-taso). Mittaustulokset muutetaan todelliseen korkeustasoon topografiakorjauksella. Topografiakorjaus tehdään joko ennen inversiolaskentaa (ks. luku 3) tai sen jälkeen. Ensin mainittu menettely on suositeltavaa etenkin, jos maanpinnan tasoerot levityksen alueella ovat merkittäviä, koska inversiolaskenta ottaa huomioon geometriassa olevat vaihtelut.

6 2D ominaisvastusjakautuma m l., a s e v e o b l a v e e L Taso 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 4600 4620 4640 4660 4680 4700 Ω m 1000 400 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Radiometrisellä luotauksella määritetty ominaisvastus ja vesipitoisuus 4 Vesipitoisuusominaisvastus vuorosuhde W, % 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 R, ohm m 3 2 1 0-1 -2-3 -4 4670 6 4 2 0 110 100 90 80 70 60 50 40 w, % Vesipitoisuusjakautuma painumalaskentaan -2 30 20 10-4 0 4600 4610 4620 4630 4640 4650 4660 4670 4680 4690 4700 Kuva 3. Sähköiseen vastusluotaukseen perustuvan vesipitoisuusjakautuman muodostaminen painumalaskentaa varten.

7 Sorapintainen piha Rakennus viheralue jalankv. ajorata jalank.v. -0.5-1.0 w, % Etäisyys maan pinnalta, m -1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5-5.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 x, m Kuva 4. Yhdellä levityksellä maapohjan vesipitoisuusjakautumasta muodostettu kuvaus. Vastusluotaksessa mittauksen erottelukyky eli resoluutio on säädettävissä lähinnä vain elektroditiheydellä. Yleisesti käytettävällä mittausmenettelyllä, jossa 52 elektrodia sijoitetaan 102 metrin pituiseen levitykseen, mittauksen syvyysulottuma on n. 15 m ja ominaisvastukset tulkitaan vakioina alueelle, jonka korkeus on 1 m ja pituus 2 m. Yhden 52 elektrodilla suoritetun mittauksen (levityksen) kokonaislevityksen ja syvyysulottuman suuruudet sekä resoluutiot eri elektrodiväleillä on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1. Sähköisen vastusluotauksen kokonaislevityksen ja syvyysulottuman suuruus ja resoluutio 52 mittauselektrodia käytettäessä. Elektrodien väli Kokonaislevitys / Resoluutio h x l syvyysulottuma 2 m 102 m / 15 m 1 m x 2 m 1 m 51 m/ 7.5 m 0.5 m x 1 m 0.5 m 25.5 m / 3.75 m 0.25 m x 0.5 m Nykyisillä "työkaluilla" mittaustieto on tulkittavissa lähes jatkuvaksi maapohjan ominaisvastusavaruudeksi. Tämä edellyttää kuitenkin useampien mittausten suorittamista peräkkäin mittausalueita limittäen. Tyypillinen mittausten limitys on 25...50 % tarvittavasta mittauksen syvyydestä riippuen. Kokoonpuristuvien kerrosten paksuudesta riippuen elektrodien väliä ja limitystä voidaan täsmentää. Tarvittava syvyysulottuma painumalaskennan tarpeisiin on tyypillisesti luokkaa 5...10 m. Mittauksen kesto yhden levityksen tekemiseksi on n. 45 min / 100 m linjaa. Kahden hengen mittausryhmällä sekä 2...3 itsenäisellä mittauslaitteistolla työvuorokohtainen työsaavutus on arvioitavissa keskimäärin 0,5...1 kilometriksi. Mittauksen suorittaminen maastossa nykyisillä kalustoilla ei edellytä itse mittausmenetelmän syvällistä hallintaa eikä tulkintaosaamista. Rutiinimittausten suorittamiseen riittävä kokemus on hankittavissa mittausmenetelmän hallitsevan henkilön opastamana ja mittausmenetelmän perusteiden opiskelulla. Erityisosaamista tarvitaan mitattaessa erityisissä olosuhteissa, esimerkiksi tapauksissa, joissa elektrodeilla ei ole mahdollista saavuttaa hyvänlaatuista säh-

8 köistä kontaktia, sähköisten hajavirtojen vaikutusalueilla sekä mitattaessa tavanomaisesta poikkeavilla mittauskonfiguraatioilla, esim. 3D -mittaus jne. Sensijaan mittaustulosten tulkitsijalla tulee olla syvälliset tiedot itse mittaustekniikasta, ennen kaikkea mahdollisten mittausvirheiden arvioimiseksi. Suositeltavaa on myös, että tulkitsijalla on vähintään yleiskäsitys geologiasta, postglasiaalivaiheen sedimentaatioprosessien erityispiirteistä sekä maakerrosten geoteknisistä ominaisuuksista. TPPT:n suunnittelujärjestelmän mukaisen painumalaskentaohjelman käyttäjän tulee olla perehtynyt tavanomaisen konsolidaatioteorian perusteisiin sekä omata kokemusta tavanomaisista painumalaskennoista. Nämä tiedot on yleensä pohja- ja maarakennusmekaniikan syventävää koulutusta saaneilla geoteknikoilla. 2 SÄHKÖISTEN VASTUSLUOTAUSTEN SUUNNITTELU 2.1 Mitattavien kohteiden valinta TPPT -suunnittelujärjestelmän painumalaskentaa varten tielinjan maapohja ominaisuuksineen kuvataan jatkuvana. Maapohjan ominaisuuksien jatkuva kuvaaminen on kuitenkin tarpeen vain sellaisilla tielinjan osilla, joilla on odotettavissa yli 50 mm painumia 10...20 vuoden aikana. Vastusmittausten suorittamistarpeen paikantamiseksi tehdäänkin ensin alustava painumapotentiaalin arviointi. Alustavassa arvioinnissa mitattavat kohteet valitaan maaston topografiaan ja geologiseen syntyhistoriaan perustuen. Alustava tietoa topografiasta saadaan kartta-aineistosta (topografiakartta), ilmakuvista ja maastotarkasteluilla. Topografiatietojen perusteella muodostetaan alustava käsitys pehmeikköjen sijoittumisesta tielinjalla. Tähän tietoon pohjautuen ohjelmoidaan sähköiset mittaukset. Mittausohjelma sidotaan tien paalulukuun tai xyz-kordinaatistoon. Olemassa olevan tien mittavien kohteiden valinnassa tarvittavat lähtötiedot saadaan maaston topografiasta, vanhan tien suunnitteluasiakirjoista ja tien jo tapahtuneista painumista. Karkea käsitys tapahtuneista painumista voidaan saada vertaamalla suunniteltua tien pinnan korkeustasoa (tasausviivaa) vallitsevaan tiepinnan korkeustasoon. Tapahtuneiden painumien tarkempi määrittäminen edellyttää tietoa tien olemassaolon aikana tehdyistä päällystyksistä tai muista korjauksista. Alueilla, joilla maankohoaminen on merkittävää, on tarvittaessa otettava huomioon myös tarkasteluajankohdan ja tien rakentamisen välisenä aikana tapahtunut maankohoaminen. Vanhan rakenteen kerrospaksuudet mitataan tarvittaessa esim. maatutkalla (Menetelmäkuvaus TPPT 13 Tien rakennekerrostutkimukset). Kerrospaksuustietoa tarvitaan myös painumalaskelmissa vanhasta rakenteesta aiheutuvan kuormituksen määrittämiseksi. Tapahtuneiden painumien, vanhojen suunnitteluasiakirjojen, topografiatietojen ja maastokäynneillä tehtävien havaintojen perusteella muodostetaan käsitys pehmeikköjen sijoittumisesta olemassa olevalla tielinjalla. Näihin tietoihin pohjautuen ohjelmoidaan sähköinen vastusluotaus. TPPT- suunnittelujärjestelmän painumalaskennassa lähtötietojen hankinta ja etenkin uuden tien alustava painuman laskenta yhdessä muodostavat iteratiivisen prosessin. Sähköisellä mittauksella saatujen tulosten perusteella ohjelmoidaan jatkopohjatutkimukset, mutta jo alustavasti tulkittuja mittaustuloksia voidaan käyttää sähköisten luotausten laajentamistarpeen arviointiin. Alustava maapohjan painumaherkkyyden (painumapotentiaalin) tulkinta pohjautuu sähköisessä luotauksessa saatuun vastusjakautumaan. Karkeasti jaotellen

9 - vastuksen ollessa R > 500 Ωm maakerrosta voidaan pitää kokoonpuristumattomana ja - vastuksen ollessa R < 500 Ωm on kokoonpuristuminen mahdollista. Kokoonpuristuvia kerroksia tarkemmin jaotellen - vastuksen ollessa välillä 100 Ωm < R < 500 Ωm odotettavissa oleva kerroksen kokoonpuristuminen on kohtuullista ja - vastuksen ollessa R < 100 Ωm kokoonpuristuminen on merkittävää. 2.2 Mittauslinjan sijoittelu kohteessa Uuden tielinjan sähköinen vastusluotaus suoritetaan suunnitellun tien keskilinjalla. Tarvittaessa on otettava huomioon tielinjauksen maastokäytävän pohjasuhteiden vaihtelevuus myös poikkisuunnassa ja mahdollisten rinnakkaisten pituussuuntaisten mittauslinjojen tarve (kuva 5). Alueilla, joissa pohjasuhteet muuttuvat tien poikkisuunnassa merkittävästi, sähköisen mittauksen mittauslinjat voidaan sijoittaa tien molemmille puolille ja jatkokäsittelyssä käyttää hyväksi myös keskiarvoistettua mittaustietoa. Kuva 5. Mittauslinjat (merkintä ) sijoitetaan tarvittaessa tien molemmille puolille ja myös tien poikkisuuntaan. Olemassa olevalla perusparannettavalla tiellä mittauslinja sijoitetaan yleensä vain tien toiselle puolelle ojan ulkopuolelle (kuva 6). Tarvittaessa voidaan mitata myös tien molemmat puolet, vrt. kuva 5.

10 esim. 2 m Kuva 6. Olemassa olevalla tiellä mittauslinja sijoitetaan yleensä vain tien toiselle puolelle. Maaston topografiavaihtelun sekä uuden tai perusparannettavan tien leveyden perusteella määritetään tarvittavat mittauksen levitykset, mittauksen syvyysulottumat ja tarvittava mittaustarkkuus taulukon 1 avulla. Mittauslinja merkitään maastoon ennen mittauksen aloittamista. Kunkin levityksen aloituspiste on merkittävä maastoon selvästi muusta paalutuksesta erottuvana. Tutkimuslinjan maanpinta vaaitaan tai korkeus mitataan muulla tavoin yleensä 10...20 m välein. Topografialtaan poikkeavat kohdat, esimerkiksi kalliopaljastumien lähialueet, risteävät tiet jne. on vaaittava tiheämmin. Esimerkiksi tien poikkisuuntaan kuvan 6 tapauksessa kaikki tien taitepisteet (ojien ulkoluiskien reunat, ojien pohjat, tien ulkoreunat ja keskiviiva) vaaitaan. 3 SÄHKÖINEN VASTUSLUOTAUS 3.1 Laitteet VTT:n käyttämä sähköisen vastusluotauksen laitteisto koostuu virran syötön ja potentiaalieron mittauksen suorittavasta ABEM Terrameter vastusmittauslaitteistosta, joka on yhdistetty Keithleyn skannerin välityksellä maastokäyttöiseen, kannettavaan mikrotietokoneeseen ja 52:een mittauselektrodiin. VTT:n laitteiston kokoonpano on esitetty kuvassa 7. Yksittäiseen mittaukseen kytkeytyy kerrallaan aina neljä elektrodia (Wennerin menetelmä) mahdollisista 52:sta elektrodista. Elektrodit on yhdistetty mittalaitteeseen kahdella monijohtokaapelilla, jotka molemmat sisältävät 26 johtoa ja joissa on ulostulot kullekin elektrodille. Tällä hetkellä muutkin kaupallisesti saatavissa olevat mittauslaitteet ja niillä tehtävät mittaukset noudattavat periaatteessa seuraavassa esitettyjä periaatteita. Yksityiskohdissaan mittauksen suorituksessa saattaa kuitenkin olla laiteriippuvia poikkeamia.

11 Akut Virta- ja jännitemittaus Elektrodit Skanneri Kuva 7. VTT:n käyttämän sähköisen vastusluotauslaitteiston kokoonpano. 3.2 Mittaus Elektrodit on numeroitu 1:stä 52:een. Valitsemalla skanneria ohjaavaan tiedostoon halutut neljän elektrodin ryhmät, kaksi virran syöttöön ja kaksi potentiaalierojen mittaamiseen, voidaan laitteistolla mitata millä elektrodikonfiguraatiolla tahansa ja välikaapeleita hyväksi käyttäen lähes millä elektrodiväleillä tahansa. Yksittäistä virran syöttöä kohti voidaan myös mitata kaikki halutut potentiaalierot muiden elektrodien avulla. Perusmittausjärjestelmänä on Wenner-alpha järjestelmä, joka soveltuu hyvin yhdistettyyn vastuskartoitukseen ja -luotaukseen eli jatkuvaan luotaukseen. Järjestelmässä neljän mittaukseen osallistuvan elektrodin välimatkat ovat yhtä suuret (siis 2 m, 4 m, 6 m, 8 m,... 34 m). Tarvittaessa alpha-mittausta voidaan täydentää siitä riippumattomilla beetta- ja gammamittauksilla ja muodostaa pelkkää alpha-tulostusta parempi rakennekuva. Perusmittaus on suunniteltu niin, että syvyysulottuvuus vaihtelee 10 metristä 15 metriin syvimpien kohtien sijoittuessa kunkin linjan keskelle. Yksittäinen levitys sisältää 397 toisistaan riippumatonta Wenner-alpha -mittausta.

12 3.3 Mittauksen laadunvalvonta Mittauksen aikainen laadunvalvonta tapahtuu seuraamalla ABEM:n näyttöön tulevia vastusarvoja ja niiden yhtenevyyttä tiedostoon siirtyvien arvojen kanssa. Välittömästi yksittäisen levitysmittauksen suorittamisen jälkeen tuloksia voidaan tarkastella ns. pseudosyvyyssektio-esityksenä. Kutakin yksittäistä mittausta esitetään pikselillä, jonka sijainti on mittauksessa käytettävien elektrodien keskellä ja syvyydellä, joka on puolet elektrodien yhteisestä välimatkasta. Pikselille annetaan mittausta vastaava ominaisvastusarvo. Äkilliset muutokset mittausarvoissa, erityisesti yksittäisiin mittauksiin liittyvät selvästi ympäristöstään eroavat ominaisvastusarvot, ovat yleensä virheellisiä. Ne johtuvat esimerkiksi voimakkaista sähköisistä häiriötekijöistä kuten voimalinjoista, metalliaidoista tms. Tavanomaisessa linjamittauksessa riittävän syvyyspeiton aikaansaamiseksi on tapana aloittaa uusi mittauslevitys aina osittain edellisen mittauslevityksen päälle. Päällekkäiset mittaukset toimivat myös laadunvalvonnan välineenä. Yleensä mittausten toistettavuus on hyvä, eli virhe on 2...5 %, mikäli elektrodien paikat pysyvät siirrossa muuttumattomina. Päällekkäisten mittausten eri mittauslevitysten antamat toisistaan poikkeavat arvot tulee ehdottomasti tasata tai poistaa ennen painumalaskentaohjelmaan syöttöä, ks. luku 5.2. 3.4 Mittaustulosten taltiointi ja tulkinta Mittausten tulostiedostot, joista kukin sisältää yksittäiseen levitykseen liittyvät elektroditiedot ja mittaushavainnot, siirretään sellaisenaan levykkeellä laskentaan soveltuvaan mikrotietokoneeseen ja suoraan tulkintaohjelman syöttötiedoiksi. Varsinainen tulkintaohjelma laskee mittaustuloksista automaattisesti mittaustulokset teoreettisesti toteuttavan maapohjan sähkönjohtavuusrakenteen poikkileikkauksen. Ohjelmisto ratkaisee Poissonin yhtälön numeerisesti finite-differenssimenetelmällä. Tulkintaprosessin lähtömallina toimii mittaustuloksista muodostettu pseudosektiorakenne, jonka laskettuja teoreettisia mittausarvoja verrataan varsinaisiin kenttähavaintoihin. Tämän jälkeen ohjelmisto muuntaa iteratiivisesti ominaisarvoanalyysiin perustuvan pienimmän neliösumman optimoinnin avulla asteittain johtavuusrakennetta siten, että teoreettisten mittausarvojen ja kenttähavaintojen yhteensopivuus tulee riittävän hyväksi. Inversioprosessin vaatimat mittausarvojen ja kuvauspikselien väliset herkkyydet ratkaistaan kussakin iteraatiovaiheessa kahden suoran laskentatehtävän korreloinnilla. Kukin iteraatiokierros vaatii näin ollen 2 x 397 Poissonin yhtälön ratkaisua. Pentium-tason mikrotietokoneella (v.2000) laskenta kestää noin 30 minuuttia / iteraatiokierros. Yleensä riittävä yhteensopivuus teoreettisten arvojen ja mitattujen arvojen välille saavutetaan suuruusluokalleen yhdessä tunnissa. Laskenta on täysin automaattista ja esimerkiksi päivän aikana suoritetut mittaukset ehditään yleensä laskea yön aikana yhdellä tai useammalla mikrotietokoneella. ABEM Terrameter laitetoimitukseen kuuluu (Luleån yliopiston laatima) inversiolaskentaohjelma, jonka sisältö saattaa poiketa tässä kuvatusta VTT:n käyttämästä laskennasta. Sähkönjohtavuusrakenne lasketaan elementti-/ pikselirakenteelle, jossa yksittäisen pikselin koko ja sijainti on kiinteä koko laskennan ajan. Pikselien leveys vaakasuunnassa on sama kuin lyhin elektrodiväli ja vertikaalisuunnassa puolet lyhimmästä elektrodivälistä. Takaisinlaskennan loputtua johtavuuskuva tasoitetaan kaksiulotteisen kuutiosplini-sovituksen avulla lopulliseen pikselikokoon, jolloin ulottuvuudet ovat viidesosa alkuperäisistä. Tasoitettu johtavuusrakenne kuvaa sähköjohtavuusmittauksen diffusiivista luonnetta ja näin ollen myös sen todellista informaatiosisältöä paremmin kuin karkea tomografiakuva. Tasoittaminen parantaa myös syvyysmäärityksen tarkkuutta, koska interpoloinnissa otetaan huomioon myö ympäröivät mittausarvot.

13 3.5 Virhelähteet Automaattinen sähköinen tomografiakuvaus muodostaa johtavuusrakenteen, joka toteuttaa virherajojen puitteissa kaikki 397 mittaustulosta ja sijoittaa näin elementtiverkkoon sidottuna johtavuusvaihtelut oikeille syvyyksille. Jäätynyt maa tai lumi, maaperässä olevat erittäin johtavat kohteet jne. eivät näin ollen aiheuta ongelmia tulkinnassa, koska ne kuten muutkin johtavuusvaihtelut paljastuvat itse tomografiakuvassa. Käytettyä pikselikokoa pienempien kohteiden vaikutus keskimääräistyy koko pikselille. Johtavuusrakenteeseen jääneet yksittäiset, geologisesti hyväksyttävästä rakenteesta poikkeavat arvot tulee poistaa ennen kuin arvot siirretään painumalaskentaan. Pisteen poistamisen tulee perustua selvästi havaittavissa olevaan ja tunnistettuun virheeseen. Pelkästään rakenteen kuvauksen "kaunistamiseksi" pisteitä ei saa poistaa. Tulkintaprosessi olettaa, että kuvattava rakenne jatkuu linjaa vastaan kohtisuorassa suunnassa lähes samankaltaisena noin virtaelektrodivälin pituudelta. Tästä johtuen erityisesti suurilla elektrodietäisyyksillä saattavat kulun suuntaiset johtavuusvaihtelut aiheuttaa huomattaviakin virhevaikutuksia tulkintaan, jossa kaiken informaation oletetaan tulevan linjan alapuolelta. Näiden häiriötekijöiden vaikutus voidaan poistaa ainoastaan useilla vierekkäisillä mittauslinjoilla ja tulosten kolmiulotteisella tulkinnalla. Olemassa olevalla tiellä pölyn ja / tai liukkauden torjuntaan käytetystä suolauksesta johtuen maakerrosten sähkönjohtavuus on saattanut paikoitellen kohota. Tästä johtuen kerrosten painumapotentiaali (sähkönjohtavuus, vesipitoisuus) voi näyttää suuremmalta, kuin mitä se todellisuudessa on. Mittausmenetelmän kehittyessä koko ajan tullee tapahtumaan muutoksia sekä inversiolaskennassa että tarvittavassa mittaustekniikassa. Esimerkiksi pikselikoot viimeisimmissä ohjelmissa poikkeavat em. vakiokoosta. Toisaalta laitekehitys mahdollistaa jatkossa uusien, vastusluotausta täydentävien mittausten suorittamisen. Esimerkiksi IP -efektin (indusoitunut polarisaatio) määrittäminen vastusluotauksen rinnalla saattaa parantaa maapohjasta saatavan informaation luotettavuutta. Samalla se avaa mahdollisuuksia uusien, vastusluotauksesta riippumattomien maapohjaominaisuuksien määrittämiseen ja käsittelyyn. IP -mittauksessa virtasyötön käynnistäminen tai poistaminen aikaansaa pontentiaalierossa lyhytkestoisen, transientin muuttumisvaiheen maan käyttäytyessä kondensaattorin tapaan. Maa varautuu osasta syötettyä virtaa. Varaus purkautuu virran syötön keskeytyksen jälkeen. Tähän ilmiöön vaikuttavat maan sekä maan kapasitiiviset että sähkökemialliset ominaisuudet. Vastusluotaksen mittaustulos on siis osin mitta myös maan sähkökemiallisista ominaisuuksista. Koheesiomaan eräät ominaisuudet, kuten näennäinen koheesio, plastisuusrajat ja mahdollisesti myös sensitiivisyys, ovat riippuvia maan sähkökemiallisista käyttäytymisestä. Tämä avaa IP - efektin käytölle maan ominaisuuksien ja maakerrosten tunnistamisessa selkeästi uusia ja mielenkiintoisia mahdollisuuksia.

14 4 PAIKKAKOHTAINEN VESIPITOISUUSMUUNNOS JA TARKENNETUT PAINUMAPARAMETRIT 4.1 Vesipitoisuusmuunnos Sähköisellä mittauksella saatava ominaisvastusjakauma voidaan muuntaa vesipitoisuustomografiaksi. Jotta ominaisvastukset voidaan muuntaa vesipitoisuuksiksi, tarvitaan tieto jonkin tai joidenkin sähköisellä mittauksella mitattujen erillisten tutkimuspisteiden vesipitoisuusprofiileista. Koska savikerroksen ominaisvastus riippuu vesipitoisuuden lisäksi mm. saven mineraalikoostumuksesta, määritetään vesipitoisuusmuunnos vähintäänkin savikkoallaskohtaisesti. Tarvittavien tutkimuspisteiden määrä arvioidaan alueen sedimentoitumisprosessin perusteella. Laajoissa, yhtenäisissä savialtaissa pistekohtaisen määrityksen väli on suuruusluokkaa 200...300 m. Sähköisen vastusluotauksen alustavia tuloksia hyödynnetään paikkakohtaisen vesipitoisuusmuunnoksen referenssipisteen paikan valinnassa. Sähköisen mittauksen tulokset tulkitaan alustavasti. Painumaherkkyyden tulkinta pohjautuu sähköisessä mittauksessa saatuun vastusjakautumaan. Vastuksen arvoihin perustuva painumaherkkyysjaottelu on esitetty luvussa 2.1. Referenssipisteet sijoitetaan sellaisiin kohtiin, joissa vastuksen arvo on alle 500 Ωm ja joissa mielellään esiintyvät kaikki alueen kokoonpuristuvat maakerrokset. Ainakin pehmeimmistä kerroksista (R min ) tulisi aina saada mittaustulos. Muunnos tehdään jommallakummalla seuraavista menettelyistä: 1. Vesipitoisuus määritetään pistekohtaisesti, ns. radiometrisin gamma- ja neutronmittauksin (Menetelmäkuvaus TPPT10 Radiometrinen reikämittaus). Ominaisvastus määritetään joko sähköisen vastusluotauksen tulostuksesta tai erillisestä sähköisestä pisteluotauksesta. 2. Jatkuvan näytteenoton näytteistä määritetään vesipitoisuus sekä sitä vastaavat häiriintymättömän näytteen ominaisvastukset (instick tms. menetelmällä). Ominaisvastukset voidaan määrittää myös tässä menettelyssä sähköisen vastusluotauksen tulostuksesta näytteenoton kohdalta tai näytteenoton viereltä tehdyn ominaisvastusluotauksen (pistemäinen mittaus) avulla. Ominaisvastuksen ja eri keinoin määritetyn vesipitoisuuden välisen vuorosuhteen laatimiseksi on laadittu jatkokäsittelyohjelma RAIPIX (kuva 2 ja luku 5.2.1.). Radiometriseen mittaukseen perustuva menettelytapa (1) on suositeltavampi, koska sen avulla voidaan määrittää vesipitoisuusprofiili jatkuvana tai lähes jatkuvana. Radiometrisessä mittauksessa suoritetaan n-n- ja γ-γ-luotaukset. Näistä n-n on neutronsäteilyn hajaantumiseen (dispersioon) perustuva vesipitoisuusmittaus ja γ-γ on γ-säteilyn dispersioon perustuva tiheysmittaus. Neutronmittaus määrittää maamateriaalin vesimäärän ja molempien mittausten tuloksia käytetään muiden ominaisuuksien määrittämiseen. Mittaustuloksista lasketaan maakerrosten vesipitoisuudet (w), tilavuuspainot (γ, γ d ) ja kyllästysasteet (S r ). Näistä tiedoista voidaan määrittää edelleen pohjaveden pinnan taso (GW 0 ) ja vallitseva pystysuuntainen jännitystila (σ ' v0z ). Olemassa olevilla teillä radiometriset mittaukset suoritetaan joko rakenteet läpäisevinä tai vinoon tien alle sen reuna-alueelta. Mittauksilla saadaan lisäksi tarkennettua olemassa olevien rakennekerrosten tilavuuspainot. Tuloksia voidaan pohjamaan osalta hyödyntää myös konsolidaatioasteen laskennassa. Kuvassa 8 on esitetty esimerkkinä tulkittu radiometrinen reikämittaustulos yhdessä kohteessa (kohde Pohja, paalulukema 1290).

15 0 1 2 Syvyys maan pinnalta, m 3 4 5 6 7 8 6 8 10 12 14 16 18 20 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 20 40 60 80 1000.00.51.01.52.02.53.0 0 20 40 60 80 100 Tilavuus- ja kuivatilavuuspaino, kn/m3 Vesimäärä/ kok.tilavuus, g/cm3 Vesipitoisuus w, % Huokosluku e, - Kyllästysaste, % Kuva 8. Radiometrisen reikämittauksen tulostus (esimerkki). Paikkakohtainen ominaisvastus-vesipitoisuus -vuorosuhde muodostetaan piirtämällä esimerkiksi taulukkolaskentaohjelmaa käyttäen vesipitoisuus vs. ominaisvastus ja määrittämällä näin syntyville pistepareille sovitusfunktio. RAIPIX-ohjelmalla sovitus voidaan tehdä käyttäen hyväksi kaikkia eri vesipitoisuusmääritysten arvoja. Vaikka pistepareja ei määritysten perusteella olisi käytettävissä riittävän laajalla vesipitoisuusalueella, voidaan sovitus suorittaa, koska ohjelma sovittaa havaintoihin vakiomuotoisen vesipitoisuusfunktion. Vakiomuotoinen funktio on laadittu laajan VTT:lle eri mittauksista kerääntyneen tausta-aineiston perusteella. Ominaisvastuksen ja vesipitoisuuden välinen vuorosuhde muodostuu edellä kuvatulla menettelyllä kuvan 9 mukaiseksi. Tässä yhteydessä tulee huomioida se, että vesipitoisuusominaisvastus -vuorosuhde on mittauslaite- ja -menetelmä riippuva. Vuorosuhteeseen vaikuttaa lisäksi mittauksessa käytetty inversio-ohjelma. Tästä seuraa se, ettei eri mittalaiteita ja tulkintamenettelyjä käytettäessä yleistettyä vuorosuhdetta välttämättä voida sellaisenaan käyttää. Paineellisen pohjaveden alueella pohjaveden ylöspäin tapahtuva virtaus saattaa myös sekoittaa maapohjan suolatasapainon siten, ettei mittauksessa saada luotettavaa korrelaatiota ominaisvastuksen ja vesipitoisuuden välille. Paikkakohtaisen ominaisvastus-vesipitoisuus -vuorosuhteen avulla jatkuva ominaisvastusjakautuma (kuva 10) voidaan nyt muuttaa jatkuvaksi vesipitoisuusjakautumaksi (kuva 11).

16 120 100 y = -46.365Ln(x) + 243.58 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 Ominaisvastus R, ohmim Kuva 9. Vesipitoisuus-ominaisvastus -vuorosuhde (esimerkki) Level (above sea level), m 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 -8-9 -10 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340 1360 Length, m 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Kuva 10. Topografiakorjattu jatkuva ominaisvastusjakautuma.

17 Level (above sea level), m 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 -8-9 -10 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340 1360 Length, m 110 100 90 80 70 60 50 40 30 Kuva 11. Topografiakorjattu jatkuva vesipitoisuusjakautuma. Saatuja vesipitoisuustomografian tietoja voidaan käyttää alustavaan painumalaskentaan maapohjan painumaherkkyyden arvioimiseksi. Vesipitoisuusarvot muunnetaan pikselien keskipisteissä sellaisiksi aika-painumaparametreiksi, joilla on havaittu hyvä korrelaatio vesipitoisuuden kanssa. Tällaisia parametreja ovat kokoonpuristuvuusindeksi C c ja vedenläpäisevyyskerroin k. Kokoonpuristuvuusindeksille C c on todettu sopivan parhaiten lineaarinen vuorosuhde vesipitoisuuden kanssa (RITA-tietokanta, TKK). Tässä yhteydessä vedenläpäisevyyskertoimelle on käytetty samantyyppistä lineaarista yhteyttä kuin kokoonpuristuvuusindeksillekin. Kokoonpuristuvuusindeksin C c ja vedenläpäisevyyden k korrelaatiot vesipitoisuuden kanssa ovat muotoa: C c = A ( ρ s w B ) k = a p ( ρ s w - b p ) joissa C c = kokoonpuristuvuusindeksi w = vesipitoisuus (0...1) ρ s = maan kiintotiheys ( 2.7) A, B = paikka- ja syvyyskohtaisia vakioita k = vedenläpäisevyys [m/s] a p, b p = vakioita [m/s] Painumalaskentaohjelma TSARPIX käyttää painuman laskennassa tangenttimoduulimenetelmää ja edellä esitetyt kokoonpuristuvuusindeksin arvot muutetaan painumalaskentaohjelmassa tangenttimoduulimenetelmän parametreiksi. Parametrien määrittäminen on esitetty menetelmäkuvauksessa TPPT 18 " Tien jatkuvan painumaprofiilin laskenta pikselimallilla". Kokoonpuristuvan materiaalin konsolidaatiojännitys huomioidaan laboratoriokokeiden tulosten avulla.

18 4.2 Paikkakohtaiset painumaparametrit Luotettava painuman ja painumaeron laskenta edellyttää luotettavaa ja tarkkaa maapohjan vedenjohtavuuden ja konsolidaatiotilan tuntemista. Pelkän vesipitoisuuden avulla voidaan kuitenkin alustavasti arvioida tielinjalla ne kohdat, joissa on odotettavissa suurimmat kokonaispainumaerot. Painumaominaisuuksien tarkempaa määritystä varten kohteesta otetaan häiriintymättömät näytteet ödometrikokeita varten. Näytteenottopisteiden paikat ja tasot määritetään vesipitoisuustomografian perusteella siten, että ödometrikokeita tulee tehtäväksi eri vesipitoisuuksia edustavista kerrostumista (esimerkiksi noin w = 15...20% välein). Mikäli merkittävästi kokoonpuristuvia kerroksia jakaa eri osuuksiin vedenjohtavuudeltaan muuta aluetta paremmin vettä johtava kerrostuma, tulee tämän kerroksen molemmin puolin tehdä ödometrikokeita. Otetuista maanäytteistä määritetään laboratoriossa painumaominaisuudet. TPPT suunnittelujärjestelmän mukaisessa painumalaskennassa määritys tehdään portaittaisella standardiödometrikokeella, jos materiaalin vesipitoisuus on w > 100 % tai jos materiaalin hehkutushäviö (orgaanisen aineksen pitoisuus) on yli 2 %. Vesipitoisuuden ollessa 60 % < w < 100 % ja hehkutushäviön alle 2 %, painumaominaisuudet määritetään CRS-kokeella. Painumakokeiden perusteella muodostetaan jatkotarkasteluja varten paikkakohtainen C c -w-vuorosuhde. Painumakokeesta saadaan lisäksi tietoa (painumalaskennan tarpeisiin) maakerrosten vedenläpäisevyysominaisuuksista (c h, c v, k x, k y ) ja ylikonsolidoitumisasteesta (OCR). Vedenläpäisevyyskerroin (konsolidaatiokerroin) voidaan ödometrikokeen sijasta määrittää myös CPTU:n huokospaineen purkautumiskokeen perusteella (dissipation test, Menetelmäkuvaus TPPT 11 CPTU- kairaus). 5 SÄHKÖISEN VASTUSLUOTAUKSEN MITTAUSDATAN KÄSITTELY PAINUMALASKENTAA VARTEN 5.1 Sähköisen datan formaatti Sähköisen mittauksen tulosten jatkokäsittelyä varten on tiedettävä käytetty mittapisteiden välimatka ja elektrodien lukumäärä (levityksen pituus) sekä levityksien limitys, jotka voivat vaihdella maasto-olosuhteista riippuen. Lisäksi on tiedettävä mittaustulosten analysointitapa (mittaukset tulkittu levityskohtaisesti tai yhdessä) ja mahdollisten korjausten (esim. topografiakorjauksen) suoritus. Sähköisen mittauksen tulokset saadaan mittauksen suorittajalta yleensä levityskohtaisina eli yhden levityksen mittaustiedot ovat yhdessä tiedostossa. TPPT:n mukaista painumalaskentaa varten tiedostot nimetään tunnusosalla ja tähän liittyvällä kaksi tai kolminumeroisella numerosarjalla. Numerosarjan ensimmäinen numero ilmaisee mahdollisen mittausosuuden mittauskohteessa ja kaksi viimeistä numeroa osuuden mittauksen eli levityksen tunnusnumeron. Sähköisen mittausdatatiedoston extensio on xyz. Tiedoston nimi on tämän mukaan esimerkiksi hamin101.xyz (Hamina-Vaalimaa -tie osuuden 1 ensimmäinen levitys). Sähköisen mittauksen tulokset ovat ascii-muodossa. Kussakin tiedostossa on ensimmäisenä otsikkorivi, jossa on ilmoitettu paalulukema, taso, sähköinen vastus (Ωm) ja johtavuus (1/Ωm). Mittaustiedon toimittajalta tuleva tieto voi koostua edellä mainitussa formaatissa olevasta tiedosta, joka on joko topografiakorjaamattomatonta tai topografiakorjattua. Mittaustiedosto voi sisältää myös yhdistetyn tiedon kaikista kohteen mittauksista (yksi tiedosto, eri mittaukset on tulkittu yhdessä, jolloin yhtä paalulukua ja syvyyttä vastaa yksi vastuksen arvo) tai yhdistä-

19 mätöntä eri mittausosuuksien tietoa (useampia tiedostoja, levitysten päällekkäin olevissa osissa samalla paaluluvulla ja syvyydellä voi tällöin olla useampia, yleensä kuitenkin vain kaksi vastusarvoa). Ennen painumalaskentaa ristiriitaiset vastusarvot on poistettava. Eri mittausosa a b Uusi keskipiste Kuva 12. Lähekkäin olevien eri mittausosiin kuuluvien pisteiden keskiarvoistus. Keskiarvoistettu piste sijaitsee alkuperäisten pisteiden välissä. Pisteen vastusarvoksi tulee pisteiden keskiarvo etäisyydellä (oman mittausosan keskipisteestä) painotettuna. Periaate on se, että kauempana oleva piste on vähemmän luotettavaa. 2600 2601 2602 2603 2604 2605 2606 2607 2608 0-2 -4 Taso -6-8 -10-12 -14 H21 H22 Paalulukema Kuva 13. VT7. Hamina. Mittausosuudet 21 ja 22. Esimerkki päällekkäin menevistä pisteistä. Kuvaan on myös piirretty keskiarvoistettavat pisteet rajaava ellipsi, jonka sisään jäävät pisteet keskiarvoistetaan tai joista toinen poistetaan "poikkeavana". Keskiarvoistamisen ja poikkeavien yksittäisten arvojen poistamisen lähtökohtana on estää mittausvirheiden ja eri mittausten välisten poikkeamien vaikutusten kulkeutuminen painumalaskennan tuloksiin. Pieniä, eri levitysten välisiä poikkeamia esiintyy mittauksissa aina. Ellei

20 keskiarvoistamista tehdä, seurauksena on painumaominaisuuksien "harmoninen" vaihtelu mitatulla linjalla. Harmonisen vaihtelun seurauksena on myös lopputuloksen, tien pinnan painuman harmoninen vaihtelu, joka ei ole todellista, vaan mittausmenettelystä johtuvaa ja siten virheellisiin johtopäätöksiin johtavaa. 5.2 Datatiedostojen yhdistäminen Mikäli mittaustiedostot sisältävät vain yksittäisten levitysten informaatiota, samaan mittaukseen kuuluvien mittausten mittaustiedot on ennen jatkokäsittelyä yhdistettävä ja niihin on tehtävä mahdollinen topografiakorjaus. Yhdistämisvaiheessa on muistettava, että tiedostot eivät välttämättä ole yhtä pitkiä, ts. vastuspisteiden määrä saattaa vaihdella. Yhteen tiedostoon tallennettujen, yhdessä tulkittujen levitystenkin sisältämä informaatio on tarkistettava päällekkäisyyksien poistamiseksi. Tiedostojen yhdistäminen suoritetaan joko tehtävää varten laaditulla RAIPIX- ohjelmalla tai taulukkolaskentaohjelmalla. Lopullista tulostamista varten tarvitaan lisäksi ohjelma, jolla mittausdatan lopulliset tasa-arvokäyrät laaditaan ja josta nämä voidaan halutulla tiheydellä (solmuvälillä) tulostaa. Tällä hetkellä yleisesti saatavilla oleva tähän käyttöön soveltuva ohjelma on Surfer (Surface Mapping Systems, Golden Software Inc.). 5.2.1 Yhdistäminen RAIPIX-ohjelmlla Datojen yhdistämiseen TPPT-ohjelmassa laaditulla ohjelmalla (RAIPIX) on mahdollista yhdistää erilliset mittaustiedostot, suorittaa topografiakorjaus annettujen vaaitustietojen perusteella ja poistaa sekä keskiarvoistaa halutulla tavalla eri mittausten lähekkäisiä pisteitä. Mittaustiedoille tehtävien toimenpiteiden tarkoituksena on poistaa aineistossa esiintyvää rauhattomuutta (ominaisuuksien äkillistä vaihtelua). Mikäli ohjelmalle annetaan tarvittava muunnosfunktio, se suorittaa myös vastuksen muuttamisen vesipitoisuuksiksi. Muunnoksessa voidaan hyödyntää myös mittauslinjan läheisyydessä tehtyjä radiometrisia luotauksia. Ohjelmassa alle 20 %:n vesipitoisuutta edustavien pikselien vesipitoisuudeksi annetaan 0 %, eli nämä osuudet muutetaan tietoisesti painumattomiksi. Raja-arvoa voidaan muuttaa tai tarvittaessa olla käyttämättä sitä, jolloin mittaustulos palvelee paremmin esim. pohjarakentamisen muita tarpeita. Käsittelyn jälkeen ohjelma taltioi tulokset sovitussa muodossa jatkokäsittelyä varten. Ohjelmalla voidaan myös tarkastella tuloksia ja tarvittaessa suorittaa pistekohtaisia vastusarvojen ja topografian korjauksia manuaalisesti. Lisäksi ohjelmalla voidaan haluttaessa generoida yksittäisten keilamallisten mittaushavaintojen väliin maapohjaan jäävään "tyhjään" alueeseen tarvittavat pisteet lineaarista interpolaatiota käyttäen. Tulokset voidaan viedä suoraan esim. Surfer-ohjelmaan edelleen käsiteltäviksi. 5.2.2 Taulukkolaskentaohjelmien käyttö Topografiakorjaus Taulukkolaskentaohjelmilla suoritetaan periaatteessa erikseen samat ohjelmavaiheet kuin mitä edellä kuvattu RAIPIX-ohjelma suorittaa. Taulukkolaskentaohjelmia käytettäessä luetaan ensimmäinen tiedosto otsikkoriveineen. Sisään luettuun tietoon lisätään mittauksen numeroa ilmaiseva tunnus (esim. 01). Tämän jälkeen luetaan seuraavat tiedostot ensimmäisen tiedoston perään ilman otsikkoriviä ja varustetaan nämäkin mittausnumerolla (esim. 02...0N). Kun kaikki tiedot on luettu yhteen tiedostoon, poistetaan tiedostosta johtavuusarvot ja tallennetaan tiedot.

21 Mittatiedot topografiakorjataan joko taulukkolaskentaohjelmalla tai muulla erillisellä ohjelmalla. Lähtötietona tarvitaan maanpinnan korkeustaso esim. vaaittuna. Tässä korjauksessa mittauspisteen taso, joka topografiakorjaamattomassa tiedossa on syvyys 0-tasoa edustavasta maanpinnasta, muutetaan todelliseksi korkeustasoksi. Esim. ensimmäisen mittauspisteen tason (syvyyden) ollessa -1.5 ja maanpinnan korkeuden 1.0, topografiakorjattu taso on -0.5. Maanpinnan korkeustiedot vaaitaan yleensä 10...20 m välein, joista kutakin sähköisen mittauksen paalulukua vastaavat korkeudet on interpoloitava. Yhdistämisen ja topografiakorjauksen jälkeen suoritetaan datojen visuaalinen tarkastaminen piirtämällä paalulukema-syvyys -tiedot x-y-koordinaatistoon. Mikäli perättäisten mittausten kohdistumisessa on suuria eroja, tarkistetaan topografiakorjauksen suoritus. Suositeltava e- ro on enimmillään x/2 3 ( x mittauspisteiden väli). Mikäli mittaaja on jo suorittanut topografiakorjauksen ja suuria poikkeamia on edelleen havaittavissa, on otettava yhteyttä mittaajaan. Informaation yhdistäminen ja täydentäminen Tämän käsittelyn tarkoituksena on yhdistää eri mittaussarjoihin kuuluvien lähekkäisten pisteiden sisältämä informaatio, mikäli se täyttää tietyt, ennalta asetetut kriteerit. Tämä tehdään siksi, että vältyttäisiin eri mittaussarjojen lähekkäisten pisteiden pienten mittapoikkeaminen aiheuttamalta tarpeettomalta huojunnalta. Datan käsittelyn alkuvaiheessa mittaustieto järjestetään taulukkolaskennassa paaluluku- ja syvyysjärjestykseen. Tämän jälkeen testataan, kuinka lähellä peräkkäiset pisteet ovat toisiaan. Tarvittaessa seuraavaksi määritetään riittävän lähellä toisiaan olevien pisteiden yhdistetyn pisteen vastuksen arvo ja poistetaan yhdistämisessä käytettyjen pisteiden vastusarvo. Tämän jälkeen tiedosto tiivistetään poistamalla siitä ne pisteet, joilla ei vastuksen arvoa enää ole. Koska mittaus muodostaa pääsääntöisesti kolmion muotoisia keiloja maapohjasta, on keilojen väliin jäävät tyhjät pikselit täytettävä. Täyttäminen suoritetaan käyttäen keilojen välisellä alueella esimerkiksi kahden neljän toisiaan vastaan olevien keilojen puoliskojen sisältämien pikselien keskimääräistä vesipitoisuutta tai interpoloimalla arvot lineaarisesti. Luvun 5.2.2 toiminnat tehdään RAIPIX- ja Surfer -ohjelmia käyttäen. 5.3 Vastuksen ja vesipitoisuuden välinen vuorosuhde Kun vastusjakautuma on selvitetty, on vastukset vielä muutettava vesipitoisuuksiksi. Vastuksen (R) ja vesipitoisuuden (w) välille muodostetaan paikalliset vuorosuhteet. Tämä tehdään ottamalla vastusjakautumatiedosta vastuksen arvot syvyyden funktiona esimerkiksi kahdelta, toisistaan metrin päässä olevilta paaluluvuilta, jotka ovat lähinnä sitä paikkaa, jossa radiometrinen mittaus tai vesipitoisuuksien määritys esimerkiksi näytteenoton yhteydessä on suoritettu. Sähköisen vastuksen arvoista interpoloidaan vesipitoisuusmäärityksiä vastaavat syvyydet. w-r -vuorosuhteen saamiseksi radiometrisen mittauksen tulokset sovitetaan korjaamattomaan raaka-dataan (käsittely valintamahdollisuuksineen sisältyy edellä esitettyyn ohjelmaan). Saadut sähköisen vastuksen arvot piirretään määritettyjen vesipitoisuuksien funktiona ja näin saatuun paikalliseen vesipitoisuus-sähköinen vastus -pistejoukkoon sovitetaan vuorosuhdetta parhaiten kuvaava vakiomuotoinen funktio. Tätä funktiota käytetään muutettaessa vastusjakautuma vesipitoisuusjakautumaksi. Myös tämä vaihe tehdään RAIPIX - ohjelmalla.

22 5.4 Mittausdatan jatkokäsittely Mittaustietojen RAIPIX-ohjelmalla tai taulukkolaskentaohjelmilla käsitelty mittaustieto jatkokäsitellään painumaohjelmaa varten. Jatkokäsittelyssä muodostetaan pikselimalliin sopiva laskentaverkko. Ominaisvastus- ja vesipitoisuusjakautumat myös tulostetaan paperille tässä vaiheessa. Liitteessä 2 on esitetty esimerkkinä Surfer -ohjelmalla laskentaverkon muodostamisessa ja piirtämisessä läpi käytävät vaiheet hyvinkin yksityiskohtaisesti. Tarvittavat toimenpiteet saattavat vaihdella ohjelmakohtaisesti ja muuttua ohjelmaversiokohtaisesti. Tarvittavat toimenpiteet riippuvat jossakin määrin myös siitä, onko aikaisemmassa vaiheessa käytetty RAIPIX-ohjelmaa vai taulukkolaskentaohjelmia ja mitä toimenpiteitä taulukkolaskentaohjelmissa on jo tehty. Jatkokäsittelyssä tavoitteena on joka tapauksessa muuttaa painumalaskentaa varten lähtötiedot pikselikokoon 1 m 1 m ja piirtää aineisto paperille. Muutkin pikselikoot ovat kuitenkin mahdollisia ja syvyyssuunnassa niiden käyttö saattaa olla perusteltua etenkin ohuilla kerrospaksuuksilla. Alkuperäistä vastusjakautumaa kuvaava aineisto piirretään tarvittaessa pystymittakaavaan 1:100 ja vaakamittakaavaan 1:300. 6 TULOSTUS PAINUMALASKENNAN LÄHTÖTIEDOIKSI Painumalaskentaa varten tulostiedostoon määritetään jokaisen pikselin keskipisteen paikka ja siinä esiintyvä vesipitoisuuden arvo. Tulostiedosto sisältää myös joukon tyhjiä pikseleitä, koska jokaisessa tarkasteltavassa pikselipinossa pikselien lukumäärä käytetyistä ohjelmista johtuen on vakio. Tulostiedosto annetaan muodossa paaluluku, taso ja vesipitoisuus: Otsikko PL Taso w, % 4280 2 20.5 (ensimmäinen pikseli) 4280 1 30.6 (seuraavat pikselit...) 4280 0 40.2 4280-1 68.5 4280-2 (tyhjä pikseli; sijaitseen jossain kohtaa laskenta-alueen 4281 2 20.5 ulkopuolella, esim. maanpinnan päällä tai mittausalueen 4281 1 30.6 alussa tai lopussa) 4281 0 40.2 4281-1 68.5 4280-2 (tyhjä pikseli) jne. Maanpinnan taso, leikkauspinnan taso ja tien tasausviiva annetaan painumalaskentaa varten erillisessä tiedostossa.

LIITE 1/1(3) Sähköinen luotaus, mittaustiedon yhdistys, korjaus ja lajittelu RAIPIXohjelmalla 1 Lähtötiedot Menettelyssä käytettävä tieto on peräisin sähköisen luotauksen tulkintaohjelmistosta. Tulkittu luotaustieto on ASCII -tiedostossa muodossa: paalulukema, syvyys ja ominaisvastus (x, z, r). Tiedostoon on tulostettu yksi piste / rivi. Mittausjakso on ollut tyypillisesti 51 elektrodia, joiden väli voi vaihdella yhdestä metristä muutamaan metriin halutun syvyysresoluution vaikuttaessa elektrodiväliin. Mittausjaksojen peitto on yleensä puolet elektrodeista eli n. 26 elektrodia. Tulkinnassa jokainen mittausjakso tulkitaan erikseen, joten peittoalueille syntyy tulkintamenettelystä johtuen kaksoispisteitä, joilla on lähes sama paalulukema ja syvyys. Näitä pisteitä kutsutaan tässä tekstissä myöhemmin "lähipisteiksi". Nykyisen tulkintamenettelyn tulostiedosto ei ole paalulukeman mukaan kasvavassa järjestyksessä. 2 Menetelmän mahdollisuudet Tulkitun sähköisen luotaustiedon käsittelyohjelmalla voidaan: lukea ja yhdistää 1-10 mittausosatiedostoa, järjestää tiedot paalulukeman mukaan nousevaan järjestykseen, yhdistää ja keskiarvoistaa ns. lähipisteet (pisteet, jotka syntyvät eri mittausosien tulkinnassa, mutta edustavat samaa paikkaa maassa), poistaa selvästi virheelliset pisteet, korvata reuna-alueiden "mielivaltaiset" virheelliset ominaisvastusarvot vakioarvolla, lisätä pisteitä tulkinnan tuottamaan verkkoon, muuntaa ominaisvastusarvot vesipitoisuusarvoiksi ja tallentaa korjatut tiedot (sekä ominaisvastus- että vesipitoisuusarvot). Myöhemmin ohjelmaan voidaan lisätä mahdollisuus luoda tulosten perusteella säännöllinen verkko (grid) muiden jatkokäsittely-/piirto-ohjelmien tarpeisiin. 3. Ohjelman käyttöohje 3.1 Käyttöönotto Ohjelman nimi on: RAIPIX.EXE Ohjelma on tehty VTT:llä käyttäen Visual Basic 5.0 -ohjelmointiympäristöä ja kaupallista grafiikka-aliohjelmapakettia. Ohjelma on asennettava käyttäjän koneeseen sitä varten tehdyllä Setup.exe -ohjelmalla, jotta kaikki tarpeelliset tiedostot siirtyvät ja tarpeelliset lisäykset rekistereihin tulevat tehdyksi.