Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja tulosten esitystapa - menetelmäkuvaus

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja Tiehallinto Helsinki 2004

Kansikuva: Timo Saarenketo ISBN 951-803-378-1 TIEH 2100027-04 Verkkojulkaisu pdf (www.tiehallinto.fi/julkaisut) ISBN 951-803-379-X TIEH 2100027-v-04 Edita Prima Oy Helsinki 2004 Julkaisua myy/saatavana: Edita Prima Oy asiakaspalvelu.prima@edita.fi Telefaksi 020 450 2470 Tiehallinto Opastinsilta 12 A PL 33 00521 HELSINKI Puhelinvaihde 0204 2211

MUU OHJAUS 3.11.2004 397/2000/20/65 VASTAANOTTAJA Tiepiirit SÄÄDÖSPERUSTA TieL 117 KOHDISTUVUUS Tiehallinto KORVAA/MUUTTAA VOIMASSA 1.12.2004 alkaen ASIASANAT Maatutkat, laatuvaatimukset, rakenteen parantamien Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja tulosten esitystapa - menetelmäkuvaus (TIEH 2100027-04) Tätä julkaisua käytetään laatuvaatimuksena, kun hankitaan palveluja, jotka sisältävät rakenteen parantamista edeltäviä maatutkamittauksia. Hankintakohtaisesti on kuitenkin määriteltävä seuraavat asiat: mihin tuloksia on tarkoitus käyttää aikatauluun liittyvät asiat mitä mittaustaajuuksia halutaan sisältyykö sopimukseen referenssikairauksia toimitetaanko tulokset RDA-muodossa poiketaanko jossakin suhteessa tämän julkaisun vaatimuksista. Nämä laatuvaatimukset eivät muuta merkittävästi nykyistä käytäntöä. Kehittämispäällikkö Tie- ja geotekniikka Kari Lehtonen LISÄTIETOJA JAKELU/MYYNTI Katri Eskola ja Kalevi Luiro Edita Prima Oy Tiehallinto asiakaspalvelu.prima@edita.fi Puh. 0204 22 2318 ja 0204 22 3630 Telefaksi 020 450 2470

TIEDOKSI Andament Oy A-tie Oy Geo-Work Oy Oulun yliopisto Ramboll Finland Oy Roadconsulting Oy Roadscanners Oy Sito-Yhtiöt Tieliikelaitos, konsultointi (Tieto- ja asiantuntijapalvelut) VTT, Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka Tiepiirit HA, TP Timo Saarenketo, Roadscanners Oy Pekka Maijala, Roadscanners Oy Kari Lehtonen, KH Katri Eskola, KH Kalevi Luiro, L Jaana Pyöriä, H Kati Rantanen, KH

ESIPUHE Tämä menetelmäkuvaus on tehty Tiehallinnon tilauksesta ja sen tavoitteena on ollut kuvata tällä hetkellä Suomessa tiehallinnon maatutkamittauksissa voimassa oleva käytäntö ja samalla ohjeistaa Tiehallinnolle toimitettavien maatutkausten tulosteet. Tämä laatuvaatimus on tarkoitettu käytettäväksi rakenteen parantamista edeltävien tutkimusten hankinnassa tarjouspyynnön liitteenä tai viitteenä maatutkamittauksen, sen tulkinnan ja esitystavan osalta sekä näihin liittyvän videokuvauksen ja kohdeselostuksen osalta. Tarkoituksena on varmistaa tulosten laatu ja tarjousten vertailtavuus. Tilaaja voi poiketa laatuvaatimuksista tarvittaessa. Menetelmäkuvaus on tehty Roadscanners Oy:ssä ja sen on laatinut Timo Saarenketo ja Pekka Maijala. Työn ohjausryhmään Tiehallinnosta ovat kuuluneet Kalevi Luiro, Jaana Pyöriä, Kati Rantanen, Kari Lehtonen ja Tuomas Toivonen. Maatutkaohjeesta on myös pyydetty lausunnot maatutkaluotauksia tekeviltä urakoitsijoilta ja konsulteilta. Helsingissä marraskuussa 2004 Tiehallinto Tekniset palvelut

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja 7 Sisältö 1 JOHDANTO 9 2 MAATUTKATEKNIIKKA 10 2.1 Yleistä 10 2.2 Dielektrisyysarvo 10 2.3 Sähkönjohtokyky 10 2.4 Impulssitutkan toimintaperiaate 10 2.5 Heijastuskerroin ja polariteetti 11 2.6 Syvyysulottuvuus, erotuskyky ja rajapinnan syvyys 12 2.7 Maatutkaluotaukset tietutkimuksissa 12 3 MITTAUSKALUSTO 13 3.1 Yleistä 13 3.2 Maatutkakaluston laatuvaatimukset 15 4 MITTAUSTEN SUUNNITTELU JA SUORITTAMINEN 17 4.1 Mittausten ajankohta, suunnittelu ja tiedottaminen 17 4.2 Mittausten suorittaminen 17 4.3 Tiestön videointi maatutkauksen yhteydessä 20 4.3.1 Yleistä 20 4.3.2 Videointikalusto ja tiedonkeräys 20 4.3.3 Videoaineiston käsittely ja linkitys RDA-projektiin 22 4.4 Maatutkaluotaukset ja referenssikairaukset 23 5 MITTAUSAINEISTOJEN PROSESSOINTI JA TULKINTA 24 5.1 Yleistä 24 5.2 Esiprosessointi 24 5.3 Päällystetutka-antennin (Ilmavasteantennin) datan prosessointi ja tulkinta 25 5.4 Maavasteantennin datan prosessointi ja tulkinnat 28 5.4.1 400 600 MHz:n maavasteantennien data 28 5.4.2 50 200 MHz:n maavasteantennien data 29 6 RAPORTOINTI JA TULOSTEN LUOVUTUSFORMAATTI 31 6.1 Yleistä 31 6.2 Paperitulostus 31 6.3 Tulostus kuvatiedostoksi 32 6.4 Tulostus RDA-muotoon 32 6.4.1 Maatutkatiedostojen nimeäminen 32 6.4.2 RDA-projektipuu 33 6.4.3 Tiedostonäkymät 34 6.5 Tulkintojen luovutus tekstimuotoisina 37

8 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja JOHDANTO 9 1 JOHDANTO Maatutkaluotaustekniikan tiesovelluksissa Suomi on ollut uranuurtajamaa ja teiden pohjamaata sekä rakenteita on analysoitu tutkalla jo lähes 20 vuoden ajan. Menetelmä on yleistynyt niin, että tällä hetkellä käytännössä lähes kaikki tiehallinnon rakenteenparantamiskohteet tutkitaan maatutkalla. Tämä menetelmäkuvaus on tehty, koska Tiehallinnon avatessa kaikki tiestötietomittaukset avoimelle kilpailulle on nähty tarvetta, että maatutkausten nykykäytäntö rakenteen parantamishankkeissa kuvataan riittävän tarkasti. Tällöin myös alalle tulevat uudet yrittäjät tietävät miten ja millä tasolla maatutkamittaukset suorittaa ja mikä on tulosten oletuslaatutaso. Maatutkan menetelmäkuvausta tarvitaan myös, koska Tiehallinto on siirtynyt käyttämään RDA ohjelmistoa, jolloin tulosteiden formaatti tulee olla yhteensopiva RDA ohjelmiston kanssa. Maatutkan menetelmäkuvausta tulee käyttää rakenteen parantamisen suunnittelua edellyttävässä maatutkalla tehtävässä tiedonkeruussa sekä muiden suunnittelussa käytettävien lähtötietojen muokkauksessa RDA yhteensopivaan formaattiin. Menetelmäkuvaus esittää laatuvaatimukset Tiehallinnon töissä käytettäville maatutkakalustoille ja esittää myös kuvauksen testausjärjestelyistä ja antennien hyväksymisjärjestelmästä. Julkaisussa on esitetty myös tarkka kuvaus, miten maatutkaluotausten tiedonkeruu tulee tehdä, miten mittausdata tulee prosessoida ja tulkita ja miten tulokset tulee sitoa Tiehallinnon tierekisteriosoitteisiin tai muihin paikkatietojärjestelmiin. Niiltä osin, mitä tässä julkaisussa ei ole erikseen ohjeistettu, tulee noudattaa Tiehallinnon ohjetta TIEL 2140015 Rakenteen parantamista edeltävät tutkimukset 1999. Tässä julkaisussa kuvataan lisäksi miten maatutkauksen yhteydessä kerättävän tievideo tulee kuvata sekä videoinnilta vaadittava laatu. Niinikään maatutkaluotaustulosten tulkinnan kanssa usein tehtävän tieanalyysin ohjeistusta täsmennetään. Maatutkatekniikan käyttö asfalttipäällysteiden laadunvalvonnassa on kuvattu tarkemmin PANK ry:n julkaisemissa ohjeissa ja Tiehallinnon päällystyskohteissa tehtävissä vastaavissa mittauksissa tulee noudattaa tätä ohjetta. Myöhemmin tullaan laatimaan ohjeet maatutkan käytölle mm. siltatutkimuksissa ja laadunvarmistusmittauksissa.

10 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MAATUTKATEKNIIKKA 2 MAATUTKATEKNIIKKA 2.1 Yleistä Maatutkaluotaus perustuu radiotaajuisten sähkömagneettisten (SM-) aaltojen käyttöön. Käytettävä taajuusalue on 10-3000 MHz. Näillä taajuuksilla SM-aallon voidaan sanoa etenevän aaltoina sähköisesti eristeisessä väliaineessa. Vaikuttavina fysikaalisina parametreina ovat väliaineen sähkönjohtavuus ja dielektrisyys sekä magneettinen suskeptibiliteetti. Suomessa tiemateriaalien ja pohjamaan magneettisella suskeptibiliteetillä ei ole käytännössä merkitystä maatutkasignaalin etenemiseen. 2.2 Dielektrisyysarvo Dielektrisyysarvo kuvaa aineen kykyä varautua eli polarisoitua ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Ulkoisen kentän vaikutuksen loputtua aineen alkutila palautuu. Jos materiaalin rakenne on sellainen, ettei alkutila palaudu täysin, on polarisaatio osittain häviöllistä. Tällaisissa tapauksissa dielektrisyysarvoa voidaan tarkastella kompleksisena suureena, jossa reaaliarvo kuvaa palautuvaa polarisaatiota ja imaginääriosa tapahtuvia häviöitä. Tärkein polarisoituva molekyyli luonnonmateriaaleissa on vesimolekyyli. Dielektrisyysarvon suuruus riippuu pääasiassa vapaan veden määrästä materiaalissa, sillä vesipitoisuuden kasvu nostaa suhteellista dielektrisyyttä. 2.3 Sähkönjohtokyky Väliaineen sähkönjohtokyky eli johtavuus kuvaa vapaiden varausten liikkumista väliaineessa. Ulkoinen sähkökenttä siirtää varauksia paikasta toiseen. Mitä enemmän vapaita varauksia, ioneja ja elektroneja sitä suurempi materiaalin sähkönjohtavuus ja maatutkasignaalin vaimennus. 2.4 Impulssitutkan toimintaperiaate Yleisimmin käytetyn maatutkatyypin, ns. impulssitutkan, toimintaperiaate on seuraavanlainen. Väliaineeseen lähetetään pulssi, jonka pituus maatutkalla on antennitaajuudesta riippuen hieman alle nanosekunnista kymmeniin nanosekunteihin. Osa pulssin energiasta heijastuu sähköisiltä ominaisuuksiltaan toisistaan poikkeavien aineiden rajapinnalta, osa etenee rajapinnan läpi ja heijastuu seuraavilta rajapinnoilta. Signaali vaimenee kulkuajan funktiona geometrisen vaimennuksen, signaalin sironnan, heijastusten ja lämpöhäviöiden seurauksena. Maatutkaluotauksessa heijastusten kulkuaika ja amplitudi mitataan ja amplitudi esitetään kulkuajan funktiona. Kun mittauksia tehdään nopeassa tahdissa peräkkäisissä maastopisteissä, saadaan tutkittavasta väliaineesta sen rakenteita kuvaava jatkuva luotausprofiili eli tutkakuva.

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MAATUTKATEKNIIKKA 11 Kuva 1. 2.2 GHz ilmavasteantennilla mitattu maatutkaprofiili ja sen yksittäinen pyyhkäisy. Heijastuksia dielektrisilta ominaisuuksiltaan ( ) toisistaan poikkeavien materiaalien rajapinnoilta. Kuvan rakenteessa kerros 1 kuvaa päällystettä, kerros 2 kantavaa kerrosta, kerros 3 jakavaa kerrosta ja kerros 4 suodatinkerrosta. Kuvan esimerkissä dielektrisyys (kosteus) kasvaa päällysteestä jakavaan kerrokseen mentäessä. Sen sijaan suodatinkerroksen dielektrisyys ( 4 ) on pienempi kuin jakavan. Tiehallinnolle tehtävissä maatutkatöissä tulosteen harmaasävyasteikko ja heijasteiden polariteetti tulisi olla kuvan mukainen. 2.5 Heijastuskerroin ja polariteetti Jos tutkapulssi etenee väliaineesta 1 väliaineeseen 2 ja väliaineiden dielektrisyysarvot ovat vastaavasti 1 ja 2, niin heijastuskertoimeksi saadaan 1 2 R (1) 1 2 Kaavan perusteella heijastuksen polariteetti kääntyy, jos 1 on pienempi kuin 2, mikä on oletustilanne yleensä tie- ja maaperärakenteissa (kosteuspitoisuus kasvaa syvemmälle mentäessä). Jos 1 on suurempi kuin 2, niin heijastuneen aallon polariteetti pysyy samana kuin etenevän aallon polariteetti rajapinnalla. Tietutkamittauksissa on kuitenkin yleisenä käytäntönä se, että maan pintaheijaste merkitään positiiviseksi, vaikka heijastuskerroin on negatiivinen. Vastaavasti merkitään muutkin kerrokset, joissa ylempi < alempi, positiivisiksi heijastuksiksi ja ne tulee harmaasävyasteikolla esittää siten, että valkoinen heijaste on keskellä (ks. kuvan 1. 1 < 2 ). Vastaavasti, jos alemman kerroksen dielektrisyys on pienempi kuin ylemmän, eli esimerkiksi kuvan 1 rakenteessa 3 > 4, on heijaste ns. negatiivinen ja tällöin musta heijaste on keskellä. Antennilta lähtevän ja väliaineessa etenevän aallon polariteetti saadaan helposti muutettua 180 astetta muuttamalla lähetin ja vastaanotinantennien keskinäistä asemaa tai prosessointivaiheessa kertomalla signaalit kertoimella -1.

12 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MAATUTKATEKNIIKKA 2.6 Syvyysulottuvuus, erotuskyky ja rajapinnan syvyys Maatutkalla saavutettavissa oleva syvyysulottuvuus riippuu väliaineiden sähköisten ominaisuuksien lisäksi käytetystä antennitaajuudesta ja siten signaalin aallonpituudesta. Väliaineen aiheuttama vaimennus suurentuu taajuuden kasvaessa, koska väliaineen johtavuus samalla kasvaa ja koska tutka-aallolle näkyvien ja sen vuoksi signaalin energiaa sirottavien kohteiden määrä lisääntyy aallonpituuden lyhentyessä. Näin tunkeutumissyvyys pienenee taajuuden kasvaessa, mutta toisaalta erotuskyky samalla paranee. Erotuskyky paranee myös dielektrisyysarvon suurentuessa. Erotuskyvyllä tarkoitetaan sitä, kuinka lähellä toisiaan olevat rajapinnat voidaan vielä tunnistaa erillisiksi. Tämä koskee sekä vaakasuunnassa että pystysuunnassa tapahtuvaa havainnointia. Pulssitutkan vertikaalisuuntainen erotuskyky voidaan laskea kaavasta c h, missä (2) 2 r c = valon nopeus tyhjiössä (0.3 m/ns) = pulssin pituus (ns) r = väliaineen dielektrisyys Havaitun rajapinnan syvyys saadaan laskettua kaavalla 0.5 twt c s v t, missä (3) r twt = kaksinkertainen kulkuaika. 2.7 Maatutkaluotaukset tietutkimuksissa Suomessa maatutkaluotausta on käytetty tietutkimuksissa jo 1980-luvun puolivälistä lähtien ja tällä hetkellä eri konsulttitoimistoissa ja urakoitsijoiden palveluksessa työskentelee tietutkausten parissa kymmeniä työntekijöitä. Maatutkan käyttö on laajentunut pohjamaatutkimuksista ja päällysteiden ja rakennekerrosten paksuuden mittauksista myös rakennekerrosten ja pohjamaan laadun tutkimuksiin ja sitä käytetään myös materiaalien lujuus- ja muodonmuutosominaisuuksien määrityksen apuna. Maatutkaluotausten suurin etu on sen tuottama jatkuva profiili tutkittavasta kohteesta. Lisäksi mittaukset voidaan suorittaa liikkuvasta autosta muuta liikennettä häiritsemättä. Viime vuosien aikana maatutkatekniikkaa on alettu käyttää ja tutkausten tuloksia analysoida integroidusti muiden tietutkimusmenetelmien kanssa. Uusimpia maatutkan tiesovelluksia ovat päällysteiden ja rakennekerrosten laadunvalvontamittaukset. Myös siltojen kansien mittaukset ovat viime aikoina voimakkaasti kehittyneet.

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSKALUSTO 13 3 MITTAUSKALUSTO 3.1 Yleistä Pulssitutkaperiaatteella toimiva tietutkimuksissa käytettävä maatutkakalusto koostuu useasta komponentista (kuva 2). Tutkakaluston tärkein yksikkö on antenni(t), joka koostuu itse antennista ja antennielektroniikkayksiköstä, jossa määrätään lähetettävän pulssin pituus ja voimakkuus. Antenni lähettää pulssin väliaineeseen ja kerää rajapinnoista palaavat signaalit. Maatutkan näytteenotin sijaitsee useimmiten ohjaus- tai keskusyksikössä, jossa muunnetaan heijastuneet signaalit sellaiseen muotoon, että ne voidaan taltioida joko analogisessa tai digitaalisessa muodossa tallentimelle. Keskusyksikön kautta ohjataan koko tutkayksikön toimintaa ja sen avulla määrätään mm. pyyhkäisyjen määrä aika- tai matkayksikköä kohti (pyyhkäisy/sek, pyyhkäisy/m), mittausaika (ns) sekä pyyhkäisyn näytteiden määrä (esim. 512, 1024 näytettä/pyyhkäisy) ja datan muoto (esim. 8, 16 bit). Maatutkakalustoihin kuuluvat kiinteästi erilaiset datatallentimet, sekä näytteenottoa ohjaavat anturit, kuten optiset pulssianturit. Paikannusta ohjaavat ja paikkatietoa tallentavat useimmiten GPS laitteet sekä nykyisin myös oleellisena osana digitaalivideokalusto. Mittauskalustot tarvitsevat luonnollisesti myös virtalähteen; itse tutkayksikön virrankulutus on erittäin pieni, mutta ohjainyksikkö ja tallentimet kuluttavat runsaasti virtaa. Kuva 2. Tyypillinen tietutkimuksiin käytetyn maatutka-auton mittalaitekokoonpano. Maatutka-antennit voidaan jakaa karkeasti kahteen luokkaan: ilmavasteantenneihin ja maavasteantenneihin (kuva 2). Nämä puolestaan voivat olla joko monostaattisia, jolloin sama antenni toimii lähettimenä ja vastaanottimena tai bistaattisia, jolloin lähetin- ja vastaanotinyksikkönä on eri antenni. Useimmat tietutkimusantennit ovat bistaattisia, mutta antennielementit on asennettu samaan laatikkoon. Maavasteantennien taajuus vaihtelee normaalisti 80 MHz:sta 1500 MHz:iin. Niiden etuna verrattuna ilmavasteantenneihin on parempi syvyysulottuvuus, joskin kytkeytymisestä (coupling) johtuva soiminen voi häiritä syvyysulottuvuutta. Maavasteantennilla on ilmavasteantennia parempi yksittäisten kohteiden erottelukyky, mutta sillä voidaan mitata huomattavasti ilmavasteantenneja hitaammin. Taulukossa 1 on esitetty yhteenveto eri antennien ominaisuuksista.

14 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSKALUSTO Taulukko 1. Tietutkimuksissa käytettävien maatutka-antennien ominaisuuksia. Taulukko on vain suuntaa antava ja sitä luettaessa on muistettava, että syvyysulottuvuus ja resoluutio riippuvat tierakenteen ja pohjamaan sähköisistä ominaisuuksista ja että esimerkiksi resoluutio on laajakaistaisilla antenneilla lähellä pintaa on huomattavasti suurempi kuin antennin keskitaajuus antaisi ymmärtää. Antennit Maavasteantennit 1 Korkeataajuiset Taajuus (MHz) 900 1500 Syvyysulottuvuus (m) 0,4 1,0 Resoluutio (mm) ( r 6) 40 65 Soveltuvuus päällyste, kantava, jakava, teräsverkko 2 Keskitaajuiset 400 600 1,5 4,0 80 150 kantava, jakava, kok. paks, matalat penkereet, pohjam. < 3m 3 Matalataajuiset Ilmavasteantennit 1 Korkeataajuiset 50-200 2000 3-30 0,4 0,6 250-500 15 25 kok.paks, penger, pohjam. < 20 m (ei savi ja siltti) sorateiden kulutusk., päällyste, teräsverkot, kantava, jakava 2 Keskitaajuiset 900 1200 0,5 1,0 35 50 Päällyste, kantava, jakava, teräsverkko 3 Matalataajuiset (ei vielä Suomessa käytössä) 400-600 1,0 3,0 60-100 Kantava, jakava, kok. paks., matalat penkereet, pohjamaa < 3m Ilmavasteantennit ovat pääasiassa tyypiltään kartiotorviantenneja, mutta viime aikoina myös muita antennityyppejä on kehitetty voimakkaasti. Antennien taajuudet ovat vaihdelleet 500 MHz:sta 2.5 GHz:iin, mutta yleisin käytetty antennitaajuus on 1 GHz. Viime aikoina on kuitenkin markkinoille tullut 2.2 GHz:n ilmavasteantenni, joka on osoittautunut erittäin hyväksi mm. suurta resoluutiota vaativissa sorateiden kulutuskerrostutkimuksissa ja teräsverkkojen paikannuksessa. Ilmavasteantennien syvyysulottuvuus on normaalisti 0.5 0.9 m ja siksi niitä on käytetty lähinnä vain tie- ja siltatutkimuksissa. Mittauksen aikana ilmavasteantennit ovat vähintään 0.3 0.5 m maanpinnan yläpuolella ja tästä syystä antennien ominaisuudet eivät muutu tutkittavan väliaineen sähköisten ominaisuuksien muuttuessa. Siksi ilmavasteantennilla voidaan tehdä toistettavia mittauksia, jolloin maatutkadata ei muutu antennin ominaisuuksien muuttumisen vuoksi. Tämä mahdollistaa esimerkiksi väliaineparametrien laskemisen heijastusamplitudien perusteella. Lisäksi ilmavasteantennilla voidaan mitata muuta liikennettä häiritsemättä jopa 80-100 km:n tuntinopeudella. Tällä hetkellä maailmassa on useita laitevalmistajia, jotka tekevät tietutkimuksiin soveltuvia mittauskalustoja. Valmistajista suurin on Geophysical Survey Systems (GSSI), joka valmistaa sekä maavaste- että ilmavastekalus-

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSKALUSTO 15 toja. Muita suurempia ilmavasteantennien valmistajia ovat Penetradar ja Pulse Radar. Maavasteantennikalustoja, joita on käytetty tietutkimuksissa valmistavat myös Mala Geoscience (Ruotsi), Utsi Elecrocnics (U.K.). IDS (Italia) ja Sensors&Software (Kanada). Tämän lisäksi maailmalla on lukuisia pienempiä tutkakalustoja valmistavia yhtiöitä. Pohjoismaista löytyy lisäksi erilaisia maatutka-antenneja valmistava mm. ruotsalainen Radarteam Sweden AB. 3.2 Maatutkakaluston laatuvaatimukset Tiehallinnolle tehtävissä mittauksissa saa käyttää vain testeissä hyväksyttyjä kalustoja. Muutoinkin maatutkakaluston tulee olla kaikin osin toimintakunnossa. Virheellisesti toimivalla antennilla tai muulla kalustolla ei saa mitata ja jos näin on tapahtunut, tulee mittaukset uusia. Ilmavasteantennikalustoille (1.0 GHz) tulee tehdä vuosittain julkaisussa Scullion et al. (1996) esitetyt laatutestit ja Tiehallinnolle tehtävissä töissä edellytetään kalustolta näiden testien vuosittaista läpäisyä. Testauksen tehdään puolueettomissa ja testejä järjestämään hyväksytyissä laboratorioissa. Hyväksytyistä laboratorioista Tiehallinto julkaisee vuosittain listan. Testauslaboratorion hyväksymät laitteet saavat mittauslisenssin, joka toimitetaan tiedoksi myös Tiehallintoon. Maatutkatestien tulosten perusteella hyväksytyt antennikalustojen luokitellaan luokkiin A ja B, joiden laatuvaatimukset on esitetty taulukossa 2. Jos kalusto luokitellaan testeissä luokkaan A saa sitä käyttää Tiehallinnon mittaustöissä sellaisenaan. Jos lisenssin luokka on B saa kalustoa käyttää lisenssissä mainituissa kohteissa ja mainituilla mittausasetuksilla. Lisäksi B luokan kalustolla suoran pulssin amplitudi tulee olla kokonaan taltioituna, jolloin aineiston häiriöiden seuranta ja virheiden korjaus on mahdollista. Taulukko 2. Maatutka-antennien laatuvaatimukset tiehallinnon tutkimuksissa. Ohjeet määritetään testitulosten perusteella tapauskohtaisesti. Luokka B. Kalustoa saa käyttää vain erillisen ohjeen/ehtojen mukaisesti Testit Luokka A. Kaluston käyttö sallitaan sellaisenaan kaikissa Tiehallinnon mittaustöissä signaalikohinasuhde 5 % 10 % lyhyen ajan amplitudistabiilisuus 1 % 3 % pitkän ajan amplitudi-stabiilisuus 3 % 6 % pitkän ajan aikastabiilisuus 5 % 10 % ajan lineaarisuus 5 % 7,5 %

16 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSKALUSTO Näistä testeistä ajan lineaarisuus tarvitsee tehdä kullekin kalustolle vain kerran, muut testit on tehtävä joka vuosi. Yli 1.5 GHz:n ilmavasteantenneille asetetaan omat laatuvaatimukset myöhemmin, kun niiden toimivuudesta saadaan tarkempaa tietoa. Samaten 400 600 MHz:n maavasteantenneille tullaan tekemään omat laatuvaatimukset. Jatkossa myös maavasteantennien ja kalustojen toimivuus tulee testata vuosittain järjestettävissä testeissä, johon Tiehallinto lähettää edustajansa valvojaksi. Testeistä annetaan hyväksyntäilmoitus urakoitsijalle ja ilmoitus tulee tiedoksi myös Tiehallinnolla.

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSTEN SUUNNITTELU JA SUORITTAMINEN 17 4 MITTAUSTEN SUUNNITTELU JA SUORITTAMINEN 4.1 Mittausten ajankohta, suunnittelu ja tiedottaminen Maavasteantenneilla maatutkamittaukset tulisi tehdä pääasiallisesti kesäaikaan sen jälkeen kun routa on lopullisesti sulanut pohjamaasta. Toinen hyvä aika on roudan maksimisyvyyden aikaan talvella. Sorateitä ei suositella mitattavaksi maavasteantenneilla ilman tilaajan lupaa kesällä, koska pölynsidontaan käytetty suola vaimentaa maatutkasignaalia. Talven tulokset ovat myös huomattavasti käyttökelpoisempia, koska samalla saadaan tietoa myös routarajasta. Mittaukset voidaan kuitenkin tehdä sorateillä kesällä tilaajan niin halutessa, mutta tällöin vastuu tulosten laadusta on tilaajalla. Pelkästään päällystetutka-antenneilla tehtävät mittaukset voidaan aloittaa kun routa on tien alla syvemmällä kuin 0,8 m. Päinvastoin kuin maavasteantenneilla, ilmavasteantenneja on jopa suositeltavaa käyttää kesäaikaan sorateiden kulutuskerroksen ja kantavan kerroksen tutkimuksissa. Tällöin saadaan dielektrisyyden avulla tietoa myös kulutuskerroksen vedenherkkyydestä. Talvella ilmavasteantennien käyttöä ei suositella ilman tilaajan lupaa. Talvella tehtyjä mittauksia ei saa myöskään tehdä heti sen jälkeen kun tie on suolattu. Mittausten suunnitteluvaiheessa tulee tilaajan yhdyshenkilölle lähettää tarkistettu mittaussuunnitelma, josta käy ilmi milloin ja miten mittaus on tarkoitus tehdä (pituusleikkaukset ja poikkileikkaukset), mittauskalusto ja - henkilöstö. Ilmoitus voidaan lähettää sähköpostitse tai faksilla tai milloin tämä ei ole mahdollista, voidaan ilmoitus tehdä puhelimitse. Maatutkamittausten turvallisuusseikat kuvataan työturvasuunnitelmassa. Jos mittauksia tehdään lentokentän, sairaalaan, vankilan tai puolustusvoimien kiinteistöjen välittömässä läheisyydessä, on niistä ilmoitettava asianosaisille, koska näiden käyttämät laitteet voivat rekisteröidä maatutkamittaukset. Toimivilla laitteilla tehdyt maatutkaluotauksista eivät kuitenkaan aiheuta häiriöitä näille laitteistoille, mutta rikkoontuneet ja häiriölliset maatutkakalustot voivat aiheuttaa turhia hälytyksiä. 4.2 Mittausten suorittaminen Maatutkalaitteisto tulee olla turvallisesti kiinnitettynä mittausautoon ja maatutkamittaukset tulee suorittaa niin, ettei työstä aiheudu vaaraa työntekijöille, tienkäyttäjille tai tien vaikutuspiirissä oleville. Mittausautossa tulee olla vaaditut varoitusvalot ja turvamerkinnät. Mittausautossa tulee olla aina vähintään kaksi mittaajaa, joista toinen ajaa autoa ja toinen vastaa mittalaitteiden toiminnasta. Autonkuljettaja voi kommentoida tien kuntoa videolle, mutta muuten hän ei saa osallistua mittaustyöhön. Mittaushenkilöstön tulee olla suorittanut tieturvakurssi I.

18 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSTEN SUUNNITTELU JA SUORITTAMINEN Pituussuuntaiset mittaukset tulisi suorittaa vähintään kaksikanavaisella maatutkakalustolla. Tällöin tiedot kerätään 1.0 2.5 GHz:n päällystetutkaantennilla (ilmavasteantennilla) ja 300 600 MHz:n maavasteantennilla yhtäaikaisesti. Maatutka-antennit voivat olla peräkkäin tai vierekkäin. Jos antennit ovat peräkkäin, tulee mittaukset tehdä oikeasta ulkourasta. Jos antennit ovat vierekkäin, tulee päällystetutka-antennin kulkea oikean reunauran kohdalla ja maavasteantennin kaistan keskellä. Mittausautoa tulee ajaa vakioetäisyydellä tien keskilinjasta ja mutkittelua ei saa tehdä. Jos mittaukset tehdään kahdella eri erillisellä ajolla, on varmistettava että mittaukset skaalataan siten, että linjat ovat pituussuunnassa täsmälleen samalta kohdalta. Eri mittausprofiilit voidaan täsmätä keskenään esimerkiksi rumpujen kohdilla ja suurin sallittu ero pituussuunnassa on 2,5 m. Erityistapauksissa tilaaja voi tilata erikseen maatutkaluotauksia 100 200 MHz antenneilla. Tällöin luotausten tavoitesyvyys on yli 3 m ja/tai tavoitteena on esimerkiksi selvittää tien alla olevan turvekerrosten paksuus. Päällystetutkamittaukset tulee tehdä ilmavasteantennilla, koska tällöin saadaan tietoa päällysteen ja kantavan kerroksen dielektrisyydestä ja sen vaihtelusta. Ilmavasteantennia käytettäessä antennin heilunnan kautta saadaan tietoa tien epätasaisuudesta. Lisäksi mittaukset voidaan tehdä huomattavasti suuremmalla nopeudella, jolloin mittaukset eivät häiritse tien muita käyttäjiä. Maavasteantenneja tulisi käyttää vain lyhyissä erikoismittauksissa sekä poikkileikkauksien mittauksissa. Maavasteantennin kytkeytymisen vaihtelun estämiseksi tulee antennin etäisyys päällysteestä olla vakio eikä antenni saa pomppia. 300 600 MHz:n antenneilla etäisyys tienpintaan voi olla korkeintaan 8 cm ja yli 1.0 GHz maavasteantenneilla korkeintaan 5 mm. Mittausten näytteenottoa tulee ohjata matkamitta-anturin kautta. Aikaperusteista (pyyhkäisyä(scan)/sec) näytteenottoa ei hyväksytä muualla kuin poikkileikkausten mittauksissa ja silloinkin tulee maalata tiehen maalimerkit metrin välein, joiden kohdalla tutkan markkeria painetaan. Eli lopputuloksissa ei sallita lainkaan aikaperusteista mittausta vaan kaikki on tasoitettava matkaperusteisiksi. Maatutkamittausten näytteenottotiheys tulee olla pituuslinjoilla vähintään 10 scan/m ja poikkileikkauksissa vähintään 40 scan/m. Siltatutkimuksissa näytteenottotiheys tulee olla vähintään 40 scan/m. Kaikki mittausdata on tallennettava16 bit tarkkuudella ja pienin sallittu näytetiheys on 512 näytettä/scan. Päällystetutka-antennilla on käytettävä yhden pisteen vahvistusta (ns. flat gain), mutta maavaste antennilla sallitaan useamman pisteen vahvistukset kuitenkin niin, ettei mittausdataan jää näkyviä pykäliä. Kummallakaan antennilla ei sallita heijasteiden leikkaantumista (clipping), eli vahvistukset eivät saa olla liian suuria. Suodatuksissa saa käyttää kunkin antennivalmistajan suosittelemia suodatusarvoja. Nämä arvot pitäisi kuitenkin olla samoja, joita on käytetty antennitesteissä. Horisontaalisuodattimien käyttöä tulisi välttää. Tosin maavasteantenneja käytettäessä leikkaantumisen estävän ns. Tilt-suodattimen käyttö on jopa suositeltavaa.

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSTEN SUUNNITTELU JA SUORITTAMINEN 19 Maatutkaluotausten mittausaikoja määritettäessä tulisi käyttää seuraavia periaatteita: Päällystetutka-antennit (1.0 GHz ilmavasteantennit): mittausaika on oltava vähintään 20 ns ja lisäksi päällysteen pintaheijasteen jälkeen mittausikkunan pituus on vähintään 12 ns. Vastaavasti > 2.0 GHz:n antenneilla mittausikkunan pituus tulee olla vähintään 10 ns. Maavasteantennit (300 600 MHz): mittausaika on asetettava niin, että tienpinnan alapuolelta tulevan mittausikkunan pituus on vähintään 60 ns. Maavasteantennit (100-200 MHz): mittausaika on sovittava tilaajan kanssa tapauskohtaisesti ja se riippuu mm. leikkausten ja turvekerrosten syvyydestä. Taulukko 3. esittää vaadittavat mittausajat eri tavoitesyvyyksillä eri maalajeilla. Taulukko 3. Maatutkaluotauksen ohjeelliset mittausajat eri maalajeille ja eri tavoitesyvyyksille. tavoitesyvyys mittausaika (ns) hk, sr; Er = 5 mittausaika (ns) mr; Er = 9 mittausaika (ns) tv; Er 40 3 m 130 6 m 100 120 250 10 m 150 200 450 20 m 300 400 Mittaustiedoston ns. header tiedostoon tulee merkitä tien numero, tieosa, suunta jne sekä mittaajat. Lisäksi mittausautossa tulee pitää työmaapäiväkirjaa, johon merkitään mittausajankohta, vallitseva sää, mittausten esteet ja muita tulkinnassa vaikuttavia tekijöitä. Jatkossa mittaustiedot, ennen kaikkea mittauspaikka, aika ja käytetyt antennitaajuudet ja antennien sarjanumerot, tulee tallentaa päiväkirjaan myös tulevien EU direktiivien vuoksi, jolloin mahdollisten radiotaajuushäiriöiden syiden selvitystyö mahdollistuu. Ennen mittausten aloittamista on varmistettava, että aloituspiste on suunnitellulla kohdalla. Mittaukset aloitetaan ja päätetään pääsääntöisesti tierekisterin jakopisteisiin, vaikka tulkinnat tehtäisiinkin vain lyhyemmältä matkalta. Tiedostot on aina myös katkaistava jakopisteellä eli useamman tieosan pituisia tiedostoja ei hyväksytä. Lyhyemmissä kohteissa aloitus- ja lopetuspiste tulee myös merkitä maalimerkein tielle, jos ne eivät ole maastosta helposti löytyviä tierekisterin jakopisteitä tai muita tunnettuja pisteitä. Mittausten aikana tulee mittaajan merkitä ns. markkerit teiden liittymiin ja suurimpien rumpujen ja siltojen kohdalle. Näitä markkereita käytetään tutkatiedoston ja videon linkityksen varmistukseen jos linkitystä ei ole tehty jo mittauksen yhteydessä. Markkereita tulee käyttää myös silloin kun mitataan kaksi kaistaa eikä mittauksia ole sidottu mittauksen aikana GPS tietoihin. Mittausta ei saa tehdä vesisateella ja sen saa aloittaa vasta kun päällyste on lähes kuiva eikä lätäköitä esiinny. Mittaukset tulisi tehdä tasaisella nopeudella ja jos samalla kerätään video ja GPS tietoja, tulisi välttää ylimääräisiä pysähtymisiä.

20 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSTEN SUUNNITTELU JA SUORITTAMINEN Ilmavastenantennilla mitattaessa tulee joka mittaussession (jakso) jälkeen ja ennen kuin tutka sammutetaan mitata metallipulssi ja tarvittaessa ilmapulssi (ks. kpl 4.2). Suositeltavaa on, että metalliheijastus tehdään aina myös ennen mittausta. Lisäksi jos korkeuskorjaustiedostoa ei ole käytettävissä tulee antennille tehdä ns. humputustiedosto. Päällystetutkalla mitattaessa on aina varmistettava, että ns. suora pulssi (ks. kohta 4.2) on kokonaan näkyvissä mittausikkunassa koko mittausten ajan (tämä on muutos aikaisempaan käytäntöön). Tällöin voidaan tehdä mahdollisesta kaluston lämpötilavaelluksesta aiheutuvien virheiden korjaukset. Vastaavasti maavasteantennilla mitattaessa on varmistettava, että päällysteen pintapulssi on aina mittausikkunassa. Maavasteantennilla päällysteen pintaheijasteen tarkka kohta tulee määrittää ns. nostotestillä. 4.3 Tiestön videointi maatutkauksen yhteydessä 4.3.1 Yleistä Useimpien maatutkaluotausten toimeksiantojen yhteydessä tiepiirit tulevat tilaamaan mittauskohteesta myös digitaalivideon, joka on mitattu samaan aikaan kuin maatutkamittaus ja jonka ääniraitaan on nauhoitettu mittaajien kuvaukset ja kommentit tieympäristöstä ja tien kunnosta. Videosta on runsaasti hyötyä; ensinnäkin maatutkatulkinnan laatu on huomattavasti parempi kun käytössä on videokontrolli. Toiseksi hyvälaatuisen videon avulla tiepiirit, suunnittelijat ja urakoitsijat saavat huomattavasti paremman käsityksen tiestä ja RDA ohjelmiston avulla tien eri kohteita voidaan tarkastella intranetin kautta mm. suunnittelu- ja työmaakokouksissa. Kolmanneksi videoiden avulla tulee mittauskohteen pintakunto ja tiessä olevien laitteiden kunnon senhetkinen tilanne dokumentoitua luotettavasti mahdollisimpia myöhempiä kiistakysymyksiä varten. Maatutkaluotausten yhteydessä kuvataan aina tiestä videot eikä kuvajonoja. Myöhemmin videosta tosin voidaan muodosta kuvajonoja, jotka pienentävät tiedostojen kokoa ja nopeuttavat datan katselua. 4.3.2 Videointikalusto ja tiedonkeräys Videokalustossa tulisi olla mahdollisimman tarkka optiikka ja laajakulmainen (< 28 mm) linssi. Tärinän vakausjärjestelmä on suositeltavaa ja jos sitä ei käytetä on siitä ilmoitettava erikseen. Videon tarkennus tulisi tehdä niin, että koko kuva on mahdollisimman tarkka. Linssin on oltava puhdas eikä siinä saa olla esim. vesipisaroita. Autofocus tarkennusjärjestelmiä ei tule käyttää. Tiehallinnolle kuvattavissa videoissa tarkkuusvaatimus on seuraava: Lopullisesta pakatusta videokuvasta tehdyssä pysäytyskuvassa tulee näkyä tien viereen vaakasuoraan asetetusta tarkistustaulusta 10 m:n päästä yksittäinen 50 mm:n shakkiruutu ja 5 m:n päästä myös yksittäinen 30 mm:n mattapintaiset shakkiruudut. Videon laadun tarkistusta varten tehtävä tarkistustaulu voidaan ladata Tiehallinnon www sivuilta http://www.tiehallinto.fi/thohje.

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSTEN SUUNNITTELU JA SUORITTAMINEN 21 Kamera tulee kiinnittää niin, että se tärisee mahdollisimman vähän. Kamera tulisi olla kiinnitetty mittausauton katolle mahdollisimman korkealle. Auton ikkunan läpi videointia tulisi välttää. Kameran kuvakulma tulee olla sellainen, että kamera kuvaa suurimmaksi osaksi tietä taivasta saa näkyä tasaisella osuudella ainoastaan ohut raita kuvan yläosassa. Myös tutka-antennit tulisivat näkyä ainakin osittain kuvan alaosassa, jolloin maatutkadatan ja videodatan tarkka analyysi mahdollistuu. Videokameran kuvakulma tiestä riippuu siitä, onko mittaus ja videointi tilattu molemmilta kaistoilta vai vain yhdeltä kaistalta. Jos videointi on vain yhdeltä kaistalta, tulee kamera asentaa auton vasemmalle puolelle ja kuvakulma tuli olla niin, että sekä tie että molemmat reuna-alueet näkyvät mahdollisimman hyvin. Jos mittaukset tehdään molemmilta kaistoilta, tulee kamera asentaa oikeaan reunaan siten, että kuvassa näkyy mitattu kaista sekä mahdollisimman paljon tien luiskaa ja ojaa. Samalla tavalla toimitaan myös vastaantulevaa kaistaa mitattaessa. Lisäksi vastaantulevaa (vasenta) kaistaa mitatessa videokamera tulee sijoittaa siten, että kamera osoittaa taaksepäin, jolloin molempien videoiden suunta on sama. Kuvassa 3. on esitetty periaatepiirros kameran sijoittelusta eri mittausprojekteissa. Edellisen lisäksi jos videokuvaus tehdään myös hoidon urakan tarpeisiin siten, että tiealueen varusteet ja laitteet pitää kuvat, tulee vasen kaista kuvat myös siten, että kamera osoittaa eteenpäin. Kuva 3. Esimerkki maatutkaluotauksen yhteydessä tehtävien videointien kuvauskulmista. Kamera A kuvaa tilannetta, jolloin tiestä tehdään vain yksi video ja kamera-asemat B ja C kuvaa tilannetta, jolloin molemmilta kaistoilta kuvataan videot. Videointi tulee tehdä aina hyvässä valaistusolosuhteissa niin, että tieltä tallentuu mahdollisimman paljon yksityiskohtia. Jos kuitenkin esimerkiksi suuren liikennemäärän vuoksi maatutkaus on jouduttu tekemään yöllä, voidaan videointi tehdä erikseen päivällä hyvässä valossa.

22 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSTEN SUUNNITTELU JA SUORITTAMINEN Videointia ja maatutkamittauksia tehtäessä mittausnopeus on sovitettava sellaiseksi, että kuvan laatu on myös lähialueella riittävän tarkka. Tästä syystä suositeltavin mittausnopeus on 20 30 km/h, jolloin videon ääniraidalle ehditään tehdä myös luotettavat havainnot tiestä. Videoinnin yhteydessä mittaajien tulee kommentoida videon ääniraidalle mittauksen aikana havaintoja tien kunnosta sekä tieympäristöstä. Videolle tehtävät kommentit tulee keskittyä mm. seuraavin seikkoihin: Onko tie kokonaan tai puoliksi penkereellä vai leikkauksessa Kuivatuksen kunto, mm. makaako vesi ojassa Havaitut kallioleikkaukset Tien pinnassa näkyvät vauriot, ennen kaikkea videolta joskus vaikeasti havaittavissa oleva reunadeformaatio Arviot pohjamaan laadusta, esim. turvekohteet tulisi aina mainita Muut tien suunnitteluun vaikuttavat tekijät Periaatteena on, että videoon tulee puhua jatkuvasti, mutta havaintoja tulee tehdä vähintään 200 m:n välein. Lisäksi videon alussa tulee aina olla myös suullinen kuvaus mitattavasta tiestä ja tieosasta. Vasenta kaistaa mitatessa ei audiokommentteja välttämättä tarvitse tehdä, koska video tullaan kääntämään. Videoon tehtävät kommentit tulee tehdä aina selväsanaisesti suomenkielellä ellei tarjouspyynnössä ole toisin mainittu. Maatutkamittausten yhteydessä kerättävä video tulee sitoa johonkin paikantamisjärjestelmään, joka sallii videon linkittämisen RDA projekteihin siten, että mm. kaarteisuudesta johtuvat matkan siirtymät voidaan luotettavasti korjata jälkeenpäin editointivaiheessa. 4.3.3 Videoaineiston käsittely ja linkitys RDA-projektiin Mitattu video tulee aluksi pakata ja linkittää RDA projektiin. Lisäksi erikseen pyydettäessä tilaaja voi vaatia, että videolla näkyy tekstimuodossa tien ja tieosan numero sekä korjattu tierekisteriosoite. Pakatun videon tulee olla Microsoft Windows yhteensopiva ja lisäksi pakkausjärjestelmän tulee olla sellainen, että se ei edellytä Tiehallintoa hankkimaan videoitten katselua varten erillislisenssejä. Tällaisia sallittuja formaatteja on tällä hetkellä käytännössä mpg1, mutta tilaaja voi erikseen vaatia videot toimitettavaksi myös mpg2 formaatissa. Lisäksi mpg-videotiedosto tulee pakata siten, että pakkauksessa on käytetty lomituksen poistoa (deinterlace) kuvan resoluution parantamiseksi. Jos videot on tilattu molemmilta kaistoilta, tulee vasemman kaistan video toimittaa alkuperäisenä, mutta lisäksi se pitää kääntää niin, että linkitys RDA projektiin mahdollistuu. Jos videon kääntäminen ei onnistu, sallitaan videon muuttaminen kuvajonoiksi, jotka sitten käännetään.

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSTEN SUUNNITTELU JA SUORITTAMINEN 23 Videon linkitys tulee tehdä niin tarkasti, että videolla näkyvät selvät heijasteet kuten siltojen liikuntasaumat täsmäävät maatutkadatan kanssa ero saa olla korkeintaan 1 m. Suositeltavin linkitysmenetelmä on, että videon ns. frame numero on linkitetty jo mittausvaiheessa tutkadatan pyyhkäisynumeroon, mutta myös muut ja riittävän tarkat linkitysmentelmät sallitaan. Videon linkityksen periaate tulee selvittää tarjousasiakirjoissa. 4.4 Maatutkaluotaukset ja referenssikairaukset Maatutkaluotausten yhteydessä Tiehallinto edellyttää useimmissa tapauksessa otettavaksi referenssinäytteitä, joita käytetään tulkinnan tukena, mutta myös niille voidaan tehdä erilaisia laboratorioanalyysejä. Vaadittavat referenssikairaukset voivat olla kolmea perustyyppiä: A. Päällyste ja sidottu kantava kerros B. Päällyste, sidottu kantava ja sitomaton kantava kerros C. Päällyste, sidottu kantava, sitomaton kantava, muut rakennekerrokset ja niiden kokonaispaksuus sekä pohjamaan laatu. Referenssikairaukset tulee tehdä normaalisti 2-3 km:n välein kuitenkin niin, että näytteitä otetaan vähintään 1 kpl/tieosa. Tilaajan suostumuksella voidaan ottaa lisänäytteitä. Näytteenottokohteet määritetään maatutkaluotausten alustavan analyysin perusteella edustavista kohteista. Suositeltavin näytteenottokohta on oikea ulkoura, mutta vilkasliikenteisellä tiellä siitä voidaan poiketa tilaajan suostumuksella. Tarkka referenssikairauskohta tulee kuvata näytteenottoasiakirjoissa. Referenssipisteistä määritetään päällystepaksuus ja sidottujen kerrosten paksuus 4-5 mm:n tarkkuudella, sitomattomien kerrosten kerroksen paksuus 2 cm:n tarkkuudella ja rakennekerrosten kokonaispaksuus 5 cm:n tarkkuudella. Jos referenssipisteistä otetaan näytteet talteen, määritetään tarjouspyyntöasiakirjoissa erikseen, mitä analyyseja näytteille tehdään. Suositeltavaa on kuitenkin, että ainakin sidotuista kerroksista otettavat poranäytepalat aina kuvat digitaalikameralla ja tulokset luovutetaan tilaajalle.

24 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSAINEISTOJEN PROSESSOINTI JA TULKINTA 5 MITTAUSAINEISTOJEN PROSESSOINTI JA TULKINTA 5.1 Yleistä Tiehallinnossa ylläpidon hankinnan maatutkamittausprojekteissa tavoitteena on tuottaa tietoa rakenteen parantamisen suunnitteluun ja päällystesuunnitteluun. Tällöin tärkeintä on, että rakenteiden suunnittelua ja mitoitusta varten saadaan täsmälliset ja tarkasti paikkaan sidotut tiedot vähintään a) päällysteen kokonaispaksuudesta, b) kantavan kerroksen kokonaispaksuudesta, c) sitomattomien rakennekerrosten kokonaispaksuudesta, d) penkereen paksuudesta, e) pohjamaan laadusta sekä f) tiessä olevista laitteista, kuten rummuista. Lisäksi tulkitsijan tulisi tuottaa mahdollisimman paljon korjaussuunnittelussa tarvittavaa muuta tietoa, kuten arvioita vaurioiden syistä, tien muista rakenteista yms. Jos tilaukseen kuuluu tieanalyysi, tulee se tehdä julkaisussa: Tieanalyysi, MISU-projektin loppuraportti (Tielaitoksen selvityksiä 24/1999) mukaan. Tieanalyysipalkisto tehdään yhden metrin jaolla. Tiehallinto tulee täydentämään ohjetta lisäkirjeellä, jossa on esitetty lisäksi uusi pohjamaa luokitus. Jos tiedonkeruu on suoritettu oikein, yllä mainitut tiedot voidaan tuottaa aineiston huolellisella ja asiantuntevalla prosessoinnilla ja tulkinnalla. Seuraavassa on esitetty yleisiä ohjeita aineiston prosessoinnille ja tulkinnalle. 5.2 Esiprosessointi Aineiston esiprosessoinnilla tarkoitetaan tutka-aineiston editointia ja eri tavalla hankittujen tietojen yhdistämistä tutka-aineistoon. Tutka-aineiston editointi käsittää sellaiset operaatiot, jotka eivät muuta datan varsinaista tietosisältöä. Tällaisia operaatioita ovat esimerkiksi matkamittakaavan vakiointi, eri mittauslinjojen yhdistely ja erottelu ja tiedostojen mittaussuunnan kääntäminen. Tiehallinnolle tehtävissä projekteissa aineiston esiprosessointivaiheessa perustetaan myös RDA yhteensopiva projekti (esimerkiksi Road Doctor for Win projekti), joka on pohjana tietojen siirrolle Tiehallinnon RDA järjestelmään. Jos mittaukset on tilattu molemmilta kaistoilta, tiedostojen mittaussuunnan kääntämisoperaatiolla käännetään kaikki rinnakkaiset mittauslinjat samansuuntaisiksi. Samalla tulee tarkistaa, että eri linjat täsmäävät keskenään (esim. rumpu on samalla kohdalla). Jos linjat eivät täsmää, on ne skaalattava täsmäämään em. markkereiden ja rumpujen avulla.

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSAINEISTOJEN PROSESSOINTI JA TULKINTA 25 Matkakoordinaattien sitominen tarkoittaa yksinkertaisimmillaan sitä, että määritetään mittauksen alkupisteen paalulukema, ja lasketaan muiden mittauspisteiden sijainti pitkin mittauslinjaa alkupisteen ja vakiomittakaavan avulla. Tämä sopii tilanteisiin, joissa mittausten varsinaisilla pintakoordinaateilla ei ole suurta merkitystä, esimerkiksi maatutkamittaus on tehty pitkin tielinjaa. Tällaisissakin tapauksissa on kuitenkin hyötyä, jos mittausten korkeustieto on käytettävissä. Suositeltavaa on, että maatutkamittaukset skaalataan aina tierekisteripituuteen. Jos tierekisterin ilmoittamassa pituudessa ja lasketussa maatutkapituudessa on suuri ero (>15 m / 5 km) tulee tilaajan kanssa erikseen neuvotella, skaalataanko mittaukset tierekisteristä poikkeavaan pituuteen. Jos mittauslinjalta on tiedossa paikkakoordinaatit tunnetuista, esimerkiksi kohdassa 3.2 mainituilla markkereilla tutkadataan merkityistä pisteistä, nämä pisteet voidaan sitoa aineistoon, ja näin saada interpoloimalla määritettyä jokaisen mittauksen paikkakoordinaatit. Paikat voi olla määritetyt myös mittauksen aikana tosiaikaisesti, jolloin erillinen tietokone on lukenut koordinaatit esim. differentiaali GPS-laitteelta ja samanaikaisen mittausnumeron mittauslaitteelta. Aineistonkäsittelyohjelmisto sitten yhdistää nämä tiedot. 5.3 Päällystetutka-antennin (Ilmavasteantennin) datan prosessointi ja tulkinta Päällystetutkan (ilmavasteantennin) mittausdatan prosessoinnin vaiheet on kuvattu kuvassa 3. Yksityiskohtaisesti prosessointi on kuvattu mm. Road Doctor for win manuaalissa ja maatutkavalmistajien laitteisto ja ohjelmistomanuaaleissa. Ensimmäisessä vaiheessa tulee raakadatasta (pyyhkäisy 1) poistaa aluksi ensiksi ilmapulssi (pyyhkäisy 2), jos antennissa esiintyy nollatasosta poikkeavaa soimista ns. nollatason (taso P) alapuolella. Jos antenni on niin laadukas, että pulssi on käytännössä suora pintatason jälkeen, ei ilmapulssia tarvitse poistaa, vaan prosessointi tehdään pelkästään metallilevyheijasteen avulla (pyyhkäisy 3). Metalliheijasteen poiston jälkeen ohjelman tulee tehdä ns. pinnan tasoitus (antennin heilunnat eliminoidaan) ja samalla laskea ensimmäisen kerroksen dielektrisyysarvo. Tässä vaiheessa useat maatutkaohjelmistot parantavat eri tekniikoilla pinnan resoluutiota ja näiden tekniikoiden käyttö on sallittua jopa suotavaa, koska Suomessa päällysteet ovat pääosin ohuita. Seuraavassa on esitetty päällystetutkadatan tulkinnan periaatteet. Ohjeet koskevat kaikkia muita mittauksia paitsi päällysteiden tyhjätilamittauksia, johon on laadittu PANK ry:n toimesta erilliset ohjeet.

26 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSAINEISTOJEN PROSESSOINTI JA TULKINTA Kuva 4. Päällystemittausaineiston prosessoinnissa käytettävät pulssit. Pulssit on mitattu ilmavasteantennilla. Pulssi 1 on alkuperäinen mitattu pulssi. S on ns. suorapulssi, jota käytetään mittauksessa vertailutasona. P on heijastus päällysteen pinnasta. Pulssi 2 on ns. ilmapulssi, joka kuvaa mittausantennien itsensä aiheuttamia värähtelyjä signaalissa. Pulssi 3 on ns. metallipulssi, josta on jo poistettu taustana pulssi 2. Pulssi 4 on lopullinen tulkinnassa käytettävä pulssi, joka on saatu vähentämällä pulssista 1 pulssit 2 ja osaksi pulssi 3. Pulssin 3 poistamisella saadaan parannettua mittauksen pintaresoluutiota. Kaikkien maatutkadatojen tulkinnassa rajapintoja määritettäessä tulee käyttää maksimiamplituditekniikkaa siten, että myös polarisaatiovaihtelut tulee huomioida. Päällystetutkatulkinnan lähtökohtana on, että mittausdatasta on aina tulkittava vähintään: Sidottujen kerrosten (päällyste tai päällyste + sidottu kantava) kokonaispaksuus (koodi 21) Kantavan kerroksen kokonaispaksuus (koodi 41) Jos kerrosrajat ovat epämääräisiä ja tulkinta on epävarma, tulee tulkitsijan käyttää mm. Suomen Geoteknillisen yhdistyksen Pohjatutkimusmerkinnät 2004 julkaisussa sekä Maatutkaluotaus kirjassa (1991) kuvattuja rajapintakoodeja: a) selvä rajapinta (yhtenäinen viiva) b) erotettava rajapinta (viiva pitempi kuin väli) c) epävarma rajapinta (väli pitempi kuin viiva) Jos tulkitsija ei voi tulkita vaadittuja rajapintoja, tulee siitä tehdä tilaajalle erillinen kirjallinen selvitys miksi niitä ei ole tulkittu tai osattu tulkita. Epäselvissä tilanteissa tilaaja voi teettää työstä vertailumittauksen.

Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSAINEISTOJEN PROSESSOINTI JA TULKINTA 27 Sidottujen rakenteiden alapinnan ja sitomattoman kantavan kerroksen alapinnan tulkinnan lisäksi päällystetutka-antennin datasta tulisi tulkita mahdollisuuksien mukaan myös seuraavat rakenteet: Jakavan kerroksen paksuus (koodi 51) Päällysteen sisällä näkyvät ja mahdollisesti vaurioituneet tai kosteutta sitovat kerrokset (esim. stripping). Nämä voidaan merkitä tulkintaan myös tekstimuodossa Sitomattoman kantavan tai jakavan keskellä olevat sidotut kerrokset (sandwich rakenne). Näistä tulisi tulkita ainakin yläpinta Teräsverkot Päällystetutkatulkinnat tulee aina tehdä niin, että kerrospaksuudet taltioituvat metrin välein, eli ns. harvapistetulkintaa (tulkitaan hajapistetekniikalta rajapinnan paksuus sieltä-täältä kerrospaksuuksien vaihtelukohdista) ei maatutkauksessa sallita, koska se heikentää huomattavasti paksuustulkinnan tarkkuutta. Seuraavassa on esitetty päällystetutkan tulkinnan muistilista, jonka avulla tyypillisimmät virheet voidaan välttää: Esiprosessointi tulee olla suoritettu oikein Tutkadata tulee olla skaalattu oikein ja se täsmää muiden datojen kanssa. Eri antennien heijasteiden syvyydet tulee täsmätä ottaen kuitenkin huomioon sen, että antennit saattavat olla vierekkäin. Maavasteantennien 0-taso voidaan karkeasti täsmätä vertaamalla dataa ilmavasteantennin dataan. Heijasteiden kulkuaikaeroja voi olla ainoastaan voimakkaasti dielektrisesti dispersiivisissä materiaaleissa. Tulkinnassa on aina oltava mukana polariteettikontrolli. Etenkin jakavan murskeen alla olevan hiekan dielektrisyys on usein alhaisempi kuin jakavan murskeen, jolloin rajapinta tulisi tulkita mustan viivan keskelle. Dielektrisyysarvot on laskettu ja päivitetty. Etenkin päällysteen dielektrisyys tulee aina näkyä, koska sen avulla arvioidaan tieanalyysissa päällysteen laatua. Tulosten esityksessä saa käyttää korkeintaan 1 m:n liukuvaa keskiarvoa. Tulkinnassa tulee tulkita ennen kaikkea sidottujen päällysrakenteiden alapinta. Jos rakenteen väliin tulee sitomaton kantava (sandwich rakenne), on tulkinnassa rajapinta vedettävä sidotun päällysteen pohjasta suoraan ylös siinä kohdassa, missä sandwich rakenne alkaa.

28 Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkatutkimukset ja MITTAUSAINEISTOJEN PROSESSOINTI JA TULKINTA 5.4 Maavasteantennin datan prosessointi ja tulkinnat 5.4.1 400 600 MHz:n maavasteantennien data 400 600 MHz:n keskitaajuuden omaavien maavasteantennien tulkintaa edeltävään perusprosessointiin kuuluu yleensä vain päällysteen pinnan määritys ja taustan poisto suodatusoperaatio. Tämän lisäksi prosessoinnissa voidaan käyttää esimerkiksi vertikaali- ylipäästö- ja alipäästösuodatuksia ja signaalin vahvistuksia. Maavasteantennin tulkinnassa tulee tulkita ainakin seuraavat rajapinnat ja heijasteet: Sitomattomien rakennekerrosten alapinta (koodi 71). Sitomattomien rakenteiden sisällä oleva vanha tierakenne (koodi 35). Tämä kerros on usein myös joko kantavan tai jakavan kerroksen alapinta ja jos näin on, tulee se merkitä tekstimuodossa Penkereen alapinta (koodi 81) (milloin tie on penkereellä). Jos tien alla on vanha ja huonolaatuinen tie (soratie), se tulee merkitä penkereeksi. Jos kyseessä on louhepenger on se ilmoitettava Pohjamaan laatu ja siinä olevat selvät ja rakenteen parantamisen suunnitteluun vaikuttavat rajapinnat (koodit 91-97) Kalliopinta (koodi 201), jos se on tulkittavissa. Tulkinnan tukena voidaan käyttää pudotuspainolaitteen tietoja ja takaisinlaskentaohjelmien depth to stiff layer laskenta-algoritmien tietoja. Rummut. Varmasti todetuissa rummuissa tulee näkyä myös tierekisterin paalulukema. Myös rumpujen siirtymäkiilat tulee tulkita, jos ne on rakennettu ja havaittavissa. Lohkareet ja isot kivet tulisi merkitä Tulkinnassa rajapinnoista on aina määritettävä vähintään sitomattomien rakenteiden alapinta, muut rajapinnat tulkitaan vain silloin kun ne esiintyvät. Tulkinnan luotettavuutta kuvataan kohdassa 4.2 kuvatulla SGY:n arviointitavalla. Seuraavassa on esitetty maavasteantennien tulkinnan muistilista, jonka avulla tyypillisimmät virheet voidaan välttää: Data on skaalattu kohdassa 5.2 mainittuun pituuteen niin että rumpujen paalutus täsmää, rummuissa täyttyy näkyä tarkka paalulukema On tarkistettu, että 400-600 MHz data täsmää muiden antennien datojen kassa (rummut ovat hyvä kontrolli), ne pitää sattua juuri samaan kohtaan kaikissa datoissa Tulkinnat eivät saa mennä ristiin missään päällystetutka-antennin tulkintojen kanssa Tulkinnassa tulee muistaa ja niissä pitää aina näkyä: o rakennekerrosten kokonaispaksuus (koodi 71), joka voi olla a. pohjamaan rajapinta, b. penkereen ylärajapinta tai c. vanhan tierakenne, jos se on niin huonolaatuinen että se voidaan luokitella vain penkereeksi (esim. vanha soratie)