Optimisation of ground penetrating radar testing at traffic speed for structural monitoring of pavements

Abstract

Transport infrastructures have a high socio-economic impact on every country. For the last years, the investment priory made for new construction has been refocused for maintenance and support activities, which have high demands in terms of time, money and personnel. Therefore, optimized pavement management strategies, with reliable and accurate up to date real pavement information, are fundamental to enhance maintenance interventions, to reduce costs and to improve safety. Ground Penetrating Radar (GPR) is a non-destructive technique (NDT) that operates at traffic speed and can be used to obtain continuous data concerning pavement structure. However, GPR is a method that is used only in a few countries, and mainly for research proposes. This happens due to the complexity in the analysis of the results, associated with difficulties in data collection and signal processing. This thesis identifies the advantages and current limitations of GPR application for pavement monitoring and promotes its use at different stages of the pavement lifecycle and in combination with other NDT methods. The main goals are to increase the confidence level of the data obtained and to promote a more efficient data processing. The research starts with a state of the art regarding the application of GPR for road inspection, not only for thickness measurement but also for the detection of cracks, voids, delamination and moisture, pathologies typically associated with the loss of pavement bearing capacity. The following works combine GPR with other NDT techniques first to analyse the condition of the pavement subgrade during the construction and then to evaluate the bearing capacity of a rehabilitated pavement. The first study analyses different antenna setups together with two load NDT techniques to detect anomalous areas that can lead to future failure of the pavement, at the subgrade level. Results from a real scale model show that integration of GPR with load tests helps improve the interpretation. Another study, following the same line of research, presents a combination of GPR with Falling Weight Deflectometer for pavement structural evaluation of a rehabilitated flexible highway. This work focuses on the sensitivity of the estimated elastic moduli to layers thicknesses. It highlights the need for accurate continuous data on layer thickness as input for bearing capacity evaluation and to better support maintenance interventions. Lastly, this thesis proposes a new approach for a coreless GPR calibration method, aiming to provide accurate data on layer thickness measurement. This method applies the Common Mid-Point approach to air-coupled antennas measurements. It focuses on asphalt layer thickness assessment, as it is the most relevant for the structural evaluation of flexible pavements. Results from the GPR tests performed on three real scale physical models, with different flexible pavement structures, show the improvement of this new methodology, in comparison to existing calibration methods, especially for thinner asphalt layers. As a follow-up, the proposed methodology was implemented for an in situ pavement evaluation, as a case study. The main challenges of the implementation of the proposed methodology, conclusions, and future research lines are also presented herein.

Las infraestructuras del transporte tienen un alto impacto socioeconómico en todos los países. En los últimos años, las inversiones destinadas a nueva construcción se ha reorientado hacia actividades de mantenimiento y soporte, las cuales suponen grandes demandas de tiempo, dinero y personal. En este contexto, con el fin de intensificar las intervenciones de mantenimiento, reducir costes y mejorar la seguridad vial, cobra importancia el desarrollo de estrategias para la gestión optimizada de los pavimentos, con información confiable, precisa y actualizada a las condiciones reales del pavimento y su estructura. El radar de subsuelo o georradar (por sus siglas en inglés, GPR) es una técnica de evaluación no destructiva (END) que opera a la velocidad del tráfico y que se puede utilizar para obtener datos continuos sobre la estructura del pavimento. Sin embargo, el GPR es un método de inspección que se usa, de manera rutinaria, en unos pocos países y principalmente en propuestas de investigación. Esto es debido a la complejidad en el análisis de los resultados, así como a dificultades asociadas a los procesos de recolección de datos y procesamiento de la señal. Esta tesis identifica las ventajas y limitaciones actuales de la aplicación del GPR para la inspección y evaluación del pavimento y promueve su uso en diferentes etapas del ciclo de vida del mismo, así como su combinación con otros métodos END. Los principales objetivos son aumentar el nivel de confianza de los datos obtenidos y promover un procesamiento de datos más eficiente. La investigación comienza con un estado del arte sobre la aplicación del GPR para la inspección de carreteras, no solo para la medición de espesores, sino también para la detección de grietas, huecos, delaminación y humedad, patologías típicamente asociadas con la pérdida de capacidad de soporte del pavimento. Los siguientes trabajos combinan el uso del GPR con otras técnicas END, tanto para analizar la condición del subsuelo del pavimento durante su fase de construcción, como para evaluar la capacidad de carga de un pavimento rehabilitado. El primer estudio analiza diferentes configuraciones de antenas GPR, en combinación con dos técnicas de carga END diferentes, para detectar anomalías que pueden conducir a grietas y/o patologías futuras del pavimento, a nivel de la subrasante. Los resultados de un modelo a escala real muestran que esta integración del GPR con pruebas de carga ayuda a mejorar la interpretación de los datos obtenidos. El siguiente estudio, siguiendo la misma línea de investigación, presenta una combinación de GPR con deflectometría de impacto (FWD) para la evaluación estructural del pavimento flexible de una autopista rehabilitada. Este trabajo se centra en la sensibilidad de los módulos elásticos estimados para los espesores de capas. Resalta la necesidad de contar con datos continuos precisos sobre el espesor de capa como dato de entrada para la evaluación de la capacidad de carga, hacia una valoración más fundamentada sobre la necesidad de llevar a cabo actividades de mantenimiento. Por último, esta tesis propone un nuevo enfoque para una metodología de calibración del GPR sin extracción de catas, con el objetivo de proporcionar datos precisos sobre la medición del espesor de capa. Este enfoque aplica el método del punto medio común (CMP) comúnmente empleado con antenas de suspensión (air-coupled antennas). El estudio se centra en la medición del espesor de capas asfálticas, ya que es la más relevante en la evaluación estructural de pavimentos flexibles. Los resultados de las pruebas GPR realizadas en tres modelos físicos a escala real, con diferentes estructuras de pavimentos flexibles, muestran las ventajas y mejoras de esta nueva metodología, en comparación con los métodos de calibración existentes, especialmente en el caso de las capas de asfalto más delgadas (las más superficiales). Finalmente, se presenta un caso de estudio real, en el que se probó la metodología propuesta. Los principales desafíos de la implementación de la metodología propuesta, las conclusiones y las futuras líneas de investigación también se presentan en este documento.

A inspección e seguimento ten un papel importante nun Sistema de Xestión de Pavimentos. Consciente dos avances en tecnoloxías de detección e procesamento da información, así coma o seu potencial de aplicación de novas técnicas de seguimento, o traballo proposto estará baseado sobre os últimos desenvolvementos no campo do xeorradar (GPR) de solos asfálticos. O principal obxectivo será a optimización do uso do GPR no seguimento estrutural do firme mediante a mellor configuración de equipos para cada tipo de estrutura específica e, por interpretación conxunta dos ensaios de GPR e deflexión.