GPR applications across Engineering and Geosciences disciplines in Italy: a review

In this paper, a review of the main ground-penetrating radar (GPR) applications, technologies, and methodologies used in Italy is given. The discussion has been organized in accordance with the field of application, and the use of this technology has been contextualized with cultural and territorial peculiarities, as well as with social, economic, and infrastructure requirements, which make the Italian territory a comprehensive large-scale study case to analyze. First, an overview on the use of GPR worldwide compared to its usage in Italy over the history is provided. Subsequently, the state of the art about the main GPR activities in Italy is deepened and divided according to the field of application. Notwithstanding a slight delay in delivering recognized literature studies with respect to other forefront countries, it has been shown how the Italian contribution is now aligned with the highest world standards of research and innovation in the field of GPR. Finally, possible research perspectives on the usage of GPR in Italy are briefly discussed

FDTD simulation of the GPR signal for preventing the risk of accidents due to pavement damages

It is well known that road safety issues are closely dependent on both pavement structural damages and surface unevenness, whose occurrence is often related to ineffective pavement asset management. The evaluation of road pavement operability is traditionally carried out through distress identification manuals on the basis of standardized comprehensive indexes, as a result of visual inspections or measurements, wherein the failure causes can be partially detected. In this regard, ground-penetrating radar (GPR) has proven to be over the past decades an effective and efficient technique to enable better management of pavement assets and better diagnosis of the causes of pavement failures. In this study, one of the main causes (i.e. subgrade failures) of surface damage is analyzed through finite-difference time-domain (FDTD) simulation of the GPR signal. The GprMax 2D numerical simulator for GPR is used on three different types of flexible pavement to retrieve the numerical solution of Maxwell’s equations in the time domain. Results show the high potential of GPR in detecting the causes of such damage

FDTD simulation of the GPR signal for preventing the risk of accidents due to pavement damages

It is well known that road safety issues are closely dependent on both pavement structural damages and surface unevenness, whose occurrence is often related to ineffective pavement asset management. The evaluation of road pavement operability is traditionally carried out through distress identification manuals on the basis of standardized comprehensive indexes, as a result of visual inspections or measurements, wherein the failure causes can be partially detected. In this regard, ground-penetrating radar (GPR) has proven to be over the past decades an effective and efficient technique to enable better management of pavement assets and better diagnosis of the causes of pavement failures. In this study, one of the main causes (i.e. subgrade failures) of surface damage is analyzed through finite-difference time-domain (FDTD) simulation of the GPR signal. The GprMax 2D numerical simulator for GPR is used on three different types of flexible pavement to retrieve the numerical solution of Maxwell's equations in the time domain. Results show the high potential of GPR in detecting the causes of such damage

Sistemi a microonde dedicati ad applicazioni del ground penetrating radar e alla spettroscopia dielettrica

Introduzione sul GPR: L’interesse della presente tesi di dottorato si evidenzia su due argomenti, il primo riguarda lo studio e la caratterizzazione di uno specifico radar, il GPR (Ground Penetrating Radar) dispositivo di indagine non invasiva impiegato primariamente per lo studio dell’adiacente sottosuolo o anche di strutture visivamente non accessibili. Il termine radar deriva dalla denominazione inglese “radio detection and ranging” impiegata universalmente per indicare apparecchiature le quali effettuano, a mezzo di onde elettromagnetiche, rilevamenti della posizione o del movimento di oggetti. Il principio di funzionamento è basato sull'analisi delle riflessioni delle onde elettromagnetiche trasmesse nel terreno o nella struttura da esaminare. Il GPR usa lo stesso principio dei radar convenzionali, ma con alcune differenze significative. In un radar convenzionale l’onda elettromagnetica irradiata si propaga in aria per molti chilometri, nel GPR si propaga nel suolo o in altri materiali solidi raggiungendo distanze di pochi metri o anche decine di metri. La risoluzione dei radar convenzionali è dell’ordine delle decine o centinaia di metri, il GPR ha risoluzioni dell’ordine delle decine di centimetri e con alcuni tipi di antenne si possono avere risoluzioni dell’ordine dei centimetri. L’osservazione è realizzata con varie tecniche elettromagnetiche, fornisce con elevata efficienza ed esattezza e in modo quasi continuo indicazioni sulla composizione della struttura indagata. Nello specifico è possibile discriminare interfacce di elementi dotati di differente costante dielettrica. Con il termine Ground Penetrating Radar si intende, nella più generica delle accezioni, anche la tecnica con cui si conduce l’indagine. Il successo di questa tecnica di indagine scaturisce dalla compattezza e dalla manovrabilità del sistema, dall’economia dei costi e dai tempi di esecuzione e soprattutto dalla sua caratteristica non distruttiva e da una semplice interpretabilità dei risultati. L’utilizzo di questa tecnologia consente infatti di rilevare e localizzare nel mezzo investigato la presenza di oggetti, quali manufatti archeologici, danneggiamenti di generiche strutture viarie, strade ponti, gallerie, servizi interrati, condotte idriche, fognarie e del gas, cavità, svolgere attività di sminamento, misure di spessori, o evidenziare discontinuità correnti, in maniera molto facile ed economica. Cenni storici: Le prime applicazioni delle tecniche GPR risalgono agli anni 30, con applicazioni nella ricerca archeologica. In particolare il primo esperimento condotto con questa tecnologia, fu quello per la determinazione della profondità di un ghiacciaio (1951). Nell’immediato dopo guerra si è verificato un rapido ed intenso sviluppo di questa tecnica, soprattutto con l’impiego delle tecnologie di derivazione militare, quali i metal detector ed il radar. Per l’epoca le strumentazioni utilizzate erano complesse, ingombranti e richiedevano lunghi tempi per l’acquisizione dei dati. Negli ultimi anni, i notevoli progressi tecnologici dell’elettronica di base e dell’informatica hanno rivoluzionato la tecnologia dedicata a queste apparecchiature, fornendo prodotti di contenute dimensioni, portatili e di facile impiego. Le antenne sono di ridotte dimensioni, lavorano a frequenze che vanno in funzione dell’applicazione da 20 MHz ad alcuni GHz, consentono di ottenere risoluzioni maggiori per gli oggetti rilevati, i sistemi GPS abbinati allo strumento forniscono mappature automatiche e dettagliate per le scansioni su vaste aree. I software utilizzati per il post processing garantiscono immagini delle scansioni effettuate di notevole qualità. Attività sul GPR in Italia: In ambito del progetto COST Action TU1208 "Civil engineering applications of Ground Penetrating Radar”, è stato fatto un censimento sulle attività che coinvolgono l’uso GPR in Europa, in questo capitolo della tesi si mettono in evidenza le attività svolte in Italia, quali progetti di ricerca, siti di test, aziende produttrici, Università coinvolte etc. In particolare nel nostro paese già partire dagli anni 80 i progetti di ricerca e le varie iniziative, finanziate da enti istituzionali, Ministero dell’Università e della Ricerca, consorzi pubblici quali, Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT), aziende Selex‐ES e Telespazio S.p.A., hanno sviluppato molteplici tecnologie di radar “stepped frequency” e “ultra‐wide band” (UWB), usati sia in ambito civile, archeologico o militare. Una importante azienda Italiana, fondata negli anni 80 è la IDS S.p.A. che da oltre 30 anni è la principale fornitrice di innovative tecnologie e soluzioni ingegneristiche per le diverse applicazioni cioè: navale, aeronautico, georadar e militare. Dal 1999 l'IDS ha iniziato la commercializzazione a livello mondiale di sistemi GPR basati su sistemi array multi‐frequenza e multi‐canale e tutt’oggi è una delle aziende leader in questo settore, una società multi‐nazionale con una rete di agenzie e uffici in posizione strategica non solo in Italia, ma anche nei paesi europei e in tutto il mondo. Alcuni siti test dislocati sul territorio Italiano sono: In Frosinone, dedicato prevalentemente allo sviluppo e uso della tecnologia GPR in applicazioni archeologiche, il secondo è localizzato in Pescate provincia di Lecco, principalmente impiegato per studiare antiche strutture sepolte. Il sito di Ispra in provincia di Varese, è prevalentemente usato per scopi militari e dedicato soprattutto al rilevamento di mine antiuomo. Un altro sito di test molto importante per la ricerca di base, si trova in provincia di Lecce. Le facoltà scientifiche di molte Università Italiane, sono ampiamente coinvolte nello studio e nella promozione del GPR. Interessanti corsi universitari sono organizzati dall'Università di Roma Tre, Università di Genova, la Seconda Università di Napoli, Politecnico di Milano, Università Mediterranea di Reggio Calabria, Università di Pisa, Università di Siena, Università della Basilicata, Università degli Studi di Bari e dall’Università degli Studi di Messina. Il sistema analizzato: Il dispositivo analizzato in camera anecoica, è l’insieme del sistema radar GPR: GSSI (Geophysical Survey Systems, Inc.) SIR2000, abbinato all’antenna radar: Radar Team SUB‐ECHO HBD 300. Segnale irradiato dal sistema: Il GPR lavora con l'emissione di brevi impulsi elettromagnetici, ripetuti con continuità ed emessi da un'antenna in prossimità della superficie da indagare. L'impulso elettromagnetico si propaga in profondità del terreno, quando incontra una discontinuità dielettrica tra due mezzi, una parte dell'energia incidente viene riflessa ed una parte prosegue nel secondo mezzo. Le onde riflesse dalla discontinuità ritornano in superficie e vengono captate dall'antenna ricevente ed analizzate dal sistema, la parte di impulso trasmesso procede oltre la discontinuità stessa e può subire altre riflessioni su eventuali discontinuità più profonde. La caratteristica generale di un GPR è quella di un radar che trasmette segnali con una caratteristica banda UWB (Ultra Wide Band) in un range di frequenze che va da 10 MHz a circa 5 GHz. La durata del segnale trasmesso è dell'ordine dell'inverso della banda, che a sua volta è dell'ordine della frequenza centrale dell’antenna in uso. Se siamo a centro banda 20 MHz la durata è quindi dell'ordine di 50 ns, se siamo a 200 MHz la durata dell'impulso è dell'ordine di 5 ns e se siamo a 2 GHz la durata è dell'ordine di 0.5 ns. In questo caso il segnale trasmesso è un tipico segnale impulsato con una durata temporale dell’ordine di circa 2.70 ns, ed è emesso dal sistema con una determinata frequenza di ripetizione (Pulse Repetion Frequency) PRF. Individuare queste caratteristiche di emissione in fase di misura richiede molta accortezza, in quanto bisogna discriminare fra tutti gli altri segnali ambientali e i disturbi casuali. Il GPR è di dimensioni contenute e può essere fisicamente traslato gradualmente lungo un prefissato tracciato rettilineo in superficie e ottenere così una rappresentazione bidimensionale o “radargramma”, un grafico che rappresenta lo spostamento lungo una direzione in funzione dei tempi di ricezione del segnale riflesso. L’energia media irradiata è molto bassa, confinata nel sottosuolo, raggiunge svariati metri di profondità, in funzione della frequenza usata, il tipo di terreno etc. e in parte è assorbita istantaneamente. Tutte queste caratteristiche sono esclusive di un dispositivo GPR, in confronto ad altri dispositivi di esplorazione quali il metal detector o un generico sensore di movimento, che lavorano a piccole profondità e limitate gamme di frequenza. Inoltre l’antenna lavora a stretto contatto con il terreno ispezionato e le proprietà elettriche del terreno stesso hanno una forte influenza sulla impedenza di ingresso dell'antenna del dispositivo e delle sue caratteristiche di radiazione. Con le suddette considerazioni, il segnale di trasmissione deve avere una durata molto breve nel tempo e l'antenna deve essere in grado di trasmettere il segnale con la minima distorsione per evitare di degradare gli echi di ritorno e falsare l’acquisizione. Queste specifiche richiedono quindi una antenna a larga banda, direttiva e con una basso “ringing” d’antenna. Il tempo di acquisizione per ogni punto di osservazione viene settato dall'operatore. Nella maggior parte dei casi è sufficiente un fondo scala minore di 100 ns, ma le eccezioni sono diverse. In generale il tempo di acquisizione totale per un sistema GPR è inferiore a 100 ns. Nello specifico, il primo degli argomenti trattati è rivolto allo studio dell’esposizione elettromagnetica che interessa l’operatore durante l’utilizzo del dispositivo GPR, in particolare sono state considerate le due componenti che intervengono nel processo di esposizione, la radiazione che scaturisce dal back lobe dell’antenna in fase di trasmissione e la radiazione identificata sotto forma di segnale riflesso dal terreno illuminato sottoposto ad indagine. Lo studio è stato realizzato in due differenti scenari operativi, in un ambiente non anecoico e non schermato e quindi riproducente una tipica situazione di lavoro in campo libero, sia in un ambiente alquanto controllato, cioè anecoico e schermato. In particolare per quest’ultimo scenario è stata scelta la camera semianecoica “VECUVIA” presso l’ente ENEA, Centro Ricerche Casaccia in Roma. In seguito lo studio è stato completato, sempre nella suddetta camera semianecoica, con l’analisi delle caratteristiche operative del sistema radar GPR: GSSI (Geophysical Survey Systems, Inc.) SIR2000 e della sua antenna radar. Si è accertato sperimentalmente il valore del campo elettrico emesso ad una individuata distanza, la forma dell’impulso emesso, il pattern d’antenna sia sul piano verticale che orizzontale. E sono stati effettuati una serie di test per verificare come apparati di telefonia mobile o altre analoghe fonti possibili di interferenze possono contaminare i dati raccolti dal GPR. Modellizzazione di una griglia metallica per applicazioni GPR: Questa parte del lavoro è dedicata alla simulazione di scenari bidimensionali e alle tematiche di scattering elettromagnetico, tipiche condizioni in cui si trova ad operare il GPR. I risultati di questa attività sono stati conseguiti con l’uso un noto software freeware che utilizza i metodi di calcolo alle differenze finite (FDTD), GprMax. In particolare si focalizza l’attenzione su un oggetto, un modello di griglia metallica formata da cilindrici metallici lunghi e sottili, sepolti nel terreno o incorporati in una struttura, questa è la tipica attività di controllo della qualità del cemento armato o applicazioni simili. La migliore modellizzazione di una griglia metallica si ottiene considerando un elevato numero di fili metallici, ma è anche importante valutare il raggio del filo metallico e la spaziatura stessa della griglia. A tal proposito si fa riferimento alla cosiddetta regola (Equal Area Rule) EAR, regola dedotta dall'osservazione empirica e descrive come la superficie totale dei fili deve essere uguale alla superficie dell’oggetto da modellare. Alcuni autori hanno studiato l’affidabilità della regola EAR comparando la radiazione di campo magnetico trasverso, generata da un cilindro nel vuoto con una corrente sulla sua superficie o illuminato da un'onda piana monocromatica trasversa magnetica e confrontato con un modello a griglia metallica. Deducendo così che il modello a griglia è compatibile con la regola EAR. Inoltre i fili troppo spessi si comportano male come quelli troppo sottili. Tutti i mezzi coinvolti sono assunti lineari ed isotropi, dispersivi, gli oggetti metallici si presume siano perfettamente conduttivi. In questa simulazione non sono state incluse le strutture fisiche sia del ricevitore che del trasmettitore, la sorgente è rappresentata da una linea di corrente ed è stato calcolato il campo elettrico incidente sul ricevitore. La propagazione degli errori numerici è contenuta, decretando il passo di discretizzazione spaziale di un fattore 10 volte più piccolo della lunghezza d’onda minima del campo elettromagnetico. La frequenza massima da considerare nella simulazione, è tre volte la frequenza centrale dell’impulso. Per evitare l’effetto di frammentazione a scala del bordo degli oggetti continui, le forme circolari sono approssimate con un numero di almeno 20 celle per il loro raggio. E’ necessario limitare lo spazio computazionale, inserendo delle forme Perfectly Matched Layer (PML) per i bordi in modalità di Absorbing Boundary Conditions (ABS), usando 10 strati e ponendo sorgenti e target almeno 15 cellule distanziate dallo strato più interno. Parte II: Il secondo argomento della tesi è dedicato all’analisi sperimentale della permettività dielettrica complessa di un generico materiale coeso. Lo studio è stato condotto per mezzo di una tecnica riflettometrica in guida d’onda a sezione rettangolare e un (Vector Network Analyzer) VNA. La frequenza di lavoro scelta è quella (Industrial, Scientific and Medical) ISM Band, cioè 2.45 GHz. L’indagine sperimentale è stata svolta presso il Laboratorio di Microonde del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università degli Studi di Roma La Sapienza. Le tecniche di spettroscopia dielettrica operanti nella banda delle microonde sono sempre più di largo impiego per la misura della permettività complessa di un campione di materiale. La conoscenza di questo importante parametro infatti può fornire informazioni sulla sua qualità e definire l'interazione del materiale e l'effetto di riscaldamento corrispondente. Una applicazione del riscaldamento a microonde, soprattutto alla ISM Band è dedicato alla manutenzione del manto stradale, infatti, riscaldando l'asfalto attraverso l'uso di microonde, è possibile effettuare riparazioni in loco di fori o fessure presenti sulla superficie stradale. Inoltre l’uso delle microonde potrebbe anche essere impiegato durante la fase di produzione, in sostituzione ai forni convenzionali usati per l'essiccazione e il riscaldamento dei leganti minerali dell’asfalto e nel riciclo della pavimentazione con l’asfalto rigenerato e bitume. Lo studio della permettività complessa del conglomerato bituminoso, posso far capire come realizzare un sistema dedicato al riscaldamento e all’analisi del sistema. Il sistema è stato sviluppato con l’uso di una guida d’onda, in particolare la WR430 con una banda di frequenze che va da 1,7 GHz a 2.6 GHz e quindi compatibile con la ISM Band. Nella guida sono stati inseriti e misurati i materiali tipici che compongono l’asfalto. Il campione viene collocato all'interno della guida d'onda e un'onda elettromagnetica viene lanciata alla porta della guida d'onda. Misurando i parametri di scattering alle porte della guida d’onda, è possibile derminare la permittività complessa del campione in misura, attraverso un algoritmo di misurazione appropriato. Per questo tipo di misura è stato impiegando il modello sviluppato dalla (National Institute of Standards and Technology) NIST, è risultato essere il più preciso per materiali non magnetici come quelli trattati in questa misura. Il sistema WR430 è stato caratterizzato facendo il confronto con misurazioni di riferimento di solidi a bassa permittività dal comportamento abbastanza piatto su tutta la banda di frequenza delle microonde. Misurazioni effettuate con sistema di guida d’onda WR90, che utilizza componenti commerciali dalla permittività nota. Il sistema è stato caratterizzato usando i seguenti materiali: PVC a bassa densità, teflon, plexiglas e policarbonato. La scelta è ricaduta su questi materiali per la facilità di preparazione del campione da inserire nella guida d’onda e la bassa permettività che rappresenta al meglio i composti granulari. Si è giunti che il confronto con i risultati ottenuti con il sistema WR430 e il sistema commerciale WR90 sono in buon accordo, le differenze percentuali tra le permittività misurate attraverso i due sistemi sono inferiori a 1%. Il passo successivo è stato quello di misurare la permettività di materiali granulari utilizzati tipicamente per asfalto autostradale, con diverse miscelazioni e inumiditi a diverso contenuto d’acqua. Le misurazioni sono state effettuate su due materiali che sono tipicamente utilizzati nel settore dell'asfalto, roccia calcarea e aggregati basaltici. Entrambi questi materiali sono stati selezionati in modo da ottenere pietre con un diametro compreso tra 2 e 4 mm. I risultati di misura ottenuti, confermano la flessibilità e l’uso pratico del sistema in possibili applicazioni nell'industria per la manutenzione stradale. I costi per produrre i componenti della guida d'onda si aggirano intorno ai € 1000, la rendono una soluzione molto competitiva e conveniente. La tecnica della spettroscopia dielettrica può essere applicata ai materiali granulari in genere, in particolare al settore agroalimentare con la misura di granaglie, farine alimentari etc

Experimental and theoretical investigation on road pavements and materials through ground-penetrating radar

Ground-penetrating radar (GPR) is being increasingly used over the last years in a wide range of applications, due to its flexibility and high potential to provide characterization and imaging of structures and materials. Overall, several reasons are contributing to increase the demand for the use of this tool and non-destructive testing techniques (NDTs) in general. Amongst all, it is worth citing technological advances of both hardware and software elements, an intrinsic lower significance of measurements provided by traditional monitoring techniques along with their greater invasiveness in measuring processes and, last but not least, the impacts of Global Economic Crisis on the use of economic resources affecting for years countries worldwide. The combination of such factors has led the interest of several skill profiles spanning from researchers, practitioners and end-users in general, and focused the attention of governments and local authorities on the high capabilities to gather a large amount of information in a relatively short time of surveying. In the field of pavement engineering, GPR has been used since the early 1980s mostly focusing on the geometrical characterization of road structure, by evaluating layer thicknesses. Minor care has been given to the analysis of the main causes of damage and performance properties of pavements, in order to improve management of infrastructural asset through effective and efficient maintenance and rehabilitation actions, as well as to provide best conditions in design of new roads. In that regard, this thesis is aimed to give a useful contribution also in the perspective of road safety issues by improving current processes of management and maintenance of road asset, along with the design of new roads, and provide effective support for the application and practical use of the tools described. Efforts have been spent in order to detect and quantify those physical and strength characteristics of road materials and subgrade soils that are relevant causes of damage, such that an effective planning of supporting actions for maintenance, rehabilitation and design of new roads may be timely performed. Three main topics are addressed, namely: i) the evaluation of moisture spatial field in subgrade soils through a self-consistent frequency-based technique and the analysis of radar support scale in small-scale measurements of water content; ii) the potential to detect and quantify clay content in load-bearing layers and subgrade soils through different GPR tools and signal processing techniques, and iii) the possibility to infer strength and deformation characteristics of both bound, unbound pavement structures, and subgrade soils from their electric properties. The results are encouraging for applications in the field of pavement engineering

Evaluation of ground penetrating radar responses to changes in graded rocks pavement layers characteristics

Orientador: Maria Teresa FrançosoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e UrbanismoResumo: Esta dissertação apresenta o estudo das respostas do ground penetrating radar às variações nas seguintes características de misturas de britas graduadas para camadas do pavimento: granulometria e massa específica aparente. Para a execução dos ensaios foi utilizada a antena blindada, de transmissão pelo solo, com frequência central de 1,6 GHz, acoplada a uma unidade de controle e armazenamento de dados. A fim de avaliar a sensibilidade do GPR às variações na granulometria comparou-se dois tipos de mistura, uma de graduação densa e uma de graduação aberta: respectivamente a BGS da Faixa B da especificação 141/2010 ¿ ES do DNIT e a base drenante da especificação ET-DE-P00/008 do DER/SP, que foram compactadas em uma caixa de madeira de 40 × 40 × 15 cm confeccionada para este fim. A fim de avaliar a sensibilidade às variações da massa específica aparente foram realizados levantamentos com ambas as misturas nas seguintes condições: teor de umidade variando ±1,0% em relação à umidade ótima; no estado solto e compactadas a 90%; 95%; 98% e 100% do Proctor Modificado. Também foram realizadas simulações numéricas 2D dos ensaios, nas quais se empregou o modelo CRIM e o método FDTD. Os resultados obtidos nas simulações foram condizentes com os resultados obtidos em laboratório, aos quais serviram de apoio. Em todos os ensaios o objetivo foi detectar variações na permissividade dielétrica relativa e relacioná-la à granulometria e às condições de compactação das misturas. Os resultados obtidos demonstram que em função do baixo contraste entre as propriedades físicas das duas misturas comparadas o ground penetrating radar não foi capaz de diferenciá-las. Os resultados também demonstram que o ground penetrating radar é sensível às variações nas condições de saturação, mas que esta sensibilidade não é suficiente para que ele seja utilizado em substituição aos métodos tradicionais de controle de qualidade na execução de camadas granulares, mas indicam que ele pode vir a ser utilizado para identificar heterogeneidades nas camadas executadasAbstract: This thesis presents the study of ground penetrating radar responses to changes in the following characteristics of graded rocks for pavement layers: particle size composition and bulk density. For the execution of the tests, the shielded antenna was used, transmitted by the ground, with a central frequency of 1.6 GHz, coupled to a control and data storage unit. In order to evaluate the sensitivity of GPR to variations in granulometric composition particle size, two compositons were compared, one dense grade and one open grade, respectively, the Curve B from DNIT Specification 141/2010 ¿ ES Curve B and the drainage layer from DER/SP specification ET-DE-P00 / 008., which were compacted in a 40 × 40 × 15 cm wooden box made for this purpose. In order to assess the sensitivity to variations in apparent density, surveys were carried out with both mixtures under the following conditions: moisture content varying ± 1.0% in relation to the optimum humidity; in the loose state and compacted to 90%; 95%; 98% and 100% of the Modified Proctor. 2D numerical simulations of the tests were also carried out, in which the CRIM model and the FDTD method were used. The results obtained in the simulations were consistent with the results obtained in the laboratory, which served as support. In all tests, the objective was to detect variations in the relative dielectric permittivity and to relate it to the granulometry and the conditions of compaction of the mixtures. The results obtained demonstrate that due to the low contrast between the physical properties of the two mixtures compared, the ground penetrating radar was not able to differentiate them. The results also demonstrate that the ground penetrating radar is sensitive to variations in the saturation conditions, but that this sensitivity is not sufficient for it to be used to replace traditional methods of quality control in the execution of granular layers, but indicate that it can come to be used to identify heterogeneities in the executed layersMestradoTransportesMestra em Engenharia Civil01-P-03713/2017CAPE

A GPR-GPS-GIS-integrated, information-rich and error-aware system for detecting, locating and characterizing underground utilities

Underground utilities have proliferated throughout the years. The location and dimension of many underground utilities have not always been properly collected and documented, leading to utility conflicts and utility strikes, and thus resulting in property damages, project delays, cost overruns, environment pollutions, injuries and deaths. The underlying reasons are twofold. First, the reliable data regarding the location and dimension of underground utility are missing or incomplete. Existing methods to collect data are not efficient and effective. Second, positional uncertainties are inherent in the measured utility locations. An effective means is not yet available to visualize and communicate the inherent positional uncertainties associated with utility location data to end-users (e.g., excavator operator). To address the aforementioned problems, this research integrate ground penetrating radar (GPR), global positioning system (GPS) and geographic information system (GIS) to form a total 3G system to collect, inventory and visualize underground utility data. Furthermore, a 3D probabilistic error band is created to model and visualize the inherent positional uncertainties in utility data. ^ Three main challenges are addressed in this research. The first challenge is the interpretation of GPR and GPS raw data. A novel method is created in this research to simultaneously estimate the radius and buried depth of underground utilities using GPR scans and auxiliary GPS data. The proposed method was validated using GPR field scans obtained under various settings. It was found that this newly created method increases the accuracy of estimating the buried depth and radius of the buried utility under a general scanning condition. The second challenge is the geo-registration of detected utility locations. This challenge is addressed by integration of GPR, GPS and GIS. The newly created system takes advantages of GPR and GPS to detect and locate underground utilities in 3D and uses GIS for storing, updating, modeling, and visualizing collected utility data in a real world coordinate system. The third challenge is positional error/uncertainty assessment and modeling. The locational errors of GPR system are evaluated in different depth and soil conditions. Quantitative linkages between error magnitudes and its influencing factors (i.e., buried depths and soil conditions) are established. In order to handle the positional error of underground utilities, a prototype of 3D probabilistic error band is created and implemented in GIS environment. This makes the system error-aware and also paves the way to a more intelligent error-aware GIS. ^ To sum up, the newly created system is able to detect, locate and characterize underground utilities in an information-rich and error-aware manner

Eleventh International Conference on the Bearing Capacity of Roads, Railways and Airfields

Innovations in Road, Railway and Airfield Bearing Capacity – Volume 1 comprises the first part of contributions to the 11th International Conference on Bearing Capacity of Roads, Railways and Airfields (2022). In anticipation of the event, it unveils state-of-the-art information and research on the latest policies, traffic loading measurements, in-situ measurements and condition surveys, functional testing, deflection measurement evaluation, structural performance prediction for pavements and tracks, new construction and rehabilitation design systems, frost affected areas, drainage and environmental effects, reinforcement, traditional and recycled materials, full scale testing and on case histories of road, railways and airfields. This edited work is intended for a global audience of road, railway and airfield engineers, researchers and consultants, as well as building and maintenance companies looking to further upgrade their practices in the field