Wegen. Nauwkeurigheid van de meting van asfaltdikte

Transcriptie

1 Wegen Nauwkeurigheid van de meting van asfaltdikte

2 Verantwoording Titel Nauwkeurigheid van de metingen van de Wegenscanners Datum Maart 2016 Auteur(s) Dr. R.L. Koomans, ing. W. Bouwmeester Contact informatie

3 3 Inhoudsopgave 1 Inleiding Wegonderzoek volgens de Wegenscanners Unieke methode: grondradar en gammaspectrometer Over de Wegenscanners Nauwkeurigheid van de metingen: theorie Juistheid en precisie Juistheid IJking van de metingen Weten hoe de data moeten worden geïnterpreteerd Precisie Precisie waarmee de radarlijn kan worden gevolgd Nauwkeurigheid van de metingen: praktijk Aanpak Resultaat Amsterdam Resultaat grote dataset boringen Conclusie: nauwkeurigheid... 13

4 4 1 Inleiding 1.1 Wegonderzoek volgens de Wegenscanners De Wegenscanners willen informatie over de weg verbeteren. Daarbij passen we onze visie toe: onderzoek de weg van globaal naar detailniveau en koppel daarbij puntinformatie aan globale informatie. Continue informatie in plaats van puntinformatie geeft een beter beeld van de weg. Het inzicht wordt hierdoor vergroot. Onze data kunnen uitstekend gecombineerd worden met andere technieken. Het grote voordeel is dat de vervolgonderzoeken heel gericht uitgevoerd kunnen worden. Met deze informatie kunnen boringen voor verhardingsadvies en milieuhygiënische kwaliteit op een juiste locatie worden geplaatst. Naast kennis op netwerkniveau levert dezelfde informatie ook input op projectniveau en kan voorkomen worden dat tijdens de uitvoering verrassingen ontstaan. Samengevat: wij willen de weg begrijpen. Figuur 1: continue informatie in plaats van puntinformatie geeft een beter beeld van de weg. Het inzicht wordt hierdoor vergroot. We gebruiken verschillende sensoren om de samenstelling en de opbouw van de weg in beeld te brengen. Deze meetsystemen zijn op een actiewagen gemonteerd en kunnen op normale rijsnelheid worden gebruikt. Figuur 2 toont een foto van de meetopstelling. De voordelen van deze aanpak zijn: - De metingen gaan met het verkeer mee, waardoor zo min mogelijk overlast ontstaat. De metingen zijn non-destructief. De resultaten geven snel een overzicht van de weg. De resultaten geven een compleet, dekkend overzicht van de weg.

5 5 Figuur 2: voorbeeld van de meetopstelling van de Wegenscanners 1.2 Unieke methode: grondradar en gammaspectrometer Bij onze metingen maken wij gebruik van twee sensoren om de asfaltdikte en de opbouw van de wegconstructie te meten. Met de grondradar wordt direct de dikte van het asfalt gemeten, met de gammaspectrometer geven wij aanvullende informatie over de variatie in soorten steenslag en de overgang in wegconstructies. De informatie van de gammaspectrometer geeft beter inzicht in variatie in wegopbouw en helpt bij het juister interpreteren van de grondradarmetingen. De toevoeging van de gammaspectrometer aan de grondradarmetingen levert een veel beter begrip op van de wegopbouw. De resulterende verbetering in de precisie is echter moeilijk te kwantificeren. Daarom is in deze memo alleen de nauwkeurigheid van de grondradarmetingen gekwantificeerd. 1.3 Over de Wegenscanners De Wegenscanners BV is begin 2014 opgericht met als doel: betere informatie te leveren voor de wegenbouw. Wij willen met bestaande en nieuwe meettechnieken aan onze opdrachtgevers een goed en volledig inzicht geven in de weg en alles wat daaronder zit. Wij geloven dat het inwinnen van informatie over de weg meer is dan alleen het toepassen van techniek. Het is daarom geen toeval dat een wegenbouwer en een geofysicus de oprichters van de Wegenscanners zijn. Onze geofysici hebben kennis over hoe je de weg meet en onze wegenbouwers hebben kennis over wat je aan het asfalt meet. Doordat wij tijd hebben genomen om elkaars taal te leren spreken, is kennis uit twee vakgebieden samengesmolten en leveren wij het beste van twee werelden. Na het uitvoeren van 110 projecten in de wegenbouw (dd. Maart 2016) blijkt dat onze opdrachtgevers dat ervaren als een sterke combinatie.

6 6 2 Nauwkeurigheid van de metingen: theorie 2.1 Juistheid en precisie Vaak wordt de vraag gesteld hoe nauwkeurig de metingen met grondradar zijn om de dikte van het asfalt en de fundering te bepalen. Voordat we die vraag kunnen beantwoorden moeten we goed beschouwen wat de nauwkeurigheid is. De nauwkeurigheid laat zien hoe goed een gemeten waarde overeenkomt met zijn daadwerkelijke (ware) waarde. Hoe groter de nauwkeurigheid, hoe kleiner de totale fout. Hierbij wordt in de wetenschap onderscheid gemaakt tussen juistheid en precisie. Als een resultaat zowel juist als precies is, wordt dit geldig of valide genoemd. De juistheid geeft aan of de metingen systematisch afwijken van de echte waarden. Bijvoorbeeld bij een dart-speler: wanneer alle worpen gemiddeld rondom de bullseye terecht komen, kan de darter op een juiste manier gooien; wanneer de worpen gemiddeld aan de rand terecht komen kan de darter niet op een juiste manier gooien (Figuur 3). Voor een goede juistheid is het van belang om: De metingen goed te ijken: voldoende goed geplaatste referentieboringen te gebruiken. Weten hoe de data moeten worden geïnterpreteerd: ervaring en indien nodig gericht ijkboringen plaatsen. De precisie geeft aan hoe groot de spreiding is van de metingen rondom de gemiddelde waarden. Bijvoorbeeld bij een dart-speler. Wanneer alle worpen vlak bij elkaar in de buurt komen, kan de darter op een precieze manier gooien. Wanneer alle worpen ver uit elkaar liggen kan de darter niet op een precieze manier gooien (Figuur 3). In ons geval hangt de precisie af van de: precisie waarmee de radarlijn kan worden gevolgd: grondradar met goede frequentie, de nauwkeurigheid van de diktebepaling van de vergelijkende boring en de positie van de vergelijkende boring: goede ijkboringen.

7 7 Figuur 3: verschil tussen juistheid en precisie. We hebben de afgelopen jaren al veel boringen verzameld en weten steeds beter hoe goed onze metingen zijn. In de dagelijkse praktijk zijn de waarden die door boringen worden opgeleverd de waarheid. In het onderstaande worden de boringen dan ook als waarheid genomen. 2.2 Juistheid IJking van de metingen De grondradar meet de reflectie van de radarstraling in de bodem. Bij dit meten wordt een hoogfrequente radiopuls uitgezonden en gereflecteerd op bepaalde lagen. De meting legt de looptijd van de radiopuls vast tussen het moment van uitzenden en het moment van ontvangst van een reflectie. Deze looptijd hangt af van de voortplantingssnelheid van de radargolf in het asfalt. Voor het ijken van deze metingen met grondradar naar een dikte van het asfalt is informatie nodig over de snelheid van het radarsignaal in het asfalt. Deze ijking kan worden uitgevoerd door lokaal boringen te nemen, of kan worden gebaseerd op ervaring en eerder genomen boringen. Voor de ijking gebruiken wij informatie uit onze eigen database van asfalttypen en maken wij gebruik van boringen in het project. Na goede (her)ijking met boringen uit het project is de fout in de juistheid in theorie 0 cm. In veel gevallen zijn geen boringen voorhanden en maken wij gebruik van ervaring op basis van eerder genomen boringen.

8 Weten hoe de data moeten worden geïnterpreteerd Voor goede verwerking van grondradar metingen is kennis over de wegenbouw en van geofysica nodig en is ervaring vereist. Naast het feit dat De Wegenscanners bestaan uit wegenbouwers en geofysici met kennis over hoe je asfalt meet en kennis over wat je aan het asfalt meet, hebben wij ruime ervaring met het uitvoeren van onderzoek naar dikte van asfalt en fundering op wegen. In 2015 maten wij minimaal km weg in en voerden wij twee projecten met minimaal 350 km weglengte uit. Het komt voor dat de interpretatie van wegen erg complex kan zijn. Bijvoorbeeld dat er verschillende lagen op elkaar liggen, of dat door verbrijzeling de onderkant van de asfaltlaag niet goed duidelijk is. In dit soort gevallen bevelen wij aan om heel gericht boringen te nemen om te begrijpen hoe de weg er op een specifieke locatie uitziet. Tabel 1: Referentie projecten uit Locatie Opdrachtgever Lengte onderzoek Wegenscan voor wegopbouw VGD meting + draagkracht analyse Noord Holland Hoogheemraadschap Hollandsch Noorderkwartier 350 km + Nee Leiden Gemeente Leiden 150 km + Nee Lelystad Gemeente Lelystad 60 km + Ja Ede Gemeente Ede 30 km + Nee Zuid Holland Provincie Zuid Holland 90 km + Ja Tynaarlo Gemeente Tynaarlo 35 km + Nee Dordrecht Gemeente Dordrecht 60 km + Nee A28/A50 Rijkswaterstaat 480 km + Nee A50 Rijkswaterstaat 84 km + Nee Amsterdam Midden Delfland Gemeente Amsterdam Gemeente Midden Delfland 15 km + Ja 27 km + Ja Someren Gemeente Someren 32 km + Nee

9 9 2.3 Precisie Precisie waarmee de radarlijn kan worden gevolgd De grondradar meet de reflectie van radarstraling in de bodem of het asfalt. Bij het meten wordt een hoogfrequente radiopuls door de zendspoel uitgezonden en gereflecteerd op bepaalde lagen of objecten in de weg, die andere elektromagnetische eigenschappen hebben dan de onderdelen eromheen. Voor het goed kunnen bepalen van de dikte van een asfalt- of funderingslaag is het van belang om de overgang tussen de verschillende lagen duidelijk in beeld te hebben. Om goede informatie over de opbouw van het asfalt en opbouw van de fundering te krijgen is het van belang om een grondradar met een goede frequentie te gebruiken. Deze frequentie, uitgedrukt in MegaHertz (MHz), bepaalt hoe diep of hoe nauwkeurig we kunnen meten. Voor het onderzoek maken wij gebruik van 2 radarsystemen: een IDS 400/900 MHz antenne en een IDS 2000 MHz antenne. De 400/900 MHz antenne heeft een dieptebereik van ongeveer 2 meter en is bij uitstek geschikt om fundering en ondergrond in beeld te brengen. Informatie over de dikte en opbouw van het asfalt is met deze frequentie radarantenne minder goed in beeld te brengen. Met de 2000 MHz radarantenne kan in de bovenste 50 cm heel nauwkeurig de dikte van het asfalt worden bepaald en kunnen zelfs laagovergangen in het asfalt worden gemeten.

10 10 3 Nauwkeurigheid van de metingen: praktijk Door onze ervaring met interpretatie van de metingen (zichtbaar in de hoeveelheid ingemeten wegen in 2015), opgebouwde database aan asfaltsoorten en kwaliteit van de grondradarsystemen (een 2000 MHz grondradar waarmee rijdend kan worden gemeten) kunnen wij testresultaten leveren met een hoge precisie en een grote juistheid. Maar: the proof of the pudding is in the eating, en een vergelijking met boringen laat natuurlijk zien wat de kwaliteit van de metingen is. 3.1 Aanpak In de dagelijkse praktijk zijn de waarden die door boringen worden opgeleverd de waarheid in wegenbouwprojecten. In onderstaande worden de boringen dan ook als waarheid genomen. Om de boringen te vergelijken met de radarresultaten zijn om de boorpunten cirkels van 2m getrokken. In deze cirkel is de asfaltdikte gemiddeld. Hierbij gaan wij uit van de volgende aanname: De positienauwkeurigheid van de boring is beter dan 2m De variatie van de asfaltdikte binnen de 2m is beperkt 3.2 Resultaat Amsterdam In Amsterdam zijn 27 boringen geplaatst op een traject dat door de Wegenscanners is ingemeten. De locaties zijn niet door ons bepaald en zijn dus at random genomen. De resultaten van de boringen zijn vergeleken met de resultaten van de hoge resolutie grondradarmetingen van de 2000 Mhz antenne (Figuur 4). Deze resultaten laten zien dat de gemiddelde juistheid (voor herijking met deze boringen) 5 mm is, de precisie van de metingen is 5 mm.

11 11 Asfaltdikte Asfaltdikte radar (cm) Asfaltdikte boring (cm) Figuur 4: vergelijk van boringen en radarmetingen in een project in Amsterdam. 3.3 Resultaat grote dataset boringen Om over meerdere projecten een beeld te krijgen van de nauwkeurigheid van de metingen met grondradar, zijn de diktes van 177 boringen uit 7 verschillende projecten vergeleken met diktes gemeten met grondradar (Figuur 4). Deze metingen laten een kleine spreiding rondom de lijn y=x zien. Het gemiddelde verschil tussen boringen en radarmetingen is 1.5 cm. Wanneer de boringen geen meetfout hebben zou dat betekenen dat de onnauwkeurigheid (de som van precisie en juistheid) in de radarmetingen 1.5 cm is. Uit ervaring weten we echter dat de aanname dat een boring geen onzekerheid heeft niet correct is. Het opmeten van boringen heeft een meetonzekerheid en ook de plaatsbepaling van de boringen (waarmee de vergelijking met de radarmetingen wordt gemaakt) is in veel gevallen niet precies. Wanneer we bovenstaande informatie meenemen kunnen we ervan uitgaan dat de nauwkeurigheid van de diktemetingen met grondradar beter is dan 1.5 cm.

12 Figuur 5: vergelijking van asfaltdikte uit 177 boringen en radarmetingen. 12

13 13 4 Conclusie: nauwkeurigheid De twee sensoren die wij gebruiken om de asfaltdikte en de opbouw van de wegconstructie te meten zijn complementair. Met de grondradar wordt direct de dikte van het asfalt gemeten, met de gammaspectrometer geven wij aanvullende informatie over de variatie in soorten steenslag en de overgang in wegconstructies. De informatie van de gammaspectrometer geeft beter inzicht in variatie in wegopbouw en helpt bij het juister interpreteren van de grondradarmetingen. De toevoeging van de gammaspectrometer aan de grondradarmetingen levert een veel beter begrip op van de wegopbouw. In deze notitie hebben wij de nauwkeurigheid van de grondradarmetingen gekwantificeerd. Voor een nauwkeurige bepaling van de asfaltdikte met grondradar is het van belang de metingen goed te ijken (voldoende referentieboringen beschikbaar te hebben), om te weten hoe de data moeten worden geïnterpreteerd (voldoende ervaring te hebben met grondradar in de wegenbouw en bij onduidelijke laagovergangen gericht boringen te plaatsen) en om een hoge precisie te hebben waarmee de radarlijn kan worden gevolgd (een grondradar te gebruiken met een voldoende hoge resolutie, bijvoorbeeld 2000 MHz). Een vergelijking van 177 boringen uit 7 verschillende projecten laat zien dat de nauwkeurigheid van metingen met grondradar beter is dan 1.5 cm. Voor een specifiek project is de nauwkeurigheid zelfs 0.5 cm.