Use of Ground-Penetrating Radar in Condition Assesment of Railway Ballast

Ing. Salih Serkan Artagan

Doctoral thesis

Abstract:

Railways are considered as a cost-effective, reliable and safe form of transport. Ensuring the timely maintenance of this transport mode is the prioritized task of the railway operators. Railway ballast is the governing element of track infrastructure, which plays an immense role in the overall track stability. Therefore, assessing the condition of ballast reveals very significant information about the overall track condition. Detecting the level of a phenomenon called ballast fouling, i.e. contamination of ballast within the ballast structure provides beneficial information about the status of the ballast. Ballast fouling occurs when air voids in the ballast are filled with finer materials. It is of crucial importance to diagnose the level and the type of fouling which may jeopardize the all-around safety of the track and its economic life. Another significant threat to track stability is the trapped water within track infrastructure which is mostly due to ballast fouling. Ground Penetrating Radar (GPR), is a powerful non-destructive geophysical diagnosis method providing cost-efficient, time-saving and continuous railway ballast surveys. To that effect, this dissertation addresses evaluation of railway ballast condition by using GPR. Performance compliance tests for the available GPR set have been performed to evaluate the performance of available GPR equipment. Numerous laboratory measurements have been undertaken to analyze ballast fouling condition with two different granite ballast types and three different fouling materials with 2 GHz air-coupled antenna. Strong linear trends have been found between ballast fouling percentage and Relative Dielectric Permittivity (RDP) values with a coefficient of determination greater than 0.9. Moisture content influence on GPR signal was also assessed through laboratory measurements. Relationships between water content and RDP values were determined. Conducted field surveys validated the laboratory measurements where ground truth data and GPR data using the laboratory results were in good agreement. Field survey results were analyzed in terms of antenna types, antenna frequencies ranging from 400MHz to 2GHz, antenna orientation, and type of sleepers under survey. Characteristics of EM signal reflected from limestone railway ballast has been achieved as a function of ballast fouling condition by silty sand, antenna types, antenna frequencies ranging from 1GHz to 2GHz, antenna orientation and presence of sleeper(s) and rails under controlled laboratory conditions. RDP values of clean and fouled ballast were determined. Overall, all the laboratory and field measurements proved the effectiveness and eligibility of GPR method to diagnose the condition of ballast in terms of fouling level and type, moisture content, and to identify the layering of clean and fouled ballast, hence improving the evaluation and monitoring efficiency of railway infrastructure site investigations. Moreover, sleeper influence on GPR reflected signal was assessed. Optimum type, frequency, and orientation of GPR antennas on GPR railway ballast surveys were determined.

Abstract:

Železnice jsou považovány za finančně efektivní, spolehlivý a bezpečný způsob dopravy. Zajištění včasné údržby železniční infrastruktury je prvořadým úkolem správců železniční infrastruktury. Železniční štěrk je důležitým prvkem infrastruktury, který hraje důležitou roli v celkové stabilitě trati. Posouzení stavu štěrku tedy poskytuje velmi důležité informace o celkovém stavu trati. Fenomén nazývaný degradace štěrkového lože, tj. znečištění štěrku, má na stav železničního spodku velký vliv. Znečištění štěrkového lože nastává, když jsou mezery v kamenivu vyplněny jemnějšími materiály. Posouzení míry znečištění štěrkového lože má zásadní význam pro celkovou bezpečnost trati a pro její životnost. Dalším významným ohrožením stability železničního spodku je přítomnost vody, která je způsobena především právě znečištěním štěrkového lože. Georadar je účinná nedestruktivní geofyzikální diagnostická metoda poskytující finančně efektivní, časově úspornou a průběžnou diagnostiku železničního lože. Z tohoto důvodu se tedy práce zabývá hodnocením stavu štěrkového lože právě pomocí georadaru. Za účelem zjištění parametrů dostupné sestavy georadaru byly zpracovány testy výkonnosti georadarových systémů. Pro zjištění stupně znečištění štěrkového lože dvou typů základního kameniva třemi různými znečišťujícími materiály byla za pomoci 2GHz antény provedena četná laboratorní měření. Byla zjištěna vysoká závislost mezi znečištěním štěrku a hodnotami jeho relativní permitivity s koeficientem determinace větším než 0,9. Dalšími laboratorními měřeními byl také hodnocen vliv vlhkosti na vlastnosti odraženého signálu. Byl stanoven vztah mezi obsahem vody a hodnotami relativní permitivity. Hodnoty získané při měřeních in-situ se shodovaly s hodnotami získanými při laboratorních experimentech. Výsledky průzkumu v terénu byly analyzovány z hlediska typu antény, frekvence antény (rozmezí 400MHz až 2GHz), orientace antény a typu pražců. Na základě stupně znečištění železničního štěrku jemným pískem, typů antén, použitých frekvencí, orientací antén a vlivů pražců a kolejnic byly pozorovány vlivy na zaznamenaný signál. Byly určeny hodnoty relativní permitivity pro čistý a znečištěný železniční štěrk. Celkově se ve všech laboratorních a terénních měřeních prokázala spolehlivost a způsobilost georadaru pro diagnostiku stavu železničního štěrku z hlediska úrovně a typu znečištění, vlhkosti a tloušťky vrstev čistého i znečištěného štěrku, a tedy i zvýšení efektivity při monitorování a hodnocení železniční infrastruktury. Navíc byl určen vliv pražců a vliv frekvence a orientace antén na odraz signálu při provádění diagnostiky železničních tratí georadarem.

Keywords

železniční štěrk, georadar, degradace železničního lože, relativní permitivita, vlhkost, železniční pražec, orientace antény.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 4. 2018

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 2. 8. 2018

University of Pardubice

Faculty of Transport Engineering

Doctoral programme / field:
Technique and Technology in Transport and Communications / Transport Means and Infrastructure