The use of non-invasive ERT method to diagnose karst in road engineering in the Lublin Upland (Poland)

• Autorzy: Maślakowski Maciej , Lejzerowicz Anna , Pacanowski Grzegorz , Kuszyk Rafał

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.148928

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie nieinwazyjnych badan ERT do rozpoznania krasu w drogownictwie na obszarze Wyżyny Lubelskiej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Appropriate design in linear construction depends on many factors, including detailed geological conditions. One of the biggest problems are unrecognized erosion forms, in particular karst ones, which have a huge impact on the design and subsequent operation of roads. For this purpose, in addition to conventional methods such as drilling or geotechnical probing, which are point-based, non-invasive spatial geophysical methods are used. This article presents an example of the use of geoelectrical surveys, Electrical Resistivity Tomography (ERT) for the recognition of karst zones for linear investments. The article describes ERT investigations, which to some extent allows to identify dangerous karst phenomena occurring in the Lublin Upland (Poland), which are of great importance at the design stage of roads and in their further safe operation. Non-invasive geophysical research has been verified and confirmed by traditional geotechnical research, which confirms the effectiveness of their use. The Electrical Resistivity Tomography was used as a method providing a broader spectrum of knowledge on the spatial arrangement of soil layers in the subgrade of the planned road investments. It also enabled a more accurate, more detailed interpretation of geotechnical studies. The described geophysical investigations opens wide possibilities for their application to researchers. In the future, non-invasive methods have a chance to become as reliable as geotechnical methods, but this requires a lot of research to improve the effectiveness and accuracy of the interpretation of the obtained results.

PL

Odpowiednie projektowanie w budownictwie liniowym zależy od wielu czynników, w tym szczegółowo rozpoznanych warunków geologicznych. Jednym z największych problemów stanowią nierozpoznane formy erozyjne w szczególności krasowe mające ogromny wpływ na projektowanie i późniejszą eksploatację dróg. W tym celu poza metodami konwencjonalnymi takimi jak wiercenia czy sondowania geotechniczne które s ą punktowe, wykorzystuje się metody geofizyczne przestrzenne – nieinwazyjne. W niniejszym artykule przedstawiono przykład zastosowania badan geoelektrycznych dla rozpoznania stref krasu dla projektów liniowych. Metody geofizyczne od lat cieszą się dużą popularnością w trakcie rozpoznawania warunków gruntowo-wodnych. Mimo, iż w dalszym ciągu uchodzą za metody nowatorskie to już na stałe zostały wpisane jako obowiązkowe podczas rozpoznawania warunków geologicznych czy geotechnicznych. Są oczywiście weryfikowane przez szczegółowe badania geotechniczne, nie mniej jako badania uważane za przestrzenne pozwalają na szersze spojrzenie pod powierzchnię terenu i wyłapania ewentualnych zagrożeń do których należą różnego rodzaju zagłębienia erozyjne wypełnione słabonośnymi gruntami czy nawet pustki powstałe na skutek procesów krasowych. Do najdokładniejszych metod geofizycznych należy tomografia elektrooporowa (Electrical Resistivity Tomography, ERT) wykorzystująca zjawisko różnego przewodnictwa prądu elektrycznego gruntu w zależności od jego składu i struktury. W artykule zostały opisane badania ERT pozwalające w pewnym stopniu rozpoznać niebezpieczne zjawiska krasowe zachodzące na Wyżynie Lubelskiej, które mają bardzo duże znaczenie na etapie projektowania dróg oraz w ich dalszej bezpiecznej eksploatacji. Nieinwazyjne badania geofizyczne zostały zweryfikowane i potwierdzone tradycyjnymi badaniami geotechnicznymi co potwierdza skuteczność ich stosowania. Przedstawiona metoda tomografii elektrooporowej (ERT) została wykorzystywana jako metoda dająca szersze spektrum wiedzy na temat przestrzennego ułożenia warstw gruntowych w podłożu projektowanych inwestycji drogowych. Umożliwiła również dokładniejszą, bardziej szczegółową interpretację ę badan geotechnicznych. Dzięki metodzie ERT ułatwione zostało wskazanie strefy możliwego występowania krasu lub rozcięć erozyjnych – w skałach węglanowych, możliwych pustek krasowych lub rozcięć wypełnionych osadami czwartorzędowymi, głównie w postaci piaszczystych lub gliniastych zwietrzelin. Na ich podstawie wytypowano obszary trwających procesów geodynamicznych, które zakwalifikowano do skomplikowanych warunków gruntowych. Przedstawiona interpretacja wyników badan ERT niestety w dalszym ciągu nie jest jednoznaczna i wymaga potwierdzenia badaniami szczegółowymi za pomocą inwazyjnych badan geologicznych, takich jak wiercenia lub sondowania. Poza rozpoznaniem w miarę dokładnych granic poszczególnych wydzieleń nie otrzymano żadnych informacji szczegółowych, takich jak dokładny skład gruntu czy tez jego stan, stąd tez wskazanie miejsc występowania realnych dysfunkcji nie było proste. Opisane badania geofizyczne otwierają przed badaczami szerokie możliwości ich zastosowania. W przyszłości metody nieinwazyjne mają szansę stać się równie wiarygodne jak metody geotechniczne, lecz wymaga to przeprowadzenia wielu badań poprawiających skuteczność i trafność interpretacji uzyskiwanych wyników.

Słowa kluczowe

EN

carbonate rocks; ERT; Electrical Resistivity Tomography; karst; Lublin Upland; Poland

PL

ERT; kras; Polska; skały węglanowe; tomografia elektrooporowa; Wyżyna Lubelska; tomografia elektrooporowa ERT

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 1
• Strony: 557--571
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys.

Twórcy

autor

Maślakowski Maciej

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2946-1594

autor

Lejzerowicz Anna

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1350-0632

autor

Pacanowski Grzegorz

• Polish Geological Institute – National Research Institute, Rakowiecka 4, 00-975 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9045-3262

autor

Kuszyk Rafał

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8657-1215

Bibliografia

• [1] G.V. Keller and F.C. Frischknecht, Electrical methods in geophysical prospecting, 1st. ed. Oxford: Pergamon press, 1966.
• [2] M.H. Loke and R.D. Barker, “Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections using a quasi-Newton method”, Geophysical Prospecting, vol. 44, no. 1, pp. 131–152, 1996, doi: 10.1111/j.1365-2478.1996.tb00142.x.
• [3] M. H. Loke, Tutorial: 2-D and 3-D Electrical Imaging Surveys. 2001.
• [4] T. Dahlin and B. Zhou, “A numerical comparison of 2D resistivity imaging with 10 electrode arrays”, Geophysical Prospecting, vol. 52, no. 5, pp. 379–398, 2004, doi: 10.1111/j.1365-2478.2004.00423.x.
• [5] M.H. Loke, F.A. Alfouzan, and M.N.M. Nawawi, “Optimisation of electrode arrays used in 2D resistivity imaging surveys”, ASEG Extended Abstracts, vol. 2007, no. 1, pp. 1–4, 2019, doi: 10.1071/ASEG2007AB002.
• [6] “Zarządzenie nr 22 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 27 czerwca 2019 roku w sprawie wprowadzenia "Wytycznych wykonywania badań podłoża gruntowego na potrzeby budownictwa drogowego”, 2019. [Online]. Available: https://www.archiwum.gddkia.gov.pl/frontend/web/userfiles/articles/z/zarzadzenia-generalnego-dyrektor_31871/zarzadzenie{%}2022{%}20zalaczniki.zip. [Accessed: 10 Jun. 2023].
• [7] Ł. Ortyl, “Geometryzacja form zjawisk krasowych na podstawie badan metodą georadarową”, Przegląd Geologiczny, vol. 67, no. 4, pp. 252–269, 2019, doi: 10.7306/2019.23.
• [8] R. Mieszkowski, P. Zawrzykraj, E. Wójcik, D. Żmudzin, and P. Popielski, “Ocena możliwości zastosowania metody georadarowej i elektrooporowej do identyfikacji rozluźnionych stref gruntów niespoistych”, Przegląd Geologiczny, vol. 65, no. 10/2, pp. 779-784, 2017.
• [9] A. Zieliński, E. Mazurkiewicz, and M. Łyskowski, “GPR mapping of karst formations under a historic building in Szydłów, Poland”, Geofizika, vol. 33, no. 1, pp. 101–111, 2016, doi: 10.15233/GFZ.2016.33.4.
• [10] G. S. Xeidakis, A. Torok, S. Skias, and B. Kleb, “Engineering geological problems associated with karst terrains : their investigation, monitoring, and mitigation and design of engineering structures on karst terrains”, Bulletin of the Geological Society of Greece, vol. 36, no. 4, pp. 1932-1941, 2004, doi: 10.12681/BGSG.16679.
• [11] F. Gutiérrez, M. Parise, J. De Waele, and H. Jourde, “A review on natural and human-induced geohazards and impacts in karst”, Earth-Science Reviews, vol. 138, pp. 61–88, 2014, doi: 10.1016/J.EARSCIREV.2014.08.002.
• [12] M.U. Pavlič and B. Praznik, “Detecting karstic zones during highway construction using ground-penetrating radar”, Acta Geotechnica Slovenica, vol. 8, pp. 17–27, 2011.
• [13] E.H. Parker and R.B. Hawman, “Multi-channel analysis of surface waves (MASW) in Karst Terrain, Southwest Georgia: implications for detecting anomalous features and fracture zones”, Journal of Environmental and Engineering Geophysics, vol. 17, no. 3, pp. 129–150, 2012, doi: 10.2113/JEEG17.3.129.
• [14] D. Carbonel, V. Rodríguez-Tribaldos, J. P. McCalpin, R. Linares, C. Roqué, M. Zarroca, J. Guerrero, and I. Sasowsky, “Evaluation of trenching, ground penetrating radar (GPR) and electrical resistivity tomography (ERT) for sinkhole characterization”, Earth Surface Processes and Landforms, vol. 39, no. 2, pp. 214–227, 2014, doi: 10.1002/ESP.3440.
• [15] M. Maślakowski, K. Józefiak, K. Brzeziński, and M. Superczyńska, “ERT i GPR – geofizyczne metody badań podłoża wykorzystywane w budownictwie liniowym”, Przegląd Geologiczny, vol. 65, no. 10/2, pp. 765–771, 2017.
• [16] R. Balia and P.P. Manca, “Application of seismic tomography and geotechnical modeling for the solution of two complex instability cases”, in Applied geophysics with case studies on environmental, exploration and engineering geophysics, A. I. Kanlı, Ed. IntechOpen, 2018, doi: 10.5772/INTECHOPEN.81876
• [17] J.L. Mari, G. Porel, and B. Bourbiaux, “From 3D seismic to 3D reservoir deterministic model thanks to logging data: the case study of a near surface heterogeneous aquifer”, Oil & Gas Science and Technology - Revue de l’IFP, vol. 64, no. 2, pp. 119–131, 2009, doi: 10.2516/OGST/2008049.
• [18] P. Stepancíkova, J. Dohnal, T. Pánek, M. Łój, V. Smolková, and K. Šilhán, “The application of electrical resistivity tomography and gravimetric survey as useful tools in an active tectonics study of the Sudetic Marginal Fault (Bohemian Massif, central Europe)”, Journal of Applied Geophysics, vol. 74, no. 1, pp. 69–80, 2011, doi: 10.1016/J.JAPPGEO.2011.03.007.
• [19] V. Pazzi, M. Di Filippo, M. Di Nezza, T. Carlà, F. Bardi, F. Marini, K. Fontanelli, E. Intrieri and R. Fanti, “Integrated geophysical survey in a sinkhole-prone area: Microgravity, electrical resistivity tomographies, and seismic noise measurements to delimit its extension”, Engineering Geology, vol. 243, pp. 282–293, 2018, doi: 10.1016/J.ENGGEO.2018.07.016
• [20] E. Lenczewska-Samotyja, A. Łowkis, and N. Zdrojewska, Zarys geologii z elementami geologii inżynierskiej i hydrogeologii. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2007.
• [21] R.R. Kaczyński, Warunki geologiczno-inżynierskie na obszarze Polski. Państwowy Instytut Geologiczny-Państwowy Instytut Badawczy, 2017.
• [22] W. Kowalski, Geologia inżynierska. Wydawnictwa Geologiczne, 1988.
• [23] Z. Glazer and J. Malinowski, Geologia i geotechnika dla inżynierów budownictwa. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe PWN, 1991.
• [24] “Google Maps”, https://www.google.pl/maps.
• [25] J. Kondracki, Geografia regionalna Polski. Warszawa: PWN, 2009.
• [26] E. Krogulec, J. Wierchowiec, P. Kwecko, J. Miecznik, and G. Hrybowicz , Mapa geośrodowiskowa Polski w skali 1: 50 000, arkusz 788 - Pawłów, wraz z objaśnieniami. Warszawa: PIG-PIB, 2011.
• [27] J. Mojski, Szczegółowa mapa geologiczna Polski w skali 1:50 000 (wraz z objaśnieniami) arkusz 788 – Pawłów. Państwowy Instytut Geologiczny, 1962.
• [28] M. Klimaszewski, Geomorfologia ogólna. Warszawa: PWN, 1961.
• [29] J. Harasimiuk, A. Henkiel, and T. Król, Szczegółowa mapa geologiczna Polski w skali 1:50000 (wraz z objaśnieniami) arkusz 787 – Piaski. Państwowy Instytut Geologiczny, 1984.
• [30] G.E. Archie, “The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics”, Transactions of the AIME, vol. 146, no. 01, pp. 54–62, 1942, doi: 10.2118/942054-G.
• [31] G. Pacanowski, M. Sokołowska, and R. Mieszkowski, “Rola obrazowania elektrooporowego w uszczegółowieniu skomplikowanej budowy geologicznej wzgórza Morasko w Poznaniu”, Przegląd Geologiczny, vol. 64, no. 4, pp. 238–244, 2016.
• [32] A. E. Siemińska-Lewandowska, A. Zbiciak, M. Maślakowski, K. Brzeziński, M. Superczyńska, and K. Józefiak, Wytyczne wykonywania badan podłoża gruntowego na potrzeby budownictwa drogowego. Część 1: Wytyczne badań podłoża budowlanego w drogownictwie. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, 2019.
• [33] G. Pacanowski, M. Maślakowski, and A. Lejzerowicz, “Practical aspects of field work carried out by Electrical Resistivity Tomography”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 4, pp. 331–346, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.143041.
• [34] “ABEM training materials: instruction (manual) for the Terrameter LS apparatus”.
• [35] Ziemiński, “Dokumentacja hydrogeologiczna dla określenia warunków hydrogeologicznych w ramach Koncepcji Programowej dla zadania „Budowa drogi ekspresowej S12 Lublin-Dorohusk na odcinku Piaski-Dorohusk z wyłączeniem budowy obwodnicy Chełma” Część 1 Odcinek nr 2: Dorohucza (w. Dorohucza-bez węzła)-Chełm (w. Chełm Zachód-bez węzła), woj. lubelskie; powiat świdnicki, gmina Trawniki; powiat chełmski, gmina Siedliszcze i gmina Chełm”, 2022.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).