Naukowcy i studenci Politechniki Krakowskiej połączyli numeryczne modelowanie 3D, skanowanie laserowe i tomografię sejsmiczną w celu ochrony jednego z najważniejszych symboli Polski i Krakowa. Badania Kopca Kościuszki pozwoliły stworzyć trójwymiarową mapę punktów zagrożonych osuwaniem się gruntu tworzącego zabytek.
Interdyscyplinarny zespół pod opieką prof. Elżbiety Pileckiej i dr inż. Mirosławy Bazarnik z Katedry Geotechniki i Wytrzymałości Materiałów na Wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej postawił sobie za cel diagnozę aktualnego stanu geologicznego Kopca Kościuszki. W ramach badań opracowano trójwymiarowy modelu zabytku, wskazujący obszary, gdzie jego struktura jest naruszona. Analizy wykazały miejscowe przemieszczenia w bryle Kopca do 20 cm w skali jednego roku. Jeszcze większe przemieszczenia ujawniają obserwacje długoterminowe z okresu 10-letniego, co wynika z porównania danych pomiarowych wykonanych skanowaniem laserowym RIEGL-VZ400 w 2014 roku.
Ten unikalny obiekt inżynieryjny regularnie zmaga się z problemami stateczności. Kopiec jest zabytkiem narodowym o delikatnej konstrukcji ziemnej, dlatego zintegrowane badania są istotne, bo pozwalają odtworzyć jego wnętrze cyfrowo i chronić stateczność w mało inwazyjny sposób – podkreśla prof. Elżbieta Pilecka, kierowniczka Katedry Geotechniki i Wytrzymałości Materiałów na Wydziale Inżynierii Lądowej PK.
Miejsca objęte największym zagrożeniem można zabezpieczyć odpowiednimi metodami hamującymi osuwanie się bryły obiektu, np. zastrzykami cementowymi, które wykonane punktowo wzmacniają warstwy gruntu składającego się, w przypadku Kopca, głównie z pyłu.
Sejsmika, skanowanie 3D i modele numeryczne
Kluczowe prace badawcze studenci prowadzili od ubiegłego roku, w grudniu uczestniczyli w zaawansowanych badaniach terenowych. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem specjalistycznej aparatury, przygotowanej przez partnera projektu – firmę Geopartner Geofizyka sp z o. o. Urządzenie stanowiące źródło fal sejsmicznych zostało specjalnie zaprojektowane i zamontowane przez pracowników firmy na platformie jezdnej dostosowanej do warunków Kopca. Istotnym ograniczeniem była wielkość urządzenia – maszyna musiała być na tyle kompaktowa, aby mogła zmieścić się na ścieżkach, nie powodując ich uszkodzenia.
Analiza prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych, które w gruntach rozluźnionych i zawodnionych przemieszczają się wolniej, pozwoliła badaczom na uzyskanie przybliżonego obrazu wewnętrznej struktury Kopca.
Fala sejsmiczna przechodzi przez całą bryłę, dając obraz ciągły, a nie tylko dane z jednego otworu. Dzięki temu można wskazać miejsca, w których wewnątrz kopca gromadzi się woda lub gdzie struktura gruntu traci swoją spoistość, co zwiastuje potencjalne osuwisko – podkreśla prof. Pilecka. – Taka wiedza w powiązaniu z pozostałymi przeprowadzonymi badaniami, w tym modelami różnicowymi ze skanowania laserowego 3D, analizami numerycznymi 3D oraz rozpoznaniem geotechnicznym Kopca, pozwala zaplanować precyzyjne prace zabezpieczające tam, gdzie jest to rzeczywiście konieczne, co oszczędza środki i chroni substancję zabytku – dodaje.
Studenci proponują rozwiązania
Studenci uczestniczący w projekcie wykonali skanowania laserowe 3D, tworząc szczegółowy model obiektu w postaci tzw. chmury punktów 3D. Dokładność pomiarów skanerem laserowym RIEGL-VZ 400 wynosi do 5 mm. Porównanie modeli 3D wykonanych w różnych okresach umożliwia opracowanie modeli różnicowych, pozwalających na identyfikację miejsc przemieszczeń bryły Kopca Kościuszki w czasie. Zarejestrowane deformacje obejmują zarówno osuwanie się gruntu, jak i lokalne nasuwanie mas ziemnych.
Studenci przygotowali autorskie koncepcje zabezpieczenia Kopca, wykorzystujące różne metody wzmacniania podłoża gruntowego. Projekty obejmowały konkretne rozwiązania konstrukcyjne oraz porównania skuteczności ich zastosowania. Analizom poddali też modele łączonych metod ochrony Kopca, co – jak wykazali – w niektórych przypadkach skutecznie poprawiałoby jego stateczność.
W obliczu postępujących procesów degradacyjnych gruntu spowodowanych przede wszystkim działaniem wody, studenci wykazali duże zaangażowanie w opracowanie nowoczesnych rozwiązań mających na celu długoterminowe zabezpieczenie Kopca oraz zachowanie jego wyjątkowej wartości historycznej i kulturowej dla przyszłych pokoleń – mówi prof. Elżbieta Pilecka.
Uniwersalna metodologia badań i ochrony budowli ziemnych
Wyniki badań to nie tylko jednorazowa diagnoza, ale element długofalowej strategii ochrony Kopca Kościuszki, w którą zaangażowana jest Politechnika Krakowska. Analizy pozwoliły wskazać, gdzie w największym stopniu odbywa się degradacja obiektu, co w dłuższym terminie pozwoli ustalić najbezpieczniejsze i najskuteczniejsze metody jego stabilizacji. Opracowane modele numeryczne umożliwiają symulowanie zachowania gruntu i przewidywanie przyszłych zagrożeń, co znacząco zwiększy efektywność planowanych prac konserwatorskich.
Kolejne etapy badań będą koncentrować się na weryfikacji proponowanych rozwiązań oraz ich adaptacji do innych typów obiektów. Wypracowana metodologia ma charakter uniwersalny.
Tego rodzaju badania są szczególnie obiecujące ze względu na ich mało inwazyjny charakter. Mogą być wykorzystywane w analizie szerokiego spektrum budowli ziemnych. Opracowane rozwiązania znajdują potencjalne zastosowanie nie tylko w ochronie obiektów zabytkowych, ale również w przypadku konstrukcji związanych z infrastrukturą drogową czy kolejową – podsumowuje dr inż. Mirosława Bazarnik.
Specjaliści Politechniki Krakowskiej od wielu lat prowadzą regularny monitoring oraz nadzór nad statecznością Kopca, wykorzystując nowoczesne technologie pomiarowe. W ostatnich latach zrealizowano szeroko zakrojone badania geologiczne, które obejmowały całe Wzgórze Bronisławy w Krakowie. Badania te miały na celu ustalenie głównych czynników zagrożeń, zarówno związanych z samą konstrukcją obiektu, jak i z podłożem skalnym, na którym Kopiec został wzniesiony.
Główną siłą niszczycielską jest woda, która przenosi grunt z Kopca do wapiennej podstawy, naruszając w ten sposób jedno i drugie. Stan bryły jest stale nadzorowany przy pomocy zamontowanych przez nas specjalnych czujników pomiarowych. Co 15 minut dostarczają one informacji na temat zmian odkształceń i zawilgocenia gruntu, prędkości i kierunku wiatru, a także ilości opadów i energii nasłonecznienia – mówi dr inż. Rafał Sieńko z Katedry Konstrukcji Żelbetowych i Sprężonych na Wydziale Inżynierii Lądowej PK.
MK, źródło: PK