Dzięki połączeniu zaawansowanego modelowania numerycznego 3D, skanowania laserowego oraz tomografii sejsmicznej powstała trójwymiarowa mapa punktów zagrożonych osuwaniem się gruntu. Nowatorska metodologia zastosowana przy badaniu legendarnego Kopca Kościuszki to gotowy schemat technologiczny, który może zabezpieczyć budowle ziemne w całej Polsce i na świecie.
Cyfrowa diagnoza narodowego symbolu
Kopiec Kościuszki w Krakowie, będący jednym z najważniejszych historycznych symboli kraju, to w rzeczywistości niezwykle delikatna konstrukcja ziemna. Jako unikalny obiekt inżynieryjny regularnie zmaga się on z problemami utraty stateczności podłoża. Aby dokładnie zbadać i cyfrowo odtworzyć jego wnętrze w mało inwazyjny sposób, zespół z Katedry Geotechniki i Wytrzymałości Materiałów na Wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej (PK) podjął się kompleksowej diagnozy stanu geologicznego tej budowli. Pracami kierowały naukowo prof. dr hab. inż. Elżbieta Pilecka oraz dr inż. Mirosława Bazarnik.
Efektem analiz jest precyzyjny, trójwymiarowy model struktury zabytku, który uwypuklił miejsca objęte deformacjami. Wyniki okazały się alarmujące: w skali jednego roku bryła Kopca wykazuje miejscowe przemieszczenia dochodzące nawet do 20 centymetrów. Skalę problemu jeszcze wyraźniej widać w perspektywie długoterminowej. Badacze porównali obecne dane z pomiarami wykonanymi za pomocą skanowania laserowego w 2014 roku, wykorzystującego wówczas urządzenie RIEGL-VZ400, co ujawniło znacznie większe przesunięcia mas ziemnych na przestrzeni minionej dekady.
Tomografia sejsmiczna na gąsienicach, czyli technologia w służbie geotechniki
Kluczowa faza projektu, zatytułowanego „Odkrywcy Kopca Kościuszki”, wymagała ścisłej kooperacji nauki z sektorem komercyjnym. Partnerem technologicznym przedsięwzięcia została firma Geopartner Geofizyka sp. z o. o., która dostarczyła specjalistyczną aparaturę badawczą. Głównym wyzwaniem technicznym podczas grudniowych prac terenowych okazały się gabaryty sprzętu. Maszyny generujące fale sejsmiczne musiały być na tyle kompaktowe, by swobodnie poruszać się po wąskich ścieżkach wokół Kopca i nie spowodować naruszenia struktury zabytku.
Inżynierowie firmy poradzili sobie z tym problemem w innowacyjny sposób: mechanizm uderzeniowy z maszyn typu „brutus”, będących najmniejszymi standardowymi urządzeniami w ich portfolio, został przeniesiony i zamontowany na jeszcze mniejszej, specjalnie zmodyfikowanej platformie gąsienicowej. Badania polegały na analizie prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych wewnątrz obiektu. Ponieważ fale poruszają się wolniej w gruntach zawodnionych oraz rozluźnionych, badacze uzyskali ciągły, przejrzysty obraz wnętrza całej bryły, rezygnując z konieczności wykonywania głębokich, destrukcyjnych odwiertów geologicznych. Metoda ta pozwala precyzyjnie namierzyć strefy gromadzenia się wody oraz miejsca utraty spoistości gruntu, co bezpośrednio zwiastuje ryzyko wystąpienia osuwiska.
Chmury punktów 3D i studenckie patenty na stabilizację
W realizację projektu mocno zaangażowali się studenci I oraz II stopnia kierunku budownictwo, działający w strukturach FutureLab PK, czyli uczelnianego laboratorium innowacji. Wykorzystując nowoczesny skaner laserowy RIEGL-VZ 400, charakteryzujący się dokładnością pomiaru do 5 milimetrów, młodzi inżynierowie stworzyli niezwykle szczegółową chmurę punktów 3D reprezentującą zabytek. Zestawienie modeli z różnych okresów zaowocowało opracowaniem modeli różnicowych. Pozwoliły one precyzyjnie nazwać rejestrowane deformacje, do których należy zarówno grawitacyjne osuwanie się podłoża, jak i lokalne nasuwanie się na siebie mas ziemnych.
Na bazie zebranych danych geotechnicznych i modeli numerycznych studenci opracowali autorskie koncepcje inżynieryjne mające na celu długoterminowe zabezpieczenie obiektu. Zaproponowane projekty obejmują konkretne techniki wzmacniania podłoża gruntowego, w tym analizę skuteczności łączonych metod ochrony. Połączenie wiedzy o dynamice gruntu z nowoczesnym modelowaniem pozwoli na precyzyjne planowanie punktowych prac naprawczych. Przykładem takich działań, wskazanych przez ekspertów, mogą być punktowe zastrzyki cementowe, które wzmacniają osłabione warstwy gruntu, składającego się w przypadku Kopca przede wszystkim z pyłu. Pozwala to na drastyczne obniżenie kosztów konserwacji przy jednoczesnym maksymalnym poszanowaniu substancji zabytkowej.
Uniwersalny standard dla infrastruktury
Wypracowana przez krakowskich naukowców metodologia badań ma charakter wysoce uniwersalny i nie ogranicza się wyłącznie do ratowania krakowskiego zabytku. Ze względu na swój bezinwazyjny i bezpieczny charakter, technologia ta z powodzeniem znajdzie zastosowanie przy diagnostyce szerokiego spektrum budowli ziemnych. Twórcy rozwiązania wskazują na możliwość wdrożenia tych samych procedur pomiarowych m.in. w sektorze infrastruktury drogowej, kolejowej oraz przy zabezpieczaniu wałów przeciwpowodziowych.
Projekt „Odkrywcy Kopca Kościuszki” wpisuje się w długofalową strategię ochrony Wzgórza Bronisławy, realizowaną przez Politechnikę Krakowską, co przypieczętowało oficjalne porozumienie podpisane z Komitetem Kopca Kościuszki w 2025 roku. Obecnie stan techniczny obiektu monitorowany jest bez przerwy. Zamontowane na stałe specjalistyczne czujniki przesyłają co 15 minut komplet danych dotyczących odkształceń, wilgotności gruntu, a także parametrów meteorologicznych, takich jak kierunek i prędkość wiatru, stopień nasłonecznienia czy suma opadów deszczu. Zebrany materiał diagnostyczny posłuży jako baza do kolejnych prac dyplomowych studentów, którzy skupią się na adaptacji zaproponowanych systemów stabilizacji gruntu do realiów innych obiektów inżynieryjnych.
