Системы геотехнического мониторинга

Сегодня практически ни одно строительство не обходится без использования систем геотехнического мониторинга деформации объектов естественного происхождения (склоны, овраги) или инженерных сооружений. Среди множества методов мониторинга, уже применяемых на практике, в последние годы заметное развитие получило использование датчиков на основе MEMS-технологий. Подобные датчики могут применяться как отдельные устройства (например, как датчики наклона, устанавливаемые на инженерных сооружениях), так и в составе группы однородных датчиков.

Постепенное снижение цены этих устройств при одновременном расширении функциональных возможностей, позволяет применять их массивами, в состав которых входят десятки и даже сотни датчиков.

Метод

Специалисты ЗАО «СКБ ПН» использовали массив трехкоординатных микромеханических датчиков наклона для создания системы мониторинга, пригодной по своим параметрам для непрерывного наблюдения естественных объектов и инженерных сооружений.

Каждый датчик размещается на индивидуальном жестком шасси, длиной 25 см и диаметром 27 мм. Датчик вместе с присоединенным к нему кабелем помещается в отрезке гибкого рукава диаметром 36 мм. Длина каждого фрагмента в зависимости от задачи составляет 0,5, 1, 2 метра. Соединяя такие фрагменты легко собрать массив датчиков нужной длины. При этом все датчики соединены общим кабелем, по которому подается питание и производится считывание информации (Рис.1).

При мониторинге общий рукав с массивом датчиков размещается в специально пробуренной скважине (Рис.2) или закладывается в строительные конструкции при их сооружении. В случае необходимости весь массив может быть извлечен для повторного использования или ремонта.

Информация о сдвигах формируется на основе анализа изменения углов начальной ориентации датчиков. Для этой цели применяется специально разработанное математическое обеспечение. Оно позволяет сформировать непрерывную траекторию, вдоль которой размещаются датчики в момент снятия измерений, а также накапливать информацию, оценивать величину и направление сдвига траектории.

Вверх

Опыт мониторинга оползней

Результаты мониторинга оползней (Рис.3) с использованием гибких массивов датчиков подтвердили возможность проведения измерений с необходимой точностью. В вертикальные скважины длиной 40 метров были установлены массивы датчиков с шагом размещения 2 метра. По результатам измерений чувствительность к сдвигу была оценена в пределах 1-2 мм, точность ±2 мм (Рис.4). Одновременно с замером сдвига производилось измерение внутренней температуры породы вдоль скважины. За все время наблюдений (6 месяцев) изменения температуры не превысили 1 градус С. Этот фактор играет важную роль в обеспечении стабильности показаний датчиков.

Рис.3. Горный склон с оползнем (Кавказ)		Рис.4. Результаты, полученные при мониторинге оползня на рис.3

Основные особенности

Кратко перечислим основные особенности применения гибких массивов датчиков:

• простота сборки массива любой длины (ожидаемая предельная длина массивов - не менее 200 - 300 м);
• возможность установки датчиков с различным шагом (0,5, 1, 2 м), в том числе возможность установки датчиков с переменным шагом в пределах одного массива;
• извлекаемость и ремонтопригодность;
• работоспособность массива сохраняется при выходе из строя отдельных датчиков. В случае обрыва массива (например, вследствие сдвига породы), работоспособными остаются датчики от верхней точки до точки обрыва;
• возможность сохранять работоспособность даже в условиях значительных деформаций: допускается возможность растяжения массива с удлинением (локальным или общим) на 30 - 50 %.
• возможность размещения массива вдоль траектории любой пространственной формы;
• возможность работы в воде и других средах;
• возможность долговременной работы (не менее двух - трех лет).

Типовые задачи

Кратко перечислим возможные области применения гибких массивов трехкоординатных датчиков.

1. Контроль подвижности естественных объектов: склоны, оползни, ледники и др. Массив датчиков размещается внутри тонкостенной металлической или пластиковой трубы, заливка цементным раствором не требуется.

2. Контроль состояния зданий и сооружений, размещенных в близости от строительных площадок, в первую очередь, вблизи глубоких котлованов. Для мониторинга рядом со стеной или внутри нее (шпунтовая стена или стена в грунте), ограждающей котлован, бурятся вертикальные скважины, длина которых превышает глубину фундамента. Массивы датчиков размещаются в этих скважинах точно так же как в предыдущей задаче. Наблюдение за смещением скважин ведется непрерывно (Рис.5).

3. Контроль состояния тоннелей и шахт, включая мониторинг изменений диаметра тоннеля, а также просадку тоннеля вдоль продольной оси. Результаты мониторинга позволяют предупредить о потенциальных провалах грунта (Рис.6).

4. Контроль состояния мостов, свай, фундаментов глубокого заложения. В этой задаче массивы датчиков устанавливаются в трубах, которые непосредственно прикреплены к несущим элементам конструкции перед их установкой.

5. Контроль состояния набережных, плотин, насыпей. Массивы датчиков могут быть заложены вдоль любой криволинейной траектории путем размещения их в трубах, заложенных при строительстве, или уложены в узких заглубленных траншеях, засыпанных песком или мелким наполнителем.

6. Контроль деформации дорожного покрытия. Массивы датчиков устанавливаются в горизонтальных траншеях в трубах. Для увеличения чувствительности датчики могут быть заложены без обсадных труб.