button_left
ГлавнаяСистема мониторинга состояния грунтов и оснований

Система мониторинга состояния грунтов и оснований


Назначение

  Система мониторинга состояния грунтов и оснований (СМГО) разработана в ООО «Флагман Гео» для решения задач непрерывного отслеживания подвижности грунтов, оснований, склонов, оползней, ледников. СМГО может применяться для контроля состояния грунтов и оснований ка при сооружении, так и при эксплуатации инженерных объектов: карьеров, котлованов, траншей, плотин, мостов, тоннелей.

  СМГО включает в себя группу измерительных пунктов, в которых установлены массивы инклинометрических датчиков, выполненных в виде гибкой сборки инклинометров. В качестве базового датчика измерения наклонов используется Инклинометр ФЛН-301. Данные от всех датчиков поступают в единый центр мониторинга и управления.

                                          Массив инклинометрических датчиков выполнен в форме гибкой сборки      
 

Массив инклинометрических датчиков выполнен в форме гибкой сборки

 

    Структура и функциональные возможности СМГО соответствуют требованиям нормативных документов, включая:

- ГОСТ 24846-2012. Грунты. Методы измерения деформации оснований зданий и сооружений;

- ГОСТ 32019-2012. Мониторинг технического состояния уникальных зданий и сооружений. Правила проектирования и установки Стационарных систем (станций) мониторинга;

- СП-22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. СНиП 2.02.01-83.

 

Общие принципы 

       СМГО использует в качестве первичных преобразователей измеряемых величин массивы двух- или трехкоординатных микромеханических датчиков наклона (наклономеры, инклинометры). Датчики устанавливаются на общем гибком шасси внутри защищенного водонепроницаемого рукава. Для контроля процессов, происходящих в грунтах и основаниях, гибкий рукав с размещенными внутри датчиками устанавливается в контрольной скважине. Число контрольных скважин, длина, ориентация, форма и место установки, а также количество датчиков в каждой скважине устанавливаются программой мониторинга.

   Контрольная скважина с массивом инклинометров и установленная на устье скважины наземная станция образуют измерительный пункт. В состав СМГО могут входить несколько измерительных пунктов, передающих информацию о состоянии грунтов в единый центр мониторинга и управления.

   Изменение деформаций в грунтах и основаниях приводит к изменению углового положения инклинометрических датчиков. Обработка и анализ информации о текущем угловом положении датчиков, входящих в единый массив, позволяет реконструировать актуальную форму траектории контрольной скважины. Сравнение полученных данных с предыдущими значениями позволяет сделать вывод о наличии деформаций и оценить их количественные характеристики, включая величину и направление сдвига по всей длине скважины.

                                          Изменение ориентации датчиков в наклонной скважине при перемещениях грунта  
 

а)                                                                                           б)

Изменение ориентации датчиков в наклонной скважине при перемещениях грунта.
а) Исходное положение; б) изменение ориентации, вызванное перемещением грунта

 

    Количество датчиков в массиве и шаг их размещения зависят от требований задачи мониторинга и выбираются по согласованию с заказчиком. Типовым является размещение датчиков с шагом 0,5 м, 1 м, 2 м. Это позволяет устойчиво фиксировать подвижки в грунтах и основаниях с точностью ± (1 … 2) мм.

    Длина массивов выбирается на основе анализа результатов геологических изысканий и, в ряде задач, должна обеспечивать возможность размещения забоя контрольных скважин в твердых (коренных малоподвижных) породах.

                                                               Схема установки массива инклинометрических датчиков в вертикальной скважине      
 

Схема установки массива инклинометрических датчиков в вертикальной скважине

 

    Структура СМГО

   СМГО представляет собой автоматизированную измерительную систему, предназначенную для измерения ряда физических величин, характеризующих состояние грунтов и оснований. Это определение полностью соответствует ГОСТ 32019-2012. «Мониторинг технического состояния уникальных зданий и сооружений. Правила проектирования и установки Стационарных систем (станций) мониторинга»

   В общем случае в качестве базовых датчиков СМГО использует двух- и трехкоординатные микромеханические датчики наклона (наклономеры, инклинометры). Система мониторинга на основе использования таких датчиков позволяет регистрировать изменение смещений и деформаций грунтов и оснований, включая осадки, просадки, подъемы, оседания, горизонтальные перемещения, провалы, а также измерять температуру контрольных скважин.

   В зависимости от условий задачи и требований программы мониторинга в состав первичных преобразователей могут быть дополнительно включены другие типы датчиков: акселерометры для измерения собственных частот колебаний и вибраций, магнитометрические датчики, акустические датчики и др.

   Структура СМГО включает следующие подсистемы:

- подсистема сбора данных;

- единый центр мониторинга и управления.

Подсистема сбора данных включает набор измерительных пунктов, в состав каждого из которых входят первичный преобразователь – массив датчиков и наземная станция. Подсистема сбора данных предназначена для опроса датчиков и передачи полученных данных в единый центр мониторинга и управления.

Единый центр мониторинга и управления предназначен для регистрации, обработки, анализа и архивации данных. Единый центр мониторинга и управления, как правило, располагается в удаленном оборудованном офисе. Отдельные задачи единого центра мониторинга и управления могут быть переданы ситуационному центру, центральной диспетчерской или удаленному центру мониторинга. Единый центр мониторинга и управления связан с измерительными пунктами через Интернет или любую другую, в том числе и служебную, сеть TCP/IP.

Организация связи с единым центром мониторинга и управления

   В наших проектах реализовано несколько вариантов организации связи датчиков с единым центром.

   Наиболее часто используется передача данных по кабелю с применением интерфейса физического уровня RS-485 и широко используемого в SCADA-системах интерфейса MODBUS. Этот же кабель может использоваться для питания датчиков.

   Возможна организация беспроводных каналов связи. В этом случае применяется автономное питание датчиков.

   СМГО может функционировать как в непрерывном автоматическом режиме, так и в режиме посещения. В автоматическом режиме система обеспечивает измерение параметров не реже чем 1 раз в 2 минуты. Режим опроса датчиков может автоматически изменяться в зависимости от внешних условий. При временном нарушении связи измерительных пунктов и единого центра СМГО переключается в режим автономного функционирования: измерения продолжаются, данные накапливаются в наземной станции. Автономный режим работы может длиться до нескольких недель или месяцев, после чего считывание данных приостанавливается, накопленные ранее данные хранятся в наземной станции.

                    Структура Системы мониторинга      
 

Структура Системы мониторинга состояния грунтов и оснований

 

Функциональные возможности

   Смещение грунтов приводит к повороту датчиков, относительно осей координат, связанных с датчиком. В зависимости от характера сдвига грунтов, разворот датчиков происходит относительно одной, двух или трех осей координат.

   Величина изменения угла наклона зависит от величины и характера смещения грунтов, а также от шага размещения датчиков в едином шасси.

   Значения углов наклона датчиков для случая горизонтального перемещения грунтов в зависимости от шага установки датчиков и величины перемещения грунтов представлены в таблице 1. Расчеты сделаны для модели, когда разворот датчика происходит относительно одной измерительной оси.

Таблица 1. Изменение угла наклона датчиков (угл.мин.) в зависимости от шага их установки
и от величины горизонтального перемещения грунтов

Шаг
установки
датчиков (м)

Горизонтальное перемещение грунта (мм)

1,0

4,0

10,0

20,0

50,0

100,0

0,5

6,8

27,5

68,7

137,6

346,1

707,3

1,0

3,4

13,7

34,3

68,7

172,1

346,1

2,0

1,7

6,8

17,2

34,4

85,9

172,2

 

   Таким образом, горизонтальное перемещение грунта на 1 мм при размещении датчиков с шагом 1 м приводит к изменению угла наклона датчика на (3…4) угловых минуты.

                              Горизонтальное перемещение грунтов приводит к развороту датчиков      
 

Горизонтальное перемещение грунтов приводит к развороту датчиков,
относительно одной или нескольких осей координат

 

   

   Значения углов наклона для случая подъемов или осадок грунтов представлены в таблице 2. Расчеты сделаны для модели, когда разворот датчика происходит относительно одной измерительной оси.

Таблица 2. Изменение угла наклона датчиков (угл.мин.) в зависимости от шага их установки
и от величины подъема или осадки грунта

 

Шаг
установки
датчиков (м)

Подъем / осадка грунта (мм)

1,0

4,0

10,0

20,0

50,0

100,0

0,5

13,7

55,0

137,5

275,3

692,2

1414,6

1,0

6,8

27,5

68,7

137,5

344,3

692,2

2,0

3,4

13,7

34,4

68,8

171,9

344,4

 

   Таким образом, подъем / осадка грунта на 1 мм при размещении датчиков с шагом 1 м приводит к изменению угла наклона датчика на (6…7) угловых минут.

                   Подъем  осадка грунтов приводит к развороту датчиков      
 

Подъем / осадка грунтов приводит к развороту датчиков,
относительно одной или нескольких осей координат

   Обработка данных, полученных от датчиков единого массива, позволяет реконструировать траекторию контрольной скважины. В зависимости от программы мониторинга эта операция может производиться с интервалом от нескольких минут до нескольких месяцев.

                              В процессе мониторинга производится измерение изменений      
 

В процессе мониторинга производится измерение изменений
таректории контрольных скважин. Анализ полученных данных позволяет
непрерывно оценивать подвижность грунтов

   Использование микромеханических датчиков наклона, в состав которых входят датчики температуры, дает возможность одновременно измерять значение температуры контрольных скважин.

                              Одновременно с мониторингом подвижности грунтов
 

Одновременно с мониторингом подвижности грунтов
производится мониторинг температуры внутри контрольной скважины

   Накопленный опыт разработки и эксплуатации СМГО, включая создание семейства двух- и трехкоординатных микромеханических датчиков наклона, позволило практически подтвердить следующие параметры:

- точность измерения смещения траектории — ± (1 … 2) мм;

- точность измерения темперауры траектории — ± 0,5 град С.

Схемы установки датчиков при решении типовых задач

Мониторинг насыпей и плотин

   Мониторинг плотин, насыпей, дамб, как правило, может производиться с использованием двухосевых инклинометров, размещенных в вертикальных контрольных скважинах. Такая схема установки позволяет осуществлять контроль подвижности грунтов в горизонтальных и близких к горизонтальным направлениям.

                           Типовая схема установки массивов датчиков в вертикальных контрольных скважинах

                      Типовая схема установки массивов датчиков в вертикальных контрольных скважинах

   Для контроля просадок (подъема) грунтов, а также для контроля сдвигов грунта в направлениях, близких к вертикальным, массивы датчиков устанавливаются в горизонтальных контрольных скважинах. Эта схема измерения также предназначена для контроля осадок дорожного полотна, эксплуатируемого, том числе, в условиях криолитозоны.

                             Типовая схема установки массивов датчиков в горизонтальных контрольных скважинах

                       Типовая схема установки массивов датчиков в горизонтальных контрольных скважинах

 

Мониторинг устойчивости бортов карьеров

   Мониторинг бортов карьеров проводится с целью контроля их устойчивости (сдвижки). Используются двухосевые инклинометры, устанавливаемые в вертикальные контрольные скважины.

                                    Схема установки датчиков при мониторинге

                        Схема установки датчиков при мониторинге устойчивости / сдвижки бортов карьеров

Мониторинг при сооружении глубоких котлованов

   Схема применяется при сооружении глубоких котлованов в черте городской застройки. Цель мониторинга: контроль состояния защитной стенки для предотвращения просадок оснований, расположенных рядом с котлованом зданий и сооружений. Используются двухосевые инклинометры, устанавливаемые в вертикальные контрольные скважины.

                                              Типовая схема установки датчиков при сооружении котлованов  

                                         Типовая схема установки датчиков при сооружении котлованов

Мониторинг состояния трубопроводов

                                              Мониторинг состояния трубопроводов

   Гибкий массив датчиков, установленных непосредственно на трубе, позволяет контролировать изменение ее геометрических параметров. Введение в состав сборки акустических датчиков или датчиков для измерения собственных частот колебаний и вибраций, позволяет вести непрерывный контроль технического состояния трубы, в том числе контроль напряженно-деформированного состояния трубы, обнаружение утечек, а также фиксировать ситуации несанкционированного доступа.

   В районах криолитозоны или в районах карстовых пустот, в дополнение к датчикам, установленным непосредственно на трубе, могут быть дополнительно размещены вертикальные контрольные скважины, для непрерывной оценки состояния грунтов.

Мониторинг оснований уникальных сооружений

   Здания и сооружения высотой более 100 м (трубы, факельные стволы, высотные здания) относятся к уникальным. Мониторинг состояния оснований таких сооружений производится путем установки массивов трехосевых датчиков в наклонных скважинах, пробуренных в толще основания. Таким же образом может проводится мониторинг оснований устаревших заводских труб и производственных помещений, выведенных их эксплуатации.

                                                   При использовании наклонных контрольных скважин 

                    При использовании наклонных контрольных скважин применяются трехосевые датчики

Мониторинг состояния тоннелей в процессе эксплуатации

   Для решения задач мониторинга тоннелей в процессе их эксплуатации используются трехосевые инклинометры, устанавливаемые в кольце обделки тоннеля. Все измерительные пункты связываются единым волоконно-оптическим кабелем.

   В комплексных системах контроля состояния тоннеля волоконно-оптический кабель одновременно используется как канал для сбора и передачи данных, и как самостоятельный пространственно – непрерывный сенсор для контроля движения поездов.

                                          При мониторинге состояния тоннелей

               При мониторинге состояния тоннелей в процессе их эксплуатации

используются трехосевые датчики

Основные термины

Основание сооружения: массив грунта, взаимодействующий с сооружением.

Осадки: вертикальные составляющие деформаций основания, происходящие в результате внешних воздействий и в отдельных случаях от собственного веса грунта, не сопровождающиеся изменением его структуры.

Просадки: вертикальные составляющие деформаций основания, происходящие в результате изменения структуры грунта под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунта, так и дополнительных факторов, таких, например, как замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек в замерзшем грунте и т.п.

Подъемы и осадки: вертикальные составляющие деформаций основания, связанные с изменением объема грунтов при изменении их влажности или воздействии химических веществ (набухание и усадка) и при замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта).

Оседания: вертикальные составляющие деформаций земной поверхности, вызываемые разработкой полезных ископаемых, изменением гидрогеологических условий, понижением уровня подземных вод, карстово-суффозионными процессами и т.п.

Горизонтальные перемещения: горизонтальные составляющие деформаций основания, связанные с действием горизонтальных нагрузок на основание (фундаменты распорных систем, подпорные стены и т.д.) или со значительными деформациями поверхности при оседаниях, просадках грунтов от собственного веса и т.п.

Провалы: вертикальные составляющие деформаций земной поверхности с нарушением сплошности грунтов, образующиеся вследствие обрушения толщи грунтов над карстовыми полостями, норными выработками или зонами суффозионного выноса грунта.

Основные технические и метрологические характеристики

1

Массо-габаритные характеристики

Максимальная длина сборки инклинометров, м

500

Максимальное количество датчиков в сборке, штук

1000

Шаг установки датчиков, м (выбирается в зависимости от условий Программы мониторинга)

0,5
1,0
2,0

Диаметр внешнего кожуха, мм (выбирается в зависимости от условий Программы мониторинга)

24 … 32

Вес 1-го погонного метра, кг, не более

0,5

2

Точность

Точность измерения угла наклона отдельного датчика (по одной оси), угл.мин, не хуже

±2

Точность измерения пространственного поперечного смещения траектории оси скважины (для двух соседних датчиков при шаге 1 м), мм, не хуже

±2

Точность измерения температуры, град С

±0,5

3

Диапазоны измерения

Диапазон измерения угла наклона отдельного датчика (по одной оси), угл.град, не менее

± 30

Диапазон измерения пространственного поперечного смещения траектории оси скважины (для двух соседних датчиков при шаге 1 м), не менее, м

0 … 0,5

4

Режим считывания данных

В автоматическом режиме с возможностью дистанционного управления частотой опроса, наименьший интервал опроса, мин
(вариант: считывание данных в режиме посещения)

2

5

Режим передачи данных

- данные передаются по кабельному каналу на локальный сервер Заказчика,

- данные передаются с использованием каналов спутниковой или мобильной связи

-

6

Автономная работа

выполнение измерений в автономном режиме с накоплением результатов измерений

есть

7

Вид выходных данных

- трехмерный массив значения изменений угла наклона каждого датчика с указанием координат и оценки пространственного смещения траектории, мм;
- массив со значениями температуры каждого датчика (окружающей среды), град

-

8

Форматы выходных данных

По согласованию с Заказчиком

-

9

Интерфейсы

 

 

10

Требования по питанию

Номинальное напряжение питания, постоянное, В

12 … 24

Потребляемый ток

 

11

Режим подключения питания

Только на период считывания данных, не более, мин

2

12

Тип датчика наклона

Двух-, трехкоординатный, микромеханический

-

13

Исполнение (степень защиты)

IP68

-