ГлавнаяСистема мониторинга состояния грунтов и оснований
Система мониторинга состояния грунтов и оснований
|
![]() |
||
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.
![]() |
||
а) б) Изменение ориентации датчиков в наклонной скважине при перемещениях 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 |
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 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 |
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, |
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 |
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, |
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 |
Использование микромеханических датчиков наклона, в состав которых входят датчики температуры, дает возможность одновременно измерять значение температуры контрольных скважин.
![]() |
|
Одновременно с мониторингом подвижности грунтов |
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
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
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 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
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 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 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 |
||
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 |
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; |
- |
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 |
- |