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

    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. 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

    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

   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, 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

   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, 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 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 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

   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