В строительстве зданий, дорог, дамб, мостов и тоннелей широко используют геотекстиль — синтетический материал, который укрепляет грунтовое основание и увеличивает его несущую способность. Сейчас активно изучается идея «умного геотекстиля», когда в сам материал внедряют специальные датчики для удаленного контроля состояния грунта. Это позволит значительно повысить безопасность объекта, заранее предупреждая о необходимости ремонта или о возникновении аварийной ситуации. Ученые ПНИПУ разработали волоконно-оптическую систему для непрерывного мониторинга геотекстиля. Она надежно фиксирует его смещение до 0,5 миллиметров и по стоимости гораздо дешевле волоконных датчиков, которые пока применяются для контроля за состоянием зданий и сооружений.
Схема чувствительного элемента датчика смещения. Вид в корпусе сверху и без корпуса снизу / © Илларион Никулин, «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики»
Результаты представлены в журнале «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Геотекстиль отличается низкими затратами на производство и замену, компактностью, простотой в транспортировке, быстрой скоростью монтажа, долгим сроком службы, а также низкой чувствительностью к воздействиям окружающей среды. Дополнительный мониторинг его состояния позволит повысить безопасность строительных объектов и прогнозировать серьезные аварийные ситуации до их критического состояния.
«Этот материал укладывается слоями вместе с грунтом. На геотекстиле можно закреплять волоконно-оптические датчики смещения и тем самым вести удаленное наблюдение за состоянием грунта. Система аналогична тем, что используют для мониторинга железнодорожных насыпей и укрепления откосов. Непрерывный контроль с помощью оптоволокна значительно повышает безопасность эксплуатации подобных строительных объектов», – рассказывает Илларион Никулин, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор технических наук.
Сейчас для отслеживания состояния сооружений применяют различные оптические системы. Наиболее доступными и эффективными считаются те, что основаны на использовании волоконных брэгговских решеток. С их помощью фиксируют основные параметры несущих строительных конструкций: деформацию, вибрацию и температуру. Однако для мониторинга геотекстиля они не подходят, потому что грунт сильнее податлив изменениям окружающей среды. И применение более точных и дорогих датчиков, по сравнению с телекоммуникационным волокном, нецелесообразно и экономически не выгодно.
Ученые Пермского Политеха разработали волоконно-оптическую систему, которая может быть использована для мониторинга состояния геотекстиля в дисперсных грунтах (песок, глина, торф), наиболее подверженных влиянию агрессивных и нестабильных сред.
Политехники отмечают, что конструкция датчика должна обеспечивать качественное измерение смещений геотекстиля порядка одного миллиметра. Именно величина смещения свидетельствует об опасной деформации сооружения, предупреждая о необходимости проведения ремонтных работ. Также система должна легко монтироваться, обладать невысокой стоимостью, долгосрочностью и экологичностью.
«Мы реализовали точечный амплитудный волоконно-оптический датчик контроля смещения, состоящий из ABS-пластика и оптоволокна Corning SMF-28. Он позволяет надежно фиксировать смещение до 0,5 миллиметра. Этой точности достаточно для отслеживания состояния грунта. Более того, он на порядок дешевле датчиков на волоконных брэгговских решетках, что обеспечивает его перспективность», – объясняет Илларион Никулин.
Чувствительный элемент оптоволокна выполнен в виде петель, закрепленных в корпусе датчика. Во время эксперимента на него поступали излучения различной мощности от источника смещения, а далее, распространяясь по световоду, попадали в фотоприемник. Сигнал оттуда обрабатывался с помощью разработанной программы на персональном компьютере.
Оптоволоконная система ученых Пермского Политеха перспективна для качественного и эффективного мониторинга состояния геотекстиля. С ее помощью возможно точно отслеживать смещения грунтового основания, что обеспечивает безопасность строительных конструкций.
