Ученые Пермского Политеха разработали датчик для отслеживания состояния грунта под строительными объектами

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 мм и по стоимости гораздо дешевле волоконных датчиков, которые в настоящее время применяются для контроля зданий и сооружений.

Статья с результатами опубликована 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 1 мм. 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 мм. 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.