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.