УДК 620.179.18:624.154

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ОПТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

¹Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, Россия 630090 Новосибирск,

пр-т Академика Коптюга, 1

²Российская инженерная академия, Россия 125009 Москва, Газетный пер., 9, стр. 4

E-mail: ^*fedotovmyu@gmail.com

Поступила в редакцию 26.05.2023; после доработки 26.05.2023

Принята к публикации 09.06.2023

Рассмотрены практические аспекты создания эффективной волоконно-оптической системы мониторинга несущих

конструкций инженерных сооружений, эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера. С учетом реальных условий

эксплуатации на реальном объекте разработана конструкция измерительного устройства, в качестве чувствительных

элементов волоконно-оптических датчиков деформации и термокомпенсатора использовались волоконные брэгговские

решетки. С учетом конструктивных параметров исследуемого свайного фундамента разработана пространственная

топология и схема коммутации измерительных устройств, запущен процесс мониторинга. Показано, что разработанная

система является эффективным инструментом контроля напряженно-деформированного состояния объекта мониторин-

га в режиме онлайн.

Ключевые слова: свайный фундамент, волоконно-оптический датчик, волоконная брэгговская решетка, измеритель-

ное устройство, мониторинг, Крайний Север.

DOI: 10.31857/S0130308223070084, EDN: DXITTV

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время актуальным вопросом является обеспечение безопасности эксплуатации

инженерных сооружений в районах Крайнего Севера. Дополнительный импульс к активизации

работ в этом направлении придала экологическая катастрофа, связанная с разливом топлива в

2020 г. на одном из промышленных объектов в Норильском районе [1]. Одним из наиболее пер-

спективных методов непрерывного неразрушающего контроля (НК) — мониторинга, является

оптический метод, связанный с применением волоконно-оптических датчиков (ВОД), например,

на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), позволяющий с учетом характеристик кон-

кретного опросного оборудования осуществлять контроль деформаций с учетом термокомпенса-

ции несущих конструкций инженерных сооружений, таких как, например, свайные фундаменты

(СФ). Необходимость разработки и внедрения подобных систем на реальных объектах обуслов-

лена как высокой степенью их износа ввиду постоянного воздействия агрессивных внешних

факторов, так и проблемой растепления грунтов [2—4]. Вместе с тем применение классических

методов НК (акустические, тепловые и др.) [5, 6] эффективно на этапе проведения регламентных

и периодических работ для оценки качества и выявления критичных дефектов [7, 8].

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения экспериментальных исследований по оценке фактического состояния СФ с

помощью волоконно-оптической системы мониторинга (ВОСМ) с целью дальнейшего прогно-

зирования его состояния был выбран объект мониторинга (ОМ) — здание насосной станции,

эксплуатируемой в Норильском районе.

Экспериментальные исследования проводились по следующей методике:

- в соответствии с действующей нормативной базой проводилось обследование СФ с целью

выбора конфигурации и оценки возможности установки ВОСМ;

- исходя из геометрических параметров СФ, состоящего из 30 свай, разрабатывались конструк-

ции измерительных устройств (ИУ) для установки на ОМ, выбиралось коммерчески доступное

устройство опроса (УО) ВОД в составе ИУ;

- разрабатывалась пространственная топология и схема коммутации ИУ (разбивка по парал-

лельным каналам УО) на ОМ, осуществлялся монтаж и коммутация ИУ на ОМ, запускался про-

цесс мониторинга и проводилась оценка результатов.

М.Ю. Федотов

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты обследования ОМ (рис. 1а) показали возможность установки ИУ на сваи, имеющие

высоты надземной части более 700 мм, с помощью анкерного крепления. С учетом этого обстоя-

тельства были разработаны 2 варианта конструкции ИУ (рис. 1б) разной длины (700 и 1000 мм) на

основе металлической подложки (шестигранник из прутка калиброванного по ГОСТ 10702 из

стали 30ХГСА) с установленными на них ВОД деформации ASTRO A521 (2 шт.) и термокомпен-

сатором (ТК) на основе ВОД температуры ASTRO A512, для опроса которых было выбрано вось-

миканальное УО ASTRO A313 производства ООО «Инверсия-Сенсор», г. Пермь (рис. 1в).

Рис. 1. Элементы ОМ и ВОСМ: ОМ (а); конструкция ИУ (б); УО, ВОД (в).

При проектировании ИУ также рассматривалась возможность изготовления подложек из угле-

пластика и стеклопластика, однако ввиду сжатости сроков выполнения проекта и недостаточности

информации о влиянии условий эксплуатации ОМ на свойства данных материалов было принято

решение остановиться на серийно изготавливаемых металлических подложках [9]. С учетом фак-

тической возможности установки ИУ была разработана пространственная топология, предполага-

ющая установку 30 ИУ на 19 свай, а также схема коммутации из расчета 8 опросных каналов УО

с учетом диапазона резонансных длин ВБР от 1510 до 1580 нм со спектральным шагом 8 нм [10].

Далее проводился мониторинг деформации СФ, экспериментальные данные по каждой свае

обрабатывались по следующей методике: определялось минимальное (ε_min), максимальное (ε_max),

среднее (ε_ср) и размах (Δε = ε_max - ε_min) значений относительной деформации с учетом термокомпен-

сации за период (например, за месяц), среднеквадратическое отклонение (СКО) (Sn-1, ε) и коэффици-

ент вариации (CV_ε). В табл. 1 и на рис. 2 представлены результаты экспериментальных исследований

изменения относительной деформации сваи № 20 ОМ за месяц (15.11.2022 г. — 14.12.2022 г.).

Температура в Норильске с 15 ноября по 14 декабря

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

-40

5000

10 000

15 000

20 000

25 000

30 000

35 000

40 000

На свае № 20 северная часть (Sn = 0521- 057, СH1, value) и на 20 свае северная часть (Sn = 0521- 084, СH1, value)

-20

-40

-60

10 000

20 000

30 000

40 000

Время, мин

Рис. 2. Результаты мониторинга на свае № 20 ОМ (15.11.2022 — 14.12.2022).

Дефектоскопия

№ 7

2023

Некоторые аспекты оптического мониторинга свайных фундаментов...

Таблица

Статистика изменения деформации сваи № 20 за месяц

, мкм/м

ε_{max мес.}, мкм/м

ε_{min мес}, мкм/м

Δε_мес, мкм/м

Sn-1,ε мес, мкм/м

CV_{ε мес}, %

мес

476,235

520,942

428,38

92,5618

25,9829

5,45589

ВЫВОДЫ

Полученные экспериментальные результаты исследований свидетельствуют о том, что за ука-

занный период времени наблюдается незначительное изменение деформаций сваи № 20 (не более

80 мкм/м) при колебаниях температуры от 0 до -38 °C. Похожая ситуация наблюдалась и на других

сваях. Стоит отметить, что в целом ВОСМ работает в штатном режиме, данные поступают, обра-

батываются и визуализируются в режиме реального времени. Стоит подчеркнуть, что процесс

мониторинга с соответствующим анализом поступающих данных целесообразно проводить в

течение более длительного временного интервала (полгода и больше) для определения граничных

условий, характеризующихся пороговыми значениями измеряемых параметров, при которых будет

наблюдаться существенно изменение несущей способности конструкции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сазонов А.Д., Комаров Р.С., Передера О.С. Разлив нефтепродуктов в Норильске 29 мая 2020 года:

предполагаемые причины и возможные экологические последствия // Экология. Экономика. Информа-

тика. Сер.: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. 2020. Т. 1.

№ 5. С. 173—177. DOI: 10.23885/2500-395x-2020-1-5-173-177

2. Порошина С.С. Растепление вечномерзлых грунтов под зданиями в Норильске // Градостроитель-

ство и архитектура. 2018. Т. 8. № 2 (31). С. 65—70. DOI: 10.17673/Vestnik.2018.02.11

3. Пахомов П.С. Исторический опыт геологического исследования и строительства фундаментов на

примере города Норильск // Архитектура и дизайн. 2021. № 2. С. 12—19. DOI: 10.7256/2585-

7789.2021.2.38153

4. Томилов С.Н., Сим А.Д., Гринев П.Е. Проблема просадок мостовых опор в условиях деградации

многолетнемерзлого основания и возможность ее решения // Транспортные сооружения. 2020. Т. 7.

№ 3. С. 2. DOI: 10.15862/02SATS320

5. Гриценко А.А., Федин К.В., Громыко П.В. Динамический мониторинг свайных сооружений на

примере Дворца культуры г. Норильска // Процессы в геосредах. 2022. № 3 (33). С. 1734—1742.

6. Снежков Д.Ю., Леонович С.Н., Будревич Н.А. Методика испытаний буронабивных свай сейсмо-

акустическим и ультразвуковым методами // Бетон и железобетон. 2022. № 2 (610). С. 20—24. DOI:

10.31659/0005-9889-2022-610-2-20-24

7. Снежков Д.Ю., Леонович С.Н., Будревич Н.А., Miao J. Оценка качества буронабивных свай сейс-

моакустическим и межскважинным ультразвуковым методами // Бетон и железобетон. 2022. № 4—5

(612—613). С. 52—59. DOI: 10.31659/0005-9889-2022-612-613-4-5-52-59

8. Чуркин А.А., Лозовский И.Н., Фролов В.Э., Бровиков Ю.Н. Комплексное исследование качества

буронабивных свай на опытной площадке с использованием методов неразрушающего контроля // Гео-

техника. 2018. Т. 10. № 5—6. С. 72—83.

9. Ларин А.А., Федотов М.Ю. Исследование конструктивных параметров измерительных

устройств для волоконно-оптической системы мониторинга свайных фундаментов в условиях Край-

него Севера // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 1. С. 43—50. DOI: 10.33622/0869-

7019.2023.01.43-50

10. Федотов М.Ю., Ларин А.А. Особенности формирования пространственной топологии волокон-

но-оптической системы мониторинга свайных фундаментов в условиях Крайнего Севера // Контроль.

Диагностика. 2023. Т. 26. № 2. С. 42—51. DOI: 10.14489/td.2023.02.pp.042-051

Дефектоскопия

№ 7

2023