УДК 620.179.18:624.154
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ОПТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
© 2023 г. М.Ю. Федотов1, 2
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.
66
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).
а
б
в
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 (εmin), максимальное (εmax),
среднее (εср) и размах (Δε = εmax - εmin) значений относительной деформации с учетом термокомпен-
сации за период (например, за месяц), среднеквадратическое отклонение (СКО) (Sn-1, ε) и коэффици-
ент вариации (CVε). 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
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
0
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
0
-20
-40
-60
0
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...
67
Таблица
1
Статистика изменения деформации сваи № 20 за месяц
-
ε
, мкм/м
εmax мес., мкм/м
εmin мес, мкм/м
Δεмес, мкм/м
Sn-1,ε мес, мкм/м
CVε 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