УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГРУНТА
DEVICE FOR SOIL CONTROL

Изобретение относится к устройствам контроля грунта, использующим для оценки состояния грунта измерения распределения деформации волоконно-оптического чувствительного элемента, связанного с грунтом.
Целостность и исправность распределенных объектов во многом определяется свойствами и состоянием грунта, на котором они расположены. Как правило, повреждения распределенных объектов, таких как подземные трубопроводы, автомобильные и железные дороги, туннели и др. сооружения, вызваны подвижками грунта, несанкционированными раскопками, потерей грунтом несущей способности или процессами карстообразования. Особенно остро проблемы целостности распределенных объектов стоят при их прокладке под водой, в горных районах (на склонах), в карстоопасных районах и в условиях оттаивания и замерзания окружающего их грунта. Для предотвращения аварий распределенных объектов применяют непрерывный или периодический мониторинг подвижек (смещений) грунта и его температуры в непосредственной близости от объекта. В грунте, на участке, подверженном риску смещений, прокладывают сенсорный оптический кабель таким образом, чтобы подвижки грунта вызывали деформацию растяжения-сжатия участков оптических волокон, входящих в состав кабеля. Распределение по длине деформации оптического волокна измеряют и используют для анализа состояния грунта и его подвижек.
Известно устройство для измерения деформации и/или температуры (см. Патент РФ №2346235, опубликованный 27.07.2008), в котором используется способ, основанный на явлении вынужденного рассеяния Манделынтамма-Бриллюэна, возникающего в оптическом волокне. В этом способе оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента для детектирования деформации и/или температуры в среде, где размещено оптическое волокно. Известное устройство состоит из источника светового излучения накачки, чувствительного оптического волокна, оптического ответвителя, источника светового излучения зондирования и детектора. Чувствительное оптическое волокно с одного конца подключено к источнику светового излучения накачки, а со второго конца, при помощи оптического ответвителя, к источнику светового излучения зондирования и детектору.
В настоящее время приборы, в которых используется способ измерения распределения температуры и/или деформации оптического волокна вдоль его оси (растяжения или сжатия), основанный на явлении вынужденного рассеяния Манделынтамма-Бриллюэна, производятся и являются коммерчески доступными. В качестве примера таких устройств можно привести Бриллюэновский анализатор Ditest STA-R производства Omnisens SA [URL: http://www.omnisens.ch/ditest/3521-ditest-sta-r.php, дата обращения 06/08/13], Швейцария.
Также известны способ и устройство мониторинга трубопровода [Long-distance fiber optic sensing solutions for pipeline leakage, intrusion and ground movement detection. Marc Nikles Omnisens S.A. "SPIE Defense, Security and Sensing Conference", April 15-17, 2009, Orlando, Florida, USA, Proceedings of SPIE Vol.7316, 7316-01 (2009)]. Устройство включает непрерывный контроль перемещений и температуры грунта в непосредственной близости от трубопровода при помощи устройства, состоящего из блока мониторинга, который включает Бриллюэновский анализатор, оптический переключатель и оптический кросс и может располагаться, например, в компрессорных станциях трубопровода, и подключаемых к нему сенсорных оптических кабелей для измерения температуры и чувствительных к деформации сенсорных оптических кабелей для измерения подвижек грунта. Блок мониторинга может быть связан посредством сетевого интерфейса с расположенным удаленно пунктом управления. Устройство мониторинга трубопровода удовлетворяет требованиям к системам мониторинга целостности трубопроводов, измеряя распределения температуры и деформации вдоль соответствующих сенсорных кабелей на расстояниях, характерных для трубопроводов, соответствующих, например, расстоянию между компрессорными станциями трубопровода.
Известен сенсорный волоконно-оптический кабель (Патент Японии JP 2009103496 (A), опубл. 14.05.2009), предназначенный для измерения распределения деформации, который содержит, по меньшей мере, одно чувствительное к деформации оптическое волокно, трубку с, по меньшей мере, одним используемым для температурной компенсации (измерения температуры) оптическим волокном, которое свободно размещено в ней.
Известно устройство (DITEST SMARTEX SENSOR. - URL: http://www.roctest-group.com/sites/default/files/datasheets/products/11.1050ENDS_DiTeSt%20SMARTGeoTex%20Fabric_0.pdf Дата обращения 06.08.2013), предназначенное для повышения точности мониторинга смещений грунта, имеющее увеличенную поверхность сцепления кабеля с окружающим его грунтом. Устройство представляет собой геотекстиль с интегрированным в него сенсорным кабелем для измерения распределений деформации и температуры. Однако данное устройство не позволяет регистрировать такие опасные для распределенных объектов явления, как постепенный вынос грунта (например, вымывание или дефляция, т.е. разрушение под действием ветра) или его разжижение, так как они приводят к потере у устройства механической связи с грунтом.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство (см. Патент РФ №2485448, опубл. 27.09.2012) для измерения деформаций грунта, содержащее чувствительный к деформации сенсорный оптический кабель, измерительный блок, связанный с кабелем, якоря, связанные с кабелем и с грунтом, отличающееся тем, что снабжено системой защиты кабеля от разрушения, включающей встроенный в каждый якорь предохранитель, который срабатывает в случае, когда сила, действующая со стороны якоря на сенсорный кабель, превышает заданную величину.
Однако известное устройство имеет следующие недостатки. Так как якорь имеет механическую связь с грунтом, то регистрирует негативные явления только в случае закрепления якоря в грунте, однако существуют опасные для контролируемого объекта явления, которые приводят к потере механической связи якоря с грунтом и, следовательно, к нарушению работоспособности устройства для измерения деформаций грунта. Примерами таких явлений могут служить карстовые явления, суффозия или постепенная поверхностная эрозия грунта, приводящие к постепенному выносу (растворению, вымыванию и/или дефляции) грунта и потере связи сенсорного оптического кабеля с грунтом. Кроме того, в случае насыщения водой грунта или в случае воздействия на грунт вибрации, возможно его разжижение, что, с одной стороны, может представлять опасность для распределенного объекта, а с другой - не будет регистрироваться устройством вследствие нарушения связи якоря с грунтом.
Технический результат заявленного изобретения позволяет выявлять и определять местоположение таких явлений, как разжижение грунта, вымывание грунта или эрозия грунта, которые приводят к потере механической связи чувствительного к деформации сенсорного кабеля с грунтом, и которые опасны для расположенных на таком грунте объектов и сооружений.
Указанный технический результат достигается за счет того, что известное устройство для измерения распределения деформаций грунта и контроля его разжижения и/или вымывания и/или дефляции, содержащее сенсорный оптический кабель, чувствительный к деформации по всей своей длине и связанный механически с грунтом, измерительный блок, связанный с кабелем, снабжено согласно заявленному изобретению закрепленными на кабеле пригрузами, провисание которых в случае разжижения, и/или вымывания, и/или дефляции грунта вызывает расчетную деформацию кабеля, регистрируемую измерительным блоком.
Пригрузы могут служить якорями, обеспечивающими связь кабеля с грунтом.
Использование пригрузов, которые одновременно выполняют функцию якорей, упрощает монтаж вмонтированной в грунт сенсорной системы, так как в этом случае не потребуется монтаж якорей, обеспечивающих механическую связь сенсорного кабеля с грунтом.
Использование пригрузов в виде мешков из полимерной ткани, заполненных невымываемым грунтом: песком, гравием, щебнем и т.п., позволяет уменьшить цену пригруза, в том числе за счет снижения затрат на транспортировку к месту монтажа, так как грунт для заполнения мешков может браться непосредственно в месте монтажа.
Преимуществами пригрузов из бетона или железобетона являются простота изготовления, доступность и дешевизна бетона.
Наличие в составе сенсорного кабеля оптического волокна, чувствительного к температуре по всей своей длине, позволит получить информацию о распределении температуры вдоль сенсорного кабеля, что повысит точность определения деформации путем исключения влияния температурных эффектов на результаты измерения деформации, например эффекта температурного расширения сенсорного кабеля. Кроме того, это позволит получить дополнительную информацию о состоянии грунта, например определить места промерзания или растепления грунта.
Сенсорный оптический кабель может содержать оптическое волокно, чувствительное к температуре по всей своей длине.
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг.1 - чувствительный к деформации сенсорный оптический кабель со смонтированным на нем пригрузом;
на фиг.2 - схема, поясняющая возникновение деформации сенсора в случае вымывания грунта вокруг якоря.
Заявленное устройство содержит измерительный блок, подключенный к нему чувствительный к деформации сенсорный оптический кабель и закрепленные на нем пригрузы. В качестве измерительного блока может выступать Бриллюэновский анализатор или иное аналогичное устройство для измерения распределения деформации вдоль всего чувствительного к деформации сенсорного оптического кабеля. На чувствительный к деформации сенсорный оптический кабель 1 в заданных точках закреплены пригрузы 2 (фиг.1). Сенсорный оптический кабель имеет механическую связь с контролируемым грунтом. Один из способов такой механической связи может быть реализован путем использования якорей, связанных с кабелем и с грунтом, как в известном устройстве - прототипе. Сенсорный оптический кабель устанавливается под поверхностью грунта 3 в его толще (фиг.2). В заявляемом устройстве сенсорный кабель 1 воспринимает усилие растяжения вдоль своей оси, которое возникает вследствие подвижек грунта и/или провисания пригруза в области 4, где произошло разжижения грунта или его вымывание. В этом случае сенсорный кабель 1 за пределами области 4 зафиксирован в грунте, а участок кабеля на границе области 4 будет деформироваться (удлиняться) за счет действия сил гравитации на пригруз, прикрепленный кабелю. Относительное удлинение чувствительного к деформации сенсорного оптического кабеля 1 измеряется при помощи измерительного блока и используется для анализа состояния грунта: местоположения и параметров подвижек грунта, выявления областей разжижения грунта и областей вымывания грунта 4. При этом участки кабеля 1, которые деформированы (растянуты), показывают границы подвижек грунта и/или границы областей разжижения или вымывания грунта 4.
Относительное удлинение ε (безразмерная величина) равномерно растянутого отрезка кабеля может быть рассчитано по следующей формуле:
ε=Δ/L,
где L - длина отрезка в недеформированном состоянии, м; Δ - изменение длины отрезка в результате деформации, м.
p
Например, в показанном на фигуре 2 случае участок чувствительного к деформации сенсорного кабеля 1 из исходного горизонтального положения на границе области 4 растягивается вследствие провисания одного пригруза 2. При этом относительное удлинение кабеля 1 вызвано перемещением пригруза 2 в области 4 под действием его веса. В соответствии с законом Гука, в пределе малых деформаций (ε<<1) удлинение кабеля и растягивающее усилие пропорциональны друг другу. Используя закон Гука, получим следующее выражение для проекции растягивающего усилия на вертикальную ось F (измеряется в ньютонах), см. на фиг.2:
p
F=k·ε·sin(φ),
где k - коэффициент пропорциональности (жесткость), H.
Считая, что кабель в исходном состоянии был расположен горизонтально и относительная деформация привела провисанию кабеля на угол φ, получим
.
п?
С другой стороны, на кабель со стороны пригруза в области 4 действует направленная вниз сила F равная сумме веса и силы Архимеда.
п
п
с
п
F=mg(1-ρ/ρ)
п
п
с
п
2
3
3
где mg - вес, H; m - масса якоря, кг; g - ускорение свободного падения, м/с; ρ - плотность вытесненной среды, кг/м; ρ - средняя плотность пригруза, кг/м. Здесь сила Архимеда рассчитывается по закону Архимеда и зависит от объема вытесненной пригрузом среды и плотности вытесненной среды (газа, жидкости или разжиженного грунта). В соответствии с законом Архимеда на погруженное тело действует со стороны среды поддерживающая сила, равная весу вытесненной телом среды.
р
п
Силы F и F уравновешивают друг друга, что позволяет рассчитать деформацию растянутого под действием веса пригруза участка кабеля.
р
В пределе малых деформаций ε<<1 выражение для F можно упростить, используя известные тригонометрические формулы и разложение функций в ряд Тейлора:
.
р
п
В этом случае из условия равновесия сил F и F
Таким образом, подбирая плотность и массу пригруза можно обеспечить деформацию кабеля с известной жесткостью до величины, превышающей точность измерения деформации заявленной системой и которая будет служить пороговой величиной при анализе состояния грунта на предмет поиска границ областей разжижения или вымывания грунта.
Для упрощения монтажа сенсорной системы возможно использование пригрузов, которые будут одновременно выполнять функцию якорей - то есть обеспечивать механическую связь сенсорного кабеля с грунтом. Такие пригрузы могут быть выполнены в виде якорей, обеспечивающих связь кабеля с грунтом как в известном устройстве-прототипе, изготовленных из материалов с высокой плотностью, например бетона, стали или других металлов.
Пригрузы могут быть выполнены в виде мешков из полимерной ткани, заполненных невымываемым грунтом: песком, гравием, щебнем, камнями и т.п., которые закрепляются на сенсорном кабеле при помощи, например, стяжек или хомутов или крепятся при помощи винтов, заклепок, шнура, хомута или крюка к якорям, обеспечивающим связь кабеля с грунтом. Пригрузы могут быть выполнены в виде отливки из бетона, железобетона, состоять из двух половинок, которые крепятся на кабеле при помощи винтов (см. фиг.1). Для получения дополнительной информации о состоянии грунта сенсорный оптический кабель может содержать оптическое волокно, чувствительное к температуре по всей своей длине. Оптическое волокно, чувствительное к температуре, может быть свободно размещено в трубке, входящей в состав сенсорного кабеля. При этом измерительный блок может быть в виде Бриллюэновского анализатора, который позволяет измерения распределения температуры вдоль всего чувствительного к температуре оптического волокна сенсорного оптического кабеля вмонтированной в грунт сенсорной системы.
Преимущества
Наличие пригрузов позволяет выявлять и определять местоположение таких опасных для сооружений явлений, как разжижение грунта, вымывание грунта или эрозию грунта, которые приводят к потери механической связи чувствительного к деформации сенсорного кабеля с грунтом.
Использование пригрузов, которые одновременно выполняют функцию якорей, упрощает монтаж вмонтированной в грунт сенсорной системы, так как в этом случае не потребуется принятия дополнительных мер, обеспечивающих механическую связь сенсорного кабеля с грунтом, например монтажа якорей.
Использование пригрузов в виде мешков из полимерной ткани, заполненных невымываемым грунтом: песком, гравием, щебнем и т.п., позволяет уменьшить цену пригруза, в том числе за счет снижения затрат на транспортировку к месту монтажа, так как грунт для заполнения мешков может браться непосредственно в месте монтажа.
Преимуществами пригрузов из бетона или железобетона являются простота изготовления, доступность и дешевизна бетона.
Наличие в составе сенсорного кабеля оптического волокна, чувствительного к температуре по всей своей длине позволят получить информацию о распределении температуры вдоль сенсорного кабеля, что повысит точность определения деформации путем исключения влияния температурных эффектов на результаты измерения деформации, например эффекта температурного расширения сенсорного кабеля. Кроме того, это позволит получить дополнительную информацию о состоянии грунта, например определить места промерзания грунта.