Система инклинометрических измерений осадок насыпей и способ измерений для такой системы
SYSTEM FOR INCLINATION MEASUREMENTS OF EMBANKMENT DISPLACEMENTS AND MEASUREMENT METHOD FOR SUCH SYSTEM

Заявляемое изобретение относится к области измерений и может быть использовано при организации и проведении наблюдений за осадками слабого основания земляного полотна автомобильных и железных дорог, в частности при измерениях, основанных на показаниях инклинометрических зондов.
Предпосылкой создания изобретения, является то, что в настоящее время измерения осадок слабого грунтового основания производятся методом геодезического наблюдения по осадочным маркам [1-3], которые устанавливают в начальный период отсыпки насыпи. Наблюдения по осадочными марками ведется до окончательной консолидации слабого основания. При этом для снятия поперечника (вертикального среза насыпи, включающий ее основание), требуется три осадочные марки - две по бокам и одна посередине. Поперечники с осадочными марками устраиваются через каждые пятьдесят метров на всю длину участка со слабым основанием. Такая организация измерений осадок слабого грунтового основания и способ проведения измерения требуют больших затрат, мешают работе техники на насыпи, имеют низкую точность измерений, охватывают только среднюю часть насыпи, являются устаревшими и требуют модернизации.
Известны устройства для измерения горизонтального смещения и деформации грунтов [4-8] содержащие инклинометрический зонд с проводом и катушкой, устройство регистрации, встроенный блок передачи данных и программное обеспечение для отображения кривой осадок в центре сбора и обработки информации.
Проведение измерений известными устройствами предусматривает создание для них специального измерительного канала из полимерных труб с пазами для прохода колесиков инклинометрического зонда, установленных в вертикальную скважину. При этом силой, обеспечивающей движение инклинометрического зонда по каналу, является сила тяжести.
Недостатками известных устройств, по отношению к заявляемому техническому решению являются невозможность измерения вертикальных смещений грунтового основания (горизонтальный проход инклинометрического зонда) требующий дополнительных решений по перемещению инклинометрического зонда, и его фиксация на контрольных точках в измерительном канале. Для регистрации, передачи данных и их анализа требуется дополнительное оборудование, в том числе, устройство регистрации и встроенный блок передачи данных, а также штат работников для подготовки и проведения измерений.
Известны технические решения [9, 10] по геомониторингу тоннелей в период их строительства и начальной эксплуатации. В соответствии с которыми для измерений применяются способы, основанные на работе инклинометрических зондов. Указанные решения имеют следующие недостатки: укладка измерительного канала производится методом глубинно-направленного бурения, что существенно удорожает устройство измерительной базы; при проведении измерений не учитываются первичные осадки, которые происходят сразу после нагружения грунтового основания, что очень важно. Измеряются остаточные усадки грунта до их стабилизации. Из-за монтажа измерительного канала методом горизонтально направленного бурения, полость вокруг трубы приходится заполнять специальным глинистым раствором, для предотвращения образования лишнего пространства, таким образом, обеспечивая его работу совместно со слабым основанием.
Известно техническое решение [11], раскрывающее тандемное измерительное устройство для измерения осадки дорожного полотна, содержащее измерительный канал, устройство автоматического сбора данных, направляющий шток, расположенный в измерительном канале и тандем секций с инклинометрическими зондами.
К недостаткам известного устройства относятся его высокая стоимость и сложность исполнения. Оно предусматривает специальное изготовление измерительного канала (методом горизонтально-направленного бурения), конструкция которого должна обеспечивать фиксацию в нем тандема (цепочки инклинометрических зондов) при проходе (сложность их перемещения по каналу), и сложность конструкции сегментов, входящих в тандем.
Известен способ [12] мониторинга подземного смещения грунта в режиме реального времени, который используется при строительстве тоннелей метро. Известный способ относится к способам горизонтального измерения вертикальных осадок грунта посредством инклинометрического зонда, и заключается в следующем: производят закладку измерительного канала в основании пути, располагают в нем множество инклинометрических зондов, последовательно соединенных кабелем, снимают показания от датчиков и отправляют данные на компьютер.
Известный способ описывает проведение мониторинга посредством следующего оборудования: горизонтально - направленная скважина, труба, точка сверления, осадочная часть, точка разгрузки, дорожка, трубка инклинометра, туннельный щит, входной конец, выходной конец, компьютер, инклинометрический зонд, кабель, катушка, стопор и направляющая канавка.
Недостатками данного способа, по отношению к заявляемому изобретению являются следующие: данный способ затратный, требуется большое количество инклинометрических зондов одновременно. Трудно реализуем на дорогах, особенно в болотистой местности, при большой длине измерительного канала (по 50-80 м), или при частом съеме поперечников (например, 10-15 поперечников ежедневно). Недостатком известного способа является также отсутствие привязки полученных отметок к высотным отметкам (реперу), так как они определяются только по месту. Помимо этого, недостатком известного способа является громоздкость, а при анализе данных измерения, он не позволяет построить модель технического поля измерений с проекцией динамики изменения начальных (контрольных) точек, так как нет фиксированных (реперных) точек измерения.
Исследование уровня техники показало, что известные способы и устройства, применяемые при измерении вертикальной осадки, а также организация и проведения инклинометрических измерений, зависят от места расположения объекта, требуемой частоты проведения измерений, сложности участка, климатических условий и прочих обстоятельств.
Задачей заявляемого изобретения является создание нового способа инклинометрических измерений и системы для реализации такого способа в простой конструкции, не требующих применения технически сложной аппаратуры и специальных материалов, при этом повысить точность измерений, их информативность и мобильность, позволяющих проводить геотехнический мониторинг автомобильных и железных дорог в полевых условиях без потери функциональных возможностей.
Техническим результатом заявляемого изобретения, по отношению к известным решениям, является упрощение проведения измерений осадок насыпей, с выполнением полного спектра функциональных задач, включая построение модели кривой осадок в полевых условиях.
Для измерения осадки насыпей заявленным способом, в соответствии с которым производят закладку измерительного канала в основании насыпи, перемещают инклинометрический зонд внутри канала по точкам измерения и получают данные от инклинометра на компьютер, в соответствии с заявляемым изобретением
i
измерительный канал по системе координат принимают за ось 0Х, начало трубы (измерительного канала) на репере принимают за 0, как начальная точка отсчета, разбивают всю длину измерительного канала на точки измерения i с шагом L, по которому, посредством протяжного шнура, смещают инклинометрический зонд на заданный шаг Δl производят последовательное измерение угла наклона α в каждой точке измерения i, полученное значение угла для каждой точки измерения α передают на компьютер, и посредством прикладного программного обеспечения, последовательно преобразуют в координаты вертикальной плоскости Х0У, начиная от начальной точки 0, затем, соединяя полученные точки, производят вычисления:
i
i
(x, y), i=1, 2, …, n,
0
0
i
i-1
i
i
i-1
i
где: x=0, y=0; x=x+Δl⋅sinα; y=y+Δl⋅cosα,
получают кривую осадки, затем производят интерполяцию полученных значений и получают интерполяционную функцию осадок ƒ(x) по которой строят график кривой осадок для данного момента времени.
Также, технический результат достигается тем, что с целью фиксации положения осадок основания насыпи, на момент измерений, в соответствии с заявляемым способом, полученные данные отображают на экране компьютера в виде информации в графическом и табличном виде.
При этом, система для реализации такого способа инклинометрических измерений осадок насыпей содержит измерительный канал из пластиковых труб, с помеченными контрольными точками измерения, инклинометрический зонд с кабелем, репер, заложенный рядом с откосом насыпи, протяжный шнур, закрепленный в измерительном канале, и компьютер с прикладным программным обеспечением.
На фигуре 1 представлена система для способа инклинометрических измерений осадок насыпей, в соответствии с заявляемым изобретением.
На фигуре 2 представлены способ инклинометрических измерений осадок насыпей и система измерения для такого способа, в соответствии с заявляемым изобретением.
На фигуре 3 представлен способ инклинометрических измерений осадок насыпей, в соответствии с заявляемым изобретением.
На фигуре 4 представлен пример графика измерений осадок насыпи, в соответствии с заявляемым изобретением.
На фигуре 5 представлен пример табличной формы представления результата измерений осадок насыпи, в соответствии с заявляемым изобретением.
Измерение осадок насыпи является одной из основных задач проведения геотехнического мониторинга при возведении земляного полотна автомобильных и железных дорог на слабых грунтовых основаниях.
i
Возможность измерения вертикальных осадок, предлагаемым изобретением (Фиг. 1-3), заключается в том, что при осадке основания насыпи, измерительный канал 1, уложенный поперек оси дороги, оседая на ту же величину что и насыпь, повторяет профиль основания 2. При возникновении осадок, измерительный канал изгибается, и каждая точка его оси приобретает новое значение угла наклона α относительно вектора силы тяжести G.
i
При перемещении инклинометрического зонда 3 внутри трубы 1 с установленным шагом L измеряется угол α между вектором силы тяжести G и осью инклинометрического зонда 3 на каждой точке измерения 4.
Для этого, на этапе строительства производят закладку измерительного канала 1 (Фиг. 1-2) в основании насыпи 2. Принимают измерительный канал за ось 0Х, начало трубы 1 на репере 5 принимают за 0 - начальная точка отсчета. Разбивают всю его длину с шагом L на точки измерения i (Фиг. 1-2) и производят измерения начального положения ИК (труба 1а), смещая инклинометрический зонд 3 посредством протяжного шнура 6.
Таким образом, получают начальные (эталонные) значения измерительного канала по которым в дальнейшем производят сравнение осадки на момент времени измерения.
Работа инклинометрического зонда 3 может быть обеспечена блоком питания 7.
i
При проведении последующих измерений, также, смещают инклинометрический зонд 3 посредством протяжного шнура 6, закрепленного в измерительном канале, на заданный шаг Δl и производят последовательное измерение в каждой точке измерения i, угла α между вектором силы тяжести G (Фиг. 1-3) и осью инклинометрического зонда 3, полученное значение угла для каждой контрольной точки α - угол наклона касательной к кривой, образованной осевой линией измерительного канала (труба 1б) передают на компьютер 8.
Таким образом, получают значения углов отклонения от начальных (эталонных) значений в точках измерений i с шагом L для дальнейшей их обработки.
i
i
Полученные угловые значения от инклинометрического зонда 4 на текущий момент времени последовательно преобразуют, посредством прикладного программного обеспечения, в координаты вертикальной плоскости Х0У, начиная от начальной точки 0, затем соединяя полученные точки, производят вычисления: (x, y), i=1, 2, …, n,
0
0
i
i-1
i
i
i-1
i
где: х=0, у=0; x=x+Δl⋅sinα; y=y+Δl⋅cosα,
Получают кривую осадки, затем производят интерполяцию полученных значений и получают интерполяционную функцию осадок ƒ(x) по которой строят график кривой осадок для данного момента времени (Фиг. 4-5).
Таким образом, при последующих измерениях производится сопоставление, полученных значений с начальными (предыдущими) значениями, и определяется величина прироста осадок и скорость их накопления.
При этом, система для реализации такого способа инклинометрических измерений осадок насыпей выполнена следующим образом.
Измерительный канал, из пластиковых труб, необходимой длины, имеет размеченные на всю его длину точки измерения измерения i с шагом L, по которым определяют положение инклинометрического зонда 3 во время измерений.
Инклинометрический зонд с кабелем. Измерения осадок основания насыпи 2 основываются на величине угла наклона инклинометрического зонда 3 в каждой точке измерения i. Работа инклинометрического зонда 3 может быть обеспечена блоком питания 7, за счет его присоединения к кабелю.
Репер 5, заложенный рядом с откосом насыпи для привязки измерительного канала к высотным отметкам профиля. Например, репер неподвижной конструкции, выполненный из двух стоек и горизонтальной плоскости (Пример - Фиг. 2). При измерении начало трубы 1 на репере 5 принимают за 0 как начальная точка отсчета начала координат, от которого производится нумерация контрольных точек 4.
Протяжный шнур, закрепленный в измерительном канале, дает возможность свободно протягивать инклинометрический зонд с кабелем внутри ИК. С целью обеспечения точности перемещения инклинометрического зонда по измерительному каналу во время проведения измерений, заданный шаг Δl на протяжном шнуре равен шагу замера L, размеченному на ИК.
Компьютер (ноутбук) 8 с прикладным программным обеспечением, производит прием данных и, за счет прикладного программного обеспечения, производит обработку полученных значений измерения и анализ результатов измерений, которые отображаются на экране компьютера, в частности ноутбука не только в виде графиков кривых осадок (Фиг. 4), но и как табличные формы представления информации об измерениях за весь период геотехнического мониторинга, а также отчеты по установленным техническим формам (Фиг. 5).
В результате может быть сформирован специальный журнал наблюдений за деформацией земляного полотна построенных автомобильных или железных дорог, за весь период наблюдений.
Изобретение обеспечивает получение значений измерений и их анализ, непосредственно на месте проведения измерений посредством компьютера, в частности ноутбука не только в виде графиков кривых осадок, но и табличные формы представления информации об измерениях за весь период наблюдений участка дороги, а также отчеты по установленным техническим формам.
Такое техническое решение, исключает из процессов измерения специальное устройство регистрации, блок передачи данных и центр сбора и анализа данных, то есть, по отношению к известным из уровня техники, позволяет производить геотехнический мониторинг земляного полотна (его вертикального смещения), без применения технически сложной аппаратуры, специальных материалов и малым количеством персонала. При этом, потерь требуемых функциональных возможностей, предусмотренных нормативно-технической документацией о проведении геотехнического мониторинга земляного полотна, не происходит.
Техническим результатом заявляемого изобретения, по отношению к известным решениям, является упрощение проведения измерений осадок насыпей, с выполнением полного спектра функциональных задач, включая построение модели кривой осадок в полевых условиях.
Упрощение проведения измерений осуществляется за счет того, что при измерении осадок насыпей, предлагаемым способом, появляется возможность строить графики кривой (осадки насыпи) по данным одного инклинометра.
Помимо этого, такой способ позволяет на базе одного компьютера (ноутбука) выполнять полный спектр функциональных задач (поставленных регламентами по строительству и эксплуатации автомобильных дорог), включая построение модели кривой осадок в реальном времени, то есть исключить из состава оборудования сложную и дополнительную технику и выполнять весь комплекс работ в полевых условиях.
Таким образом, в соответствии с заявляемым изобретением, технический результат достигается полностью.
Пример.
Этап 1. Устройство измерительного канала.
При разработке проекта проведения геомониторинга рассчитывается необходимое количество измерительных каналов (ИК). По аналогии с установкой осадочных марок, они могут устраиваться не реже, чем через каждые 50 м.
Для каждого измерительного канала составляется схема укладки. В ней указывается конкретное место укладки (пикетаж) измерительного канала, присваивается порядковый номер, высотные отметки реперной системы, указывается длина, нумерация точек и интервалы измерения между ними, а центр ИК привязывается к оси дороги.
Измерительный канал монтируется из пластиковых труб методом сварки или с применением соединительных муфт. Диаметр трубы должен обеспечивать свободный проход инклинометрического зонда по всей длине канала, а труба должна иметь достаточную прочность, чтобы не ломаться и не сминаться под нагрузкой от веса насыпи.
После монтажа стыков в каждое звено продевается протяжной шнур из прочного материала для протягивания инклинометрического зонда по измерительному каналу. После этого концы шнура закольцовываются и закрепляются на концах измерительного канала во избежание вытаскивания из него.
На протяжном шнуре через определенный интервал наносится разметка на длину инклинометрического зонда (например, через каждые 50 см), который в дальнейшем и будет расстоянием между точками для измерения осадок основания насыпи.
Для укладки ИК в основание насыпи подготавливается полоса шириной 3 метра, уплотняется и выравнивается «под ноль». Ось дороги закрепляется колышком.
Измерительный канал, сваренный из труб в нужную длину с протяжным шнуром внутри, укладывается на подготовленное основание. Середина измерительного канала привязывается к оси дороги отмеченной колышком. Затем от него на обе стороны по всей длине производится разметка согласно схеме укладки.
Длина интервала (шаг замера L) на трубе и на протяжном шнуре должны быть одинаковыми. Нумерация точек для замера начинается со стороны репера.
Для привязки измерительного канала к высотным отметкам профиля, на одной стороне насыпи устраивается реперный участок, на котором фиксируется один конец измерительного канала. Стойки под реперы устанавливаются на расстоянии 2 м друг от друга, создавая ровный участок с постоянными высотными отметками.
Конец измерительного канала закрепляются к реперу хомутами неплотно, чтобы концы труб не были зажаты и могли свободно двигаться при осадке насыпи вместе со слабым основанием. Второй конец измерительного канала остается не закрепленной, т.к. измерения ведутся только со стороны реперной опоры.
По окончании монтажа, ИК засыпается грунтом толщиной 50 см и производится первичная съемка инклинометрическим зондом с занесением данных в журнал наблюдений, формируя эталонные значения измерительного канала для дальнейших измерений.
После измерений протяжной шнур убирается вовнутрь измерительного канала, концы закрываются специальными заглушками, устраивается ограждение вокруг обоих концов.
Таким образом, согласно заявляемому изобретению, получают начальные (эталонные) значения измерительного канала по которым в дальнейшем производят вычисления осадки на момент времени измерения.
Этап 2. Порядок производства измерений.
Измерения производятся двумя специалистами - инженером и техником. По прибытию на место, снимаются заглушки с измерительного канала. Проверяется состояние ИК, репера и сохранность протяжного шнура.
Оборудование собирается в цепь, инклинометрический зонд присоединяется к ноутбуку по соединительному кабелю и блоку питания (при необходимости). Инклинометрический зонд присоединяется к протяжному шнуру и помещается в ИК. После этого проверяется целостность соединений и производится тестирование инклинометрического зонда.
По окончании проверки работоспособности оборудования начинаются измерения. Техник переходит в другую сторону насыпи, вытаскивает протяжный шнур и ждет команды инженера. Инженер устанавливает инклинометрический зонд на начальную точку отсчета.
По его команде инженера техник по протяжному шнуру перемещает инклинометрический зонд на длину зонда (например, 50 см) и ждет. На каждой точке зонд выдерживается для фиксирования своего положения (3-10 секунд), а потом снимаются и фиксируются значения угла наклона данной точки. Инженер наблюдает на экране компьютера (накопителя данных) за работой инклинометрического зонда и после фиксации очередного значения угла наклона дает команду технику перетянуть инклинометрический зонд на следующую контрольную точку. Таким образом, измеряются углы наклона всех контрольных точек измерительного канала, которые в период укладки размечались.
По достижению последней контрольной точки, инженер, с помощью шнура и кабеля инклинометрического зонда, вытаскивает его из измерительного канала. Концы измерительного канала закрываются заглушками и оборудование убирается.
Таким образом, получают значения углов отклонения от начальных (эталонных) значений в точках измерений i с шагом L для дальнейшей их обработки.
Этап 3. Обработка данных измерения
Полученные данные обрабатываются прикладной компьютерной программой и выдаются в виде графика или инклинограммы. Для этого производят следующие действия:
1. Задают шаг Δl длины дуги осадочной кривой, через который производится считывание угла наклона α кривой относительно вертикали.
2. В результате измерений образуется двумерный массив чисел
i
(i⋅Δl; α) i=1, 2, …, n,
i
где α - значение (в градусах) угла отклонения кривой осадок от вертикали
в точке, отстоящей от левого края кривой на расстоянии i⋅Δl.
3. Вводится в прямоугольную систему координат XOY с началом отсчета О в левом конце осадочной кривой. Ось ОХ направлена по горизонтали слева направо, ось OY вертикально вверх. В системе координат XOY создается двумерный массив чисел:
i
i
(x, y), i=1, 2, …, n,
0
0
i
i-1
i
i
i-1
i
где: x=0, y=0; x=x+Δl⋅sinα; y=y+Δl⋅cosα.
i
i
4. К полученному массиву чисел (x, y), i=1, 2, …, n применяется стандартная процедура интерполяции, например, встроенная в программу Excel, в результате чего получают интерполяционную функцию осадок ƒ(x), которая позволяет в заданной точке х в системе координат XOY получить приближенное значение величины осадки у, построить график кривой осадок.
i
Погрешность вычисления осадок y, i=1, 2, …, n уменьшается с уменьшением величины шага Δl и увеличивается с ростом числа измеряемых точек. Математические эксперименты показали, что при отношении максимального размера кривой осадок к максимальному значению осадки, равном 200, величина шага Δl=0,5 ед приводит к относительной погрешности 5%.
Таким образом, при последующих измерениях производится сопоставление, полученных значений с предыдущими, и определяется величина прироста осадок и скорость их накопления.
После обработки полученные значения сравниваются с первичными данными, определяется величина осадки насыпи и скорость прироста за истекший срок (Фиг. 3-4).
По результатам измерения составляется отчет о проведенных работах с выводами о состоянии грунтового основания насыпи, динамике развития осадок, о ходе консолидации слабых грунтов и возможности устройства дорожного покрытия.
В случае, если осадки больше не растут или их прирост составил не более 20 мм в год, периодичность проведения измерений увеличивается или измерения вообще прекращаются.
Список используемой литературы:
1. ГОСТ 22.2.04-2012 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Техногенные аварии и катастрофы. Метрологическое обеспечение контроля состояния сложных технических систем. Основные положения и правила»;
2. СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*»;
3. TP ТС 014/2011 «Технический регламент таможенного союза. Безопасность автомобильных дорог»;
4. Схемы использования геотехнических приборов на объектах, ООО «ГеоконРус» (http://www.geokon.com.ru/primenenie);
5. Цифровая портативная инклинометрическая система EAN-26M, ДСис дистрибьютор Guralp и Encardio (https://dsys.ru/shop/po-kategorijam/izmeritelnoe-oborudovanie/datchiki-smeshenija/cifrovaja-portativnaja-inklinometricheskaja-sistema-ean-26m.html);
6. Проекты: ООО "СПС" (http://monitoring-usm.ru/proekti/kollektornye-tonneli-g-moskva);
7. Проекты: ООО "СПС" (http://monitoring-usm.ru/resheniya/geotehnicheskiy-monitoring-novogo-stroitelstva);
8. Смещения и деформации грунтового массива, ЗАО «Триада-Импекс» (http://triadaimpex.ru/magazin?mode=folder&folder_id=26892403);
9. Патент CN 101575861 А на изобретение «Способ мониторинга осадок посредством инклинометра», патентообладатель: Shanghai No2 Municipal eng Co [CN];
10. Патент CN 202928559 U на полезную модель «Устройство наблюдения за туннелем метрополитена», патентообладатель: Jiangsu transp res INST Co LTD;
11. Патент CN 106643648 A на изобретение «Измерительное устройство для горизонтальных испытаний вертикальной осадки», патентообладатель: Chang'an Univ; Shaanxi Traffic Tech Consulting Co Ltd;
12. Патент CN 102995615 A на изобретение «Способ мониторинга перемещения подземного глубокоуглеродистого грунта в реальном времени», патентообладатель: Shanghai Urban Constr Municipal Eng Group Co Ltd.