Способ автоматического дистанционного мониторинга накопления остаточных деформаций и колебаний тепло-влажностного режима элементов дорожных конструкций в реальных условиях эксплуатации
METHOD FOR AUTOMATIC REMOTE MONITORING OF ACCUMULATION OF RESIDUAL DEFORMATIONS AND VIBRATIONS OF HEAT AND MOISTURE CONDITIONS OF ELEMENTS OF ROAD STRUCTURES IN REAL OPERATING CONDITIONS

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации автомобильных дорог, а именно к методам и средствам мониторинга состояния дорожных конструкций.
Развитие норм проектирования - длительный процесс, который предполагает комплексный анализ состояния участков автомобильной дороги. Для подобного глубокого анализа визуальный и инструментальный контроль эксплуатационных показателей покрытия недостаточен. Чтобы уверенно сказать, по какой причине дорога прослужила меньше намеченного срока, крайне важны наблюдения за её структурным состоянием, напряженно-деформированным состоянием, тепло-влажностным режимом работы конструктивных элементов. Данные, получаемые в круглосуточном режиме, позволят своевременно и, самое главное, обоснованно принимать решения о виде и времени проведения ремонтных мероприятий, что положительно скажется, в том числе, и на планировании бюджетных расходов.
Для выбора оптимальных проектных и ремонтных решений необходимо располагать данными о состоянии элементов дорожных конструкций в конкретных условиях эксплуатации.
В настоящее время оценка состояния конструктивных элементов дорожной конструкции производится двумя принципиально различными подходами: разрушающим и неразрушающим методами контроля.
Разрушающий метод контроля осуществляется путем отбора проб материала эксплуатируемых слоев дорожной одежды, и их испытания в лабораторных условиях с целью определения устойчивости к колееобразованию. Данный метод описан в действующих нормативных документах ОДМ 218.3.017-2011 «Методические рекомендации по определению колееобразования асфальтобетонных покрытий прокатыванием нагруженного колеса», а также в ПНСТ 181 – 2016 «Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон. Метод определения стойкости к колееобразованию прокатыванием нагруженного колеса».
К неразрушающим методам относятся различные виды георадаров (Ground Penetrating Radar) для измерения толщины дорожной конструкции, различные виды установок ударного нагружения (FWD или УДН) для измерения прогиба, а также методы оценки структурной прочности путем мониторинга различных видов разрушений покрытия дороги.
Известен способ мониторинга опасных карстовых и/или оползневых участков магистральных трубопроводов, железных и автомобильных дорог (см. патент RU № 2 333 506 C1, G01S5/02, опубл. 10.09.2008), позволяющий выявлять опасные в карстовом и оползневом отношениях зондируемые районы. Суть метода состоит в радиолокационном космическом зондировании земной поверхности с помощью установленного на космическом аппарате радиолокационного интерферометра. Недостатком данного метода является низкая точность и невозможность оценки состояния слоев основания дорожной одежды и грунта земляного полотна дорожной конструкции.
Известен способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ (см. патент RU № 2 405 882 C1, E01C21/00, G01M7/00, опубл. 10.12.2010) позволяющий назначать обоснованные сроки ремонтных работ асфальтобетонных покрытий путем контроля изменения величины удельной теплоемкости асфальтобетонного покрытия. Недостатком данного метода является его неприменимость к несвязным слоям основания дорожной одежды и рабочему слою грунта земляного полотна.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для автоматизированного мониторинга остаточных деформаций многослойных дорожных конструкций (см. патент RU № 189239 U1, G01B7/24, опубл. 16.05.2019). Остаточные деформации многослойных дорожных конструкций измеряются зондом, в котором деформации измеряются по мере перемещения измерительных датчиков относительно межслойных дисков. Питание осуществляется от батареи, например литий-тионил хлоридной с напряжением 3,6 В с саморазрядом <1% в год помещенного внутрь металлопластиковой трубки зонда и расположенного в его нижней части, а передача данных от зонда осуществляется посредством радиосигнала от миниатюрного передатчика, расположенного внутри металлопластиковой трубки в верхней части измерительного зонда. Прием радиосигнала осуществляется приемником, расположенным вне дорожной конструкции.
Однако следует отметить, что оценка транспортно-эксплуатационного состояния дорожной конструкции по одному измерительному зонду может оказаться необъективной. Причиной этому могут стать образование полосы накаты (колея) в стороне от оси установленного зонда, либо образование локальных деформаций в непосредственной близости от зонда (отличающихся от деформаций дорожной конструкции в местах без зондов), а также перемещений межслойных дисков вследствие взаимного перемешивания несвязных слоев дорожных одежд.
Помимо вышеприведенных причин, сложностью в получении объективной оценки транспортно-эксплуатационного состояния дорожной конструкции только по измерительным зондам является отсутствие данных о воздействии природных факторов (например, влажность грунта земляного полотна).
Задачей изобретения является разработка автоматизированного дистанционного способа оценки состояния дорожных конструкций, позволяющего производить диагностику состояния конструктивных элементов дорожной одежды на стадии эксплуатации без непосредственного присутствия человека на обследуемом участке автомобильной дороги.
Сущность изобретения заключается в том, что способ автоматического дистанционного мониторинга накопления остаточных деформаций и колебаний тепло-влажностного режима элементов дорожных конструкций в реальных условиях эксплуатации, включающий измерение остаточных деформаций, необратимых перемещений, температуры в каждом слое дорожной конструкции, влажности слоев основания и грунта земляного полотна, с использованием двух и более измерительных зондов, двух и более датчиков влажности, пункта передачи информации и сервера хранения и обработки данных, при этом измерительные зонды, устанавливаются в дорожную конструкцию в пределах полосы наката (колея) - 1 м от кромки полосы движения, а оценка состояния конструктивных элементов дорожной конструкции осуществляется путем одновременного измерения и последующего совместного анализа данных с измерительных зондов и датчиков влажности.
Технический результат: обеспечивает возможность оценки состояния конструктивных элементов дорожной одежды по критерию накопления остаточных деформаций на стадии эксплуатации методом неразрушающего контроля.
Применение предлагаемого способа позволит оценить состояние каждого конструктивного элемента в эксплуатируемой дорожной конструкции, путем комплексного анализа величин остаточных деформаций, необратимых перемещений, температуры и влажности.
Для рационального размещения системы мониторинга предлагаются следующие места:
- на участках строительства и реконструкции автомобильных дорог, реализуемых по долгосрочным инвестиционным соглашениям, концессионным и иным контрактам жизненного цикла автомобильных дорог с целью оптимизации решений по управлению их транспортно-эксплуатационным состоянием;
- на экспериментальных участках при опытно-производственной проверке различных дорожных конструкций, инновационных технологий и материалов;
- для мониторинга нестандартных, индивидуальных проектных конструктивных решений по сооружению элементов дорожных конструкций;
- при строительстве дорожной конструкции в зоне сложных геологических условий;
- на участках автомобильных дорог с экстремальными погодно-климатическими условиями (высокая температура, большое количество циклов «замораживания-оттаивания» и т.п.);
- на комплексных дорожно-испытательных полигонах.
Обработка и совместный анализ остаточных деформаций, необратимых перемещений, температуры и влажности позволяют выявить не только вклад каждого слоя в общую величину деформации поверхности дорожного покрытия, но и временной период, а также условия эксплуатации, приведшие к накоплению деформаций.
Сущность изобретения поясняется чертежами где:
фиг.1 – схема установки измерительных устройств в дорожную конструкцию;
фиг.2 – диаграмма накопления деформаций;
фиг.3 – диаграмма влажности грунта земляного полотна;
фиг.4 – диаграмма температуры.
Способ осуществляется следующим образом:
- устройства монтируются на стадии строительства или реконструкции участка автомобильной дороги;
- датчики влажности 2 и измерительные зонды 1, включающие межслойные магнитные диски 5 и металлическую трубку 6, располагаются внутри дорожной конструкции в области правой полосы наката (колея) 4 правой полосы движения автомобильной дороги;
- пункт передачи информации 3 состоящий из опоры 7, щита 14 и солнечной панели 13 обеспечивает энергообеспечение, резервное хранение и передачу информации (полученную от измерительных зондов 1 и датчиков влажности 2) о величинах накопления остаточных деформаций и изменениях температур в элементах дорожной конструкции и влажности грунта земляного полотна на сервер хранения данных посредством связи стандарта GSM;
- щит 14 предназначен для защиты электрооборудования от воздействия окружающей среды, содержащего в себе: блок управления 8; модем 9; GSM антенну 10; радиоантенну 11; источник бесперебойного питания (аккумуляторная батарея) 12.
Измерительные зонды 1 монтируются поэтапно, их монтаж начинается после устройства рабочего слоя грунта земляного полотна.
Последовательность монтажа зондов 1 следующая:
- определение расположения зондов 1 в плане. Ось установки зондов должна располагаться по оси правой полосы наката (колея) 4 крайней правой полосы движения с целью замера наибольших деформаций от транспортной нагрузки в противном случае, при расположении зонда вне полосы наката 4 деформации могут отсутствовать. Правая полоса наката образовывается вдоль кромки проезжей части. Ось полосы наката (колеи) располагается на расстоянии 1 м от кромки проезжей части;
- выбуривание в грунте вертикальной скважины (диаметром 20 см) до уровня низа рабочего слоя грунта земляного полотна для последующей закладки межслойного магнитного диска 5;
- выбуривание в скважине диаметром 20 см второй скважины размером, равным диаметру и длине металлической трубки 6;
- размещение металлической трубки 6 в выбуренном отверстии таким образом, чтобы верх трубки 6 совпал с поверхностью рабочего слоя грунта земляного полотна;
- закладка межслойного магнитного диска 5 под рабочий слой грунта земляного полотна;
- уплотнение рабочего слоя грунта земляного полотна;
- устройство нижнего слоя основания дорожной одежды;
- выбуривание скважины диаметром 20 см до низа нижнего слоя основания дорожной одежды;
- подъем трубки 6 до верха нижнего слоя основания дорожной одежды;
- закладка межслойного магнитного диска 5 под низ нижнего слоя основания дорожной одежды;
- уплотнение нижнего слоя основания дорожной одежды (далее операции повторяются циклично вплоть до устройства верхнего слоя покрытия);
- закладка электронных элементов внутрь металлической трубки 6.
Монтаж датчиков влажности 2 осуществляется после устройства рабочего слоя грунта земляного полотна. Датчики 2 располагаются в пределах полосы наката (колея) 4 в рабочем слое грунта земляного полотна. С целью дублирования данных и на случай выхода из строя датчиков влажности 2 их количество должно быть два или более.
Монтаж пункта передачи информации 3 выполняется после завершения работ по формированию откосов земляного полотна автомобильной дороги. В пределах полосы отвода монтируется опора 7 для закрепления на ней: блока управления 8, модема 9 с передающей антенной GSM 10 и источника бесперебойного питания 12. Провода электропитания, антенны GSM 10 и радиоантенны 11 подведены в щит 14 через герметичные вводы, препятствующие попаданию влаги внутрь щита. Антенна GSM 10 и солнечная панель 13 установлены максимально высоко на опоре 7, чтобы обеспечить доступ солнечного света к солнечной панели 13 и открытое пространство для стабильной передачи данных через сотовую сеть.
Измерение остаточной деформации, влажности и температуры выполняется в циклическом режиме с заданной периодичностью в автоматическом режиме. Периодичность считывания должна обеспечивать наглядность процессов температурно-влажностных колебаний и накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций. Ориентировочная периодичность для измерения температуры  не реже 1 раза в 30 минут, для измерения влажности и остаточных деформаций не реже 1 раза в сутки.
Отправка данных на пункт передачи информации 3 выполняется в автоматическом режиме. Измерительные зонды 1 передают данные посредством радиопередачи от своей радиоантенны, расположенной в верхней части зонда 1 к радиоантенне 11 расположенной на пункте передачи  информации 3. От датчиков влажности 2, данные  передаются по кабелям, проходящим в грунте земляного полотна и внутри  опоры 7 пункта передачи информации 3.  Далее информация поступает к пользователю либо на сервер хранения данных, либо непосредственно на персональный компьютер.
Результатом работы при автоматическом дистанционном мониторинге накопления остаточных деформаций и колебаний тепло-влажностного режима элементов дорожных конструкций в реальных условиях эксплуатации являются данные представленные на  фиг. 2, 3 и 4.
Фиг. 2 демонстрирует пример результата мониторинга остаточных деформаций слоев дорожной конструкции состоящей из:
- щебеночно-мастичный  асфальтобетон  ЩМА-20 толщиной 6 см;
-  асфальтобетон плотный крупнозернистый толщиной 8 см;
-  асфальтобетон пористый крупнозернистый толщиной 13 см;
- щебеночно-песчаная смесь ЩПС-С4 толщиной 45 см;
- песок основания дорожной одежды толщиной 38 см;
- песок рабочего слоя земляного полотна толщиной 40 см.
Фиг. 3 демонстрирует пример результата мониторинга температуры дорожной конструкции состоящей из слоев, перечисленных выше при описании фиг. 2.
Фиг. 4 демонстрирует пример результата мониторинга влажности грунта рабочего слоя земляного полотна двумя датчиками. Верхний  датчик располагается на поверхности рабочего слоя, нижний на глубине 40 см.
Результаты мониторинга, представленные  на фиг. 2, 3 и 4 возможно использовать как по отдельности, так и совместно  для выявления влияния, например влажности или температуры на накопление остаточных деформаций.