СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
SYSTEM FOR AUTOMATED MONITORING OF PILE FOUNDATIONS OF BUILDING STRUCTURES IN PERMAFROST REGIONS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки состояния и целостности свайных опор строений и контроля влажности вмещающего грунта в районах вечной мерзлоты.
Известен способ возведения сборной или сборно-монолитной бетонной многослойной гидроизолированной строительной конструкции в грунте и способ мониторинга состояния ее контакта с грунтом, заключающийся в ультразвуковом контроле наличия и глубины расположения непосредственно в бетонной конструкции ее дефектов (патент РФ 2367742 С1, дата приоритета 12.02.2008, дата публикации 20.09.2009, авторы: Трегуб A.M. и др., RU).
Недостатками известного способа мониторинга и соответственно системы для его реализации являются: сложность и высокая стоимость реализации при периодическом автоматизированном контроле множества опорных свай, устанавливаемых под зданием, а также отсутствие датчиков контроля влажности.
Известно устройство для контроля увлажнения грунта, состоящее из n-секций с отверстиями, в которых расположен грунт. Это устройство применяется для лабораторного определения физических характеристик, в частности влажности образцов грунта (патент РФ 147593 U1, дата приоритета 08.07.2014, дата публикации 10.11.2014, авторы: Грузин А.В., Завьялов М.А. и др., RU).
Недостатком известного устройства является ограниченное его применение, обусловленное тем, что влажность грунта определяется лишь в точках установки прибора, что не позволяет оценить ее в некотором требуемом объеме в районе свай, к тому же, использование этого устройства для автоматизированного контроля влажности грунта во многих точках практически невозможно из-за сложности установки и высокой стоимости.
Известно устройство для электроразведки, состоящее из генератора тока, измерительных и регистрирующих приборов, соединенных изолированными проводами соответственно с питающими и приемными электродами, которое можно использовать для оценки состояния угольного пласта в шахтах (патент РФ 128346 U1, дата приоритета 20.12.2012, дата публикации 20.05.2013, автор Шлапаков П.A., RU).
Это устройство можно было бы считать близким аналогом, поскольку оно содержит основные элементы измерительной системы - генератор тока и приемный электрический датчик. Однако для контроля влажности грунта известное устройство не обеспечивает необходимой точности, поскольку приемный датчик дает сигнал, не отличающийся по фазе от тока в генераторе, и, следовательно, не позволяет измерить диэлектрическую проницаемость грунта, связанную с влажностью.
В качестве прототипа принята измерительная система, предназначенная для реализации известного способа определения предельного состояния строительных конструкций, включающего размещение датчиков акустической эмиссии, регистрацию параметров сигналов акустической эмиссии, формирования выборок, определение статистических параметров и оценку состояния конструкции по изменению параметров акустической эмиссии, причем датчики акустической эмиссии устанавливают на поверхности бетонной конструкции и регистрируют параметры в процессе накопления повреждений (патент РФ 2417369 С2, дата приоритета 29.06.2009, дата публикации 27.04.2011, автор: Сагайдак А.И., RU, прототип).
Недостатком прототипа является то, что использование измерительной системы для реализации известного способа требует участия человека и для задачи получения информации в автоматическом режиме от множества контролируемых объектов (свай), существенно повышает время и стоимость контроля, а также не обеспечивает контроль влажности околосвайного грунта.
Технической проблемой, решаемой заявленным изобретением, является создание системы автоматизированного мониторинга свайных фундаментов строительных сооружений в районах вечной мерзлоты, обеспечивающей постоянный контроль свайных оснований без обслуживающего персонала и обладающей повышенной чувствительностью к параметрам: собственных частот акустических колебаний свай под действием сейсмических ударов, излучаемых импульсным невзрывным излучателем, электропроводности околосвайного грунта, влажности и температуры, что дает возможность заблаговременно принять меры обеспечения безопасности строительных сооружений в резко меняющемся климате северных широт.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, предназначенных для осуществления автоматизированного мониторинга свайных фундаментов строительных сооружений в районах вечной мерзлоты, и в повышении чувствительности устройства к измеряемым параметрам за счет использования приемных индуктивных датчиков и измерения разности фаз между током генератора и сигналом с выхода приемных датчиков.
Для решения указанной технической проблемы и достижения технического результата предложена система автоматизированного мониторинга свайных фундаментов строительных сооружений в районах вечной мерзлоты, содержащая импульсный сейсмический излучатель, установленный на грунте под центром здания, сейсмоприемники, закрепленные на каждой из свай, линейный электрический излучатель в виде заземленного по концам кабеля, размещенного на грунте вдоль здания и представляющего собой излучающую электромагнитную антенну, подключенную к генератору электромагнитных колебаний, а также приемные индуктивные датчики горизонтальных компонент электромагнитного поля, размещенные совместно с термометрами в измерительных скважинах между сваями, при этом генератор электромагнитных колебаний, сейсмоприемники и приемные индуктивные датчики подключены через многоканальную линию связи, коммутатор и микроконтроллер к радиостанции управления и передачи данных диспетчеру.
На фиг. 1 представлена общая схема реализации заявленной системы, где показано: 1 - поверхность грунта, 2 - сваи, 3 - импульсный невзрывной излучатель сейсмических волн, 4 - сейсмоприемники, 5 - многоканальная линия связи, 6 - коммутатор, 7 -микроконтроллер, 8 - радиостанция, 9 - излучающая электромагнитная антенна, 10 - заземлители, 11 - генератор электромагнитных колебаний, 12 - измерительная скважина, 13 - индуктивные датчики для приема электромагнитного поля и термометры в скважинах (условно не показано).
Структура аппаратного комплекса системы мониторинга построена следующим образом. Под опорной плитой контролируемого здания в земляном грунте 1 со свайным фундаментом (сваи 2) установлен импульсный невзрывной излучатель сейсмических волн (ИНИС) 3, состоящий из электромагнитного ударника, возбуждаемого блоком управления, а на оголовках свай закреплены сейсмоприемники 4, выходы которых через многоканальную линию связи 5 присоединены через коммутатор 6 к первому входу микроконтроллера 7, выход которого связан с радиостанцией связи 8, а второй вход микроконтроллера подсоединен через коммутатор 6 к линии связи 5 с индуктивными датчиками 13 приема электромагнитного поля, излучаемого линейной кабельной антенной 9, соединенной с грунтом заземлителями 10. Излучающая антенна 9 подключена к генератору электромагнитных колебаний 11 высокой частоты F=0.1-1 МГц, создающему в антенне ток I. В промежутках между некоторыми сваями в неглубоких скважинах 12, глубиной 50-100 см, установлены индуктивные датчики 13 горизонтальных компонент вторичного электромагнитного поля, возбуждаемого в грунте током излучающей антенны 9. Для улучшения качества мониторинга в скважинах 12 устанавливаются также термометры, расширяющие объем информации о состоянии грунта.
Измеряемыми параметрами состояния свай являются собственные частоты их акустических колебаний F и параметры грунта - его температура и тангенс угла потерь ЭМ поля,  где: σ - электропроводность грунта; ε - диэлектрическая проницаемость; ƒ - рабочая частота ЭМ колебаний.
Работа системы заключается в следующем: если длинна сваи L=10 м, и она представляет бетонный ствол с железной арматурой, то его собственная частота акустических колебаний определяется через длину сваи, как:
где υ=4000 м/с - скорость распространения акустической волны вдоль ствола, F - характерная частота.
Откуда:
Если в свае в каком-то месте разрушился бетон, то наблюдаемая частота F немедленно отреагирует. К примеру, если разрушение произойдет в середине сваи, то частота F увеличится вдвое.
Работа электромагнитного измерительного канала основана на оценке влагосодержания тающего грунта между сваями, на основе измерения его электропроводности а и диэлектрической проницаемости 8 путем оценки тангенса угла потерь ЭМ поля.
При выборе рабочей частоты ЭМ канала можно воспользоваться соотношением:
-3
-4
где: σ=10-10 - проводимость мерзлого грунта;  при  ε=80 - диэлектрическая проницаемость воды; ω=2πƒ - круговая частота.
Допуская  получим ƒ=2.2 МГц.
x
Для измерения влажности, влияющей на электропроводность грунта, предложено использовать индуктивные датчики горизонтальной H компоненты электромагнитного поля, размещаемые в неглубоких скважинах (0.5-1 м) между сваями вместе с термометрами. Измеряемым параметром влажности является сдвиг фаз между сигналами индуктивных датчиков и током возбуждающего кабеля.
На фиг. 2 представлены зависимости измеряемых параметров грунта от температуры при частоте 25 кГц, где: а) - диэлектрическая проницаемость ε; б) - tg σ, и t°C - температура грунта. Как видим, в диапазоне температур от 0° до +5° наблюдается практически линейная связь с параметром s, что и является основой реализации предложенной системы мониторинга.
Для прямого измерения температуры грунта в скважинах вместе с индуктивным датчиком 13 помещают термометр, показания которого выводятся на микроконтроллер 7 через линию связи 5. С учетом интегрального характера зависимости влажности по площади здания количество индуктивных датчиков 13 может быть существенно меньше числа сейсмоприемников 4, которые располагаются на каждой свае. Например, на 10 свай - один индуктивный датчик.
Для аппаратной реализации желательно использовать более низкую частоту ЭМ канала, например: ƒ=0.1-1 МГц.
Таким образом, заявленная система мониторинга позволяет дистанционно в автоматическом режиме следить постоянно за состоянием свай под каждым строением и принять своевременные меры по предотвращению аварии. Учитывая, что в районах вечной мерзлоты находится заключительное количество городов и поселков (Мурманск, Норильск, Архангельск, Мирный, Якутия и т.д.) невозможно недооценить актуальность проблемы, на решение которой направлено заявленное изобретение.