Введение

Учитывая возможности современной вычислительной техники, стоит отметить, что преимуществом технологии информационного моделирования (ТИМ/BIM) является потенциал к увеличению детализации и информационной наполненности. Но детализированная, информационно наполненная модель не отвечает на вопрос о текущем физическом состоянии инженерного сооружения, введенного в эксплуатацию. Решением являются системы структурного мониторинга, такие как SHM (Structual Health Monitoring) [1; 2, с. 136–141], включающие в себя или взаимосвязанные с автоматизированными системами геодезического мониторинга деформации сооружений (АСГМД) [3]. Данные системы позволяют фиксировать физические величины: напряжения, вибрации, горизонтальные и вертикальные смещения, углы наклона конструкций и другие параметры, позволяя создать цифровой двойник инженерного сооружения. Причем для наблюдения за каждой контролируемой величиной требуется свой тип датчика и метод измерения. Возникает совокупность измерительных, вычислительных, аналитических компонентов, объединенных в единую платформу.

При интеграции данных из системы структурного мониторинга в информационную модель возникает проблема – система аналитики и интерпретации данных, получающая данные с центральных блоков управления системы мониторинга в ТИМ-проект, должна осуществить массу операций по актуализации модели. При этом система может «не знать и не понимать», как в точности она должна это сделать и какие операции делать запрещено. Требуется отладка системы, установка для каждого датчика или индикатора безопасных и пороговых пределов. Требуется расчет приоритизации и оценки риска.

Использование системы структурного мониторинга требует внимательного и ответственного подхода как в отладке системы, так и в создании сети датчиков, который должен основываться на следующих базовых принципах:

1) анализ критических узлов и элементов конструкции (те части, от которых зависит общая надежность, контролируются с приоритетной интенсивностью);

2) определение плотности сенсорной сети (количество датчиков на единицу площади или на элемент конструкции, создающее распределенную сеть для улавливания локальных эффектов);

3) избыточность и резервирование (так как мониторинг рассчитан на длительную работу, неизбежно некоторые датчики выйдут из строя, поэтому необходимо закладывать дублирующие системы и подсистемы).

Исходя из приведенных трех принципов, возникает вопрос: возможно ли использовать применяемые датчики «нестандартным» образом, чтобы по косвенным результатам обработки измерений получить данные для оптимизации системы, увеличения статистических данных, дублирования и контроля основных датчиков?

Цель исследования – рассмотрение возможности расширения эксплуатационных возможностей скважинного инклинометра при деформационном и структурном мониторинге, а также перспективы и теоретической целесообразности определения вертикальных смещений вертикальным скважинным инклинометром наравне с плановыми смещениями.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и выполнены следующие задачи:

1) разработана методика определения вертикальных смещений вертикальным скважинным инклинометром;

2) выполнены полевые измерения на практическом стенде;

3) выполнены обработка и анализ полученных данных.

Материалы и методы исследования

В качестве рассматриваемого прибора был выбран вертикальный скважинный инклинометр, который может представлять собой портативный измерительный зонд или стационарную датчиковую косу (измерительные модули соединены в одну цепочку). Инклинометры используются для определения направления, величины, а также скорости смещений в грунтовых массивах и конструкциях при краткосрочном и долгосрочном мониторинге состояния [4]. Поэтому инклинометры применимы для решения различных задач, например для определения устойчивости подпорных стен путем измерения изгиба; для мониторинга грунтового массива в зоне проведения строительных работ (строительство тоннелей, зданий и т. д.) [5]; для определения устойчивости дамб [6] и насыпей; для определения деформации свай, для контроля вертикальных осадок ж/д и автодорожных насыпей [7]. Инклинометрия активно используется в нефтегазовой отрасли при бурении скважин. При геотехническом мониторинге инклинометры зачастую применяются для определения деформации шпунтового ограждения и стен в грунте [8] и для мониторинга естественных и искусственных склонов [9; 10], в том числе оползневых.

В частности, рассматривается двухосевой скважинный инклинометр, измерительный зонд которого оснащен двумя датчиками угла наклона, расположенными под углом 90° относительно друг друга, предназначен для измерений углов по двум взаимно перпендикулярным плоскостям и применяется для измерений в вертикальных скважинах [11]. Вертикальный портативный скважинный инклинометр предназначен для измерения горизонтальных смещений вдоль вертикального профиля. Расстояние между двумя соседними измерительными точками, используемое при расчете профиля смещений, составляет измерительную базу. При проведении периодических измерений зонд инклинометра перемещается с одинаковым шагом вдоль измерительного профиля по скважине, при этом шаг измерений должен совпадать с длиной зонда и измерительной базой [12].

Схема измерений с применением портативного скважинного инклинометра представлена на рис. 1, где L – длина зонда (const = 0,5 м); l – шаг измерений (в данном случае соответствует длине зонда, то есть l = L); n – количество измерений; θi – угол наклона измерительного зонда при θi ∈ [0º;90º], измеренный в i-й измерительной точке. За реперную точку в данном случае принимается ось нижней пары направляющих роликов инклинометрического зонда при забое скважины. Таким образом, горизонтальное смещение в отдельном шаге измерений можно вычислить по формуле (1), плановое смещение устья скважины относительно ее забоя по формуле (2):

(1)

(2)

Из рис. 1 и формул (1), (2) отчетливо видно, что скважинным вертикальным инклинометром измеряется зенитный угол (θi) и вычисляется горизонтальное смещение (Si). Косвенным результатом вычислений будет являться вертикальное смещение.

При нахождении зонда инклинометра в недеформированной скважине он сохраняет вертикальное положение, тем самым θi = 0º. В деформированном участке ось нижней пары направляющих роликов инклинометрического зонда становится реперной точкой (O1).

Рис. 1. Схема измерения горизонтальных смещений портативным скважинным вертикальным инклинометром Примечание: составлен авторами на основе источника [13]

Рис. 2. Геометрическое описание инклинометрических измерений: а) схема для определения горизонтальных смещений; б) схема, учитывающая вертикальное смещение при наклоне зонда инклинометра Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Горизонтальным смещением (Si) является отрезок между точкой (O’2), совмещенной с осью верхней пары направляющих роликов в наклонном положении зонда, и точкой (O2), совмещенной с осью верхней пары направляющих роликов в вертикальном положении зонда. Данный отрезок (Si) перпендикулярен оси (которая пересекается с отрезком l1) зонда инклинометра в вертикальном положении. Угол O2O1O’2 будет равен углу θi. Образуется прямоугольный треугольник O2O1O’2 с гипотенузой l, равной длине зонда (рис. 2, а). Данная схема описывает определение горизонтального смещения (S) по формуле (1).

Однако, поскольку O1 является реперной точкой, наклон зонда на угол θi происходит по радиусу, равному длине зонда (рис. 2, б). Закономерно, точки O’2 и O не находятся на одном отрезке, перпендикулярно отложенном от оси зонда инклинометра в вертикальном положении. Тогда отрезок Si в треугольнике OO1O’2 является высотой, опущенной из вершины угла OO’2O1. Поскольку в данных геометрических построениях учитывается смещение по радиусу верхней точки зонда относительно нижней, отрезки O1O’2 и O1O будут равны. Тогда треугольник OO1O’2 является равнобедренным.

Из рассмотренных построений видно, что прямоугольный треугольник O2O1O’2 на рис. 2, а, оказывается элементом равнобедренного треугольника OO1O’2 на рис. 2, б, таким образом выражение (1) остается справедливым для определения Si. Выполненные геометрические построения позволяют оценить и вычислить вертикальное смещение (Δhzi) точки O’2 (совмещенной с осью верхней пары направляющих роликов в наклонном положении зонда) относительно точки O (совмещенной с осью верхней пары направляющих роликов в вертикальном положении зонда):

(3)

(4)

Система выражений (1), (3), (4) может быть преобразована в единое выражение (5) для отдельного шага измерений скважинным инклинометром. Совокупное вертикальное смещение от забоя до устья, возникшее из-за искривления скважины, определяется по формуле

(5)

(6)

Выражения (5), (6), как и геометрические построения (рис. 2, б), рассматриваются в рамках плоской задачи, где смещения рассматриваются в осях X, Z, а смещения по оси Y отсутствуют или пренебрежимо малы. Соответственно, совокупное вертикальное смещение (Δhz) характеризует изменения между исходным и повторным профилями скважины в рамках плоской задачи.

Рис. 3. Интенсивность горизонтального и вертикального смещения от угла наклона зонда инклинометра Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Таким образом, в условиях плоской задачи методика определения вертикальных смещений вертикальным скважинным инклинометром состоит в следующем:

1) установка инклинометрической скважины;

2) установка инклинометрического зонда в начало отсчета (забой или устье скважины);

3) проведение периодических измерений с заданным шагом вдоль вертикального профиля;

4) определение горизонтальных смещений;

5) определение вертикальных смещений;

6) интерпретация и анализ инклинометрических данных.

Используя выражение (1) для определения горизонтальных смещений (Si) и выражение (5) для вертикальных смещений (Δhzi) в отдельно взятом (i-м) инклинометрическом измерении, можно получить зависимость определяемых величин от угла наклона зонда инклинометра. На основании значений, приведенных на рис. 3, стоит отметить, что значение Δhzi монотонно возрастает при увеличении угла наклона. При угле наклона зонда θi = 20ʹ вертикальное смещение составляет 0,01 мм, а при угле наклона θi = 15º смещение составило 17,04 мм. Закономерно, что значение вертикального смещения возрастает со значительно меньшей интенсивностью, чем горизонтальное смещение.

Для верификации теоретических заключений были произведены практические измерения. Использовался экспериментально-практический инклинометрический стенд. Базой стенда является девятиметровая инклинометрическая скважина (трубка), которая подвергается локальному напряжению и искривлению, что обеспечивает движение зонда по искривленной оси. После снятия локальной нагрузки скважина возвращается в исходное состояние. Забой скважины углублен на полметра в грунт и заякорен арматурной обвязкой на глубину ниже отметки промерзания грунта, обеспечивая стабильность нижней реперной зоны. Локальное напряжение, оказываемое на скважину, не превышает прочностных свойств скважины, тем самым допускается, что длина каждого звена постоянна.

При выполнении стендового эксперимента искажения скважины задавались в одной плоскости. Был запроектирован ряд траекторий движения инклинометрического зонда, после чего была рассмотрена серия траекторий из семи штук, имитирующих бочкообразную деформацию скважины с перегибом на отметке 5,5 м. В каждой траектории (вдоль оси скважины, от забоя до устья) было выполнено два прохода зондом инклинометра в двух полуприемах, усредняя ошибку за место нуля в i-м измерении. Выполнено 18 последовательных измерений с шагом в 0,5 м в каждом полуприеме. Зонд инклинометра опускался в скважину на кабеле, на котором производителем установлены стальные цилиндрические маркеры с шагом в 0,5 м. Благодаря данным маркерам обеспечивалось подтверждение постоянства длин между измерениями при подъеме зонда от забоя до устья. Поскольку маркеры на кабеле установлены в заводских условиях с погрешностью ±1–1,5 мм, проскальзыванием зонда допускается пренебречь. Вращение скважины и отклонения ее от задаваемой траектории не зафиксированы, позволяя интерпретировать полученные данные в рамках плоской задачи. Для выполнения измерений применялся вертикальный цифровой инклинометр C17-PRO [14]. Результаты измерений были обработаны в специализированном программном обеспечении «In-Port Pro» (рис. 4, а).

Поскольку ПО «In-Port Pro» приводит графики инклинометрических измерений в наглядной форме, задавая масштабные коэффициенты, графоаналитическим методом были построены графики, отражающие физический характер деформаций (рис. 4, б). Поскольку масштабные коэффициенты не применялись, стало возможным зафиксировать вертикальное смещение устья относительно забоя, возникшее из-за искривления скважины. Значения вертикальных и горизонтальных смещений на устье экспериментально-практического инклинометрического стенда, рассчитанные по выражениям (2), (6), приведены в таблице. Из приведенных данных прослеживается увеличение значения вертикального смещения (hz) при увеличении степени искривленности скважины, что дает основание полагать, что существует зависимость накопления вертикальных смещений от степени искривленности скважины.

Для проверки значения вертикального смещения (hz), полученного расчетом из инклинометрических данных, на устье скважины устанавливалась лазерная рулетка. В исходном положении скважины и при искривлении скважины и фиксации новой траектории лазерной рулеткой выполнялись засечки на поверхность стены здания, к которому прикреплен экспериментальный стенд. Расстояние между засечкой, соответствующей положению скважины в исходном положении, и засечкой, соответствующей положению скважины в искривленном положении, измерялось линейкой и означало вертикальное смещение (Δhz(л.р.)) (таблица).

Рис. 4. Результаты инклинометрических измерений на стенде: а) наглядная визуализация искривлений скважины; б) физическая визуализация искривлений скважины Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Горизонтальные и вертикальные смещения устья скважины относительно забоя

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Рис. 5. Элемент конструкции: а) недеформированный блок конструкции; б) визуализация образования крена конструкции; в) визуализация образования крена и вертикального смещения конструкции Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Данная методика определения вертикального смещения имеет значительную долю погрешности, однако демонстрирует идентичность значений, полученных двумя методиками.

Геометрические построения (рис. 2, б) с практической точки зрения также могут объяснить возможные проблемы интерпретации инклинометрических данных при их интеграции в ТИМ-проект. На рис. 5, а, представлен элемент конструкции до возникших в нем деформаций. При возникновении крена возникает горизонтальное смещение верхней части конструкции относительно нижней (рис. 5, б), что фиксируется инклинометром и интегрируется в ТИМ-проект. Выходит, что высота исходного прямоугольника и высота параллелограмма равна, однако в действительности высота исходного прямоугольника равна боковой грани параллелограмма (рис. 5, в) из-за возникшего вертикального смещения.

Учитывая подобные аспекты, возможно применять косвенные результаты измерений для дублирования и резервирования систем мониторинга. В рассмотренном примере вертикальное смещение, полученное инклинометром, можно использовать для оценки сжимающих и растягивающих сил в конструкции. Таким образом, инклинометры могут быть временной заменой тензометрам при их отключении или выходе из строя. Альтернативным «нестандартным» применением инклинометров может быть оценка образования и раскрытия трещин в конструкции, возникающих из-за тех же сжимающих и растягивающих сил, создающих неравномерные деформации.

В контексте вышесказанного стоит отметить, что дополненная методика измерений вертикальным скважинным инклинометром не изменилась в части полевых работ, а расширилась только в камеральной части, что является положительным фактором. Однако возникает вопрос о точностных характеристиках инклинометров и интерпретации инклинометрических данных [15; 16] и их взаимосвязи [17] для определения вертикальных смещений. Иначе говоря, для интеграции косвенных результатов измерений скважинным инклинометром и получения на их основании качественных характеристик состояния конструкции необходимы дополнительные исследования.

Выводы

При обработке и анализе полученных теоретических и практических данных были сформулированы следующие выводы:

1) разработанная методика позволяет определять вертикальные смещения вертикальным скважинным инклинометром;

2) при углах наклона менее 5° при шаге, равном 0,5 м, значения вертикальных смещений пренебрежимо малы;

3) интенсивность вертикальных смещений кратно меньше горизонтальных;

4) значение вертикального смещения возрастает на протяженных траекториях;

5) значение вертикального смещения возрастает на траекториях со сложной геометрией (одна и более точек перегиба).

Из сформулированных выводов можно допустить возможность расширения эксплуатационных возможностей скважинного инклинометра при деформационном и структурном мониторинге, однако, вероятно, не для повсеместных задач, а для специальных. Из приведенных данных (рис. 3, таблица) можно сделать заключение, что вертикальные смещения, полученные скважинным инклинометром, целесообразно оценивать в высотных конструкциях. В частности, перспективно рассмотреть возможность включения подобных данных в систему геодезического мониторинга деформации сооружений на дамбах и высоконапорных гидроэлектростанциях.