В условиях пандемии очень сильно изменились логистические схемы и значительно вырос грузооборот по Российским железным дорогам. Есл несколько лет рос поток грузов из Азии в Европу, при этом в обратном направлении в основном шли порожние вагоны. Сейчас на восток вырос экспорт угля, зерна, металла и других товаров. Инновационные проекты привели к появлению больших участков без стыковых рельс (шелковый путь), а появление инновационных колесных пар позволит увеличить скорость движения с 90 до 150 км в час. При этом циклические и знакопеременные нагрузки увеличивают динамические воздействия как на земляное полотно, так и на грунты оснований зданий железнодорожной инфраструктуры, зачастую расположенных в непосредственной близости к пути основного хода. Поэтому в грунтах распространяются волны динамических нагрузок, влияющих на надежное функционирование таких строительных объектов (рис. 1). Динамические воздействия в разной степени влияют на величину неравномерных деформаций грунтов основания и на дефекты в несущих конструкциях здания (трещины в стенах, осадки фундаментов и пр.). Это увеличивает риск возникновения аварийных ситуаций, представляющих опасность для жизни и здоровья людей. Анализ [1, 2] результатов многолетних наблюдений за поведением зданий и сооружений позволил сформулировать ряд задач, касающихся необходимости проведения комплексного автоматического мониторинга с использованием средств автоматизации измерений при эксплуатации зданий и сооружений.
Рис. 1. Здание вокзала, подвергающееся динамическим воздействиям
Возникновение негативных процессов в любой конструктивной части здания или сооружения, связанное с действием внешней динамической нагрузки, внутренних напряжений, агрессивных факторов окружающей среды и других, является неизбежным процессом, и исследовано рядом авторов [3, 4]. Автоматизированный мониторинг и инструментальный контроль НДС несущих конструкций ОКС на всех этапах жизненного цикла с получением и накоплением информации об их техническом состоянии в специализированных базах данных [5 - 7]. Это позволит увеличить остаточный ресурс и значительного повысить эффективность поддержания эксплуатационных свойств объектов железнодорожной инфраструктуры. Добиться этого можно с помощью совершенствования существующих на данный момент методов мониторинга [8 - 10] и оценки технического состояния зданий и сооружений. Авторами была предложена методика информационного моделирования, предполагающая получение от системы датчиков, располагаемых в грунте и обрабатываемой в дата-ориентированном комплексе автоматизированного мониторинга за напряженно-деформированным состоянием (НДС) системы «тоннель – грунтовый массив – здания существующей застройки» [6 - 8]. В основу положена усовершенствованная единая методика мониторинга с группировкой основных дефектов в группы по влиянию на основные несущие конструктивные элементы [11 - 19]. Автоматизированная система мониторинга несущих элементов зданий и сооружений защищена патентами [20, 21].
На кафедре Промышленное и гражданское строительство и геотехника ЮРГПУ в рамках научной школы, созданной проф. Мурзенко Ю.Н., проводятся многолетние исследования различных тензометрических датчиков для измерения компонент НДС основания [22, 23]. В ходе этих исследований разрабатывали и тензометрические приборы для измерения динамических напряжений [24 - 27].
Датчик напряжений в грунте состоит из цилиндрического стального корпуса с жестким дном, защищающего внутренние конструктивные элементы от попадания влаги и частиц грунта, электрохимической ячейки и рабочей крышки, представляющей собой стальную пластину [28].
Внутри электрохимической ячейки из электроизоляционного материала (акрила) жестко защемлены по контуру две круглые упругие металлические мембраны, выполняющие роль электродов, к которым припаяны контакты, выведенные за корпус датчика. Мембраны расположены параллельно друг другу, а на их внутренние поверхности нанесены круглые эластичные электроизоляционные покрытия из резины. Наличие защитного покрытия в таком исполнении продиктовано характеристикой возникающего в мембранах изгибающего момента при их деформации под нагрузкой.
Между упругими металлическими мембранами залит раствор электролита. Между верхней упругой металлической мембраной электрохимический ячейки и рабочей крышкой датчика находится гидравлическая деаэрированная жидкость, передающая механические деформации от исследуемой среды. Герметичность соединения рабочей крышки и цилиндрического корпуса датчика, выполненного с помощью восьми винтов, обеспечивается эластичной кольцевой резиновой прокладкой.
При разработке конструкции прототипа датчика учитывались ранее полученные результаты по исследованию работы месдоз, показавшими взаимосвязь между результатами измерений, механическими параметрами месдоз и деформируемость грунта. При одинаковой деформируемости месдозы и грунта погрешность измерений минимальна. Величина относительной погрешности для жестких месдоз прямо пропорциональна отношению их высоты к диаметру. Для уменьшения погрешности авторы стремились обеспечить минимально возможную относительную высоту прототипа датчика рис. 2.
Калибровочная установка представляет собой толстостенный цилиндрический сосуд высотой 430 мм и диаметром 50 мм, заполненный грунтом, в который на глубину 100 мм был установлен прототип датчика напряжений в грунте (см. рис. 3). Месдозы устанавливались в контактный слой.
Рис. 2. Схема устройства датчика напряжений в грунте: 1 – корпус; 2 – рабочая крышка; 3 электрохимическая ячейка; 4 – упругие металлические мембраны; 5 – электролит; 6 – гидравлическая жидкость; 7 –электроизоляционное покрытие; 8 – винт; 9 – резиновая прокладка.
Рис. 3. Калибровочная установка
Нами изготовлена опытная партия прототипов месдоз которые апробированы при обследовании реальных объектов.
Выводы.
Создана и апробирована методика автоматизированного мониторинга за состоянием несущих конструкций зданий и сооружений. Создан прототип и выпущена малая партия месдоз для измерения динамических напряжений в грунте основания на основе «электрохимического преобразователя». Требуется проведения НИОКР для поиска оптимального сочетания электролита и деформируемого элемента месдозы. На основе проведенного патентного поиска планируется разработка новых датчиков для различных областей применения. Необходимо проведение градуировка (калибровки) месдозы в приборах трехосного сжатия для расширения области ее применения.
