CC BY
31
Апробация датчика <^а1ег8еои 8М 100» для мониторинга влажности грунта земляного полотна в реальных условиях эксплуатации дороги
В.П. Матуа, С.А. Мирончук, Е.Н. Исаев Донской государственный технический университет
Аннотация: В данной статье проведена апробация датчика влажности Waterscout БМ 100 в реальных условиях эксплуатации автомобильной дороги. Авторами разработана защитная конструкция датчиков влажности, соответствующая требованиям для их закладки в земляное полотно, разработан мобильный переносной считыватель данных. Представлена технология калибровки, тарировки и закладки датчиков в грунт земляного полотна. Проведен анализ данных полученных после тарировки датчиков. Ключевые слова: грунт, земляное полотно, мониторинг влажности в условиях эксплуатации дороги, датчики влажности.
Важным фактором, оказывающим существенное влияние на эксплуатационное состояние автомобильной дороги, является ее температурно-влажностной режим. Постоянный-непрерывный мониторинг сезонных параметров температурно-влажностного режима дорожной конструкции позволит уточнить ее работоспособность в реальных условиях эксплуатации, а также откорректировать расчетные формулы с учетом особенностей местности и расположения конкретного участка дороги [1-3].
В настоящее время при проектировании нежестких дорожных одежд по ОДН 218.046-01 (приложение 2) используют расчетную влажность грунта земляного полотна, которая рассчитывается по эмпирической зависимости. Ввиду ее обобщенности для различных условий и дорожных одежд при вычислении значений расчетной влажности могут возникать погрешности, которые влияют на принимаемый расчетный модуль упругости грунта земляного полотна. В связи с этим необходимо уточнение максимальных и минимальных значений влажностей в расчетный период для различных климатических условий. Наиболее эффективными такие исследования видятся с использованием специальных датчиков, способных в
автоматическом режиме регистрировать изменения влажности в грунте земляного полотна с заданной периодичностью [4-7].
На основании ранее проведенных лабораторных исследований в ДорТрансНИИ Донского государственного технического университета сделан вывод о возможности использования датчика влажности <^а1егБСои БМ100» для долговременного мониторинга влажности грунта земляного полотна в реальных условиях эксплуатации автомобильной дороги [8,9].
В связи с выше изложенным следующим этапом исследований является разработка методики закладки датчиков в дорожную конструкцию и технологии их калибровки и тарировки. Для апробации датчиков влажности в реальных условиях эксплуатации автомобильной дороги выбраны несколько участков автомагистрали М-11, находящийся в Московской и Тверской областях. Данные участки относятся к II ДКЗ и характеризуются разным типам местности по условиям увлажнения.
С учетом гидро-геологических условий района строительства для устройства земляного полотна использовался песок с Кф > 1 м/сут.
Для обеспечения бесперебойной работы в земляном полотне в течение длительного срока конструкция датчиков влажности и соединяющих кабелей должна соответствовать следующим требованиям:
- работоспособность в тяжелых условиях эксплуатации (ударное воздействие автотранспорта, вибрация, сезонное колебание температуры в широком диапазоне, влажность);
- обеспечение возможности монтажа датчиков параллельно с возведением земляного полотна без нарушения технологии строительства;
- оказание минимального влияния на НДС дорожной конструкции;
С учетом перечисленных требований в ДорТрансНИИ ДГТУ, авторами данной статьи была разработана и изготовлена защитная конструкция, которая обеспечивает сохранность и работоспособность датчиков влажности
в условиях повышенных нагрузок и не влияет на точность показании (рисунок 1).
виппя. з&ИИ НЯ аюрв ' V;- N
К , Л.........л»
Рис. 1. - Защитная конструкция датчика влажности
Рабочий слой земляного полотна наиболее восприимчив к нагрузкам и колебаниям водно-теплового режима и вносит большой вклад в долговечность дорожной конструкции. Поэтому датчики влажности следует располагать в рабочий слой земляного полотна.
На экспериментальных участках дороги, с целью осреднения значений и обеспечения дублирования информации на случай выхода из строя неремонтопригодных элементов, устанавливались четыре датчика влажности. Два из них предназначены для замера влажности на поверхности земляного полотна, а два других на нижней границе рабочего слоя. Датчики в плане закладывались на правой полосе наката крайней правой полосы движения, наиболее подверженном накоплению остаточных деформаций (рисунок 2).
а ■ ■.
б
Дшкжная
1
^ ■ч2
J 1 1 I- ■ я ГчГ.гЧ П.Гр:-:; килиТи
1 1 1 1 1 Г Г1 1Т 1 отнкюсьта 1 1 1 1 1 1
Рисунок 2 - Расположение датчиков: а) в профиле; б) в плане
На основании ранее проведенных исследований [9] установлено, что на показания датчиков кроме влажности грунта влияют также: тип грунта, плотность и его температура.
Для эффективной работы датчиков влажности точность их измерений должна быть в пределах ±2 % от массовой влажности грунта.
Для обеспечения требуемой точности измерений разработана методика тарировки датчиков с учетом конкретных условий местности и типа грунта. Перед закладкой датчиков в земляное полотно отбиралась проба грунта для определения его физико-механических свойств (тип грунта, максимальная плотность, оптимальная влажность). После этого производилась пробная укатка в месте закладки датчиков влажности с целью определения количества проходов катка для достижения нормативного коэффициента уплотнения. Также производился замер температуры окружающего воздуха и грунта в месте проведения тарировки, маркировка и нумерация датчиков влажности.
Для считывания измерений с датчика влажности был разработан мобильный переносной считыватель данных (рисунок 3).
Рис. 3. - Опрос значений датчиков влажности мобильным переносным
считывателем данных
Разработанная методика тарировки датчиков влажности состоит из следующих операций (рисунок 4):
- рытье 4-х траншей шириной 30-40см;
- очистка и предварительное уплотнения основания траншей;
- укладка в траншеи датчиков влажности и вывод соединяющих кабелей на обочину;
- отбор пробы грунта для определения влажности при нулевом цикле тарировки (4 пробы непосредственно около датчиков);
- засыпка траншей грунтом и уплотнение мест закладки датчиков уплотняющей техникой;
- опрос значений датчиков и запись значений нулевого цикла в ведомость тарировки (рисунок 3);
- увлажнение места закладки датчиков и ожидание пропитки водой массива грунта около датчика;
- снятие показаний 1 цикла тарировки;
- отбор проб грунта для оценки его влажности и плотности методом режущего кольца (по 2 кольца на каждый датчик влажности) (рисунок 5).
Последовательность операций тарировки повторялась до доведения 4-
5 циклов тарировки.
Рис. 4. - Тарировка датчиков влажности
Чувствительный элемент датчика устанавливался перпендикулярно поверхности рабочего слоя (рисунок 4). Такая установка необходима из следующих требований:
- для равномерного замера влажности сверху и снизу датчика;
- для обеспечения безопасности чувствительного элемента при уплотнении грунта.
Рис. 5. - Увлажнение мест закладки датчика и отбор проб грунта для определения его влажности и плотности
По результатам тарировки был построен график зависимости цифрового значения датчика влажности от весовой влажности полученной с пробы грунта (рисунок 6).
1900 1300
1300 Н---тИ—-------------
О 1 2 3 4 5 6 7 3 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Влажность, %
Рис. 6. - Зависимость числовых показаний датчика и весовой влажности
Анализ приведенных данных на рисунке 6 показывает, что значения числовых показаний датчика и весовой влажности находятся в интервале, погрешность которого не превышает ±2 %.
Установка датчиков в проектное положение происходила в той же последовательности, что и тарировка, для сохранности кабелей в дороге проведена герметизация выводов (рисунок 7).
Рис. 7 - Установка датчиков в проектное положение
Датчики влажности, заложенные в грунт земляного полотна на экспериментальных участках дороги, в настоящее время удачно функционируют. Подготавливаются технологические решения по разработке системы автоматизированного дистанционного мониторинга влажности.
Полученные данные с датчиков влажности необходимы для уточнения максимальных и минимальных значений влажностей в расчетный период года для различных климатических условий и могут быть использованы в качестве исходных данных для прогнозирования накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций под воздействием реальных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов [10].
Литература
1. Чмшкян А.В. Совершенствование методов расчета просадочных деформаций // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 2). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1256
2. Леонович И.И., Вырко Н.П. Водно-тепловой режим земляного полотна / Учебное электронное издание. — Минск: БНТУ, 2013. - 332 с
3. Zhang J., Jiang Q., Zhang Y., Dai L., Wu H. Nondestructive measurement of water content and moisture migration of unsaturated red clays in South China. Adv. Mater. Sci. Eng. 2015; 1:1-7. doi: 10.1155/2015/542538
4. Жлобова О.А. Перспектива развития дистанционных методов измерительного контроля качества строительной продукции // Инженерный вестник Дона, 2013, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3у2013/1892.
5. Берлинер М.А. Измерения влажности // Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1973 - С. 26-32.
6. Ананьев И.П. Автогенераторные измерительные преобразователи двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов: автореф. дис. Док. техн. наук. — СПб., 2009. — 48 с.
7. Никифоров В.Е. Повышение эффективности контроля влажности в производстве фуражного зерна // Достижения науки и техники АПК. — 2011. — № 1. — С. 75-76.
8. F. Masrouri, K. V. Bicalho, and K. Kawai, "Laboratory hydraulic testing in unsaturated soils," Geotechnical and Geological Engineering, vol. 26, no. 6, pp. 691-704, 2008.
9. Матуа В.П., Мирончук С.А., Исаев Е.Н. Применение датчика WaterScout для мониторинга влажности грунта земляного полотна / Вестник ТГАСУ. - 2017. - №5. - С. 192 - 199.
10. Матуа В.П., Чирва Д.В., Исаев Е.Н. Методика исследования связных грунтов на накопление остаточных деформаций / Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2016. - №3 (56). - С. 186 - 194.
References
1. ^mshkyan A.V. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4 (part 2). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1256.
2. Leonovich, 1.1., Vyrko N.P. Vodno-teplovoj rezhim zemlyanogo polotna [Water-thermal regime of the road bed]., Uchebnoe elektronnoe izdanie. Minsk: BNTU, 2013. 332 p.
3. Zhang J., Jiang Q., Zhang Y., Dai l., Wu H. nondestructive measurement of water content and moisture migration of unsaturated red clays in south china. adv. mater. sci. eng. 2015; 1:1-7. doi: 10.1155/2015/542538
4. Zhlobova O.A. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3u2013/1892.
5. Berliner M.A. Izmereniya vlazhnosti [Change in humidity]. Izd. 2-e. pererab. i dop. M. «Energiya», 1973. pp. 26-32.
6. Ananev I.P. Avtogeneratornye izmeritelnye preobrazovateli dvuxkomponentnoj dielkometrii selskoxozyajstvennyx materialov [Autogenerating measuring converters of two-component dielcometer of agricultural materials]. Avtoref. dis. dok. texn. nauk. SPb., 2009. 48 p.
7. Nikiforov V.E. Dostizheniya nauki i texniki apk. 2011. № 1. pp. 75-76.
8. F. Masrouri, K. V. Bicalho, and K. Kawai, "Laboratory hydraulic testing in unsaturated soils," geotechnical and geological engineering, vol. 26, no. 6, pp. 691-704, 2008.
9. Matua V.P., Mironchuk S.A., Isaev E.N. Vestnik TGASU. 2017. №5. pp. 192 - 199.
10. Matua V.P., Chirva D.V., Isaev E.N. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arxitekturno-stroitelnogo universiteta. 2016. №3 (56). pp.186 - 194.
