Aplikácie hydrostatických meracích systémov pri geotechnickom monitoringu stavieb

• Foto

MERACIE SYSTÉMY S OTVORENOU HLADINOU NA KAŽDOM MERACOM MIESTE

Tieto systémy pripomínajú klasickú hadicovú vodováhu. Prostredníctvom hadičiek alebo rúrok naplnených homogénnou kvapalinou je navzájom pospájaných viacero nádob, ktoré sú hore otvorené. Meraním voľného povrchu kvapaliny je možné prenášať výšky resp. stanoviť výškový rozdiel. Presné zosnímanie hladiny kvapaliny môže byť realizované napríklad meracím hrotom, ktorý sa manuálnym otáčaním skrutky mikrometra nastaví na hladinu kvapaliny. V súčasnosti sa už veľa takýchto systémov v prevádzke zautomatizovalo, pričom sa na meranie hladiny v nádobách využívajú priemyselné snímače. Aplikujú sa nielen plaváky, ale v čoraz väčšej miere bezdotykové meracie metódy (ultrazvuková, optická, induktívna, kapacitná, interferometrická, magnetostrikčná) ale aj vážiace jednotky, ktoré merajú výšku hladiny cez hmotnosť (DMS, piezorezistívna metóda).

MERACIE SYSTÉMY S OTVORENOU HLADINOU LEN NA JEDNOM MIESTE (TLAKOVÉ SYSTÉMY)

Meracie miesta v týchto systémoch sú inštrumentované tlakovými snímačmi, ktoré sú navzájom pospájané hadicovým vedením s nádobou otvorenou voči atmosfére. Meraný je tlak vodného stĺpca nad snímačom, jedná sa teda o hydrostatické tlakové meracie systémy. Na každom meracom mieste sa meria hydrostatický tlak na membránu snímača voči referenčnej nádobe. Okrem hadicového prepojenia sú snímače navzájom pospájané aj vzduchovým vedením, aby bolo možné kompenzovať rozdiely tlaku vzduchu. Kvapalina medzi jednotlivými meracími miestami nepreteká. Čas relaxácie, za ktorý budú po nejakej zmene stavu znova dosiahnuté stacionárne podmienky, je teda podstatne kratší ako pri klasických „otvorených“ systémoch. Aj pri rozsiahlych komplexných aplikáciách s dĺžkami hadíc niekoľko sto metrov tento čas predstavuje len niekoľko sekúnd. Presnosť hydrostatického tlakového meracieho systému variuje a je závislá od typu snímača, meracieho rozsahu a okrajových podmienok pre inštaláciu ako aj prevádzku. Systémová presnosť je podľa údajov od výrobcov v hodnotách od 0,02 % až 0,1 % meracieho rozsahu. Zmena referenčnej hladiny napríklad v dôsledku odparovania sa prejaví na všetky snímače rovnakou mierou, preto je možné takéto systémovo podmienené vplyvy eliminovať integrovaním vopred definovaného referenčného snímača do systému. Kvôli dosiahnutiu čo najvyššej presnosti je ale snahou udržať referenčnú úroveň konštantnú, čo sa dosiahne napríklad prostredníctvom ďalšej nádoby, z ktorej sa bude kvapalina dopĺňať.

Ťažisko aplikácii v stavebníctve tkvie v kontinuálnom monitoringu mostov, železníc, priehrad, výškových budov alebo pri razení tunelov v mestskej zástavbe. Samotné stavebné firmy z oblasti špeciálneho zakladania disponujú meracími systémami integrovanými do jednotiek riadiacich kompenzačnú injektáž. Presnosť systémov používaných v stavebníctve pri meracích rozsahoch sadania do 100 až 500 mm činí spravidla 0,2 až 0,5 mm. Pri monitoringu sadaní v zemnom prostredí (násypy, svahy, skládky odpadov) sa používajú aj prenosné sondy, ich systémová presnosť je ale na základe vlastných skúseností podstatne nižšia. Najviac používaným prenosným hydrostatickým meracím prístrojom v geotechnike je hydrostatický merací prístroj Settlement Profiler, ktorým sa merajú podpovrchové výškové posuny v plastových rúrach, ktoré sú zabudované najčastejšie pod násypmi dopravných stavieb (obr. 1).

Tento mobilný prístroj sa obsluhuje manuálne. Skladá sa z meracej sondy vybavenej veľmi presným snímačom tlaku, hadice naplnenej vodou a z bubna s elektronickým meracím prístrojom a referenčnou nádobou. Sonda sa počas merania v krokoch zasúva do prázdnej plastovej rúry s priemerom 50 až 100 mm a spravidla každý meter sa odmeria hydrostatický tlak medzi sondou a referenčnou hladinou. Vyhodnotením merania a jeho porovnaním s predchádzajúcim meraním je možné určiť výškové posuny pozdĺž celého profilu tvoreného predmetnou plastovou rúrou. Aby nebolo nutné zohľadňovať zmeny atmosférického tlaku, je snímač spravidla ventilovaný. Aj keď citlivosť merania samotného snímača býva 1 mm, celková presnosť meracieho systému je podstatne nižšia (výrobcovia udávajú do 17 mm). Značnú nepresnosť môžu spôsobovať vzduchové bubliny v hadici ako aj netrpezlivosť merača, nakoľko u mobilných systémov je čas relaxácie (čas potrebný na ustálenie meranej hodnoty) cca. 10 sekúnd. Na Slovensku sa z týchto dôvodov pre meranie zvislých podpovrchových deformácií pozdĺž horizontálnej meranej priamky štandardne používa horizontálny inklinometer, ktorý dosahuje vyššiu presnosť ako Settlement Profiler.

STACIONÁRNY TLAKOVÝ HYDROSTATICKÝ MERACÍ SYSTÉM APLIKOVANÝ PRI GEOTECHNICKOM MONITORINGU V SR

Uzavreté hydrostatické systémy ako pevne nainštalované meracie systémy nachádzajú v stavebníctve široké uplatnenie. V oblasti geotechnického monitoringu je to predovšetkým výstavba v husto osídlených mestách. Pri realizácií podzemných dráh v mnohých európskych mestách sa využívali meracie systémy s dĺžkou až 1 kilometer a stovkami meracích miest. Na každom meracom mieste tohto systému je nainštalovaný tlakový snímač, ktorého typ sa odvádza od požadova ného meracieho rozsahu, presnosti, dlhodobej stability, jednoduchej manipulácie a ceny. Ak použijeme kvalitné presné snímače, celková presnosť meracieho systému bude determinovaná predovšetkým teplotnými rozdielmi. Preto je potrebné na každom meracom mieste merať aj teplotu a počítať s teplotnými korekciami. Okrem samotných snímačov systém pozostáva z prepojovacích hadíc, ktoré vedú až k nádobe s meracou kvapalinou a pri nej umiestnenému referenčnému snímaču (situovanému optimálne mimo oblasť vplyvu). Rezervoár s kvapalinou je vyššie ako snímače, aby sa vytvoril potrebný hydrostatický tlak. Ako kvapalina sa osvedčila destilovaná voda, prípadne sa pridávajú prísady proti tvoreniu rias a zamŕzaniu. V jadrových elektrárňach sa používa aj silikónový olej. Ako bolo už uvedené, snímače sú prepojené aj vzduchovým vedením (hadičkami) a samozrejme aj signálnym káblom (obr. 2).

Žilinská spoločnosť Geoexperts, spol. s r. o zabezpečuje v spolupráci so švajčiarskou firmou Solexperts dodanie a montáž kompletných systémov hydrostatickej nivelácie najmä pre oblasť jadrovej energetiky a dopravného staviteľstva. Súčasťou dodaných stacionárnych systémov je aj automatizovaný systém geotechnického monitoringu GeoMonitor II s priemyselným PC navrhnutý pre zber dát v náročných podmienkach. O dodatočné zabezpečenie spoľahlivosti pri dlhodobej prevádzke sa stará „watchdog“, ktorý izoluje hardware od vonkajších vplyvov a v prípade potreby reinicializuje systém. GeoMonitor II zároveň zabezpečuje transfer nameraných hodnôt na dátový server. Podoba grafického výstupu je znázornená na obrázku č. 3. Overovanie údajov prebieha na dvoch úrovniach:

• meranie (GeoMonitor II): overenie zmysluplnosti údajov (sanity‑check) – platnosť rozsahu; informácia o integrite; stav zariadení a chybové hlásenia,
• prenos (Data Server): konzistentnosť údajov, test duplicity, periodické overovanie aktuálnosti a úplnosti merania.

Obe popísané meracie metódy sa pri monitoringu výškových posunov v stavebníctve úspešne etablovali a dopĺňajú geodetické merania predovšetkým tam, kde nie je viditeľnosť vizúr a/alebo je požadovaná vysoká presnosť merania s krátkymi intervalmi zberu dát (kontinuálny monitoring). Takýmto spôsobom je umožnené nielen kontrolovať namerané hodnoty v porovnaní s predpokladmi, ale aj vytvoriť veľmi efektívny varovný systém v rámci rizikového manažmentu. Je potrebné si ale uvedomiť, že automatizované hydrostatické systémy merania poskytujú len relatívne výškové rozdiely a teda sú vhodné tam, kde vztiahnutie nameraných výškových posunov na výškový systém nie je potrebné (napríklad sledovanie nerovnomerných sadaní).

LITERATÚRA:
[1] Militzer, H., Hiller, G., Burghardt, G. (1971): Schlauchwage, theorie und Methodik moderner hydrostatischer Nivellements. Freiberger Forschunshefte, Reihe C, Nr. 262.
[2] Möser, M., et al. (2012): Handbuch Ingenieurgeodäsie. Band: Grundlagen. 4. Auflage. Wichmann Verlag, Berlin/Offenbach.

Application of Hydrostatic Measuring Systems in Geotechnical Monitoring of Structures
Hydrostatic measuring systems are based on a principle of connected vessels. In the field of measuring technology, a horizon which is created by a free surface of a fluid has been used as a reference for thousands of years. It can be said that a hose level is making a big comeback as the oldest measuring device in the history. Of course, state‑of‑the‑art measuring devices based on the principle of connected vessels have a different structure but they are varied because the fields in which hydrostatic measuring devices are used are numerous. Systems having a small measuring range (10 to 50 mm) and altitudinal shift system precision of up to 10 μm are often utilized in machine engineering or science (particle accelerators). In addition to high precision, their strengths include easy automatization with a very short measuring interval and the fact that they can be used where standard geodetic measuring devices cannot. In this article, we aim at describing the use of such devices in geotechnical monitoring of structures. From a viewpoint of a measuring methods and respective tools, there are basically 2 main groups of measuring systems.

Autoři

• Ing. Gróf Vladimír PhD.
• Bc. Hájek Zdeněk