路基安全是交通線路得以健康運行的基石；路基失穩(wěn)，將導(dǎo)致道路中斷，甚至可能伴隨嚴重的安全事故。路基安全問題，長久以來都是交通領(lǐng)域難以根治的難題，它涵蓋了路基塌陷、邊坡垮塌、崩塌、滑坡等多種類型的災(zāi)害，并且具有規(guī)模小、危害大、隱患多、隱蔽性強、突發(fā)性強等特點，往往導(dǎo)致“小災(zāi)大難”事件的發(fā)生，嚴重威脅經(jīng)濟運行和生命健康。2024年5月1日，廣東梅大高速茶陽路段發(fā)生路基垮塌事故，造成重大人員傷亡（見圖1）。事故發(fā)生后，國家高度重視。5月2日，對廣東梅州市梅大高速茶陽路段塌方災(zāi)害作出重要指示，明確提出“加強災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警”；5月6日，國家自然資源部住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部和應(yīng)急管理部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加強城市地質(zhì)安全風險防控的通知》，通知指出“建立多方位多參數(shù)監(jiān)測體系，科學(xué)指導(dǎo)地面塌陷預(yù)警和道路地下病害體整治”。
圖1 梅大高速路基邊坡塌方
目前，高速公路工程中路基監(jiān)測預(yù)警主要關(guān)注某些離散點的沉降和水平位移等外部變形指標。然而，實踐表明，路基土體破壞通常是從內(nèi)到外的漸進式破壞，只有當路基內(nèi)部的損傷狀態(tài)發(fā)展到一定程度時，外部差異沉降等才會出現(xiàn)顯著變化，這種情況往往導(dǎo)致錯過好的加固時機。為了克服這一難題，研究人員開始加強對路基內(nèi)部變形指標的現(xiàn)場測試與研究。然而，目前的路基內(nèi)部變形監(jiān)測主要依賴非分布式測量手段（如應(yīng)變片、柔性拉伸計、光纖光柵傳感器等），這些方法在監(jiān)測兩個傳感器之間土體的損傷時存在明顯的局限性。近年來，基于布里淵散射的分布式光纖技術(shù)逐漸嶄露頭角。這類技術(shù)具有監(jiān)測精度高、傳感距離長、不受電磁干擾等諸多優(yōu)點。然而，其光纖分布式應(yīng)變測量范圍通常小于2%，較難實現(xiàn)路基土體災(zāi)變?nèi)^程（最大應(yīng)變達15%）的感知，且存在解調(diào)儀價格昂貴、光纖材料易損壞等問題，制約了該技術(shù)在路基全壽命周期內(nèi)分布式變形監(jiān)測中的大面積應(yīng)用。鑒于此，開發(fā)一種更加有效的手段對拓寬路基土體災(zāi)變?nèi)^程中的分布式變形進行全壽命周期監(jiān)測顯得尤為重要。
SEG智能感知材料研發(fā)
近些年，由于土工合成材料（如土工格柵等）在路基工程中的廣泛應(yīng)用，山東大學(xué)崔新壯教授課題組通過多學(xué)科交叉，研制了一種新型智能感知土工合成材料（Sensing geosynthetics, SEG）（見圖2），利用SEG智能感知土工材料的拉敏效應(yīng)提出了面向拓寬路基內(nèi)部筋材的分布式變形自檢測技術(shù)。
圖2 智能感知土工合成材料(SEG)加筋路基監(jiān)測預(yù)警動畫
同時，建立了一套成熟的智能感知土工帶生產(chǎn)線及配套設(shè)備系統(tǒng)，包括混拌系統(tǒng)、固化成型系統(tǒng)、熱縮管封裝工藝等，如圖3所示。為實現(xiàn)路基全鋪面變形感知，進一步基于二次節(jié)點注塑技術(shù)研發(fā)了一款兼具加筋與感知功能的智能高摩阻土工格柵SGG（見圖4），為路基增加了強健的“筋骨”和強韌靈敏的“神經(jīng)”。
圖3 SEG智能土工條帶生產(chǎn)工藝
圖4 SGG示意圖及規(guī)模化生成設(shè)備
該智能感知土工合成材料耐久性好、成本低、應(yīng)變測量范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)拓寬路基土體災(zāi)變?nèi)^程的變形感知，且自檢測技術(shù)不需要在材料內(nèi)部埋入傳感器，避免了因為外部傳感器的植入引起材料的強度和性能下降等現(xiàn)象。
SEG智能感知材料探索
為進一步探索SEG智能感知材料的應(yīng)用，研究團隊開展了智能感知土工合成材料性能表征及傳感機理研究工作，通過研究智能感知土工合成材料滲濾現(xiàn)象和微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（見圖5），揭示其導(dǎo)電機理，確定了導(dǎo)電填料目標摻量；另外，通過開展智能感知土工合成材料拉敏試驗，研究了智能感知土工合成材料拉敏特征曲線，建立了智能感知土工合成材料變形-電阻本構(gòu)模型（見圖6）。
圖5 SEG智能感知土工材料滲濾效應(yīng)
圖6 SEG智能感知土工材料拉敏曲線及本構(gòu)模型
基于SEG智能感知材料的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)
基于SEG的路基安全預(yù)警系統(tǒng)（見圖7）是為實現(xiàn)SEG對路基及邊坡等巖土工程結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測而研發(fā)的一種自動化安全預(yù)警系統(tǒng)，可通過對路基的實時監(jiān)測，及時了解和掌握路基及其邊坡的滑裂、塌陷等災(zāi)變的演化過程，捕捉災(zāi)變的特征信息，為路基災(zāi)變的正確分析、評價、預(yù)測、預(yù)報及治理提供可靠數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。路基安全預(yù)警系統(tǒng)軟件主要依靠內(nèi)置敏感元件所采集的數(shù)據(jù)進行傳輸、存儲、解析，并以手機APP的形式反饋到手機客戶端（見圖8），同時能夠通過網(wǎng)頁端進行訪問，按照指定的協(xié)議進行手機端、后臺端的在線評估及預(yù)警。
圖7 基于SEG的路基安全預(yù)警系統(tǒng)界面
圖8 基于SEG的路基安全預(yù)警系統(tǒng)手機APP界面
另外，團隊還開發(fā)了與路基安全預(yù)警系統(tǒng)配套的硬件裝置，其核心構(gòu)件為SEG智能監(jiān)測單元，如圖9所示。智能監(jiān)測單元的主要功能部件包括：數(shù)據(jù)采集單元、溫濕度變送器和信號發(fā)射器等，可在供電狀態(tài)下對SEG的數(shù)據(jù)進行模塊化采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號發(fā)射器發(fā)送至云端服務(wù)器，可從軟件系統(tǒng)中查詢數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)還包括太陽能供電系統(tǒng)（見圖10），保證智能監(jiān)測單元在現(xiàn)場環(huán)境中能夠不間斷服役。太陽能供電系統(tǒng)包括太陽能電池板、蓄電池、工作箱等構(gòu)件。
圖9 SEG智能感知土工材料拉敏曲線及本構(gòu)模型
圖10 SEG智能感知土工材料拉敏曲線及本構(gòu)模型
應(yīng)用及科研獎勵
目前，該技術(shù)已經(jīng)在京臺高速改擴建、濰日高速采石坑高填方路基及濟南繞城高速公路等國家重點工程項目中實際應(yīng)用，為高速公路的安全運營發(fā)揮了重要的作用。同時，團隊在智能土工合成材料取得的相關(guān)研究成果獲得了多項國家、省部級及學(xué)會獎勵，包括2019年國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎（“黃河中下游地區(qū)粉土路基建造支撐技術(shù)及工程應(yīng)用”）、2022年山東省科學(xué)進步一等獎（“改擴建高速公路路基差異沉降智能感知、預(yù)警與精細化控制及應(yīng)用”）以及2024年中國交通運輸協(xié)會科學(xué)進步一等獎（“改擴建高速公路新舊路基差異沉降綠色智能調(diào)控技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”）等。
歐美大地積極與國內(nèi)高校及科研院所開展“產(chǎn)-學(xué)-研”合作項目，實現(xiàn)“資源共享、優(yōu)勢互補”。為科研單位提供完善的市場推廣及銷售渠道，助力科研成果向市場應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，將更好的技術(shù)應(yīng)用于實際。
