Геосинтетика традиционно выполняет функции армирования, дренажа, фильтрации и защиты, обеспечивая стабильность инженерных сооружений. Однако переход отрасли к цифровым методам управления жизненным циклом объектов создаёт предпосылки для развития материалов нового поколения — интеллектуальной или «умной» геосинтетики.
Интеграция сенсорных систем в структуру геоматериалов позволяет осуществлять непрерывный мониторинг деформаций, давления, температуры, влажности, фильтрации и других параметров. Тем самым геосинтетика из пассивного компонента превращается в активную систему наблюдения, способную фиксировать и диагностировать аномалии в режиме реального времени.
Концепция «умной» геосинтетики
Под «умной» геосинтетикой понимаются геоматериалы, совмещающие конструктивные функции с измерительными, коммуникационными и аналитическими возможностями. Она объединяет:
- сенсорную подсистему;
- модуль передачи данных;
- программно-аналитическую платформу;
- интеграцию с системами BIM и цифровых двойников.
Классификация
- Геокомпозиты с интегрированными сенсорами — георешётки, геотекстили и геомембраны с вмонтированными кабелями или датчиками.
- Материалы с распределёнными волоконно-оптическими сенсорами (DTS, DSS, DFOS).
- Материалы с ингибированными проводящими волокнами, меняющими сопротивление при деформации.
- Самодатчики (self-sensing materials) — перспективные композиты, где сенсорная функция является свойством структуры материала.
Сенсорные технологии
Волоконно-оптические сенсоры
Преимущества:
- высокая точность и чувствительность;
- устойчивость к электромагнитным помехам;
- долговечность;
- возможность распределённого мониторинга на десятки километров.
Наиболее распространены сенсоры типа FBG (Fiber Bragg Grating) и технологии распределённой акустической/температурной диагностики DAS/DTS/DSS.
Электронные датчики деформации и давления
Встраиваются локально в георешётки и геотекстили. В сочетании с LoRaWAN или NB-IoT обеспечивают мониторинг на удалённых объектах.
Резистивные и ёмкостные сенсоры
Применяются для контроля влажности, фильтрации, порового давления, величины растяжения. Отличаются низкой стоимостью и простотой монтажа.
Автономные и энергосберегающие модули
Используют принципы:
- harvesting (пьезоэлектрический сбор энергии);
- ультрадолгоживущие аккумуляторы;
- пассивные RFID-датчики.
Цифровизация и инфраструктура данных
IoT и телеметрия
Современные IoT-платформы позволяют организовывать:
- сбор данных в реальном времени;
- автоматическое обнаружение аномалий;
- прогнозирование аварийных состояний;
- облачную аналитическую обработку.
Анализ данных и машинное обучение
ИИ-модели выявляют структурные повреждения раньше, чем это возможно при визуальных обследованиях. Используются методы:
- прогнозирование временных рядов;
- кластеризация аномалий;
- алгоритмы оценки риска разрушений.
BIM и цифровые двойники
«Умная» геосинтетика органично включается в цифровые модели сооружений. Цифровой двойник объединяет:
- проектную документацию,
- модель грунтов и геосинтетики,
- сенсорные данные,
- прогнозы развития деформаций.
Применение в инженерных сооружениях
Дорожное строительство
Используется для:
- контроля уплотнения и осадки;
- измерения растяжений в армирующих слоях;
- выявления пустот и потери несущей способности.
Гидротехнические сооружения
Умные мембраны позволяют отслеживать:
- фильтрацию;
- давление воды;
- деформации откосов;
- потенциальные размывы.
Отвалы, полигоны и хвостохранилища
Контролируются:
- устойчивость откосов;
- влажность и поровое давление;
- миграция загрязняющих веществ;
- целостность геомембран.
Фундаменты, подпорные стены и подземные сооружения
Позволяют измерять:
- осадку;
- боковое давление;
- смещения основания;
- изменение гидрогеологических условий.
Перспективы развития
- Самочувствующие композиты, в которых материал сам является сенсором.
- Полностью распределённый мониторинг с разрешением 0,5–1 м по всей площади объекта.
- Интеграция с предиктивной аналитикой для предотвращения аварий.
- Единые облачные платформы, объединяющие подрядчиков, заказчиков и эксплуатирующие организации.
- Автономные системы питания, исключающие необходимость сервисного обслуживания.
Зкалючение
Развитие интеллектуальных геоматериалов формирует новую парадигму геотехнического строительства — переход от реактивного обслуживания к предиктивному управлению инфраструктурой. «Умная» геосинтетика повышает безопасность, снижает эксплуатационные расходы и позволяет продлить срок службы сооружений. В ближайшие годы ожидается расширение рынка и появление более интегрированных, доступных и стандартизованных решений.
Список литературы
1. Neto M., Pereira P., Antão A. Smart Geosynthetics: A Review of Sensor Technologies for Geotechnical Applications // Sensors. 2020.
2. Sun L., Zhu H. Fiber Optic Sensing for Civil Engineering Structures. Springer, 2018.
3. Holtz R.D., Kovacs W.D., Sheahan T.C. An Introduction to Geotechnical Engineering. 3rd ed. Pearson, 2021.
4. Kontopoulou M., Papantoniou B. Integration of IoT in Geotechnical Monitoring Systems // Automation in Construction. 2022.
5. ASTM D5818–19. Standard Practice for Exposure and Retrieval of Samples to Evaluate Installation Damage of Geosynthetics. ASTM International, 2019.