路基安全是交通線路得以健康運行的基石；路基失穩，將導致道路中斷，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害，并且具有規模小、危害大、隱患多、隱蔽性強、突發性強等特點，往往導致“小災大難”事件的發生，嚴重威脅經濟運行和生命健康。2024年5月1日，廣東梅大高速茶陽路段發生路基垮塌事故，造成重大人員傷亡（見圖1）。事故發生后，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害作出重要指示，明確提出“加強災害監測預警”；5月6日，國家自然資源部住房城鄉建設部、水利部和應急管理部聯合發布了《關于加強城市地質安全風險防控的通知》，通知指出“建立多方位多參數監測體系，科學指導地面塌陷預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測預警主要關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到外的漸進式破壞，只有當路基內部的損傷狀態發展到一定程度時，外部差異沉降等才會出現顯著變化，這種情況往往導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部變形指標的現場測試與研究。然而，目前的路基內部變形監測主要依賴非分布式測量手段（如應變片、柔性拉伸計、光纖光柵傳感器等），這些方法在監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逐漸嶄露頭角。這類技術具有監測精度高、傳感距離長、不受電磁干擾等諸多優點。然而，其光纖分布式應變測量范圍通常小于2%，較難實現路基土體災變全過程（最大應變達15%）的感知，且存在解調儀價格昂貴、光纖材料易損壞等問題，制約了該技術在路基全壽命周期內分布式變形監測中的大面積應用。鑒于此，開發一種更加有效的手段對拓寬路基土體災變全過程中的分布式變形進行全壽命周期監測顯得尤為重要。
SEG智能感知材料研發
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用，山東大學崔新壯教授課題組通過多學科交叉，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提出了面向拓寬路基內部筋材的分布式變形自檢測技術。
圖2 智能感知土工合成材料(SEG)加筋路基監測預警動畫
同時，建立了一套成熟的智能感知土工帶生產線及配套設備系統，包括混拌系統、固化成型系統、熱縮管封裝工藝等，如圖3所示。為實現路基全鋪面變形感知，進一步基于二次節點注塑技術研發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”。
圖3 SEG智能土工條帶生產工藝
圖4 SGG示意圖及規?；稍O備
該智能感知土工合成材料耐久性好、成本低、應變測量范圍大，能夠實現拓寬路基土體災變全過程的變形感知，且自檢測技術不需要在材料內部埋入傳感器，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象和微觀導電網絡（見圖5），揭示其導電機理，確定了導電填料目標摻量；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-電阻本構模型（見圖6）。
圖5 SEG智能感知土工材料滲濾效應
圖6 SEG智能感知土工材料拉敏曲線及本構模型
基于SEG智能感知材料的監測預警系統
基于SEG的路基安全預警系統（見圖7）是為實現SEG對路基及邊坡等巖土工程結構進行實時監測而研發的一種自動化安全預警系統，可通過對路基的實時監測，及時了解和掌握路基及其邊坡的滑裂、塌陷等災變的演化過程，捕捉災變的特征信息，為路基災變的正確分析、評價、預測、預報及治理提供可靠數據和科學依據。路基安全預警系統軟件主要依靠內置敏感元件所采集的數據進行傳輸、存儲、解析，并以手機APP的形式反饋到手機客戶端（見圖8），同時能夠通過網頁端進行訪問，按照指定的協議進行手機端、后臺端的在線評估及預警。
圖7 基于SEG的路基安全預警系統界面
圖8 基于SEG的路基安全預警系統手機APP界面
另外，團隊還開發了與路基安全預警系統配套的硬件裝置，其核心構件為SEG智能監測單元，如圖9所示。智能監測單元的主要功能部件包括：數據采集單元、溫濕度變送器和信號發射器等，可在供電狀態下對SEG的數據進行模塊化采集。采集的數據經過信號發射器發送至云端服務器，可從軟件系統中查詢數據。硬件系統還包括太陽能供電系統（見圖10），保證智能監測單元在現場環境中能夠不間斷服役。太陽能供電系統包括太陽能電池板、蓄電池、工作箱等構件。
圖9 SEG智能感知土工材料拉敏曲線及本構模型
圖10 SEG智能感知土工材料拉敏曲線及本構模型
應用及科研獎勵
目前，該技術已經在京臺高速改擴建、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用，為高速公路的安全運營發揮了重要的作用。同時，團隊在智能土工合成材料取得的相關研究成果獲得了多項國家、省部級及學會獎勵，包括2019年國家科學技術進步二等獎（“黃河中下游地區粉土路基建造支撐技術及工程應用”）、2022年山東省科學進步一等獎（“改擴建高速公路路基差異沉降智能感知、預警與精細化控制及應用”）以及2024年中國交通運輸協會科學進步一等獎（“改擴建高速公路新舊路基差異沉降綠色智能調控技術創新與應用”）等。
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