科技前沿：SEG智能感知材料为路基强健“筋骨”、强韧“神经”|seg|感知材料|本构|科技前沿|边坡

路基安全是交通线路得以健康运行的基石；路基失稳，将导致道路中断，甚至可能伴随严重的安全事故。路基安全问题，长久以来都是交通领域难以根治的难题，它涵盖了路基塌陷、边坡垮塌、崩塌、滑坡等多种类型的灾害，并且具有规模小、危害大、隐患多、隐蔽性强、突发性强等特点，往往导致“小灾大难”事件的发生，严重威胁经济运行和生命健康。2024年5月1日，广东梅大高速茶阳路段发生路基垮塌事故，造成重大人员伤亡（见图1）。事故发生后，国家高度重视。5月2日，对广东梅州市梅大高速茶阳路段塌方灾害作出重要指示，明确提出“加强灾害监测预警”；5月6日，国家自然资源部住房城乡建设部、水利部和应急管理部联合发布了《关于加强城市地质安全风险防控的通知》，通知指出“建立多方位多参数监测体系，科学指导地塌陷预警和道路地下病害体整治”。

图1 梅大高速路基边坡塌方

目前，高速公路工程中路基监测预警主要关注某些离散点的沉降和水平位移等外部变形指标。然而，实践表明，路基土体破坏通常是从内到外的渐进式破坏，只有当路基内部的损伤状态发展到一定程度时，外部差异沉降等才会出现显著变化，这种情况往往导致错过最佳的加固时机。为了克服这一难题，研究人员开始加强对路基内部变形指标的现场测试与研究。然而，目前的路基内部变形监测主要依赖非分布式测量手段（如应变片、柔性拉伸计、光纤光栅传感器等），这些方法在监测两个传感器之间土体的损伤时存在明显的局限性。近年来，基于布里渊散射的分布式光纤技术逐渐崭露头角。这类技术具有监测精度高、传感距离长、不受电磁干扰等诸多优点。然而，其光纤分布式应变测量范围通常小于2%，较难实现路基土体灾变全过程（最大应变达15%）的感知，且存在解调仪价格昂贵、光纤材料易损坏等问题，制约了该技术在路基全寿命周期内分布式变形监测中的大面积应用。鉴于此，开发一种更加有效的手段对拓宽路基土体灾变全过程中的分布式变形进行全寿命周期监测显得尤为重要。

SEG智能感知材料研发

近些年，由于土工合成材料（如土工格栅等）在路基工程中的广泛应用，山东大学崔新壮教授课题组通过多学科交叉，研制了一种新型智能感知土工合成材料（Sensing geosynthetics, SEG）（见图2），利用SEG智能感知土工材料的拉敏效应提出了面向拓宽路基内部筋材的分布式变形自检测技术。

图2 智能感知土工合成材料(SEG)加筋路基监测预警动画

同时，建立了一套成熟的智能感知土工带生产线及配套设备系统，包括混拌系统、固化成型系统、热缩管封装工艺等，如图3所示。为实现路基全铺面变形感知，进一步基于二次节点注塑技术研发了一款兼具加筋与感知功能的智能高摩阻土工格栅SGG（见图4），为路基增加了强健的“筋骨”和强韧灵敏的“神经”。

图3 SEG智能土工条带生产工艺

图4 SGG示意图及规模化生成设备

该智能感知土工合成材料耐久性好、成本低、应变测量范围大，能够实现拓宽路基土体灾变全过程的变形感知，且自检测技术不需要在材料内部埋入传感器，避免了因为外部传感器的植入引起材料的强度和性能下降等现象。

SEG智能感知材料探索

为进一步探索SEG智能感知材料的应用，研究团队开展了智能感知土工合成材料性能表征及传感机理研究工作，通过研究智能感知土工合成材料渗滤现象和微观导电网络（见图5），揭示其导电机理，确定了导电填料目标掺量；另外，通过开展智能感知土工合成材料拉敏试验，研究了智能感知土工合成材料拉敏特征曲线，建立了智能感知土工合成材料变形-电阻本构模型（见图6）。

图5 SEG智能感知土工材料渗滤效应

图6 SEG智能感知土工材料拉敏曲线及本构模型

基于SEG智能感知材料的监测预警系统

基于SEG的路基安全预警系统（见图7）是为实现SEG对路基及边坡等岩土工程结构进行实时监测而研发的一种自动化安全预警系统，可通过对路基的实时监测，及时了解和掌握路基及其边坡的滑裂、塌陷等灾变的演化过程，捕捉灾变的特征信息，为路基灾变的正确分析、评价、预测、预报及治理提供可靠数据和科学依据。路基安全预警系统软件主要依靠内置敏感元件所采集的数据进行传输、存储、解析，并以手机APP的形式反馈到手机客户端（见图8），同时能够通过网页端进行访问，按照指定的协议进行手机端、后台端的在线评估及预警。

图7 基于SEG的路基安全预警系统界面

图8 基于SEG的路基安全预警系统手机APP界面

另外，团队还开发了与路基安全预警系统配套的硬件装置，其核心构件为SEG智能监测单元，如图9所示。智能监测单元的主要功能部件包括：数据采集单元、温湿度变送器和信号发射器等，可在供电状态下对SEG的数据进行模块化采集。采集的数据经过信号发射器发送至云端服务器，可从软件系统中查询数据。硬件系统还包括太阳能供电系统（见图10），保证智能监测单元在现场环境中能够不间断服役。太阳能供电系统包括太阳能电池板、蓄电池、工作箱等构件。

图9 SEG智能感知土工材料拉敏曲线及本构模型

图10 SEG智能感知土工材料拉敏曲线及本构模型

应用及科研奖励

目前，该技术已经在京台高速改扩建、潍日高速采石坑高填方路基及济南绕城高速公路等国家重点工程项目中实际应用，为高速公路的安全运营发挥了重要的作用。同时，团队在智能土工合成材料取得的相关研究成果获得了多项国家、省部级及学会奖励，包括2019年国家科学技术进步二等奖（“黄河中下游地区粉土路基建造支撑技术及工程应用”）、2022年山东省科学进步一等奖（“改扩建高速公路路基差异沉降智能感知、预警与精细化控制及应用”）以及2024年中国交通运输协会科学进步一等奖（“改扩建高速公路新旧路基差异沉降绿色智能调控技术创新与应用”）等。