ДИНАМИЧЕСКИЙ ПЛОТНОМЕР ГРУНТА Российский патент 1997 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к области строительства дорог, тротуаров, площадок, полов, насыпей и иных сооружений как с твердым покрытием, так и без него и может быть использовано для оперативного контроля за уплотнением грунта при его послойной трамбовке.

Известен динамический плотномер грунта Д-51, содержащий шток с рабочим наконечником, груз массой 2,5 кг и рукоятку (Автомобильные дороги./Под ред. проф. В. Ф. Бабкова, В.К.Некрасова, СССР и проф. Г.Шилиянова,НРБ. М. Транспорт, 1983, с.168-171). Известно также устройство для определения физико-механической характеристики материала, включающее установленные в корпусе ударник с буртиком, боек опирающийся на ударную пружину, захват (защелки), спусковое устройство, датчик перемещения бойка с магнитом и блок обработки результатов измерения (SU, авт. св. N 1471111, G0 N 3/48, 1989, прототип).

Отличие заявляемого плотномера от известного состоит в выполнении датчика перемещения бойка и блока обработки результатов измерения.

Цель изобретения повышение точности измерения и упрощение процесса операционного контроля.

Цель достигается тем, что датчик перемещения бойка выполнен в виде магнитоуправляемого замыкающего контакта, магнит которого закреплен на штоке с пружиной в спусковом механизме, взаимодействующим с захватом, снабженным пружиной, а блок обработки результатов измерений дополнительно включает передатчик, приемник и выключатель с блоком сопряжения, при этом передатчик выполнен в виде модулятора, выход которого через ключ питания подключен к первому входу усилителя несущей частоты и к входу генератора несущей частоты, выход которого подключен к второму входу усилителя несущей частоты, выход которого, в свою очередь, подключен к передающей антенне, закрепленной в верхней части корпуса, а замыкающий магнитоуправляемый контакт подключен к входу модулятора и счетчика одним концом, а другим к источнику питания, приемник выполнен в виде последовательно соединенных приемной антенны, входного контура, усилителя высокой частоты, преобразователя частоты, усилителя, детектора, усилителя низкой частоты, фильтра и усилителя модулирующей частоты, выход которого через блок сопряжения подключен к вычислителю. Из просмотренной технической и патентной литературы не выявлено аналогичных динамических плотномеров грунта.

Доказательство существенности отличительных признаков предлагаемого изобретения динамического плотномера грунта, проводилось только по сравнению с указанными выше.

На фиг. 1 дана конструктивная схема динамического плотномера грунта; на фиг. 2 схема, поясняющая принцип работы динамического плотномера грунта; на фиг. 3 структурная схема измерения числа ударов с использованием радиоканала.

В автоматизированной информационной системе для управления процессом строительства дорог, тротуаров, площадок, полов, насыпей и иных сооружений как с твердым покрытием, так и без него предусматривается оперативный контроль в реальном масштабе времени за уплотнением грунта при его послойной трамбовке, что гарантирует заданное качество работ. Этот контроль реализуется с помощью рассматриваемого динамического плотномера грунта, принцип работы которого основан на методе динамического зондирования, предусмотренного для песчаных и глинистых грунтов. Результат контроля служит основанием для принятия решения об окончании процесса трамбовки данного слоя грунта и перехода на насыпку следующего слоя. Обычно толщина слоя грунта, подлежащего трамбовке, находится в пределах 250 мм. В связи с этим на практике нашли применение различные минизондирующие установки. Одна из таких установок представляет из себя стержень диаметром на конце 16 мм и длиной 600 мм с буртиком, по которому с высоты 300 мм ударяет свободно падающий груз массой 2,5 кг. Величина энергии удара этого устройства и соответствующие зависимости числа ударов от плотности грунта при погружении стержня на заданную глубину были взяты за основу при разработке рассматриваемого динамического плотномера грунта, который используется для контроля при послойной трамбовке грунта с оптимальной влажностью, когда достигается максимальная плотность скелета грунта с учетом его состава. Контроль осуществляется на глубину 250 мм при угле наклона корпуса прибора по отношению к вертикали от 0 до 45^o. Малые габариты и масса прибора позволяют использовать его в труднодоступных местах. При испытаниях над трубами, в конусах и местах сопряжения, например, с мостом, необходимо для определения плотности грунта одновременно с динамическим плотномером использовать и методы, основанные на лабораторных исследованиях, например, метод режущего кольца. Для повышения точности в определении плотности грунта необходимо использовать статистический метод обработки результатов измерения, при котором число испытаний может быть существенно увеличено. В этом отношении рассматриваемый плотномер грунта имеет ряд преимуществ перед другими приборами, так как позволяет благодаря своей простоте и наличии средств автоматической обработки результатов измерения увеличить число испытаний без существенного их осложнения. Это особенно важно, когда приходится проводить испытания на трамбованной поверхности, имеющей комковую структуру и сложный состав грунта.

Динамический плотномер грунта, конструктивная схема которого показана на фиг. 1, состоит из корпуса 1, внутри которого размещены ударник 2 с буртиком 3, боек 4, ударная пружина 5 и захваты 6 с пружиной 7. В верхней части корпуса находится спусковое устройство 8, электронный счетчик 9, содержащий магнитоуправляемый контакт 10 и постоянный магнит 11, закрепленный на штоке 12 с пружиной 13, радиопередатчик 14 с антенной 15. Для приема и записи результатов измерения, их обработки и хранения служат радиоприемное устройство 16 с антенной 17, устройство сопряжения 18 и вычислитель 19. Корпус плотномера изготовлен из дюралюминия ДТ-16Т в виде трубы с наружным диаметром 42 мм. В нижней части корпуса имеется направляющая втулка для крепления одного конца ударной пружины и центрирования ударника. В верхней части корпуса также имеется втулка с конусным отверстием для воздействия на захваты. Захваты 6 состоят из двух рычагов, которые имеют самостоятельные оси, относительно которых они могут поворачиваться. Крепятся захваты на специальной втулке, которая может перемещаться внутри корпуса, являясь второй опорной точкой для ударника. Ударник 2 выполнен в виде одного стержня двух диаметров. Нижняя часть ударника длиной 450 мм имеет в верхней и нижней частях соответственно 8 мм и 16 мм. Самая нижняя часть ударника представляет из себя конус, заостренный под углом 60^o, а верхняя часть служит буртиком, по которому ударяет боек. Верхняя часть ударника диаметром 8 мм служит направляющей для движения бойка 4. Муфта с захватом состоит из двух частей, которые стягиваются относительно верхней части ударника двумя болтами. Боек выполнен из прочной стали, в верхней части которого на его меньшем основании имеются канавки для крепления ударной пружины. В верхней части бойка есть коническая заточка, за острие кромки которой он удерживается захватами.

Динамический плотномер грунта работает следующим образом (фиг. 2).

При испытаниях динамический плотномер грунта за верхнюю часть корпуса поднимается над исследуемым участком поверхности грунта. При этом (фиг. 2,а) ударник 2 вместе с бойком 4 и захватом 6 под действием собственного веса опускается вниз до упора о сжатую пружину 5. В конце перемещения ударника боек 4 зацепляется захватами 6 и удерживается ими с помощью пружины 7. Далее ударник устанавливается нижней частью на участок грунта (фиг. 2,б), подлежащего испытанию, так, чтобы корпус прибора был перпендикулярен к исследуемой поверхности. Удерживая плотномер за верхнюю часть корпуса, нажимаем на него вниз. При этом ударник с бойком остаются неподвижными, корпус же и все что с ним связано перемещается вниз, растягивая ударную пружину 5. Вместе с корпусом перемещается вниз и спусковое устройство 8 с постоянным магнитом 11, закрепленным на штоке 12, который в конце хода упирается о корпус захватного устройства и перемещается вместе с магнитом вверх до момента срабатывания магнитоуправляемого контакта 10, который включает счетчик числа ударов и радиопередатчик. В последний момент времени (фиг. 2,б) корпус спускового устройства достигает рычагов захватного устройства и сжимает их, освобождая боек, который под действием ударной пружины (фиг. 2,в) и собственного веса устремляется вниз и ударяет по буртику 3 ударника 2. Далее удерживая нижнюю часть ударника, корпус плотномера вновь поднимается вверх до упора, когда боек зацепится за захваты. После этого процесс ударов повторяется до тех пор, пока ударник не углубится в грунт на 250 мм. На счетчике, который срабатывает от каждого удара, будет зафиксировано число ударов за заданный цикл измерения. Одновременно отсчет ударов производится в вычислителе, сигналы на который поступают по радиоканалу. Радиоканал, структурная схема которого показана на фиг. 3, состоит из передатчика П и приемного устройства ПУ. Передающее устройство, которое размещено в корпусе плотномера, содержит генератор несущей частоты 20, усилитель несущей частоты 21, модулятор 22, ключ питания генератора несущей частоты и усилителя несущей частоты 23, магнитоуправляемого контакта для питания модулятора 24 и электронного счетчика, постоянный магнит 25, блок питания 26 и антенну 27. Приемное устройство состоит из антенны 28, входного контура 29, усилителя несущей частоты 30, преобразователя частоты 31, усилителя 32, детектора 33, усилителя низкой частоты 34, фильтра модулирующей частоты 35, усилителя 36 и вычислителя 37. Радиоканал работает на несущей частоте 27, 12 МГц. Мощность передатчика 0,2 Вт. Дальность действия системы 20 м. Для передачи информации используется частотная манипуляция несущей частоты.

Радиоканал работает следующим образом.

В момент, когда ударная часть плотномера находится в верхнем крайнем положении, постоянный магнит 25 замыкает магнитоуправляемый контакт 24, который подает питание на модулятор 22. Последний начинает с частотой манипуляции включать ключ 23, который подает напряжение на генератор несущей частоты 20 и усилитель несущей частоты 21. Они через антенну 27 с частотой замыкания ключа 23 выдают в эфир несущую частоту, которая принимается антенной 28, усиливается, преобразуется, детектируется, фильтруется и через усилитель поступает на вычислитель 37, который считывает импульсы и реализует по заданной программе их обработку с учетом свойств исследуемого грунта и угла наклона корпуса плотномера к вертикали. Окончательный результат исследования выдается после серии проведенных испытаний. Записанная и обработанная информация об исследованиях затем поступает в информационный пункт и вводится в банк данных для дальнейшей обработки и хранения. Определение плотности грунта по результатам испытаний производится по следующим формулам:
для песчаных грунтов

где α плотность грунта, г/см³;
N число ударов;
r угол наклона корпуса плотномера к вертикали, град.

m безразмерный коэффициент, индивидуальный для каждой серии приборов, определяемый экспериментально и находящийся в пределах 0,8-1,2.

Настройка плотномера заключается в обеспечении заданной энергии удара за счет регулирования величины растяжения ударной пружины, путем изменения положения ударной части внутри корпуса прибора. Оценкой удовлетворительной работы ударной части может служить результат погружения ударника в грунт на глубину 250 мм за заданное число ударов в сравнении с величиной погружения ударника в грунт на ту же глубину и эталонного образца. В качестве эталона принимается груз массой 2,5 кг, падающий с высоты 300 мм и ударяющий по ударнику с наконечником диаметром 16 мм и заостренным на конце под углом 60^o, а также результаты, получаемые при лабораторных испытаниях методом режущего кольца. Разброс показаний в значении плотности грунта между серией испытаний с помощью данного плотномера и эталонными значениями не должен превышать 2% Если эти условия не соблюдаются, то напряжение ударной пружины необходимо изменить в нужную сторону и сравнительные испытания повторить до получения положительных результатов. Настройка узла включения счетчика с радиопередатчиком заключается в изменении положения магнитной системы по отношению к магнитоуправляемому контакту, при котором обеспечивается их взаимодействие. После этого производится испытание плотномера на различных грунтах с оптимальной влажностью и полной проверкой всего диапазона измерений. Для испытания на надежность делается 5000 ударов, после этого плотномер должен находиться в исправном состоянии.

Динамический плотномер грунта имеет следующие характеристики:
Предел измерения плотности грунта при погружении ударника на 250 мм:
Песчаных грунтов, г/см³
До 50 ударов 1,45-1,81
Супесчаных грунтов, г/см³
До 80 ударов 1,35-1,96
Суглинистых черноземно-песчаных грунтов, г/см³
До 100 ударов 1,37-1,83
Погрешность при измерении плотности грунта при оптимальной влажности, - 3
Минимальное количество результатов измерения 3
Рабочая температура, ^oC Положительная
Емкость счетчика числа ударов, разрядов 3
Вычислитель с устройством сопряжения Переносной
Несущая частота радиоканала, МГц 27,12
Рабочий диапазон угла наклона корпуса прибора к вертикали, град. 0-45
Габариты
Длина, мм 1100
Диаметр корпуса, мм 42
Масса плотномера, кг 2,5
При необходимости рассматриваемый плотномер может быть установлен стационарно на машине, осуществляющей трамбовку грунта, с дополнительными приспособлениями, обеспечивающими автоматическую работу его при исследованиях. Плотномер может быть использован как с вычислителем, так и без него с применением только одного счетчика, находящегося в корпусе прибора. Необходимые расчеты при этом ведутся на микрокалькуляторе. При использовании вычислителя последний может находиться непосредственно у оператора, осуществляющего измерения, или же в ближайшем укрытии, защищающем его от непогоды.

Динамический плотномер грунта, рассмотренный в настоящей заявке, прошел лабораторные и полевые испытания.

Изготовлены и переданы строительной организации без радиоканала и вычислителя три опытных образца.

Изобретение относится к области строительства дорог, тротуаров, площадок, полов, насыпей и иных сооружений как с твердым покрытием, так и без него и может быть использовано для оперативного контроля за уплотнением грунта при его послойной трамбовке. Для повышения точности измерения и упрощения процесса операционного контроля плотности грунта датчик перемещения бойка выполнен в виде магнитоуправляемого замыкающего контакта, магнит которого закреплен на штоке с пружиной в спусковом механизме, взаимодействующим с захватом, снабженным пружиной, а блок обработки результатов измерений дополнительно включает передатчик, приемник и выключатель с блоком сопряжения, при этом передатчик выполнен в виде модулятора, выход которого через ключ питания подключен к первому входу усилителя несущей частоты и к входу генератора несущей частоты, выход которого подключен к второму входу усилителя несущей частоты, выход которого подключен к передающей антенне, закрепленной в верхней части корпуса, а замыкающий магнитоуправляемый контакт подключен к входу модулятора и счетчика одним концом, а другим - к источнику питания, приемник выполнен в виде последовательно соединенных приемной антенны, входного контура, усилителя высокой частоты, преобразователя частоты, усилителя, детектора, усилителя низкой частоты, фильтра и усилителя модулирующей частоты, выход которого через блок сопряжения подключен к вычислителю. 3 ил.

Динамический плотномер грунта, содержащий размещенные в вертикальном корпусе ударник с буртиком, боек, опирающийся на ударную пружину, захват, спусковой механизм, датчик перемещения бойка с магнитом и блок обработки результатов измерения, включающий счетчик, отличающийся тем, что датчик перемещения бойка выполнен в виде магнитоуправляемого замыкающего контакта, магнит которого закреплен на штоке с пружиной в спусковом механизме, взаимодействующем с захватом, снабженным пружиной, а блок обработки результатов измерений дополнительно включает передатчик, приемник и выключатель с блоком сопряжения, при этом передатчик выполнен в виде модулятора, выход которого через ключ питания подключен к первому входу усилителя несущей частоты и входу генератора несущей частоты, выход которого подключен к второму входу усилителя несущей частоты, выход которого подключен к передающей антенне, закрепленной в верхней части корпуса, а замыкающий магнитоуправляемый контакт подключен к входам модулятора и счетчика одним концом, а другим к источнику питания, приемник выполнен в виде последовательно соединенных приемной антенны, входного контура, усилителя высокой частоты, преобразователя частоты, усилителя, детектора, усилителя низкой частоты, фильтра и усилителя модулирующей частоты, выход которого через блок сопряжения подключен к вычислителю.