Способ контроля плотности грунта и устройство для его осуществления

 

1. Способ контроля плотности грунта, включающий погружение с постоянной скоростью зонда с конусным наконечником, определение глубины погружения зонда при достижении заданного усилия и определение плотности грунта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля , дополнительно измеряют время погружения зонда до заданного усилия и время полного погружения зонда на заданную величину в грунт, определение глубины погружения зонда до заданного усилия осуществляют по отношению времени погружения зонда до заданного усилия к времени полного погружения зонда на заданную величину, по которой судят о плотности грунта . (Л (Si

СОЕЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК зов Е 01 D 100; G 01 N 3/00! ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3567397/29-33 (22) 24.03.83 (46) 30.09.84. Бюл. № 36 (72) П. И. Госьков, А. П. Лежнев и A. В. Уфимцев (71) Алтайский политехнический институт им. И. И. Ползунова (53) 624.131.431.2 (088.8) (56) 1, Авторское свидетельство СССР № 665247, кл. G 01 N 9/00, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР № 702105, кл. Е 02 D 1 00, 1974 (прототип). (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ

ГРУНТА И УСТРОИСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

ÄÄSUÄÄ 1116110 А (57) 1. Способ контроля плотности грунта, включающий погружение с постоянной скоростью зонда с конусным наконечником, определение глубины погружения зонда при достижении заданного усилия и определение плотности грунта, отличающийся тем, что, с целью .повышения точности контроля, дополнительно измеряют время погружения зонда до заданного усилия и время полного погружения зонда на заданную величину в грунт, определение глубины погружения зонда до заданного усилия осуществляют по отношению времени погружения зонда до заданного усилия к времени полного погружения зонда на заданную величину, по которой судят о плотности грунта.

1116110 тельному прибору.

2. У стройство контроля плотности грунта, содержащее зонд с конусным наконечником, связанный с датчиком усилия, и измерительный прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля, в него введены два измерительных блока, каждый из которых состоит из последовательно соединенных между собой компаратора и интегратора, блок измерения отношения, который состоит из последовательно соединенных между собой блоков деления, суммирования и элемента памяти, и блок управления, причем первый выход блока управления соединен с соответствующими входами интеграторов измерительных бло1

Изобретение относится к строительству, в частности к технике по геотехническому контролю плотности грунтов, и может быть использовано при возведении земляных сооружений.

Известен способ контроля качества уплот нения грунта, заключающийся в зондировании грунта при погружении и извлечении штанги с конусным наконечником, с одновременным изменением сопротивления зондированию и последующим сравнением полученных результатов (1).

Недостатками данного способа являются сложность осуществления регистрирующего датчика и зависимость полученных результатов от угла погружения и извлечения штанги с наконечником.

Наиболее близким к изобретению является способ контроля плотности грунта, включающий погружение с постоянной скоростью зонда с конусным наконечником, определение глубины погружения зонда при достижении заданного усилия и определения плотности грунта (2).

Известно также устройство для осуществления этого способа, содержащее . зонд с конусным наконечником, связанный с датчиком усилия, и измерительный прибор (2).

Недостатками известных способа и устройства являются наличие подвижных механических узлов и невозможность осуществления контроля плотности грунта по всей глубине. Наличие подвижных механических узлов приводит к зависимости полученных результатов от их состояния и износа, что снижает эффективность исследования плотности грунта.

Целью изобретения является повышение точности контроля плотности грунта.

1О

25 зо

35 ков, выходы которых соединены с соответствующими входами блока деления, второй и третий выходы блока управления соединены с одними входами компараторов измерительных блоков, другие входы которых соединены с датчиком усилия, выход компаратора второго измерительного блока соединен с входом блока управления, четвертый и пятый выходы блока управления соединены с соответствующими входами сумматора, шестой выход блока управления соединен с другим входом элемента памяти, выход которого подключен к измери2

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу контроля плотности грунта, включающему погружение с постоянной скоростью зонда с конусным наконечником, определение глубины погружения зонда при достижении заданного усилия и определение плотности грунта, дополнительно измеряют время погружения зонда до заданного усилия и время полного погружения зонда на заданную величину в грунт, определение глубины погружения зонда до заданного усилия осуществляют по отношению времени погружения зонда до заданного усилия к времени полного погружения зонда на заданную величину, по которой судят о плотности грунта.

В устройство контроля плотности грунта, содержащее зонд с конусным наконечником, и измерительный прибор, введены два измерительных блока, каждый из которых состоит из последовательно соединенных между собой компаратора и интегратора, блок измерения отношения, который состоит из последовательно соединенных между собой блоков деления, суммирования и элемента памяти, и блок управления, причем первый выход блока управления соединен с соответствующими входами интеграторов измерительных блоков, выходы которых соединены с соответствующими входами блока деления, второй и третий выходы блока управления соединены с одними входами компараторов измерительных блоков, другие входы которых соединены с датчиком усилия, выход компаратора второго измерительного блока соединен с входом блока управления, четвертый и пятый выходы блока управления соединены с соответствующими входами сумматора, шестой выход блока управления сое1116110 динен с другим входом злеM(íòà памяти, выход которого подключен к измерительному прибору.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего способ контроля плотности грунта; на фиг. 2 временные диафрагмы, поясняющие его работу, где время t, соответствует началу погружения зонда в грунт, tz — когда усиление погружения достигает величины заданного, t соответствует извлечению зонда из грунта; на фиг. 3 — функциональная схема блока управления; на фиг. 4 — то же, блока суммирования.

Способ осуществляется следующим образом.

На отсыпаемом слое грунта делают ровную плошадку. Зонд с конусным наконечником погружают возрастающим усилием .с постоянной скоростью в грунт и производят отсчет времени t, и Т, где t соответствует времени погружения зонда до заданного усилия, Т соответствует времени полного погружения зонда в грунт. По достижении усилием заданной величины, отсчет времени

t прекрашают. Когда зонд полностью погружен в грунт, отсчет времени Т также прекращают.

Так как скорость погружения зонда и его длина L постоянны, то глубину погружения зонда I до заданного усилия зондирования определяют из выражения

1=L

Таким образом, по тарировочному графику, полученному. по известной методике (например с помощью режущих колец), мож но определить плотность грунта.

В случае задержки на извлечение зонда

t»z последняя формула имеет вид:

1 =1. т+ зад

Если при этом определить относительную погрешность b измерения 1 по формуле — — 100 /o = ° 100 /оО, то она составляет для t>a — — 0,5 с 4,8О/О при

L=20 см и 3,3О/о при L=30 см. Практически же эта погрешность составляет не более

2О/ц, так как при погружении зонда в грунт оператор не «ждет» достижения заданного усилия погружения зонда.

Таким образом, несмотря на то, что измерение глубины погружения зонда производится по косвенным параметрам, точность ее измерения выше, а следовательно, и выше точность контроля плотности грунта.

Устройство реализующее способ контроля плотности грунта (фиг. 1), содержит датчик усилия 1, зонд с конусным наконечником

2, соединенный с датчиком усилия 1, первый

3 и второй 4 время измерительные блоки, блок измерения отношения 5. Измеритель5 !

О

55 ный прибор 6 подключен к выходу блока измерения отношения 5. Первый 3 и второй 4 времяизмерительные блоки соответственно содержат последовательно включенные компараторы 7 и 8 и интеграторы 9 и 10. Блок измерения отношения 5 содержит последовательно включенные блок деления 1, блок суммирования 12 и элемент памяти

13. Кроме этого, устройство содержит блок управления 14, входом подключенный к выходу компаратора 7 первого времяизмерительного блока 3, первым 15 выходом — к управляющему входу каждого интегратора

9 и 10, вторым 16 и третьим 17 выходом соответственно к второму входу компараторов 7 и 8 первого 3 и второго 4 времяизмерительных блоков, четвертым 18 и пятым 19 выходом соответственно к первому и второму управляющему входу блока суммирования 12, шестым 20 выходом к управляющему входу блока запоминания 13. При этом первый вход каждого компаратора

7 и 8 подключен к первому входу соответствующего времяизмерительного блока, выход которого соединен с соответствующим интегратором 9 и 10, а первый, второй вход блока деления 11 и выход элемента памяти

13 подключены соответственно к первому, второму входу и выходу блока измерения отнош е ни я 5.

На фиг. 2 приведены диаграммы напряжений на выходах и входах элементов схемы, где: диаграмма 21 — сигнал на выходе датчика усилия 1; диаграмма 22 — сигнал на выходе компаратора 7; диаграмма 23— сигнал на первом выходе блока 14; диаграммы 24 и 25 — сигналы на выходе интеграторов 9 и 10; диаграмма 26 — сигнал на выходе блока деления 11; диаграмма

27 — сигнал на выходе компаратора 8; диаграмма 28 — сигнал на входе блока суммирования 12; диаграмма 29 — сигнал напряжения на выходе блока 12; диаграмма 30— сигнал на выходе 20 блока управления 14; диаграмма 31 — сигнал на входе элемента памяти 13; диаграмма 32 — управляющий импульс на выходе 19 блока 14.

Блок управления 14 (фиг. 3) содержит источники опорного напряжения 33 и 34, подключенные соответственно к второму

16 и третьему. 17 выходу блока управления

14, первый формирователь импульсов 35, входом подключенный к входу блока управления 14, выходом к второму формирователю импульсов 36, управляющему входу источника опорного напряжения 34, счетчику числа измерений 37 и четвертому выходу

18 блока управления 14, причем выходы счетчика числа измерений 37 и второго формирователя импульсов 36 подключены к логическому элементу И 38, выходом подключенному к шестому выходу 20 блока управления 14, и входу третьего формирователя

II!6110

50 импульсов 39, выходом соединенным с входом сброса счетчика 37 и пятым выходом !

9 блока управления 14, первый выход 15 которого подключен к схеме ИЛИ 40, входами соединенный с входом и выходом первого формирователя импульсов 35.

Блок суммирования (фиг. 4) содержит последовательно соединенные делитель напряжения 41, входом подключенный к входу блока 12, сумматор напряжения 42, первый нормально замкнутый ключ 43, первый повторитель напряжения 44, второй нормально замкнутый ключ 45 и второй повторитель напряжения 46, выходом соединенный с выходом сумматора !2 и сумматора напряжения 42. При этом в цепь соединения первого к ключа 43, первого повторителя напряжения 44 и обшей шиной подключены параллельно соединенные конденсатор 47 и нормально разомкнутый третий ключ 48, управляк щий вход которого подключен к второму управляюгцему входу блока суммирования 12, а в цепь соединения второго ключа 45, второго повторителя напряжения

46 и общей шиной включен промежуточный конденсатор 49, причем управляющие входы первого 43 и второго 45 ключей подключены к первому управляющему входу блока !2.

Гlовторители напряжения 44 и 46 должны иметь высокое входное сопротивление для предотвращения разряда конденсаторов

47 и +9.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом контроля выходное напряжение с датчика усилия равно нулю.

При этом с первого выхода 15 блока управления 14 на управляющие входы интеграторов 9 и 10 поступают нулевые потенциалы, с второго выхода 16 на второй вход схемы сравнения 7 поступает потенциал Uq, с третьего входа 17 на второй вход схемы сравнения 8 потенциал U и с остальных выходов

18,19 и 20 нулевые потенциалы поступают на управляющие входа сумматора 12 и элемента памяти 13. С выхода компаратора

7 на выход интегратора 9 поступает нулевой потенциал, а с выхода компаратора 8 на вход интегратора 10 — положительный потенциал величиной U, . .На выходе интеграторов 9 и !0 блока деления 11, блока суммирования 12 и элемента памяти 13 присутствуют нулевые потенциалы. Величина напряжения Uq равна величине напряжения с датчика усилия 1 при воздействии на него заданного усилия погружения. Напряжение

U» выбирается из соображений устойчивой работы устройства при воздействии на зонд вибрации от механизма погружения.

При погружении зонда с конусным наконечником 2 в грунт (момент времени 1г) усилие погружения передается на датчик усилия 1, с которого на первые входы время5

1О

»5

25 измерительных блоков 3 и 4 начинает поступать напряжение, по величине соответствующее данному усилию (диаграмма 21, (фиг. 2).

Когда это напряжение достигнет величины

U», компаратор 7 срабатывает, напряжение на его выходе соответствует Ug (диаграмма 22), включается блок управления 14.

При этом появляется положительный потенциал на его первом выходе 15 (диаграмма

23), который разрешает работу интеграторов 9 и 10. Последние начинают интегрировать напряжение Up, поступающее с выходов компараторов 7 и 8, и линейно изменяющиеся во времени напряжения с их выходов, соответственно диаграммы 24 и 25 поступают на вход блока деление 11. Так как интеграторы 9 и 10 начали работать одновременно, то на выходе блока деления 1! появляется постоянное напряжение {диаграмма 26), соответствующее отношению выходных напряжений с интеграторов 9 и IO.

По достижении выходным напряжением с датчика усилие 1 величины U (момент времени (, срабатывает компаратор 8 второго времяизмерительного блока 4, при этом с его выхода на вход интегратора 10 поступает нулевой потенциал (диаграмма 27), и интегратор 10 прекращает работу (диаграмма 25). В результате напряжение, поступающее на вход блока суммирования

l2, с блока деления 11 изменяется по экспоненте (согласно огношению напряжений с выходов интеграторов 9 и 10, диаграмма

26) .

Когда зонд 2 полностью погружен в грунт (момент времени tz), последний сразу же извлекается из него. Напряжение с датчика 1 возвращается в ноль (диаграмма 21), комнаратор 7 возвращается в исходное состояние (диаграмма 22), потенциал с третьего выхода 17 блока управления !

4 становится отрицательным, и компаратор

8 сохраняет свое состояние (диаграмма 27).

Интегратор 9 прекращает работу н напряжение с выхода блока деления 11 фиксируется (диаграмма 26). При этом с четвертого выхода 18 блока управления 14 на первь.й управляющий вход блока суммирования

12 поступает управляющий импульс 28, выходное напряжение с блока деления 11 суммируется уменьшенным в и раз с выходным напряжением блока 12 и запоминается в нем (диаграмма 29) . По окончании импульса 28 потенциал на первом выходе

15 блока управления 14 становится нулевым, и интеграторы 9 и 10 принимают исходное состояние. При проведении следующего измерения работа устройства повторяется в описанном порядке. ГIоскольку напряжения с интеграторов 9 и 10 связано с временем и усилием погру;. :.ения зонда

2 в грунт, то просуммированное отношение

lll6l10 соответствует средней глу()I!11(погружения зонда до заданного усилия.

Работа блока управления 14 состоит в следующем. (1ри срабатывании блока 7 (фиг. 1) на вход блока управления 14 поступает прямоугольный импульс (диаграмма 22), длительность которого равна времени погружения зонда в грунт на п»лную длину I.. От заднего фронта этого им«.ул),са (момент времени t3, диаграмма 22) срабатывает первый формирователь импульсов 35 (выполненный например в виде ждущего мультивибрат»ра), и на третьем выходе 18 блока управления 14 и. является прямоугольный импульс постоянной длительности (диаграмма 28), который своим поступлением иа управляющий вход второго источника опорного напряжения 34 блокирует постуиле»lit опорного напряжения (> на третий иых ., 17 блока управления, и Bhixo;ill<)o «!а ц:»жение с блока 8 (диаграмма 27) ос-::,.г«»

HB нулевом уровне. Так KHK пср<(! и 1>ь;хс) . .15 блока управления 14 подклк>чсн к „:«ду схемы ИЛИ 40, соединен«юй с Bxn toxi и выходом формирователя импульсов 35, то на ее выходе присутствует прямоугольный импульс, длительность котор»го (ди грамма 23) больше длительности прямоугольного импульса, поступающего на вход форх!Ировате1я импульсов 35, на величину длительности прямоугольного импульса с выхода формирователя 35. Далее от заднего фр»нта прямоугольного импульса с формирователя 35 счетчик числа измерений 37 перс:одит в следующее состояние, при этом в I x<),:t«loc на пряж . HHc остается нулевым, и срабатывает второй формировате«ь импульсов 36. При проведении следующего погружения зонда и его извлечении из грунта процесс повторяется.. Г1ослс проведения п измерений f!a выходе счетчи ха 37 появляется положительный потенциал, разрешающий tfpoxo)Kх> фронта этого им,!у. ьса срабатывает третий формирователь импульсов 39, при этом на пятый выход 19 блока управления 14 и вход сброса счетчика 37 поступает прямоугольный импульс (диаграмма 32), и все устройство возвра«цается в исходное состояние перед началом п измерений.

Работа блока суммирования 12 по функциональной схеме (фиг. 4) состоит в слеДУ«ОЩЕМ.

В исходном «остояиии конденсаторы 47 и 49 разряжены и на выход блока суммирования 12 поступает нулевой потенциал- с выхода второго повторителя 46 (диаграмма 29).

Во время извлечения зонда 2 из грунта на первый управляющий вход блока 12 с ticTвертого входа 18 блока управлсн«!я 14 поS

t0 (5 с с

30

40

50

55 (тх«1(!(. I x ПРИ B. !» к) I!Lll l! !I (! 1(. !!з((1!!)11 P(1 х!— ма 28) . . Iри эт«м «Ii »i)n i.,-!»t!,5> p;i (мыкается, а црный 13 з;))I«,«;;itт я Напр»ж(:иис, поступаю!!С((!I -1 I(xo:L О, l»K,! t x « :!> и " )! .12, умеиьшспнос; il раз с пс м<>1«; .!» ., . !Сг(—ля напряж li»H 41, посту«!Н(г !Iil у ;I матора 42 п<>сгх и;и г иулси()(и;)пряж«»li« с повторителя 48 (лк>ч -15 рал»мк!«уг и «шпряженис на к»ндсис аторс 49 Ост;«с г«я нулевым), то напряжение с делитсл» 11 li«ступает через с) xма)ор 1!апряж<1„:я 4" и;)

KoH tpHcHTop 47, который ларяж;1«г«»» д« его урогия. II» окончании им««ул,;1 "8 клк>чи 43 и 45 c»»TBc Toòâåíiit р;«з(1.:к:!«< .; >1 и замыкаются, конденсатор 49 ларяж.ц «я ..;. уровня напряжения к»ндснсат»ра выход оло.а 12 постх пас г н:) ир»,к!), фиг. 5). 11»слс второго извлечс ния з<н«да из груltT;1 >ширяжсние на кондснсат»1>! 47 равно с уммt. lf;)Hð»æåíèé Hа конд(ii«ПT»ð(49 (pc. уси iBT перво«о iuxi(pciftI») и с выхода делителя напряжения 41 (рел .:. T;IT

BTopoI» измс1)сния), KQTopo(. после в»лвра«цсHHB кл«очей 43 и 45 в исходное состояи!с пер«,1)ц тся на конденсатор 49. При третьем изи,«счснии з»н LB из грунт;> пр«цесс суммир«иания результатов IIBxt(p««II!» i"">Bò«ря(тсЯ li H3 к«нденс 1Торс 49 lto)III. »(т(»

На Пряж< l! HC, СООтпетстВуЮщ(Е CХ ММ трс X изм(рсiflili. Суммирование рсзул >I 1!1<>и илмерени» происход««г вплоть дс> и-г» 11»l р)—

Ф жения зонда B гру«гг, по ок»нч:)нии к»т«р»го и извлечении зон ц). а THK)K(п»сл(«».— вращения кл«очей 43 и -!5 в исx<)i «»с «»«I »>iние на э 1с меHT liB мЯти 13 и Ii! c t «11 и . 1ход 20 блока управления 14 п»стук: «l пульс управления (диаграмм» 3>(1. В р,— зультатс напряжение с вых< да !» .:,;i < уx:,мирования 12, соедин«HH»I г;«к;,(< ьы

ХОДОМ ПОВт»рнтЕЛЯ Нанряже!ill» .(>, с >«; ветствук)щее сумме и результат»в и",(>1(; < ии, уменьшенной в и раз (благо);)р>:.И.«ичи«» делит(ля напряжения 41), лаи(>мина«тс» в элементе памяти 13 (диаграмм;: 31) . I!<> окончании импульса управлени» 3(1 «ш ВТ«рОИ у!«рав,!яющий Вх»д (. %xi xI HT»pH с tt»T» го выхода 19 блока угравлспия 1-1 пост)!IB(I управляющий импульс 32, тр< гий клю > 18 замыкается и разряжает кондеH(ат»р 47.

При этом напряжение на кондс н«а г»рс 4!) также нулевое, и устройство при ним«)с 1 ис;одное состояние перед началом K»IITp(— ля.

Устройство контроля If«!oòíoñòè грунта

ПЕа.<ИЗОВаНО На аиаЛ(н OBulX ЭЛС МЕНтаХ по известным схемным рсшеииям. Гак, компараторы собраны «f f прсцсзионныx компараторах 521 CAI, интеграторы — — иа основе слаботочных стабилил«)горов т«кз, 1(»дключенных к конде!1(! г»ру и пит;1«оп«их«я »Т выходьог» напр»жt Hÿ «хех) cp;)f)Hå»èÿ. Блок деления также собран tio известной схеме, 111б110

22

2б

Фиг.2 блок управления — на логических элементах 155 серии. В качестве сумматора и запоминающего блока используются соответственно переработанные генератор ступенчатого напряжения и схема выборки хранения. В качестве датчика усилий используется датчик давления на основе дифференциального пьезоэлектрического трансформатора.

Испытания устройства показывают, что разброс показаний уменьшается в 4-8 раз, что приводит к снижению погрешности измерения до 2%, которая для известного способа и устройства составляет 4-8%. Число замеров при этом увеличивается до 200300 за 1 ч. Кроме того, предлагаемые способ и устройство позволяют повысить точность контроля.

Фи1. J

11uz. Ф

Составитель А. Кузнецов

Редактор А. Гулько Техред И. Верес Корректор И. Муска

Заказ 6880/23 Тираж 518 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4