УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРОВЕРКИ ПАРАМЕТРА КОНСТРУКЦИИ
DEVICE AND METHOD TO CHECK PARAMETER OF STRUCTURE

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка и приоритет данной заявки заявляется по предварительной заявке на патент США №61/143576, поданной 9 января 2009 года, полное описание которой включено в данный документ путем конкретной ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Данное изобретение относится к земляным инженерно-техническим работам, в частности, имеющим отношение к возведению коротких колонн из заполнителя. Более конкретно, данное изобретение относится к устройству и способу контроля качества для уменьшения затрат на возведение коротких колонн из заполнителя, а также совершенствования строительства указанных колонн.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Известно, что при недостаточной несущей способности грунта выполняют его упрочнение путем закладки в грунт коротких колонн из заполнителя, например как описано в патенте США №5249892, содержание которого полностью включено в данный документ путем ссылки. Как правило, короткие колонны из заполнителя возводят на месте проведения работ путем уплотнения каждого из тонких пластов или слоев заполнителя внутри полости, образованной в грунте. При уплотнении каждого слоя вертикально направленные прижимающие силы передаются через заполнитель в вертикальном и боковом направлении, в наружном направлении к окружающему грунту. Колонна, полученная в результате вертикального «укладывания» слоев, каждый из которых уплотнен перед формированием следующего слоя и состоит из элементов заполнителя, отличается возможностью передачи сравнительно большой части нагрузки в наружном и боковом направлениях прилегающему, предварительно напряженному грунту. Короткие колонны из заполнителей, применяемые в сфере гражданского строительства, были признаны принципиально новым решением, отчасти потому, что они обеспечивают повышенную несущую способность в грунтовых средах, в которых строительство фундаментов надлежащего качества иным способом было бы дорогостоящим или практически невозможным.
[0004] Были предприняты многочисленные попытки, направленные на улучшение технологичности коротких колонн из заполнителя, снижающее их стоимость, а также на расширение области их применения и модернизацию их конструкции. Один способ формирования короткой колонны из заполнителя описан в патенте США №6354766. В патенте описаны лазеры, установленные на отдельно стоящих устройствах, например на треногах, которые представляют препятствие для трамбующего устройства в процессе строительных операций, и используемые для определения параметров готовой опоры в конце операции трамбования в верхней части опоры. Один из недостатков данного решения заключается в том, что лазеры не способны учитывать перемещение системы молота в процессе трамбования. Более конкретно, при трамбовании колонны системой, молот и вал трамбователя сообщают динамическое возвратно-поступательное перемещение верхней части колонны. С помощью лазерной системы можно измерять положение неподвижного объекта. Однако эту известную систему нельзя применять для измерения характеристик каждого слоя заполнителя, укладываемого в процессе возведения колонны. В настоящем изобретении предложены несколько уникальных и новых технологий, которые устраняют недостатки систем, подобных системам, описанным в патенте США №6354766, и которые включают новейшие способы и применение новейшего устройства контроля качества, дающие преимущества снижения стоимости возведения коротких колонн из заполнителей и/или усовершенствования, касающиеся их возведения.
[0005] Поскольку использование коротких колонн из заполнителя является целесообразным, что отчасти обусловлено их экономичностью, желательно предложить такие строительные технологии, которые по сравнению с известными технологиями обеспечат снижение стоимости указанных колонн, причем такое снижение стоимости получают, например, путем контроля параметров жесткости колонны в режиме реального времени во время процесса возведения колонны, а не после того, как строительство колонны завершено. Кроме того, желательно предложить способы и устройства, обеспечивающие получение показателей жесткости и других параметров коротких колонн из заполнителя в процессе их возведения, для подтверждения соответствия каждой колонны, возводимой на конкретном месте, заданным расчетным условиям.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] В одном аспекте изобретения предложено устройство для измерения параметра колонны из заполнителя, возводимой путем ее трамбования с помощью вертикально направленной возвратно-поступательной внешней силы, причем перед добавлением и уплотнением нового слоя заполнителя, в верхней части колонны в режиме реального времени проводят измерение отклонения, чтобы убедиться в соответствии каждого слоя заданному параметру. Система датчиков обеспечивает измерение углов, соответствующих различным частям уплотняющей машины, выполняемое для определения момента достижения порогового значения. Для учета вибрации, возникающей в результате работы молота уплотнительной машины и приводящей к вариациям величины углового измерения, к измеренным значениям угла применяют фильтрующий алгоритм.
[0007] В другом аспекте предложен способ возведения короткой колонны из заполнителя в грунтовой основе. В грунте создают полость и последовательно заполняют ее слоями заполнителя. Начинают трамбование. Отклонение каждого слоя измеряют неоднократно в процессе уплотнения, для определения модуля жесткости каждого слоя, пока не достигнут заданного значения и не добавят новый слой.
[0008] Измерение параметра слоев заполнителя желательно проводить в процессе уплотнения колонны (а не измерять однократно параметр всей колонны по ее завершении), причем указанное измерение выполняют с целью: 1) обеспечения соответствия каждого уплотненного слоя заполнителя конструктивным требованиям по указанному параметру и 2) увеличения скорости уплотнения, таким образом, не тратится дополнительная энергия на уплотнение, после того, как достигнуто пороговое или целевое значение указанного параметра слоя заполнителя. Настоящее изобретение обеспечивает решение указанных задач контроля качества.
[0009] Согласно изобретению, предложены различные варианты выполнения нового и усовершенствованного устройства проверки параметра строительства, а также способ указанной проверки. Предложены методики проверки таких показателей качества коротких колонн из заполнителя, как жесткость. В предпочтительном варианте выполнения изобретения измеряют и регистрируют вертикальное положение строительного трамбователя (или молота) в процессе трамбования или уплотнения. Вычисляют величину жесткости уплотненного заполнителя для каждого слоя и составляют электронный отчет возведения колонны из заполнителя.
[0010] Изобретение предназначено для проверки таких характеристик короткой колонны из заполнителя, как модуль жесткости, выполняемой на месте проведения работ и в процессе возведения, а не после окончания возведения колонны. Изобретение обеспечивает возможность измерения отклонения слоя заполнителя с течением времени, выполняемого с целью определения жесткости каждого слоя колонны в ходе ее возведения. Поскольку вычисление жесткости производят в процессе возведения колонны, проверку каждой колонны на соответствие строительным нормативам выполняют в режиме реального времени, что устраняет любую необходимость повторной подачи энергии, затрачиваемой на уплотнение, включая возможное частичное повторное бурение и повторное возведение колонны (что в настоящее время имеет место для колонн, имеющих недостаточную жесткость). Кроме того, измерение жесткости в процессе строительства обеспечивает проектную несущую способность колонны.
[0011] Указанные и другие преимущества и отличительные особенности изобретения изложены в прилагаемой формуле изобретения и выделены в дополнительный раздел. Тем не менее для лучшего понимания изобретения, а также преимуществ и целей, достигаемых в процессе его использования, должна быть выполнена ссылка на чертежи и прилагаемый текстовый материал, в котором описаны примеры вариантов выполнения изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Фиг.1А и фиг.1b представляют собой схематические виды устройства, применяемого согласно изобретению, и иллюстрируют осуществление способа согласно изобретению.
[0013] Фиг.2 представляет собой вид сбоку слоев заполнителя, располагаемых в полости для образования короткой колонны из заполнителя, согласно изобретению.
[0014] Фиг.3 представляет собой график, иллюстрирующий способ применения алгоритма фильтрации.
[0015] Фиг.4 изображает частотную характеристику фильтра по линейной шкале.
[0016] Фиг.5 изображает частотную характеристику фильтра по логарифмической шкале.
[0017] Фиг.6 изображает исходные и отфильтрованные угловые величины, полученные согласно изобретению для гла наклона стрелы.
[0018] Фиг.7 изображает исходные и отфильтрованные угловые величины, полученные для угла наклона рукояти или молота.
[0019] Фиг.8 иллюстрирует результаты вычисления временного модуля согласно изобретению.
[0020] Фиг.9 иллюстрирует результат фильтрации величин угловых измерений по вычисленным значениям HS.
[0021] Фиг.10 иллюстрирует результат фильтрации значений HS.
[0022] Фиг.11 иллюстрирует результат фильтрации по вычисленным значениям временного модуля.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0023] Описано устройство, предназначенное для измерения в динамике по времени модуля жесткости колонны из заполнителя, возводимой путем уплотнения колонны с помощью оказываемого в вертикальном направлении возвратно-поступательного внешнего воздействия. В ходе строительства в режиме реального времени измеряют отклонение в верхней части колонны, и результаты измерений динамического отклонения обрабатывают с помощью компьютерной программы, которая фильтрует данные и выдает сглаженную кривую модуля. Система содержит устройство обработки данных, которое описано далее, и устройство измерения.
[0024] В предложенной системе может быть применена технология микроэлектромеханических систем («МЭМС»), используемая для определения положения трамбующего устройства в процессе строительства. Общеизвестно, что МЭМС представляет собой комплекс механических элементов, датчиков, исполнительных механизмов и электронных устройств, выполненных на силиконовой подложке с помощью микротехнологии. На фиг.1а изображены расположенные отдельно датчики 12, определяющие местоположение трамбующего устройства и его молота 51 в процессе строительства, а также устройство 14 обработки данных, имеющее дисплей или иное устройство типа принтера, расположенное в кабине оператора трамбующего устройства 10, выполненного согласно изобретению.
[0025] Хотя на фиг.1а по существу проиллюстрирован пример расположения датчиков 12 и устройства 14 обработки данных, понятно, что расположение датчиков 12 будет определяться типом используемой системы датчиков. Следовательно, если, к примеру, применяют такую серийно выпускаемую систему, как система, поставляемая с товарным знаком Trimble GCS, предназначенная для нивелирования строительной техники, местоположение датчиков будет задано изготовителем указанных систем.
[0026] В случае применения устройства 10, изображенного на фиг.1b, в примере варианта выполнения у основания стрелы может быть установлен датчик тангажа и крена. Продольная ось датчика может быть ориентирована параллельно оси стрелы. Датчик угла поворота стрелы может быть установлен на боковой поверхности стрелы 63 и его продольная ось ориентирована параллельно линии 39, проходящей от центра 17 вращения стрелы/корпуса до центра вращения 19 стрелы/рукояти. Датчик угловых перемещений рукояти может быть установлен на боковой поверхности рукояти 61, и его продольная ось ориентирована параллельно линии 45, проходящей от центра 19 вращения стрелы/рукояти до центра 23 вращения рукояти/молота.
[0027] При применении системы Trimble GCS 600, датчики соединяют с устройством 14 обработки данных в соответствии техническим описанием данной системы.
[0028] Согласно фиг.1b, молот 51 оказывает динамическое воздействие на возводимую колонну. В процессе трамбования динамическое воздействие вызывает высокочастотную вибрацию системы. Используемые МЭМС датчики регистрируют точное положение рукояти 61 и стрелы 63 трамбующего устройства 10 с высокой частотой, отслеживая динамическую реакцию системы, и описывают ориентацию механизма.
[0029] Как объяснено далее со ссылкой на чертежи, положение молота 51 отражается на графике в динамике по времени в процессе уплотнения одного слоя заполнителя. При этом имеют место три явления, а именно: 1) в ходе трамбования молот 51 перемещается вниз, 2) местоположение молота 51 в процессе трамбования изменяется, что обусловлено вибрациями, вызванными молотом 51 в процессе трамбования и 3) общая интенсивность отклонения вниз уменьшается со временем.
[0030] Вертикально направленное возвратно-поступательное внешнее воздействие оказывает трамбователь с гидравлическим приводом, прикрепленный к молоту 51 экскаваторного и трамбующего устройства 10, как изображено на фиг.1b. В примере варианта выполнения приведенные ниже размеры компонентов трамбующего устройства 10, изображенного на фиг.1b, измерены и известны. К ним относятся:
1. Длина (LM) 11 механизма представляет собой измеряемое по горизонтали расстояние от центра 17 вращения стрелы/корпуса до центра 31 вращения корпуса.
2. Высота (НМ) 13 механизма представляет собой измеряемое по вертикали расстояние от центра 17 вращения стрелы/корпуса до основания 27 гусениц механизма (земли).
3. Длина (BL) 15 стрелы представляет собой расстояние от центра 17 вращения стрелы/корпуса до центра 19 вращения стрелы/рукояти.
4. Длина (SL) 21 рукояти представляет собой расстояние от центра 19 вращения стрелы/рукояти до центра 23 вращения рукояти/молота.
5. Угол 25 (гамма - γ) наклона стрелы/корпуса представляет собой угол, образованный основанием 27 гусениц механизма (землей) и линией 29 между центром 31 вращения корпуса и центром 17 вращения стрелы/корпуса.
6. Расстояние (DM) 33 механизма представляет собой расстояние от центра 31 вращения корпуса до центра 17 вращения стрелы/корпуса.
[0031] В трамбующем устройстве 10 может быть применена МЭМС технология, используемая в системе измерения угловых перемещений с применением датчиков, например, такой как серийно выпускаемая система под названием Trimble GCS 600, установленная обычным способом на компонентах трамбующего устройства 10 с целью измерения углов ориентации механизма в режиме реального времени. Углы измеряют по отношению к горизонту относительно трамбующего устройства 10, при этом выполняют измерения перечисленных ниже величин:
1. Угол 35 (альфа - α) наклона стрелы представляет собой угол между горизонтальной линией 37 и линией 39 между центром 17 вращения стрелы/корпуса и центром 19 вращения стрелы/рукояти.
2. Угол 41 (бета - β) наклона рукояти представляет собой угол между второй горизонтальной линией 43 и линией 45 между центром 19 вращения стрелы/рукояти и центром 23 вращения рукояти/молота.
3. Продольный наклон 47 (LS) представляет собой угол между горизонтом и продольной осью корпуса механизма.
4. Поперечный наклон (CS) представляет собой угол между горизонтом и поперечной осью корпуса трамбующего устройства 10 (не показан на фиг.1b).
[0032] Вибрации, возникающие в процессе работы молота 51 трамбующего устройства 10, влияют на датчики, установленные на указанном устройстве с целью измерения угловых перемещений, и приводят к разбросу величин угловых измерений. Обработку угловых измерений с учетом данного наведенного разброса выполняют с применением алгоритма фильтрации, получая отфильтрованные величины угловых измерений. Фильтр может использовать алгоритм Паркса-МакКлелана с равномерными пульсациями, основанный на алгоритме обмена Ремеза, с целью получения фильтра оптимальной линейной фазы, аппроксимирующего нужную частотную характеристику способом, понятным специалистам в данной области техники, с учетом описания данного документа. С помощью алгоритма получают сглаженные графики значений отклонений, как описано в данном документе, что обеспечивает интерпретацию данных. Фильтр создают с использованием команды REMEZ (N, F, A, W) в пакете программ Matlab, причем:
N+1 - число представляет собой число отсчетов фильтра;
F - границы частотного диапазона в долях от частоты Найквиста;
A - нужные значения частотной характеристики на краях диапазона;
W - значения весовых коэффициентов для полосы пропускания и полосы задерживания.
[0033] Фильтр, применяемый в примере варианта выполнения, представляет собой фильтр, рассчитанный на обработку 35 отсчетов за один цикл, синтезированный функцией
REMEZ (34, [0 0,01 0,1 1], [1 1 0 0], [1, 3], как показано на фиг.3.
[0034] Полученный в результате фильтр масштабирован таким образом, что коэффициент по постоянному току («DC») равен 1 в соответствии с:
h=h/сумма (h)
и весовые коэффициенты масштабированного фильтра следующие:
1. 0,007125044906646
2. 0,005943054100178
3. 0,008199587605973
4. 0,010822522399877
5. 0,013794983660447
6. 0,017073009490180
7. 0,020603266578722
8. 0,024304546620220
9. 0,028097813618765
10. 0,031881797182137
11. 0,035555749201273
12. 0,039019795063257
13. 0,042150954045455
14. 0,044871906212448
15. 0,047082607397000
16. 0,048719345391338
17. 0,049721660761634
18. 0,050064711528905
19. 0,049721660761634
20. 0,048719345391338
21. 0,047082607397000
22. 0,044871906212448
23. 0,042150954045455
24. 0,039019795063257
25. 0,035555749201273
26. 0,031881797182137
27. 0,028097813618765
28. 0,024304546620220
29. 0,020603266578722
30. 0,017073009490180
31. 0,013794983660447
32. 0,010822522399877
33. 0,008199587605973
34. 0,005943054100178
35. 0,007125044906646.
[0035] График частотной характеристики фильтра в линейном масштабе изображен на фиг.4, а в логарифмическом масштабе - на фиг.5.
[0036] Кроме того, на фиг.6 и фиг.7 изображены примеры исходной и отфильтрованной угловой характеристики для угла наклона стрелы (угол α) и угла наклона рукояти (угол β), соответственно.
[0037] Отфильтрованные частотные характеристики для четырех измеренных углов (α, β, CS и LS) и известные размеры механизма используют для вычисления высоты 53 (HS) центра вращения рукояти/молота в режиме реального времени. Как изображено на фиг.1b, значение HS 53 в любой точке на любой момент времени представляет собой сумму высоты (VM) 55 механизма и измеряемого по вертикали расстояния (DV) 57 между центром 17 вращения стрелы/корпуса и центром 23 вращения рукояти/молота.
[0038] Применительно к фиг.1b выполняют приведенные ниже вычисления:
<mrow><mtext> </mtext><mi>V</mi><mi>M</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>L</mi><msup><mi>M</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>H</mi><msup><mi>M</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>*</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>L</mi><mi>S</mi><mo>+</mo><mi>γ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
DV=(BL*sinα+SL*sinβ)*cosCS
HS=VM+DV
0
t
t
t
[0039] При запуске процесса трамбования слоя заполнителя колонны устройство 10 включает систему, обеспечивающую измерение углов в вышеуказанных местоположениях, определение отфильтрованной частотной характеристики для каждого угла и вычисление исходной высоты рукояти (HS). В ходе трамбования устройство вычисляет высоту (HS) рукояти в момент времени t, предпочтительно примерно 9 раз в секунду. Далее вычисленное значение HS фильтруется с использованием метода скользящего среднего с 27 отсчетами и используется для вычисления временного модуля (M), как показано на фиг.8. Временной модуль представляет собой величину, обратную углу наклона кривой зависимости отфильтрованных значений HS от времени.
t
t
[0040] Результат применения фильтров данных заключается в уменьшении разброса вычисленных значений HS, которое будет достаточно для получения показательных вычисленных значений M. На фиг.9 изображен результат фильтрации величин угловых измерений по вычисленным значениям HS, тогда как на фиг.10 изображен результат фильтрации значений HS.
t
t
t
t
[0041] Результат применения фильтров данных к вычисленным значениям M представлен на фиг.11. Кривая зависимости HS от времени имеет очень большой разброс, если HS вычисляют с использованием величин исходных угловых измерений, см. фиг.9, и величина наклона кривой является высокой. Временной модуль (M) представляет величину, обратную углу наклона кривой зависимости HS от времени и, следовательно, значения M, вычисленные без применения фильтрации, всегда малы и трудны для интерпретации. Значения M, вычисленные с использованием отфильтрованных значений углов и отфильтрованных значений HS, представляют базовый признак и, таким образом, являются показательными при измерении жесткости слоя колонны в режиме реального времени. Соответственно, после уменьшения отклонения до заданной величины (меньшего значения), которое определено из вычислений, процесс трамбования можно остановить и добавить необходимое количество нового заполнителя.
[0042] Как следует из приведенного выше описания, возможно применение серийно выпускаемых систем для нивелирования экскаваторов, например, системы Trimble GCS 600 для измерения высот. Кроме того, можно использовать другие компоненты, например, ПК Panasonic Toughbook U1 и специализированное программное обеспечение для фильтрации и регистрации данных, что очевидно для специалистов в данной области техники из приведенного выше описания.
[0043] Понятно, что на практике изобретение включает измерение углов 61 и 63 наклона рукояти и стрелы трамбующего устройства, и преобразование соответствующих значений углов для получения высоты трамбователя. Как правило, высоту измеряют примерно десять (10) раз в секунду и записывают в виде исходных данных. Для фильтрации данных (которые принимают или корректируют с учетом вибрации трамбователя и т.п.) применяют вышеописанный программно реализованный алгоритм, как изображено на прилагаемых чертежах. Полученные кривые моделируют жесткость слоя заполнителя, и, когда угол наклона кривых достигает некоторого заданного угла, считают, что требуемый параметр достигнут. Например, как изображено на фиг.8, временной модуль при времени трамбования, составляющем 14 секунд, равен 2,7 секунд/дюйм. При времени трамбования, составляющем 17 секунд, значение временного модуля увеличивается до 7,1 секунд/дюйм. Если для конструкции установлен пороговый временной модуль равный 7 секундам/дюйм, то для соблюдения условия указанного параметра слой заполнителя нужно трамбовать в течение примерно 17 секунд.
[0044] В различных условиях эксплуатации и строительства типовой процесс будет включать испытание динамометрической колонны с целью получения заданной базовой точки для данного конкретного объекта. Затем эти конкретные данные применяют при возведении колонн в ходе всего процесса строительства. В ходе строительства выполняют проверку параметра каждого слоя заполнителя, что обеспечивает контроль качества, необходимый для соответствия каждой колонны строительным нормативам.
[0045] Кроме того, изобретение включает применение стандартизированных аппаратных средств регистрации данных, а также реле давления, установленного в трубопроводе гидравлической системы для запуска/прекращения регистрации данных, определение показателя качества заполняющего слоя, наличие индикатора рабочего состояния молота, и использование датчика вертикальности молота. Помимо прочего, можно определить показатель качества колонны, исходя из комбинации показателей качества каждого слоя заполнителя.
[0046] Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения относится к прилагаемым чертежам, на которых проиллюстрированы конкретные варианты выполнения изобретения. Другие варианты выполнения, предполагающие отличающиеся конструкции и режимы эксплуатации, не выходят за рамки объема настоящего изобретения. Термин «изобретение» или ему подобный используют применительно к отдельным конкретным примерам многочисленных альтернативных аспектов или вариантов выполнения представленного Заявителем изобретения, изложенным в данном описании, и ни его применение, ни его отсутствие не ограничивает объем заявленного изобретения или объем формулы изобретения. Данное описание разделено на разделы исключительно для удобства чтения. Заголовки не следует считать ограничивающими объем изобретения. Понятно, что разные детали настоящего изобретения могут быть изменены, не выходя за рамки объема настоящего изобретения. Более того, приведенное выше описание выполнено исключительно с иллюстративной, а не ограничивающей целью.