СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DYNAMIC PROBING OF SOILS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области строительства, а именно к исследованию физико-механических характеристик грунтов динамическим зондированием.
Известна установка УБП-15М (ВНИИ транспортного строительства, Руководство по электроконтактному динамическому зондированию грунтов, Москва, 1983), в которой зонд с наконечником и штангой внедряется в грунт при помощи ударно-канатного механизма. Груз поднимается лебедкой, а затем сбрасывается. Показания снимаются визуально. Такой способ имеет низкую производительность и небольшую глубинность исследования. Реализующее способ устройство имеет большие массогабаритные показатели.
Известна также гидроударная машина согласно патентам №2229559 и №2252299, которая имеет достаточно высокую производительность и предназначена для внедрения в грунт зонда. Масса гидроударной машины около 75 кг, тогда как установка УБП-15М имеет массу 1100 кг. Однако данная машина не может реализовать способ, обеспечивающий высокую производительность и глубинность исследований.
Из заявки на изобретение №2008125936 известен выбранный в качестве ближайшего аналога способ исследования грунтов динамическим зондированием, включающий погружение зонда в грунт посредством ударов и определение физико-механических характеристик грунта датчиками по параметрам воздействия грунта на датчики, отличающийся тем, что определение характеристик производят применением тарированной, снабженной датчиками мездозы измерительной электронной системы, приемом сигналов от датчиков, их усилением, преобразованием в цифровой код аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), регистрации, обработки и передачи в блок информации-управления. Однако он также не обеспечивает высокой производительности и глубинности исследований. Устройство, реализующее способ и выбранное в качестве ближайшего аналога, содержит штангу, зонд с конусным наконечником, ударное устройство, средства извлечения зонда из грунта, размещенную в наконечнике зонда измерительную систему, включающую датчики, усилители, АЦП, блок регистрации, выполненный с возможностью передачи данных во внешний блок обработки информации, снабженный программным обеспечением. Устройство обладает теми же недостатками, что и реализованный в нем способ.
Изобретение направлено на решение задачи повышения технологичности, производительности и глубинности исследований.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе динамического зондирования грунтов, при котором погружают штангу с зондом в грунт посредством периодических ударов и во время каждого удара определяют параметры воздействия грунта па датчики измерительной системы, обеспечивая усиление сигналов от датчиков, их аналого-цифровое преобразование, регистрацию и передачу данных, включая зависимость перемещения зонда от времени, и зависимость изменения лобового сопротивления от времени, во внешний блок обработки данных с помощью соответствующего программного обеспечения, в результате чего определяют физико-механические характеристики грунта, предлагается зонд погружать в грунт с помощью гидроударной машины, подъем гидроударной машины после внедрения штанги с зондом, а также извлечение штанги с зондом после внедрения зонда на заданную глубину производить гидроподъемниками, дополнительно для измерения перемещения зонда при ударе использовать внешний датчик перемещения с автономным регистратором, регистрацию данных производить с помощью блока регистрации, приспособленного для непосредственного соединения с внешним блоком обработки данных (компьютером), а для определения характеристик грунта производить математическое моделирование и решать обратную задачу на основе экспериментальных зависимостей перемещения зонда от времени, изменения лобового сопротивления от времени и других данных.
Сущность изобретения также заключается в том, что в устройстве для динамического зондирования грунта, содержащем штангу, зонд с конусным наконечником, ударное устройство, средства извлечения зонда из грунта, размещенную в наконечнике зонда измерительную систему, включающую датчики, усилители, АЦП, блок регистрации, выполненный с возможностью передачи данных во внешний блок обработки информации, снабженный программным обеспечением, предлагается ударное устройство выполнить в виде гидроударной машины, средства извлечения зонда из грунта выполнить на основе гидроподъемников так, что они обеспечивают подъем гидроударной машины после внедрения штанги с зондом, а также извлечение штанги с зондом после внедрения зонда на заданную глубину, дополнительно для измерения перемещения зонда при ударе ввести внешний датчик перемещения с автономным регистратором, блок регистрации приспособить для непосредственного соединения с внешним блоком обработки данных (компьютером), внешний блок обработки данных снабдить программным обеспечением для определения характеристик грунта путем математического моделирования и решения обратной задачи на основе экспериментальных зависимостей перемещения зонда от времени, графиков изменения лобового сопротивления от времени и других данных.
Использование миниатюрного электронного блока регистрации для записи и хранения информации при зондировании, помещаемого в наконечник зонда, обеспечивает высокую производительность и технологичность исследований. Для более точного измерения перемещения зонда при ударе используется внешний датчик перемещения с автономным регистратором. Характеристики грунтов определяются не по таблицам, так как таблицы в СП 11 - 105 - 97 даны только для песчаных грунтов, а по данным динамического зондирования и математического моделирования.
На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ динамического зондирования грунтов. На фиг.2 приведена блок-схема наконечника зонда. На фиг.3 приведены графики изменения силы лобового сопротивления от одного удара в различных типах грунтов. На фиг.4 приведены графики перемещения зонда от одного удара в различных типах грунтов.
Устройство для динамического зондирования грунтов, приведенное на фигурах 1,2 может быть установлено, например, на автомашине (на фигурах не показана). Оно содержит ударное устройство (устройство погружения зонда), выполненное на основе гидроударной машины. Наконечник 1 зонда включает в себя акселерометр 2 и тензодатчики 3, которые с помощью соответствующих связей 4,5 соединены со входами быстродействующего блока регистрации - логгера 6. В наконечнике 1 зонда также имеется соединенный с логгером 6 связью 7 блок 8 питания. Гидроударная машина 10 установлена на штанге 11 и приводится в действие не показанной на фигурах масляной станцией с клапаном-регулятором 9. В начале погружения гидроударная машина 10 занимает верхнее исходное положение, затем в процессе погружения опускается в предельное нижнее положение. Перевод гидроударной машины 10 из нижнего положения в исходное верхнее положение производится при помощи гидроподъемников 13. Гидроподъемники 13 также используются для извлечения штанги 11 после окончания погружения. Датчик 12 перемещения используется для регистрации графика перемещения зонда.
При динамическом зондировании наконечник 1 зонда внедряется в грунт посредством ударов. При ударе возникают ускорения. Ускорения фиксируются при помощи акселерометра 2. Тензодатчики 3, установленные внутри полого цилиндра опирающегося на конусную часть наконечника зонда 1, фиксируют усилие лобового сопротивления конуса при его внедрении в грунт. На фиг.3 показаны графики изменения силы лобового сопротивления в различных типах грунтов. Логгер 6 предназначен для регистрации, записи и хранения данных, поступающих от акселерометра 2 и тензодатчиков 3. Для этого логгер 6 содержит не показанные на фигурах ЛЦП (аналого-цифровой преобразователь) и блок памяти. Проинтегрировав по времени ускорения, которые регистрируются акселерометром 2, можно определить скорость внедрения зонда. Далее, если вторично проинтегрировать ускорения, то есть теперь уже скорость, то в итоге узнаем перемещения зонда во времени. Графики перемещения зонда во времени в различных типах грунтов показаны па фиг.3.
В предлагаемой технологии для определения строительных свойств грунтов применяется математическое моделирование взаимодействия зонда с грунтом на основе нелинейной механики грунтов и программного обеспечения. Моделирование напряженно-деформированного состояния грунтов, которое используется в нашей технологии, усложняется тем, что приходится решать обратную задачу. При решении обратной задачи в качестве исходной информации используются экспериментальные данные. Мы имеем экспериментальные графики перемещения зонда во времени, фиг.3, графики изменения лобового сопротивления во времени, фиг.2 и другие данные (частота колебаний зонда, сила удара, ускорение удара и др.). Путем математического моделирования мы строим аналогичные виртуальные графики. Далее путем оптимизационных расчетов мы приближаем виртуальные графики к экспериментальным до заданной степени точности. Когда это нам удается, то мы говорим, что грунт имеет такие же значения параметров строительных свойств, как в виртуальной модели. Пакет программ разработан так, что позволяет описывать движение наконечника зонда в грунтовой среде с получением графиков, аналогичных реальным графикам динамического зондирования, приведенным на фигурах 3, 4. Путем решения оптимизационной задачи можно добиться максимального приближения расчетных графиков к реальным. При их совпадении с допустимой точностью делают вывод о том, что параметры грунта совпадают со значениями в расчетной модели.