УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПОЧВОГРУНТОВ ВРАЩАТЕЛЬНЫМ СРЕЗОМ

Предлагаемая полезная модель относится к сельскому хозяйству, точнее к почвоведению, грунтоведению и может быть использована для определения физико-механических свойств почв и грунтов, характеристики которых используются в агрономии, мелиорации, при расчетах технологических параметров глубокого рыхления почв, при оценке экологического состояния почв агро- и фитоценозов, а также в гидротехнике и дорожном строительстве для оценки степени уплотнения насыпей и грунтовых плотин.
Твердость почво-грунта определяют двумя основными способами: статическим (позиционным) и динамическим (непрерывным) по традиционной методике с помощью микропенетрометра или плунжера (Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М., Агропромиздат, 1986, с.416).
В позиционной схеме наконечник пенетрометра или плунжер движутся перпендикулярно открытой поверхности почвы (дневная поверхность, стенки шурфа), при непрерывном измерении, как правило, параллельно дневной поверхности на постоянной глубине почвы.
Для получения статистически достоверных данных измерения производят в 50-200 точках по слоям почвенного профиля вертикальной стенки шурфа, либо на рабочей глубине в плане поверхности почвы.
Измерение твердости почво-грунтов с помощью микропенетрометра предполагает необходимые подготовительные работы: рытье шурфа, выравнивание и шлифовку его стенок, что исключает проведение большого объема таких измерений.
Погружение плунжера на глубину 60-70 см требует больших усилий погружения, точность измерений значительно снижается за счет влияния скорости движения плунжера в толще субстрата.
Недостатком вышеназванных устройств является невысокая точность, невозможность проведения измерений на большой глубине (более 40 см), сложность и громоздкость конструкции для проведения измерений в экспедиционных условиях.
Наиболее близким предлагаемому является устройство для испытания грунтов вращательным срезом, включающее штангу с рукояткой, режущий механизм в виде четырех лопастей, попарно размещенных в одной плоскости, и измерительную головку (Ав.св. СССР №380981, G01N 3/42, 1966).
Недостатком этого устройства является низкая точность, особенно при испытании слабых грунтов, так как при задавливании лопастей структура грунта нарушается.
Целью предлагаемого технического решения является получение в полевых условиях достоверной и точной информации о твердости почвы и грунта по всему профилю до глубины 2,5-3 м. при сокращении временных и трудовых затрат.
Достич поставленной цели позволяет предлагаемое устройство для измерения твердости почво-грунтов вращательным срезом, включающее штангу с рукояткой, режущий механизм в виде лопастей и измерительную головку, которое снабжено пружинной муфтой, размещенной на штанге с возможностью свободного вдоль нее перемещения, режущий механизм содержит закрепляемый на штанге стальной цилиндр с установленной на нем цилиндрической центровочной муфтой, нижний торец которого имеет глубокое резьбовое отверстие под установочный винт, которым фиксируется пара режущих лопастей-клиньев в виде пропеллера, закрепленных на его плоской головке с возможностью их свободного поворота в вертикальной плоскости и принятия V-образного и А-образного положения, а в фиксированном состоянии - положения под углом 90° к оси штанги, при этом угол ά между режущими гранями клиньев составляет 15-35°.
Кроме того, для измерения твердости верхних слоев грунта установочный винт устройства может иметь симметричное относительно головки цилиндрическое продолжение с концевой резьбой, на котором крепится центровочная муфта, а режущий пропеллер имеет обратную ориентацию.
Устройство также может быть смонтировано на разборной штанге почвенного бура, а в качестве средства для измерения сопротивления почво-грунта оно может содержать динамометрический ключ.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами и фотографиями, где на фото 1 - представлен вид устройства в натуре; на фиг.1 - общий вид устройства, режущие клинья в положении в V-образном положении для - погружения в скважину; на фиг.2 - режущий механизм в рабочем состоянии (вид спереди); на фиг.3 - режущий механизм в рабочем состоянии (вид сбоку); на фиг.4 - режущий механизм в рабочем сосотоянии (вид снизу); на фиг.5 - режущий механизм в рабочем состоянии для измерения твердости верхнего слоя почвы; на фиг.6 - профиль режущего клина, сеченин по А-А на фиг.2; на фиг.7 - профиль режущего клина при обратной ориентации пропеллера, сечение Б-Б на фиг.5; фото. 2 - положение режущих лопастей-клиньев при погружении в скважину и на фото 3 - то же в рабочем положении в натуре.
Устройство, общий вид которого при минимальной длине штанги приведен на фото 1 и фиг.1, включает штангу почвенного бура 1 с рукояткой, пружинную муфту 2, измерительную головку 3 и режущий механизм.
Режущий механизм устройства (фиг.2) содержит стальной цилиндр 4, на который насажена цилиндрическая центровочная муфта 5. Нижний конец цилиндра имеет глубокое резьбовое отверстие под установочный винт 6, на плоской головке 7 которого с помощью крепежного винта 8 закреплены два режущих лопасти-клина 9 в виде пропеллера с возможностью свободного поворота в вертикальной плоскости. Величина угла ά между режущими гранями клина зависит от плотности испрытуемых грунтов и составляет 15-35° (фиг.6, 7).
Пружинная муфта 2 (фиг.1) состоит из опорного диска 10 с закрепленной на нем центровочной муфтой 11, пружины 12 и шайбы-фиксатора 13. Все части пружинной муфты могут свободно перемещаться вдоль штанги так, что в зависимости от глубины погружения режущего механизма в скважину опорный диск 10 ложится на поверхность почвы, обеспечивая возможность сжатия пружины и ее фиксацию в этом состоянии с помощью шайбы-фиксатора 13 и резьбового штифта 14.
Устройство работает следующим образом:
Заранее подготавливают с помощью почвенного бура скважину заданного диаметра и глубины. После этого бур переоборудуют в устройство для измерения твердости почво-грунта, для чего на штангу 1 бура насаживают пружинную муфту 2, к верхнему концу штанги присоединяют измерительную головку (динамомертический ключ) 3 со штоком 15, а к нижнему - корепят режущий механизм, имеющий для этого спил и две шпильки 16 на верхнем конце цилиндра 4, при этом цилиндрическая центровочная муфта 5 имеет диаметр, равный диаметру скважины. Режущий механизм опускается до упора в скважину.
Чтобы не разрушить структуры грунта стенок скважины перед погружением режущие лопасти-клинья 9 приводят в V-образное положение, выкручивая установочный винт 6 из цилиндра 4. Приведение режущих лопастей-клиньев в рабочее состояние (перпендикулярное стенкам скважины) достигается вращением штанги по часовой стрелке при упоре режущего механизма в дно скважины, в результате чего установочный винт 6 входит по резьбе в цилиндр 4, раздвигает режущие лопасти-клинья и фиксирует неподвижно относительно штанги 1. Их размах в рабочем состоянии в зависимости от физико-механических свойств почво-грунта на 4-12 см. больше диаметра измерительной скважины. При этом режущие лопасти-клинья 9 ориентированы симметрично штанги 1 и перпендикулярно ей, образуя пропеллер так, что за каждый полный оборот штанга поднимается вверх на 5-10 см в зависимости от шага нарезаемой клиньями винтовой канавки. Ориентация режущих кромок клиньев показана на фиг.6.
Перед началом каждого измерения необходимо провести уравновешивание с тем, чтобы вертикальная нагрузка веса устройства на режущие клинья была минимальной. Это достигается с помощью пружинной муфты 2, обеспечивающей подъемную силу, равную весу устройства, при сжатии пружины 12 на заранее определенную величину, зависящую от числа присоединенных к штанге секций, т.е. от глубины скважины.
Глубину почвенного горизонта, в котором проводится измерение, определяют по разметке, предварительно сделанной на штанге или с помощью рулетки от верхнего конца штанги 1 до опорного диска 10 пружинной муфты 2.
2
Измерение выполняют путем постепенного наращивания усилия на ручку динамометрического ключа 3 до возникновения вращательно-поступательного (вверх) движения штанги 1. Показание максимального напряжения, фиксируемое индикатором динамометрического ключа, является искомым параметром. Глубина горизонта (отмеченная на штанге) и максимальная величина усилия (по шкале динамометрического ключа) заносятся в таблицу. Для каждого комплекта режущих лопастей-клиньев и динамометрического ключа выполняют предварительную калибровку, обеспечивающую пересчет показаний в искомые единицы твердости, кг/см.
После проведения измерений на заданном почвенном горизонте при необходимости извлечения устройства, не повреждая ни самого устройства, ни стенок скважины, штангу 1 устройства вращают против часовой стрелки, при этом установочный винт 6 за счет упора лопастей-клиньев 9 в стенки скважины выкручивается из цилиндра 4, освобождает лопасти-клинья, и они принимают А-образное положение, что способствует беспрепятственному извлечению устройства из скважины.
Для измерения твердости верхних слоев почво-грунта режущий механизм оборудуют установочным винтом с симметричным относительно его головки 7 цилиндричеким продолжением 17 с концевой резьбой, на которой крепят центровочную муфту 18, а режущий пропеллер переориентируют в обратную сторону (фиг.5). Это делается для лучшей центровки устройства при небольшой глубине исследуемого горизонта, а режущий механизм с обратной ориентацией режущего пропеллера при поворачивании штанги по часовой стрелке движется вниз, что при небольшой глубине горизонта обеспечивает большую точность измерений.
Таким образом, предлагаемое устройство при простоте и надежности конструкции позволяет в полевых условиях получать точную и достоверную информацию о твердости почво-трунтов по всему профилю до глубины 2,5-3 м., значительно сокращая при этом трудоемкость и время проведения измерений.