Устройство для исследования и определения характеристик грунта

 

Изобретение относится к устройствам для исследования и определения характеристик грунта, позволяющим определить характеристики грунтов посредством непрерывно контролируемого и измеряемого вдавливания зондирующего стержня 1 в исследуемый грунт с помощью давления, создаваемого пиротехническим генератором газов 5. В трубке 7, изготовленной из немагнитного материала и оснащенной соленоидами 6, размещается, с одной стороны, зондирующий стержень 1, прикрепленный к поршню 2, на котором установлен постоянный магнит 3, и с другой стороны, откатная масса 4, которая уравновешивает количество движения зондирующего стержня 1, создаваемое пиротехническим генератором газов 5, располагающимся на этой откатной массе 4. Вычислитель 9 позволяет рассчитать сопротивляемость грунта вдавливанию упомянутого стержня. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к исследованию грунтов и определению их физических характеристик.

Известно устройство для исследования и определения характеристик грунта, содержащее корпус, стержень зонда, установленный в нем с возможностью перемещения и средства контроля, закрепленные на стержне и корпусе с возможностью фиксации прохождения стержня зонда и измерения параметров его внедрения в процессе погружения в исследуемый грунт [1] Кроме того, известно устройство для статического зондирования грунта, содержащее стержень зонда, привод его перемещения (вдавливания) и средства контроля, установленные с возможностью фиксации прохождения стержня зонда и измерения параметров его внедрения в процессе погружения в исследуемый грунт [2] Наиболее близким к рассматриваемому изобретению по технической сущности является устройство для динамического зондирования, содержащее стержень зонда, привод для приложения динамической нагрузки и средства контроля, установленные с возможностью фиксации прохождения стержня зонда и измерения параметров его внедрения в процессе погружения в исследуемый грунт [3] Задачей изобретения является повышение точности измерений, ускорение выполнения исследований, снижение эксплуатационных расходов. Задача решается тем, что устройство для исследования и определения характеристик грунта, содержащее стержень зонда, привод для приложения динамической нагрузки и средства контроля, установленные с возможностью фиксации прохождения стержня зонда и измерения параметров его внедрения в процессе погружения в исследуемый грунт, снабжено откатной трубкой, а привод перемещения зонда выполнен в виде пиротехнического генератора, при этом стержень зонда установлен в откатной трубке с возможностью перемещения по отношению к ней под действием сжатых газов генератора, а средства контроля закреплены на откатной трубке.

Средства контроля могут быть выполнены в виде магнита, механически связанного со стержнем зонда и ряда соленоидов, установленных снаружи откатной трубки.

Кроме того, средства контроля могут быть выполнены в виде системы фотоэлектрических ячеек, фотоэлементов или электромеханических контакторов.

Устройство может быть снабжено вычислителем характеристик грунта.

Устройство может быть снабжено откатной массой для уравновешивания количества движения, передаваемого зондирующему стержню, которая расположена в откатной трубке.

В качестве откатной массы может служить направляющая трубка, которой снабжен зондирующий стержень, и расширительная камера для пиротехнического генератора.

Откатная масса может быть снабжена ложементом или гнездом для пиротехнического генератора.

Кроме того, откатная масса в зоне расположения расширительной камеры может быть выполнена с одним или несколькими предохранительными выпускными отверстиями, а откатная трубка выполнена с расточкой для облегчения выхода в атмосферу газов от генератора при остановке зондирующего стержня в исследуемом грунте в процессе его вдавливания.

Зондирующий стержень может быть выполнен полым с возможностью перемещения вдоль съемной направляющей трубки, закрепленной в откатной массе при помощи муфты.

Кроме того, зондирующий стержень может быть выполнен из нескольких частей, вставленных друг в друга с возможностью выдвижения и фиксации.

На фиг. 1 представлена конструкция устройства; на фиг. 2 конструкция устройства для зондирования грунта на относительно небольшую глубину; на фиг. 3, 4 конструкция устройства для зондирования грунта на максимально возможную глубину.

Устройство содержит стержень зонда 1, закрепленного на поршне 2, в котором размещается постоянный магнит 3.

Специальная откатная масса 4 уравновешивает количество движения, которое будет сообщено в процессе функционирования устройства стержню 1 и его поршню 2 с расположенным на нем магнитом 3. Устройство оборудовано специальным генератором 5 газов под давлением. Поглощение энергии отката обеспечивается силой тяжести.

Можно использовать и другие средства для уравновешивания усилий "отдачи", такие, например, как специальные поглотители энергии, собственная масса оператора или масса самой системы.

Стержень зонда, поршень и откатная масса, а также пиротехнический газовый генератор помещены в откатную трубку 7, изготовленную из немагнитного материала. Эта откатная трубка 7 оборудована соленоидами 6, в предпочтительном варианте практической реализации устройства размещенными концентрическим образом вокруг пусковой трубки. Эти соленоиды 6 электрически связаны с электронным вычислительным блоком 9 обработки информации.

После воспламенения пиротехнического заряда генератор газов выдает в камеру 8 расширения, располагающуюся между поршнем 2 и его откатной массой 4, давление, которое сообщает определенную скорость поступательного движения стержню 1. По мере выбрасывания этого стержня из эжекционной трубки прохождение постоянного магнита 3 сквозь различные соленоиды 6 вызывает появление в цепях этих соленоидов соответствующих электрических сигналов, которые поступают в вычислительный электронный блок для обработки.

На основании этих сигналов в вычислительном блоке происходит расчет скорости движения эталонного стержня и его ускорения.

Закон изменения давления P(t) во времени, обусловленный характеристиками газового генератора и расширительной камеры, можно считать известным либо точно (это может быть достигнуто на основании соответствующих предварительных измерений), либо с достаточно хорошим приближением (отклонение от истины не более 3% ) вследствие воспроизводимости характеристик используемого в данном случае генератора газов.

Таким образом, тормозящая сила, воздействующая на эталонный стержень и возникающая вследствие сопротивления грунта проникновению в него этого эталонного стержня, может быть определена в соответствии с выражением: P(t) SP(t) mG(t).

Соответствующие вычисления выполняются либо специально приспособленным для этого логическим контуром вычислительного блока, либо при помощи существующего предварительно запрограммированного цифрового вычислителя.

Можно использовать и другие системы контроля за продвижением эталонного стержня по эжекторной трубке, такие, например, как системы электромеханических контакторов или системы фотоэлектрических ячеек или фотоэлементов.

Можно заменить специальные детекторы прохождения стержня зонда по длине эжекторной трубки, а также часть схемы обработки информации в рассматриваемой, пенетрометрической системе специальным акселерометром.

В соответствии с конкретным типом осуществляемых в данном случае измерений стержень может быть оборудован специальным наконечником 10 выступающим за пределы сечения этого стержня или не быть оборудованным таким наконечником.

Схема устройства, являющегося объектом изобретения и выполненного в переносном варианте, специально приспособленном для зондирования грунта на относительно небольшую глубину, показана на фиг. 2.

Стержень зонда 1 в упомянутом варианте практической реализации изобретения жестко соединен с поршнем 2, на котором размещается постоянный магнит 3.

Откатная масса 4 уравновешивает то количество движения, которое будет сообщено эталонному стержню и его поршню срабатыванием упомянутого выше пиротехнического газового генератора в рабочем цикле системы. Эта масса образована трубкой, изготовленной из немагнитного материала, например, цилиндрической трубкой, закрытой со своего верхнего конца. Таким образом, в качестве откатной массы служит эжекционная трубка. Перед вдавливанием в исследуемый в данном случае грунт стержень, оборудованный поршнем, удерживается внутри эжекторной трубки предпочтительно с помощью деформируемого зажима 15. Однако вполне можно использовать и другие системы крепления стержня с поршнем внутри эжекторной трубки, такие, например, как подпружиненный шариковый фиксатор или пластинчатая пружина.

Откатная масса 4 скользит в откатной трубке 7, изготовленной из немагнитного материала, выполненного, например, из композиционного материала на основе стекловолокна с термоотверждаемой или термопластичной матрицей.

На уровне своего контакта с исследуемым грунтом направляющая трубка оснащена опорной подошвой 17, оборудованной специальным амортизатором 16 для падающей после взлета откатной массы.

Соленоиды 6 контроля прохождения закрепленного на поршне эталонного стержня постоянного магнита располагаются вокруг направляющей трубки и электрически связаны с электронным блоком 9 обработки информации.

Устройство может быть полностью автономным и может быть оборудовано складываемой и регулируемой по высоте собственной треногой, обеспечивающей удобство использования данного устройства.

Упомянутая тренога может быть образована соединительным кольцом 18, связывающим вместе три опоры 19, регулируемой длины. Длина этих опор 19 может регулироваться, например, с помощью фиксируемого в определенных положениях ползуна 20. Такая тренога опирается на грунт при помощи подошв 2 1, которые могут в случае необходимости иметь специальные отверстия 22, предназначенные для крепления системы к грунту.

Откатная масса располагается ниже опоры торца генератора газа и системы 13 его безопасного инициирования.

Инициация срабатывания генератора газа в предпочтительном варианте осуществляется ударным механизмом. Однако, здесь можно использовать как электрическую инициацию, так и инициацию с помощью лазерного луча.

Корпус генератора газа может быть изготовлен из термопластичных или термоотверждаемых материалов. Конструкция корпуса генератора газа предпочтительно разрабатывается и проектируется таким образом, чтобы она могла раскрываться при достаточно низком давлении вне пределов своего эксплуатационного ложемента или гнезда. Это должно быть сделано из соображений безопасности в случае возможного несанкционированного аварийного воспламенения пиротехнического заряда или пожара.

Для облегчения операции снаряжения генератора газа и обеспечения безопасности в эксплуатации генератор газа в предпочтительном варианте конструкции размещается в специальном ложементе или гнезде 12, расположенном на подвижном основании 11.

Введение этого подвижного основания 11 в корпус 14 позволяет установить генератор газа в его рабочее положение перед входным каналом расширительной камеры 8 и взвести систему безопасности инициации срабатывания генератора газа 13.

Можно использовать и другие конструктивные решения, предназначенные для осуществления функции "выбрасывающего поршня".

На фиг. 3 представлена конструкция устройства для глубокого зондирования грунта. Это глубокое зондирование осуществляется с помощью одного стержня или нескольких стержней, продолжающих друг друга по мере выполнения зондирования. В данном случае функция выталкивания стержня в направлении исследуемого грунта и функция задания требуемого направления его движению внутри пенетрометрической системы уже обеспечивается не поршнем, как в базовом варианте практической реализации изобретения, а, с одной стороны, закрытым концом полого стержня 1, оснащенного выступающим за пределы его поперечного сечения наконечником 10 или не оснащенного таким наконечником 10, и с другой стороны, осевой направляющей трубкой, вдоль которой скользит эталонный стержень.

Зондирующий стержень оснащен специальным буртиком 25, который позволяет ограничить его погружение в исследуемый грунт в случае наличия по тем или иным причинам избытка энергии относительно того ее количества, которое поглощается в результате вдавливания стержня в грунт.

Постоянные магниты 3 располагаются на этом буртике 25. В этом случае упоминавшиеся соленоиды не являются концентрическими по отношению к трубке, а располагаются вдоль нее. Постоянные магниты размещаются в плоскости, перпендикулярной направлению движения эталонного стержня.

Зондирующий стержень скользит вокруг направляющей трубки 27, которая связана при помощи муфты 26 с откатной массой 4. Эта откатная масса 4 также образует откатную направляющую трубку и оборудована расширительной камерой 8 и основанием или казенной частью генератора 5 газов. Зондирующий стержень 1 может располагаться и внутри направляющей трубки 27.

Откатная трубка 7 может содержать специальную расточку 29 в своей верхней части, назначение которой будет пояснено ниже.

Расширительная камера содержит одно или несколько отверстий 28, которые могут быть оснащены специальными клапанами или отсечными мембранами или могут быть свободными. В случае застревания зондирующего стержня в исследуемом грунте возникает необходимость отвода сжатых газов из расширительной камеры с целью ограничения поднятия откатной массы. Этот отвод газов будет осуществляться при помощи упомянутой выше расточки 29 и при помощи этих отверстий 28. Эти предохранительные элементы располагаются таким образом, чтобы не ухудшать в значительной степени характеристики генератора газов.

Откатная трубка 7 и трубчатая часть откатной массы имеют показанный на фиг. 4 проем 30, который позволяет обеспечить установку в устройство зондирующего стержня 1, оборудованного своей собственной направляющей трубкой 27. Этот проем перед началом функционирования устройства в соответствии с изобретением закрывается либо специальной дверцей 30, либо путем поворота откатной массы в направляющей трубке.

В случае наличия в используемой конструкции упомянутой дверцы установка стержня контролируется специальным блокировочным устройством 31, которое из соображений безопасности эксплуатации пиротехнического динамического пенетрометра связано с устройством 15, обеспечивающим безопасность воспламенения пиротехнического заряда.

Описанная особенность конструкции системы позволяет в случае частичного или затрудненного погружения стержня в исследуемый грунт либо без особенных затруднений извлечь этот стержень, либо увеличить степень его погружения в этот грунт путем использования еще одного генератора газа в качестве дополнительного источника энергии вдавливания этого эталонного зонда в грунт.

Для того, чтобы извлечь эталонный стержень зонда 1, достаточно раскрыть муфту 26. После этого направляющая трубка 27 падает на днище эталонного стержня. Затем появляется возможность разблокировать устройство, после чего можно извлечь стержень зонда. Для этого в случае необходимости может быть применен специальный экстрактор, опирающийся на буртик 25.

Имеется также возможность добавить второй стержень зонда, удлиняющий первый, для того, чтобы увеличить глубину зондирования исследуемого грунта. Этот второй удлиняющий стержень закрепляется вместо буртика после демонтажа направляющей трубки.

Формула изобретения

1. Устройство для исследования и определения характеристик грунта, содержащее стержень зонда, привод для приложения динамической нагрузки и средства контроля, установленные с возможностью фиксации прохождения стержня зонда и измерения параметров его внедрения в процессе погружения в исследуемый грунт, отличающееся тем, что оно снабжено откатной трубкой, а привод перемещения зонда выполнен в виде пиротехнического генератора, при этом стержень зонда установлен в откатной трубке с возможностью перемещения по отношению к ней под действием сжатых газов генератора, а средства контроля закреплены на откатной трубке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства контроля выполнены в виде магнита, механически связанного со стержнем зонда, и ряда соленоидов, установленных снаружи откатной трубки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства контроля выполнены в виде системы фотоэлектрических ячеек, фотоэлементов или электромеханических контакторов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено вычислителем характеристик грунта.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено откатной массой для уравновешивания количества движения, передаваемого зондирующему стержню, которая расположена в откатной трубке.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве откатной массы служит направляющая трубка, которой снабжен зондирующий стержень и расширительная камера для газов пиротехнического генератора.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что откатная масса снабжена ложементом или гнездом для пиротехнического генератора.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что откатная масса в зоне расположения расширительной камеры выполнена с одним или несколькими предохранительными выпускными отверстиями, а откатная трубка выполнена с расточкой для облегчения выхода в атмосферу газов от генератора при остановке зондирующего стержня в исследуемом грунте в процессе его вдавливания.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зондирующий стержень выполнен полым с возможностью перемещения вдоль съемной направляющей трубки, закрепленной в откатной массе при помощи муфты.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зондирующий стержень выполнен из нескольких частей, вставленных друг в друга с возможностью выдвижения и фиксации.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус пиротехнического генератора газов изготовлен из термопластичных материалов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4