专利名称：原地测定粒状材料层的密实度的方法和实施该方法的装置的制作方法
原地测定粒状材料层的密实度的方法和实施该方法的装置本发明的客体是一种原地测定粒状材料层的密实度的装置，特别是测定同等地含 有固体部分、液体和气相的材料层如泥土的密实度；该装置包括导向体、与导向体连接的加 载盘和与加载盘关联、可沿导向体移动的落锤。此外，本发明的客体还是一种用于原地测定粒状材料层的密实度的方法，特别是 测定同等地含有固体部分、液体和气相的材料层如泥土的密实度，使用一个由与导向体连 接的加载盘和与加载盘关联可沿导向体移动的落锤构成的装置作为测量工具。将加载盘放 置在需检测的材料层的表面，然后在落锤的帮助下，将给定值的变形冲击能传递给加载盘， 紧跟着，测定材料层的密实度。配有落锤的设备在岩土测量中已应用很长时间了。其中，配有重的落锤的设备可 以参考专利描写GB2249181。但是，它具有缺陷，由于大尺寸和质量的设备在现场运输、移动 和使用不方便。为了消除这个缺陷，具有轻的落锤的装置开始发展，后来在原地岩土测量和土壤 实验中，赢得了世界范围的区域增长，这个解决方案的本质是给定质量的重物落下并撞击 躺在待测土壤上的盘。由于动力作用，盘下沉而且阻止加载的质量。这样，一方面，盘压紧 其下方的土壤，另一方面，依照动量定律，它回弹。取决于土壤中颗粒_水_空气组分的体 积组成，即以其为特征的压缩，压缩土壤，消耗少量能量，引起变形大体可直接测量，如公开 文件DE10036310所涉及的配有轻的落锤的装置。设计该测量装置即用于精确和可靠测定压紧的方法的关键问题是盘下方的变形。 完成测量可以使用最多变的方法，但是加速测量仪的应用获胜。以这种方法，来自给定纬度 的重力加速度的信息，加速度并由此测定盘的下沉，在知道时间的情况下，以微妙的精确度测量。然而，该应用方法的缺点是非常短时间内盘下方非常小的变形，且时间间隔需要测量。可以列为缺点的是对于精确测定已测的物理土壤参数，时间需要微妙精度来测 定，这就需要非常昂贵的结构元件，从而也增加装置的成本。另一个缺点是电子工具将放置在装置的加载盘里且需要提供合适的电压。需要提到的另一个缺点是暴露于持续的动力影响下的电子零件的失效率很高。随 着装置以错误的方式工作，准确测量无法实现，并可能引起很多进一步的错误。本发明的解决方案的目的是消除现有装置的缺陷并创建一个选项，使用该选项， 可以相当简单的的方法却具有所需精度来测定底土的密实度，从而不再需要测量微妙时间 间隔且靠在土壤上的那个盘独立于测量方法。与这些有关，发明方法的目的是发展一种简单的解决方案，便于应用，独立于电子 工具的失效率和其电能供应，依然可以提供用于测定物理土壤参数、具有所需精度的结果。本发明构想的基础是众所周知的，在下落的影响下，反弹的高度是底土密实度的 一个敏感的特性。具有小变形的床的情况下，落锤的反弹高，而变形越大的情况下，反弹 也越低。土壤的“弹性系数”以压缩为特征。在这个基础上，质量被认为是恒定的，在土壤弹性系数的作用下，变形由反弹来决定。由于土壤中的压力分布和变形传播可以根据布氏 (Boussinesq)理论计算，同时，测量工具的盘直径、落锤的质量和下落高度恒定，通过数学 方法确定他们的关系，从而估算出盘下方的变形。下落和撞击后的反弹落锤的最大提升是 h = v2/2g，即，高度只取决于重力加速度和反弹冲击产生的速度。以这种方式，知道“C = η/2”布氏盘因素和μ泊松比或交叉压缩因素，来自最大提升，其自身可以估算，后掷“弹 簧弹力”(这里是土壤弹性系数)，用布氏公式重新计算变形。基于上述描述，放置在加载装 置上的落锤的反弹程度可以带入一个清楚的、与另一零件(加载盘)下变形的关系，即由于 其弹性特征 。在这种关系下，存在测量这种变形和计算土壤弹性特征的可能。与这些现有 方案提供的相反，土壤的压紧不能测定，相反，落锤反弹的幅度可以测定。也就是说落锤反 弹的幅度的测定相当简单。因此，本发明的装置的设计来源于这个理解，将结构元件连接到落锤上在测量的 给定时间间隔一起移动，但在合适时候变为独立于落锤，这样，结构元件能指示落锤反弹的 程度，即在较长的一段时间的最大高度，这种长度测量具有高精确地且使用简单工具实现， 不依赖时间，这样，任务可以解决了。该理解导致的发明方法是，如果恰当地选择指示器指示反弹的值，就可以简单地 测量落锤反弹的值，且从这个测量的数字，可以测定相关所需的物理土壤特性的准确数据。根据指定的目的，本发明的一种原地测定粒状材料层的密实度的装置，特别用于 测定同等地含有固体部分、液体和气相的材料层如泥土的密实度；该装置包括导向体、与导 向体连接的加载盘和与加载盘关联可沿导向体移动的落锤，该装置设计成调整一指示器适 应落锤，该指示器具有一导向机构，该导向机构至少周期性地与导向体连接来限制移动的 方向，且导向体配有一长度测量单元。本发明装置的另一个标准是具备带有释放机构的固定单元适于在落锤和指示器 之间，且在运动轨迹的一部分中，指示器通过固定单元固定在落锤上。在该装置的一个可能的选项中，长度测量单元有一个定制的节距序列，该定制的 节距序列在导向体的表面或者长度测量单元带有一配备节距序列的测量杆，并且该测量杆 位于导向体上并可以从导向体上卸下。本发明的另一个选项，长度测量单元具有一光学的或超声波的传感器，该传感器 固定在导向体上。在本装置的其它变体中，导向体带有一细长杆，且该杆带有三角形、四边形或多角 形横截面的另一导向机构。根据指定目的，本发明的一种原地测定粒状材料层的密实度的装置，特别用于同 等地含有固体部分、液体和气相的材料层如泥土的密实度-在该过程中由与导向体连接的 加载盘和与加载盘关联可沿导向体移动的落锤组成的装置作为工具，将加载盘放置在需检 测的材料层的表面，然后在落锤的帮助下，将给定值的变形冲击能传递给加载盘，紧跟着， 测定材料层的密实度_原理上，在传递变形冲击能给加载盘之前，落锤与指示器相相联，然 后，在传递变形冲击能给加载盘之后，借助指示器，测定从加载盘反弹的落锤的值，并根据 反弹值建立加载盘下的材料层的密实度。本发明方法的另一个标准是，为了测定材料层的密实度，我们使用一个基于在变 形和密实度之间已建立关系的数据库。
本发明的一个优点是，与通常的方案相反，由于落锤配有特殊的指示器，迄今为止 土壤机械特性的复杂测定简化为很容易实现的距离测量。上述导致的另一个优点是，简单设计的该装置在进入加载盘测量的过程中，不需 要配置重要的电子元件和为电子测量值的读取供电，这样，本发明的装置设计和操作相当 简单且失效概率最小。另一个技术优势是大大减少加载盘的设计，因为实际测量不在此 处，。被当成优点的是，本发明装置的测量范围更有优势，可达到的精度更高，甚至使应 用新的测量技术，如光电、超声波距离测量等等成为可能。另一个优点是，随着该装置的应用，避免了高精度时间测量且加载盘独立于测量 方法。这样，可以廉价地使用各种直径的盘，基本延伸到质量和科学的应用。需要强调的是作为重要测量技术的优点，使用本发明装置时，由于在下落-反弹 差异计算的过程中抹去重力加速度的影响，因此，不必考虑在计算内，在任何纬度完成测量 都一样。反弹高度的读数可以立即转化成加载盘的下沉。也可以作为这种形式的一个优点 的是，落锤反弹比加载盘下沉更高，因此，反弹的读数不需要高精度，同样的结果使用低测 量精度可以达到。本装置的另一个优点是，可以更好避免失败，降低附带测量仪器的成本和价格。因 为这样，增加传播和技术使用。上述导致的一个重大的优点是，该装置能有利地用于多种不同的地质和天气条件 下，在给定的无人区情况，军事用途和长时间、连续测量需要的情况下，使用正确设计的测 量不需要任何能量供应、电池、电流。这样，由于更有利的成本、简单的操作和低失效率，带 有轻落锤和如此读数系统的的测量装置可相当容易地应用于发达或非发达国家。在附图的基础上，结合工作示例从更多细节上进一步说明发明的装置。附图中
图1是装置选项的示意图，部分剖视；图2是装置的长度测量单元的示范细节；图3是装置的长度测量单元的另一个选项的示范细节；图4依然是装置的长度测量单元的另一个选项的示范细节。图1中显示了发明装置10的一个可能的变体。可以看到，装置10包括依靠在待 测土壤上的加载盘12、以允许负载的传递的方式与加载盘12相配合的导向体11、可以在导 向体11上移动的落锤13和指示器20。便利地，导向体11是一个杆11a，其截面用作落锤13和指示器20的另一个导向机 构。本设计中，导向体11具有杆11a，该杆Ila具有十字形的横截面。实质上，该十字形构 成另一个导向机构lib。 自然地，调整落锤13的开口 13a以适应导向体11上的另一个导向机构lib形式 的杆11a。落锤13由重的材料制成，优选金属。指示器20的导向机构21也安装在另一导向机构lib上，这种设计也有十字开口。 指示器20本身是薄的金属，如很小质量的铝盘。在发明的这个变体中，指示器20具有配备释放机构41的一固定单元40。固定单 元40的任务是确保指定测量期间的指示器20和落锤13的联合运动，而释放机构负责在加 载盘12与落锤13连接的瞬间切断指示器20与落锤13的连接。固定单元40的另一个任务是允许靠紧指示器20和导向体11，摆脱杆Ila上的错位。装置10还有一长度测量单元30，在本变体中，长度测量单元是刻在杆Ila上的节 距序列31。这里的节距序列31是精确到mm刻度，可以精确读出指示器20的高度。然而， 应该指出的是，长度测量单元30的节距序列31不仅可以是mm刻度，也可以是直接与加载 盘12的下沉成比列的定制指示的刻度，实质上给出其值。由此，长度测量单元30不仅可以 测试指示器20提升的长度，而且，在合适地确定比列的情况下，给定的节距序列31可以显 示不同于与指示器20的提升具有给定关系的长度的物理参数。图2显示了长度测量单元30的另一个设计。可以看到，长度测量单元30是刻在 测量杆32上的节距序列31，测量杆32不是导向体11的杆Ila的一部分，但在使用本装置 的过程中，可以设置在落锤13上作为基面，用于容易地确定指示器20的最大提升。还应注 意到，导向体11的杆Ila具有规则的三角形横截面。该横截面形式构成导向体11的其它 导向结构lib。图3中，可以看出，固定在导向体11上的长度测量单元30包括一光学传感器33， 这里是一个激光测距仪，在图4中，固定在导向体11上的长度测量单元30是一个超声波测 距仪34。这里应该注意到，长度测量单元30可以是任何机械的、光学的或其它测量工具，这 些测量工具适于测定与基准面相关的距离，具有0. Imm的精度，如指示它或使它可确定。使用发明的装置10时，我们调整指示器20的固定单元使其将指示器20与落锤13 连接用于联合运动。随 后，提升导向体11的杆Ila上的落锤13到规定的高度，再释放落锤 13，装置10的操作开始。由于落锤13的开口 13a和杆Ila的其它导向机构lib的联合作 用，落锤13沿杆Ila的长度方向加速落到加载盘12上。到达加载盘12，落锤13突然停止， 结果固定单元40的释放机构41开始工作，固定单元40提供的紧密连接终止且指示器20 变得可以从落锤13上分离。因此，落锤13和加载盘12的冲撞不仅使释放机构41工作，而 且根据动量守恒定律，落锤13也从加载盘12反弹。在落锤13提升的整个过程期间，上升 的落锤13推动在其前面的指示器20。当落锤13的提升终止，固定单元又开始工作，且指示 器20在提升的最高点靠紧杆11a。因此，借助杆Ila的长度测量单元30的节距序列31，指 示器20的固定位置，提升高度是可读的。为完成下一个测量，释放指示器20并使其在杆Ila上移动到落锤13再连接在一 起，可以重复前面描述的过程。可以理解，装置10的操作在每个方面都是相同的，不依赖长度测量单元30的操作 原理。长度测量单元30仅仅确定建立最大提升高度的方式。下面，我们详细地描述发明方法的例子。例 1我们通过读取视觉上的最大反弹来确定装置10的落锤13的最大反弹。测量本身 的实施可从专利HU……的描述中学习，不同在于，我们测量和使用落锤13的反弹替代土壤 的压实。在方法的过程中，我们提升落锤13到规定的高度并在那释放落锤。自由的落锤13 落到加载盘12上，然后从盘上反弹并提升指示器20，指示器20停止在反弹的最高处。然 后，我们从长度测量单元30的节距序列31来确定和记录指示器20的固定位置。我们在相 同位置多次释放落锤13，记录每次的结果。我们将反弹的等级包含在一个表里，在测量序列中，随着每一次下落，计算测量的反弹最大值之间的差距。在表的下一栏中，我们总计、求和并加权这些数值，然后将结果值 引入一个图表。将这些点连成一条线，在指定横坐标(17000)我们得到与欧洲标准委员会 WA15468(CEN WA15468)中给定的变形指数的值Dm成比例的截面(ζ)。据此，密实度的相 对动态等级Trd%= 100-3. 65*Dm可以很容易地确定。在测量序列的最 后，我们体验到落锤13的反弹高度与底土的变形成反比，而多个 读数间的差别取决于底土的变形取对数之间的差别。前面的(绝对)值是动态弹性模量 (弹性)，后者适合于密实度的动态程度(压紧)的确定。填写附在装置10上的列线图，但不是在这里描述，我们用简单的手工方法在测量 点计算动态密实度。本发明的装置和使用该装置实施的方法可简单地应用到所有区域，这些区域的物 理土壤参数在不便的条件下可以快速、简单并准确地确定。
权利要求
1.一种用于原地测定粒状材料层的密实度的装置，特别用于测定同等地含有固体部 分、液体和气相的材料层如泥土的密实度，所述装置包括导向体、与导向体连接的加载盘和 与加载盘关联可以沿导向体移动的落锤，其特征在于，调整一指示器00)以适应于落锤 (13)，所述指示器OO)具有导向机构01)，导向机构中的一个和导向体(11)至少周 期性地相互连接以限制运动方向，且导向体(11)装配有长度测量单元(30)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在落锤(1 与指示器OO)之间，引入装配 有释放机构Gl)的一固定单元(40)，且借助于固定单元(40)，在运动轨迹的一部分上，指 示器OO)固定在落锤(13)上。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述长度测量单元(30)具有定制的节 距序列(31)，且这个定制的节距序列(31)位于导向体(11)的表面上。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述长度测量单元(30)具有配备节距 序列(31)的一测量杆(32)，且测量杆(3 以可移动的方式被调整到适应于导向体(11)。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述长度测量单元(30)具有可以固定 在导向体(11)上的光学传感器(33)。
6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述长度测量单元(30)具有可以固定 在导向体(11)上的超声波传感器(34)。
7.如权利要求1至6中任一所述的装置，其特征在于，所述导向体(11)具有一细长杆 (11a)，且所述杆(Ila)具有三角形、四边形或多角形横截面的另一导向机构(lib)。
8.一种用于原地测定粒状材料层的密实度的方法，特别用于测定同等地含有固体部 分、液体和气相的材料层如泥土的密实度，使用一装置作为测量工具，所述装置包括与一导 向体连接的一加载盘和与加载盘关联可以沿导向体移动的落锤，将加载盘安置在需要检测 的材料层的表面，然后在落锤的帮助下，将给定值的变形冲击能传递给加载盘，紧跟着，测 定材料层的密实度，所述方法的特征在于，在传递变形冲击能之前，我们将落锤(1 与指 示器OO)联合，然后，在传递变形冲击能传递给加载盘之后，借助指示器(20)，我们测定落 锤(13)从加载盘的反弹值，并根据反弹值确立加载盘(12)下的材料层的密实度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，为了测定材料层的密实度，我们使用一种基 于变形与密实度等级之间的确定关系的数据库。
全文摘要
本发明的客体是一种原地测定粒状材料层的密实度的装置，特别用于测定同等地含有固体部分、液体和气相的材料层如泥土的密实度，包括导向体、与导向体连接的加载盘和与加载盘关联可沿导向体移动的落锤。本装置的技术特征是，调整指示器(20)以适应落锤(13)，该指示器(20)具有导向机构(21)，其中导向机构(21)中的一个和导向体(11)至少周期性地相互连接以限制运动方向，且导向体(11)配有长度测量单元(30)。此外，本发明的客体也是一种原地测定粒状材料层的密实度的方法，特别用于测定同等地含有固体部分、液体和气相的材料层如泥土的密实度，使用一与导向体连接的加载盘和与加载盘关联可沿导向体移动的落锤组成的装置作为工具。将加载盘放置在需检测的材料层的表面，然后在落锤的帮助下，将给定值的变形冲击能传递给加载盘，紧跟着，测定材料层的密实度。本发明方法的特征是，在传递变形冲击能之前，我们连接落锤(13)与指示器(20)，然后，在传递变形冲击能给加载盘之后，借助指示器(20)，我们测定从加载盘反弹的落锤(13)的值，并根据反弹值建立加载盘(12)下的材料层的密实度。
文档编号G01N3/00GK102132141SQ200980107701
公开日2011年7月20日 申请日期2009年7月17日 优先权日2008年7月17日
发明者伊什特万·苏贝特 申请人:伊什特万·苏贝特