CZ2013673A3

CZ2013673A3 - Automatické ovládací zařízení geotechnického stroje pro měření únosnosti zeminy a metoda práce s tímto zařízením

Info

Publication number: CZ2013673A3
Application number: CZ2013-673A
Authority: CZ
Inventors: Lenka Ševelová; Jaroslav Hauser
Original assignee: Mendelova Univerzita V Brně; Geostar, Spol. S R.O.
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2014-08-13
Also published as: CZ304642B6

Abstract

Automatické ovládací zařízení geotechnického stroje pro měření únosnosti zeminy sestává z alespoň jednoho úchylkoměru instalovaného na geotechnickém stroji (1), ovladače (1.3) instalovaného na geotechnickém stroji (1), softwaru (3.1) instalovaného na počítači (3) a z obousměrného USB komunikátoru (2). Digitální úchylkoměr je opatřen portem, USB komunikátor (2) je opatřen alespoň jedním sériovým portem (2.1, 2.2) propojený s úchylkoměrem (1.1, 1.2) vybaveným sériovým portem a alespoň jeden digitální úchylkoměr je proveden jako první digitální úchylkoměr k měření deformace dynamometru a/nebo druhý digitální úchylkoměr k měření polohy pístu/penetrace. USB komunikátor (2) je určen k přenosu informací z úchylkoměrů (1.1, 1.2) do počítače (3) a USB komunikátor (2) je určen k přenosu ovládacích povelů do geotechnického přístroje (1). Propojení mezi úchylkoměrem (1.1, 1.2) a USB komunikátorem (2) je provedeno prostřednictvím sériového kabelu (4), propojení mezi ovladačem (1.3) a USB komunikátorem (2) je provedeno prostřednictvím vícežilového kabelu (5) a propojení mezi USB komunikátorem (2) a počítačem (3) je provedeno pomocí USB kabelu (6). Měření únosnosti na geotechnickém stroji pro měření únosnosti zeminy s automatickým ovládacím zařízením se provádí tak, že píst geotechnického stroje (1) se pohybuje směrem ke zkoušenému materiálu až do okamžiku jeho dotyku s ním, což se identifikuje změnou hodnoty deformace měřené prvním digitálním úchylkoměrem (1.1) pro měření deformace dynamometru a následně se píst pohybuje proti zkoušenému materiálu až do okamžiku dosažení přednastavené penetrace, kdy aktuální penetrace se měří druhým digitál

Description

Automatické ovládací zařízení geotechnického stroje pro měření únosnosti zeminy a metoda práce s tímto zařízením

Oblast techniky

Vynález se týká automatického ovládacího zařízení geotechnického stroje pro měření únosnosti zeminy a metody práce s tímto zařízením.

Dosavadní stav techniky

Při výstavbě, ať už jde o stavbu budov nebo komunikací, je nutné zeminu, na které má dojít k výstavbě, prověřit z hlediska její poměrové únosnosti CBR v procentech tj. California Bearing Ratio, dále jen únosnosti. To je prováděno pomocí zkušebních geotechnických strojů známých například pod označením CBR - TS50 nebo VJT5011, dále jen CBR, tj. California Bearing Ratio, kterými se odebraný vzorek půdy prověří a určí její únosnost. Pro stávající zkoušku únosnosti je geotechnický stroj vybaven mechanikou s pístem na plynulé zvedávání nádoby se vzorkem, ocelovým trnem, který je zatlačován konstantní rychlostí do vzorku a dvěma mechanickými úchylkoměry pro odečítání hodnot potřebných ke stanovení CBR, tj. hloubky penetrace a síly. Ovládání geotechnického stroje se provádí manuálně dvěma spínači pro pohyb pístu směrem nahoru a dolů.

Z důvodu celoevropského trendu zpřesňovat návrhy konstrukcí v silničním stavitelství vznikla potřeba určovat další vlastnost zeminy a to modul pružnosti zeminy M_R. Pro tuto novou zkoušku laboratoře zatím nedisponují odpovídajícím technickým vybavením. Dostát zvyšujícím se nárokům na přesnost návrhu vedlo k zavedení inovativního postupu stanovení modulu pružnosti Mr i na geotechnických strojích pro měření CBR.

Zkouška pro stanovení modulu pružnosti Mr se v současné době provádí na geotechnických strojích pro měření CBR. Realizace zkoušky pro stanovení modulu pružnosti Mr je prováděna po dokončení zkoušky únosnosti na stejném vzorku zeminy. Při této zkoušce je vzorek zeminy opakovaně zatěžován a odtěžován ocelovým trnem v cca 60-ti cyklech po dobu cca 4 hodin. Vzorkem zeminy je prostřednictvím mechaniky pístu pohybováno směrem ktrnu a od trnu pomocí manuálně ovládaných mechanických spínačů. Po zapnutí geotechnického stroje je trn zatlačen do stanovené maximální určené hloubky deformace, která se zjišťuje na dvou mechanických úchylkoměrech, a následně zastaven. Poté proběhne první cyklus, kdy je vzorek odlehčen na předem stanovenou hodnotu a zastaven. Následně je geotechnický stroj spuštěn a při kontaktu trnu se vzorkem jsou zaznamenány údaje z úchylkoměrů. Geotechnický stroj je zastaven v okamžiku, kdy trn dosáhne opět předepsané maximální určené hloubky deformace. Zaznamenáním údajů z obou úchylkoměrů je ukončen první cyklus měření. Tento proces je opakován dle typu materiálu v 50-ti až 70-ti cyklech. Manuální stanovení hodnoty modulu pružnosti na stávajícím zařízení však vyžaduje velké nároky na preciznost obsluhy geotechnického stroje a její čas. Manipulace s geotechnickým strojem vyžaduje zručnost obsluhy a zkušenost s odečítáním a zaznamenáváním dat z úchylkoměrů, dle kterých je manuálně ovládán pohyb pístu v rozmezí milimetrů po dobu cca 4 hodin.

Cílem vynálezu je tedy představit takové ovládací zařízení, které by zautomatizovalo a zjednodušilo měření modulu pružnosti na geotechnickém stroji určeném k měření CBR, jakož i metodu práce s takovým zařízením.

Podstata vynálezu

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry automatické ovládací zařízení geotechnického stroje pro měření únosnosti zeminy, jehož podstata spočívá v tom, že sestává z alespoň jednoho úchylkoměrů instalovaného na geotechnickém stroji, ovladače instalovaného na geotechnickém stroji, USB komunikátoru a softwaru instalovaného na počítači, přičemž digitální úchylkoměr je opatřen portem, USB komunikátor je opatřen alespoň jedním portem pro spojení s uchylkoměrem, kontaktem pro spojení s ovladačem a portem pro spojení s počítačem, přičemž alespoň jeden digitální úchylkoměr je proveden jako první digitální úchylkoměr k měření deformace dynamometru a/nebo druhý digitální úchylkoměr k měření polohy pístu/penetrace.

Ve výhodném provedení je propojení mezi úchylkoměrem a USB komunikátorem provedeno prostřednictvím sériového kabelu, propojení mezi ₃ . . . ., .

< . ř . « · » ·«< ·;

ovladačem a USB komunikátorem je provedeno prostřednictvím vícežilového kabelu, a propojení mezi USB komunikátorem a počítačem je provedeno pomocí USB kabelu.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry rovněž způsob provádění měření únosnosti na geotechnickém stroji pro měření únosnosti zeminy s automatickým ovládacím zařízením podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se píst geotechnického stroje pohybuje směrem ke zkoušenému materiálu až do okamžiku jeho dotyku s ním, což se identifikuje změnou hodnoty deformace měřené prvním digitálním úchylkoměru pro měření deformace dynamometru, následně se píst zastaví a vynulují se všechny připojené úchylkoměry, následně se píst pohybuje proti zkoušenému materiálu až do okamžiku dosažení přednastavené penetrace, kdy aktuální penetrace se měří druhým digitálním úchylkoměrem, nebo do dosažení stálého napětí, následně se změní směr pohybu pístu a píst se navrátí do své výchozí pozice s nulovým působícím napětím na zkoušený materiál, kde se píst automaticky zastaví nebo se cyklus opakuje, přičemž úplné uvolnění napětí na materiál se identifikuje dosažením nulové hodnoty prvního digitálního úchylkoměru pro měření deformace dynamometru, přičemž během pohybu pístu se pravidelně pro různou penetraci odečítá hodnota deformace dynamometru, která se měří prvním digitálním úchylkoměrem a naměřené hodnoty se průběžně zapisují do výstupního souboru.

Přehled obrázku na výkrese

Vynález bude dále přiblížen pomocí výkresů, kde obr. 1 představuje blokové schéma automatického ovládacího zařízení geotechnického stroje pro měření únosnosti zeminy podle vynálezu a obr. 2 představuje graf hodnot naměřených geotechnickým strojem pro měření únosnosti zeminy, opatřeným automatickým ovládacím zařízením podle vynálezu.

Příklad provedení vynálezu

Na obr. 1 je představeno automatické ovládací zařízení, vyznačeno plnými čarami, geotechnického stroje pro měření únosnosti zeminy podle vynálezu, které sestává z alespoň jednoho digitálního úchylkoměru, opatřeného portem, ’

instalovaného na geotechnickém stroji 1, ovladače 1.3 instalovaného na geotechnickém stroji 1, USB komunikátoru 2 a softwaru 3.1 instalovaného na počítači 3, kterým je v představeném případě program označený jako „OBR Tesť.

V představeném případě je použit první digitální úchylkoměr 1.1 k měření deformace dynamometru, tj. napětí, a druhý digitální úchylkoměr 1.2 k měření polohy pístu, tj. penetrace do testovaného materiálu. Jak již bylo zmíněno výše, těchto úchylkoměrů může být i více. První digitální úchylkoměr 1.1 je opatřen portem 1.11. Druhý digitální úchylkoměr 1.2 je opatřen portem 1.12,

USB komunikátor 2 je opatřen porty pro připojení úchylkoměrů, v našem případě porty 2.1, 2,2 pro připojení prvního digitálního úchylkoměrů 1.1 a druhého digitálního úchylkoměrů 1.2, kontaktem 2.3 pro připojení ovladače 1.3 a portem 2.4 pro připojení počítače 3.

V představeném případě jsou porty 2.1, 2.2 pro připojení úchylkoměrů 1.1, 1.2 provedeny jako sériové porty, kontakt 2.3 pro připojení ovladače 1.3 je proveden jako releový výstupní kontakt a port 2.4 pro připojení počítače 3 jako USB port.

Propojení mezi digitálními úchylkoměry 1,1, 1,2 a USB komunikátorem 2 je provedeno pomocí sériových kabelů 4 např. typu RS-232. Propojení mezi ovladačem

1.3 a USB komunikátorem 2 je provedeno pomocí vícežilového kabelu 5. Propojení mezi USB komunikátorem 2 a portem 3.2 počítače 3 je provedeno pomocí USB kabelu 6.

Geotechnický stroj 1 je ovládán softwarem 3.1 prostřednictvím USB komunikátoru 2 a ovladače 1.3 opatřeného třemi tlačítky: nahoru, dolů a stop.

Funkcí USB komunikátoru 2 je zajistit připojení úchylkoměrů 1.1, 1.2 a ovladače 1.3 k počítači 3 opatřeném jediným portem 3.2. USB komunikátor 2 tak vytváří na počítači 3 virtuální porty, které umožňují řídícímu softwaru 3.1 snadnou komunikaci v našem případě se dvěmi, ale i více digitálními úchylkoměry. USB komunikátor 2 dále zajišťuje ovládání výstupů pro řízení geotechnického stroje 1 pomocí signálů vysílaných z ovladače 1.3. Další funkcí USB komunikátoru 2 je bezpečnostní zastavení pohybu pístu geotechnického stroje 1 v případě, že by počítač 3 z nějakého důvodu přestal komunikovat.

Činnost geotechnického stroje 1, opatřeného automatickým ovládacím zařízením podle vynálezu je plně automatická. Úkony, které je možné provádět, jsou zkoušky s libovolným průběhem a s použitím libovolných parametrů, jako např.

standardní CBR zkouška, cyklická OBR zkouška - konstantní penetrace, cyklická OBR zkouška - konstantní dynamometr.

Popis jednotlivých výše uvedených zkoušek:

U standardní CBR zkoušky je možné nastavit citlivost dynamometru na dotek materiálu v rozsahu 0 #0,02 mm s přesností 1/1000 mm. Po spuštění zkoušky se nejprve pístem pohybuje směrem k materiálu až do chvíle, kdy se píst dotkne jeho povrchu, což se automaticky identifikuje příslušnou změnou hodnoty deformace prvního digitálního úchylkoměru 1.1 pro měření deformace dynamometru. Jakmile je daná hodnota nalezena, se píst zastaví a provede se vynulování všech připojených úchylkoměru. Následně se pístem pohybuje proti zkoušenému materiálu až do dosažení přednastavené penetrace, která je pro tento typ zkoušky konstantní v hodnotě 10 mm. Aktuální penetrace se měří druhým digitálním úchylkoměrem 1.2. Během pohybu se pravidelně při různé penetraci odečítá hodnota deformace dynamometru, která se měří prvním digitálním úchylkoměrem. Tyto hodnoty se průběžně zapisují do výstupního soboru, ze kterého se na konci zkoušky vygeneruje soubor ve formátu XLS s číselným a grafickým výstupem zkoušky. Po ukončení zkoušky se pohyb pístu automaticky zastaví, změní se jeho směr a navrátí do své výchozí pozice.

U cyklické CBR zkoušky s konstantní penetrací je možné nastavit citlivost dynamometru na dotek materiálu v rozsahu 0 + 0,02 mm s přesností 1/1000 mm, hodnotu přednastavené penetrace v rozsahu 0 #10 mm s přesností 1/1000 mm,

J konstantní penetraci v intervalu 0 #10 mm s přesností 1/1000 mm, počet cyklů do My ukončení zkoušky v rozsahu 0-100 cyklů, odstupňováno po jednom cyklu, míru ' 7 pružnosti materiálu v rozsahu 0 #0,05 mm s přesností 1/1000 mm, při které se ukončí probíhající zkouška, a nebo podmínku pro ukončení zkoušky, tj. dosažení počtu cyklů nebo dosažení míry pružnosti materiálu.

Po spuštění zkoušky se nejprve pístem pohybuje směrem k materiálu až do chvíle, kdy se píst dotkne jeho povrchu, což je automaticky identifikováno příslušnou změnou definované hodnoty na digitálním úchylkoměru deformace prvního digitálního dynamometru 1.1. Jakmile je daná hodnota nalezena, píst se zastaví a provede se vynulování všech připojených úchylkoměrů. Následně se pístem pohybuje plynule proti zkoušenému materiálu až do dosažení přednastavené penetrace, která se měří druhým digitálním úchylkoměrem 1,2. Po nalezení hodnoty přednastavené penetrace dojde ke změně pohybu pístu a k plynulému uvolnění napětí v materiálu, což se identifikuje dosažením nulové hodnoty prvního digitálního úchylkoměru 1,1. Cyklus se opakuje až do dosažení stanovené míry pružnosti materiálu nebo stanoveného počtu cyklů - v závislosti na nastavení parametrů zkoušky. Během pohybu pístu oběma směry se při různých penetracích odečítá hodnota deformace dynamometru měřená prvním digitálním úchylkoměrem 1,1 a průběžně se zapisuje do výstupního souboru, ze kterého se na konci zkoušky vygeneruje soubor ve formátu XLS s číselným a grafickým výstupem zkoušky. Po ukončení zkoušky se pohyb pístu automaticky zastaví, změní jeho směr a navrátí do své výchozí pozice.

U cyklické CBR zkoušky s konstantním dynamometrem je možné nastavit citlivost dynamometru na dotek materiálu v rozsahu 0 τ 0,02 mm s přesností 1/1000 mm, nebo stálou penetraci, která slouží ke stanovení maximální hodnoty ./ dynamometru. Hodnoty je možné zadávat v intervalu 0 Á10 mm s přesností 1/1000 mm. Dále je možné nastavit stálé napětí dynamometru, kdy interval přípustných hodnot je omezen maximální přípustnou hodnotou dynamometru a odstupňován po 1 kPa, počet cyklů do ukončení zkoušky v rozsahu 0 100 cyklů, míru pružnosti materiálu v rozsahu 0 $ 0,05 mm s přesností 1/1000 mm, při které se ukončí probíhající zkouška, podmínku pro ukončení zkoušky, tj. dosažení počtu cyklů nebo dosažení míry pružnosti materiálu, a podmínku pro ukončení cyklu, tj. dosažení stálé penetrace nebo stálého napětí.

Po spuštění zkoušky se nejprve pístem pohybuje směrem k materiálu až do chvíle, kdy se píst dotkne jeho povrchu, což je automaticky identifikováno příslušnou změnou definované hodnoty digitálního úchylkoměru deformace prvního digitálního dynamometru 1,1. Jakmile je daná hodnota nalezena, píst se zastaví a provede se vynulování všech připojených úchylkoměrů. Následně se pístem pohybuje plynule proti zkoušenému materiálu v závislosti na nastavení parametrů zkoušky až do dosažení stálé penetrace, která se měří druhým digitálním úchylkoměrem 1,2, nebo do dosažení stálého napětí, které je vyhodnoceno pomocí hodnot odečtených prvním digitálním dynamometrem 1.1 a kalibrovaného přepočtu deformace a síly. Po nalezení příslušné obratové hodnoty dojde ke zrněné pohybu pístu a k plynulému uvolnění napětí v materiálu, které je identifikováno dosažením nulové hodnoty úchylkoměru deformace prvního digitálního dynamometru 1.1. Cyklus se opakuje až do dosažení stanovené míry pružnosti materiálu nebo stanoveného počtu cyklů - v závislosti na nastavení parametrů zkoušky. Během pohybu pístu oběma směry se při různé penetraci odečítá hodnota deformace dynamometru, která se měří prvním digitálním úchylkoměrem 1.1 a průběžně se zapisuje do výstupního souboru, ze kterého se na konci zkoušky vygeneruje soubor ve formátu XLS s číselným a grafickým výstupem zkoušky. Po ukončení zkoušky se pohyb pístu automaticky zastaví, změní se jeho směr a navrátí do své výchozí pozice. Příklad takového grafického výstupu je v podobě pracovního diagramu uveden na obr. 2. Zde jsou patrny jednotlivé cykly měření, při kterých je tlak na testovaný materiál zvyšován až do okamžiku dosažení maximální penetrace. Po jejím dosažení je tlak uvolněn na nulovou hodnotu a cyklus se opakuje.

Prvním výsledkem měření je stanovení poměrové únosnosti CBR, měřeno podle stávajících platných norem v procentech, při penetraci 2,5 mm a 5 mm, čemuž odpovídá plynulá část zatěžovací křivky pracovního diagramu až do dosažení maximální penetrace. Tento údaj je potřebný pro stanovení kvality materiálů aktivní zóny a materiálů použitých do konstrukčních vrstev vozovky pomocí srovnávací poměrové veličiny.

Druhým výsledkem je stanovení deformační charakteristiky-modulu materiálové pružnosti E, měřeno v MPa, na základě cyklického zatěžování z hodnoty deformace a napětí z posledního cyklu zatěžování. Hodnota modulu pružnosti je potřebná pro numerické modelování a stanovení stavu napjatosti a deformace konstrukce pro dimenzování konstrukce.

Aplikační rozhraní softwaru dále disponuje grafickým ukazatelem průběhu zkoušky a ukazatelem aktuálního pohybu vzorku, tj. pístu. Software disponuje rovněž rozhraním pro nastavení různých parametrů - komunikační porty, adresáře a soubory pro ukládání výsledků, kalibrační hodnoty dynamometru apod.

· · * .' * Automatické ovládací zařízení geotechnického stroje pro měření únosnosti zeminy podle vynálezu je snadno připojitelné ke všem typům stávajících geotechnických strojů určených pro měření OBR na jedné straně a standardních počítačů na straně druhé, a umožňuje tak rozšířit využití geotechnického stroje i na možnost stanovení modulu pružnosti zemin.

Jak už bylo zmíněno výše, automatický ovládací systém podle vynálezu je využitelný ve všech geotechnických strojích pro zjišťování modulu pružnosti zemin a stavebních materiálů na stroji standardně využívaném pro stanovení CBR.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Automatické ovládací zařízeni geotechnického stroje pro měření únosnosti zeminy sestávající z alespoň jednoho úchylkoměru instalovaného na geotechnickém stroji, ovladače instalovaného na geotechnickém stroji, softwaru instalovaného napočítač^ přičemž digitální úchylkomér je opatřen portem, kde alespoň jeden digitální úchylkomér je proveden jako první digitální úchylkomér k měření deformace dynamometru a/nebo druhý digitální úchylkomér k měření polohy pístu/penetrace vyznačující se tím, že dále sestává z obousměrného USB komunikátoru (2), USB komunikátor (2) je určen k přenosu informací z úchylkomérů (1.1, 1.2) do počítače (3), USB komunikátor (2) je určen k přenosu ovládacích povelů do geotechnického stroje (1), USB komunikátor (2) je opatřen alespoň jedním sériovým portem (2.1, 2.2) propojeným s úchylkoměrem (1.1, 1.2) vybaveným sériovým portem, propojení mezi úchylkoměrem (1.1, 1.2) a USB komunikátorem (2) je provedeno prostřednictvím sériového kabelu (4), propojení mezi ovladačem (1.3) a USB komunikátorem (2) je provedeno prostřednictvím vícežilového kabelu (5), a dále propojení mezi USB komunikátorem (2) a počítačem (3) je provedeno pomocí USB kabelu (6).
2. Způsob provádění měření únosnosti na geotechnickém stroji pro měření únosnosti zeminy s automatickým ovládacím zařízením podle nároku 1 nebo 2, kde píst geotechnického stroje (1) se pohybuje směrem ke zkoušenému materiálu až do okamžiku jeho dotyku s ním, což se identifikuje změnou hodnoty deformace měřené prvním digitálním úchylkoměru (1.1) pro měření deformace dynamometru, následně se píst pohybuje proti zkoušenému materiálu až do okamžiku dosažení přednastavené penetrace, kdy aktuální penetrace se měří druhým digitálním úchylkoměrem (1.2), nebo do dosažení stálého napětí, následně se změní směr pohybu pístu a píst se navrátí do své výchozí pozice s nulovým působícím napětím na zkoušený materiál, kde se píst automaticky zastaví nebo se cyklus opakuje, přičemž úplné uvolnění napětí na materiál se identifikuje dosažením nulové hodnoty prvního digitálního úchylkoměru (1.1) pro měření deformace dynamometru, vyznačující se tím, že při prvním kontaktu pístu s měřeným materiálem se vynulují všechny připojené úchylkoměry, a během pohybu pístu se pravidelně pro různou penetraci odečítá hodnota deformace dynamometru, která se měří prvním digitálním úchylkoměrem (1.1) a naměřené hodnoty se průběžně zapisují do výstupního souboru.