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Dokumentenidentifikation DE69132405T2 28.06.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0518996
Titel BODENUNTERSUCHUNGEN
Anmelder Gas Research Institute, Chicago, Ill., US
Erfinder ATKINSON, T., Dick, Nashua, US;
APLIN, E., James, Needham, US;
MANGOLDS, Arnis, Stow, US;
FOLEY, J., Daniel, North Chelmsford, US
Vertreter Jeck . Fleck . Herrmann Patentanwälte, 71665 Vaihingen
DE-Aktenzeichen 69132405
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.03.1991
EP-Aktenzeichen 919064436
WO-Anmeldetag 07.03.1991
PCT-Aktenzeichen US9101573
WO-Veröffentlichungsnummer 9114182
WO-Veröffentlichungsdatum 19.09.1991
EP-Offenlegungsdatum 23.12.1992
EP date of grant 06.09.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.06.2001
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 29/18   G01V 1/30   G01N 3/30   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft Überwachungssysteme, insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Erdbodenuntersuchung, wie beim Verdichten von Rückfüllmaterial für Nutzgruben und dergleichen.

Erdgruben, wie Energieversorgungsgräben, Baugruben und dergl., werden im Allgemeinen in Schichten, periodischen Posten, rückgefüllt, wobei jeder Posten des Rückfüllmaterials vor dem Hinzufügen des nächsten Postens verdichtet wird. Wenn das Rückfüllmaterial unzureichend verdichtet ist oder wenn ein ungeeignetes Rückfüllmaterial verwendet wird, kann der rückgefüllte Erdaushub sich senken. Auf eine unzureichende Verdichtung des Rückfüllmaterials beruhende Senkungen von Fundamenten, Fahrwegen und anderen Gebilden können zu teuren Reparaturen und Bruchreparaturen führen.

Bei einer richtigen Verdichtung der Rückfüllung in einer Erdgrube sollte jeder Rückfüllposten vor dem Hinzufügen des nächsten Postens in der richtigen Weise verdichtet werden; nachdem alle Posten rückgefüllt und verdichtet sind, sollte die vollständig rückgefüllte Erdgrube daraufhin überprüft werden, dass keine Hohlräume, Schmutzbrücken oder Schichten vorhanden sind, die nicht vollständig verdichtet sind. Bekannte Überwachungsverfahren, wie Fallhammereindringuntersuchungen, Kerndichtemessungen und das Sandkegelverfahren werden in typischer Weise nur dazu benutzt, jeden Posten auf die richtige Verdichtung zu überprüfen. Diese Verfahren sind teuer, zeitaufwendig und können nicht in Echtzeit ausgeführt werden.

Prüfungen auf annehmbare Verdichtung des Erdmaterials, wie das Proctor- oder California Bearing Ratio (CBR), erfordern spezielle Anlagen und für ihre Durchführung einen beträchtlichen Zeitaufwand und werden daher üblicherweise eher in einem Laboratorium als im Gelände durchgeführt.

Die SU-A-1388799 offenbart ein Verfahren zur Erdbodenverdichtung, bei dem ein Sensor zusammen mit einem Schlagmechanismus auf dem Arbeitselement des Verdichters auf der Schicht des zu verdichtenden Erdbodens angeordnet sind. Das Produkt aus Amplitude und Frequenz des Arbeitselements wird berechnet, bis es einen vorbestimmten Wert erreicht, der einer bestimmten Verdichtung des zugrunde liegenden Erdbodens entspricht, die durch eine vorhergehende Eichung bestimmt wird, bei der das Produkt aus Amplitude und Frequenz am Arbeitselement mit dem Produkt der Amplitude und Frequenz an einem eingegrabenen Sensor verglichen wird.

Gnaedinger et al schlägt in der US-A-3 641 811 einen Gründungspfahl oder Senkkasten aus Beton vor. Im sich setzenden, festen Betonmaterial sind ein Generator für Tonimpulse und ein Detektor eingegraben. Die Fehlerfreiheit des Gründungspfahls oder Senkkastens kann jederzeit während der Lebensdauer durch Übertragung von Tonimpulsen durch den Beton festgestellt werden.

Im Gegensatz dazu wird nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Überwachen der Verdichtung von Erdmaterial vorgesehen, wobei diese Vorrichtung eine Hammerkonstruktion und eine Sensorkonstruktion aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkonstruktion von der Hammerkonstruktion einen Abstand aufweist, die Sensorkonstruktion so angeordnet ist, dass sie am Boden eines definierten Bereichs des Erdmaterials eingegraben ist, wobei die Hammerkonstruktion so gestaltet ist, dass sie Schlagenergie auf das Erdmaterial des definierten Bereichs aufbringt, und wobei die Sensorkonstruktion betriebsmäßig so gestaltet ist, dass sie ein elektrisches Signal in Reaktion auf die von der Hammerkonstruktion durch das Erdmaterial übertragene Schlagenergie erzeugt, und dass ein Steuermodul vorgesehen ist, das auf die elektrischen Signale der Sensorkonstruktion anspricht und betriebsmäßig so gestaltet ist, dass es eine Anzeige der Qualität der Verdichtung des Erdmaterials des definierten Bereichs gibt.

Diese Merkmale können folgendermaßen auf Einheiten eines ausführlichen Ausführungsbeispiels bezogen sein:

Die beschriebene Vorrichtung zur Überwachung der Verdichtung von Erdmaterial weist eine Hammerkonstruktion (22, 60) und eine Sensorkonstruktion (12) auf. Die Sensorkonstruktion hat von der Hammerkonstruktion einen gewissen Abstand. Die Sensorkonstruktion ist derart ausgebildet, dass sie am Boden eines definierten Bereichs (10) des Erdmaterials eingegraben ist. Die Hammerkonstruktion ist so ausgestaltet, dass sie Schlagenergie an das Erdmaterial des definierten Bereichs abgibt. Die Sensorkonstruktion ist derart gestaltet, dass sie Signale aus der Sensoranordnung empfängt und eine Anzeige der Qualität der Verdichtung jedes Postens des Rückfüllmaterials des Erdaushubs abgibt. Eine Auswerteschaltung ist vorgesehen, die auf den ersten Mesawandler und den zweiten Messwandler reagiert und in einer Übergangszeit (abhängig von der seismischen Geschwindigkeit) eine Anzeige der Schlagenergieausbreitung zwischen dem dritten Messwandler auf der Oberseite des Rückfüllmaterials und dem zweiten Messwandler am Boden der Erdgrube abgibt.

Bei einer besonderen Ausführung hat das Steuermodul eine Spitzenwerterkennungsschaltung zur Abtastung von elektrischen Signalen, die von der Anordnung von ersten piezoelektrischen Messwandlern empfangen werden, eine Speicherschaltung zur Speicherung der Anzeigen der Spitzenamplituden der während einer Folge von Verdichtungsintervallen empfangenen Signale, eine auf die Speicherschaltung ansprechende Schaltung zur Erzeugung von Durchschnittsspitzenwertsignalen während eines Arbeitszyklus der Hammerkonstruktion, die beispielsweise ein Verdichtungswerkzeug ist, eine Vergleichsschaltung, die Durchschnittsspitzenwertsignale, die während eines vorhergehenden Verdichtungsvorgangs erzeugt worden sind, mit Durchschnittsspitzenwertsignalen, die während des aktuellen Verdichtungsvorgangs erzeugt werden, vergleicht und eine Anzeige über den Fortgang des Verdichtungsprozesses abgibt, und ferner eine Zeitsteuerschaltung, die eine Anzeige der Schlagenergieausbreitungszeit durch das Rückfüllmaterial angibt und eine Anzeige über eine annehmbare Verdichtung abgibt, nachdem der Erdgrubenrückfüllprozess vollständig abgelaufen ist.

Im Folgenden wird auch eine an sich neue Prüfvorrichtung zur Prüfung der Eignung oder des Ausmaßes der Erdbodenverdichtung beschrieben, wobei diese Prüfvorrichtung einen am Boden eines definierten Bereichs angeordneten, ersten Messwandler, einen auf der Oberseite des verdichteten Erdbadens im definierten Bereich angeordneten, zweiten Messwandler zur Prüfung der Eignung oder des Ausmaßes der Verdichtung dieses Erdbodens, eine Impulserzeugungskonstruktion zur Erzeugung eines seismischen Impulses zur Übertragung durch das Erdmaterial zwischen dem ersten Messwandler und dem zweiten Messwandler und eine Prüfschaltung aufweist, die auf die Ausgangssignale des ersten Messwandlers und des zweiten Messwandlers anspricht und eine Zeitanzeige (abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit) der Energieausbreitung zwischen dem ersten Messwandler und dem zweiten Messwandler durch das Erdmaterial vorsieht, um für eine Anzeige der Verdichtungsqualität zu sorgen.

Bei einer besonderen Prüfvorrichtung ist Folgendes vorgesehen: eine Kammer aus Material mit geringer Schallausbreitung, beispielsweise gegossener Kunststoff oder Holz; ein erster Messwandler ist in einem Isolationsraum an der Kammerbasis untergebracht; eine zweite Messwandleranordnung weist einen Sensor und einen Triggerausgang auf und ist auf der Oberseite des verdichteten Erdmaterials in der Kammer angeordnet; und ein geeichter Tonimpulsgenerator in Form eines Hammers und eines Führungsstabs ist zur Erzeugung eines seismischen Impulses zur Übertragung zwischen den beiden Messwandlern durch das Erdmaterial vorgesehen, um eine Anzeige für die Qualität: der Verdichtung des Erdmaterials in der Kammer zu schaffen, wobei diese Anzeige mit einem Standardtest, beispielsweise den Proctor Test des California-Bearing-Ratio-Tests korreliert sein kann.

Gemäß einem alternativen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Prüfung der Verdichtung des Erdbodens in einem Aushubbereich vorgesehen, wobei dieses Verfahren folgende Schritte aufweist:

- eine Kammerkonstruktion aus Material mit niedriger Schallausbreitung wird vorgesehen,

- die erste Sensorkonstruktion wird am Boden der Kammerkonstruktion angeordnet,

- eine Probe des Erdbodens wird in die Kammerkonstruktion eingebracht, und diese Erdbodenprobe wird verdichtet, um ein Kriterium des Standardtests zu erfüllen,

die Ausbreitungszeit einer Energiewelle von der Oberseite des Erdmaterials in der Kammerkonstruktion wird gemessen, um einen Bezugswert der Ausbreitungszeit zu gewinnen, der eine ausreichende Verdichtung anzeigt,

- die Sensormesswandlerkonstruktion wird am Boden eines Grubenbereichs angeordnet,

- Erdmaterial wird dem Grubenbereich zugefügt,

- das Erdmaterial in diesem Grubenbereich wird mittels einer Reihe von Verdichtungsschlägen verdichtet,

- und die Ausbreitungszeit einer Energiewelle von der Oberseite des verdichteten Erdmaterials im Grubenbereich zur Sensormesswandlerkonstruktion am Boden des Grubenbereichs wird gemessen, um einen Ausbreitungszeitwert zum Vergleich mit dem Bezugswert der Ausbreitungszeit und damit eine Anzeige einer ausreichenden Verdichtung des Erdmalterials im Grubenbereich zu gewinnen.

Gemäß einem weiteren alternativen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung der Verdichtung des Erdbodens in einem definierten Bereich mit folgenden Schritten vorgesehen:

- die Sensorkonstruktion wird am Boden des definierten Bereichs angeordnet,

- Erdmaterial wird dem definierten Bereich zugefügt,

- das Erdmaterial wird mittels einer Reihe von Verdichtungsschlägen an einer Position verdichtet, die völlig fern von der Sensorkonstruktion liegt,

- und das Ausgangssignal der Sensorkonstruktion wird als Funktion der von den Schlägen stammenden und auf die Sensorkonstruktion einwirkenden Energie überwacht.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren folgende Schritte:

- die von der Sensorkonstruktion kommenden Amplitudensignale werden gesammelt,

- die Größen der aus aufeinander folgenden Verdichtungsdurchgängen stammenden Amplituden werden miteinander verglichen,

nachdem das Rückfüllen beendet worden ist, wird die Qualität der Erdmaterialverdichtung durch Messen der Ausbreitungszeit einer von der Oberseite des Erdmaterials zu einem Sensor am Boden des Erdmaterials laufenden Energiewelle geprüft, um eine Anzeige der Qualität der Verdichtung des Erdmaterials zu gewinnen.

Wie noch im Folgenden näher erläutert wird, sorgen die Systeme gemäß der Erfindung für eine wirksame Echtzeitüberwachung und für eine Prüfung auf dem Gebiet von Verdichtungsprozessen des Erdmaterials in einer Nutzgrube oder dergleichen.

Weitere Merkmale und Vorteile können der folgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen entnommen werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, die Aspekte eines Verdichtungsüberwachungssystems gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein bei dem System der Fig. 1 verwendetes Sensormodul,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des bei dem System der Fig. 1 verwendeten Steuermoduls,

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Steuermoduls der Fig. 4,

Fig. 6 einen schematischen Schnitt durch das im Prüfmodus arbeitende System,

Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch ein zweites System gemäß der Erfindung,

Fig. 8 einen schematischen Schnitt durch das in Fig. 7 gezeigte System während einer zweiten Betriebsstufe und

Fig. 9 ein Schaubild, das die Korrelation zwischen den Proctor-Test- Laboratoriumsmessungen und der Geländebenutzung des in den Fig. 7 und 8 gezeigten Systems angibt.

Das in Fig. 1 schematisch gezeigte System weist einen Aushub oder Grube 10 in einer Fahrwegoberfläche 24 zur Reparatur einer Gasleitung 26 auf. Die Gasleitung 26 ist repariert worden, ein Sensormodul 12 ist am Boden der Grube 10 angeordnet, und eine Reihe von fünf Posten 14-18 aus Rückfüllmaterial sind in der Grube 10 vorhanden. Eine Bedienungsperson 20 benutzt gerade ein Schlagwerkzeug 22 zur Verdichtung des obersten Postens 18. Das Sensormodul 12 besitzt eine Anordnung aus vier piezoelektrischen Messwanchlerstreifen 30 A - 30 D, die mittels Leiter 32 parallel an ein batteriebetriebenes, tragbares Steuermodul 34 angeschlossen sind. Dieses Steuermodul wird von einer Beobachtungsperson 36 bedient. Das Sensormodul weist ferner einen weiteren piezoelektrischen Messwandlerstreifen 38 auf, der mittels Leiter 40 an das Steuermodul 34 angeschlossen ist.

Weitere Einzelheiten des Sensormoduls 12 können den Fig. 2 und 3 entnommen werden. Das Sensormodul weist eine elastische Gummimatte 42 auf, die auf einer Seite eine Kantenlänge von etwa 60 cm und eine Stärke von etwa 1 /2 cm hat, so dass sie auf den Boden der Grube 10 passt und die piezoelektrischen Sensoren 30, 38 in einer festen Anordnung bindet. Die Sensoren 30, 38 sind aus geeignetem piezoelektrischen Material, beispielsweise aus einem Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-Film. Jeder Film ist etwa 2 cm breit, 15 cm lang und für die Verbindung mit Leitern 32, 40 metallisiert. Eine Schutzfolie 44 aus Mylar oder einem ähnlichen Material liegt auf den Sensoren 30, 38 und den Leitern 32, 40 und schützt diese in der Grube 10.

Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass das System auch einen Prüfsensor 50 aus PVDF aufweist, der auf der Oberfläche der vollständig rückgefüllten Grube angeordnet und mittels eines Leiters 52 mit dem Steuermodul 34 verbunden ist. Ferner umfasst das System ein zylindrisches Distanzstück 54 (mit einem Durchmesser von etwa 25 cm und einer Höhe von 5 cm), das über dem Sensor 50 angeordnet und mit Rückfüllmaterial gefüllt ist, eine metallische Triggerplatte 56, die auf der Oberfläche des Rückfüllmaterials im Distanzstück 54 angeordnet und mittels eines Leiters 58 mit dem Steuermodul 34 verbunden ist, und einen Prüfhammer 60, der mittels eines Leiters 61 mit dem Steuermodul 34 verbunden ist. Durch das Schlagen der Platte 56 mit dem Hammer 60 wird ein Schaltkreis zwischen den Leitern 58, 61 geschlossen, um Schaltungen in einem Mikroprozessor 84 in Erwartung eines Zeitzyklus zur Prüfung der rückgefüllten Grube zu aktivieren. Das System umfasst auch eine Ton-Sender-Empfänger-Einheit 75, die von einem Stab 77 getragen und mittels eines Leiters 79 mit dem Steuermodul verbunden ist, wobei der Stab 77 auf der Fahrwegoberfläche 24 angeordnet ist und die Öffnung der Grube 10 überbrückt, so dass die Einheit 75 unmittelbar über dem Sensor 38 des Sensormoduls 12 für Tontiefenmessung angeordnet ist, bevor irgendein Posten des Rückfüllmaterials in die Grube gegeben wird.

Das tragbare, batteriebetriebene Steuermodul 34 ist in Fig. 4 gezeigt, während ein Blockschaltbild des Steuermoduls in Fig. 5 dargestellt ist. Das Steuermodul umfasst einen Traggriff 62, einen Ein-Aus-Schalter 64, einen Moduswählschalter 66 mit einer Verdichtungsmodusstellung 68 und einer Prüfmodusstellung 70, einen Rückstellknopf 72, ein LCD-Display 74 und einen Druckerausgang 76, der eine Druckaufzeichnung 78 mit den Verdichtungsergebnissen herstellt.

In Fig. 5 sind die Eingangsleitungen 32 (von den parallel geschalteten Peripheriesensoren 30 A - 30 D) über einen einstellbaren Verstärker 80 mit einem Spitzenwertdetektor 82 verbunden, der mit einem an einen Mikroprozessor 84 angeschlossenen Eingang 83 versehen ist. Ein Mikrosteuerbaustein 85 umfasst ein Akkumulatorregister 86 und einen Zeitzähler 87. Mit dem Mikrosteuerbaustein 85 sind ein EPROM 88 und ein RAM 89 gekoppelt. Das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors 82 wird über eine Multiplexeinheit 88, die einen mit dem Moduswählschalter verbundenen Eingang 90 aufweist, und über einen Analog-Digital-Wandler 92 dem Mikrosteuerbaustein 86 zugeführt, der ein Ausgangssignal über eine Leitung 94 an das LCD-Display 74 und über eine Leitung 96 an einen Drucker 98 abgibt. Einen zweiten Eingang des Steuermoduls 34 stellen Leitungen 40 dar (wobei die zugehörigen Eingangssignale vom mittleren Sensor 38 über einen einstellbaren Verstärker 100 zur Multiplexeinheit 88 laufen). Einen dritten Eingang stellen die Leitungen 52 dar, die mit dem Sensor 50 verbunden sind, welcher in Verbindung mit dem Prüfhamnner 60 verwendet wird, und dessen Eingangssignale über einen einstellbaren Verstärker 102 laufen. Einen vierten (Trigger-) Eingang des Steuermoduls stellen die Leitungen 58, 61 dar, wobei die Leitung 58 mit der Prüfplatte 56 und die Leitung 61 mit dem Prüfhammer 60 verbunden ist. Der Spitzenwertdetektor 82 weist eine Schaltungsanordnung auf, die die Spitzenwerte der auf der Leitung 32 vorhandenen Signale sammelt und einen Durchschnittswert dieser Spitzenwerte bildet, der über die Multiplexeinheit 88 und den Analog-Digital-Wandler 92 im Akkumulatorregister 86 gespeichert wird und auf dem LCD-Display 74 angezeigt wird. Der Spitzenwertdetektor 82 wird periodisch zurückgesetzt (automatisch vom Mikrosteuerbaustein 85), um eine Reihe von Schlagdurchschnittswerten herzustellen, wie sie durch die Sensoren 39 A - 39 D gemessen werden. Der Mikroprozessor 84 speichert die Größe dieser Schlagdurchschnittswerte (welche sich erhöhen, wenn das Rückfüllmaterial verdichtet wird und damit die Schlagenergie besser zu den Sensoren 30 überträgt) und vergleicht die gemessenen Schlagwerte der vorhergehenden Durchgänge mit denen des aktuellen Durchgangs. Wenn diese Schlagwerte im Wesentlichen gleich sind (d. h., wenn der Durchschnittswert der schlagerzeugten Signale des aktuellen Durchgangs um weniger als 5% größer als der Durchschnittssignalwert des unmittelbar vorhergehenden Durchgangs ist/, veranlasst der Mikroprozessor 84 eine Anzeige auf dem LCD- Display 74 über eine ausreichende Verdichtung des betreffenden Postens.

Bei der Systembenutzung wird gemäß Fig. 6, nachdem die Gasleitung 26 am Boden der Nutzgrube 10 mit einer dünnen Schicht des Rückfülllmaterials bedeckt worden ist, das Sensormodul 12 auf den Boden der Grube 10 gelegt, wobei die Verbindungsleiter 32, 40 aus der Grube zum Steuermodul 34 führen. Der Abstand vom mittleren Sensor 38 bis zur Öffnung der Grube 13 wird gemessen und dem Steuermodul 34 mitgeteilt (beispielsweise entweder manuell oder mit der Ton-Sender-Empfänger-Einheit 75, die derart auf die Fahrvvegoberfläche 24 gelegt wird, dass sie die Grube 10 überbrückt, und dann wird auf dem akkustischen Weg eine Tiefenmessung durchgeführt und der Messwert in den Mikroprozessor 84 eingegeben). Ein Posten 14 des Rückfüllmaterials wird in die Grube geschüttet und mit dem Verdichtungswerkzeug 22 verdichtet, das nach Bedarf abhängig von dem speziellen Anwendungsfall manuell, pneumatisch oder hydraulisch betrieben werden kann. Wenn der Posten 14 während einer Reihe von "Durchgängen" verdichtet wird, wird die Verdichtung mittels des Steuermoduls 34 im Verdichtungsmodus dadurch beobachtet, dass düe Amplitude der über die Leitungen 32 von den Peripheriesensoren 30 kommenden Signale gemessen wird. Jeder Verdichtungsschlag des Verdichtungswerkzeugs 22 überträgt seismische Energie über den Rückfüllposten 14 zu den Sensoren 30, die der seismischen Schlagenergie proportionale Ausgangsspannungen abgeben. Ein hydraulisches Verdichtungswerkzeug erzeugt in typischer Weise mehrere Verdichtungsschläge in der Sekunde. Während jedes Durchgangs wird der dem Spitzenwertdetektor 82 zugeführte Amplitudenspitzenwert der über die Leitungen 32 übertragenen Signale vom Steuermodul 34 in 100ms-Intervallen gelesen und über die Multiplexeinheit 88 und den Analog-Digital-Wandler 92 zum Mikrosteuerbaustein zur Speicherung im Akkumulatorregister 86 übertragen. Der Spitzenwertdetektor 82 wird vom Mikrosteuerbaustein 85 nach jedem Intervall zurückgesetzt, so dass eine Reihe von Schlagdurchschnittswerten vom Akkumulatorregister gespeichert wird. Die aus einem vorhergehenden Durchgang stammenden Schlagdurchschnittswerte (welche sich erhöhen, wenn das Rückfüllmaterial mit den entsprechenden Verbesserungen der Übertragung der Schlagenergie zu den Sensoren 30 verdichtet wird), werden mit denen des aktuellen Durchgangs verglichen. Wenn der Durchschnittswert der schlagerzeugten Signale während des aktuellen Durchgangs weniger als ein vorbestimmter Betrag (beispielsweise 5%) größer als die Schlagsignaldurchschnittswerte des unmittelbar vorhergehenden Durchgangs ist, veranlasst der Mikroprozessor 84 eine Anzeige auf dem LCD-Display 74, die eine ausreichende Verdichtung des Postens 14 mitteilt. Die Posten 15-18 werden in ähnlicher Weise rückgefüllt und verdichtet.

Nachdem die Posten 14-18 nacheinander ausreichend verdichtet worden sind, wird der Abstand zwischen der Oberseite (das ist die ursprüngliche Fläche 24) der Grube 10 und der Oberfläche des Postens 18 gemessen und der entsprechende Messwert als Abweichung von der früher eingegebenen Grubentiefemessung in das Steuermodul 34 eingegeben. Der Prüfsensor 50 wird dann in der Mitte der Oberseite des Postens 18 des Rückfüllmaterials (unmittelbar über dem mittleren Sensor 38) gelegt. Das Distanzstück 54 wird auf die Oberseite des Rückfüllpostens 18 gelegt, umgibt dann den Sensor 50 und wird mit Rückfüllmaterial aufgefüllt, das in geeigneter Weise verdichtet wird, so dass es eine Stärke von etwa 5 cm hat. Die Prüfplatte 56 wird dann auf die Oberseite des rückgefüllten Distanzstücks 54 gelegt, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Der Moduswählschalter 66 wird in die Prüfmodusstellung gebracht, und dann wird die Prüfplatte 56 mit dem Prüfhammer 60 geschlagen, der ein Beginnsignal über die Leitungen 58, 61 zum Mikroprozessor 84 sendet und so die den Zeitschalter 87 umfassende Mikroprozessorschaltung in Gang setzt. Der Prüfsensor 50 über trägt auf Grund der von der Prüfplatte 56 stammenden Tonenergie einen Impuls über die Leitungen 52 und die Multiplexeinheit 88 zum Mikroprozessor 84, um den Zeitzähler 87 zu starten. Die Tonenergie des die Platte 56 schlagenden Prüfhammers 60 wird vom Sensor 38 nacheinander gemessen, und der Messwert wird über die Leitungen 40 und den Verstärker 40 dem Mikroprozessor 84 zugeleitet, um den Zeitzähler 87 still zu setzen. Der Zählwert (der die Ausbreitungszeit zwischen den Sensoren 50 und 38 darstellt) wird dann auf der Basis des bekannten Abstands zwischen den Sensoren 50 und 38 zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet und ergibt damit eine Anzeige der Qualität des verdichteten Rückfülfmaterials in der Grube 10. Die Parameter der Qualität des verdichteten Rückfüllmaterials können in den Mikroprozessor 84 als charakteristische Merkmale des Rückfüllmaterials eingegeben werden. Die Tiefe der Grube 10 (der Abstand zwischen den Sensoren 38 und 50) oder der Zeitunterschied (Ausbreitungszeit) kann direkt als Anzeige der Verdichtungsqualität als charakteristische Merkmale des Rückfüllmaterials angezeigt werden, während für die Tiefe der Grube 10 auf empirische Daten zurückgegriffen wird.

Die in Fig. 7 gezeigte Feldprüftest-(FPT)-Vorrichtung umfasst eine quadratische Holzgrundplatte 110 mit einer Stärke von etwa 6 cm und einer Kantenlänge von etwa 0,7 m. Eine Ringnut 112 hat eine Breite von etwa 2 cm, eine Tiefe von etwa 2 cm und einen Innendurchmesser von etwa 32 cm. Auf der Oberfläche 114 befindet sich ein Polyvinylchlorid-Gehäuse 116, das eine Kammer 118 mit einem PCDF-Filmsensor 120 bildet, der auf der Innenfläche der oberen Wand 122 befestigt und mittels einer Leitung 124 mit der Beobachtungsschaltungsanordnung des in Fig. 5 gezeigten Typs verbunden ist. Das Gehäuse 116 hat eine Breite von etwa 14 cm und eine Höhe von etwa 4 cm, und die obere Wand 122 hat eine Stärke von etwa 1 cm.

In der Ringnut 11 2 sitzt ein Polyvinylchlorid-Zylinder 126, der einen Innendurchmesser von etwa 32 cm, eine Höhe von etwa 23 cm, eine Wandstärke von etwa 2 cm und einen ringförmigen Absatz an der Peripherie der oberen Wandfläche hat. Auf dem Ringabsatz 128 sitzt in Fortsetzung des Zylinders 126 ein daran angepasster Ringabsatz 130 eines Aluminiumzylinders 132, der eine Höhe von etwa 15 cm hat. Eine Aluminiumplatte 134 ist an die Oberseite des Zylinders 132 angeschweißt, steht horizontal von dieser ab und weist Löcher an ihren vier Ecken auf, die entsprechende Gewindebolzen 136 aufnehmen, die an der Grundplatte 110 befestigt sind und auf dieser aufrecht siehen. Flügelmuttern 138 werden auf die Gewindebolzen geschraubt und legen den Aluminiumzylinder 132 am PVC-Zylinder 126 fest.

Bei der Benutzung der Feldprüftest-(FPT)-Vorrichtung werden die Zylinder 126, 132 mit zwei Posten zu testendem Erdmaterial 140 aufgefüllt. Jeder Posten wird dabei mit einem Stampfer verdichtet, der einen Fuß 142 mit einem Durchmesser von 15 cm aufweist, um das Erdmaterial im unteren Zylinder 126 zu verdichten. Nach der Verdichtung werden die Flügelmuttern 138 gelöst, wird der obere Zylinder 132 sorgfältig entfernt, um größere Störungen des Erdmaterials 140 zu vermeiden, und wird der Füllstand des verdichteten Erdmaterials 140 nach Fig. 9 sorgfältig nivelliert, so dass die obere Fläche 144 des Erdmaterials 140 mit der oberen Fläche des Zylinders 126 bündig abschließt.

Eine Prüfsensoranordnung 146 weist eine quadratische Aluminiumschlagplatte 148 auf, die eine Kantenlänge von etwa 6 cm, eine Stärke von etwa 2 cm und eine 0,6 cm tiefe Ausnehmung 150 hat, in der der PVDF-Filmsensor 152 befestigt ist, der mittels einer Leitung 154 mit dem Mikroprozessor 84 verbunden ist. Eine Leitung 158 ist mittels einer Schraube 156 an der Platte 148 befestigt. Eine geeichte Hammervorrichtung 160 umfasst eine Polyvinylchlorid-Führungs stange 162, die eine Länge von etwa 50 cm hat und ein Stahlhammerglied 164 mit einem Außendurchmesser von etwa 5 cm und einem Gewicht von etwa 0,5 kg aufnimmt.

Wenn der Prüfhammer 164 aus einer Höhe von 40 cm auf die Schlagplatte 148 fallen gelassen wird, wird ein Signal erzeugt, das über die Leitung 158 dem Mikroprozessor 84 zugeführt wird, um dessen Schaltungsanordnung, die den Zeitzähler 87 umfasst, den Messungsbeginn in Erwartung eines Zeitzyklus zur Messung der Qualität der Verdichtung des Erdmaterials 140 mitzuteilen. Der Prüfsensor 152 überträgt auf Grund der Tonenergie der Platte 144 einen Impuls über die Leitung 158 zum Mikroprozessor 84, um den Zeitzähler zu starten. Die durch das Erdmaterial 140 übertragene seismische Energie wird vom Sensor 120 gemessen und über die Leitung 124 als zweites Eingangssignal zum Zeitzähler 87 übertragen. Der resultierende Zählwert (der die Ausbreitungszeit zwischen den Sensoren 152 und 120 darstellt) wird zur Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit verwendet, die mit den im Laboratorium gewonnenen Proctor-Test-Daten korreliert ist. Diese Korrelation in einem kiesigen Sand, der eine Proctordichte von 146,2 PCF bei 6, 7% Feuchtigkeit hat, ist in Fig. 9 gezeigt. Das Erdmaterial 140 ohne Verdichtung (Punkt 170) hat einen prozentualen Proctorwert von etwa 78 bei einer Geschwindigkeit von etwa 137,16 m/s (450 Fuß je Sekunde). Die zwei Sekunden dauernde Verdichtung (Punkt 172) ergibt eine seismische Geschwindigkeit von 176,784 m/s (580 Fuß je Sekunde; etwa 85% Proctor). Die etwa fünf Sekunden dauernde Verdichtung (Punkte 174 und 176) ergibt eine seismische Geschwindigkeit von etwa 182,88 m/s (600 Fuß je Sekunde), die einem prozentualen Proctor von etwa 87% entspricht. Die etwa zehn Sekunden dauernde Verdichtung (Punkte 178 und 180) ergibt eine seismische Geschwindigkeit von etwa 201,168 m/s (660 Fuß je Sekunde), die einem Proctor von etwa 92% entspricht. Das etwa zwanzig Sekunden dauernde Feststampfen (Punkt 182) erzeugt ebenfalls ähnliche Tongeschwindigkeiten und prozentuale Proctorwerte in diesem Erdmaterial.

Wenn diese Daten als Beispiel verwendet werden und es erwünscht ist, mindestens 90% Proctor in der Grube zu erreichen, lädt die Bedienungsperson die Vorrichtung FPT mit dem unbekannten Erdmaterial; die Bedienungsperson verdichtet dieses Erdmaterial dann mindestens zehn Sekunden lang, um mindestens 90% Proctor zu erreichen. Eine Geschwindigkeitsmessung, die nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, ergibt dann, dass das Erdmaterial eine Geschwindigkeit von 190,5 m/s (625 Fuß je Sekunde) zeigt. Dieser Geschwindigkeitswert wird dann als Erfüllungsziel für die Verdichtung des Rückfüllmaterials im Gelände genommen.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zum Überwachen der Verdichtung von Erdmaterial, umfassend eine Hammerkonstruktion und eine Sensorkonstruktion,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Sensorkonstruktion von der Hammerkonstruktion beabstandet ist;

die Sensorkonstruktion so angeordnet ist,

dass sie am Boden eines definierten Bereiches von Erdmaterial vergraben ist, wobei die genannte Hammerkonstruktion so gestaltet ist,

dass sie Schlagenergie auf Erdmaterial in dem genannten definierten Bereich aufbringt, und wobei die genannte Sensorkonstruktion betriebsmäßig so gestaltet ist,

dass sie ein elektrisches Signal in Reaktion auf Energie erzeugt, die von der genannten Hammerkonstruktion durch Erdmaterial übertragen wird; und dadurch,

dass ein Steuermodul vorgesehen ist, das auf elektrische Signale von der genannten Sensorkonstruktion reagiert und betriebsmäßig so gestaltet ist, dass es eine Anzeige der Qualität der Verdichtung von Erdmaterial in dem genannten definierten Bereich gibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Steuermodul einen Verdichtungsmodus zum Überwachen des Fortschritts der Verdichtung individueller Lagen hat, und einen Dichteprüfungsmodus, um eine Anzeige einer akzeptablen Verdichtung von Erdmaterial in dem genannten definierten Bereich zu geben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Sensorkonstruktion folgendes aufweist: ein nachgiebiges Basiselement aus elektrisch isolierendem Material, eine Mehrzahl von ersten piezoelektrischen Messwandlern, die in einer beabstandefien Anordnung an dem genannten Basiselement befestigt und mit der ersten Ausgangsleiterkonstruktion paralellgeschaltet sind, einen zweiten piezoelektrischen Messwandler, der an dem genannten Basiselement befestigt und mit der genannten zweiten Ausgangsleiterkonstruktion verbunden ist, wobei die genannten Ausgangsleiterkonstruktionen mit dem genannten Steuermodul verbunden sind, um elektrische Signale zu dem genannten Steuermodul zu senden, und wobei über den genannten Messwandlern eine Schutzfolienkonstruktion liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Steuermodul folgendes aufweist: eine Akkumulatorschaltung, um betriebsmäßig Ausgangssignale von der genannten Sensorkonstruktion zu sammeln, um eine Anzeige der qualität der Verdichtung jeder Lage von Erdmaterial in dem genannten definierten Bereich zu geben, eine Überprüfungsschaltung, deren Aufgabe es ist, auf einen Messwandler an der genannten Sensorkonstruktion und auf einen anderen Messwandler zu reagieren, der sich möglicherweise auf der Oberseite des genannten Erdmaterials befindet, um eine Übergangszeitanzeige der Schlagenergieausbreitung zwischen dem genannten anderen Messwandler und dem genannten Messwandler an der genannten Sensorkonstruktion zu geben, eine Spitzenerkennungsschaltung zum Abtasten elektrischer Signale, die von der Anordnung erster piezoelektrischer Elemente empfangen wurden, eine Schaltung zum Speichern von Anzeigen der Spitze mit dem höchsten Wert, die während einer Folge von Verdichtungsschlägen erhalten wurde, eine Schaltung, die auf die genannte Speicherschaltung reagiert, um durchschnittliche Spitzenwertsignale während eines Durchgangs der genannten Hammerkonstruktion zu geben, und eine Vergleichsschaltung zu Vergleichen der durchschnittliche Spitzenwertsignale während eines vorherigen Verdichtungsdurchgangs mit durchschnittlichen Spitzenwertsignalen während des aktuellen Verdichtungsdurchgangs, um eine Anzeige des Fortschritts des Verdichtungsablaufs zu geben; und dadurch,

dass das genannte Steuermodul eine Zeitsteuerschaltung beinhaltet, um eine Anzeige der Schlagenergieausbreitungszeit durch Erdmaterial in dem genannten definierten Bereich zu geben, um eine akzeptable Erdverdichtung anzuzeigen.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass sie ferner folgendes umfasst: eine Kammerkonstruktion aus Niederschall-Ausbreitungsmaterial, eine Isolierhohlraumkonstruktion in der Basis der genannten Kammerkonstruktion zur aufnahme eines eraten Messwandlers, eine zweite Messwandlerbaugruppe, die eine Sensor- und Auslösekontaktkonstruktion aufweist, die auf die Oberseite des verdichteten Erdmaterials in der genannten Kammerkonstruktion gelegt wird, und eine Impulserzeugugskonstruktion, die die genannte Hammerkonstruktion aufweist, um einen seismischen Impuls zu erzeugen, der zwischen den genannten beiden Messwandlern durch das Erdmaterial übertragen wird, um eine Anzeige der Qualität der Verdichtung de Erdmaterials in der genannten Kammerkonstruktion zu geben, die mit einem Standardtest korreliert werden kann.

6. Verfahren zum Überwachen des Verdichtens von Erde in einem definierten Bereich, umfassend die folgenden Schritte: Plazieren der Sensorkonstruktion am Boden des genannten definierten Bereiches, Hinzufügen von Erdmaterial zu dem definierten Bereich, Verdichten des genannten Erdmaterials mit einer Serie von Verdichtungsschlägen an einer Position, die von der genannten Sensorkonstruktion völlig beabstandet ist, und Überwachen des Ausgangs der genannten Sensorkonstruktion in Abhängigkeit von der Energie von den genannten Schlägen, die auf die genannte Sensorkonstruktion auftreffen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend die folgenden Schritte: Sammeln einer Mehrzahl von Schlagsignalen von dem genannten Sensor während eines Verdichtungsdurchgangs, um eine Anzeige des Fortschritts des Verdichtungsablaufs zu geben, und Messen der Ausbreitungszeit der Energiewelle von der Oberseite des genannten Erdmaterials zu der genannten Sensorkonstruktion, um eine Anzeige der Qualität der Verdichtung des genannten Erdmaterials zu geben.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die genannte Sensorstruktur folgendes umfasst: ein nachgiebiges Basiselement aus elektrisch isolierendem Material, auf dem eine Mehrzahl von piezoelektrischen Messwandlern in einer beabstandeten Anordnung befestigt sind, und das genannte Basiselement eine Fläche von wenigstens der Hälfte der Basisfläche der genannten Ausgrabung hat; wobei das verfahren ferner folgende Schritte umfasst:

einen Verdichtunsmodusschritt, der das Sammeln einer Mehrzahl von Schlagsignalen von den genannten Messwandlern während eines Verdichtungsdurchgangs beinhaltet, um eine Anzeige des Fortschritts des Verdichtungsablaufs zu geben, und einen Dichteprüfungsmodusschritt, der das Messen der Ausbereitungszeit einer Energiewelle von der Oberseite des Erdmaterials in dem genannten definierten Bereich zu einem piezoelektrischen Messwandler am Boden des genannten definierten Bereiches beinhaltet, um eine Anzeige der Qualität der Verdichtung des Erdmaterials in dem genanntert definierten Bereich zu geben.

9. Verfahren zum Prüfung der Verdichtung von Erde in einem Ausgrabungsbereich, umfassend die folgenden Schritte:

Bereitstellen einer Kammerkonstruktion aus Niederschall-Ausbreitungsmaterial, Plazieren einer ersten Sensorkonstruktion, Plazieren einer Erdprobe in der genannten Kammerkonstruktion und Verdichten der genannten Erdprobe, so

dass sie ein Standardtestkriterium erfüllt, Messen der Ausbreitungszeit einer Energiewelle von der Oberseite von Erdmaterial in der genannten Kammerkonstruktion, um einen Referenz-Ausbreitungszeitwert zu geben, der eine zufriedenstellende Verdichtung anzeigt, Plazieren einer Sensor-Messwandlerkonstruktion am Boden eines Ausgrabungsbereiches, Hinzufügen von Erdmaterial zu dem genannten Ausgrabungsbereich, Verdichten des genannten Erdmaterials in dem genannten Ausgrabungsbereich mit einer Serie von Verdichtungsschlägen, und Messen der Ausbreitungszeit einer Energiewelle von der Oberseite des genannten verdichteten Erdmaterials in dem genannten Ausgrabungsbereich zu der genannten Sensor-Messwandlerkonstruktion am Boden des genannten Ausgrabungsbereiches, um einen Ausbreitungszeitwert für einen Vergleich mit dem genannten Referenz-Ausbreitungszeitwert zu geben, so dass eine Anzeige für eine zufriedenstellende Verdichtung von Erde in dem genannten Ausgrabungsbereich erhalten wird.







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