Спосіб визначення пружних властивостей ґрунту у польових умовах

Спосіб визначення пружних властивостей ґрунту в польових умовах, при якому збуджують звуковий сигнал у ґрунті, реєструють сигнал датчика 3 лювачі електричних сигналів від датчиків ультразвуку тут є необхідними, оскільки ультразвук швидко згасає в ґрунті через його пухкість. Для обробки вимірювань та видачі готового значення модуля пружності ґрунту використовують персональний комп'ютер. Недоліками способу є, по-перше, наявність дорогих приладів: ультразвукового випромінювача, ультразвукових датчиків, підсилювачів та комп'ютера. По-друге, складність його використання у польових умовах. По-третє, недостовірність одержаного значення модуля пружності є очевидною з таких фізичних висновків. Як відомо з теорії коливань (Курс физики, том 1. Физические основы механики. Молекулярная физика и термодинамика. Сущинский М.М. - М: Наука, Главная редакция физ.-мат. литературы, 1973. - С. 102), прискорення коливної частинки а 2 пропорційне квадрату її частоти коливань (w ). Напруга стиснення  частинок ґрунту, що супроводжується звуковою хвилею, пропорційна силі стиснення F=m·a (другий закон Ньютона в динамі2 2 ці), тобто F~w , а відповідно і  ~w , оскільки  =F/S, де S - площа дії сили. Оскільки ультразву4 кові коливання мають частоту  >2·10 Гц, то на частинки ґрунту, які при проходженні звукової хвилі навіть малої амплітуди відхиляються на незначні відстані порядку одиниць мікрон, будуть діяти напруги, що перевершують пружні І пропорційні 8 10 Гц. Такі напруги супроводжуються пружнопластичними хвилями, швидкість яких залежить від величини деформації. У тілі, "по якому пройшла пружно-пластична хвиля, наявні залишкові деформації" (Большой энциклопедический словарь. Физика / Главный редактор А.М. Прохоров. - М.: Научное изд-во "Большая Российская энциклопедия", 1999. - С. 788). Тобто вимірювана швидкість ультразвукової хвилі в ґрунті за найближчим аналогом, не зовсім відповідає швидкості пружної хвилі в ґрунті. Мікроструктура ґрунту порушується. Отже, визначати модуль пружності ґрунту таким чином є не зовсім коректним. Саме тому в вищезазначених способах-аналогах (ДСТ СРСР та кандидатська дисертація Кравченко Е.В.) швидкість занурення інденторів обирається якомога менша, з метою уникнення навіть мінімальних прискорень частинок ґрунту, аби забезпечити вимірювання в межах пружних напруг. Таким чином, виникає необхідність вимірювання більш достовірних значень пружних характеристик ґрунтів доступним способом у польових умовах. В основу технічного рішення поставлено задачу вдосконалення способу визначення пружних характеристик ґрунту в польових умовах шляхом використання обраного діапазону звукових частот, що дозволить виміряти безпосередньо швидкість пружних коливань в ґрунті і достовірно визначати модуль пружності та хвильовий опір ґрунту. Поставлена задача в запропонованій корисній моделі вирішується за рахунок того, що при визначенні пружних властивостей ґрунту викликають звуковий сигнал (поперечну пружну хвилю), реєструють сигнал датчиками, визначають швидкість 64015 4 звуку, обчислюють модуль пружності та хвильовий опір ґрунту. Відповідно до корисної моделі в ґрунті збуджують звуковий сигнал низької частоти у діапазоні 0,1-300 Гц, джерело сигналу та датчики, наприклад, п'єзодатчики, розміщують на поверхні ґрунту вздовж однієї лінії, при цьому датчики розташовують на відстані 1,5-2,5 м і підключають до осцилоскопа, фіксують час проходження сигналу між датчиками, визначають швидкість звуку, за відомим значенням густини обчислюють модуль пружності та хвильовий опір. Пропонований спосіб визначення пружних властивостей ґрунту в польових умовах тестударом розроблено, виходячи з таких міркувань. Для ґрунту в природних умовах характерні значною мірою не ультразвукові коливання, а пружні низькочастотні коливання. Вони передаються коренями рослинності, що коливається від вітру, можуть бути обумовлені зсувними сейсмічними процесами, життєдіяльністю організмів, приливними явищами та Іншими природними і антропогенними чинниками. Частоти таких вібрацій у ґрунті лежать у межах 0,1-300 Гц (М.В. Нецветов, П.К. Хиженков, Е.П. Суслова. Введение в вибрационную экологию. - Донецк: Вебер, 2009. - С. 24). Спосіб реалізується відповідно до Фіг.1, де 1 ударник, 2, 3 - п'єзодатчики, 4 - портативний осцилоскоп. При цьому датчики 2 і 3 та ударника 1 розташовують на одній лінії. Відстань L між датчиками обирають достатньою для розрізнення сигналів від них на екрані осцилоскопа. Оцінюючи швидкість звуку в ґрунті  ~100-150 м/с і знаючи тривалість сейсмічного сигналу t~10-15 мілісекунд, вираховуємо, що для чіткого розрізнення сигналів від обох датчиків відстань між ними повинна складати близько 1-2 метрів (L= t ). Під час вимірювань фіксують час t між початком сигналів від кожного датчика. На Фіг.2 наведено осцилограму вібрації, викликану ударом об ґрунт в саду біологічного факультету Донецького національного університету (ДонНУ). Стрілками позначено початки сигналів від першого та другого датчиків (відстань L=2,2 м). Сигнали слідують один за одним через t=20±0,5 мс. Таким чином, швидкість пружної хвилі склала  1 =110±2,75 м/с. Аналогічно було вирахувано швидкість пружної хвилі в ґрунті на території Донецького ботанічного саду  2 =96,9±4,1 м/с. Густи3 ну ґрунту в саду ДонНУ 1 =1217±2 кг/м і в ботані3 чному саду  2 =1220±2 кг/м було виміряно звичайним способом зважування відомого об'єму ґрунту. За виміряними значеннями швидкості пружної хвилі  у ґрунті і за її густиною  , виходячи з формули для швидкості звуку  в пружному середовищі з модулем пружності Е i густини  (М.В.Нецветов и др. Ведение в вибрационную экологию. - С.34), вираховуємо модуль пружності як E=  2 . Отже: 5 64015 1) модуль пружності ґрунту в саду біологічного 2 2 факультету ДонНУ Е1= 1 1 =10,993-15,516 МН/м 2 2) E2=  2  2 =10,156-12,465 МН/м у ботанічно2 му саду. Хвильові опори зазначених ґрунтів визначалися за формулою Z=  (М.В. Нецветов и др. Введение в вибрационную экологию. - С. 35). Вони склали відповідно Z1=130,4-137,5 Па·с/м та 3 Z2=113,1-123,510 Па·с/м. Переваги пропонованого способу визначення пружних властивостей ґрунту в польових умовах полягають в такому: - не потрібна наявність дорогих датчиків швидкості та переміщення, інденторів або ультразвукових випромінювачів і приймачів з комп'ютером; - спосіб вимірювання швидкості пружної хвилі, модуля пружності та хвильового опору дає більш достовірні результати, ніж спосіб, описаний в прототипі, оскільки за пропонованим способом вимірюються швидкість низькочастотної пружної хвилі, що відповідає закону Гука для пружних напружень; - у польових умовах, особливо далеко від стаціонарних лабораторій, достатньо два п'єзо датчи Комп’ютерна верстка А. Рябко 6 ка І портативного осцилоскопа, що живляться від міні-акумулятора, наприклад, осцилоскопа "HPS10" фірми "Velleman" (Бельгія); - для оперативного вимірювання пружних характеристик ґрунтів у декількох місцях не потребується багато часу навіть для ґрунтів з невідомою густиною, яку можна легко виміряти в польових умовах як відношення маси до об'єму, маючи стовпчик ґрунту, ваги та циліндр для визначення маси й об'єму зразка; - в якості збудника пружних коливань у ґрунті може слугувати пружинний ударник, молоток або долоня дослідника, що завдає удару по ґрунту поблизу першого п'єзодатчика, за умови достатньої його чутливості. Необхідність оперативного, надійного, простого та дешевого способу визначення швидкості пружної хвилі, модуля пружності та хвильового опору ґрунтів виникає при розв'язанні різних наукових задач, наприклад, при оцінці фізичних властивостей ґрунтів та їх зв'язку з родючістю, розрахунку енергії пружної хвилі, що передається від транспортного потоку через ґрунт на архітектурні споруди та деревні рослини. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601