智能一維固結(jié)儀的研發(fā)與應用

摘  要：針對在工程中現(xiàn)場測試土樣固結(jié)壓縮系數(shù)，提出了一種便攜式固結(jié)儀，該固結(jié)儀采用步進電機加載方式，用步進電機驅(qū)動渦輪渦桿實現(xiàn)加載。控制方式分兩種工作模式，分級應力加載及恒速等應變加載，內(nèi)置MICRO_SD存儲單元，可脫機完成固結(jié)實驗。只需實驗完成后數(shù)據(jù)傳輸至電腦進行數(shù)據(jù)處理，完成實驗報告結(jié)果。

0 引 言

隨著時代的變遷，在客觀需求的促使下，土工試驗技術越來越成熟和細致，土工試驗也是解決工程問題的一個基本的手段。對土性和力學反映的量化描述是通過*的試驗來得到的。固結(jié)實驗又是土工試驗里基本的試驗方法。固結(jié)試驗可以測土的壓縮系數(shù)和壓縮性指標，是建筑物地基設計與施工的重要依據(jù)，如果知道地基土的這項指標，就可以預估不同建筑物的沉降量，沉降量的大小就決定建筑物壽命。

目前國內(nèi)較為常用的固結(jié)試驗儀有杠桿式固結(jié)儀（如圖1）和氣壓式固結(jié)儀（如圖2）。杠桿式固結(jié)儀采用杠桿加荷的原理，用砝碼通過杠桿加壓。其優(yōu)點在于加荷直觀，穩(wěn)定性良好。但是該固結(jié)儀自動化程度低，需要人工搬動砝碼，勞動強度大；加砝碼的過程中會產(chǎn)生沖擊力，對試驗結(jié)果有一定影響；人工讀數(shù)，會有一定的人為誤差。氣壓式固結(jié)儀相比杠桿式固結(jié)儀有了很大的改進，通過空氣壓縮機來施加壓力的，能自動逐級加壓，加壓范圍大，大大減輕了勞動強度；通過位移傳感器自動采集數(shù)據(jù)，減少了人為誤差。但上述兩類固結(jié)儀由于自身特性（杠桿式固結(jié)儀需配加沉重的砝碼，氣壓式固結(jié)儀需空氣壓縮機配合使用）一般只適合在實驗室使用，如果想把此兩種固結(jié)儀器移至工程現(xiàn)場進行現(xiàn)場實驗，費時費力。

        圖1 杠桿式固結(jié)儀

        圖2 氣壓式固結(jié)儀

1）隨著“一帶一路"的發(fā)展，基礎建設也越來越多，越來越多的工程需要現(xiàn)場進行勘察和實驗，這就迫切需要一種能容易攜帶，現(xiàn)場出數(shù)據(jù)報告的設備。一維固結(jié)儀（圖3）采用步進電機自動加載提供豎向壓力；利用精密壓力傳感器測量豎向壓力；利用采集、控制系統(tǒng)控制豎向壓力；利用電機轉(zhuǎn)速，蝸輪蝸桿減速機和其內(nèi)部結(jié)構準確的計算出豎向位移；儀器自帶MICRO_SD存儲單元，能夠按照的時間間隔，存儲試驗過程中豎向壓力和位移的變化，實現(xiàn)現(xiàn)場工作，待試驗完成后利用計算機數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)和處理系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)計算結(jié)果，現(xiàn)場得出實驗報告，結(jié)構簡單，便捷，得到了用戶的認可。

            圖 3 一維固結(jié)儀

1 主要技術參數(shù)

1）土樣：高度2cm，土樣直徑61.8mm，面積30cm²

2）加載動力：0-10KN

3）加載速度：0-30mm/分鐘

4）加載量程：0-20mm

5）加載方式：分級應力加載，恒速等應變加載

2 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

由于實驗規(guī)范要求，在土樣固結(jié)過程中，實現(xiàn)壓力梯度加載時，需要壓力能快速達到目標值。這樣就產(chǎn)生一個問題，當步進電機運行速度過慢時，加載就需要較長時間達到目標壓力值；當步進電機運行速度過快時，又容易引起過載，壓力超過目標值太多，結(jié)果導致實驗數(shù)據(jù)失真。這就對電機控制提出了*的要求。

為了解決以上問題，本儀器的控制系統(tǒng)采用高速32位ARM處理器+高速高精度24位AD采集芯片（圖4）。AD7176-2是ANALOG-DEVICES公司生產(chǎn)的一款快速建立、高分辨率、多路復用的Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ，適合低帶寬輸入信號。通道掃描數(shù)據(jù)速率為50 kSPS( 建立時間為20 μs)，得到17 個無噪聲位的*建立數(shù)據(jù)。用戶可選輸出數(shù)據(jù)速率范圍為5 SPS至250 kSPS 。本系統(tǒng)設置數(shù)據(jù)采集頻率為每秒200次，采集精度在傳感器滿量程范圍內(nèi)小于千分之一。本系統(tǒng)在控制軟件中設置步進電機速度的調(diào)整周期為10毫秒。系統(tǒng)設置軟件定時10毫秒中斷一次，對采集的當前壓力與目標壓力進行比較，執(zhí)行PD算法，對電機速度進行控制。經(jīng)過實際調(diào)試驗證，能在2秒內(nèi)加載到目標壓力，控制精度誤差在1%以內(nèi)，*達到固結(jié)實驗規(guī)范要求。為了使操作更方便，本系統(tǒng)使用了480*270點陣的觸摸屏進行顯示數(shù)據(jù)和觸控操作，讓操作人員操控設備時象使用電話一樣簡便。本系統(tǒng)安裝了一個零點限位接近開關，在實驗完成后，系統(tǒng)能自動將土樣容器下降至零位位置，方便進行實驗后的清理工作及下次實驗的準備工作。系統(tǒng)內(nèi)置8G容量SD存儲單元，可脫離電腦完成固結(jié)實驗。只需實驗完成后數(shù)據(jù)傳輸至電腦進行數(shù)據(jù)處理，完成實驗報告結(jié)果。上位機軟件對設備上傳的實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，曲線顯示，生成實驗報表并進行記錄歸檔。

3 控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 應力控制

加載應力控制實現(xiàn)（圖5），系統(tǒng)通過快速實時采集壓力傳感器當前壓力，與實驗前預設的壓力值進行比較，計算出壓力偏差，再根據(jù)壓力偏差計算出合適的電機加載速度，驅(qū)動電機進行加載控制，能實現(xiàn)越接近目標壓力，速度運行越慢，防止壓力過沖，在應力控制范圍內(nèi)形成閉環(huán)控制。在宏觀上實現(xiàn)2秒內(nèi)壓力加載到位，*固結(jié)實驗要求。

              圖5 加載應力控制實現(xiàn)

3.2 應變控制

在實驗過程中，由于步進電機旋轉(zhuǎn)角度是實時已知，可根據(jù)齒輪減速比與渦桿螺距計算出電機加載的剛性位移量，再根據(jù)傳感器當前壓力值計算出壓力傳感器本身的變形量，得出土樣實際變形量。用千分表進行標定檢測，實際測量值精度誤差小于0.001mm，滿足實際要求。

               圖6 加載變形量實現(xiàn)

4 試驗方法

本儀器有分級應力加載及恒速等應變加載兩種控制方式，既可以做應力試驗又可以做等應變試驗。等應變試驗可以很好的模擬工程現(xiàn)場的土體情況。本儀器可以脫機完成固結(jié)試驗，并可實現(xiàn)無線傳輸，便于在工程現(xiàn)場完成試驗操作。

4.1固結(jié)系數(shù)計算

兩讀數(shù)間的應變變化（%）；

h——兩讀數(shù)間的試樣平均高度（cm）；

兩讀數(shù)間的歷時（s）；

U_b——兩讀數(shù)間試樣底部 的空隙水壓力平均值（kPa）；

m_v——兩讀數(shù)間試樣的體積壓縮系數(shù)（kPa^-1）。

4.2試驗步驟

①將固結(jié)容器底部連接孔隙水壓力傳感器的閥門打開，用無氣泡排除底部滯留的氣泡。并將透水板用無氣泡水飽和，使水蓋底部透水板，透水板上放薄濾紙。

②在固結(jié)容器內(nèi)放置護環(huán)、透水板和薄型濾紙，將帶有試樣 的環(huán)刀裝入護環(huán)內(nèi)，底部安裝O型圈和密封壓板，與底座密封，放上導環(huán)、試樣上依次放上薄型濾紙、透水板和加壓上蓋，并將固結(jié)容器置于加壓框架正中，使加壓上蓋與加壓框架對準壓力傳感器。

③施加1kPa的預壓力使試樣與儀器上下各部件之間接觸。

④向水槽中注水浸沒試樣。

⑤確定需要施加的各級壓力，壓力等級為 25、50、100、 200、400、800、1600、3200kPa。

⑥接通控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和加壓設備的電源，預熱30 min,采集初始讀數(shù)，施加軸向荷載，使產(chǎn)生軸應變。

⑦數(shù)據(jù)采集時間間隔，根據(jù)需要設施時間間隔，也可以選擇系統(tǒng)設定的時間間隔，采集豎向壓力，孔隙壓力和變形值。

⑧連續(xù)加荷一直到預期盈力或應變?yōu)橹埂．斴S向荷載加荷完成后，在軸向荷載不變或變形不變的條件下使孔隙水壓力消散。

⑨試驗結(jié)束后吸取容器中的水，迅速拆除儀器各部件，取出整塊試樣，清洗容器。

5 部分實驗曲線

6 結(jié)束語

1.一維固結(jié)儀是一種人工智能儀器，一旦設置完成后全程自動加載自動采集處理

2.本儀器結(jié)構簡單，攜帶方便，操作快捷，數(shù)據(jù)可靠，可大大提高工作效率，滿足工程試驗需要，實現(xiàn)應力分級加荷和等應變連續(xù)加荷。毋需要位移傳感器

3.實測孔隙壓力，換算有效應力，這樣可以適當加快固結(jié)試驗時間

4.對于常規(guī)固結(jié)試驗，高塑性高粘土的流變試驗研究，提供有效對比手段，因此適應于教學，科研和生產(chǎn)實踐的試驗研究現(xiàn)場實驗條件，簡化人員操作作過程