摘 要：針對(duì)在工程中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jìn)電機(jī)加載方式，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪渦桿實(shí)現(xiàn)加載。控制方式分兩種工作模式，分級(jí)應(yīng)力加載及恒速等應(yīng)變加載，內(nèi)置MICRO_SD存儲(chǔ)單元，可脫機(jī)完成固結(jié)實(shí)驗(yàn)。只需實(shí)驗(yàn)完成后數(shù)據(jù)傳輸至電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果。
0 引 言
隨著時(shí)代的變遷，在客觀需求的促使下，土工試驗(yàn)技術(shù)越來越成熟和細(xì)致，土工試驗(yàn)也是解決工程問題的一個(gè)基本的手段。對(duì)土性和力學(xué)反映的量化描述是通過*的試驗(yàn)來得到的。固結(jié)實(shí)驗(yàn)又是土工試驗(yàn)里基本的試驗(yàn)方法。固結(jié)試驗(yàn)可以測(cè)土的壓縮系數(shù)和壓縮性指標(biāo)，是建筑物地基設(shè)計(jì)與施工的重要依據(jù)，如果知道地基土的這項(xiàng)指標(biāo)，就可以預(yù)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(guó)內(nèi)較為常用的固結(jié)試驗(yàn)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(diǎn)在于加荷直觀，穩(wěn)定性良好。但是該固結(jié)儀自動(dòng)化程度低，需要人工搬動(dòng)砝碼，勞動(dòng)強(qiáng)度大；加砝碼的過程中會(huì)產(chǎn)生沖擊力，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響；人工讀數(shù)，會(huì)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(jìn)，通過空氣壓縮機(jī)來施加壓力的，能自動(dòng)逐級(jí)加壓，加壓范圍大，大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度；通過位移傳感器自動(dòng)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(jī)配合使用）一般只適合在實(shí)驗(yàn)室使用，如果想把此兩種固結(jié)儀器移至工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)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(chǔ)建設(shè)也越來越多，越來越多的工程需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察和實(shí)驗(yàn)，這就迫切需要一種能容易攜帶，現(xiàn)場(chǎng)出數(shù)據(jù)報(bào)告的設(shè)備。一維固結(jié)儀（圖3）采用步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)加載提供豎向壓力；利用精密壓力傳感器測(cè)量豎向壓力；利用采集控制豎向壓力；利用電機(jī)轉(zhuǎn)速，蝸輪蝸桿減速機(jī)和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的計(jì)算出豎向位移；儀器自帶MICRO_SD存儲(chǔ)單元，能夠按照的時(shí)間間隔，存儲(chǔ)試驗(yàn)過程中豎向壓力和位移的變化，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工作，待試驗(yàn)完成后利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)和處理系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)得出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便捷，得到了用戶的認(rèn)可。
圖 3 一維固結(jié)儀
1 主要技術(shù)參數(shù)
1）土樣：高度2cm，土樣直徑61.8mm，面積30cm2
2）加載動(dòng)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(jí)應(yīng)力加載，恒速等應(yīng)變加載
2 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
由于實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求，在土樣固結(jié)過程中，實(shí)現(xiàn)壓力梯度加載時(shí)，需要壓力能快速達(dá)到目標(biāo)值。這樣就產(chǎn)生一個(gè)問題，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度過慢時(shí)，加載就需要較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到目標(biāo)壓力值；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度過快時(shí)，又容易引起過載，壓力超過目標(biāo)值太多，結(jié)果導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)失真。這就對(duì)電機(jī)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(fù)用的Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ，適合低帶寬輸入信號(hào)。通道掃描數(shù)據(jù)速率為50 kSPS( 建立時(shí)間為20 μs)，得到17 個(gè)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(shè)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(shè)置步進(jìn)電機(jī)速度的調(diào)整周期為10毫秒。系統(tǒng)設(shè)置軟件定時(shí)10毫秒中斷一次，對(duì)采集的當(dāng)前壓力與目標(biāo)壓力進(jìn)行比較，執(zhí)行PD算法，對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試驗(yàn)證，能在2秒內(nèi)加載到目標(biāo)壓力，控制精度誤差在1%以內(nèi)，*達(dá)到固結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求。為了使操作更方便，本系統(tǒng)使用了480*270點(diǎn)陣的觸摸屏進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)和觸控操作，讓操作人員操控設(shè)備時(shí)象使用電話一樣簡(jiǎn)便。本系統(tǒng)安裝了一個(gè)零點(diǎn)限位接近開關(guān)，在實(shí)驗(yàn)完成后，系統(tǒng)能自動(dòng)將土樣容器下降至零位位置，方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的清理工作及下次實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作。系統(tǒng)內(nèi)置8G容量SD存儲(chǔ)單元，可脫離電腦完成固結(jié)實(shí)驗(yàn)。只需實(shí)驗(yàn)完成后數(shù)據(jù)傳輸至電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果。上位機(jī)軟件對(duì)設(shè)備上傳的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，曲線顯示，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)表并進(jìn)行記錄歸檔。
3 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 應(yīng)力控制
加載應(yīng)力控制實(shí)現(xiàn)（圖5），系統(tǒng)通過快速實(shí)時(shí)采集壓力傳感器當(dāng)前壓力，與實(shí)驗(yàn)前預(yù)設(shè)的壓力值進(jìn)行比較，計(jì)算出壓力偏差，再根據(jù)壓力偏差計(jì)算出合適的電機(jī)加載速度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行加載控制，能實(shí)現(xiàn)越接近目標(biāo)壓力，速度運(yùn)行越慢，防止壓力過沖，在應(yīng)力控制范圍內(nèi)形成閉環(huán)控制。在宏觀上實(shí)現(xiàn)2秒內(nèi)壓力加載到位，*固結(jié)實(shí)驗(yàn)要求。
圖5 加載應(yīng)力控制實(shí)現(xiàn)
3.2 應(yīng)變控制
在實(shí)驗(yàn)過程中，由于步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度是實(shí)時(shí)已知，可根據(jù)齒輪減速比與渦桿螺距計(jì)算出電機(jī)加載的剛性位移量，再根據(jù)傳感器當(dāng)前壓力值計(jì)算出壓力傳感器本身的變形量，得出土樣實(shí)際變形量。用千分表進(jìn)行標(biāo)定檢測(cè)，實(shí)際測(cè)量值精度誤差小于0.001mm，滿足實(shí)際要求。
圖6 加載變形量實(shí)現(xiàn)
4 試驗(yàn)方法
本儀器有分級(jí)應(yīng)力加載及恒速等應(yīng)變加載兩種控制方式，既可以做應(yīng)力試驗(yàn)又可以做等應(yīng)變?cè)囼?yàn)。等應(yīng)變?cè)囼?yàn)可以很好的模擬工程現(xiàn)場(chǎng)的土體情況。本儀器可以脫機(jī)完成固結(jié)試驗(yàn)，并可實(shí)現(xiàn)無線傳輸，便于在工程現(xiàn)場(chǎng)完成試驗(yàn)操作。
4.1固結(jié)系數(shù)計(jì)算
兩讀數(shù)間的應(yīng)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(shí)（s）；
Ub——兩讀數(shù)間試樣底部 的空隙水壓力平均值（kPa）；
mv——兩讀數(shù)間試樣的體積壓縮系數(shù)（kPa-1）。
4.2試驗(yàn)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(hù)環(huán)、透水板和薄型濾紙，將帶有試樣 的環(huán)刀裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，底部安裝O型圈和密封壓板，與底座密封，放上導(dǎo)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(duì)準(zhǔn)壓力傳感器。
③施加1kPa的預(yù)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(jí)壓力，壓力等級(jí)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(shè)備的電源，預(yù)熱30 min,采集初始讀數(shù)，施加軸向荷載，使產(chǎn)生軸應(yīng)變。
⑦數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，根據(jù)需要設(shè)施時(shí)間間隔，也可以選擇系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)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(yù)期盈力或應(yīng)變?yōu)橹埂．?dāng)軸向荷載加荷完成后，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(yàn)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(shí)驗(yàn)曲線
6 結(jié)束語(yǔ)
1.一維固結(jié)儀是一種人工智能儀器，一旦設(shè)置完成后全程自動(dòng)加載自動(dòng)采集處理
2.本儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yàn)需要，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分級(jí)加荷和等應(yīng)變連續(xù)加荷。毋需要位移傳感器
3.實(shí)測(cè)孔隙壓力，換算有效應(yīng)力，這樣可以適當(dāng)加快固結(jié)試驗(yàn)時(shí)間
4.對(duì)于常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)，高塑性高粘土的流變?cè)囼?yàn)研究，提供有效對(duì)比手段，因此適應(yīng)于教學(xué)，科研和生產(chǎn)實(shí)踐的試驗(yàn)研究現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件，簡(jiǎn)化人員操作作過程
