智能一維固結(jié)儀的研發(fā)與應(yīng)用

(.蘇州昱創(chuàng)流體科技有限公司江蘇蘇州 215636)

摘  要：工程中建筑物，構(gòu)筑物地基土在承受上部荷載作用下，產(chǎn)生變形，變形超過(guò)容許值后建筑物會(huì)形起傾斜，裂縫，嚴(yán)重會(huì)倒塌。

   為了預(yù)估地基基礎(chǔ)的沉降變形，通常在室內(nèi)進(jìn)行土的固結(jié)試驗(yàn)，本文重點(diǎn)介紹一種新型的智能等應(yīng)變連續(xù)加載的一維固結(jié)試驗(yàn)儀，也可以兼容應(yīng)力控制常規(guī)試驗(yàn)。一維固結(jié)儀毋需要杠桿砝碼，不需空氣壓縮機(jī)，不要百分表或位移傳感器，只是通過(guò)智能閉環(huán)系統(tǒng)控制加荷速率，加荷大小，加荷時(shí)間，自動(dòng)測(cè)定土的位移(變形量)等，從而可以計(jì)算土的各項(xiàng)壓縮性指標(biāo)。

    該儀器是集現(xiàn)代化與一體的智能化儀器，實(shí)現(xiàn)機(jī)電智能控制，數(shù)據(jù)化采集處理，結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，數(shù)據(jù)可靠，可模擬施工應(yīng)力狀態(tài)，適合于教學(xué)，科研和生產(chǎn)實(shí)踐，得到了用戶的認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：機(jī)電加載，分級(jí)應(yīng)力加載，等應(yīng)變連續(xù)加荷，智能，便攜

Development and application of intelligent one-dimensional oedometer

Suzhou Yuchuang Fluid Technology Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215636, China;

Abstract: in engineering, under the action of the upper load, the foundation soil of the structure deforms. When the deformation exceeds the allowable value, the building will tilt, crack and collapse seriously.

In order to estimate the settlement deformation of foundation, soil consolidation test is usually carried out in the room. This paper mainly introduces a new type of intelligent constant strain continuous loading one-dimensional consolidation test instrument, which can also be compatible with conventional stress control tests. There is no need to carry a crane weight, no air compressor, no dial indicator or displacement sensor, only through the intelligent closed-loop system to control the loading rate, loading size, loading time, automatic measurement of soil displacement (deformation), so as to calculate the soil compressibility indicators.

The instrument is a modern and integrated intelligent instrument, which realizes electromechanical intelligent control, data collection and processing, compact structure, easy to carry, reliable data, can simulate the construction stress state, suitable for teaching, scientific research and production practice, has been recognized by the user.

Key words: Electromechanical loading, graded stress loading, constant strain continuous loading, intelligent, portable

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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(lái)越成熟和細(xì)致，土工試驗(yàn)也是解決工程問(wèn)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(guò)*的試驗(yàn)來(lái)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。智能一維固結(jié)試驗(yàn)儀與常規(guī)的扛桿式固結(jié)儀，氣壓式固結(jié)儀，同一個(gè)目的用以測(cè)定土的各種壓縮性指標(biāo)，但因考慮到建筑物構(gòu)筑的施工應(yīng)力狀態(tài)與常規(guī)試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)有所不同，因此研發(fā)等應(yīng)變控制的固結(jié)試驗(yàn)法更符合工程實(shí)際。這在國(guó)外的巖土工程試驗(yàn)儀器中也有所介紹。

  等應(yīng)變連續(xù)加荷試驗(yàn)可適用飽和土和非飽和土的砂土，粉土，粘性土以及人工填土和環(huán)境土。

一維固結(jié)儀

1 儀器主要特點(diǎn)與主要技術(shù)參數(shù)

1.  組成部分

   1.1.1  固結(jié)容器除了常規(guī)的結(jié)構(gòu)外，底部增添孔隙水壓力傳感器和密封器件；

  1.1.2  荷重傳感器與機(jī)電閉環(huán)控制系統(tǒng)加荷裝置；

   1.1.3  不同加荷速率條件下試樣位移量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；

   1.1.4  無(wú)線通訊技術(shù)的傳輸模塊；

   1.1.5  等應(yīng)變控制和應(yīng)力分級(jí)加荷控制的固結(jié)試驗(yàn)軟件

1.2儀器的主要技術(shù)參數(shù)

   1.2.1  土樣面積30Cm2，高20mm

   1.2.2. 固結(jié)壓力 0~3200Kpα    F.S.  0.3%

   1.2.3. 位移量 0~15mm，分辨率0.001mm

  1.2.4. 加荷速率0.001~3mm/min

   1.2.5  孔隙壓力 0~1Mpa 分辨率1Kpa

   1.2.6  加載量程：0-20mm

2 基本原理

   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）。通過(guò)AD7176-2快速建立、高度精確、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)。可以實(shí)現(xiàn)大通道掃描數(shù)據(jù)速率為50 kSPS( 建立時(shí)間為20 μs)，得到17 個(gè)無(wú)噪聲位的*建立數(shù)據(jù)。其數(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(guò)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。

   加載應(yīng)力控制實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過(guò)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，后驅(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(guò)沖，在應(yīng)力控制范圍內(nèi)形成閉環(huán)控制。

   在應(yīng)變實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，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，通過(guò)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，后得出土樣實(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，從而更好的控制實(shí)驗(yàn)。

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)象使用手機(jī)一樣簡(jiǎn)便。系統(tǒng)內(nèi)置零點(diǎn)限位接近開(kāi)關(guān)，在實(shí)驗(yàn)完成后，儀器能自動(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。還有8G容量SD存儲(chǔ)單元，可幫助我們實(shí)現(xiàn)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，后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果，在使用上位機(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。

圖4

3 試驗(yàn)操作步驟

    ①將固結(jié)容器底部連接孔隙水壓力傳感器的閥門(mén)打開(kāi)，用無(wú)氣泡排除底部滯留的氣泡。并將透水板用無(wú)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中心對(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(méi)試樣。

⑤做分級(jí)應(yīng)力加載試驗(yàn)時(shí)需確定要施加的各級(jí)壓力，壓力等級(jí)為 25、50、100、 200、400、800、1600、3200kPa。

⑥做應(yīng)變連續(xù)加荷時(shí)需要選擇適宜的應(yīng)變速率。其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)使在試驗(yàn)時(shí)的任何時(shí)間試樣底部產(chǎn)生的孔隙水壓力為施加垂直應(yīng)力的3%-20%。試驗(yàn)時(shí)，可以按照需求調(diào)整應(yīng)變速率。

⑦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。

⑧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。

⑨連續(xù)加荷一直到預(yù)期盈力或應(yīng)變?yōu)橹?。?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。

⑩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。

4 計(jì)算 C_v，a_v, E_s, m_v以及P_c ,C_c ,C_s和相關(guān)曲線等

4.1 計(jì)算 C_v , m_v，E_s , a_v  ,以及P_c ,C_c ,C_s

式中：

——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）；

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）。

其他試驗(yàn)參數(shù)Cc,Cs,Pc與常規(guī)高壓固結(jié)試驗(yàn)計(jì)算同理。

4.2相應(yīng)曲線

5 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)化人員操作過(guò)程，并且在安全性上也有了極大的提高。

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