智能一維固結(jié)儀的研發(fā)與應(yīng)用

 

 

引 言

隨著時代的變遷，在客觀需求的促使下，土工試驗技術(shù)越來越成熟和細(xì)致，土工試驗也是解決工程問題的一個最基本的手段。對土性和力學(xué)反映的量化描述是通過必不可少的試驗來得到的。固結(jié)實驗又是土工試驗里最基本的試驗方法。智能一維固結(jié)試驗儀與常規(guī)的扛桿式固結(jié)儀，氣壓式固結(jié)儀，同一個目的用以測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)試驗法更符合工程實際。這在國外的巖土工程試驗儀器中也有所介紹。

  等應(yīng)變連續(xù)加荷試驗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檢測系統(tǒng)；

   1.1.4  無線通訊技術(shù)的傳輸模塊；

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

 

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。可以實現(xiàn)最大通道掃描數(shù)據(jù)速率為50 kSPS( 建立時間為20 μs)，得到17 個無噪聲位的完全建立數(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10毫秒中斷一次，對采集的當(dāng)前壓力與目標(biāo)壓力進(jìn)行比較，執(zhí)行PD算法，對電機(jī)速度進(jìn)行控制。經(jīng)過實際調(diào)試驗證，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)，完全達(dá)到固結(jié)實驗規(guī)范要求。

   加載應(yīng)力控制實現(xiàn)，系統(tǒng)通過快速實時采集壓力傳感器當(dāng)前壓力，與實驗前預(yù)設(shè)的壓力值進(jìn)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(jī)加載速度，最后驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行加載控制，能實現(xiàn)越接近目標(biāo)壓力，速度運行越慢，防止壓力過沖，在應(yīng)力控制范圍內(nèi)形成閉環(huán)控制。

   在應(yīng)變實驗過程中，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算出電機(jī)加載的剛性位移量，通過根據(jù)傳感器當(dāng)前壓力值計算出壓力傳感器本身的變形量，然后得出土樣實際變形量。用千分表進(jìn)行標(biāo)定檢測，實際測量值精度誤差小于0.001mm，從而更好的控制實驗。

   為了使操作更方便，本系統(tǒng)使用了480*270點陣的觸摸屏進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)和觸控操作，讓操作人員操控設(shè)備時象使用手機(jī)一樣簡便。系統(tǒng)內(nèi)置零點限位接近開關(guān)，在實驗完成后，儀器能自動將土樣容器下降至零位位置，方便進(jìn)行實驗后的清理工作及下次實驗的準(zhǔn)備工作。還有8G容量SD存儲單元，可幫助我們實現(xiàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后完成實驗報告結(jié)果，在使用上位機(jī)軟件對設(shè)備上傳的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，曲線顯示，生成實驗報表并進(jìn)行記錄歸檔。

 

圖4

3 試驗操作步驟

    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中心對準(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做分級應(yīng)力加載試驗時需確定要施加的各級壓力，壓力等級為 25、50、100、 200、400、800、1600、3200kPa。

⑥做應(yīng)變連續(xù)加荷時需要選擇適宜的應(yīng)變速率。其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)使在試驗時的任何時間試樣底部產(chǎn)生的孔隙水壓力為施加垂直應(yīng)力的3%-20%。試驗時，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)采集時間間隔，根據(jù)需要設(shè)施時間間隔，也可以選擇系統(tǒng)設(shè)定的時間間隔，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。

⑩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。

4 計算 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（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）。

其他試驗參數(shù)Cc,Cs,Pc與常規(guī)高壓固結(jié)試驗計算同理。

4.2相應(yīng)曲線

 

 

5 結(jié)束語

1. 一維固結(jié)儀是一種人工智能儀器，一旦設(shè)置完成后全程自動加載自動采集處理
2. 本儀器結(jié)構(gòu)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(yīng)力分級加荷和等應(yīng)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(yīng)力，這樣可以適當(dāng)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(yīng)于教學(xué)，科研和生產(chǎn)實踐的試驗研究現(xiàn)場實驗條件，簡化人員操作過程，并且在安全性上也有了極大的提高。

6參考文獻(xiàn)

[1]  GB/T 50123-2019. 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].中國計劃出版社, 2019

[2] 劉敏，張學(xué)龍.杠桿式和氣壓式固結(jié)儀之比較[J]；土工基礎(chǔ)，2016,30(4):514-516

[3]  SL237-1999，土工試驗規(guī)程，中國水利水電出版社，1999.

[4]  DB 29—20—2000 巖土工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5]  TB 10012—2001 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].