智能一維固結儀的研發與應用

摘  要：針對在工程中現場測試土樣固結壓縮系數，提出了一種便攜式固結儀，該固結儀采用步進電機加載方式，用步進電機驅動渦輪渦桿實現加載。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，內置MICRO_SD存儲單元，可脫機完成固結實驗。只需實驗完成后數據傳輸至電腦進行數據處理，完成實驗報告結果。

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。固結實驗又是土工試驗里基本的試驗方法。固結試驗可以測土的壓縮系數和壓縮性指標，是建筑物地基設計與施工的重要依據，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。

目前國內較為常用的固結試驗儀有杠桿式固結儀（如圖1）和氣壓式固結儀（如圖2）。杠桿式固結儀采用杠桿加荷的原理，用砝碼通過杠桿加壓。其優點在于加荷直觀，穩定性良好。但是該固結儀自動化程度低，需要人工搬動砝碼，勞動強度大；加砝碼的過程中會產生沖擊力，對試驗結果有一定影響；人工讀數，會有一定的人為誤差。氣壓式固結儀相比杠桿式固結儀有了很大的改進，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據，減少了人為誤差。但上述兩類固結儀由于自身特性（杠桿式固結儀需配加沉重的砝碼，氣壓式固結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儀器移至工程現場進行現場實驗，費時費力。

       圖1 杠桿式固結儀

       圖2 氣壓式固結儀

1）隨著“一帶一路"的發展，基礎建設也越來越多，越來越多的工程需要現場進行勘察和實驗，這就迫切需要一種能容易攜帶，現場出數據報告的設備。一維固結儀（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；利用采集控制豎向壓力；利用電機轉速，蝸輪蝸桿減速機和其內部結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，實現現場工作，待試驗完成后利用計算機數據采集數據和處理系統提取數據計算結果，現場得出實驗報告，結構簡單，便捷，得到了用戶的認可。

           圖 3 一維固結儀

1 主要技術參數

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 控制系統硬件實現

由于實驗規范要求，在土樣固結過程中，實現壓力梯度加載時，需要壓力能快速達到目標值。這樣就產生一個問題，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，結果導致實驗數據失真。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公司生產的一款快速建立、高分辨率、多路復用的Σ-Δ 型模數轉換器(ADC) ，適合低帶寬輸入信號。通道掃描數據速率為50 kSPS( 建立時間為20 μs)，得到17 個無噪聲位的*建立數據。用戶可選輸出數據速率范圍為5 SPS至250 kSPS 。本系統設置數據采集頻率為每秒200次，采集精度在傳感器滿量程范圍內小于千分之一。本系統在控制軟件中設置步進電機速度的調整周期為10毫秒。系統設置軟件定時10毫秒中斷一次，對采集的當前壓力與目標壓力進行比較，執行PD算法，對電機速度進行控制。經過實際調試驗證，能在2秒內加載到目標壓力，控制精度誤差在1%以內，*達到固結實驗規范要求。為了使操作更方便，本系統使用了480*270點陣的觸摸屏進行顯示數據和觸控操作，讓操作人員操控設備時象使用電話一樣簡便。本系統安裝了一個零點限位接近開關，在實驗完成后，系統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。系統內置8G容量SD存儲單元，可脫離電腦完成固結實驗。只需實驗完成后數據傳輸至電腦進行數據處理，完成實驗報告結果。上位機軟件對設備上傳的實驗數據進行數據處理，曲線顯示，生成實驗報表并進行記錄歸檔。

3 控制系統軟件實現

3.1 應力控制

加載應力控制實現（圖5），系統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，再根據壓力偏差計算出合適的電機加載速度，驅動電機進行加載控制，能實現越接近目標壓力，速度運行越慢，防止壓力過沖，在應力控制范圍內形成閉環控制。在宏觀上實現2秒內壓力加載到位，*固結實驗要求。

             圖5 加載應力控制實現

3.2 應變控制

在實驗過程中，由于步進電機旋轉角度是實時已知，可根據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

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場的土體情況。本儀器可以脫機完成固結試驗，并可實現無線傳輸，便于在工程現場完成試驗操作。

4.1固結系數計算

兩讀數間的應變變化（%）；

h——兩讀數間的試樣平均高度（cm）；

兩讀數間的歷時（s）；

U_b——兩讀數間試樣底部 的空隙水壓力平均值（kPa）；

m_v——兩讀數間試樣的體積壓縮系數（kPa^-1）。

4.2試驗步驟

①將固結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在固結容器內放置護環、透水板和薄型濾紙，將帶有試樣 的環刀裝入護環內，底部安裝O型圈和密封壓板，與底座密封，放上導環、試樣上依次放上薄型濾紙、透水板和加壓上蓋，并將固結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、采集系統和加壓設備的電源，預熱30 min,采集初始讀數，施加軸向荷載，使產生軸應變。

⑦數據采集時間間隔，根據需要設施時間間隔，也可以選擇系統設定的時間間隔，采集豎向壓力，孔隙壓力和變形值。

⑧連續加荷一直到預期盈力或應變為止。當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試驗結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 結束語

1.一維固結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.本儀器結構簡單，攜帶方便，操作快捷，數據可靠，可大大提高工作效率，滿足工程試驗需要，實現應力分級加荷和等應變連續加荷。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試驗時間

4.對于常規固結試驗，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，科研和生產實踐的試驗研究現場實驗條件，簡化人員操作作過程