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?？刂品绞椒謨煞N工作模式,，分級應(yīng)力加載及恒速等應(yīng)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，后完成實驗報告結(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(shù)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(xué)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(shè)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(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(chǔ)建設(shè)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(shè)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)高效精準的控制豎向壓力,；利用電機轉(zhuǎn)速,，蝸輪蝸桿減速機和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shù)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(yīng)力加載，恒速等應(yīng)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(dǎo)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,。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*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)置步進電機速度的調(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(shè)備時象使用手機一樣簡便。本系統(tǒng)安裝了一個零點限位接近開關(guān),，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，后完成實驗報告結(jié)果,。上位機軟件對設(shè)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(yīng)力控制
加載應(yīng)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(yù)設(shè)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，后驅(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(yīng)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(yīng)力控制實現(xiàn)
3.2 應(yīng)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,，后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(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)力試驗又可以做等應(yīng)變試驗,。等應(yīng)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(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）；
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(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(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,。
⑧連續(xù)加荷一直到預(yù)期盈力或應(yīng)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(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,，簡化人員操作作過程，并且在安全性上也有了極大的提高,。
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