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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