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智能一維固結(jié)儀的研發(fā)與應(yīng)用

更新時(shí)間:2020-06-04      點(diǎn)擊次數(shù):1642

摘  要:針對(duì)在工程中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jìn)電機(jī)加載方式,用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪渦桿實(shí)現(xiàn)加載??刂品绞椒謨煞N工作模式,分級(jí)應(yīng)力加載及恒速等應(yīng)變加載,內(nèi)置MICRO_SD存儲(chǔ)單元,可脫機(jī)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。

 

0 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。固結(jié)試驗(yàn)可以測(cè)土的壓縮系數(shù)和壓縮性指標(biāo),是建筑物地基設(shè)計(jì)與施工的重要依據(jù),如果知道地基土的這項(xiàng)指標(biāo),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(guó)內(nèi)較為常用的固結(jié)試驗(yàn)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(guò)杠桿加壓。其優(yōu)點(diǎn)在于加荷直觀,穩(wěn)定性良好。但是該固結(jié)儀自動(dòng)化程度低,需要人工搬動(dòng)砝碼,勞動(dòng)強(qiáng)度大;加砝碼的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沖擊力,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響;人工讀數(shù),會(huì)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(jìn),通過(guò)空氣壓縮機(jī)來(lái)施加壓力的,能自動(dòng)逐級(jí)加壓,加壓范圍大,大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度;通過(guò)位移傳感器自動(dòng)采集數(shù)據(jù),減少了人為誤差。但上述兩類(lèi)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(jī)配合使用)一般只適合在實(shí)驗(yàn)室使用,如果想把此兩種固結(jié)儀器移至工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),費(fèi)時(shí)費(fèi)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(lái)越多,越來(lái)越多的工程需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察和實(shí)驗(yàn),這就迫切需要一種能容易攜帶,現(xiàn)場(chǎng)出數(shù)據(jù)報(bào)告的設(shè)備。一維固結(jié)儀(圖3)采用步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)加載提供豎向壓力;利用精密壓力傳感器測(cè)量豎向壓力;利用采集、控制系統(tǒng)高效精準(zhǔn)的控制豎向壓力;利用電機(jī)轉(zhuǎn)速,蝸輪蝸桿減速機(jī)和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的計(jì)算出豎向位移;儀器自帶MICRO_SD存儲(chǔ)單元,能夠按照的時(shí)間間隔,存儲(chǔ)試驗(yàn)過(guò)程中豎向壓力和位移的變化,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工作,待試驗(yàn)完成后利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)和處理系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果,現(xiàn)場(chǎng)得出實(shí)驗(yàn)報(bào)告,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便捷,得到了用戶(hù)的認(rèn)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(dòng)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(jí)應(yīng)力加載,恒速等應(yīng)變加載

2 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

由于實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求,在土樣固結(jié)過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)壓力梯度加載時(shí),需要壓力能快速達(dá)到目標(biāo)值。這樣就產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度過(guò)慢時(shí),加載就需要較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到目標(biāo)壓力值;當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度過(guò)快時(shí),又容易引起過(guò)載,壓力超過(guò)目標(biāo)值太多,結(jié)果導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)失真。這就對(duì)電機(jī)控制提出了*的要求。

為了解決以上問(wèn)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(hào)。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)。用戶(hù)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(mǎn)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?xún)?nèi),*達(dá)到固結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求。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。本系統(tǒng)安裝了一個(gè)零點(diǎn)限位接近開(kāi)關(guān),在實(shí)驗(yàn)完成后,系統(tǒng)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。系統(tǒng)內(nèi)置8G容量SD存儲(chǔ)單元,可脫離電腦完成固結(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。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(xiàn)顯示,生成實(shí)驗(yàn)報(bào)表并進(jìn)行記錄歸檔。

 

3 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 應(yīng)力控制

加載應(yīng)力控制實(shí)現(xiàn)(圖5),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。在宏觀上實(shí)現(xiàn)2秒內(nèi)壓力加載到位,*固結(jié)實(shí)驗(yàn)要求。

 

               圖5 加載應(yīng)力控制實(shí)現(xiàn)

3.2 應(yīng)變控制

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,由于步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度是實(shí)時(shí)已知,可根據(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,再根據(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,滿(mǎn)足實(shí)際要求。

                圖6 加載變形量實(shí)現(xiàn)

 

4 試驗(yàn)方法

本儀器有分級(jí)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(yàn)又可以做等應(yīng)變?cè)囼?yàn)。等應(yīng)變?cè)囼?yàn)可以很好的模擬工程現(xiàn)場(chǎng)的土體情況。本儀器可以脫機(jī)完成固結(jié)試驗(yàn),并可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸,便于在工程現(xiàn)場(chǎng)完成試驗(yàn)操作。

4.1固結(jié)系數(shù)計(jì)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(shí)(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(yàn)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確定需要施加的各級(jí)壓力,壓力等級(jí)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(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。

⑧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。

⑨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。

 

5 部分實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

 

6 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(mǎn)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)化人員操作作過(guò)程,并且在安全性上也有了極大的提高。

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