智能一維固結儀的研發與應用

(.蘇州昱創流體科技有限公司江蘇蘇州 215636)

摘  要：工程中建筑物，構筑物地基土在承受上部荷載作用下，產生變形，變形超過容許值后建筑物會形起傾斜，裂縫，嚴重會倒塌。

   為了預估地基基礎的沉降變形，通常在室內進行土的固結試驗，本文重點介紹一種新型的智能等應變連續加載的一維固結試驗儀，也可以兼容應力控制常規試驗。一維固結儀毋需要杠桿砝碼，不需空氣壓縮機，不要百分表或位移傳感器，只是通過智能閉環系統控制加荷速率，加荷大小，加荷時間，自動測定土的位移(變形量)等，從而可以計算土的各項壓縮性指標。

    該儀器是集現代化與一體的智能化儀器，實現機電智能控制，數據化采集處理，結構緊湊，攜帶方便，數據可靠，可模擬施工應力狀態，適合于教學，科研和生產實踐，得到了用戶的認可。

關鍵詞：機電加載，分級應力加載，等應變連續加荷，智能，便攜

Development and application of intelligent one-dimensional oedometer

Suzhou Yuchuang Fluid Technology Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215636, China;

Abstract: in engineering, under the action of the upper load, the foundation soil of the structure deforms. When the deformation exceeds the allowable value, the building will tilt, crack and collapse seriously.

In order to estimate the settlement deformation of foundation, soil consolidation test is usually carried out in the room. This paper mainly introduces a new type of intelligent constant strain continuous loading one-dimensional consolidation test instrument, which can also be compatible with conventional stress control tests. There is no need to carry a crane weight, no air compressor, no dial indicator or displacement sensor, only through the intelligent closed-loop system to control the loading rate, loading size, loading time, automatic measurement of soil displacement (deformation), so as to calculate the soil compressibility indicators.

The instrument is a modern and integrated intelligent instrument, which realizes electromechanical intelligent control, data collection and processing, compact structure, easy to carry, reliable data, can simulate the construction stress state, suitable for teaching, scientific research and production practice, has been recognized by the user.

Key words: Electromechanical loading, graded stress loading, constant strain continuous loading, intelligent, portable

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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。智能一維固結試驗儀與常規的扛桿式固結儀，氣壓式固結儀，同一個目的用以測定土的各種壓縮性指標，但因考慮到建筑物構筑的施工應力狀態與常規試驗的應力狀態有所不同，因此研發等應變控制的固結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。

  等應變連續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境土。

一維固結儀

1 儀器主要特點與主要技術參數

1.  組成部分

   1.1.1  固結容器除了常規的結構外，底部增添孔隙水壓力傳感器和密封器件；

  1.1.2  荷重傳感器與機電閉環控制系統加荷裝置；

   1.1.3  不同加荷速率條件下試樣位移量自動檢測系統；

   1.1.4  無線通訊技術的傳輸模塊；

   1.1.5  等應變控制和應力分級加荷控制的固結試驗軟件

1.2儀器的主要技術參數

   1.2.1  土樣面積30Cm2，高20mm

   1.2.2. 固結壓力 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、多路復用的Σ-Δ 型模數轉換器(ADC) ，適合低帶寬輸入信號。可以實現大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。其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。

   加載應力控制實現，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，后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。

   在應變實驗過程中，控制步進電機旋轉角度，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，通過根據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，從而更好的控制實驗。

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手機一樣簡便。系統內置零點限位接近開關，在實驗完成后，儀器能自動將土樣容器下降至零位位置，方便進行實驗后的清理工作及下次實驗的準備工作。還有8G容量SD存儲單元，可幫助我們實現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，后完成實驗報告結果，在使用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。

圖4

3 試驗操作步驟

    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中心對準壓力傳感器。

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做分級應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做應變連續加荷時需要選擇適宜的應變速率。其標準應使在試驗時的任何時間試樣底部產生的孔隙水壓力為施加垂直應力的3%-20%。試驗時，可以按照需求調整應變速率。

⑦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。

⑧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。

⑨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。

⑩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。

4 計算 C_v，a_v, E_s, m_v以及P_c ,C_c ,C_s和相關曲線等

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）。

其他試驗參數Cc,Cs,Pc與常規高壓固結試驗計算同理。

4.2相應曲線

5 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，簡化人員操作過程，并且在安全性上也有了極大的提高。

6參考文獻

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

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

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

[4]  DB 29—20—2000 巖土工程技術規范[S].

[5]  TB 10012—2001 鐵路工程地質勘察規范[S].