智能一维固结仪的开发与应用

摘要: 针对工程中土壤样品固结可压缩性的现场测试，提出了一种固结仪. 该加固仪采用步进电机加载方式，步进电机驱动涡轮涡旋杆实现加载. 控制模式分为两种工作模式，梯度加载和恒速恒应变加载. 内置的MICRO_SD存储单元可以离线完成合并实验. 实验完成后，将数据传输到计算机进行数据处理，最后完成实验报告的结果.

0简介

随着时代的变化，在客观需求的驱动下，岩土测试技术变得越来越成熟和细致. 岩土测试也是解决工程问题的最基本手段之一. 土壤特性和力学的定量描述是通过必不可少的实验获得的. 固结测试是岩土工程中最基本的测试方法. 固结试验可以测量土壤的可压缩性和可压缩性指标，这是建筑基础设计和施工的重要基础. 如果您知道该基础土壤指数，则可以估算不同建筑物的沉降. 确定建筑物的寿命.

目前，在中国最常用的固结测试仪是杠杆式固结测试仪（见图1）和气动固结测试仪（见图2）. 杠杆式加固仪采用杠杆加载的原理，并利用砝码对杠杆加压. 它的优点是直观的加载和良好的稳定性. 但是，固结工具的自动化程度较低，并且需要手动举起重物，这很费力. 加重的过程会产生冲击力，会对测试结果产生一定的影响；手动阅读会有一定的人为错误. 与杠杆固结仪相比，气动固结仪有了很大的改进. 如果压力是通过空气压缩机施加的，则可以逐步将其自动加压. 压力范围大，大大减轻了劳动强度；收集数据以减少人为错误. 但是，由于其自​​身的特性（杠杆式固结仪需要配备较重的重量，而气动固结仪需要与空气压缩机一起使用），上述两种固结仪通常仅适用于实验室. 将整合工具移至项目现场进行现场实验需要花费时间和精力.

图1杠杆合并工具

图2气动加固仪

1）随着“一带一路”的发展，基础设施越来越多，越来越多的项目需要现场勘测和实验. 迫切需要一种数据报告设备. 一维固结仪（图3）使用步进电机自动加载以提供垂直压力；使用精密压力传感器测量垂直压力；使用收集和控制系统来有效和准确地控制垂直压力；利用电机转速，蜗轮减速器及其内部结构准确计算出垂直位移；该仪器配有MICRO_SD存储单元常规土工试验，该存储单元可以在指定的时间间隔内存储测试期间的垂直压力和位移的变化以实现现场工作，并在测试完成后使用计算机数据收集. 数据和处理系统提取数据计算结果并获得现场实验报告. 该结构简单方便，已为用户所认可.

图3一维固结装置

1主要技术参数

1）土壤样品: 高度2cm，土壤样品直径61.8mm，面积30cm2

2）负载功率: 0-10KN

3）加载速度: 0-30mm / min

4）载荷范围: 0-20mm

5）加载方式: 梯度应力加载，恒速恒应变加载

2控制系统的硬件实现

由于实验规范的要求，在土壤样品固结过程中，当实现压力梯度加载时，压力需要迅速达到目标值. 这产生了问题. 当步进电机运行太慢时，如果步进电机运行太快，则要花很长时间才能达到目标压力值. 步进电动机的运转速度过快时，容易引起过载，压力也超过目标值. 实验数据失真. 这对电机控制提出了很高的要求.

为解决上述问题，该仪器的控制系统采用高速32位ARM处理器+高速高精度24位AD采集芯片（图4）. AD7176-2是ANALOG-DEVICES生产的快速构建，高精度，高分辨率，多路Σ-Δ模数转换器（ADC），适用于低带宽输入信号. 通道扫描的最大数据速率为50 kSPS（建立时间为20μs），从而产生17个无噪声的完全建立数据. 用户可选的输出数据速率范围是5 SPS至250 kSPS. 系统将数据采集频率设置为每秒200次，并且采集精度在传感器的满量程范围内不到千分之一. 该系统在控制软件中将步进电机速度调整周期设置为10 ms. 系统设置软件定期每10毫秒中断一次，将收集到的当前压力与目标压力进行比较，执行PD算法，并控制电动机速度. 经过实际调试验证，可以在2秒内加载到目标压力，控制精度误差在1％以内，完全满足固结实验规范的要求. 为了使操作更加方便，系统使用480 * 270点矩阵触摸屏来显示数据和触摸操作，使操作员可以像使用手机一样轻松地操作设备. 该系统配有零点接近开关. 实验完成后，系统可以自动将土壤样品容器降到零位，方便实验后清理和准备下一个实验. 该系统具有内置的8G SD存储单元，可以将其与计算机断开连接以完成整合实验. 实验完成后，才将数据传输到计算机进行数据处理，最后完成实验报告的结果. 主机软件对设备上传的实验数据进行数据处理，显示曲线，生成实验报告，并将其记录和存档.

3个控制系统软件的实现

3.1压力控制

实现了负载应力控制（图5）. 系统实时收集压力传感器的当前压力，将其与实验前预设的压力值进行比较，计算压力偏差，然后根据压力偏差计算出合适的电动机加载速度. 最后，驱动电动机进行负载控制，越接近目标压力，速度操作越慢，以防止压力过冲，并在应力控制范围内形成闭环控制. 宏观上，压力在2秒钟内就位，完全可以满足固结实验的要求.

图5加载应力控制的实现

3.2应变控制

在实验过程中，由于步进电机的旋转角度是实时已知的，因此可以根据齿轮减速比和蜗杆螺距，然后根据压力传感器的变形来计算电机的刚性位移. 本身可以根据传感器当前的压力值计算出Amount，最后得到土壤样品的实际变形量. 用百分表进行校准测试. 实际测量值的精度误差小于0.001mm，符合实际要求.

图6加载变形的实现

4种测试方法

该仪器有两种控制方法: 渐变应力加载和恒速恒应变加载，可用于应力测试和恒应变测试. 等应变试验可以很好地模拟工程现场的土壤状况. 该仪器可以离线完成合并测试，并可以实现无线传输，方便在项目现场完成测试操作.

4.1固结系数的计算

-两次读数之间的应变变化（％）；

h——两次读数之间的样品平均高度（厘米）；

-两次读数之间的持续时间；

Ub——两个读数之间的间隙中的水压平均值（kPa）；

mv——两次读数之间的样品体积压缩系数（kPa-1）.

4.2测试程序

①打开连接在固结容器底部的孔隙水压力传感器的阀，并且不要使用气泡除去残留在底部的气泡. 用无气泡水浸透渗透板，使水覆盖渗透板的底部，并在渗透板上铺一层薄的滤纸.

②将护环，透水板和薄滤纸放在加固容器中，将装有样品的环刀安装到护环中，在底部安装O形圈和密封压力板，与底座密封，装上导向环1.依次将薄滤纸，透水板和加压上盖放在样品上，然后将固结容器放在加压框架的中心，使加压上盖和加压框架的中心与压力传感器对齐.

③施加1kPa的预压力使样品与仪器的上部和下部接触.

④填充水箱以浸没样品.

⑤确定要施加的各种压力水平，压力水平分别为25、50、100、200、400、800、1600、3200kPa.

⑥连接控制系统，收集系统和加压设备的电源，预热30分钟，收集初始读数，施加轴向载荷，并引起轴向应变.

⑦数据收集时间间隔，根据所需的设备时间间隔，还可以选择系统设置的时间间隔，以收集垂直压力，孔隙压力和变形值.

⑧连续装载，直到预期的利润或负担. 施加轴向载荷后，在轴向载荷不变或变形恒定的条件下，孔隙水压力消散.

⑨测试后，将水倒入容器中，迅速取下仪器的所有部件，取出整个样品，然后清洁容器.

5部分实验曲线

6结论

1. 一维合并工具是一种人工智能工具. 设置完成后，整个过程将自动加载并自动收集和处理

2. 该仪器结构简单，携带方便，操作快速，数据可靠常规土工试验，可大大提高工作效率，满足工程测试需要，实现应力分级加载和恒定应变连续加载. 无需位移传感器

3. 测量孔隙压力并转换有效应力，从而可以适当地加快固结测试时间

4. 对于常规固结试验，高塑性和高黏土的流变试验研究提供了有效的比较手段，因此它适合于教学，科研和生产实践中的实验研究现场实验条件，简化了人员操作过程，并在安全性也大大提高了.

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