智能一维固结仪的研发与应用

(.苏州昱创流体科技有限公司江苏苏州 215636)

摘  要：工程中建筑物，构筑物地基土在承受上部荷载作用下，产生变形，变形超过容许值后建筑物会形起倾斜，裂缝，严重会倒塌。

   为了预估地基基础的沉降变形，通常在室内进行土的固结试验，本文重点介绍一种新型的智能等应变连续加载的一维固结试验仪，也可以兼容应力控制常规试验。一维固结仪毋需要杠杆砝码，不需空气压缩机，不要百分表或位移传感器，只是通过智能闭环系统控制加荷速率，加荷大小，加荷时间，自动測定土的位移(变形量)等，从而可以计算土的各项压缩性指标。

    该仪器是集现代化与一体的智能化仪器，实现机电智能控制，数据化采集处理，结构紧凑，携带方便，数据可靠，可模拟施工应力状态，适合于教学，科研和生产实践，得到了用户的认可。

关键词：机电加载，分级应力加载，等应变连续加荷，智能，便携

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

随着时代的变迁，在客观需求的促使下，土工试验技术越来越成熟和细致，土工试验也是解决工程问题的一个基本的手段。对土性和力学反映的量化描述是通过*的试验来得到的。固结实验又是土工试验里基本的试验方法。智能一维固结试验仪与常规的扛杆式固结仪，气压式固结仪，同一个目的用以测定土的各种压缩性指标，但因考虑到建筑物构筑的施工应力状态与常规试验的应力状态有所不同，因此研发等应变控制的固结试验法更符合工程实际。这在国外的岩土工程试验仪器中也有所介绍。

  等应变连续加荷试验可适用饱和土和非饱和土的砂土，粉土，粘性土以及人工填土和环境土。

一维固结仪

1 仪器主要特点与主要技术参数

1.  组成部分

   1.1.1  固结容器除了常规的结构外，底部增添孔隙水压力传感器和密封器件；

  1.1.2  荷重传感器与机电闭环控制系统加荷装置；

   1.1.3  不同加荷速率条件下试样位移量自动检测系统；

   1.1.4  无线通讯技术的传输模块；

   1.1.5  等应变控制和应力分级加荷控制的固结试验软件

1.2仪器的主要技术参数

   1.2.1  土样面积30Cm2，高20mm

   1.2.2. 固结压力 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  孔隙压力 0~1Mpa 分辨率1Kpa

   1.2.6  加载量程：0-20mm

2 基本原理

   本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）。通过AD7176-2快速建立、高度精确、高分辨率、多路复用的Σ-Δ 型模数转换器(ADC) ，适合低带宽输入信号。可以实现大通道扫描数据速率为50 kSPS( 建立时间为20 μs)，得到17 个无噪声位的*建立数据。其数据采集频率为每秒200次，采集精度在传感器满量程范围内小于千分之一。本系统在控制软件中设置步进电机速度的调整周期为10毫秒。系统设置软件定时10毫秒中断一次，对采集的当前压力与目标压力进行比较，执行PD算法，对电机速度进行控制。经过实际调试验证，能在2秒内加载到目标压力，控制精度误差在1%以内，*达到固结实验规范要求。

   加载应力控制实现，系统通过快速实时采集压力传感器当前压力，与实验前预设的压力值进行比较，计算出压力偏差，再根据压力偏差计算出合适的电机加载速度，后驱动电机进行加载控制，能实现越接近目标压力，速度运行越慢，防止压力过冲，在应力控制范围内形成闭环控制。

   在应变实验过程中，控制步进电机旋转角度，根据齿轮减速比与涡杆螺距计算出电机加载的刚性位移量，通过根据传感器当前压力值计算出压力传感器本身的变形量，后得出土样实际变形量。用千分表进行标定检测，实际测量值精度误差小于0.001mm，从而更好的控制实验。

为了使操作更方便，本系统使用了480*270点阵的触摸屏进行显示数据和触控操作，让操作人员操控设备时象使用手机一样简便。系统内置零点限位接近开关，在实验完成后，仪器能自动将土样容器下降至零位位置，方便进行实验后的清理工作及下次实验的准备工作。还有8G容量SD存储单元，可帮助我们实现脱离电脑完成固结实验。只需实验完成后数据传输至电脑进行数据处理，后完成实验报告结果，在使用上位机软件对设备上传的实验数据进行数据处理，曲线显示，生成实验报表并进行记录归档。

图4

3 试验操作步骤

    ①将固结容器底部连接孔隙水压力传感器的阀门打开，用无气泡排除底部滞留的气泡。并将透水板用无气泡水饱和，使水盖底部透水板，透水板上放薄滤纸。

②在固结容器内放置护环、透水板和薄型滤纸，将带有试样 的环刀装入护环内，底部安装O型圈和密封压板，与底座密封，放上导环、试样上依次放上薄型滤纸、透水板和加压上盖，并将固结容器置于加压框架正中，使加压上盖与加压框架中心对准压力传感器。

③施加1kPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触。

④向水槽中注水浸没试样。

⑤做分级应力加载试验时需确定要施加的各级压力，压力等级为 25、50、100、 200、400、800、1600、3200kPa。

⑥做应变连续加荷时需要选择适宜的应变速率。其标准应使在试验时的任何时间试样底部产生的孔隙水压力为施加垂直应力的3%-20%。试验时，可以按照需求调整应变速率。

⑦接通控制系统、采集系统和加压设备的电源，预热30 min,采集初始读数，施加轴向荷载，使产生轴应变。

⑧数据采集时间间隔，根据需要设施时间间隔，也可以选择系统设定的时间间隔，采集竖向压力，孔隙压力和变形值。

⑨连续加荷一直到预期盈力或应变为止。当轴向荷载加荷完成后，在轴向荷载不变或变形不变的条件下使孔隙水压力消散。

⑩试验结束后吸取容器中的水，迅速拆除仪器各部件，取出整块试样，清洗容器。

4 计算 C_v，a_v, E_s, m_v以及P_c ,C_c ,C_s和相关曲线等

4.1 计算 C_v , m_v，E_s , a_v  ,以及P_c ,C_c ,C_s

式中：

——两读数间的应变变化（%）；

h——两读数间的试样平均高度（cm）；

——两读数间的历时（s）；

U_b——两读数间试样底部的空隙水压力平均值（kPa）；

m_v——两读数间试样的体积压缩系数（kPa^-1）。

其他试验参数Cc,Cs,Pc与常规高压固结试验计算同理。

4.2相应曲线

5 结束语

1. 一维固结仪是一种人工智能仪器，一旦设置完成后全程自动加载自动采集处理
2. 本仪器结构简单，携带方便，操作快捷，数据可靠，可大大提高工作效率，满足工程试验需要，实现应力分级加荷和等应变连续加荷。毋需要位移传感器
3. 实测孔隙压力，换算有效应力，这样可以适当加快固结试验时间
4. 对于常规固结试验，高塑性高粘土的流变试验研究，提供有效对比手段，因此适应于教学，科研和生产实践的试验研究现场实验条件，简化人员操作过程，并且在安全性上也有了极大的提高。

6参考文献

[1]  GB/T 50123-2019. 土工试验方法标准[S].中国计划出版社, 2019

[2] 刘敏，张学龙.杠杆式和气压式固结仪之比较[J]；土工基础，2016,30(4):514-516

[3]  SL237-1999，土工试验规程，中国水利水电出版社，1999.

[4]  DB 29—20—2000 岩土工程技术规范[S].

[5]  TB 10012—2001 铁路工程地质勘察规范[S].