談TWJ-1型土工試驗(yàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

張麗敏 宋婷婷 張明堂

(河南省豫北水利勘測設(shè)計(jì)院，河南安陽 455000)

0 引言

工程地質(zhì)勘探是通過各種手段和方法對地質(zhì)進(jìn)行勘查、探測，確定合適的持力層，根據(jù)持力層的地基承載力，確定基礎(chǔ)類型，計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)的調(diào)查研究活動(dòng)。土工試驗(yàn)為地質(zhì)勘探提供了科學(xué)的依據(jù)。土工試驗(yàn)工程項(xiàng)目繁重且試驗(yàn)周期也很長，在做每一項(xiàng)試驗(yàn)過程中都必須要進(jìn)行土樣安裝、土樣讀數(shù)、土樣加荷、土樣卸荷和計(jì)算等人工操作，試驗(yàn)過后還要進(jìn)行整理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計(jì)算和曲線繪制、校對數(shù)據(jù)等大量繁瑣、復(fù)雜、重復(fù)的機(jī)械勞動(dòng)。既效率低下又勞累，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)今如此繁重的勘察任務(wù)。河南省豫北水利勘測設(shè)計(jì)院土工試驗(yàn)室于2011年引進(jìn)了TWJ-1型土工試驗(yàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)應(yīng)用于土工試驗(yàn)中，全面提高了土工試驗(yàn)成果質(zhì)量和測試工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的強(qiáng)化了管理。

1 TW J-1型土工試驗(yàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

1)TWJ-1型土工試驗(yàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置由傳感器、采樣盒、氣壓控制器、固結(jié)儀、位移傳感器、多路信號轉(zhuǎn)接器、計(jì)算機(jī)組成，可同時(shí)或單獨(dú)的與三軸儀、直剪儀、固結(jié)儀、電子天平等儀器連接進(jìn)行采集和控制。一個(gè)采樣盒可連接8個(gè)傳感器，分別連接相同或不同的儀器。TWJ-1型土工試驗(yàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括系統(tǒng)測量參數(shù)的標(biāo)定和輸入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、試驗(yàn)成果形式編排和輸出等，其采用聲音提示、圖像跟蹤、提供隨時(shí)進(jìn)入人工干預(yù)的操作界面，可使試驗(yàn)數(shù)據(jù)即時(shí)出、快速準(zhǔn)確，還對土的每個(gè)基本物理力學(xué)指標(biāo)的測定都提供了模擬實(shí)驗(yàn)過程。

2)土工試驗(yàn)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由物理模塊、固結(jié)模塊、直剪模塊、三軸模塊和成果總表等模塊組成。其中物理、固結(jié)、直剪、三軸各采集模塊主要硬件由試驗(yàn)儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)系統(tǒng)等四部分組成。

2 土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的應(yīng)用與方法

系統(tǒng)軟件所包含的文件可分為系統(tǒng)文件、用戶文件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件三類。其中用戶文件用于存儲用戶根據(jù)各自實(shí)際情況對系統(tǒng)有關(guān)配置數(shù)據(jù)。如:所使用的鋁盒、環(huán)刀等器皿校正值，固結(jié)儀儀器變形參數(shù)，傳感器的通道配置及傳感器參數(shù)等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件用于存儲試驗(yàn)采集、處理各過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。如:物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，固結(jié)試驗(yàn)的采集數(shù)據(jù)、處理后的數(shù)據(jù)，顆分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)成果總表數(shù)據(jù)等等。對于物理性質(zhì)指標(biāo)比如:比重、密度、顆分、含水量、液塑限、滲透、膨脹率、擊實(shí)等只需在物理欄中輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和校核，各項(xiàng)試驗(yàn)的計(jì)算程序均留有人工輸入數(shù)據(jù)的窗口，即使有些項(xiàng)目不具備數(shù)據(jù)采集的條件，也可經(jīng)過數(shù)據(jù)處理享有軟件的各種功能。而對于力學(xué)性指標(biāo)試驗(yàn)的有固結(jié)(黃土壓縮)試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)則需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后再做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。本次土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的應(yīng)用與方法以某工程為例，工程編號為2012001，該工程需要做土的指標(biāo)是壓縮試驗(yàn)，程序步驟如下。

2.1 物理性試驗(yàn)

制樣、天然與界限含水率、密度、比重“試驗(yàn)編號”和“土號”由字母和數(shù)字單獨(dú)或組合構(gòu)成。

首先在物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中新建工程編號為2012001的工程，鍵入土樣的基本信息，如試驗(yàn)編號2012001、土樣編號ZK1-1、鉆孔編號ZK、取土深度1.00～1.30等;選擇進(jìn)入“簡單界面”輸入土樣鉆孔編號、起始土樣編號、土樣個(gè)數(shù)、起始取土深度、取樣間隔、取樣長度，點(diǎn)擊“自動(dòng)批量生成”就會按順序快速生成。操作簡捷可以最大限度減少人為差錯(cuò)、提高效率。

如果電子天平數(shù)據(jù)傳送正常，則“稱重”窗口與電子天平數(shù)碼的顯示一致且同步。秤土?xí)r待天平穩(wěn)定后按＜Insert＞鍵完成采樣。程序根據(jù)容器編號檢索其參數(shù)，由器皿參數(shù)判斷，并顯示出經(jīng)計(jì)算的(密度或質(zhì)量)結(jié)果。如果天平未連接到計(jì)算機(jī)上，可以實(shí)施人工輸入的方法，鍵入天平讀數(shù)。稱土?xí)r不想去鋁盒的重量(鋁盒分為A，B，C)，只要在“天平稱重”一欄中輸入環(huán)刀、鋁盒的容器編號、面積、高度、重量，系統(tǒng)就會換算出試樣密度、凈重，直接輸入數(shù)據(jù)即可。當(dāng)鍵入“含水量密度”“液塑限比重”的數(shù)據(jù)后，就會自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的物理性質(zhì)指標(biāo)如:含水率、孔隙比、干密度、飽和度、液性指數(shù)、塑性指數(shù)等，本次數(shù)據(jù)會自動(dòng)保存在物理數(shù)據(jù)處理表中，在進(jìn)行成果總表處理的時(shí)候，該物理數(shù)據(jù)就會自動(dòng)生成再進(jìn)行處理。

2.2 數(shù)據(jù)采集步驟

1)制樣、安裝。按土工試驗(yàn)規(guī)范要求制備土樣，把土樣安裝好后在采集(S)菜單中選擇固結(jié)試驗(yàn):正確輸入試驗(yàn)編號、土樣編號、土樣面積、荷重系列、試驗(yàn)方法、穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。該工程的試驗(yàn)編號為2012001，土樣編號為ZK1-1，點(diǎn)擊快速輸入鍵(即可對下一個(gè)土樣編號自動(dòng)加1，其他參數(shù)不變)，并修改土樣編號，如試樣不滿16組可點(diǎn)擊“不使用”數(shù)據(jù)就不會生成、保存。

2)選擇土樣面積的大小。界面上有環(huán)刀30 cm2和環(huán)刀50 cm2的交換，本次試驗(yàn)所用的面積為30 cm2的環(huán)刀。此參數(shù)與壓力控制有關(guān)，必須根據(jù)實(shí)際使用的環(huán)刀進(jìn)行選擇。

3)選擇荷重系列。荷重系列將決定著土樣在試驗(yàn)過程中自動(dòng)加荷級數(shù)及每級荷重的大小，必須在平衡自重之前選擇完畢。分為 400 kPa，800 kPa，1 600 kPa，本次壓縮試驗(yàn)為 400 kPa。

4)試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方法分為七種，本次壓縮試驗(yàn)為快速固結(jié)試驗(yàn)，必須在通道“就緒”前輸入。

5)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)分為 0.010 mm，0.005 mm，24 h三種，本次穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為0.005 mm。

2.3 操作指令

設(shè)定完畢后，再對每臺固結(jié)儀對應(yīng)的土樣編號等進(jìn)行校對后點(diǎn)擊自重平衡鍵，計(jì)算機(jī)發(fā)出自重平衡指令，氣壓控制器對土樣進(jìn)行自重校正，觀察每個(gè)傳感器是否在有效行程內(nèi)，如果有故障會有語音提醒，觀察是否是傳感器沒有連接好，排除完故障后開始試驗(yàn)。系統(tǒng)會自動(dòng)按照時(shí)間方法所規(guī)定的時(shí)間和荷重序列逐級加載，并按照固結(jié)試驗(yàn)的要求記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示時(shí)間平方根曲線、時(shí)間對數(shù)曲線。除物理試驗(yàn)，在試驗(yàn)各個(gè)階段都會有語音提示、圖像跟蹤和隨時(shí)進(jìn)入人工干預(yù)的操作界面等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 數(shù)據(jù)保存

試驗(yàn)結(jié)束后打開文件，選擇工程管理菜單，點(diǎn)擊工程編號進(jìn)入到固結(jié)試驗(yàn)，選擇讀入固結(jié)試驗(yàn)新增采集數(shù)據(jù)菜單，選擇相應(yīng)的工程編號如2012001的固結(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行新增保存。數(shù)據(jù)庫里會自動(dòng)生成工程編號為2012001的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣也免除了傳統(tǒng)杠桿式固結(jié)儀人工讀數(shù)后再輸入電腦過程中的繁瑣與失誤。

2.5 試驗(yàn)成果的處理

在固結(jié)試驗(yàn)結(jié)束并保存數(shù)據(jù)后，把固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)入、匯總，打開成果總表，選擇總表的格式或新建總表格式，對所有的物理力學(xué)性指標(biāo)如:比重、壓縮系數(shù)、壓縮模量、孔隙比、干密度、飽和度、顆分、含水量、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、滲透、擊實(shí)等進(jìn)行匯總，排版并校核數(shù)據(jù)之間是否一致，如有問題及時(shí)修正。對成果總表和e—p關(guān)系曲線進(jìn)行打印、上傳。

2.6 試驗(yàn)中需要注意的事項(xiàng)

在每次做固結(jié)試驗(yàn)的過程中，要不定期的對固結(jié)試驗(yàn)中的曲線進(jìn)行檢查，看是否有異?，F(xiàn)象發(fā)生，如有異?，F(xiàn)象發(fā)生要及時(shí)檢查線路或看百分表是否有接觸不好等現(xiàn)象。如果有一組試驗(yàn)在采集固結(jié)界面上出現(xiàn)空閑時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行保存并及時(shí)卸荷，以便提高儀器的使用年限。

TWJ-1型土工試驗(yàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可同時(shí)或單獨(dú)與三軸儀、直剪儀進(jìn)行采集和控制，且使用原理和固結(jié)儀類似，就不再說明。

3 使用該系統(tǒng)過程中發(fā)現(xiàn)的問題

雖然該系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有不足的地方。

1)軟件在加壓時(shí)遇到的問題。在計(jì)算機(jī)發(fā)出下一級加荷指令時(shí)，儀器不工作，在檢查完連接電纜、采集盒連線、傳感器插頭的連接，有無松動(dòng)、脫虛焊等出現(xiàn)不良接觸現(xiàn)象以后，儀器還是不工作，說明是儀器沒有接收到指令，建議該軟件不要只發(fā)一次指令，要多發(fā)幾次指令直到儀器接收到指令為止，這也是個(gè)別現(xiàn)象。

2)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理遇到的問題。如果第一次做的三軸試驗(yàn)不成功，再做一次相同編號的三軸試驗(yàn)，軟件不會覆蓋第一次數(shù)據(jù)，而是直接順延下來且不能對第一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，對數(shù)據(jù)處理帶來不便。

3)停電后的建議。如果在長時(shí)間的停電狀態(tài)下，該系統(tǒng)就不能工作，所以應(yīng)與傳統(tǒng)的杠桿式的固結(jié)儀并用，以免耽誤工程工期。

4 該系統(tǒng)在土工試驗(yàn)領(lǐng)域的前景

土工試驗(yàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接的氣壓全自動(dòng)固結(jié)儀采用不銹鋼材料，框架結(jié)構(gòu)，體積小，重量輕，快速接頭連接，拆裝方便，維護(hù)簡單，便于野外現(xiàn)場使用。過去各大試驗(yàn)室都用傳統(tǒng)式的杠桿儀器時(shí)，所有的數(shù)據(jù)采集過程都是通過人工操作，持續(xù)時(shí)間長，工作量大，自我院土工試驗(yàn)室使用了全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)后，各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的大量工作完全都由計(jì)算機(jī)來完成，實(shí)現(xiàn)了土工試驗(yàn)的自動(dòng)化，使土工試驗(yàn)大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了計(jì)算和繪圖時(shí)間，減少了人為因素的影響，提高了試驗(yàn)的速度和準(zhǔn)確性，從而大大提高了工作效率。

5 結(jié)語

土工試驗(yàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的應(yīng)用，不但提高了工作效率而且還保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度。它以最新科技，集機(jī)械、自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器自動(dòng)檢測技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，進(jìn)行各種固結(jié)試驗(yàn)，自動(dòng)完成加卸荷及數(shù)據(jù)采集功能，同時(shí)試驗(yàn)過程中有語音提示，輔助人工操作;圖解成果，人工干預(yù)非常靈活方便等特點(diǎn)，將在土工試驗(yàn)領(lǐng)域中有更加廣泛的應(yīng)用與前景。

［1］GB/T 50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］高麗萍.土工試驗(yàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的應(yīng)用及影響［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2011(6):74-75.