動(dòng)力觸探測試自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)與研究

彭政奎

核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，中國·四川 成都 610059

1 引言

人類在從事工程建設(shè)中，常需通過綜合勘探手段查明地基土的工程力學(xué)情況，為設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)和計(jì)算參數(shù)，對于碎石土地層，往往還需要采用動(dòng)力觸探測試的方法，通過貫入擊數(shù)進(jìn)行密實(shí)度的劃分和地基承載力估算。傳統(tǒng)的動(dòng)力觸探設(shè)備主要以人工操作機(jī)械、人工計(jì)數(shù)、人工處理數(shù)據(jù)來完成測試數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)計(jì)，全程靠人工耗時(shí)費(fèi)力，且極易發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)大的偏差，影響工程力學(xué)性質(zhì)的準(zhǔn)確判定。隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的新科技、新技術(shù)運(yùn)用到工程活動(dòng)中，為了順應(yīng)時(shí)代的潮流，也為了進(jìn)一步提升工程質(zhì)量及效益，老舊的設(shè)備、技術(shù)正在不斷被丟棄被取代，一批批改良機(jī)械、先進(jìn)技術(shù)的推陳出新推動(dòng)了整個(gè)工程界的發(fā)展，也推動(dòng)著社會(huì)的發(fā)展。論文結(jié)合傳統(tǒng)的設(shè)備和工藝技術(shù)，提出了改良思路，并開發(fā)了測距系統(tǒng)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以提高動(dòng)力觸探測試工作的效率和數(shù)據(jù)處理精度。

2 各系統(tǒng)工作原理

通過研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備存在很大弊端，將傳統(tǒng)設(shè)備和工藝進(jìn)行改良，并根據(jù)其工作原理，劃分為四個(gè)工作系統(tǒng)，即測距系統(tǒng)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而代替了人工操作吊錘、人工記錄擊數(shù)、人工錄入數(shù)據(jù)等人力勞動(dòng)工作，下面對四個(gè)系統(tǒng)的工作原理逐一介紹。

2.1 測距系統(tǒng)

當(dāng)動(dòng)力觸探設(shè)備安裝就緒后，將電插頭插入打箍側(cè)壁的插孔中，接通電源，即可進(jìn)行觸探工作。此時(shí)，落錘每擊一次打箍（即錘座），電源接通，測距儀便自動(dòng)開始測距，并將測量結(jié)果錄入計(jì)算存儲，落錘升起，電源切斷，測距儀停止工作(見圖1)。

圖1 測距系統(tǒng)工作原理示意圖

2.2 計(jì)數(shù)系統(tǒng)

當(dāng)測距系統(tǒng)完成一次測距工作，電路也就完成一次開閉，由此形成一次脈沖信號，通過計(jì)算機(jī)對脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，每記一次就作為一擊，并將計(jì)數(shù)結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和存儲。這里引用汽車?yán)锍逃?jì)數(shù)原理，在觸探設(shè)備牽引吊錘的曲軸上安裝蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器，從而實(shí)現(xiàn)吊錘擊數(shù)計(jì)數(shù)。

2.3 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

為了使整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)，保持?jǐn)?shù)據(jù)記錄的對應(yīng)關(guān)系，在本套設(shè)備中專門增設(shè)一個(gè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。其工作原理是設(shè)備啟動(dòng)后，通過傳送帶將動(dòng)力源的動(dòng)力輸出至曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，再由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)通過鋼絞線與落錘直接連接，將動(dòng)力源的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的往復(fù)式線性運(yùn)動(dòng)，再轉(zhuǎn)變?yōu)槁溴N的上下往復(fù)式線性運(yùn)動(dòng)，此時(shí)柴油機(jī)完成一個(gè)周期的沖程后，動(dòng)力觸探落錘剛好也完成一次“落—砸—升—停”的往復(fù)式?jīng)_程運(yùn)動(dòng)，同時(shí)計(jì)數(shù)器完成一次計(jì)數(shù)，將兩個(gè)系統(tǒng)的脈沖信號存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)，并形成相對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系(見圖2)。

圖2 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)工作原理示意圖

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

通過計(jì)算機(jī)獲得的數(shù)據(jù)，可以反算每貫入10cm 位移時(shí)，發(fā)生的總錘擊數(shù)，并可以做出相應(yīng)的累積曲線，同時(shí)可以通過總位移和值所落的區(qū)間，判斷該段試驗(yàn)所用的桿長，為后期工程服務(wù)時(shí)提供桿長校正依據(jù)。通過獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)規(guī)范要求和對應(yīng)的計(jì)算公式，編制內(nèi)部程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而獲取想要的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，下面以具體的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明。

①通過計(jì)數(shù)系統(tǒng)獲得的原始數(shù)據(jù)為貫入總量（S）—貫入擊數(shù)（N）的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，以貫入總量（S）作為橫坐標(biāo)，貫入擊數(shù)（N）作為縱坐標(biāo)，做出如下散點(diǎn)圖(見圖3)。

圖3 擊數(shù)（N）-貫入總量（S）關(guān)系散點(diǎn)圖

②通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行反算，可以獲得單擊貫入量（D），并以單擊貫入量（D）作為橫坐標(biāo)，貫入擊數(shù)（N）作為縱坐標(biāo)，做出如下散點(diǎn)圖(見圖4)。

圖4 擊數(shù)（N）-單擊貫入量（D）

③通過對上述兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和反算，可以獲得每貫入規(guī)定的位移值時(shí)（以10cm 為例），發(fā)生的動(dòng)探擊數(shù)，可以采用內(nèi)插法，最后獲得規(guī)定貫入量對應(yīng)的擊數(shù)，這時(shí)便獲得了GB50021—2001/2009 《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定的數(shù)據(jù)樣式，并以貫入擊數(shù)（N）作為橫坐標(biāo)，單擊貫入量（D）作為縱坐標(biāo)，做出如下散點(diǎn)圖(見圖5)。

圖5 單擊貫入量（D）-擊數(shù)（N）

④通過上述反算獲得的成果數(shù)據(jù)，按照規(guī)范進(jìn)行測試數(shù)據(jù)繪制，繪制動(dòng)力觸探測試曲線圖(見圖6)。

圖6 動(dòng)力觸探測試曲線圖

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)組件簡述

為了加大力度節(jié)約人力，將觸探設(shè)備架設(shè)在汽車上，通過動(dòng)力源（柴油機(jī)）經(jīng)滑輪組帶動(dòng)落錘上下往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，并設(shè)置自動(dòng)脫鉤裝置，使得落錘下落時(shí)可以自由落體運(yùn)動(dòng)，以符合計(jì)算式的參數(shù)定義，結(jié)合測距系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，可以及時(shí)采取數(shù)據(jù)，并與貫入擊數(shù)形成對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，將獲取的數(shù)據(jù)組存儲入計(jì)算機(jī)，并用專門的內(nèi)置程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，其工作原理簡圖見圖7。

圖7 工作原理簡圖

4 動(dòng)力觸探測試自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

通過該系統(tǒng)的開發(fā)和研究，若使用該系統(tǒng)進(jìn)行觸探測試，可以大大節(jié)約人力資源，同時(shí)提高工作效率和數(shù)據(jù)處理精度，其具有的優(yōu)點(diǎn)簡述如下。

4.1 技術(shù)方面

①實(shí)驗(yàn)過程更規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

②消除人為計(jì)數(shù)帶來的誤差和錯(cuò)誤。

③反算更好反應(yīng)貫入量與擊數(shù)的關(guān)系。

④消除人為數(shù)據(jù)錄入帶來的遺漏和錯(cuò)誤。

4.2 經(jīng)濟(jì)方面

①減少現(xiàn)場測試人員數(shù)量，節(jié)約人力成本。

②提高測試的連續(xù)性，節(jié)約測試無效時(shí)間。

③USB 數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)錄入時(shí)間。