談TWJ-1型土工試驗全自動數據采集和處理系統

張麗敏 宋婷婷 張明堂

(河南省豫北水利勘測設計院，河南安陽 455000)

0 引言

工程地質勘探是通過各種手段和方法對地質進行勘查、探測，確定合適的持力層，根據持力層的地基承載力，確定基礎類型，計算基礎參數的調查研究活動。土工試驗為地質勘探提供了科學的依據。土工試驗工程項目繁重且試驗周期也很長，在做每一項試驗過程中都必須要進行土樣安裝、土樣讀數、土樣加荷、土樣卸荷和計算等人工操作，試驗過后還要進行整理數據、數據計算和曲線繪制、校對數據等大量繁瑣、復雜、重復的機械勞動。既效率低下又勞累，遠遠不能適應當今如此繁重的勘察任務。河南省豫北水利勘測設計院土工試驗室于2011年引進了TWJ-1型土工試驗全自動數據采集處理技術應用于土工試驗中，全面提高了土工試驗成果質量和測試工作效率，降低勞動強度，有效的強化了管理。

1 TW J-1型土工試驗全自動數據采集和處理系統的結構組成

1)TWJ-1型土工試驗全自動數據采集裝置由傳感器、采樣盒、氣壓控制器、固結儀、位移傳感器、多路信號轉接器、計算機組成，可同時或單獨的與三軸儀、直剪儀、固結儀、電子天平等儀器連接進行采集和控制。一個采樣盒可連接8個傳感器，分別連接相同或不同的儀器。TWJ-1型土工試驗全自動數據處理系統包括系統測量參數的標定和輸入、數據采集、數據處理、試驗成果形式編排和輸出等，其采用聲音提示、圖像跟蹤、提供隨時進入人工干預的操作界面，可使試驗數據即時出、快速準確，還對土的每個基本物理力學指標的測定都提供了模擬實驗過程。

2)土工試驗自動化網絡系統由物理模塊、固結模塊、直剪模塊、三軸模塊和成果總表等模塊組成。其中物理、固結、直剪、三軸各采集模塊主要硬件由試驗儀器、數據采集系統、伺服控制系統、計算機局域網系統等四部分組成。

2 土工試驗數據采集及處理系統的應用與方法

系統軟件所包含的文件可分為系統文件、用戶文件和試驗數據文件三類。其中用戶文件用于存儲用戶根據各自實際情況對系統有關配置數據。如:所使用的鋁盒、環刀等器皿校正值，固結儀儀器變形參數，傳感器的通道配置及傳感器參數等。試驗數據文件用于存儲試驗采集、處理各過程中的試驗數據。如:物理試驗數據，固結試驗的采集數據、處理后的數據，顆分試驗數據，試驗成果總表數據等等。對于物理性質指標比如:比重、密度、顆分、含水量、液塑限、滲透、膨脹率、擊實等只需在物理欄中輸入相應數據就可以進行相關的計算和校核，各項試驗的計算程序均留有人工輸入數據的窗口，即使有些項目不具備數據采集的條件，也可經過數據處理享有軟件的各種功能。而對于力學性指標試驗的有固結(黃土壓縮)試驗、三軸壓縮試驗、直剪試驗則需要進行數據采集后再做相應的數據處理。本次土工試驗數據采集及處理系統的應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是壓縮試驗，程序步驟如下。

2.1 物理性試驗

制樣、天然與界限含水率、密度、比重“試驗編號”和“土號”由字母和數字單獨或組合構成。

首先在物理試驗數據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;選擇進入“簡單界面”輸入土樣鉆孔編號、起始土樣編號、土樣個數、起始取土深度、取樣間隔、取樣長度，點擊“自動批量生成”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、提高效率。

如果電子天平數據傳送正常，則“稱重”窗口與電子天平數碼的顯示一致且同步。秤土時待天平穩定后按＜Insert＞鍵完成采樣。程序根據容器編號檢索其參數，由器皿參數判斷，并顯示出經計算的(密度或質量)結果。如果天平未連接到計算機上，可以實施人工輸入的方法，鍵入天平讀數。稱土時不想去鋁盒的重量(鋁盒分為A，B，C)，只要在“天平稱重”一欄中輸入環刀、鋁盒的容器編號、面積、高度、重量，系統就會換算出試樣密度、凈重，直接輸入數據即可。當鍵入“含水量密度”“液塑限比重”的數據后，就會自動計算出相應的物理性質指標如:含水率、孔隙比、干密度、飽和度、液性指數、塑性指數等，本次數據會自動保存在物理數據處理表中，在進行成果總表處理的時候，該物理數據就會自動生成再進行處理。

2.2 數據采集步驟

1)制樣、安裝。按土工試驗規范要求制備土樣，把土樣安裝好后在采集(S)菜單中選擇固結試驗:正確輸入試驗編號、土樣編號、土樣面積、荷重系列、試驗方法、穩定標準。該工程的試驗編號為2012001，土樣編號為ZK1-1，點擊快速輸入鍵(即可對下一個土樣編號自動加1，其他參數不變)，并修改土樣編號，如試樣不滿16組可點擊“不使用”數據就不會生成、保存。

2)選擇土樣面積的大小。界面上有環刀30 cm2和環刀50 cm2的交換，本次試驗所用的面積為30 cm2的環刀。此參數與壓力控制有關，必須根據實際使用的環刀進行選擇。

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

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

5)穩定標準。穩定標準分為 0.010 mm，0.005 mm，24 h三種，本次穩定標準為0.005 mm。

2.3 操作指令

設定完畢后，再對每臺固結儀對應的土樣編號等進行校對后點擊自重平衡鍵，計算機發出自重平衡指令，氣壓控制器對土樣進行自重校正，觀察每個傳感器是否在有效行程內，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。系統會自動按照時間方法所規定的時間和荷重序列逐級加載，并按照固結試驗的要求記錄試驗數據，顯示時間平方根曲線、時間對數曲線。除物理試驗，在試驗各個階段都會有語音提示、圖像跟蹤和隨時進入人工干預的操作界面等優點。

2.4 數據保存

試驗結束后打開文件，選擇工程管理菜單，點擊工程編號進入到固結試驗，選擇讀入固結試驗新增采集數據菜單，選擇相應的工程編號如2012001的固結數據進行新增保存。數據庫里會自動生成工程編號為2012001的試驗數據。這樣也免除了傳統杠桿式固結儀人工讀數后再輸入電腦過程中的繁瑣與失誤。

2.5 試驗成果的處理

在固結試驗結束并保存數據后，把固結試驗數據進行調入、匯總，打開成果總表，選擇總表的格式或新建總表格式，對所有的物理力學性指標如:比重、壓縮系數、壓縮模量、孔隙比、干密度、飽和度、顆分、含水量、液性指數、塑性指數、滲透、擊實等進行匯總，排版并校核數據之間是否一致，如有問題及時修正。對成果總表和e—p關系曲線進行打印、上傳。

2.6 試驗中需要注意的事項

在每次做固結試驗的過程中，要不定期的對固結試驗中的曲線進行檢查，看是否有異常現象發生，如有異常現象發生要及時檢查線路或看百分表是否有接觸不好等現象。如果有一組試驗在采集固結界面上出現空閑時，要及時進行保存并及時卸荷，以便提高儀器的使用年限。

TWJ-1型土工試驗全自動數據采集系統還可同時或單獨與三軸儀、直剪儀進行采集和控制，且使用原理和固結儀類似，就不再說明。

3 使用該系統過程中發現的問題

雖然該系統有很多優點，但也有不足的地方。

1)軟件在加壓時遇到的問題。在計算機發出下一級加荷指令時，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、脫虛焊等出現不良接觸現象以后，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一次指令，要多發幾次指令直到儀器接收到指令為止，這也是個別現象。

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

3)停電后的建議。如果在長時間的停電狀態下，該系統就不能工作，所以應與傳統的杠桿式的固結儀并用，以免耽誤工程工期。

4 該系統在土工試驗領域的前景

土工試驗全自動數據采集和處理系統連接的氣壓全自動固結儀采用不銹鋼材料，框架結構，體積小，重量輕，快速接頭連接，拆裝方便，維護簡單，便于野外現場使用。過去各大試驗室都用傳統式的杠桿儀器時，所有的數據采集過程都是通過人工操作，持續時間長，工作量大，自我院土工試驗室使用了全自動數據采集和處理系統后，各種試驗數據采集的大量工作完全都由計算機來完成，實現了土工試驗的自動化，使土工試驗大大降低了勞動強度，縮短了計算和繪圖時間，減少了人為因素的影響，提高了試驗的速度和準確性，從而大大提高了工作效率。

5 結語

土工試驗全自動數據采集和處理系統的應用，不但提高了工作效率而且還保證了試驗數據的精確度。它以最新科技，集機械、自動控制技術、電子技術、傳感器自動檢測技術及計算機技術于一體，進行各種固結試驗，自動完成加卸荷及數據采集功能，同時試驗過程中有語音提示，輔助人工操作;圖解成果，人工干預非常靈活方便等特點，將在土工試驗領域中有更加廣泛的應用與前景。

［1］GB/T 50123-1999，土工試驗方法標準［S］.

［2］高麗萍.土工試驗全自動數據采集與處理系統的應用及影響［J］.內蒙古科技與經濟，2011(6):74-75.