承載比貫入試驗數據自動采集方法研究

陳小萍， 鄔 江， 張 浩

(江蘇省水文地質工程地質勘察院，江蘇淮安223005)

承載比貫入試驗數據自動采集方法研究

陳小萍， 鄔 江， 張 浩

(江蘇省水文地質工程地質勘察院，江蘇淮安223005)

在港珠澳大橋主體工程勘察試驗過程中，利用土工試驗自動化數據采集系統直剪試驗模塊的功能，通過簡單的設置，即可應用于承載比貫入試驗數據的自動采集，提高了工作效率和試驗數據的精度，減少了人為因素對試驗結果的影響。利用Excel軟件編制一個貫入試驗記錄的樣本表格文件，通過簡單編程，將自動采集數據導入表格文件，完成自動繪圖和結果計算。

承載比；位移傳感器；數據采集；電子表格；主體工程勘察；港珠澳大橋

0 引 言

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區、廣東省珠海市、澳門特別行政區的超級跨海通道，西接京港澳高速公路，東接香港大嶼山高速公路，是具有國家戰略意義的世界級跨海通道，在路基方面需要做改良土的承載比(CBR)試驗。

承載比試驗由美國加州公路局首先提出，CBR值指試料貫入量達到2.5 mm時，單位壓力與標準碎石壓入相同貫入量時標準荷載強度的比值(魏善文等,2001；范巍,2004；王亞利，2009；劉靜，2010)，是評定路基土和路面材料強度的重要指標。

目前，試料貫入試驗數據普遍采用人工讀數的方法，在記錄過程中容易出錯。本次研究基于現用軟件，編制承載比貫入試驗數據自動采集程序，可減少人為讀數的誤差，大幅度提高工作效率。

1 承載比貫入試驗數據采集系統構建

1.1 數據采集儀器

土工實驗室現大多已裝配了直剪試驗和固結試驗(中華人民共和國交通部，2007)的自動化數據采集系統，國內主流的土工試驗自動化方案有南京智龍科技有限公司(以下簡稱智龍)和華勘KTG 2種，但承載比貫入試驗仍大多依靠人工觀測，需要同時觀測多個數據，效率低下，數據質量不高。

1.2 數據采集方案

直剪試驗數據采集是智龍土工試驗自動化數據采集系統的基本功能之一，該系統采用4個位移傳感器同步記錄四聯直剪儀各個測力環變形數據。受此啟發，可將此方案移植到承載比貫入試驗，通過簡單設置(圖1)，將四聯剪切系統的測力環系數設置為100，軟件窗口的強度示值相應地變成量表的位移示值(單位0.01 mm)，第一聯、第二聯連接貫入深度傳感器，第三聯連接測力計傳感器。因承載比貫入試驗中僅需要3個位移傳感器，操作中應將第四聯選擇為“放棄”。

圖1 數據自動采集裝置Fig.1 Automatic data acquisition device

圖2 貫入數據文本格式示意圖Fig.2 Text format of penetration data

1.3 試驗步驟

安裝樣品和測量裝置，對樣品預加45 N力(國家質量技術監督局等，1999；中華人民共和國水利部，1999；中華人民共和國交通部，2007；中華人民共和國鐵道部，2010)，連接電腦主機，啟動智龍直剪試驗程序，設置剪切位移量和升降速率。開始貫入試驗，程序窗口同步顯示試驗數據和曲線，貫入量至設置位移量時試驗結束，自動保存數據記錄。智龍數據采集系統提供了1個文本格式直剪試驗接口數據(圖2)，應將貫入數據導出為標準文本格式的數據文件以便調用，此文件名為ZJ.txt。

2 貫入試驗記錄表格的設計編制

采用Excel軟件編制一個記錄貫入試驗數據的表格樣式，利用數據庫編程語言編制一段小程序，將貫入數據導入到表格中，自動生成貫入量與荷載強度關系曲線，得到不同貫入量的承載比數值。編制表格(Excel Home，2011)如圖3。

在表格中為指定位置的表欄編制相應的計算公式，設置曲線格式并指定數據源。將此表格樣本文件妥善保存，寫入貫入數據時對副本進行操作。

3 數據導入程序編制

編制一個簡單程序，提取保存為標準文本格式文件的承載比貫入試驗(林宗元,2005)數據，寫入上述Excel表格副本中。以VFP6編程(張洪舉,2003)為例，代碼如下：

……

xlsample=′d: tg承載比貫入試驗樣板.xls′

xlsname=′d: tg emp.xls′

if !file(xlsample)

=messagebox(″表頭格式文件已丟失或損壞,請重新定制！″,0+16+0,″系統提示信息″)

return

else

copy file ″&xlsample″ to ″&xlsname″ &&復制一個表格樣式副本

endif

filename=thisform.label3.caption

str1=′文件結束′

if ′.ZJ.TXT′ $ filename

n=0

ofile=fopen((filename))

fend=fseek(ofile,0,2)

ftop=fseek(ofile,0)

do while !empty(str1)

str1=fgets(ofile,fend)

if len(str1)<12

exit

endif

str2=fgets(ofile,fend)

str3=fgets(ofile,fend)

str4=fgets(ofile,fend)

str5=fgets(ofile,fend)

str6=fgets(ofile,fend)

str7=fgets(ofile,fend)

str8=fgets(ofile,fend)

str9=fgets(ofile,fend)

if len(str2)>25 &&判斷數據有效性

室編號 20217-2a原編號1樣品描述外摻6%石灰貫入桿面積(cm2)19．625貫入速度(mm/min)1試件壓實度(%)95量力環系數C(N/0．01mm)114．66最優含水率(%)17．3最大干密度(g/cm3)1．650貫入量L(0．01mm)測力計讀數貫入量L(0．01mm)測力計讀數R(0．01mm)00280495129549613104961325497133950923545017336850265383503673975046841250551042751651244151751445751841747251941948651105225015211425516521242753052134305455214433559521553557452166375905217640604531874261853199446345321146648532244766454237485795425049693542664970755承載比貫入深度修正值(0．01mm)貫入量為2．5mm時荷載強度P2．5=CR2．5/A2837 (kPa)貫入量為5．0mm時荷載強度P5．0=CR5．0/A3010 (kPa)貫入量為2．5mm時承載比CBR2．5=P2．5/7000×10040．53 (%)貫入量為5．0mm時承載比CBR5．0=P5．0/10500×10028．66 (%)說明：

圖3 數據源表格示意圖

Fig.2 Sketch showing the form of data source

str10=fgets(ofile,fend)

str11=fgets(ofile,fend)

else

str10=′

str11=″

endif

str0=fgets(ofile,fend)

sampbh1=stuff(str1,0,at_c(′,′,str1),″)

jqtype1=stuff(sampbh1,0,at_c(′,′,sampbh1),″)

sampbh=stuff(sampbh1,at_c(′,′,sampbh1),len(sampbh1),″) &&取得樣品編號

dimension L1(60,1),L2(60,1),L(60,1),R(60,1)

for A=1 to 60

L1(A)=0

L2(A)=0

L(A)=0

R(A)=0

endfor

for A=1 to 60

L1(A)=val(alltrim(substr(str5,4+7*(A-1),6)))

L2(A)=val(alltrim(substr(str7,4+7*(A-1),6)))

L(A)=(L1(A)+L2(A))/2 &&用兩個傳感器的平均值作為貫入深度

R(A)=val(alltrim(substr(str9,4+7*(A-1),6)))

endfor

cbr_xls=′d: tgdata承載比貫入記錄′+alltrim(sampbh)+′.xls′

oExl=createobject("excel.application")

oExl.visible=.f.

oExl.workbooks.open("&xlsname")

oExl.activesheet.cells(5,2).value=sampbh

for A=1 to 60 &&將貫入數據寫入表格

oExl.activesheet.cells(4+A,1).value=L(A)

oExl.activesheet.cells(4+A,2).value=R(A)

endfor

*程序中用相鄰兩點內插算法求得貫入深度為2.5 mm和5.0 mm的測力計量表讀數

For A=1 to 60

if L(A)>=250 and L(A-1)<250

R250=R(A-1)+(R(A)-R(A-1))*(L(A-1)-250)/(L(A-1)-L(A))

oExl.activesheet.cells(2,19).value=R250

endif

if L(A)>=500 and L(A-1)<500

R500=R(A-1)+(R(A)-R(A-1))*(L(A-1)-500)/(L(A-1)-L(A))

oExl.activesheet.cells(5,19).value=R500

endif

endfor

oExl.activeworkbook.saveas(cbr_xls)

oExl.activeworkbook.close

enddo

=messageBox("數據傳輸完畢！",0+64+0,"系統提示信息")

=fclose(ofile)

endif

也可以不采用任何編程技術，而直接通過Excel獲取外部數據的功能，將上述標準格式文本文件(文件名為ZJ.txt)導入電子表格，再經簡單編輯后粘貼到樣本表格中的指定位置。

4 貫入試驗資料整理

以上程序封裝在已開發的巖土試驗軟件中。通過調用相應菜單，在彈出框中指定標準格式文本文件路徑，點擊程序運行按鈕，將文本文件中的貫入數據提取出來，寫入編制的表格樣本的副本，表格自動獲得成果數據和曲線(圖4)，當根據曲線形態判斷需要修正貫入零點時，只需在相應表欄中輸入1個修正量即可，非常簡便。

圖4 剪切應力位移圖Fig.4 Diagram showing shear stress and shear displacement

具體試驗操作中還有一些細節需要妥善控制，例如剪切位移量和貫入速率的設置，要確保試驗采樣結束時的有效貫入量達到試驗規范的要求，建議采用量程>10 mm的位移傳感器(各試驗規范均要求貫入深度達10.0～12.5 mm方可結束試驗，考慮到一般僅需提供貫入量為2.5 mm或5.0 mm的承載比，當不具備條件時可采用10 mm量程的傳感器，此時的實際貫入量稍小于規范的要求)。采集系統中剪切位移量可設置為7～8 mm，剪切速率可設置為小于實際貫入速率的數值，如0.6～0.8 mm/min，確保試驗過程中達到預期貫入深度時系統仍能記錄數據。因貫入深度取用2個量表的平均值，試樣的安裝調試非常重要，應確保各傳感器同步記錄采樣。

5 結 論

(1) 采用一個“移花接木”的低成本CBR數據采集方案，利用現有的智龍直剪試驗數據采集裝置，不需要額外投入，通過簡單的設置即可用于自動記錄承載比貫入數據。

(2) 編制一個Excel表格，并通過程序完成數據的提取和寫入。

(3) 用此方案可節省試驗的人力(觀測、繪圖及計算均由計算機完成)，提高數據的質量，減少人為誤差，采集的數據密度由人工讀數的十幾個增加到60個(智龍直剪采集的上限)。

Excel Home，2011. Excel實戰技巧精粹:圖標與圖形[M]. 北京:人民郵電出版社：439-586.

范巍，2004. 公路路基施工承載比(CBR)試驗方法[J]. 河南科技(9):42-43.

國家質量技術監督局，中華人民共和國建設部，1999. 土工試驗方法標準：GB/T 50123—1999[S]. 北京：中國計劃出版社.

林宗元，2005. 巖土工程試驗監測手冊[M]. 北京:中國建筑工業出版社：84.

劉靜，2010. 淺談加州承載比(CBR)的試驗方法[J]. 科學之友(9): 47-48.

魏善文，敬愛玲，陶世英，2001. CBR試驗常見問題探討[J]. 遼寧交通科技,24(4):31-41.

王亞利，2009. 淺談CBR試驗中的常見問題[J]. 福建建材(4):92-93.

中華人民共和國水利部，1999. 土工試驗規程：SL 237—1999[S]. 北京:中國水利水電出版社.

張洪舉，2003. 專家門診：Visual FoxPro開發答疑問160問[M]. 北京:人民郵電出版社:192.

中華人民共和國交通部，2007. 公路土工試驗規程：JTG E40—2007[S]. 北京：人民交通出版社.

中華人民共和國鐵道部，2010. 鐵路工程土工試驗規程：TB 10102—2010[S]. 北京：中國鐵道出版社.

Automatic acquisition method of penetration test data of bearing ratio

CHEN Xiaoping, WU Jiang, ZHANG Hao

(Hydrogeologic and Geo-Enginering Geological Survey Institute of Jiangsu Province, Huaian 223005, Jiangsu, China)

During the experimental investigation of the main work of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, enlightened by the automatic data acquisition of direct shear test data, we used the function of direct shear test model in the automatic data acquisition system of soil test, and applied it to the data acquisition of penetration data of bearing ratio with simple set up. This improves the work efficiency and the accuracy of experimental data, and also reduces the influence of personal factors on the test results. In addition, we utilized the Excel software to compile a sample table file recording penetration test data, and imported the automatically collected data to this file by simple programming to complete automatic drawing and result calculation.

bearing ratio； displacement sensor; data collection; electronic form; main work investigation; Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.678

2015-11-05；

2015-12-23；編輯：蔣艷

國家發改委項目“港珠澳大橋主體工程”(41130213)

陳小萍(1982— )，女，工程師，土木工程專業，長期從事巖土測試相關工作,E-mail: heglabdjj@126.com

TP317

A

1674-3636(2016)04-0678-05