動力觸探測試自動化系統開發與研究

彭政奎

核工業西南勘察設計研究院有限公司，中國·四川 成都 610059

1 引言

人類在從事工程建設中，常需通過綜合勘探手段查明地基土的工程力學情況，為設計提供基礎地質依據和計算參數，對于碎石土地層，往往還需要采用動力觸探測試的方法，通過貫入擊數進行密實度的劃分和地基承載力估算。傳統的動力觸探設備主要以人工操作機械、人工計數、人工處理數據來完成測試數據的采集與統計，全程靠人工耗時費力，且極易發生錯誤，導致結果出現大的偏差，影響工程力學性質的準確判定。隨著社會的發展，越來越多的新科技、新技術運用到工程活動中，為了順應時代的潮流，也為了進一步提升工程質量及效益，老舊的設備、技術正在不斷被丟棄被取代，一批批改良機械、先進技術的推陳出新推動了整個工程界的發展，也推動著社會的發展。論文結合傳統的設備和工藝技術，提出了改良思路，并開發了測距系統、計數系統、聯動系統及數據處理系統，以提高動力觸探測試工作的效率和數據處理精度。

2 各系統工作原理

通過研究發現傳統設備存在很大弊端，將傳統設備和工藝進行改良，并根據其工作原理，劃分為四個工作系統，即測距系統、計數系統、聯動系統及數據處理系統，從而代替了人工操作吊錘、人工記錄擊數、人工錄入數據等人力勞動工作，下面對四個系統的工作原理逐一介紹。

2.1 測距系統

當動力觸探設備安裝就緒后，將電插頭插入打箍側壁的插孔中，接通電源，即可進行觸探工作。此時，落錘每擊一次打箍（即錘座），電源接通，測距儀便自動開始測距，并將測量結果錄入計算存儲，落錘升起，電源切斷，測距儀停止工作(見圖1)。

圖1 測距系統工作原理示意圖

2.2 計數系統

當測距系統完成一次測距工作，電路也就完成一次開閉，由此形成一次脈沖信號，通過計算機對脈沖的個數進行計數，每記一次就作為一擊，并將計數結果傳輸給計算機進行記錄和存儲。這里引用汽車里程計數原理，在觸探設備牽引吊錘的曲軸上安裝蝸輪蝸桿轉動計數器，從而實現吊錘擊數計數。

2.3 聯動系統

為了使整個系統能夠實現聯動，保持數據記錄的對應關系，在本套設備中專門增設一個聯動系統。其工作原理是設備啟動后，通過傳送帶將動力源的動力輸出至曲柄滑塊機構，再由曲柄滑塊機構通過鋼絞線與落錘直接連接，將動力源的回轉運動轉變為滑塊的往復式線性運動，再轉變為落錘的上下往復式線性運動，此時柴油機完成一個周期的沖程后，動力觸探落錘剛好也完成一次“落—砸—升—停”的往復式沖程運動，同時計數器完成一次計數，將兩個系統的脈沖信號存儲在計算機內，并形成相對應的函數關系(見圖2)。

圖2 聯動系統工作原理示意圖

2.4 數據處理系統

通過計算機獲得的數據，可以反算每貫入10cm 位移時，發生的總錘擊數，并可以做出相應的累積曲線，同時可以通過總位移和值所落的區間，判斷該段試驗所用的桿長，為后期工程服務時提供桿長校正依據。通過獲取的基礎數據，可以根據規范要求和對應的計算公式，編制內部程序進行數據分析，從而獲取想要的統計結果，下面以具體的一組數據進行分析說明。

①通過計數系統獲得的原始數據為貫入總量（S）—貫入擊數（N）的對應函數關系，以貫入總量（S）作為橫坐標，貫入擊數（N）作為縱坐標，做出如下散點圖(見圖3)。

圖3 擊數（N）-貫入總量（S）關系散點圖

②通過對數據進行反算，可以獲得單擊貫入量（D），并以單擊貫入量（D）作為橫坐標，貫入擊數（N）作為縱坐標，做出如下散點圖(見圖4)。

圖4 擊數（N）-單擊貫入量（D）

③通過對上述兩組數據進行分析和反算，可以獲得每貫入規定的位移值時（以10cm 為例），發生的動探擊數，可以采用內插法，最后獲得規定貫入量對應的擊數，這時便獲得了GB50021—2001/2009 《巖土工程勘察規范》規定的數據樣式，并以貫入擊數（N）作為橫坐標，單擊貫入量（D）作為縱坐標，做出如下散點圖(見圖5)。

圖5 單擊貫入量（D）-擊數（N）

④通過上述反算獲得的成果數據，按照規范進行測試數據繪制，繪制動力觸探測試曲線圖(見圖6)。

圖6 動力觸探測試曲線圖

3 設備結構組件簡述

為了加大力度節約人力，將觸探設備架設在汽車上，通過動力源（柴油機）經滑輪組帶動落錘上下往復式運動，并設置自動脫鉤裝置，使得落錘下落時可以自由落體運動，以符合計算式的參數定義，結合測距系統的聯動，可以及時采取數據，并與貫入擊數形成對應函數關系，將獲取的數據組存儲入計算機，并用專門的內置程序進行數據分析和處理，其工作原理簡圖見圖7。

圖7 工作原理簡圖

4 動力觸探測試自動化系統的優點

通過該系統的開發和研究，若使用該系統進行觸探測試，可以大大節約人力資源，同時提高工作效率和數據處理精度，其具有的優點簡述如下。

4.1 技術方面

①實驗過程更規范化、標準化。

②消除人為計數帶來的誤差和錯誤。

③反算更好反應貫入量與擊數的關系。

④消除人為數據錄入帶來的遺漏和錯誤。

4.2 經濟方面

①減少現場測試人員數量，節約人力成本。

②提高測試的連續性，節約測試無效時間。

③USB 數據傳輸，節省內業數據錄入時間。