王靜

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200125）

基于光電技術(shù)的滲透試驗(yàn)自動(dòng)采集系統(tǒng)

王靜

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200125）

目前，常規(guī)的滲透試驗(yàn)都是通過人工肉眼觀察變水頭管內(nèi)液位高度，這容易導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)效誤差和讀數(shù)誤差?；诠怆娂夹g(shù)的滲透試驗(yàn)自動(dòng)采集系統(tǒng)與傳統(tǒng)的滲透試驗(yàn)原理和步驟完全相同，通過改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備首次實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、保存及計(jì)算，很大程度提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在實(shí)際工程實(shí)踐中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

光電技術(shù)；滲透試驗(yàn)；自動(dòng)采集

0 引言

滲透試驗(yàn)的主要目的是測(cè)定土體的滲透系數(shù)，提高此參數(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)于分析計(jì)算地基固結(jié)沉降時(shí)間，估計(jì)天然地基、土壩、高填土等滲流量和滲流穩(wěn)定性，以及給排水設(shè)計(jì)，施工選料、人工降水及地基加固設(shè)計(jì)等具有重要意義。

目前室內(nèi)滲透試驗(yàn)方法很多，按原理分兩大類：常水頭法和變水頭法。常水頭法適用于滲透性較大的粗粒土，變水頭法適用于透水性較小的細(xì)粒土。相對(duì)于常水頭法，變水頭法試驗(yàn)過程中水頭變化快，讀數(shù)次數(shù)多，影響數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的因素眾多，有必要對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備加以改進(jìn)，以獲取更加準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)。

由于常規(guī)的滲透試驗(yàn)都是通過人工肉眼觀察變水頭管內(nèi)液位高度，此觀測(cè)方法易出現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)效誤差和讀數(shù)誤差，無法嚴(yán)格保證試驗(yàn)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。為此，所研發(fā)的基于光電技術(shù)測(cè)定土體滲透液位的試驗(yàn)方法，采用光電測(cè)量技術(shù)，同時(shí)開發(fā)了與之相適應(yīng)的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、無人為誤差的滲透試驗(yàn)過程，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)試驗(yàn)讀數(shù)方法的不足，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外該試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)量方法的空白。

1 光電式變水頭滲透試驗(yàn)

光電式變水頭滲透試驗(yàn)與傳統(tǒng)的滲透試驗(yàn)原理和步驟完全相同，區(qū)別在于前者通過改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、保存及計(jì)算，提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.1 光電式變水頭滲透試驗(yàn)系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)主要包括光源組件、傳感器模塊、信號(hào)處理機(jī)、信號(hào)中繼器及相應(yīng)的主控軟件，如圖 1。

圖1 光電式變水頭滲透試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1）光源組件：該組件包括調(diào)制信號(hào)發(fā)生器 31和點(diǎn)光源 32，調(diào)制信號(hào)發(fā)生器與點(diǎn)光源相連。

2）傳感器模塊：包括光探測(cè)器 41，前置放大器42，檢波器 43 和數(shù)字信號(hào)處理器 44，光探測(cè)器通過前置放大器與檢波器相連，檢波器和數(shù)字信號(hào)處理器相連；光探測(cè)器與點(diǎn)光源配合，相互面對(duì)的置于變水頭管的橫向兩側(cè)。

3）信號(hào)處理機(jī)：包括數(shù)據(jù)輸入端和數(shù)據(jù)輸出端，數(shù)據(jù)輸入端與數(shù)字信號(hào)處理器相連，數(shù)據(jù)輸出端與信號(hào)中繼器相連。

4）信號(hào)中繼器：包括數(shù)據(jù)輸入端和數(shù)據(jù)輸出端，數(shù)據(jù)輸入端與信號(hào)處理機(jī)相連，數(shù)據(jù)輸出端與計(jì)算機(jī)相連。

5）主控軟件：此操作軟件和傳感器部分為無縫連接通訊，操作人員可以根據(jù)不同的要求選擇傳感器端的工作狀態(tài)，傳感器端的狀態(tài)或數(shù)據(jù)變化，軟件界面上都會(huì)提示或顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果保存及打印。

1.2 光電式變水頭滲透試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)選用 220V/50HZ 的交流電源，中繼器會(huì)其轉(zhuǎn)換為所需的直流電源，再通過導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)分別供給光源部分和傳感器模塊部分，光源組件接通供給電源后會(huì)啟動(dòng)內(nèi)部的調(diào)制和驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生光源發(fā)光所需的信號(hào)，發(fā)光的點(diǎn)光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)理后會(huì)變成一個(gè)直徑比較小的光點(diǎn)，光點(diǎn)經(jīng)過玻璃管后，將光能量聚焦于光電控測(cè)器上。這些數(shù)據(jù)通過內(nèi)部特定的 MODBUS協(xié)議與中繼器相通訊，中繼器接收到測(cè)量數(shù)據(jù)后，會(huì)執(zhí)行通道數(shù)據(jù)的排序和中繼，最后通過 RS232 接口實(shí)現(xiàn)與PC 機(jī)的通訊，PC 機(jī)的測(cè)量軟件接收到 RS232 口的通訊數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)相應(yīng)的格式和算法顯示、保存和打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而完成全自動(dòng)化高效率的試驗(yàn)任務(wù)。

1.3 光電式變水頭滲透試驗(yàn)方法

1）根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，按照常規(guī)的試驗(yàn)方法，將土樣裝入土樣盒中，并將水注入變水頭管至有關(guān)要求高度；

2）通過主控軟件界面的啟動(dòng)按鈕，并通過選擇數(shù)據(jù)采集通道進(jìn)行采集。

3）光電式滲透試驗(yàn)裝置自動(dòng)讀取試驗(yàn)過程中變水頭管內(nèi)水柱水頭高度及對(duì)應(yīng)的時(shí)間，主控軟件根據(jù) GB／T50123—1999 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》變水 頭 試 驗(yàn) 計(jì) 算 公 式 k=A’l ln（h1/h2）/A（t2-t1）自 動(dòng)計(jì)算出該試驗(yàn)土樣的滲透系數(shù)。

1.4 主控軟件的操作

1）軟件的主界面包括工程編號(hào)、工程名稱、土試負(fù)責(zé)人、審核人等內(nèi)容，在該界面下可以創(chuàng)建新工程及查詢工程編號(hào)。在工程目錄窗口中包括所選工程的勘探孔孔號(hào)列表，并具有“創(chuàng)建孔號(hào)”、“打 印 工 程”、“ 刪除 工 程 ”、“ 打 印預(yù) 覽”等功 能。

2）進(jìn)入選定的工程，出現(xiàn)孔列表界面，在該界面下可顯示已建的勘探孔土樣列表，也可創(chuàng)建新的土樣編號(hào)并輸入滲透試驗(yàn)所需的有關(guān)參數(shù)。

3）選定所需試驗(yàn)的土樣編號(hào)，進(jìn)入土樣列表界面，通過啟動(dòng)按鈕開始滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束，土樣列表界面則顯示已完成試驗(yàn)的成果信息。

4）試驗(yàn)完成后，系統(tǒng)將自動(dòng)生成“變水頭滲透試驗(yàn)記錄表”。

2 光電式滲透試驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）整個(gè)試驗(yàn)過程均為電腦自動(dòng)控制，大大節(jié)約了人力資源成本。

2）通過傳感器裝置采集水頭高度及時(shí)間，減小了試驗(yàn)誤差，提高了試驗(yàn)精度。

3）人性化界面設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)和窗口互動(dòng)的方式顯示，可操作性強(qiáng)，使用方便。

4）系統(tǒng)自行對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算滲透系數(shù)，減少了人工操作的失誤，提高了效率。

5）系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫(kù)形式進(jìn)行存儲(chǔ)，所占的計(jì)算機(jī)資源很小。

6）系統(tǒng)參數(shù)實(shí)行可更改制，可供后續(xù)規(guī)范變更時(shí)人為進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)更改，實(shí)用性較強(qiáng)。

7）成果以表格的形式直接輸出，減少了試驗(yàn)人員的工作量。

3 結(jié)語

光電式滲透試驗(yàn)系統(tǒng)采用了傳感器組件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，克服了人工觀測(cè)讀數(shù)的不精確性和無法實(shí)時(shí)觀測(cè)的缺陷，減小了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差；全自動(dòng)的試驗(yàn)過程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理功能，在很大程度上提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在實(shí)際工程實(shí)踐具有較強(qiáng)的實(shí)用性。該系統(tǒng)可大大減少試驗(yàn)人員的工作量，節(jié)約人力資源成本。

現(xiàn)階段，土工試驗(yàn)成本高、利潤(rùn)低，試驗(yàn)設(shè)備落后，自動(dòng)化程度低是該領(lǐng)域研究的瓶頸，亟待進(jìn)一步深化研究土工試驗(yàn)的自動(dòng)化控制方法，以適應(yīng)建筑市場(chǎng)向“廣、大、深”發(fā)展的新趨勢(shì)。

［1］袁聚云.土工試驗(yàn)與原理［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.

［2］GB／T50123—1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

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2013-11-18