徐 蒙，彭振斌，陳 珣，2，高清松，徐力生

(1.中南大學地學與環(huán)境工程學院，湖南長沙410083;2.長沙航空職業(yè)技術學院，湖南 長沙410124)

0 引言

灌漿技術是一種實用性強、應用范圍廣的工程技術，它已被廣泛應用于礦山、地下建筑、大壩、隧道、地鐵、橋梁、土木工程等各個領域，主要用于減小巖土的滲透性、增強其強度［1，2］。目前，國內的灌漿與壓水過程自動檢測基本上都屬于三參數檢測系統(tǒng)，即只能動態(tài)檢測灌漿流量、壓力和水灰比。本文研制的LJ—IV型四參數灌漿與壓水檢測系統(tǒng)實現了灌漿壓力、流量和水灰比、地層抬動4個參數的動態(tài)精確檢測。

1 系統(tǒng)總體方案和軟硬件設計

1.1 系統(tǒng)總體方案

該檢測系統(tǒng)利用進/返漿電磁流量計檢測流量參數、壓力傳感器檢測壓力參數、差壓式密度傳感器取代核子密度計對漿液密度進行動態(tài)檢測，抬動傳感器檢測地層抬動參數，主機將傳感器采集到模擬信號進行分析、處理，根據DL/T 5148—2001水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范和SL31—2003水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程的要求打印數據和曲線，并將實時檢測的數據顯示出來。

1.2 系統(tǒng)硬件總體設計

1.2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由主機、3種傳感器、數據存儲器等組成。傳感器有壓力傳感器、電磁流量計、密度傳感器(由微壓傳感器、導流桶組成)、抬動傳感器。主機主要由80C196KC單片機系統(tǒng)、輸入部分(傳感器與單片機輸入接口電路、鍵盤及鍵盤輸入接口電路)、輸出部分(打印機和打印輸出接口電路、顯示器和顯示接口電路)等組成，如圖1所示。

1)輸入部分:本系統(tǒng)采用8255接口電路組成4×8陣列的矩陣式鍵盤，通過鍵盤對系統(tǒng)進行參數輸入、查詢、設置、修改及功能選擇。傳感器分別將流量、抬動、壓力和水灰比轉換4～20 mA電流信號后，通過光電隔離器，I/V轉換器，低通濾波器等進入到單片機的A/D轉換口進行算法處理。

2)輸出部分:按照設置的顯示條件，系統(tǒng)將處理好的流量、壓力、水灰比和抬動數據進行顯示，顯示器接口采用由BIJ7211AM構成的筆段型LCD顯示控制電路。同時依據灌漿、壓水規(guī)范要求，進行數據報表的打印和曲線的繪制。如，壓力、水灰比、抬動等關鍵參數超限，將聲光報警。數據存儲器為一個單獨51單片機系統(tǒng)，它能將重要的數據存儲下來，通過RC—232接口與上位機串行通信［3］，借助上位機的灌漿資料管理軟件進行資料的整理分析。

圖1 四參數灌漿與壓水檢測系統(tǒng)的主機原理圖Fig 1 Principle diagram of four-parameter detection system for grouting and water-pressing

1.2.2 傳感器與單片機接口設計

由于80C196KC單片機內部集成了10位A/D轉換電路［4，5］，模擬信號可直接通過接口與單片機相連進行A/D轉換。其接口線路由光電隔離器，I/V轉換器，低通濾波器，保護電路和基準電壓等組成，如圖2所示。流量、壓力、密度和抬動傳感器輸出的標準4～20 mA的電流信號首先經過接口電路的光電隔離器進行模擬隔離，防止外部的干擾信號和地線環(huán)路中產生的噪聲電信號通過公共地線進入單片機系統(tǒng)，接著電流信號經I/V轉換器轉換成1～5 V的直流電壓，電壓信號再經低通濾波器C1消除工頻干擾后，輸往單片機的A/D轉換口。其中，可調電阻W1和R1并聯形成I/V轉換電路，通過調節(jié)W1電阻可以使4～20 mA的電流信號轉換成1～5V的直流電壓。二極管D1和D2形成保護電路，VREF為基準電壓5 V，ANGND為接地，當R1上的電壓超過5V，D1導通，D2截止，R1上的電壓就等于基準電壓5 V。當R1上的電壓在1～5 V之間，D1截止，D2截止;當R1上的電壓低于0 V，D1截止，D2導通，R1上的電壓就等于接地電壓0V。所以，二極管D1和D2形成的保護電路可以使R1上的電壓保持在1～5 V之間，保證當信號電流高于20 mA或低于4 mA時，不會燒壞單片機80C19的

圖2 傳感器接口電路圖Fig 2 Circuit diagram of sensor interface

1.2.3 微型打印機與單片機接口設計

本系統(tǒng)選用了EPSON公司生產的LQ—200型24針40列的微打，通過20芯并行接口與單片機相連，其引腳排列參見表1。其中，D0～D7為數據線由單片機送給打印機;STB為數據選通信號，在該信號的上升沿，數據線上的8位并行數據送入打印機機內鎖存器;BUSY為打印機忙狀態(tài)信號，高電平有效，有效時表示打印機不得使用STB信號向打印機輸出新的數據;ACK為打印機的應答信號，此信號低電平有效，有效時表示打印機已取走數據線上的數據。ERR為出錯信號，當送入打印機的命令格式有錯時，打印機立即打印出一行出錯信息，提示操作者注意;GND:接地。

表1 并行接口引腳排列Tab 1 Pin lay out of parallel interface

80C196 KC通過并行接口8255A同打印機相連，進行數據傳送。為保證數據的正確傳送，在接口與打印機之間的接口線中，最重要的是8位并行數據線，2條握手聯絡線STB，ACK和一條忙線BUSY，這4種信號線的工作時序如圖3所示。當80C196KC通過接口要求打印機打印數據時，要先查看BUSY信號，當BUSY信號為低電平時，才能向打印機輸出數據。在把數據送上DATA線后，先發(fā)出輸入選通信號STB通知打印機，打印機接收到STB后，發(fā)出BUSY為高電平，接收數據。當數據接收好并存入內部打印緩沖器后，送出ACK響應信號，表示打印機已經準備好接收新的數據，并撤銷BUSY信號(為低電平)。A/D轉換口。

圖3 工作時序圖Fig 3 Diagram of work timing

1.3 軟件設計

主機采用INTEL公司16位單片機80C196KC的匯編語言進行直接設計。軟件設計按照DL/T 5148—2001水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范和SL31—2003水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程的要求應具有安全性、可靠性以及一定的先進性和開放性。根據灌漿現場實際情況，系統(tǒng)還應具有操作簡單、實用，控制方便特點?；谝陨显瓌t，本系統(tǒng)采用功能分塊、結構分層的設計思想。軟件系統(tǒng)根據功能特點，劃分為3個模塊，分別是系統(tǒng)設置、壓水試驗、普通法灌漿。軟件系統(tǒng)分層模型如圖4所示，系統(tǒng)設置模塊配合參數輸入、查詢、修改、及傳感器的標定;壓水模塊配合單點、及五點法壓水實驗;灌漿模塊配合整個灌漿流程;壓水和灌漿模塊能對灌漿、壓水過程的參數進行動態(tài)檢測，具有過程數據動態(tài)顯示、數據超限的聲光報警，重要報表和曲線的打印，結束控制和報表損壞重打印功能。

圖4 軟件系統(tǒng)分層模型Fig 4 Hierarchical model of software system

2 實驗

在固結灌漿孔的施工中，使用該系統(tǒng)進行動態(tài)參數的過程檢測，結果見表2。壓力、流量、密度和位移依次經過了6次變化，從表2可以看出:流量變化范圍為10～70 L/min，相對誤差小于0.5%;壓力變化范圍為1～6.1 MPa，相對誤差小于0.5%;密度的變化范圍為1.500～2.100 g/cm，相對誤差小于0.3%;抬動相對誤差小于0.3%，完全滿足實際要求。

表2 灌漿過程參數動態(tài)檢測結果Tab 2 Dynamic test results of grouting process parameters

3 結束語

通過對灌漿、壓水過程參數的動態(tài)檢測，灌漿工程師可以實時分析流量、壓水、密度、地層抬動數據，準確地把握受灌地層的地層條件和地下滲流情況，迅速地評價灌漿效果，并進一步合理地改變灌漿壓力和水灰比等參數，使灌漿施工更經濟，更有效地進行。灌漿的實驗結果表明:四參數灌漿與壓水檢測系統(tǒng)滿足現場灌漿、壓水要求，各項指標均達到設計要求，它為灌漿工程提供了較完備的檢測手段。

［1］張景秀.壩基防滲與灌漿技術［M］.北京:水利水電出版社，2002:213－221.

［2］夏可風.2006水利水電地基與基礎工程技術［M］.北京:水利水電出版社，2006:194－199.

［3］徐力生，郭定明，彭環(huán)云，等.LJ—Ⅱ型灌漿壓水測控系統(tǒng)的研制與應用［J］.水利水電技術，2003，34(11):67－69.

［4］徐力生，陳 偉，彭懷云，等.二參數小循環(huán)灌漿的測量原理及其弊端［J］.水利技術監(jiān)督，2004，12(4):47－50.

［5］徐力生，陳 偉，彭懷云，等.高精度動態(tài)監(jiān)測水灰比的核密度計的研制及其應用［J］.中南大學學報，2004，35(4):47－50.