王靜

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200125）

基于光電技術(shù)的滲透試驗自動采集系統(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)致試驗數(shù)據(jù)的時效誤差和讀數(shù)誤差?；诠怆娂夹g(shù)的滲透試驗自動采集系統(tǒng)與傳統(tǒng)的滲透試驗原理和步驟完全相同，通過改進試驗設(shè)備首次實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的自動采集、保存及計算，很大程度提高了試驗數(shù)據(jù)的準確性，在實際工程實踐中具有較強的實用性。

光電技術(shù)；滲透試驗；自動采集

0 引言

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

目前室內(nèi)滲透試驗方法很多，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粒土。相對于常水頭法，變水頭法試驗過程中水頭變化快，讀數(shù)次數(shù)多，影響數(shù)據(jù)采集準確性的因素眾多，有必要對現(xiàn)有試驗設(shè)備加以改進，以獲取更加準確有效的數(shù)據(jù)。

由于常規(guī)的滲透試驗都是通過人工肉眼觀察變水頭管內(nèi)液位高度，此觀測方法易出現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的時效誤差和讀數(shù)誤差，無法嚴格保證試驗的實時性與準確性。為此，所研發(fā)的基于光電技術(shù)測定土體滲透液位的試驗方法，采用光電測量技術(shù)，同時開發(fā)了與之相適應(yīng)的數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了實時自動采集數(shù)據(jù)、無人為誤差的滲透試驗過程，彌補了傳統(tǒng)試驗讀數(shù)方法的不足，填補了國內(nèi)外該試驗自動測量方法的空白。

1 光電式變水頭滲透試驗

光電式變水頭滲透試驗與傳統(tǒng)的滲透試驗原理和步驟完全相同，區(qū)別在于前者通過改進試驗設(shè)備實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的自動采集、保存及計算，提高了試驗結(jié)果的準確性。

1.1 光電式變水頭滲透試驗系統(tǒng)的組成

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

圖1 光電式變水頭滲透試驗系統(tǒng)示意圖

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

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

3）信號處理機：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)字信號處理器相連，數(shù)據(jù)輸出端與信號中繼器相連。

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

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，軟件界面上都會提示或顯示。實驗結(jié)束后，可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行計算，并將結(jié)果保存及打印。

1.2 光電式變水頭滲透試驗系統(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啟動內(nèi)部的調(diào)制和驅(qū)動電路，產(chǎn)生光源發(fā)光所需的信號，發(fā)光的點光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)理后會變成一個直徑比較小的光點，光點經(jīng)過玻璃管后，將光能量聚焦于光電控測器上。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，中繼器接收到測量數(shù)據(jù)后，會執(zhí)行通道數(shù)據(jù)的排序和中繼，最后通過 RS232 接口實現(xiàn)與PC 機的通訊，PC 機的測量軟件接收到 RS232 口的通訊數(shù)據(jù)會根據(jù)相應(yīng)的格式和算法顯示、保存和打印試驗數(shù)據(jù)，從而完成全自動化高效率的試驗任務(wù)。

1.3 光電式變水頭滲透試驗方法

1）根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，按照常規(guī)的試驗方法，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按鈕，并通過選擇數(shù)據(jù)采集通道進行采集。

3）光電式滲透試驗裝置自動讀取試驗過程中變水頭管內(nèi)水柱水頭高度及對應(yīng)的時間，主控軟件根據(jù) GB／T50123—1999 《土工試驗方法標準》變水 頭 試 驗 計 算 公 式 k=A’l ln（h1/h2）/A（t2-t1）自 動計算出該試驗土樣的滲透系數(shù)。

1.4 主控軟件的操作

1）軟件的主界面包括工程編號、工程名稱、土試負責(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。在工程目錄窗口中包括所選工程的勘探孔孔號列表，并具有“創(chuàng)建孔號”、“打 印 工 程”、“ 刪除 工 程 ”、“ 打 印預(yù) 覽”等功 能。

2）進入選定的工程，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)建新的土樣編號并輸入滲透試驗所需的有關(guān)參數(shù)。

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

4）試驗完成后，系統(tǒng)將自動生成“變水頭滲透試驗記錄表”。

2 光電式滲透試驗系統(tǒng)的特點

1）整個試驗過程均為電腦自動控制，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間，減小了試驗誤差，提高了試驗精度。

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

4）系統(tǒng)自行對采集數(shù)據(jù)進行處理，并計算滲透系數(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)庫形式進行存儲，所占的計算機資源很小。

6）系統(tǒng)參數(shù)實行可更改制，可供后續(xù)規(guī)范變更時人為進行相應(yīng)的參數(shù)更改，實用性較強。

7）成果以表格的形式直接輸出，減少了試驗人員的工作量。

3 結(jié)語

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

現(xiàn)階段，土工試驗成本高、利潤低，試驗設(shè)備落后，自動化程度低是該領(lǐng)域研究的瓶頸，亟待進一步深化研究土工試驗的自動化控制方法，以適應(yīng)建筑市場向“廣、大、深”發(fā)展的新趨勢。

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

［2］GB／T50123—1999，土工試驗方法標準［S］.

TV698

B

1002－0624（2014）07－0010－02

2013-11-18