陳小萍， 鄔 江， 張 浩

(江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇淮安223005)

承載比貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集方法研究

陳小萍， 鄔 江， 張 浩

(江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇淮安223005)

在港珠澳大橋主體工程勘察試驗(yàn)過(guò)程中，利用土工試驗(yàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直剪試驗(yàn)?zāi)K的功能，通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置，即可應(yīng)用于承載比貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，提高了工作效率和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，減少了人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。利用Excel軟件編制一個(gè)貫入試驗(yàn)記錄的樣本表格文件，通過(guò)簡(jiǎn)單編程，將自動(dòng)采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入表格文件，完成自動(dòng)繪圖和結(jié)果計(jì)算。

承載比；位移傳感器；數(shù)據(jù)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(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的超級(jí)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(guó)家戰(zhàn)略意義的世界級(jí)跨海通道，在路基方面需要做改良土的承載比(CBR)試驗(yàn)。

承載比試驗(yàn)由美國(guó)加州公路局首先提出，CBR值指試料貫入量達(dá)到2.5 mm時(shí)，單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度的比值(魏善文等,2001；范巍,2004；王亞利，2009；劉靜，2010)，是評(píng)定路基土和路面材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

目前，試料貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)普遍采用人工讀數(shù)的方法，在記錄過(guò)程中容易出錯(cuò)。本次研究基于現(xiàn)用軟件，編制承載比貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集程序，可減少人為讀數(shù)的誤差，大幅度提高工作效率。

1 承載比貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)采集儀器

土工實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)大多已裝配了直剪試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)(中華人民共和國(guó)交通部，2007)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)主流的土工試驗(yàn)自動(dòng)化方案有南京智龍科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱智龍)和華勘KTG 2種，但承載比貫入試驗(yàn)仍大多依靠人工觀測(cè)，需要同時(shí)觀測(cè)多個(gè)數(shù)據(jù)，效率低下，數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。

1.2 數(shù)據(jù)采集方案

直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集是智龍土工試驗(yàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能之一，該系統(tǒng)采用4個(gè)位移傳感器同步記錄四聯(lián)直剪儀各個(gè)測(cè)力環(huán)變形數(shù)據(jù)。受此啟發(fā)，可將此方案移植到承載比貫入試驗(yàn)，通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置(圖1)，將四聯(lián)剪切系統(tǒng)的測(cè)力環(huán)系數(shù)設(shè)置為100，軟件窗口的強(qiáng)度示值相應(yīng)地變成量表的位移示值(單位0.01 mm)，第一聯(lián)、第二聯(lián)連接貫入深度傳感器，第三聯(lián)連接測(cè)力計(jì)傳感器。因承載比貫入試驗(yàn)中僅需要3個(gè)位移傳感器，操作中應(yīng)將第四聯(lián)選擇為“放棄”。

圖1 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置Fig.1 Automatic data acquisition device

圖2 貫入數(shù)據(jù)文本格式示意圖Fig.2 Text format of penetration data

1.3 試驗(yàn)步驟

安裝樣品和測(cè)量裝置，對(duì)樣品預(yù)加45 N力(國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局等，1999；中華人民共和國(guó)水利部，1999；中華人民共和國(guó)交通部，2007；中華人民共和國(guó)鐵道部，2010)，連接電腦主機(jī)，啟動(dòng)智龍直剪試驗(yàn)程序，設(shè)置剪切位移量和升降速率。開始貫入試驗(yàn)，程序窗口同步顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，貫入量至設(shè)置位移量時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，自動(dòng)保存數(shù)據(jù)記錄。智龍數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了1個(gè)文本格式直剪試驗(yàn)接口數(shù)據(jù)(圖2)，應(yīng)將貫入數(shù)據(jù)導(dǎo)出為標(biāo)準(zhǔn)文本格式的數(shù)據(jù)文件以便調(diào)用，此文件名為ZJ.txt。

2 貫入試驗(yàn)記錄表格的設(shè)計(jì)編制

采用Excel軟件編制一個(gè)記錄貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格樣式，利用數(shù)據(jù)庫(kù)編程語(yǔ)言編制一段小程序，將貫入數(shù)據(jù)導(dǎo)入到表格中，自動(dòng)生成貫入量與荷載強(qiáng)度關(guān)系曲線，得到不同貫入量的承載比數(shù)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(yīng)的計(jì)算公式，設(shè)置曲線格式并指定數(shù)據(jù)源。將此表格樣本文件妥善保存，寫入貫入數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)副本進(jìn)行操作。

3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序編制

編制一個(gè)簡(jiǎn)單程序，提取保存為標(biāo)準(zhǔn)文本格式文件的承載比貫入試驗(yàn)(林宗元,2005)數(shù)據(jù)，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(yàn)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(qǐng)重新定制！″,0+16+0,″系統(tǒng)提示信息″)

return

else

copy file ″&xlsample″ to ″&xlsname″ &&復(fù)制一個(gè)表格樣式副本

endif

filename=thisform.label3.caption

str1=′文件結(jié)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(shù)據(jù)有效性

室編號(hào) 20217-2a原編號(hào)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(shí)度(%)95量力環(huán)系數(shù)C(N/0．01mm)114．66最優(yōu)含水率(%)17．3最大干密度(g/cm3)1．650貫入量L(0．01mm)測(cè)力計(jì)讀數(shù)貫入量L(0．01mm)測(cè)力計(jì)讀數(shù)R(0．01mm)00280495129549613104961325497133950923545017336850265383503673975046841250551042751651244151751445751841747251941948651105225015211425516521242753052134305455214433559521553557452166375905217640604531874261853199446345321146648532244766454237485795425049693542664970755承載比貫入深度修正值(0．01mm)貫入量為2．5mm時(shí)荷載強(qiáng)度P2．5=CR2．5/A2837 (kPa)貫入量為5．0mm時(shí)荷載強(qiáng)度P5．0=CR5．0/A3010 (kPa)貫入量為2．5mm時(shí)承載比CBR2．5=P2．5/7000×10040．53 (%)貫入量為5．0mm時(shí)承載比CBR5．0=P5．0/10500×10028．66 (%)說(shuō)明：

圖3 數(shù)據(jù)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(hào)

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(gè)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(shù)據(jù)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(diǎn)內(nèi)插算法求得貫入深度為2.5 mm和5.0 mm的測(cè)力計(jì)量表讀數(shù)

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(shù)據(jù)傳輸完畢！",0+64+0,"系統(tǒng)提示信息")

=fclose(ofile)

endif

也可以不采用任何編程技術(shù)，而直接通過(guò)Excel獲取外部數(shù)據(jù)的功能，將上述標(biāo)準(zhǔn)格式文本文件(文件名為ZJ.txt)導(dǎo)入電子表格，再經(jīng)簡(jiǎn)單編輯后粘貼到樣本表格中的指定位置。

4 貫入試驗(yàn)資料整理

以上程序封裝在已開發(fā)的巖土試驗(yàn)軟件中。通過(guò)調(diào)用相應(yīng)菜單，在彈出框中指定標(biāo)準(zhǔn)格式文本文件路徑，點(diǎn)擊程序運(yùn)行按鈕，將文本文件中的貫入數(shù)據(jù)提取出來(lái)，寫入編制的表格樣本的副本，表格自動(dòng)獲得成果數(shù)據(jù)和曲線(圖4)，當(dāng)根據(jù)曲線形態(tài)判斷需要修正貫入零點(diǎn)時(shí)，只需在相應(yīng)表欄中輸入1個(gè)修正量即可，非常簡(jiǎn)便。

圖4 剪切應(yīng)力位移圖Fig.4 Diagram showing shear stress and shear displacement

具體試驗(yàn)操作中還有一些細(xì)節(jié)需要妥善控制，例如剪切位移量和貫入速率的設(shè)置，要確保試驗(yàn)采樣結(jié)束時(shí)的有效貫入量達(dá)到試驗(yàn)規(guī)范的要求，建議采用量程>10 mm的位移傳感器(各試驗(yàn)規(guī)范均要求貫入深度達(dá)10.0～12.5 mm方可結(jié)束試驗(yàn)，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(dāng)不具備條件時(shí)可采用10 mm量程的傳感器，此時(shí)的實(shí)際貫入量稍小于規(guī)范的要求)。采集系統(tǒng)中剪切位移量可設(shè)置為7～8 mm，剪切速率可設(shè)置為小于實(shí)際貫入速率的數(shù)值，如0.6～0.8 mm/min，確保試驗(yàn)過(guò)程中達(dá)到預(yù)期貫入深度時(shí)系統(tǒng)仍能記錄數(shù)據(jù)。因貫入深度取用2個(gè)量表的平均值，試樣的安裝調(diào)試非常重要，應(yīng)確保各傳感器同步記錄采樣。

5 結(jié) 論

(1) 采用一個(gè)“移花接木”的低成本CBR數(shù)據(jù)采集方案，利用現(xiàn)有的智龍直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集裝置，不需要額外投入，通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置即可用于自動(dòng)記錄承載比貫入數(shù)據(jù)。

(2) 編制一個(gè)Excel表格，并通過(guò)程序完成數(shù)據(jù)的提取和寫入。

(3) 用此方案可節(jié)省試驗(yàn)的人力(觀測(cè)、繪圖及計(jì)算均由計(jì)算機(jī)完成)，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減少人為誤差，采集的數(shù)據(jù)密度由人工讀數(shù)的十幾個(gè)增加到60個(gè)(智龍直剪采集的上限)。

Excel Home，2011. Excel實(shí)戰(zhàn)技巧精粹:圖標(biāo)與圖形[M]. 北京:人民郵電出版社：439-586.

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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(guó)家發(fā)改委項(xiàng)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(yè)，長(zhǎng)期從事巖土測(cè)試相關(guān)工作,E-mail: heglabdjj@126.com

TP317

A

1674-3636(2016)04-0678-05