陳啟超

摘 要：靜力觸探作為一種經(jīng)濟(jì)可靠的工程勘察原位測(cè)試技術(shù)，應(yīng)用日趨廣泛。下文通過(guò)闡述靜力觸探的基本原理，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集理論和成熟的計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言，構(gòu)建靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件模型，為自主開發(fā)設(shè)計(jì)和改造這一自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：原位測(cè)試 靜力觸探 數(shù)據(jù)采集

1、概述

1.1 研究背景

隨著我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)進(jìn)程的迅速發(fā)展，建設(shè)規(guī)模不斷加大，建筑類型日益增多。與此同時(shí)，對(duì)工程勘察資料可靠性和定量化程度的要求也愈來(lái)愈高。為使工程建設(shè)做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，在工程勘察中原位測(cè)試方法的使用也越來(lái)越多，靜力觸探作為一種原位測(cè)試技術(shù)，由于它的種種優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。

1.2 靜力觸探原理

靜力觸探是利用準(zhǔn)靜力以恒定的貫人速率將一定規(guī)格和形狀的圓錐探頭通過(guò)一系列探桿壓人土中，同時(shí)測(cè)記貫人過(guò)程中探頭所受到的阻力，根據(jù)測(cè)得的貫人阻力大小來(lái)間接判定土的物理力學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。

靜力觸探，與工程地質(zhì)鉆探、試驗(yàn)相比，在勘探，測(cè)試及應(yīng)用等方面具有顯著的特點(diǎn)。靜力觸探是快速的現(xiàn)場(chǎng)勘探方法，它具有沒備簡(jiǎn)單、輕便、機(jī)械化和自動(dòng)化程度高，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。靜力觸探又是一種現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試方法，可直接取得數(shù)據(jù)。減少了許多的取樣、運(yùn)輸及室內(nèi)試驗(yàn)的工作量，大大縮短了勘察周期，因而特別適用于解決工程建設(shè)中出現(xiàn)的一些地基問(wèn)題。能節(jié)約投資，加快進(jìn)度，深受設(shè)計(jì)與施工單位的歡迎。

1.3 研究?jī)?nèi)容

由于靜力觸探探頭中的傳感器非常靈敏，可以測(cè)出土的0.1kPa的阻力值變化，當(dāng)它在土層中以的速率貫人時(shí)，阻力值變化的幅度是相當(dāng)大的，如何將這些變化完整地記錄下來(lái)，人們一直在探討和研究之中，這是本文研究的核心內(nèi)容。

本文所研究的靜力觸探數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)是在原有的人工記錄儀表的基礎(chǔ)上，針對(duì)靜力觸探的特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集理論和成熟的計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言，進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造而形成的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)?？朔巳斯び涗泝x的數(shù)據(jù)精度不高，隨意性大，室內(nèi)資料整理工作繁瑣等缺點(diǎn)，具有抗干擾性強(qiáng)，整體性好，節(jié)省人力，提高了數(shù)據(jù)的可靠性和科學(xué)性，極大的提高了巖土工程勘察的效率。

2、硬件設(shè)計(jì)

2.1 探頭傳感器設(shè)計(jì)

靜力觸探探頭亦稱地層阻力傳感器，是該數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的一個(gè)重要硬件，它是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的第一步，是量測(cè)地基土貫人阻力的關(guān)鍵部件，在貫人過(guò)程中直接感受土的阻力。由于地層中各種土的軟硬不同，探頭所受到的阻力也自然不一樣，傳感器將這種大小不同的貫人阻力轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，該電信號(hào)是一種連續(xù)變化的物理量，屬于模擬信號(hào)。

探頭是靜力觸探儀測(cè)量貫人阻力的關(guān)鍵部件，有嚴(yán)格的規(guī)格與質(zhì)量要求。一般分圓錐形的端部和其后的圓柱形摩擦筒兩部分。目前國(guó)內(nèi)外使用的探頭可分為三種形式：1）單用（橋）探頭是我國(guó)特有的一種探頭型式，只能測(cè)量比貫人阻力，分辨率精度較低。2）雙用（橋）探頭它將錐頭與摩擦筒分開，設(shè)兩個(gè)傳感器和兩組電橋，分別反映探頭端部和一個(gè)摩擦套筒上所受阻力的變化，可以同時(shí)測(cè)量錐頭阻力和側(cè)壁摩阻力兩個(gè)參數(shù)，分辨率較高。3）多用（孔壓）探頭它一般是將雙用探頭再安裝一種可測(cè)觸探時(shí)所產(chǎn)生的超孔隙水壓力裝置——透水濾器和一種測(cè)量孔隙水壓力的傳感器。分辨率最高，一般在在地下水位較淺地區(qū)優(yōu)先采用。

為簡(jiǎn)化研究在本系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，選用了國(guó)內(nèi)最常見的錐底面積為10cm2的單橋靜力觸探探頭進(jìn)行試驗(yàn)和研究。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

由于傳感器傳出的變電壓信號(hào)是一種電腦不能識(shí)別的模擬信號(hào)，要獲取傳感器的這種變電壓信號(hào)，需要設(shè)計(jì)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡。該數(shù)據(jù)采集電路由信號(hào)放大部分，信號(hào)采集部分，信號(hào)傳輸部分組成。

利用電子元器件可以組合成各種功能電路，其中，最基本的，應(yīng)用最多的單元電路，就是放大電路。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，被探頭檢測(cè)的比貫人阻力經(jīng)過(guò)傳感器變換成模擬變電壓信號(hào)，是很微弱的微伏級(jí)信號(hào)，這就需要設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路加以放大。

信號(hào)采集系統(tǒng)采用士18位串行A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，由單片機(jī)控制MAX232采集數(shù)據(jù)，該采樣數(shù)據(jù)由單片機(jī)串口經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換后送到上位計(jì)算機(jī)的串口，形成一種串行數(shù)據(jù)采集，串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。由此設(shè)計(jì)了電路原理圖不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，而且信號(hào)可靠。運(yùn)用靜力觸探的機(jī)理和數(shù)據(jù)采集的原理結(jié)合電子電路知識(shí)，設(shè)計(jì)出觸探數(shù)據(jù)采集原理圖。并按該原理圖加工制作電路板。

3、軟件設(shè)計(jì)

要采集到傳感器的電信號(hào)，并使其可視化，就需要配套的軟件支持。本系統(tǒng)的軟件部分是利用

Visual Basic6.0作為開發(fā)工具，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法在Windows XP下進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)靜力觸探現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、保存和處理。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)軟件功能和工作流程的全面規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了靈活的系統(tǒng)設(shè)置和科學(xué)的界面設(shè)計(jì)，達(dá)到了操作方便，真實(shí)可靠，實(shí)時(shí)顯示的效果，同時(shí)節(jié)省人力達(dá)到人機(jī)交互的最大和諧。

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，其中，設(shè)計(jì)下位機(jī)程序的任務(wù)是為了完成變電壓信號(hào)的傳輸與轉(zhuǎn)換。

4、成果分析

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分精巧簡(jiǎn)單，制作方便，價(jià)格便宜，軟件部分采用面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計(jì)工具Visual Basic6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，界面清晰，操作方便。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以用于現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探試驗(yàn)以及對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和實(shí)時(shí)顯示，提高了靜探數(shù)據(jù)的精度和可靠性，節(jié)省了人力，降低了成本，提高了勘察工作效率，有一定的實(shí)用價(jià)值。

運(yùn)用該靜力觸探數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)不但提高了靜力觸探數(shù)據(jù)測(cè)量的可靠性和科學(xué)性，而且實(shí)現(xiàn)了比貫人阻力隨深度變化曲線的實(shí)時(shí)顯示，使現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員能及時(shí)直觀的了解地下土質(zhì)狀況另外該系統(tǒng)減少了室內(nèi)資料整理工作，方便了工程地質(zhì)技術(shù)人員，大大節(jié)省了人力，提高了巖土工程勘察的效率該設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，非常適合高校師生自主開發(fā)設(shè)計(jì)。

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