張建衛(wèi)

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南鄭州450000）

粒徑分布及特征是土工環(huán)境的代表屬性，其顆粒的物理性能不僅對(duì)土質(zhì)力學(xué)具有直接聯(lián)系，同時(shí)也影響整體土層的性質(zhì)[1]。分析顆粒是土工試驗(yàn)中最基本的環(huán)節(jié)，盡管如此，現(xiàn)下試驗(yàn)中實(shí)施中仍存在試驗(yàn)過(guò)程與周期長(zhǎng)、試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性差等問(wèn)題，這些問(wèn)題出現(xiàn)后，不僅嚴(yán)重影響了試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)也無(wú)法準(zhǔn)確地識(shí)別或定位土層顆粒分布情況，因此土工試驗(yàn)中相關(guān)顆粒分析的環(huán)節(jié)一直是實(shí)驗(yàn)室操作工作者最為關(guān)注的問(wèn)題?；诖耍爰す饬６确植純x，這種設(shè)備是一種集合多種現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的高性能產(chǎn)品，設(shè)備中使用進(jìn)口半導(dǎo)體激光芯片作為其關(guān)鍵構(gòu)件，因此該設(shè)備具有綜合性能強(qiáng)、使用周期與壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)其中集成電路使用微晶體設(shè)計(jì)而成，整體電路的集成度較高，加工工藝較先進(jìn)。此設(shè)備在應(yīng)用中，將計(jì)算機(jī)性能應(yīng)用到光學(xué)信息采集工作中，儀器整體操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于該儀器在測(cè)試使用中受到的外界影響因素較多，并且目前行業(yè)內(nèi)尚缺少可參照的依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)。為了提高土木試驗(yàn)顆粒分析的標(biāo)準(zhǔn)性，本文基于激光粒度分布儀的應(yīng)用，開(kāi)展土工試驗(yàn)顆粒分析參數(shù)控制方法的設(shè)計(jì)與深入研究。

1 基于激光粒度分布儀土工試驗(yàn)顆粒分析參數(shù)控制方法

1.1 基于激光粒度分布儀確定試驗(yàn)參數(shù)

參數(shù)是影響土工試驗(yàn)顆粒分析的重要因素，參數(shù)值的變化不僅可以反映試驗(yàn)過(guò)程樣本的成分，適宜的參數(shù)也可提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性[2]。為此應(yīng)嚴(yán)格控制土木試驗(yàn)顆粒分析試驗(yàn)中的相關(guān)參數(shù)，以此確保試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)?？刂浦胁捎盟狞c(diǎn)取樣法獲取樣本，將樣本在純凈燒杯中溶解，提取懸濁液滴入激光粒度分布儀中。手動(dòng)設(shè)定裝置內(nèi)離心泵的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1900r/min，再在懸濁液中摻入濃度為3.5%的偏磷酸鈉試劑。打開(kāi)儀器內(nèi)的超聲波分散開(kāi)關(guān)，將樣本顆粒緩緩加入樣本池中，調(diào)整儀器內(nèi)溶液的遮光率[3]。同步啟動(dòng)測(cè)試程序，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行粒度直徑長(zhǎng)度的識(shí)別，根據(jù)顆粒直徑，分析顆粒分析中的參數(shù)。確定參數(shù)的過(guò)程如表1所示。

表1 基于顆粒直徑確定試驗(yàn)參數(shù)表

根據(jù)激光粒度分布儀的測(cè)試結(jié)果，明確土工試驗(yàn)顆粒分析中的多種參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，不斷增加樣本懸濁液的濃度，使用儀器檢測(cè)其中顆粒直徑的變化情況。此過(guò)程應(yīng)注意保持配制的懸濁液較均勻[4]。此外，為了確保參數(shù)的準(zhǔn)確識(shí)別，可將相同容量的蒸餾水同樣滴入儀器中進(jìn)行比對(duì)分析[5]。通常情況下，由于土工試驗(yàn)顆粒分析中的粉土、粘土等土質(zhì)的顆粒直徑均在激光粒度分布儀的檢測(cè)范圍內(nèi)，因此可直接將檢測(cè)后顆粒中的中值粒徑作為判定參數(shù)的依據(jù)，從而掌握試驗(yàn)中待控制的參數(shù)類(lèi)型。

1.2 控制土工顆粒分析試驗(yàn)中離散參數(shù)

由于土工試驗(yàn)顆粒分析中，為了確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，可采用調(diào)控參數(shù)理想值的方式，降低邊緣參數(shù)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的影響。控制中，可根據(jù)土體的性質(zhì)，控制離心泵的轉(zhuǎn)速[6]。此過(guò)程中根據(jù)儀器響應(yīng)粒徑的時(shí)間，將循環(huán)泵作為參數(shù)控制的開(kāi)關(guān)，依照控制中懸濁液濃度的變化，進(jìn)行土工顆粒分析試驗(yàn)中值參數(shù)的控制。上述提出步驟可用如下公式表示：

式中：l——為激光粒度分布儀內(nèi)懸濁液濃度的變化；

m——為相關(guān)參數(shù)；

R——為離心泵循環(huán)轉(zhuǎn)速，通常情況下為常數(shù)；

T——為一個(gè)控制周期。

利用上述計(jì)算公式，假定在一定時(shí)間內(nèi)儀器檢測(cè)的濃度不發(fā)生變化，此時(shí)，便可基于光路一體化理論，進(jìn)行邊緣參數(shù)或離散參數(shù)控制的計(jì)算[7]。計(jì)算公式如下：

式中：S——為參數(shù)理想控制值；

λ——為懸濁液周期濃度參數(shù)；

k——為儀器內(nèi)分散劑濃度；

n——為控制周期數(shù)量，通常為正整數(shù)。

根據(jù)上述計(jì)算公式，結(jié)合參數(shù)的動(dòng)態(tài)化特性，從而掌握在一個(gè)相對(duì)理想狀態(tài)下的參數(shù)控制方法。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

提出對(duì)比實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的基于激光粒度分布儀的土工試驗(yàn)顆粒分析參數(shù)控制方法的可靠性。實(shí)驗(yàn)中模擬土工試驗(yàn)的環(huán)境，將儀器終端的計(jì)算機(jī)設(shè)備與通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。以一個(gè)控制周期為實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，分別使用本文的控制方法與傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行顆粒直徑分析實(shí)驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)的控制。同時(shí)，使用傳感裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的采集與處理。

按照上文進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，整理兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組別的相關(guān)數(shù)據(jù)，隨著時(shí)間的推移不斷增加顆粒懸濁液濃度，并將其作為繪制實(shí)驗(yàn)圖的縱坐標(biāo)，以參數(shù)分布對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響作為評(píng)價(jià)方法適用性的依據(jù)。如圖1所示。

圖1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

如圖1所示，隨著樣本濃度的增加，試驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)變量隨之均勻增加，對(duì)整體試驗(yàn)結(jié)果的影響相對(duì)較小，表明此種控制方法較為有效。在傳統(tǒng)控制方法中，試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的分布無(wú)規(guī)律，且經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的控制后，效果并不顯著，表明此種方法的控制能力較差。為此得出本文對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：相比傳統(tǒng)的參數(shù)控制方法，本文設(shè)計(jì)的控制方法效果更為顯著，可有效地降低試驗(yàn)中參數(shù)變化對(duì)顆粒分析結(jié)果的影響，提升了顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文使用激光粒度分布儀，開(kāi)展了土木試驗(yàn)顆粒分析參數(shù)控制方法的設(shè)計(jì)，為了檢驗(yàn)方法的有效性，采用設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)比本文控制方法與傳統(tǒng)控制方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的參數(shù)控制方法在實(shí)際應(yīng)用中更具備有效性，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性更強(qiáng)，屬于一種相對(duì)理想的顆粒分析參數(shù)控制方法，可滿足土工實(shí)驗(yàn)的所有需求，值得后期在實(shí)驗(yàn)中廣泛推廣。