土工试验全自动气压固结仪工作原理与可靠性分析_李芳.pdf

土工试验全自动气压固结仪工作原理与可靠性分析李芳1 苏金朵2(1.广东省核工业地质局辐射环境监测中心(广东核力工程勘察院)广东省 广州市 5 1 0 8 0 0;2.广东核力工程勘察院 广东省 广州市 5 1 0 8 0 0)作者简介李芳(1 9 8 7年),女,汉族,大学本科,职称:地质实验测试工程师,研究方向:地质实验测试。摘 要 本文要分析土工试验全自动气压固结仪的工作原理,通过随机抽样选取法,选取同一片土地范围,利用人工固结测量法和全自动气压固结仪分别对土地进行评测,得到在同一变量下的压缩模量和孔隙比,通过对比不同条件下得到的相关系数,对在土工试验中全自动气压固结仪的可靠性进行分析,得出结论。关键词 全自动;气压;固结仪;相关系数比对;理论可靠性 土工试验是在岩土工程勘察的过程中,为岩土工程勘察提供相关的准确可靠数据,为以后的工程设计打下基础所需要的试验。通常来说,常规的土工试验有以下特点:较长的试验周期,较大的数据容量,较高的人员职业素质要求。在一次土工试验中,往往需要大量人员的繁琐、复杂且重复的合作,并且还涉及到大量的数据运算,经常需要工作人员连续工作1 0个小时以上。在此条件下,由于各种原因还可能存在误差,对工程设计的规划造成影响,形成人力、资源的浪费。现在随着信息技术的高速发展,在土工试验中的全自动仪器已经正在被逐渐广泛地应用到实地测量当中,比起人工测量,其拥有高速、准确等多种优势。1.概述1.1全自动气压固结仪的简要介绍全自动气压固结仪是对固结仪进行进一步改进,使其自加荷过程至卸荷过程全部自动化,不需要人力操控而改由电脑进行自动化操控的现代化工程仪器。从整体结构上看,整套全自动气压固结仪由固结仪、气压控制器、多路通信转换仪、数据采集系统四个部分组成,其主要用处在于进行正常慢固结试验与快固结试验,测定前期固结压力和固结系数。前期固结压力与固结系数决定了岩土工程勘察的勘测结果,是工程设计所需的基本数据;对土壤性质的评估决定施工手段的选取、施工周期的界定、施工预算的评测等多方面因素。与传统人工测量相比,全自动气压固结仪系统具有气压控制稳定可靠、噪声低、固结压力分别控制、软件系统安装方便、轻便、占地面积小、软件界面较好等特点,同时全自动气压固结仪减少了对人力资源的需求,避免了人为因素可能导致的误差,缩短了工程的施工周期。1.2全自动气压固结仪的基本构造及作用如上文所述,全自动气压固结仪主要由固结仪,气压控制器、多路通信转换仪、数据采集系统四个部分组成。(1)固结仪:全自动气压固结仪的核心部分,主要作用是通过对空气加压,固结土样。(2)气压控制器:由电脑控制,用于调节控制固结仪内的气压,从而达到阶梯式气压的目的,进而测量出在不同气压下土样的固结程度。(3)多路通信转换仪:对试验中阶梯式气压产生的不同固结状态数据进行多层次记录,并对其进行统计转换。(4)数据采集系统:为人工记录的试验提供数据输入窗口,完成成果的计算、整理;为试验数据的管理、审核,成果输出格式提供编辑平台;数据输入至处理完毕,数据就自动存盘。2.全自动气压固结仪的工作原理2.1理论基础全自动气压固结仪是信息时代的产物,仪器采用自动控制技术,主要利用气动传动原理进行工作,通过电脑控制仪器对所测土样进行阶梯式空气加压,在不同的空气压强下土样会以不同的状态与形式进行固结,与此同时通过电脑观测土壤变化对土样的相关数据进行记录,记录后的数据会被上传到数据采集系640DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.011统内进行统计整合,然后再经由自动修正容器对土样相关数据进行二次修正,在完成最后的数据交换后将最终数据交由中央计算机,最终完成计算,进而测定土样的相关系数。2.2具体工作原理全自动气压固结仪根据气动传动原理,采用自动控制技术,利用压缩空气通过气缸对土样进行逐级加载,同时全自动气压固结仪采用S MC气动控制技术,利用仪器内生成的压缩空气通过气缸逐步向上逐次选取土样加载负荷。计算机系统可以控制气动控制器,设定固结压力,自动修正容器(包括土样)及其他附件的重量,启动固结,停止固结和数据交换,标定固结器的位移传感器,以此实现实时显示固结试验的数据和图表曲线。各通道的气动控制器由MC S单片机控制,1 6台固结器设定相同的固结压力,可以自动收集1 6个通道的数据,实时将1 6个通道的数据传递给计算机,总计算机能自动形成数据整合统计整理,根据实际情况与既定程序决定试验下一步走向,实现自动控制。3.全自动气压固结仪的研究背景、研究意义3.1全自动气压固结仪的研究背景固结仪是传统岩土工程勘察土工试验的主要试验仪器装置。该装置主要应用于进行土工的压缩试验,测定土的变形与压力、孔隙比与压力之间的关系或者变形与时间的关系,以便于计算土的单位沉降量、压缩指数、回弹指数、压缩模量、固结系数等等。传统的固结仪主要分为单杠杆固结仪和全自动气压固结仪两种。单杠杆固结仪主要应用的是杠杆原理,通过砝码人工加荷,是一种2 0世纪7 0年代的老式仪器。全自动气压固结仪是根据气压传动的原理加荷,是一种新式的气压自动加荷固结仪。在全自动气压固结仪被投入使用前,在工程设计的前瞻工作,即岩土工程勘察试验中,为了取得施工土质的相关数据,往往需要投入大量的人力资源与时间,对土样的相关系数进行测定。为解决在工程前的资源浪费,于是便有了对全自动气压固结仪的研究。3.2全自动气压固结仪的研究意义全自动气压固结仪的固结压力可以进行分别的设定,按工艺所规定的时间以及荷重序列进行逐级加荷,进而大大的提高固结仪的灵活性,缩短了相关的试验周期。同时全自动气压固结仪降低了劳动强度,提高了工作效率。系统具有气压控制,自动加荷,使工作强度大大降低。而且全自动气压固结仪具有声音提示,自动采集数据功能。对于全自动气压固结仪的研究开发,主要意义在于机器自动化的运行方式,减少施工人员在数据测量方面上的工作量,减少施工时间,提高施工效率,并且减少人工计算的误差,在为工程施工设计提供便利的同时提高工程施工设计的严谨性。4.全自动气压固结仪与传统气压固结仪的优缺点比对4.1全自动气压固结仪的优点(1)对土样施加的气压产生自空气压缩机,压力稳定,较少受外界因素干扰。(2)试验过程自动化,不需要试验工作人员看守,大幅度节约人力资源。(3)对试验数据的读取不需要人工读数,避免了人为误差的存在。(4)试验流程所需时间较短。4.2全自动气压固结仪的缺点(1)造价较为昂贵,购置所需成本较高。(2)由于电子元件较多,故障率较高。(3)需要较高的维护费用。5.全自动气压固结仪可靠性评估依据的选取5.1压缩模量压缩模量指土体在侧向完全不能变形的情况下受到的竖向压应力与竖向总应变的比值,是衡量土的压缩性高低的一个重要指标,也是用来计算地基沉降的一个重要参数,一般用于计算在近似一维变形条件下地基的最终沉降量,压缩模量可以用在室内压缩仪(即气压固结仪)的侧限(无侧胀)压缩试验条件下应力与应变的比值来表示。土的压缩模量越大,压缩性越小。压缩模量在工程设计中一般有两个用处;一是作为土的参数,对土的压缩性、地基均匀性进行评价。二是作为计算参数,可采用分层总合法进行地基最终沉降量计算。5.2孔隙比孔隙比是土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积之比,一般以e表示孔隙比,是说明土体结构特征的指标。e值越小,土越密实,压缩性越低;e值越大,土越疏松,压缩性越高。土的压缩性高,表明土体的结构强度差,则土体的压缩量大;土的压缩性低,则表明土体的结构强度强,则土体的压缩量小。土体的孔隙比往往可以决定工程设计的手段选择依据,是工程设计的重要相关数据。孔隙比是表征土体受荷后孔径分布的一个宏观指标,是土体应力状态、屈服状态、扰动状态和应力水平等影响因素的最终反映。孔隙比是土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积740 水文地质、环境地质、工程地质之比,是说明土体结构特征的指标。在工程地质中,通常用孔隙比评价土的密度、计算土的压缩系数及评价土的允许承载力。在同样条件下,土的孔隙比越大,其地基基础的允许承载力越小。6.全自动气压固结仪的具体操作手段6.1稳定器具,使杠杆位于下降支架之间,不产生摩擦。6.2用挖土刀具取土样,将两端平整,放入护环放入容器中的透水石上,在其上放置透水石,传递压板和钢球,放入加压框,安装量规。6.3顺时针方向旋转把手,升降杆上升到顶点,逆时针方向旋转12圈,加压头与钢珠对准,调整拉杆下端螺母,框架朝上时容器部分可以自由出入,即可按照土工操作规程。6.4加载负荷时,要不断观察水泡,逆时针方向转动把手,保持操纵杆的平衡。此时,严禁顺时针转动把手,以免产生间隙使土样振动。6.5工作结束后,必须全部擦拭全自动气压固结仪,进行使用记录和登记,长期在表面涂油脂以防锈。6.6仔细观察杆的下沉情况和必要时逆时针方向旋转把手,调节升降杆以保持杆的平衡(为了在施加下一阶段的负荷之前减小杆的倾斜角度,可以适量提高),此时,会产生间隙,防止花纹晃动。6.7每次使用后,将机器全部擦掉,如果预计长时间不使用,在金属表面涂上薄层油脂以免生锈。7.可靠性分析7.1实验整体思路选取同一岩土工程勘察项目,选取同种土地的样本区域,对区域内的三种土样:黏土、湿土、粉土分别随机抽取1 0份样本土,分别对每一份样本土进行人工测量和全自动气压固结仪测量其压缩模量和孔隙比,得出土样的压缩模量和孔隙比指标之后进行比对分析,通过计算在两种测量条件下压缩模量的相互关系数和孔隙比的相关系数,以人工测量的结果作为比对基准值,通过与相关程度表的比对确定二者的相关程度,最终对土工试验全自动固结仪的可靠性得出评判结论。本试验选取全自动气压固结仪的主要测量数据:压缩模量和孔隙比作为评判标准,具备较为完善的全面性,在完成对压缩模量和孔隙比的测量之后可以计算出全自动气压固结仪与相对基准量之间的相关系数,最后通过相关系数的比对,得出试验的最终结论。7.2压缩模量对比在人工对三种土样进行采样后,分别利用人工测量方法与全自动气压固结仪对1 0份三种样土的压缩模量进行测量,通过记录数据可得出如下表格:表7-1黏土人工测量压缩模量与全自动气压固结仪测量压缩模量比对表样本编号人工测量压缩模量仪器测量压缩模量差值13.53.60.924.24.10.933.63.50.145.15.20.155.35.60.364.24.10.876.16.30.285.15.90.794.34.20.91 05.75.70.6表7-2湿土人工测量压缩模量与全自动气压固结仪测量压缩模量比对表样本编号人工测量压缩模量仪器测量压缩模量差值13.23.60.423.63.90.334.24.30.142.32.10.255.65.50.163.63.70.174.84.90.185.35.10.293.83.90.11 04.94.80.1表7-3粉土人工测量压缩模量与全自动气压固结仪测量压缩模量比对表样本编号人工测量压缩模量仪器测量压缩模量差值13.63.20.423.24.10.933.94.10.244.14.30.254.34.20.165.65.40.275.35.40.185.64.90.794.94.70.21 04.84.70.1840 为使数据比对更为明显,将表中数据绘制成折线图如下;图7-1 黏土人工测量压缩模量与全自动气压固结仪测量压缩模量比对折线图图7-2 湿土人工测量压缩模量与全自动气压固结仪测量压缩模量比对折线图图7-3 粉土人工测量压缩模量与全自动气压固结仪测量压缩模量比对折线图通过比对表7-1、7-2、7-3,我们可以发现,在同一片土样中,人工测量得到的压缩模量数值与全自动气压固结仪测量得到的压缩模量数值十分接近,二者的数学数值差全部都在误差允许范围值以内,可以证明人工测量得到的压缩模量数值与全自动气压固结仪测量得到的压缩模量数值大致呈正相关关系,因此在全自动气压固结仪对压缩模量的测量方面,我们可以初步断定其为可靠。7.3孔隙比比对在人工对三种土样进行采样后,分别利用人工方法与仪器测量法对1 0份三种样土的孔隙比进行测量,通过记录数据可得出如下表格:表7-4黏土人工测量孔隙比与全自动气压固结仪测量孔隙比比对表样本编号人工测量孔隙比仪器测量孔隙比差值10.70.50.220.90.80.130.80.70.140.60.70.150.70.60.160.90.60.370.80.90.180.60.70.190.40.50.11 00.90.70.2表7-5湿土人工测量孔隙比与全自动气压固结仪测量孔隙比比对表样本编号人工测量孔隙比仪器测量孔隙比差值10.50.70.220.60.50.130.70.90.240.80.70.150.90.80.160.70.80.170.90.70.180.90.9090.40.50.11 00.40.60.2表7-6粉土人工测量孔隙比与全自动气压固结仪测量孔隙比比对表样本编号人工测量压缩模量仪器测量压缩模量差值10.90.70.220.60.80.230.80.70.140.90.70.250.70.80.160.60.70.170.90.80.180.60.80.290.70.60.11 00.90.80.1940 水文地质、环境地质、工程地质为使数据比对更为明显,将表中数据绘制成折线图如下;图7-4 黏土人工测量孔隙比与全自动气压固结仪测量孔隙比比对折线图图7-5 湿土人工测量孔隙比与全自动气压固结仪测量孔隙比比对折线图图7-6 粉土人工测量孔隙比与全自动气压固结仪测量孔隙比比对折线图通过比对表7-4、7-5、7-6,我们可以发现,在同一片土样中,人工测量得到的孔隙比数值与全自动气压固结仪测量得到的孔隙比数值十分接近,二者的数学数值差全部都在误差允许范围值以内,可以证明人工测量得到的孔隙比数值与全自动气压固结仪测量得到的孔隙比数值大致呈正相关关系,因此在全自动气压固结仪对孔隙比的测量方面,我们可以初步断定其为可靠。7.4相关系数计算在经由比对全自动气压固结仪对压缩模量与孔隙比的测量所得相关数据之后,我们可以大致上肯定全自动气压固结仪在土工试验测量数据中大致为可靠。现在,由上述的试验数据,我们可以分别计算出同一种土样中,黏土、湿土、粉土在通过人工测量法和仪器测量法两种测量方式的相关系数,计算过程不予赘述,最终可以得出表格如下;表7-7人工测量与全自动气压固结仪的相关系数值土工试验选取指标土样选取种类相关系数相关系数均值压缩模量黏土湿土粉土0.9 6 3 50.9 8 7 40.9 7 4 10.9 7 8 4孔隙比黏土湿土粉土0.8 3 6 90.8 2 4 70.8 3 5 90.8 2 9 67.5可靠性评价在通过计算数据,得出在土工试验过程中,分别针对三种土样的由人工测量和全自动固结测量仪得出的压缩模量与孔隙比的相关系数之后,我们便可以根据表7-8相关程度与相关系数比对表,来对人工测量和全自动固结测量仪的测量结果进行相关程度的对比,然后以人工测量结果为标准基准值,我们便可以通过相关程度分析得出全自动固结测量仪的相对可靠性。表7-8相关程度与相关系数比对表相关程度相关系数无相关00.2 0 0 0轻微相关0.2 0 0 00.4 0 0 0中度相关0.4 0 0 00.6 0 0 0高度相关0.6 0 0 00.8 0 0 0近乎完全相关0.8 0 0 00.9 9 9 9完全相关1分析表7-7和表7-8,我们可以发现,在同一片土地所选取的不同土样,经由人工测量的相关数据050数值与全自动固结测量仪所测得到的相关数据数值的相关程度可以由相关系数均值进行评测。其中,黏土的压缩模量相关系数为0.9 6 3 5,为近乎完全相关;湿土的相关系数为0.9 8 7 4,为近乎完全相关;粉土的相关系数为0.9 7 4 1,为近乎完全相关。而三种土样的总相关系数均值为0.9 7 8 4,也为近乎完全相关,因此我们对于全自动固结测量仪对压缩模量的测量,可以认为其为可靠;在孔隙比测量试验中,黏土的相关系数为0.8 3 6 9,为近乎完全相关;湿土的相关系数为0.8 2 4 7,为近乎完全相关;粉土的相关系数为0.8 3 5 9,为近乎完全相关。三种土样的总平均孔隙度相关系数为0.8 2 9 6,也为近乎完全相关;因此,我们可以认为,对于全自动固结测量仪对孔隙度的测量,可以认定为可靠。综上所述,全自动固结测量仪对土样的固结试验总体可与人工测量结果呈现近似完全相关,因此我们可以得出结论:全自动固结测量仪对土样的固结性测量结果为可靠。8.结语全自动固结测量仪作为先进工程仪器,在经过本次试验后我们可以证明其拥有较强的可靠性。与人工测量相比,其具有节约时间、节约人力、无人为观测误差、试验成本显著降低等优点。尽管由于其较为高昂的经济成本在当前还做不到普及性配置,但随着科技的进步与社会整体经济的大跃进,相信在不久的将来全自动固结测量仪在工程设计的应用应该不再遥远。在工程设计的整体流程中,对岩土的工程勘察一直是最耗费时间与人力的阶段。但伴随着全自动固结测量仪的逐渐普及,施工人员们已经不再像过去那般需要用二十多个小时的工作去勘测土样的相关数值。在拥有着高效率的同时还有着高度可靠性的全自动固结测量仪的帮助下,我国的工程设计已经迈入新的时代。参考文献1许新言.全自动固结测量仪的先进社会意义J.世界工程科技,2 0 1 7(4):1 5 3-1 5 4.2黄铠民.全自动固结测量仪的使用与保养手段J.工程工具应用,2 0 1 6(1 7).3田 闻 升.工 程 施 工 测 量 简 要 J.工 程 新 城,2 0 1 7,(2):2 0 3.(上接0 4 5页)提供初步设计方案时,往往可选的方案很多。具体的尺寸等数据都没有确定,项目设计变更越早损失就越小。修改图纸即可,还没有产生其他费用,损失不大,一旦施工图确定后,再来修改损失就大得多,到了材料采购和施工阶段的变更损失就不言而喻了,图1为各支护方案造价图。图1 各支护方案造价在上部结构一定的情况下,整个设计方案中的重要区别体现在不同的基础设计上,对项目总造价高低最直接的影响就是基础的造价,所以,上部结构可不考虑,直接对比各基础方案的经济指标即可。6.结束语建筑行业的发展使高层建筑成为当前的主体项目,而且其对安全的要求更高。其中深基坑属于高层建筑的基础,这需要受到施工人员的高度重视。通过对换撑技术进行深入的研究可根据工程特点进行施工方式的选择,这对于今后换撑工作具有积极的作用与意义。参考文献1赵仕桥.浅析福州北站南广场工程西楼深基坑换撑结构J.福建建设科技,2 0 1 8,(0 4):2 1-2 3,3 7.2杨波.桶形支护结构的设计计算方法研究J.江苏建筑,2 0 1 8,(0 3):7 5-7 8.3汪小康.深基坑支护施工技术及稳定性探讨J.建筑技术开发,2 0 1 8,4 5(1 1):4 2-4 3.4范广军,邓辉,朱登,等.超深基坑工程中支撑体系换撑施工技术1.施工技术,2 0 1 8,4 7(1 1):7 4-7 7.5商钱.浅谈建筑工程深基坑内支撑支护施工工艺J.居业,2 0 1 6,(5):9 6-9 7.150 水文地质、环境地质、工程地质