土工試驗數據采集與數字化處理技術簡析

王錦龍，李 浩

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

土工試驗數據采集與數字化處理技術簡析

王錦龍，李 浩

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

土工試驗數據采集與數字化處理技術解決了土工試驗過程中的數據自動采集，同時具有數據處理和繪圖功能，是土工試驗的輔助測試系統，通過這個系統可以實現不同試驗項目之間的數據傳送，實現試驗數據的共享，并且具有豐富的數據管理功能，能夠強化土工試驗技術管理，提高土工試驗成果的質量以及檢測工作效率，降低檢測人員的勞動強度。

土工試驗；數據采集；數字化處理

土工試驗數據采集與數字化處理技術是解決不同試驗、相關數據之間的傳送，實現數據資源共享，且具有豐富的數據管理功能，能夠強化土工試驗技術管理，提高成果質量和測試工作效率，降低勞動強度的土工試驗輔助測試系統。

將該系統應用到土工試驗常規力學和物理性試驗中，改變目前土工試驗過程中人工記錄的落后試驗手段，確保水利工程試驗測試數據快捷、準確，更好地為水利工程建設服務，實現土工試驗微機數據采集與處理是大勢所趨。

1 土工試驗自動化現狀及改造方案

1.1 土工試驗自動化現狀

土工試驗室目前有三軸剪力儀3臺，三聯高壓固結儀1臺，三聯中壓固結儀13臺。其中三軸剪力儀3臺接入TSW-3土工采集系統，剩余固結儀皆為人工讀數的試驗方法。

1.2 土工試驗自動化改造方案

根據試驗室內土工試驗儀器的分布情況，首先將土工試驗微機數據采集與處理技術系統應用在土工試驗中的中（高）壓固結儀、三軸剪力儀及電子天平等試驗項目中，實現這三個試驗項目試驗過程數據自動化采集。

三聯高壓固結儀自動化測點個數為4個，檢測項目為土樣的變形；三聯中壓固結儀自動化測點個數為5個，檢測項目為土樣的變形；三軸剪力儀自動化測點個數為51個，其中，可以實現土樣的軸向應力及應變檢測和孔隙水壓力的自動采集。土工試驗室自動化改造方案詳見圖1。

圖1 土工試驗室自動化改造方案示意圖

2 土工采集處理系統的選型與配置

2.1 選型原則

土工采集處理系統要符合以下三個原則：首先要滿足中華人民共和國國家標準和行業標準中的需要。其次是設計要合理安全易于操作。最后是經久耐用、儀器設備性能穩定良好。

2.2 系統配置

1）系統構成。土工系統為分布控制式數據采集處理系統，系統上位機是PC機，下位機是采集器；使用RS-485通信接口；12位A/D轉換，數字量輸出范圍0～4095；采集器每個可外接8只傳感器。

2）主要配件規格及參數。中（高）壓固結儀每臺一只（LP-10F）位移傳感器；三軸儀每臺一只（LP-10F）位移傳感器、一只（LP-20F）位移傳感器、一只壓力傳感器；電子天平。

3）上位機軟件功能。壓縮試驗功能：采集參數為土樣變形量（位移）；試驗方式為標準固結試驗及快速法；三軸試驗功能：采集參數為軸向變形量（位移）、軸向荷載和孔隙壓力；試驗方法為不固結不排水剪及固結不排水剪、排水剪。

系統自動化，可減少相對誤差，對數據的準確性，穩定性有更好的保證。同時傳感器與百分表硬連接的設計使得傳感器既可人工讀數，亦可自動化讀數，提供相互比照。相對于其他將傳感器芯貼在百分表內或調頻式的產品，使用壽命更高，后期維護成本大大降低。

3 系統軟件

土工試驗微機數據采集與處理軟件主要功能包括：系統設置、試驗操作等，軟件界面為全窗口模式，易于操作，山東省水利科學研究院中心實驗室目前將自動采集系統應用在：固結試驗、三軸試驗和含水率試驗，今后也可以將土工試驗微機數據采集與處理軟件系統應用在直剪試驗、無側限試驗、K0固結試驗等試驗中。使用該軟件使得以上試驗的讀數、計算、制表、繪圖等大量工作完全由計算機完成。

4 數據采集與人工比對試驗研究

室內制備試驗土樣，進行相應固結試驗、三軸剪切試驗、土樣含水量試驗，開展人工讀數與自動采集數據處理結果的比對試驗研究。

4.1 固結試驗比對分析

采用45組土樣進行固結試驗結果比對分析。在試驗過程中以人工讀數與自動采集數據兩種方式對每一組土樣的兩組試驗數據分別進行記錄、錄入、計算處理，再選取試驗數據處理結果對應的兩組孔隙比參數進行比對分析，得到孔隙比參數的比對偏差結果。

固結試驗自動采集系統實測孔隙比參數與人工比測數據的比對偏差分析表明：

|孔隙比偏差平均值|e=0.0015

|孔隙比相對偏差平均值|e=0.24%

兩組對比試驗數據偏差較小，偏差范圍基本穩定，且無趨勢性漂移。滿足試驗精度要求。

4.2 三軸壓縮試驗比對分析

采用24個土樣進行了8組三軸壓縮試驗數據的比對分析。在試驗過程中以人工讀數與自動采集數據兩種方式對每一組土樣的兩組試驗數據分別進行記錄、錄入、計算處理，再選取對應的兩組抗剪強度參數進行比對分析，得到抗剪強度參數的比對偏差。

通過三軸壓縮試驗自動采集系統實測抗剪強度參數與人工比測數據的比對偏差分析表明:

|黏聚力偏差平均值|δc=2.18

|摩擦角偏差平均值|δφ=0.36

|黏聚力相對偏差平均值|δ'c=14.66%

|摩擦角相對偏差平均值|δ'φ=1.78%

兩組對比試驗抗剪強度摩擦角數值偏差較小，偏差范圍基本穩定，且無趨勢性漂移。黏聚力比對偏差稍大，經分析由于在人讀、機采變形量時存在微小時差，不能完全同步、是導致數值偏差的主要影響因素。比對分析說明自動采集系統滿足試驗精度要求，并優于人工讀數方式。

4.3 電子天平采集與人工讀取數據比對分析

通過對80個土樣進行的40組含水率試驗得到的數據進行比對，人工讀取的電子天平讀數與機采讀數兩組數據及其計算結果完全相同，無偏差。機采數據能夠消除人工讀數及輸入時產生的隨機誤差，從而提高試驗結果的數據準確率。

5 結語

1）土工試驗系統實現自動化數據采集及處理后，試驗精度得到提高，縮小了相對誤差，減少了隨機誤差，對數據的準確性，穩定性有更好的保證。

2）土工試驗軟件使各種試驗的讀數、計算、制表、繪圖等大量工作完全由計算機完成，提高了土工試驗的自動化程度，大大提高了工作效率，同時減輕了試驗人員的勞動強度，人工試驗成本降低了近1/3。

3）應用這套系統后，提高了土工試驗的自動化程度，如若采用自動加載伺服系統，采集加載一體化控制，能夠進一步提高試驗工作效率。

（責任編輯 遲明春）

TU41

B

1009-6159（2017）-10-0073-02

王錦龍（1981—），男，工程師