谈TWJ-1型土工试验全自动数据采集和处理系统

张丽敏 宋婷婷 张明堂

(河南省豫北水利勘测设计院，河南安阳 455000)

0 引言

工程地质勘探是通过各种手段和方法对地质进行勘查、探测，确定合适的持力层，根据持力层的地基承载力，确定基础类型，计算基础参数的调查研究活动。土工试验为地质勘探提供了科学的依据。土工试验工程项目繁重且试验周期也很长，在做每一项试验过程中都必须要进行土样安装、土样读数、土样加荷、土样卸荷和计算等人工操作，试验过后还要进行整理数据、数据计算和曲线绘制、校对数据等大量繁琐、复杂、重复的机械劳动。既效率低下又劳累，远远不能适应当今如此繁重的勘察任务。河南省豫北水利勘测设计院土工试验室于2011年引进了TWJ-1型土工试验全自动数据采集处理技术应用于土工试验中，全面提高了土工试验成果质量和测试工作效率，降低劳动强度，有效的强化了管理。

1 TW J-1型土工试验全自动数据采集和处理系统的结构组成

1)TWJ-1型土工试验全自动数据采集装置由传感器、采样盒、气压控制器、固结仪、位移传感器、多路信号转接器、计算机组成，可同时或单独的与三轴仪、直剪仪、固结仪、电子天平等仪器连接进行采集和控制。一个采样盒可连接8个传感器，分别连接相同或不同的仪器。TWJ-1型土工试验全自动数据处理系统包括系统测量参数的标定和输入、数据采集、数据处理、试验成果形式编排和输出等，其采用声音提示、图像跟踪、提供随时进入人工干预的操作界面，可使试验数据即时出、快速准确，还对土的每个基本物理力学指标的测定都提供了模拟实验过程。

2)土工试验自动化网络系统由物理模块、固结模块、直剪模块、三轴模块和成果总表等模块组成。其中物理、固结、直剪、三轴各采集模块主要硬件由试验仪器、数据采集系统、伺服控制系统、计算机局域网系统等四部分组成。

2 土工试验数据采集及处理系统的应用与方法

系统软件所包含的文件可分为系统文件、用户文件和试验数据文件三类。其中用户文件用于存储用户根据各自实际情况对系统有关配置数据。如:所使用的铝盒、环刀等器皿校正值，固结仪仪器变形参数，传感器的通道配置及传感器参数等。试验数据文件用于存储试验采集、处理各过程中的试验数据。如:物理试验数据，固结试验的采集数据、处理后的数据，颗分试验数据，试验成果总表数据等等。对于物理性质指标比如:比重、密度、颗分、含水量、液塑限、渗透、膨胀率、击实等只需在物理栏中输入相应数据就可以进行相关的计算和校核，各项试验的计算程序均留有人工输入数据的窗口，即使有些项目不具备数据采集的条件，也可经过数据处理享有软件的各种功能。而对于力学性指标试验的有固结(黄土压缩)试验、三轴压缩试验、直剪试验则需要进行数据采集后再做相应的数据处理。本次土工试验数据采集及处理系统的应用与方法以某工程为例，工程编号为2012001，该工程需要做土的指标是压缩试验，程序步骤如下。

2.1 物理性试验

制样、天然与界限含水率、密度、比重“试验编号”和“土号”由字母和数字单独或组合构成。

首先在物理试验数据处理中新建工程编号为2012001的工程，键入土样的基本信息，如试验编号2012001、土样编号ZK1-1、钻孔编号ZK、取土深度1.00～1.30等;选择进入“简单界面”输入土样钻孔编号、起始土样编号、土样个数、起始取土深度、取样间隔、取样长度，点击“自动批量生成”就会按顺序快速生成。操作简捷可以最大限度减少人为差错、提高效率。

如果电子天平数据传送正常，则“称重”窗口与电子天平数码的显示一致且同步。秤土时待天平稳定后按＜Insert＞键完成采样。程序根据容器编号检索其参数，由器皿参数判断，并显示出经计算的(密度或质量)结果。如果天平未连接到计算机上，可以实施人工输入的方法，键入天平读数。称土时不想去铝盒的重量(铝盒分为A，B，C)，只要在“天平称重”一栏中输入环刀、铝盒的容器编号、面积、高度、重量，系统就会换算出试样密度、净重，直接输入数据即可。当键入“含水量密度”“液塑限比重”的数据后，就会自动计算出相应的物理性质指标如:含水率、孔隙比、干密度、饱和度、液性指数、塑性指数等，本次数据会自动保存在物理数据处理表中，在进行成果总表处理的时候，该物理数据就会自动生成再进行处理。

2.2 数据采集步骤

1)制样、安装。按土工试验规范要求制备土样，把土样安装好后在采集(S)菜单中选择固结试验:正确输入试验编号、土样编号、土样面积、荷重系列、试验方法、稳定标准。该工程的试验编号为2012001，土样编号为ZK1-1，点击快速输入键(即可对下一个土样编号自动加1，其他参数不变)，并修改土样编号，如试样不满16组可点击“不使用”数据就不会生成、保存。

2)选择土样面积的大小。界面上有环刀30 cm2和环刀50 cm2的交换，本次试验所用的面积为30 cm2的环刀。此参数与压力控制有关，必须根据实际使用的环刀进行选择。

3)选择荷重系列。荷重系列将决定着土样在试验过程中自动加荷级数及每级荷重的大小，必须在平衡自重之前选择完毕。分为 400 kPa，800 kPa，1 600 kPa，本次压缩试验为 400 kPa。

4)试验方法。试验方法分为七种，本次压缩试验为快速固结试验，必须在通道“就绪”前输入。

5)稳定标准。稳定标准分为 0.010 mm，0.005 mm，24 h三种，本次稳定标准为0.005 mm。

2.3 操作指令

设定完毕后，再对每台固结仪对应的土样编号等进行校对后点击自重平衡键，计算机发出自重平衡指令，气压控制器对土样进行自重校正，观察每个传感器是否在有效行程内，如果有故障会有语音提醒，观察是否是传感器没有连接好，排除完故障后开始试验。系统会自动按照时间方法所规定的时间和荷重序列逐级加载，并按照固结试验的要求记录试验数据，显示时间平方根曲线、时间对数曲线。除物理试验，在试验各个阶段都会有语音提示、图像跟踪和随时进入人工干预的操作界面等优点。

2.4 数据保存

试验结束后打开文件，选择工程管理菜单，点击工程编号进入到固结试验，选择读入固结试验新增采集数据菜单，选择相应的工程编号如2012001的固结数据进行新增保存。数据库里会自动生成工程编号为2012001的试验数据。这样也免除了传统杠杆式固结仪人工读数后再输入电脑过程中的繁琐与失误。

2.5 试验成果的处理

在固结试验结束并保存数据后，把固结试验数据进行调入、汇总，打开成果总表，选择总表的格式或新建总表格式，对所有的物理力学性指标如:比重、压缩系数、压缩模量、孔隙比、干密度、饱和度、颗分、含水量、液性指数、塑性指数、渗透、击实等进行汇总，排版并校核数据之间是否一致，如有问题及时修正。对成果总表和e—p关系曲线进行打印、上传。

2.6 试验中需要注意的事项

在每次做固结试验的过程中，要不定期的对固结试验中的曲线进行检查，看是否有异常现象发生，如有异常现象发生要及时检查线路或看百分表是否有接触不好等现象。如果有一组试验在采集固结界面上出现空闲时，要及时进行保存并及时卸荷，以便提高仪器的使用年限。

TWJ-1型土工试验全自动数据采集系统还可同时或单独与三轴仪、直剪仪进行采集和控制，且使用原理和固结仪类似，就不再说明。

3 使用该系统过程中发现的问题

虽然该系统有很多优点，但也有不足的地方。

1)软件在加压时遇到的问题。在计算机发出下一级加荷指令时，仪器不工作，在检查完连接电缆、采集盒连线、传感器插头的连接，有无松动、脱虚焊等出现不良接触现象以后，仪器还是不工作，说明是仪器没有接收到指令，建议该软件不要只发一次指令，要多发几次指令直到仪器接收到指令为止，这也是个别现象。

2)三轴试验数据处理遇到的问题。如果第一次做的三轴试验不成功，再做一次相同编号的三轴试验，软件不会覆盖第一次数据，而是直接顺延下来且不能对第一次的数据进行删除，对数据处理带来不便。

3)停电后的建议。如果在长时间的停电状态下，该系统就不能工作，所以应与传统的杠杆式的固结仪并用，以免耽误工程工期。

4 该系统在土工试验领域的前景

土工试验全自动数据采集和处理系统连接的气压全自动固结仪采用不锈钢材料，框架结构，体积小，重量轻，快速接头连接，拆装方便，维护简单，便于野外现场使用。过去各大试验室都用传统式的杠杆仪器时，所有的数据采集过程都是通过人工操作，持续时间长，工作量大，自我院土工试验室使用了全自动数据采集和处理系统后，各种试验数据采集的大量工作完全都由计算机来完成，实现了土工试验的自动化，使土工试验大大降低了劳动强度，缩短了计算和绘图时间，减少了人为因素的影响，提高了试验的速度和准确性，从而大大提高了工作效率。

5 结语

土工试验全自动数据采集和处理系统的应用，不但提高了工作效率而且还保证了试验数据的精确度。它以最新科技，集机械、自动控制技术、电子技术、传感器自动检测技术及计算机技术于一体，进行各种固结试验，自动完成加卸荷及数据采集功能，同时试验过程中有语音提示，辅助人工操作;图解成果，人工干预非常灵活方便等特点，将在土工试验领域中有更加广泛的应用与前景。

［1］GB/T 50123-1999，土工试验方法标准［S］.

［2］高丽萍.土工试验全自动数据采集与处理系统的应用及影响［J］.内蒙古科技与经济，2011(6):74-75.