动力触探测试自动化系统开发与研究

彭政奎

核工业西南勘察设计研究院有限公司，中国·四川 成都 610059

1 引言

人类在从事工程建设中，常需通过综合勘探手段查明地基土的工程力学情况，为设计提供基础地质依据和计算参数，对于碎石土地层，往往还需要采用动力触探测试的方法，通过贯入击数进行密实度的划分和地基承载力估算。传统的动力触探设备主要以人工操作机械、人工计数、人工处理数据来完成测试数据的采集与统计，全程靠人工耗时费力，且极易发生错误，导致结果出现大的偏差，影响工程力学性质的准确判定。随着社会的发展，越来越多的新科技、新技术运用到工程活动中，为了顺应时代的潮流，也为了进一步提升工程质量及效益，老旧的设备、技术正在不断被丢弃被取代，一批批改良机械、先进技术的推陈出新推动了整个工程界的发展，也推动着社会的发展。论文结合传统的设备和工艺技术，提出了改良思路，并开发了测距系统、计数系统、联动系统及数据处理系统，以提高动力触探测试工作的效率和数据处理精度。

2 各系统工作原理

通过研究发现传统设备存在很大弊端，将传统设备和工艺进行改良，并根据其工作原理，划分为四个工作系统，即测距系统、计数系统、联动系统及数据处理系统，从而代替了人工操作吊锤、人工记录击数、人工录入数据等人力劳动工作，下面对四个系统的工作原理逐一介绍。

2.1 测距系统

当动力触探设备安装就绪后，将电插头插入打箍侧壁的插孔中，接通电源，即可进行触探工作。此时，落锤每击一次打箍（即锤座），电源接通，测距仪便自动开始测距，并将测量结果录入计算存储，落锤升起，电源切断，测距仪停止工作(见图1)。

图1 测距系统工作原理示意图

2.2 计数系统

当测距系统完成一次测距工作，电路也就完成一次开闭，由此形成一次脉冲信号，通过计算机对脉冲的个数进行计数，每记一次就作为一击，并将计数结果传输给计算机进行记录和存储。这里引用汽车里程计数原理，在触探设备牵引吊锤的曲轴上安装蜗轮蜗杆转动计数器，从而实现吊锤击数计数。

2.3 联动系统

为了使整个系统能够实现联动，保持数据记录的对应关系，在本套设备中专门增设一个联动系统。其工作原理是设备启动后，通过传送带将动力源的动力输出至曲柄滑块机构，再由曲柄滑块机构通过钢绞线与落锤直接连接，将动力源的回转运动转变为滑块的往复式线性运动，再转变为落锤的上下往复式线性运动，此时柴油机完成一个周期的冲程后，动力触探落锤刚好也完成一次“落—砸—升—停”的往复式冲程运动，同时计数器完成一次计数，将两个系统的脉冲信号存储在计算机内，并形成相对应的函数关系(见图2)。

图2 联动系统工作原理示意图

2.4 数据处理系统

通过计算机获得的数据，可以反算每贯入10cm 位移时，发生的总锤击数，并可以做出相应的累积曲线，同时可以通过总位移和值所落的区间，判断该段试验所用的杆长，为后期工程服务时提供杆长校正依据。通过获取的基础数据，可以根据规范要求和对应的计算公式，编制内部程序进行数据分析，从而获取想要的统计结果，下面以具体的一组数据进行分析说明。

①通过计数系统获得的原始数据为贯入总量（S）—贯入击数（N）的对应函数关系，以贯入总量（S）作为横坐标，贯入击数（N）作为纵坐标，做出如下散点图(见图3)。

图3 击数（N）-贯入总量（S）关系散点图

②通过对数据进行反算，可以获得单击贯入量（D），并以单击贯入量（D）作为横坐标，贯入击数（N）作为纵坐标，做出如下散点图(见图4)。

图4 击数（N）-单击贯入量（D）

③通过对上述两组数据进行分析和反算，可以获得每贯入规定的位移值时（以10cm 为例），发生的动探击数，可以采用内插法，最后获得规定贯入量对应的击数，这时便获得了GB50021—2001/2009 《岩土工程勘察规范》规定的数据样式，并以贯入击数（N）作为横坐标，单击贯入量（D）作为纵坐标，做出如下散点图(见图5)。

图5 单击贯入量（D）-击数（N）

④通过上述反算获得的成果数据，按照规范进行测试数据绘制，绘制动力触探测试曲线图(见图6)。

图6 动力触探测试曲线图

3 设备结构组件简述

为了加大力度节约人力，将触探设备架设在汽车上，通过动力源（柴油机）经滑轮组带动落锤上下往复式运动，并设置自动脱钩装置，使得落锤下落时可以自由落体运动，以符合计算式的参数定义，结合测距系统的联动，可以及时采取数据，并与贯入击数形成对应函数关系，将获取的数据组存储入计算机，并用专门的内置程序进行数据分析和处理，其工作原理简图见图7。

图7 工作原理简图

4 动力触探测试自动化系统的优点

通过该系统的开发和研究，若使用该系统进行触探测试，可以大大节约人力资源，同时提高工作效率和数据处理精度，其具有的优点简述如下。

4.1 技术方面

①实验过程更规范化、标准化。

②消除人为计数带来的误差和错误。

③反算更好反应贯入量与击数的关系。

④消除人为数据录入带来的遗漏和错误。

4.2 经济方面

①减少现场测试人员数量，节约人力成本。

②提高测试的连续性，节约测试无效时间。

③USB 数据传输，节省内业数据录入时间。