摘 要：针对在工程中现场测试土样固结压缩系数，提出了一种便携式固结仪，该固结仪采用步进电机加载方式，用步进电机驱动涡轮涡杆实现加载。控制方式分两种工作模式，分级应力加载及恒速等应变加载，内置MICRO_SD存储单元，可脱机完成固结实验。只需实验完成后数据传输至电脑进行数据处理，最后完成实验报告结果。
0 引 言
随着时代的变迁，在客观需求的促使下，土工试验技术越来越成熟和细致，土工试验也是解决工程问题的一个最基本的手段。对土性和力学反映的量化描述是通过必不可少的试验来得到的。固结实验又是土工试验里最基本的试验方法。固结试验可以测土的压缩系数和压缩性指标，是建筑物地基设计与施工的重要依据，如果知道地基土的这项指标，就可以预估不同建筑物的沉降量，沉降量的大小就决定建筑物寿命。
目前国内较为常用的固结试验仪有杠杆式固结仪（如图1）和气压式固结仪（如图2）。杠杆式固结仪采用杠杆加荷的原理，用砝码通过杠杆加压。其优点在于加荷直观，稳定性良好。但是该固结仪自动化程度低，需要人工搬动砝码，劳动强度大；加砝码的过程中会产生冲击力，对试验结果有一定影响；人工读数，会有一定的人为误差。气压式固结仪相比杠杆式固结仪有了很大的改进，通过空气压缩机来施加压力的，能自动逐级加压，加压范围大，大大减轻了劳动强度；通过位移传感器自动采集数据，减少了人为误差。但上述两类固结仪由于自身特性（杠杆式固结仪需配加沉重的砝码，气压式固结仪需空气压缩机配合使用）一般只适合在实验室使用，如果想把此两种固结仪器移至工程现场进行现场实验，费时费力。
图1 杠杆式固结仪
图2 气压式固结仪
1）随着“一带一路”的发展，基础建设也越来越多，越来越多的工程需要现场进行勘察和实验，这就迫切需要一种能容易携带，现场出数据报告的设备。一维固结仪（图3）采用步进电机自动加载提供竖向压力；利用精密压力传感器测量竖向压力；利用采集、控制系统高效精准的控制竖向压力；利用电机转速，蜗轮蜗杆减速机和其内部结构准确的计算出竖向位移；仪器自带MICRO_SD存储单元，能够按照指定的时间间隔，存储试验过程中竖向压力和位移的变化，实现现场工作，待试验完成后利用计算机数据采集数据和处理系统提取数据计算结果，现场得出实验报告，结构简单，便捷，得到了用户的认可。
图 3 一维固结仪
1 主要技术参数
1）土样：高度2cm，土样直径61.8mm，面积30cm2
2）加载动力：0-10KN
3）加载速度：0-30mm/分钟
4）加载量程：0-20mm
5）加载方式：分级应力加载，恒速等应变加载
2 控制系统硬件实现
由于实验规范要求，在土样固结过程中，实现压力梯度加载时，需要压力能快速达到目标值。这样就产生一个问题，当步进电机运行速度过慢时，加载就需要较长时间达到目标压力值；当步进电机运行速度过快时，又容易引起过载，压力超过目标值太多，结果导致实验数据失真。这就对电机控制提出了极高的要求。
为了解决以上问题，本仪器的控制系统采用高速32位ARM处理器+高速高精度24位AD采集芯片（图4）。AD7176-2是ANALOG-DEVICES公司生产的一款快速建立、高度精确、高分辨率、多路复用的Σ-Δ 型模数转换器(ADC) ，适合低带宽输入信号。最大通道扫描数据速率为50 kSPS( 建立时间为20 μs)，得到17 个无噪声位的完全建立数据。用户可选输出数据速率范围为5 SPS至250 kSPS 。本系统设置数据采集频率为每秒200次，采集精度在传感器满量程范围内小于千分之一。本系统在控制软件中设置步进电机速度的调整周期为10毫秒。系统设置软件定时10毫秒中断一次，对采集的当前压力与目标压力进行比较，执行PD算法，对电机速度进行控制。经过实际调试验证，能在2秒内加载到目标压力，控制精度误差在1%以内，完全达到固结实验规范要求。为了使操作更方便，本系统使用了480*270点阵的触摸屏进行显示数据和触控操作，让操作人员操控设备时象使用手机一样简便。本系统安装了一个零点限位接近开关，在实验完成后，系统能自动将土样容器下降至零位位置，方便进行实验后的清理工作及下次实验的准备工作。系统内置8G容量SD存储单元，可脱离电脑完成固结实验。只需实验完成后数据传输至电脑进行数据处理，最后完成实验报告结果。上位机软件对设备上传的实验数据进行数据处理，曲线显示，生成实验报表并进行记录归档。
3 控制系统软件实现
3.1 应力控制
加载应力控制实现（图5），系统通过快速实时采集压力传感器当前压力，与实验前预设的压力值进行比较，计算出压力偏差，再根据压力偏差计算出合适的电机加载速度，最后驱动电机进行加载控制，能实现越接近目标压力，速度运行越慢，防止压力过冲，在应力控制范围内形成闭环控制。在宏观上实现2秒内压力加载到位，完全满足固结实验要求。
图5 加载应力控制实现
3.2 应变控制
在实验过程中，由于步进电机旋转角度是实时已知，可根据齿轮减速比与涡杆螺距计算出电机加载的刚性位移量，再根据传感器当前压力值计算出压力传感器本身的变形量，最后得出土样实际变形量。用千分表进行标定检测，实际测量值精度误差小于0.001mm，满足实际要求。
图6 加载变形量实现
4 试验方法
本仪器有分级应力加载及恒速等应变加载两种控制方式，既可以做应力试验又可以做等应变试验。等应变试验可以很好的模拟工程现场的土体情况。本仪器可以脱机完成固结试验，并可实现无线传输，便于在工程现场完成试验操作。
4.1固结系数计算
——两读数间的应变变化（%）；
h——两读数间的试样平均高度（cm）；
——两读数间的历时（s）；
Ub——两读数间试样底部 的空隙水压力平均值（kPa）；
mv——两读数间试样的体积压缩系数（kPa-1）。
4.2试验步骤
①将固结容器底部连接孔隙水压力传感器的阀门打开，用无气泡排除底部滞留的气泡。并将透水板用无气泡水饱和，使水盖底部透水板，透水板上放薄滤纸。
②在固结容器内放置护环、透水板和薄型滤纸，将带有试样 的环刀装入护环内，底部安装O型圈和密封压板，与底座密封，放上导环、试样上依次放上薄型滤纸、透水板和加压上盖，并将固结容器置于加压框架正中，使加压上盖与加压框架中心对准压力传感器。
③施加1kPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触。
④向水槽中注水浸没试样。
⑤确定需要施加的各级压力，压力等级为 25、50、100、 200、400、800、1600、3200kPa。
⑥接通控制系统、采集系统和加压设备的电源，预热30 min,采集初始读数，施加轴向荷载，使产生轴应变。
⑦数据采集时间间隔，根据需要设施时间间隔，也可以选择系统设定的时间间隔，采集竖向压力，孔隙压力和变形值。
⑧连续加荷一直到预期盈力或应变为止。当轴向荷载加荷完成后，在轴向荷载不变或变形不变的条件下使孔隙水压力消散。
⑨试验结束后吸取容器中的水，迅速拆除仪器各部件，取出整块试样，清洗容器。
5 部分实验曲线
6 结束语
1.一维固结仪是一种人工智能仪器，一旦设置完成后全程自动加载自动采集处理
2.本仪器结构简单，携带方便，操作快捷，数据可靠，可大大提高工作效率，满足工程试验需要，实现应力分级加荷和等应变连续加荷。毋需要位移传感器
3.实测孔隙压力，换算有效应力，这样可以适当加快固结试验时间
4.对于常规固结试验，高塑性高粘土的流变试验研究，提供有效对比手段，因此适应于教学，科研和生产实践的试验研究现场实验条件，简化人员操作作过程，并且在安全性上也有了极大的提高。
