承载比贯入试验数据自动采集方法研究

陈小萍， 邬 江， 张 浩

(江苏省水文地质工程地质勘察院，江苏淮安223005)

承载比贯入试验数据自动采集方法研究

陈小萍， 邬 江， 张 浩

(江苏省水文地质工程地质勘察院，江苏淮安223005)

在港珠澳大桥主体工程勘察试验过程中，利用土工试验自动化数据采集系统直剪试验模块的功能，通过简单的设置，即可应用于承载比贯入试验数据的自动采集，提高了工作效率和试验数据的精度，减少了人为因素对试验结果的影响。利用Excel软件编制一个贯入试验记录的样本表格文件，通过简单编程，将自动采集数据导入表格文件，完成自动绘图和结果计算。

承载比；位移传感器；数据采集；电子表格；主体工程勘察；港珠澳大桥

0 引 言

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的超级跨海通道，西接京港澳高速公路，东接香港大屿山高速公路，是具有国家战略意义的世界级跨海通道，在路基方面需要做改良土的承载比(CBR)试验。

承载比试验由美国加州公路局首先提出，CBR值指试料贯入量达到2.5 mm时，单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值(魏善文等,2001；范巍,2004；王亚利，2009；刘静，2010)，是评定路基土和路面材料强度的重要指标。

目前，试料贯入试验数据普遍采用人工读数的方法，在记录过程中容易出错。本次研究基于现用软件，编制承载比贯入试验数据自动采集程序，可减少人为读数的误差，大幅度提高工作效率。

1 承载比贯入试验数据采集系统构建

1.1 数据采集仪器

土工实验室现大多已装配了直剪试验和固结试验(中华人民共和国交通部，2007)的自动化数据采集系统，国内主流的土工试验自动化方案有南京智龙科技有限公司(以下简称智龙)和华勘KTG 2种，但承载比贯入试验仍大多依靠人工观测，需要同时观测多个数据，效率低下，数据质量不高。

1.2 数据采集方案

直剪试验数据采集是智龙土工试验自动化数据采集系统的基本功能之一，该系统采用4个位移传感器同步记录四联直剪仪各个测力环变形数据。受此启发，可将此方案移植到承载比贯入试验，通过简单设置(图1)，将四联剪切系统的测力环系数设置为100，软件窗口的强度示值相应地变成量表的位移示值(单位0.01 mm)，第一联、第二联连接贯入深度传感器，第三联连接测力计传感器。因承载比贯入试验中仅需要3个位移传感器，操作中应将第四联选择为“放弃”。

图1 数据自动采集装置Fig.1 Automatic data acquisition device

图2 贯入数据文本格式示意图Fig.2 Text format of penetration data

1.3 试验步骤

安装样品和测量装置，对样品预加45 N力(国家质量技术监督局等，1999；中华人民共和国水利部，1999；中华人民共和国交通部，2007；中华人民共和国铁道部，2010)，连接电脑主机，启动智龙直剪试验程序，设置剪切位移量和升降速率。开始贯入试验，程序窗口同步显示试验数据和曲线，贯入量至设置位移量时试验结束，自动保存数据记录。智龙数据采集系统提供了1个文本格式直剪试验接口数据(图2)，应将贯入数据导出为标准文本格式的数据文件以便调用，此文件名为ZJ.txt。

2 贯入试验记录表格的设计编制

采用Excel软件编制一个记录贯入试验数据的表格样式，利用数据库编程语言编制一段小程序，将贯入数据导入到表格中，自动生成贯入量与荷载强度关系曲线，得到不同贯入量的承载比数值。编制表格(Excel Home，2011)如图3。

在表格中为指定位置的表栏编制相应的计算公式，设置曲线格式并指定数据源。将此表格样本文件妥善保存，写入贯入数据时对副本进行操作。

3 数据导入程序编制

编制一个简单程序，提取保存为标准文本格式文件的承载比贯入试验(林宗元,2005)数据，写入上述Excel表格副本中。以VFP6编程(张洪举,2003)为例，代码如下：

……

xlsample=′d: tg承载比贯入试验样板.xls′

xlsname=′d: tg emp.xls′

if !file(xlsample)

=messagebox(″表头格式文件已丢失或损坏,请重新定制！″,0+16+0,″系统提示信息″)

return

else

copy file ″&xlsample″ to ″&xlsname″ &&复制一个表格样式副本

endif

filename=thisform.label3.caption

str1=′文件结束′

if ′.ZJ.TXT′ $ filename

n=0

ofile=fopen((filename))

fend=fseek(ofile,0,2)

ftop=fseek(ofile,0)

do while !empty(str1)

str1=fgets(ofile,fend)

if len(str1)<12

exit

endif

str2=fgets(ofile,fend)

str3=fgets(ofile,fend)

str4=fgets(ofile,fend)

str5=fgets(ofile,fend)

str6=fgets(ofile,fend)

str7=fgets(ofile,fend)

str8=fgets(ofile,fend)

str9=fgets(ofile,fend)

if len(str2)>25 &&判断数据有效性

室编号 20217-2a原编号1样品描述外掺6%石灰贯入杆面积(cm2)19．625贯入速度(mm/min)1试件压实度(%)95量力环系数C(N/0．01mm)114．66最优含水率(%)17．3最大干密度(g/cm3)1．650贯入量L(0．01mm)测力计读数贯入量L(0．01mm)测力计读数R(0．01mm)00280495129549613104961325497133950923545017336850265383503673975046841250551042751651244151751445751841747251941948651105225015211425516521242753052134305455214433559521553557452166375905217640604531874261853199446345321146648532244766454237485795425049693542664970755承载比贯入深度修正值(0．01mm)贯入量为2．5mm时荷载强度P2．5=CR2．5/A2837 (kPa)贯入量为5．0mm时荷载强度P5．0=CR5．0/A3010 (kPa)贯入量为2．5mm时承载比CBR2．5=P2．5/7000×10040．53 (%)贯入量为5．0mm时承载比CBR5．0=P5．0/10500×10028．66 (%)说明：

图3 数据源表格示意图

Fig.2 Sketch showing the form of data source

str10=fgets(ofile,fend)

str11=fgets(ofile,fend)

else

str10=′

str11=″

endif

str0=fgets(ofile,fend)

sampbh1=stuff(str1,0,at_c(′,′,str1),″)

jqtype1=stuff(sampbh1,0,at_c(′,′,sampbh1),″)

sampbh=stuff(sampbh1,at_c(′,′,sampbh1),len(sampbh1),″) &&取得样品编号

dimension L1(60,1),L2(60,1),L(60,1),R(60,1)

for A=1 to 60

L1(A)=0

L2(A)=0

L(A)=0

R(A)=0

endfor

for A=1 to 60

L1(A)=val(alltrim(substr(str5,4+7*(A-1),6)))

L2(A)=val(alltrim(substr(str7,4+7*(A-1),6)))

L(A)=(L1(A)+L2(A))/2 &&用两个传感器的平均值作为贯入深度

R(A)=val(alltrim(substr(str9,4+7*(A-1),6)))

endfor

cbr_xls=′d: tgdata承载比贯入记录′+alltrim(sampbh)+′.xls′

oExl=createobject("excel.application")

oExl.visible=.f.

oExl.workbooks.open("&xlsname")

oExl.activesheet.cells(5,2).value=sampbh

for A=1 to 60 &&将贯入数据写入表格

oExl.activesheet.cells(4+A,1).value=L(A)

oExl.activesheet.cells(4+A,2).value=R(A)

endfor

*程序中用相邻两点内插算法求得贯入深度为2.5 mm和5.0 mm的测力计量表读数

For A=1 to 60

if L(A)>=250 and L(A-1)<250

R250=R(A-1)+(R(A)-R(A-1))*(L(A-1)-250)/(L(A-1)-L(A))

oExl.activesheet.cells(2,19).value=R250

endif

if L(A)>=500 and L(A-1)<500

R500=R(A-1)+(R(A)-R(A-1))*(L(A-1)-500)/(L(A-1)-L(A))

oExl.activesheet.cells(5,19).value=R500

endif

endfor

oExl.activeworkbook.saveas(cbr_xls)

oExl.activeworkbook.close

enddo

=messageBox("数据传输完毕！",0+64+0,"系统提示信息")

=fclose(ofile)

endif

也可以不采用任何编程技术，而直接通过Excel获取外部数据的功能，将上述标准格式文本文件(文件名为ZJ.txt)导入电子表格，再经简单编辑后粘贴到样本表格中的指定位置。

4 贯入试验资料整理

以上程序封装在已开发的岩土试验软件中。通过调用相应菜单，在弹出框中指定标准格式文本文件路径，点击程序运行按钮，将文本文件中的贯入数据提取出来，写入编制的表格样本的副本，表格自动获得成果数据和曲线(图4)，当根据曲线形态判断需要修正贯入零点时，只需在相应表栏中输入1个修正量即可，非常简便。

图4 剪切应力位移图Fig.4 Diagram showing shear stress and shear displacement

具体试验操作中还有一些细节需要妥善控制，例如剪切位移量和贯入速率的设置，要确保试验采样结束时的有效贯入量达到试验规范的要求，建议采用量程>10 mm的位移传感器(各试验规范均要求贯入深度达10.0～12.5 mm方可结束试验，考虑到一般仅需提供贯入量为2.5 mm或5.0 mm的承载比，当不具备条件时可采用10 mm量程的传感器，此时的实际贯入量稍小于规范的要求)。采集系统中剪切位移量可设置为7～8 mm，剪切速率可设置为小于实际贯入速率的数值，如0.6～0.8 mm/min，确保试验过程中达到预期贯入深度时系统仍能记录数据。因贯入深度取用2个量表的平均值，试样的安装调试非常重要，应确保各传感器同步记录采样。

5 结 论

(1) 采用一个“移花接木”的低成本CBR数据采集方案，利用现有的智龙直剪试验数据采集装置，不需要额外投入，通过简单的设置即可用于自动记录承载比贯入数据。

(2) 编制一个Excel表格，并通过程序完成数据的提取和写入。

(3) 用此方案可节省试验的人力(观测、绘图及计算均由计算机完成)，提高数据的质量，减少人为误差，采集的数据密度由人工读数的十几个增加到60个(智龙直剪采集的上限)。

Excel Home，2011. Excel实战技巧精粹:图标与图形[M]. 北京:人民邮电出版社：439-586.

范巍，2004. 公路路基施工承载比(CBR)试验方法[J]. 河南科技(9):42-43.

国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部，1999. 土工试验方法标准：GB/T 50123—1999[S]. 北京：中国计划出版社.

林宗元，2005. 岩土工程试验监测手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社：84.

刘静，2010. 浅谈加州承载比(CBR)的试验方法[J]. 科学之友(9): 47-48.

魏善文，敬爱玲，陶世英，2001. CBR试验常见问题探讨[J]. 辽宁交通科技,24(4):31-41.

王亚利，2009. 浅谈CBR试验中的常见问题[J]. 福建建材(4):92-93.

中华人民共和国水利部，1999. 土工试验规程：SL 237—1999[S]. 北京:中国水利水电出版社.

张洪举，2003. 专家门诊：Visual FoxPro开发答疑问160问[M]. 北京:人民邮电出版社:192.

中华人民共和国交通部，2007. 公路土工试验规程：JTG E40—2007[S]. 北京：人民交通出版社.

中华人民共和国铁道部，2010. 铁路工程土工试验规程：TB 10102—2010[S]. 北京：中国铁道出版社.

Automatic acquisition method of penetration test data of bearing ratio

CHEN Xiaoping, WU Jiang, ZHANG Hao

(Hydrogeologic and Geo-Enginering Geological Survey Institute of Jiangsu Province, Huaian 223005, Jiangsu, China)

During the experimental investigation of the main work of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, enlightened by the automatic data acquisition of direct shear test data, we used the function of direct shear test model in the automatic data acquisition system of soil test, and applied it to the data acquisition of penetration data of bearing ratio with simple set up. This improves the work efficiency and the accuracy of experimental data, and also reduces the influence of personal factors on the test results. In addition, we utilized the Excel software to compile a sample table file recording penetration test data, and imported the automatically collected data to this file by simple programming to complete automatic drawing and result calculation.

bearing ratio； displacement sensor; data collection; electronic form; main work investigation; Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.678

2015-11-05；

2015-12-23；编辑：蒋艳

国家发改委项目“港珠澳大桥主体工程”(41130213)

陈小萍(1982— )，女，工程师，土木工程专业，长期从事岩土测试相关工作,E-mail: heglabdjj@126.com

TP317

A

1674-3636(2016)04-0678-05