智能四聯(lián)變水頭滲透儀的研制與應(yīng)用

            引言土體滲透性的測定是巖土工程和工程地質(zhì)評價(jià)的重要內(nèi)容，常以滲透系數(shù)表示，滲透系數(shù)是衡量土體滲透性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常使用常水頭和變水頭兩種方法測定。對于常見的黏性土體的滲透系數(shù)測定常采用變水頭滲透儀來完成。由于粘性土的滲透系數(shù)較小，通常要在幾個(gè)小時(shí)或幾十個(gè)小時(shí)完成一次試驗(yàn)，目前國內(nèi)絕大部分單位采用人工讀數(shù)，人工記錄和人工計(jì)算，這樣的試驗(yàn)方法普遍認(rèn)為費(fèi)事，人為因素較多，工作效率較低。在滿足達(dá)西定律的滲透原理基礎(chǔ)上進(jìn)行了智能化的設(shè)計(jì)，并對滲透試驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)和功能做了改進(jìn)，研制出了一種智能四聯(lián)變水頭滲透儀，實(shí)現(xiàn)了滲透系數(shù)試驗(yàn)的自動(dòng)化，并得到了用戶認(rèn)可。1 試驗(yàn)儀器的研制在傳統(tǒng)南55型滲透儀基礎(chǔ)上，結(jié)合電氣控制和軟件處理，研制出了智能四聯(lián)變水頭滲透儀（如圖1），同時(shí)結(jié)合用戶反饋，對儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

智能四聯(lián)變水頭滲透儀 1.1儀器特點(diǎn)
1.儀器智能化。本儀器采用高精度液位傳感器檢測水頭高度，利用ARM芯片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)的分析不同水位高度對應(yīng)的壓力值，并將模擬量轉(zhuǎn)換成高度值，實(shí)現(xiàn)了水頭高度的自動(dòng)測量，代替了傳統(tǒng)的人工讀數(shù)，減少人為誤差；儀器自帶MICRO_SD存儲(chǔ)單元，時(shí)間間隔，存儲(chǔ)試驗(yàn)過程中水頭高度的變化，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)工作，待試驗(yàn)完成后利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)和處理系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果。試驗(yàn)過程中無需人工參與，減少人為誤差，提高了工作效率和試驗(yàn)精度，也可大大地解放勞動(dòng)生產(chǎn)力。
2.自動(dòng)補(bǔ)水裝置。本儀器增加了微型水泵，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，可直接在觸摸屏上操作向水箱加水，方便快捷。
3.液位管上增加了防溢裝置，向液位管內(nèi)補(bǔ)水時(shí)無需擔(dān)心液位管內(nèi)的水溢出。
1.2主要技術(shù)指標(biāo)土樣直徑61.8mm，面積30cm2；土樣高度4cm；液位管斷面積0.785cm2；液位量程1000mm；分辨率0.1cm；綜合*.3%F.S.
2 計(jì)算
 2.1滲透系數(shù)計(jì)算滲透試驗(yàn)結(jié)果按變水頭公式，由軟件直接計(jì)算。

a―玻璃管橫截面面積0.785cm2A―土樣面積30cm2t1、t2―測量水頭的起始時(shí)間和終止時(shí)間（s）L―滲徑，即土樣高度4cmH1―起始水頭高度（液位），即土樣上端至起始水頭的距離（cm）H2―下降水頭高度（液位），即土樣上端至下降水頭的距離（cm） 2.2按下式計(jì)算校準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)    

KT―T℃時(shí)試樣滲透系數(shù)K20―20℃時(shí)試樣滲透系數(shù)ηT―T℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)（10-6kPa.s）ηT―20℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)（10-6kPa.s）比值ηT/η20與溫度的關(guān)系，見相關(guān)的表查得。3 液位傳感器標(biāo)定液位傳感器標(biāo)定是用來對儀器上的液位傳感器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義。1、滿量程：需要標(biāo)定的傳感器的總量程，以0.1mm為單位，本儀器可設(shè)置為10000（1000mm）。2、自動(dòng)分段：對總量程進(jìn)行等量分段，默認(rèn)分五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。3、調(diào)整水位：依次調(diào)整水位到實(shí)際值所示的值，點(diǎn)擊對應(yīng)的采集按鈕，完成該點(diǎn)的標(biāo)定。4、保存標(biāo)定參數(shù)：采集完五個(gè)點(diǎn)后，觀察標(biāo)定曲線（如圖2）是否是一條直線，確認(rèn)是直線后點(diǎn)擊下載參數(shù)，將標(biāo)定的數(shù)據(jù)寫入采集板。

圖2 傳感器標(biāo)定曲線標(biāo)定完成后，進(jìn)行水頭高度檢驗(yàn)，將液位標(biāo)尺數(shù)值和顯示屏上數(shù)值進(jìn)行對比，誤差在0.3%F.S.以內(nèi)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。表1水頭高度檢驗(yàn)結(jié)果

4 試驗(yàn)操作步驟1.試驗(yàn)前，開啟電源，利用微型水泵先向水箱注水；2.再依次將三通開關(guān)擰至“補(bǔ)水”，使有機(jī)玻璃管水位達(dá)到上限（1m水頭處）；3.將三通開關(guān)擰至“滲透”，打開容器開關(guān)，使下透水石與管路中的空氣排掉，待水滲出透水石將三通開關(guān)擰至“關(guān)閉”，同時(shí)關(guān)閉容器開關(guān)。

4.將飽和后的土樣兩端覆蓋上濕潤的濾紙，刀口向上放入滲透容器，然后依次在環(huán)刀的外側(cè)放入密封O型圈、密封壓板、擰緊鎖緊螺栓（避免底部滲漏），再在土樣上方安置透水石、導(dǎo)環(huán)和傳壓活塞，將鎖緊螺釘輕微壓住活塞；5.依次開啟三通開關(guān)補(bǔ)水，使有機(jī)玻璃管水位接近上限（1m以下），依次將三通開關(guān)擰至“滲透”，開始滲透試驗(yàn)操作。6.在觸摸屏界面上設(shè)置相關(guān)參數(shù)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，開啟容器開關(guān)，開始試驗(yàn)。7.試驗(yàn)結(jié)束后，將所有開關(guān)復(fù)位，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至電腦，根據(jù)時(shí)間與水頭變化的關(guān)系曲線，選擇不同時(shí)間段計(jì)算出相應(yīng)的滲透系數(shù)。8.需要時(shí)，輸出打印本次試驗(yàn)成果；9.試驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉電源，取出土樣，清洗容器。5 試驗(yàn)實(shí)時(shí)記錄和處理結(jié)果本儀器操作系統(tǒng)可通過顯示觸摸屏進(jìn)行儀器的參數(shù)預(yù)設(shè)、運(yùn)行控制及人機(jī)交互；以四聯(lián)方式工作，可同時(shí)平行開展四組變水頭滲透試驗(yàn)并生成試驗(yàn)數(shù)據(jù)；儀器的數(shù)據(jù)采集器能進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、顯示、自動(dòng)運(yùn)行存儲(chǔ)，采集速度可自行設(shè)定1-10次/s；數(shù)據(jù)成果可以報(bào)告輸出或曲線圖形輸出?？赏ㄟ^局域網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)在線查詢。可提供儀器的局域網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊、下載、存儲(chǔ)與監(jiān)控功能；可根據(jù)用戶的多樣性