薄膜式土压力分布传感器研发及试验研究*

廖 波,周檀君,季雨坤

(1.浙江工商大学国家级文科综合实验教学示范中心,杭州 310018;2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221008)

在岩土力学与工程领域,土压力荷载大小与分布是需重点研究的问题。土压力是作用在支护结构上的主要荷载之一,确定土压力的大小与分布形式对支护结构的安全以及优化设计等具有重要意义。经典的库仑或郎肯挡土墙土压力计算理论,因计算简单和力学概念明确,一直为工程设计采用;但由于岩土工程问题的复杂性,都不易得到令人满意的结果,模型试验及现场测试仍是该领域不可缺少的主要研究方法[1-4]。目前,关于土压力大小及分布的试验研究中,多是通过多点布列土压力传感器的方法进行量测,现场原位测试或室内较大型模型试验中一般采用压力盒(直径120 mm,厚10 mm是其中的一种);小型模型试验一般采用尺寸小些的土压力盒(如28 mm×8 mm、12 mm×8 mm、12 mm×8 mm、8 mm×6 mm等尺寸)。土压力盒用来测试土压力分布是差强人意的,尺寸过大、布点太少、布线较多等都会影响测试结果的准确性。近年来出现的面状压力分布传感器,如Tekscan薄膜式压力传感器在岩土力学领域研究中也有应用[5],但这种传感器目前主要依靠进口,种类较单一,难满足我国科研及工程技术人员的普遍需求。因此,研发新型土压力传感器是必要的。

Weiler and Kulhawy总结确定了影响土压力测量的因素共有14个[6];Egan and Merrifield将这些因素分成4类[7]:①嵌入效应:天然地基或土工结构物中的应力场原先都有一个分布,将土压力盒放置其中后,由于土压力盒的存在,它将对原先的应力场尤其是压力盒周围土体中的应力场产生影响,改变原有的分布。土压力盒的嵌入效应与其厚径比T/D(T 为厚度,D为外径)密切相关,对于测量土体内部应力的土压力盒来说,它的T/D必须较小,文献[8]建议该值应不大于0.20;对于测量结构物表面土压力的界面土压力盒来说,由于盒体埋设在结构物体内,与结构物原有表面齐平,因此,可以忽略它的嵌入效应,故在这类土压力盒设计中,对T/D的取值并没有作严格限制。②盒与土相互作用影响:无论是土中土压力盒或是界面土压力盒,压力盒的感应膜在土压力作用下都会变形挠曲,大部分土压力盒都是通过对变形挠曲的测量实现对土压力的测量;然而,受这种膜面的变形挠曲影响,压力盒周围的应力场出现重分布,影响了土压力测量精度,因此,这是一对矛盾。③填筑影响:对于土中土压力盒而言,在其埋设后,上覆土层的填筑压实会扰动土体,使土压力盒过多承担土体中的应力,造成所谓的应力集中。④不同环境的影响:例如标定时温度和实际测点的环境温度不一致等。影响土压力测量的这些因素在小比例尺的离心模拟环境中同样存在,并且可能显得更为突出。徐光明等在吸取了国内外同行经验基础上,为离心模型试验设计研制了一种微型土压力盒,其外径16 mm、厚4.8 mm,采用圆形箔式应变计测定感应膜的变形,盒体材料采用合金铝,主要用于土与结构物界面土压力的测量。水压力和砂土压力标定结果表明,这种微型土压力盒的线性度良好;在研究地下连续墙的侧向土压力分布的离心模型试验中,根据这种微型土压力盒的测试结果,获得了合理的侧压力系数[9]。可见,随着土压力问题研究的不断深入,对传感器本身进行研究也越来越显得重要。

本文尝试研发一种新型的土压力传感器,其为薄膜式。首先介绍了新型土压力传感器研发原理及制作工艺,并在此基础上研制了土压力线性分布传感器;然后对传感器进行了压力标定,并尝试将这种分布式传感器用于大型模型试验中进行土压力分布测试,检验其可行性。

1 新型土压力传感器研制

1.1 传感器原理

将导电填料填充入绝缘的聚合物基体中可获得具有导电性的填充型导电聚合物复合材料,这种复合材料具有优良的压敏性,当受到压力荷载后其电阻值会发生变化[10-11]。另外,两种导电材料相互接触其接触电阻值一般会随着压力的变化而变化,这种接触电阻通可用经验公式来估算:

(1)

式中:F为接触压力,m为与接触形式有关的系数,Kc为与接触材料、表面情况、接触形式等有关的系数。根据式(1)可知,当压力F增大时,接触电阻Rc随之减小。

根据以上原理,在前期对填充型导电聚合物复合材料研究的基础上,尝试开发新型土压力传感器。

图1 薄膜式传感器两种结构

1.2 传感器结构设计与制作

首先根据文献[10]中类似的工艺流程复合得到填充型树脂基复合材料(压力敏感材料),然后进行结构设计,制作土压力传感器。

传感器设计考虑了两种结构,分别是单层结构与双层结构,如图1所示。图1(a)为单层结构,传感器由底膜(塑料薄膜)、导线与敏感材料组成;图1(b)为双层结构,其中上图是传感器实物图,下图为双层结构示意图。从示意图可知,双层结构传感器由两层薄膜(塑料薄膜)组成,两层薄膜上分别有导线与敏感材料。

两种结构传感器的测试原图示意图如图2所示,其中,图1(a)为单层结构电路测试原理图,R为敏感材料的电阻,通过连接线连接测试仪测试R的大小;图1(b)为双层结构传感器电路测试原理图,传感器包括三部分电阻,分别为上下层敏感材料的电阻R1与R2、上下层敏感材料之间的接触电阻R3,这3个电阻之间是串联关系,连接测试仪测试它们的总电阻。试验中使用的测试仪为DateTaker80测试仪,测试时通过图2中的原理测试传感器受到压力时电阻的变化值即可。

图2 传感器测试原理示意图

图3 两种结构传感器压力测试数据对比

1.3 初步测试

分别对两种结构传感器进行了试验,测试结果如图3示。从图3可知,双层结构传感器的压阻特性明显更好,灵敏度更高,压力增大后电阻减小明显。

从初步测试结果看,双层结构传感器具有更好的性能,我们将对其进行更深入的研究。图3(b)的曲线也可看到,双层结构传感器的电阻值随压力的增大而减小,与式(1)也是相符的。

2 薄膜式土压力分布测试传感器

根据上述双层结构薄膜式单点土压力传感器的结构制作了线性分布土压力传感器,如图4示。传感器由双层薄膜组成,薄膜上印刷有导线,共计12个压力测点,测点中心间距为11 mm,测点直径为7 mm,连接端子用于连接测试数据线,传感器整体厚度约为0.2 mm。

图4 薄膜式土压力分布测试传感器(2#)

根据模型试验需要,制作了3个分布式传感器,并对各测点逐个进行了标定。传感器编号分别为 1#、2#和3#,测点从左到右(图4)分别为测点1～12。

图5为2#分布式传感器测点1的标定曲线,由于篇幅限制,这里不再逐个列出;表1列出了2#传感器12个测点的标定方程。

从表1可知,传感器的压力值与电阻值之间具有较好的幂函数关系,方程拟合度均较好。

图5 分布式土压力薄膜传感器压力与电阻关系曲线(测点1)

表1 2#传感器各测点标定方程

3 模型试验

利用团队开展大型模型试验的机会,检验了研制的新型分布式传感器的初步可行性。

3.1 模型试验简介

团队开展了斜井冻结壁三维光弹性应力冻结试验研究。光弹性法是一种较为成熟的应力测试方法,能够直观地反映出结构在荷载作用下弹性阶段内的全场应力分布规律。斜井冻结壁交圈后,从几何形态近似考虑为厚壁筒,荷载特征表现为非轴对称的空间非均匀分布,这是一个轴对称结构受非轴对称荷载的空间问题。本文采用三维光弹冻结切片分析法,对斜井冻结壁在荷载作用下弹性范围内的应力分布规律进行研究。模拟试验系统主要包括光弹仪、数字图像采集仪、电热箱、试验箱及加载系统等。

试验箱为钢制长方形箱体,内部尺寸为(长宽高)1.2 m×1 m×1 m,上覆12块宽度为7.5 cm和11.5 cm的条形加载板,每块加载板可以独立加载。在试验箱顶部安置有带12套杠杆的反力加载系统,每套杠杆能独立施加最大至5 t的荷载,加载杠杆与传力杆铰接,12套杠杆加载系统可近似模拟线性荷载,加载系统可模拟相似模化后0°～30°倾角斜井冻结壁在斜深500 m处的竖向土压力。模型试验系统如图6示,左图为系统正面,右图为系统的背面。

图6 模型试验系统图

根据光弹试验要求,斜井冻结壁模型采用环氧树脂浇注而成(图7)。模型内径φ40 mm,外径φ68 mm,长度为790 mm;在模型长度位置1/4、1/2、3/4处分别布设了传感器,模型在试验箱中布设角度为25°。传感器位置及测点布置如图8所示,传感器1#在最上面,3#在最下面;测点在圆周上相隔20°,测点1与测点10正好落在圆周的顶端(90°位置)与底端(-90°位置)。

图7 斜井冻结壁模型及传感器安装

图8 分布式土压力薄膜传感器位置及测点(1～12)布置图

3个薄膜式土压力分布传感器在冻结壁模型上的安装方法是相同的。首先确定安装位置,进行表面打磨;然后用环氧树脂胶将传感器逐个粘贴;再在模型外表面(包括传感器外表面)涂刷一层均匀的环氧树脂胶,最后再涂上一层较均匀的石英砂,使得外表面基本平整,如图7所示。这样的安装方法是可减小传感器结构对模型试验的影响。

3.2 试验结果

图9为模型试验加载过程中3#传感器测点1～10号测得的压力数据曲线。加载时,砝码是逐个放置上去的,当砝码放置不理想时,会将砝码拿起再重新放置。由于10个测点的压力数据大小不同,为完整表示,使用了4张图。从图中曲线可看出,在加载过程时,各测点压力不断增长,最后逐渐稳定;各曲线具有相似的上升趋势,砝码放置造成的压力波动也是一致的。

图9 加载过程中3#传感器各测点压力数据

从图9中的曲线也可知,加载完毕后,各测点数据基本稳定,此时测点10的压力最大,测点1次之;测点6最小,测点7次之。这表明,模型顶端与底端压力较大,模型中间压力较小。将加载压力稳定后3个传感器的压力数据进行整理,根据测点在圆周上的分布,得到图10,3个传感器各测点在压力稳定时的压力数据曲线。从曲线可明显看出,3个传感器均呈现出模型顶端与底端压力较大、中间压力较小的趋势,而这一点与文献[12]中的理论分析结果是吻合的,即土压力荷载绝对值的分布在井筒两帮(θ=0)处最小。

图10 加载压力稳定时3个传感器各测点压力数据曲线

4 分析

模型试验表明,研制的薄膜式新型土压力分布传感器实现对土压力分布的测试具有一定的可行性,且具有以下特点:①测点面积小。理论上测点直径可小于1 mm,可实现较大的测试密度;②厚度薄。厚径比T/D小,上述制作的传感器T/D约为0.029,测量土体内部应力是满足要求的;薄膜式的结构使传感器便于安装在支护结构的表面;③布线少。新型传感器引线少且细,可减小对土体的扰动;④可弯曲。新型传感器可以弯曲,且挠度较大,可紧贴在弯曲的表面,适应性更强。

5 总结

在岩土力学与工程领域,随着对土压力荷载大小与分布研究的深入,新型测试方法及传感器的研发也愈显重要。本文尝试利用具有压敏性的填充型导电聚合物复合材料研发了新型土压力传感器,并通过大型模型试验测试检验了其可行性。①分析了传感器的设计原理,并制作了两种结构的薄膜式压力传感器。②对两种结构薄膜式传感器进行了初步测试,结果表明,双层结构传感器具有更好的压力灵敏度。③根据双层结构制作了3个分布式土压力传感器;分别标定后,安装在模型井筒上。④通过大型模型试验实测检验了薄膜式传感器的基本性能,从结果看,新型薄膜式传感器用于土压力分布测试具有一定的可行性。⑤薄膜式传感器具有一定的特点,包括测点面积小(可实现大密度测试)、厚度薄(T/D小,对土体扰动小)、布线少(引线方便,对土体扰动小)、可弯曲(弯曲挠度大,可实现曲面表面压力测试)等,具有进一步深入研究的价值。

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