薄膜式土壓力分布傳感器研發及試驗研究*

廖 波,周檀君,季雨坤

(1.浙江工商大學國家級文科綜合實驗教學示范中心,杭州 310018;2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇 徐州 221008)

在巖土力學與工程領域,土壓力荷載大小與分布是需重點研究的問題。土壓力是作用在支護結構上的主要荷載之一,確定土壓力的大小與分布形式對支護結構的安全以及優化設計等具有重要意義。經典的庫侖或郎肯擋土墻土壓力計算理論,因計算簡單和力學概念明確,一直為工程設計采用;但由于巖土工程問題的復雜性,都不易得到令人滿意的結果,模型試驗及現場測試仍是該領域不可缺少的主要研究方法[1-4]。目前,關于土壓力大小及分布的試驗研究中,多是通過多點布列土壓力傳感器的方法進行量測,現場原位測試或室內較大型模型試驗中一般采用壓力盒(直徑120 mm,厚10 mm是其中的一種);小型模型試驗一般采用尺寸小些的土壓力盒(如28 mm×8 mm、12 mm×8 mm、12 mm×8 mm、8 mm×6 mm等尺寸)。土壓力盒用來測試土壓力分布是差強人意的,尺寸過大、布點太少、布線較多等都會影響測試結果的準確性。近年來出現的面狀壓力分布傳感器,如Tekscan薄膜式壓力傳感器在巖土力學領域研究中也有應用[5],但這種傳感器目前主要依靠進口,種類較單一,難滿足我國科研及工程技術人員的普遍需求。因此,研發新型土壓力傳感器是必要的。

Weiler and Kulhawy總結確定了影響土壓力測量的因素共有14個[6];Egan and Merrifield將這些因素分成4類[7]:①嵌入效應:天然地基或土工結構物中的應力場原先都有一個分布,將土壓力盒放置其中后,由于土壓力盒的存在,它將對原先的應力場尤其是壓力盒周圍土體中的應力場產生影響,改變原有的分布。土壓力盒的嵌入效應與其厚徑比T/D(T 為厚度,D為外徑)密切相關,對于測量土體內部應力的土壓力盒來說,它的T/D必須較小,文獻[8]建議該值應不大于0.20;對于測量結構物表面土壓力的界面土壓力盒來說,由于盒體埋設在結構物體內,與結構物原有表面齊平,因此,可以忽略它的嵌入效應,故在這類土壓力盒設計中,對T/D的取值并沒有作嚴格限制。②盒與土相互作用影響:無論是土中土壓力盒或是界面土壓力盒,壓力盒的感應膜在土壓力作用下都會變形撓曲,大部分土壓力盒都是通過對變形撓曲的測量實現對土壓力的測量;然而,受這種膜面的變形撓曲影響,壓力盒周圍的應力場出現重分布,影響了土壓力測量精度,因此,這是一對矛盾。③填筑影響:對于土中土壓力盒而言,在其埋設后,上覆土層的填筑壓實會擾動土體,使土壓力盒過多承擔土體中的應力,造成所謂的應力集中。④不同環境的影響:例如標定時溫度和實際測點的環境溫度不一致等。影響土壓力測量的這些因素在小比例尺的離心模擬環境中同樣存在,并且可能顯得更為突出。徐光明等在吸取了國內外同行經驗基礎上,為離心模型試驗設計研制了一種微型土壓力盒,其外徑16 mm、厚4.8 mm,采用圓形箔式應變計測定感應膜的變形,盒體材料采用合金鋁,主要用于土與結構物界面土壓力的測量。水壓力和砂土壓力標定結果表明,這種微型土壓力盒的線性度良好;在研究地下連續墻的側向土壓力分布的離心模型試驗中,根據這種微型土壓力盒的測試結果,獲得了合理的側壓力系數[9]。可見,隨著土壓力問題研究的不斷深入,對傳感器本身進行研究也越來越顯得重要。

本文嘗試研發一種新型的土壓力傳感器,其為薄膜式。首先介紹了新型土壓力傳感器研發原理及制作工藝,并在此基礎上研制了土壓力線性分布傳感器;然后對傳感器進行了壓力標定,并嘗試將這種分布式傳感器用于大型模型試驗中進行土壓力分布測試,檢驗其可行性。

1 新型土壓力傳感器研制

1.1 傳感器原理

將導電填料填充入絕緣的聚合物基體中可獲得具有導電性的填充型導電聚合物復合材料,這種復合材料具有優良的壓敏性,當受到壓力荷載后其電阻值會發生變化[10-11]。另外,兩種導電材料相互接觸其接觸電阻值一般會隨著壓力的變化而變化,這種接觸電阻通可用經驗公式來估算:

(1)

式中:F為接觸壓力,m為與接觸形式有關的系數,Kc為與接觸材料、表面情況、接觸形式等有關的系數。根據式(1)可知,當壓力F增大時,接觸電阻Rc隨之減小。

根據以上原理,在前期對填充型導電聚合物復合材料研究的基礎上,嘗試開發新型土壓力傳感器。

圖1 薄膜式傳感器兩種結構

1.2 傳感器結構設計與制作

首先根據文獻[10]中類似的工藝流程復合得到填充型樹脂基復合材料(壓力敏感材料),然后進行結構設計,制作土壓力傳感器。

傳感器設計考慮了兩種結構,分別是單層結構與雙層結構,如圖1所示。圖1(a)為單層結構,傳感器由底膜(塑料薄膜)、導線與敏感材料組成;圖1(b)為雙層結構,其中上圖是傳感器實物圖,下圖為雙層結構示意圖。從示意圖可知,雙層結構傳感器由兩層薄膜(塑料薄膜)組成,兩層薄膜上分別有導線與敏感材料。

兩種結構傳感器的測試原圖示意圖如圖2所示,其中,圖1(a)為單層結構電路測試原理圖,R為敏感材料的電阻,通過連接線連接測試儀測試R的大小;圖1(b)為雙層結構傳感器電路測試原理圖,傳感器包括三部分電阻,分別為上下層敏感材料的電阻R1與R2、上下層敏感材料之間的接觸電阻R3,這3個電阻之間是串聯關系,連接測試儀測試它們的總電阻。試驗中使用的測試儀為DateTaker80測試儀,測試時通過圖2中的原理測試傳感器受到壓力時電阻的變化值即可。

圖2 傳感器測試原理示意圖

圖3 兩種結構傳感器壓力測試數據對比

1.3 初步測試

分別對兩種結構傳感器進行了試驗,測試結果如圖3示。從圖3可知,雙層結構傳感器的壓阻特性明顯更好,靈敏度更高,壓力增大后電阻減小明顯。

從初步測試結果看,雙層結構傳感器具有更好的性能,我們將對其進行更深入的研究。圖3(b)的曲線也可看到,雙層結構傳感器的電阻值隨壓力的增大而減小,與式(1)也是相符的。

2 薄膜式土壓力分布測試傳感器

根據上述雙層結構薄膜式單點土壓力傳感器的結構制作了線性分布土壓力傳感器,如圖4示。傳感器由雙層薄膜組成,薄膜上印刷有導線,共計12個壓力測點,測點中心間距為11 mm,測點直徑為7 mm,連接端子用于連接測試數據線,傳感器整體厚度約為0.2 mm。

圖4 薄膜式土壓力分布測試傳感器(2#)

根據模型試驗需要,制作了3個分布式傳感器,并對各測點逐個進行了標定。傳感器編號分別為 1#、2#和3#,測點從左到右(圖4)分別為測點1～12。

圖5為2#分布式傳感器測點1的標定曲線,由于篇幅限制,這里不再逐個列出;表1列出了2#傳感器12個測點的標定方程。

從表1可知,傳感器的壓力值與電阻值之間具有較好的冪函數關系,方程擬合度均較好。

圖5 分布式土壓力薄膜傳感器壓力與電阻關系曲線(測點1)

表1 2#傳感器各測點標定方程

3 模型試驗

利用團隊開展大型模型試驗的機會,檢驗了研制的新型分布式傳感器的初步可行性。

3.1 模型試驗簡介

團隊開展了斜井凍結壁三維光彈性應力凍結試驗研究。光彈性法是一種較為成熟的應力測試方法,能夠直觀地反映出結構在荷載作用下彈性階段內的全場應力分布規律。斜井凍結壁交圈后,從幾何形態近似考慮為厚壁筒,荷載特征表現為非軸對稱的空間非均勻分布,這是一個軸對稱結構受非軸對稱荷載的空間問題。本文采用三維光彈凍結切片分析法,對斜井凍結壁在荷載作用下彈性范圍內的應力分布規律進行研究。模擬試驗系統主要包括光彈儀、數字圖像采集儀、電熱箱、試驗箱及加載系統等。

試驗箱為鋼制長方形箱體,內部尺寸為(長寬高)1.2 m×1 m×1 m,上覆12塊寬度為7.5 cm和11.5 cm的條形加載板,每塊加載板可以獨立加載。在試驗箱頂部安置有帶12套杠桿的反力加載系統,每套杠桿能獨立施加最大至5 t的荷載,加載杠桿與傳力桿鉸接,12套杠桿加載系統可近似模擬線性荷載,加載系統可模擬相似模化后0°～30°傾角斜井凍結壁在斜深500 m處的豎向土壓力。模型試驗系統如圖6示,左圖為系統正面,右圖為系統的背面。

圖6 模型試驗系統圖

根據光彈試驗要求,斜井凍結壁模型采用環氧樹脂澆注而成(圖7)。模型內徑φ40 mm,外徑φ68 mm,長度為790 mm;在模型長度位置1/4、1/2、3/4處分別布設了傳感器,模型在試驗箱中布設角度為25°。傳感器位置及測點布置如圖8所示,傳感器1#在最上面,3#在最下面;測點在圓周上相隔20°,測點1與測點10正好落在圓周的頂端(90°位置)與底端(-90°位置)。

圖7 斜井凍結壁模型及傳感器安裝

圖8 分布式土壓力薄膜傳感器位置及測點(1～12)布置圖

3個薄膜式土壓力分布傳感器在凍結壁模型上的安裝方法是相同的。首先確定安裝位置,進行表面打磨;然后用環氧樹脂膠將傳感器逐個粘貼;再在模型外表面(包括傳感器外表面)涂刷一層均勻的環氧樹脂膠,最后再涂上一層較均勻的石英砂,使得外表面基本平整,如圖7所示。這樣的安裝方法是可減小傳感器結構對模型試驗的影響。

3.2 試驗結果

圖9為模型試驗加載過程中3#傳感器測點1～10號測得的壓力數據曲線。加載時,砝碼是逐個放置上去的,當砝碼放置不理想時,會將砝碼拿起再重新放置。由于10個測點的壓力數據大小不同,為完整表示,使用了4張圖。從圖中曲線可看出,在加載過程時,各測點壓力不斷增長,最后逐漸穩定;各曲線具有相似的上升趨勢,砝碼放置造成的壓力波動也是一致的。

圖9 加載過程中3#傳感器各測點壓力數據

從圖9中的曲線也可知,加載完畢后,各測點數據基本穩定,此時測點10的壓力最大,測點1次之;測點6最小,測點7次之。這表明,模型頂端與底端壓力較大,模型中間壓力較小。將加載壓力穩定后3個傳感器的壓力數據進行整理,根據測點在圓周上的分布,得到圖10,3個傳感器各測點在壓力穩定時的壓力數據曲線。從曲線可明顯看出,3個傳感器均呈現出模型頂端與底端壓力較大、中間壓力較小的趨勢,而這一點與文獻[12]中的理論分析結果是吻合的,即土壓力荷載絕對值的分布在井筒兩幫(θ=0)處最小。

圖10 加載壓力穩定時3個傳感器各測點壓力數據曲線

4 分析

模型試驗表明,研制的薄膜式新型土壓力分布傳感器實現對土壓力分布的測試具有一定的可行性,且具有以下特點:①測點面積小。理論上測點直徑可小于1 mm,可實現較大的測試密度;②厚度薄。厚徑比T/D小,上述制作的傳感器T/D約為0.029,測量土體內部應力是滿足要求的;薄膜式的結構使傳感器便于安裝在支護結構的表面;③布線少。新型傳感器引線少且細,可減小對土體的擾動;④可彎曲。新型傳感器可以彎曲,且撓度較大,可緊貼在彎曲的表面,適應性更強。

5 總結

在巖土力學與工程領域,隨著對土壓力荷載大小與分布研究的深入,新型測試方法及傳感器的研發也愈顯重要。本文嘗試利用具有壓敏性的填充型導電聚合物復合材料研發了新型土壓力傳感器,并通過大型模型試驗測試檢驗了其可行性。①分析了傳感器的設計原理,并制作了兩種結構的薄膜式壓力傳感器。②對兩種結構薄膜式傳感器進行了初步測試,結果表明,雙層結構傳感器具有更好的壓力靈敏度。③根據雙層結構制作了3個分布式土壓力傳感器;分別標定后,安裝在模型井筒上。④通過大型模型試驗實測檢驗了薄膜式傳感器的基本性能,從結果看,新型薄膜式傳感器用于土壓力分布測試具有一定的可行性。⑤薄膜式傳感器具有一定的特點,包括測點面積小(可實現大密度測試)、厚度薄(T/D小,對土體擾動小)、布線少(引線方便,對土體擾動小)、可彎曲(彎曲撓度大,可實現曲面表面壓力測試)等,具有進一步深入研究的價值。

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