廖 波,周檀君,季雨坤

(1.浙江工商大學(xué)國家級文科綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,杭州 310018;2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221008)

在巖土力學(xué)與工程領(lǐng)域,土壓力荷載大小與分布是需重點(diǎn)研究的問題。土壓力是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主要荷載之一,確定土壓力的大小與分布形式對支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有重要意義。經(jīng)典的庫侖或郎肯擋土墻土壓力計(jì)算理論,因計(jì)算簡單和力學(xué)概念明確,一直為工程設(shè)計(jì)采用;但由于巖土工程問題的復(fù)雜性,都不易得到令人滿意的結(jié)果,模型試驗(yàn)及現(xiàn)場測試仍是該領(lǐng)域不可缺少的主要研究方法[1-4]。目前,關(guān)于土壓力大小及分布的試驗(yàn)研究中,多是通過多點(diǎn)布列土壓力傳感器的方法進(jìn)行量測,現(xiàn)場原位測試或室內(nèi)較大型模型試驗(yàn)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(yàn)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(qiáng)人意的,尺寸過大、布點(diǎn)太少、布線較多等都會影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。近年來出現(xiàn)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(xué)領(lǐng)域研究中也有應(yīng)用[5],但這種傳感器目前主要依靠進(jìn)口,種類較單一,難滿足我國科研及工程技術(shù)人員的普遍需求。因此,研發(fā)新型土壓力傳感器是必要的。

Weiler and Kulhawy總結(jié)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(yīng):天然地基或土工結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)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(yīng)力場尤其是壓力盒周圍土體中的應(yīng)力場產(chǎn)生影響,改變原有的分布。土壓力盒的嵌入效應(yīng)與其厚徑比T/D(T 為厚度,D為外徑)密切相關(guān),對于測量土體內(nèi)部應(yīng)力的土壓力盒來說,它的T/D必須較小,文獻(xiàn)[8]建議該值應(yīng)不大于0.20;對于測量結(jié)構(gòu)物表面土壓力的界面土壓力盒來說,由于盒體埋設(shè)在結(jié)構(gòu)物體內(nèi),與結(jié)構(gòu)物原有表面齊平,因此,可以忽略它的嵌入效應(yīng),故在這類土壓力盒設(shè)計(jì)中,對T/D的取值并沒有作嚴(yán)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(yīng)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(shí)現(xiàn)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(yīng)力場出現(xiàn)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(shè)后,上覆土層的填筑壓實(shí)會擾動土體,使土壓力盒過多承擔(dān)土體中的應(yīng)力,造成所謂的應(yīng)力集中。④不同環(huán)境的影響:例如標(biāo)定時溫度和實(shí)際測點(diǎn)的環(huán)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(huán)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(nèi)外同行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,為離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yīng)變計(jì)測定感應(yīng)膜的變形,盒體材料采用合金鋁,主要用于土與結(jié)構(gòu)物界面土壓力的測量。水壓力和砂土壓力標(biāo)定結(jié)果表明,這種微型土壓力盒的線性度良好;在研究地下連續(xù)墻的側(cè)向土壓力分布的離心模型試驗(yàn)中,根據(jù)這種微型土壓力盒的測試結(jié)果,獲得了合理的側(cè)壓力系數(shù)[9]?？梢?隨著土壓力問題研究的不斷深入,對傳感器本身進(jìn)行研究也越來越顯得重要。

本文嘗試研發(fā)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(fā)原理及制作工藝,并在此基礎(chǔ)上研制了土壓力線性分布傳感器;然后對傳感器進(jìn)行了壓力標(biāo)定,并嘗試將這種分布式傳感器用于大型模型試驗(yàn)中進(jìn)行土壓力分布測試,檢驗(yàn)其可行性。

1 新型土壓力傳感器研制

1.1 傳感器原理

將導(dǎo)電填料填充入絕緣的聚合物基體中可獲得具有導(dǎo)電性的填充型導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料,這種復(fù)合材料具有優(yōu)良的壓敏性,當(dāng)受到壓力荷載后其電阻值會發(fā)生變化[10-11]。另外,兩種導(dǎo)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(jīng)驗(yàn)公式來估算:

(1)

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

根據(jù)以上原理,在前期對填充型導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料研究的基礎(chǔ)上,嘗試開發(fā)新型土壓力傳感器。

圖1 薄膜式傳感器兩種結(jié)構(gòu)

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

首先根據(jù)文獻(xiàn)[10]中類似的工藝流程復(fù)合得到填充型樹脂基復(fù)合材料(壓力敏感材料),然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),制作土壓力傳感器。

傳感器設(shè)計(jì)考慮了兩種結(jié)構(gòu),分別是單層結(jié)構(gòu)與雙層結(jié)構(gòu),如圖1所示。圖1(a)為單層結(jié)構(gòu),傳感器由底膜(塑料薄膜)、導(dǎo)線與敏感材料組成;圖1(b)為雙層結(jié)構(gòu),其中上圖是傳感器實(shí)物圖,下圖為雙層結(jié)構(gòu)示意圖。從示意圖可知,雙層結(jié)構(gòu)傳感器由兩層薄膜(塑料薄膜)組成,兩層薄膜上分別有導(dǎo)線與敏感材料。

兩種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(lián)關(guān)系,連接測試儀測試它們的總電阻。試驗(yàn)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(jié)構(gòu)傳感器壓力測試數(shù)據(jù)對比

1.3 初步測試

分別對兩種結(jié)構(gòu)傳感器進(jìn)行了試驗(yàn),測試結(jié)果如圖3示。從圖3可知,雙層結(jié)構(gòu)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(jié)果看,雙層結(jié)構(gòu)傳感器具有更好的性能,我們將對其進(jìn)行更深入的研究。圖3(b)的曲線也可看到,雙層結(jié)構(gòu)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(jù)上述雙層結(jié)構(gòu)薄膜式單點(diǎn)土壓力傳感器的結(jié)構(gòu)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(dǎo)線,共計(jì)12個壓力測點(diǎn),測點(diǎn)中心間距為11 mm,測點(diǎn)直徑為7 mm,連接端子用于連接測試數(shù)據(jù)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(jù)模型試驗(yàn)需要,制作了3個分布式傳感器,并對各測點(diǎn)逐個進(jìn)行了標(biāo)定。傳感器編號分別為 1#、2#和3#,測點(diǎn)從左到右(圖4)分別為測點(diǎn)1～12。

圖5為2#分布式傳感器測點(diǎn)1的標(biāo)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(diǎn)的標(biāo)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(shù)關(guān)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(guān)系曲線(測點(diǎn)1)

表1 2#傳感器各測點(diǎn)標(biāo)定方程

3 模型試驗(yàn)

利用團(tuán)隊(duì)開展大型模型試驗(yàn)的機(jī)會,檢驗(yàn)了研制的新型分布式傳感器的初步可行性。

3.1 模型試驗(yàn)簡介

團(tuán)隊(duì)開展了斜井凍結(jié)壁三維光彈性應(yīng)力凍結(jié)試驗(yàn)研究。光彈性法是一種較為成熟的應(yīng)力測試方法,能夠直觀地反映出結(jié)構(gòu)在荷載作用下彈性階段內(nèi)的全場應(yīng)力分布規(guī)律。斜井凍結(jié)壁交圈后,從幾何形態(tài)近似考慮為厚壁筒,荷載特征表現(xiàn)為非軸對稱的空間非均勻分布,這是一個軸對稱結(jié)構(gòu)受非軸對稱荷載的空間問題。本文采用三維光彈凍結(jié)切片分析法,對斜井凍結(jié)壁在荷載作用下彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究。模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括光彈儀、數(shù)字圖像采集儀、電熱箱、試驗(yàn)箱及加載系統(tǒng)等。

試驗(yàn)箱為鋼制長方形箱體,內(nèi)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(dú)立加載。在試驗(yàn)箱頂部安置有帶12套杠桿的反力加載系統(tǒng),每套杠桿能獨(dú)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(tǒng)可近似模擬線性荷載,加載系統(tǒng)可模擬相似?；?°～30°傾角斜井凍結(jié)壁在斜深500 m處的豎向土壓力。模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6示,左圖為系統(tǒng)正面,右圖為系統(tǒng)的背面。

圖6 模型試驗(yàn)系統(tǒng)圖

根據(jù)光彈試驗(yàn)要求,斜井凍結(jié)壁模型采用環(huán)氧樹脂澆注而成(圖7)。模型內(nèi)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(shè)了傳感器,模型在試驗(yàn)箱中布設(shè)角度為25°。傳感器位置及測點(diǎn)布置如圖8所示,傳感器1#在最上面,3#在最下面;測點(diǎn)在圓周上相隔20°,測點(diǎn)1與測點(diǎn)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(jié)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(diǎn)(1～12)布置圖

3個薄膜式土壓力分布傳感器在凍結(jié)壁模型上的安裝方法是相同的。首先確定安裝位置,進(jìn)行表面打磨;然后用環(huán)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(huán)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(jié)構(gòu)對模型試驗(yàn)的影響。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖9為模型試驗(yàn)加載過程中3#傳感器測點(diǎn)1～10號測得的壓力數(shù)據(jù)曲線。加載時,砝碼是逐個放置上去的,當(dāng)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(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)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(diǎn)壓力不斷增長,最后逐漸穩(wěn)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(diǎn)壓力數(shù)據(jù)

從圖9中的曲線也可知,加載完畢后,各測點(diǎn)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定,此時測點(diǎn)10的壓力最大,測點(diǎn)1次之;測點(diǎn)6最小,測點(diǎn)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(wěn)定后3個傳感器的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,根據(jù)測點(diǎn)在圓周上的分布,得到圖10,3個傳感器各測點(diǎn)在壓力穩(wěn)定時的壓力數(shù)據(jù)曲線。從曲線可明顯看出,3個傳感器均呈現(xiàn)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(diǎn)與文獻(xiàn)[12]中的理論分析結(jié)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(wěn)定時3個傳感器各測點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)曲線

4 分析

模型試驗(yàn)表明,研制的薄膜式新型土壓力分布傳感器實(shí)現(xiàn)對土壓力分布的測試具有一定的可行性,且具有以下特點(diǎn):①測點(diǎn)面積小。理論上測點(diǎn)直徑可小于1 mm,可實(shí)現(xiàn)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(nèi)部應(yīng)力是滿足要求的;薄膜式的結(jié)構(gòu)使傳感器便于安裝在支護(hù)結(jié)構(gòu)的表面;③布線少。新型傳感器引線少且細(xì),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(yīng)性更強(qiáng)。

5 總結(jié)

在巖土力學(xué)與工程領(lǐng)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(fā)也愈顯重要。本文嘗試?yán)镁哂袎好粜缘奶畛湫蛯?dǎo)電聚合物復(fù)合材料研發(fā)了新型土壓力傳感器,并通過大型模型試驗(yàn)測試檢驗(yàn)了其可行性。①分析了傳感器的設(shè)計(jì)原理,并制作了兩種結(jié)構(gòu)的薄膜式壓力傳感器。②對兩種結(jié)構(gòu)薄膜式傳感器進(jìn)行了初步測試,結(jié)果表明,雙層結(jié)構(gòu)傳感器具有更好的壓力靈敏度。③根據(jù)雙層結(jié)構(gòu)制作了3個分布式土壓力傳感器;分別標(biāo)定后,安裝在模型井筒上。④通過大型模型試驗(yàn)實(shí)測檢驗(yàn)了薄膜式傳感器的基本性能,從結(jié)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(diǎn),包括測點(diǎn)面積小(可實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)曲面表面壓力測試)等,具有進(jìn)一步深入研究的價值。

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