土體變形監(jiān)測傳感器的研究

中國電力建設(shè)股份有限公司，北京 100000

近年來我國道路、鐵路及各類管道等基礎(chǔ)工程建設(shè)量大幅增加，此類施工中邊坡、基坑等結(jié)構(gòu)大量出現(xiàn)?；雍瓦吰聠栴}不僅是各種工程建設(shè)的基礎(chǔ)問題，也是影響施工地點(diǎn)周圍一定區(qū)域內(nèi)已有建筑物、構(gòu)筑物穩(wěn)定性的重要因素，因此研究基坑和邊坡問題對土體監(jiān)測尤為重要。

文章研究提出了一種新的基于Flex傳感技術(shù)的無線位移監(jiān)測系統(tǒng)，利用Flex傳感器的優(yōu)良性質(zhì)，設(shè)計一種獨(dú)特的封裝結(jié)構(gòu)，將Flex植入該孔結(jié)構(gòu)中。所設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)能保證Flex可以契合于測斜或測沉降。該系統(tǒng)能對邊坡位移、基坑傾斜進(jìn)行無線實(shí)時監(jiān)測，并且具有良好的精確度和準(zhǔn)確性。

1 Flex傳感器原理

傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以分為傳感元件、封裝元件，以及數(shù)據(jù)傳輸元件。

圖1 Flex彎曲傳感器示意圖

Flex彎曲傳感器是一種主要由導(dǎo)電元件和底物組成的條形電阻式傳感器，可以應(yīng)用于Flex彎曲傳感器上的導(dǎo)電元件包括基于碳元素構(gòu)成的油墨、顆粒、納米管等，以及一些特殊金屬，比如銅、銀等，此外也可以以導(dǎo)電橡膠作為導(dǎo)電元件。Flex傳感器受到彎曲作用時，其電阻會產(chǎn)生變化。存在如下關(guān)系：

式中：GF為應(yīng)變影響因素，其數(shù)值取決于傳感器制作材料及工藝；ΔR為電阻變化值；R為初始狀態(tài)的電阻值；ε為機(jī)械應(yīng)變。

該測斜傳感器設(shè)計采用定制的Flex自制，其中傳感元件是采用Spectra Symbol公司生產(chǎn)的Flex Sensor 4.5″單向彎曲傳感器，此傳感器規(guī)格為總長112.24mm、總寬6.35mm，厚度不大于0.43mm，有效測量長度為95.25mm；筆直狀態(tài)下的電阻值為10kΩ，彎曲時電阻值變化范圍為60～110kΩ，額定功率為0.5W，峰值功率為1W；電阻公差值為±30%，工作溫度范圍為-35～80℃；使用壽命超過100萬次彎曲。

傳感器的標(biāo)定過程：將Flex測斜傳感器連接好以后，水平放置，待軟件顯示的數(shù)據(jù)平穩(wěn)后，開始進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

標(biāo)定時將量角器與Flex測斜傳感器外殼緊密貼合，避免出現(xiàn)間隙造成標(biāo)定誤差，必要時可以用膠帶固定在端頭。標(biāo)定需要嚴(yán)格按照節(jié)點(diǎn)彎曲0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°來控制，且每次彎曲一個角度時需要停留10s以確保采集到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。這樣可以得到一組階梯式的標(biāo)定圖，如圖2～圖4所示。

圖2 1號傳感元件標(biāo)定結(jié)果

圖3 2號傳感元件標(biāo)定結(jié)果

圖4 3號傳感元件標(biāo)定結(jié)果

1號Flex彎曲傳感器的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)傳感器彎曲角度為0°時，其穩(wěn)定的輸出信號量為569；在彎曲角度為60°時，其穩(wěn)定的輸出信號量為442，整個標(biāo)定試驗(yàn)過程中信號量的變化為127。從圖2可以看出，當(dāng)彎曲角度變大時，F(xiàn)lex彎曲傳感器的輸出信號量變小?？傻贸鼋Y(jié)論：1號Flex彎曲傳感器的輸出信號量與其彎曲角度的關(guān)系可以看作是線性的，且符合式（1）所分析的結(jié)果。

2號Flex彎曲傳感器的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果顯示，在傳感器彎曲角度為0°時，其穩(wěn)定的輸出信號量為618；在彎曲角度為60°時，其穩(wěn)定的輸出信號量為495，整個標(biāo)定試驗(yàn)過程中信號量的變化為123。從圖3可以看出，當(dāng)彎曲角度變大時，F(xiàn)lex彎曲傳感器的輸出信號量變小。可得出結(jié)論：2號Flex彎曲傳感器的輸出信號量與其彎曲角度的關(guān)系可近似認(rèn)為是線性的，且符合式（1）分析的結(jié)果。

3號Flex彎曲傳感器的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果顯示，在傳感器彎曲角度為0°時，其穩(wěn)定的輸出信號量為496；在彎曲角度為60°時，其穩(wěn)定的輸出信號量為366，整個標(biāo)定試驗(yàn)過程中信號量的變化為130。從圖4可以看出，當(dāng)彎曲角度變大時，F(xiàn)lex彎曲傳感器的輸出信號量變小?？傻贸鼋Y(jié)論：3號Flex彎曲傳感器的輸出信號量與其彎曲角度的關(guān)系可近似認(rèn)為是線性的，且符合式（1）分析的結(jié)果。由標(biāo)定得到的數(shù)據(jù)具有良好的線性關(guān)系，表示所制作的Flex測斜傳感器可以用作基坑模型箱試驗(yàn)，為基坑模型箱加載過程中反映土體傾斜變化做了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 基于Flex彎曲傳感器的基坑模型加載試驗(yàn)

基坑加載設(shè)計思路：該設(shè)計傳感器主要用于巖土工程中土體的傾斜監(jiān)測，在基坑模型箱試驗(yàn)中，基坑邊縱向加載時土體側(cè)向會發(fā)生大變形，其產(chǎn)生的側(cè)移可以檢測該新型Flex測斜傳感器是否能發(fā)揮作用。

在模型箱中，利用模型箱和試驗(yàn)所用砂土堆砌與實(shí)際施工條件相似的基坑結(jié)構(gòu)。將標(biāo)定好的3個Flex傳感器預(yù)埋至基坑內(nèi)設(shè)計位置，模型箱為長方體，尺寸為700mm×300mm×400mm。模型箱四壁底部有墊板貼合，確保試驗(yàn)所用的砂土深度從刻度尺標(biāo)識深度計算。正面可視玻璃用可貼的刻度尺條做標(biāo)記。

將制作好的Flex測斜傳感器連接好，測試可以成功接收信號后將其豎直埋置于土體如圖5所示位置。用擋板模擬基坑工程中的擋土墻，在加壓過程中防止出現(xiàn)突然的大變形破壞。

圖5 Flex無線傳感器測斜布置圖

試驗(yàn)過程：在如圖5所示的加載位置處逐漸加載砝碼盤，以每100s加1個砝碼盤的速度增加荷載。砝碼盤規(guī)格為5.1kg。當(dāng)加載至數(shù)據(jù)出現(xiàn)瞬時下降趨勢時停止增加砝碼盤，此狀態(tài)說明已經(jīng)失穩(wěn)。此時保存終端回傳好的數(shù)據(jù)，并記錄加載重量。

3 結(jié)論

此研究旨在研發(fā)一種基于Flex無線傳感技術(shù)與3D打印技術(shù)，可應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域的土體變形監(jiān)測傳感器。通過室內(nèi)試驗(yàn)以及相應(yīng)的分析得出如下結(jié)論：

（1）較高自由度的3D打印技術(shù)可以高效靈活地設(shè)計Flex傳感器的封裝保護(hù)裝置，并且通過該封裝裝置構(gòu)成位移傳感結(jié)構(gòu)。

（2）在標(biāo)定過程中發(fā)現(xiàn)Flex的線性關(guān)系可以在0°～60°時保持良好的線性，由此可以通過收集到的數(shù)據(jù)反推被測土體傾斜角度及位移。

（3）該Flex在單向變形時可以檢測到角度變化，適合用在基坑這類可預(yù)知變形趨勢的檢測中，相比傳統(tǒng)測斜傳感器其無線傳輸更有優(yōu)勢。