薄膜壓力傳感器在液壓振動沉樁試驗中的應用

郭冬冬 朱懷龍 劉俊杰 王志安

（1 廣東三和管樁股份有限公司)

(2 華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與重點實驗室)

(3 江西交通職業技術學院）

在樁基工程中常采用在樁上打孔進而安裝土壓力盒來測量樁土界面的應力[1]。但是在樁上打孔破壞了樁的整體性，樁身的內力一定程度上由于樁的缺陷而發生改變。并且由于土壓力盒體積較大，在測量土體應力時也容易引發土拱效應，造成測量結果偏小[2-3]。

近年來，薄膜壓力傳感器因其具有厚度薄、測試單元面積小和靈敏度高等優點而引發大量學者的關注[4-8]。關于薄膜壓力傳感器在土工試驗方面的應用已有相關研究成果，張紫濤等[9]研究表明，薄膜壓力傳感器可以較為準確測量靜力和動力土工試驗中土體應力及土顆粒間作用力。劉開源等[10]提出一種薄膜壓力傳感器應用在曲面物體上從而測量其土壓力，并對比了傳統剛性土壓力盒和薄膜壓力傳感器測量彎曲表面土壓力的性能，結果表明薄膜壓力傳感器能有效避免嵌入效應，減小測量誤差。Kootahi 等[11]研究了土壤粒徑對單點式觸覺薄膜壓力傳感器測量精度的影響。Suleiman等[12]用陣列式薄膜壓力傳感器測量了樁體的土壓力分布、變化過程和真實土壓力大小，測量誤差在4%～8%之間。盡管薄膜壓力傳感器在土木工程領域中得到了應用，然而，其在沉樁過程中的測量樁側應力的相關應用研究卻鮮有報道，并且樁側應力的測量對沉樁過程的監測又至關重要?；诖?，本文通過開展液壓振動沉樁的大比例模型試驗，探究薄膜壓力傳感器在液壓振動沉樁中監測樁側應力的適用性，以期為樁基工程施工提供參考和借鑒。

1 薄膜壓力傳感器簡介

1.1薄膜壓力傳感器工作原理

薄膜壓力傳感器由基體、轉換元件及信號調理電路等元件組合而成[13]，其結構示意圖如圖1所示。根據薄膜材料不同可分為合金薄膜與半導體材料薄膜壓力傳感器，工作原理與薄膜材料有關。對于半導體材料薄膜壓力傳感器，其工作原理表現為壓阻效應[12]，即當外部環境施加壓力傳遞到薄膜壓力傳感器上時，內部的晶格參數將發生改變，進而影響禁帶寬度，于是載流子密度也隨之發生改變，最終導致材料的電阻率改變。之后通過橋式電路，電阻值被轉換為穩定的電壓值。

圖1 薄膜壓力傳感器結構圖

1.2薄膜壓力傳感器規格參數

本次試驗采用的是防水型薄膜壓力傳感器，其規格參數見表1。傳感器周圍包裹著一層透明的防水橡膠，橡膠厚度約為1mm。

表1 薄膜壓力傳感器參數

2 試驗內容

2.1模型槽及樁位布置

本次試驗用到模型槽的空間為長8m×寬5m×深5m，模型樁為外徑0.273m，長度3.2m，壁厚7mm的空心無縫鋼管。為了避免邊界效應，模型樁的布設位置在距模型槽側壁2.5m 以上，圖2 為模型槽及試驗布置圖，其中模型樁的入土深度為2.2m。

圖2 模型槽及試驗布置圖

2.2地基土物理力學性質及制備

試驗砂土的含水率為4.4%，土粒比重為2.65，通過采用《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）[14]進行土的干密度試驗，可得砂土最大干密度為ρmax=1.720g/cm3，最小干密度ρmin=1.509g/cm3，表2 為砂土的物理力學性質表。模型槽中地基土厚度為4.0m，采用分層鋪設振動碾壓法鋪設，每層鋪設0.2m。試驗時，首先采用激光水平儀定出要鋪設的厚度，將砂土裝入斗車中，用吊機將裝有砂的斗車倒入指定位置，隨后將砂土鋪平，采用振動平板夯進行壓實。

表2 砂土物理力學性質

2.3模型樁及傳感器安裝

在模型樁上布設了8 個薄膜壓力傳感器，如圖3 所示，傳感器的位置用h/R（h為監測點離樁尖的高度，R為樁半 徑)）來表 示，h/R 分別為0.7、4.4、8.0、11.7 和15.0。傳感器的安裝是本次試驗的關鍵，具體安裝傳感器方法如下：①在安裝位置焊接一塊厚度為1mm 的U 型墊片，將傳感器放入U 型墊片中，主要作用是在樁入土的過程中對傳感器進行保護；②在安裝位置涂上熱熔膠，迅速將傳感器黏貼在熱熔膠上，待膠水凝固后用防水膠貼在傳感器上進行二次保護；③為了保護傳感器的電纜，在電纜周圍焊接厚度2mm、寬度2mm的鋼條。

圖3 傳感器布設示意圖

2.4傳感器的標定

試驗前對薄膜壓力傳感器進行標定，標定方法是通過制作標定筒，在標定筒內裝入試驗砂土，并保證密實度和試驗的密實度一致，然后通過萬能試驗機施加荷載，得出荷載與傳感器電壓之間的關系，具體的操作步驟可查閱文獻[15]。

2.5試驗步驟

試驗采用的是125 型液壓打樁機，發動機功率為125kW，液壓錘頭為1000HMB，液壓系統的工作壓力為20～25MPa，打樁動力和頻率可以通過檔位手動調節。關于沉樁試驗的具體步驟如下：①用行吊將模型樁垂直吊起，慢慢移動模型樁至預定的樁位位置，隨后采用激光定位儀調整模型樁的垂直度；②將樁帽放置在模型樁頂，調整打樁機的位置使得打樁機驅動錘對準樁帽，并且在樁帽和驅動錘墊上一塊橡膠墊；③將傳感器的一端連接至數據采集系統，在電腦軟件上調整好參數，檢測傳感器是否完好，并記錄初始數據；④手動調節打樁機檔位，每連續打樁至0.2m 后暫停打樁約2min，記錄數據，直到打樁深度到達2.2m位置，停止試驗。

3 試驗結果

為了分析沉樁過程中的樁側法向峰值應力和殘余應力隨深度的變化關系，樁體每打入0.2m 的深度提取一次法向峰值應力和殘余應力數據。圖4 給出了傳感器分別在h/R 為0.7、4.4 和8.0 時樁側法向峰值應力和殘余應力隨深度變化的關系曲線。由圖對比h/R=0.7處左右兩側傳感器監測數據，發現在樁入土深度為0～1.0m 時，左右兩側傳感器的法向峰值應力和殘余應力比較接近，峰值應力和殘余應力分別在100kPa和40kPa左右，說明樁體沒有發生傾斜。隨后樁右側傳感器TFP3 峰值應力和殘余應力呈現先增加后減小的趨勢，樁左側傳感器TFP6 的峰值應力逐漸增大，說明在樁的入土深度達到1.5m 后，樁身向右側傾斜，樁底部發生“踢腳”現象，導致樁底左右兩側土壓力差異增大。對比在h/R=4.4 和h/R=8 位置的左右兩側傳感器可以發現，右側傳感器樁側法向峰值應力要大于左側，這與樁體向右傾斜的有關。此外，試驗結果顯示隨著h/R 的增加，樁側法向應力都在減小，并且樁與土界面法向殘余應力降低更為顯著。這是因為高能量和往復荷載作用下樁側土產生了擾動以及樁側摩擦疲勞，從而導致樁側法向應力減小。由此可見，考慮沉樁效應對周圍土體的影響對振動沉樁很有必要。通過以上分析與討論可知，薄膜壓力傳感器能有效監測液壓振動沉樁過程中樁土界面應力，并且液壓振動沉樁的樁側殘余法向應力顯著小于振動時的法向應力。

圖4 樁側法向峰值應力和殘余應力隨深度變化的關系曲線

4 結論

通過采用薄膜壓力傳感器對液壓振動沉樁過程中的樁土界面應力（樁側法向應力）進行測量，所得結論如下：

⑴薄膜壓力傳感器能有效監測液壓振動沉樁過程中樁土界面應力，但要做好對傳感器的保護；

⑵液壓振動沉樁的樁側殘余法向應力顯著小于振動時的法向應力，這是由于高能量和往復荷載作用下樁側土產生擾動以及樁側摩擦疲勞導致樁側法向應力減小。