三種孔隙水壓計量測性能對比初探

湯兆光，王永志，孫 銳，王體強，王 海

（中國地震局 工程力學研究所 地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080）

三種孔隙水壓計量測性能對比初探

湯兆光，王永志，孫 銳，王體強，王 海

（中國地震局 工程力學研究所 地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080）

地震荷載下的孔隙水壓力量測準確性與可靠性對判別場地液化和構建單元本構模型極為關鍵，是帶有高頻、瞬時特點的動力離心模型試驗中一個值得學者們關注和重視的問題。與傳統(tǒng)Druck孔隙水壓計對比，介紹了兩種可替代的新型傳感器基本參數(shù)和結構組成，通過物理試驗和數(shù)值模擬分析了三種傳感器的響應性能和影響因素。靜態(tài)水壓試驗和動力離心模型試驗表明，三種傳感器在靜態(tài)響應上結果相對一致，而動態(tài)響應上具有顯著滯后和幅值差別。數(shù)值模擬實驗分析了主要元件對傳感器頻響特性的影響，其中透水石尺寸與頻響能力關系密切。主要研究結論和方法，證明建立孔隙水壓量測可靠性評價方法和開展動態(tài)頻響改進設計研究十分必要。

孔隙水壓計；動力離心模型試驗；動態(tài)響應；物理試驗；數(shù)值模擬

1 研究背景

孔隙水壓計（簡稱孔壓計）是動力離心模型試驗中觀測超靜孔隙水壓力增長與消散的關鍵量測傳感器，用于監(jiān)測、判別場地和巖土構筑物等力學性態(tài)與穩(wěn)定性［1-5］。在動力離心模型試驗中孔隙水壓力量測的主要難點和關鍵技術主要體現(xiàn)在兩方面：與靜力離心模型試驗相比，孔壓計除須適應高離心力環(huán)境外，還須承受高頻、高加速度振動沖擊，且超靜孔隙水壓力在瞬間（1s）完成增長，對傳感器的結構工藝、穩(wěn)定性和瞬時響應提出很高要求；與常規(guī)振動臺試驗相比，動力離心模型試驗用于模擬數(shù)百米的土層厚度，其孔壓計量程比常規(guī)振動臺高幾十至上百倍，且量測信號須經(jīng)集流環(huán)進行傳輸并承受強低頻電/磁場干擾，對傳感器的量程、量測精度和可靠性提出挑戰(zhàn)。然而，準確的孔隙水壓力量測是深入認識模型試驗中液化土體破壞和場地失效過程的基礎條件，對檢驗理論和建立液化孔隙水壓力增長的本構模型具有重要科學價值與研究意義。

實質上，孔隙水壓計是屬于壓力-應變型量測傳感器［3］，但與傳統(tǒng)應變-應變型量測傳感器對比，具有自身的特點與難點。其中孔隙水壓計為確保傳感器的硅膜片僅受液體壓力作用，須在硅膜片前端安裝透水石，液體壓力經(jīng)透水石作用于硅膜片，硅膜片受力將液體壓力轉變?yōu)殡妷盒盘栞敵觯?，6-7］。在20世紀30年代，美國加州大學Roy.W.Carlson發(fā)明了孔隙水壓計，并隨著科技不斷發(fā)展，相繼建立多種類型的孔壓計，到目前國內常用孔壓計以鋼弦式、差動電阻式和壓阻式為主，與國際上常用孔壓計在精度、穩(wěn)定性、故障率和使用壽命上仍存在較大差距［7-8］，而在動力離心模型試驗中，孔隙水壓計的性能評價與改進技術仍是國內外眾多學者致力于研究的一個重要問題。

以往國內外靜力與動力離心模型試驗中廣泛使用的微型孔隙水壓計為Druck公司設計生產(chǎn)的PD?CR-81，多年來已成為巖土工程物理模擬試驗中孔隙水壓力量測的標準傳感器［2-3，6］。但自從2010年Druck公司宣布PDCR-81傳感器停產(chǎn)后，找到可替代的新型傳感器在離心機試驗中變得尤為重要［2，6］。UC Davis土工模擬中心聯(lián)合英、美、德等國際精密量測傳感器廠家進行共同研發(fā)，通過靜態(tài)水壓試驗和穩(wěn)定測試試驗，初步論證Keller和Kulite兩種新型傳感器具有更好的量測性能與穩(wěn)定性［3，6］。本文首先對三種孔隙水壓計的基本參數(shù)與結構組成進行詳細對比，然后通過靜態(tài)水壓試驗和動力離心模型試驗，對兩種新型傳感器與現(xiàn)有Druck傳感器的靜力與動力響應特征進行對比，并展開一系列數(shù)值模擬實驗，分析主要元件對傳感器頻響特性的影響。

2 3種孔隙水壓計對比

2.1 傳感器的基本參數(shù)本文中3種孔隙水壓計的實物如圖1所示。Druck傳感器與兩種可替代的新型傳感器基本參數(shù)對比結果如表1所示。由表1可知，在量程方面，Keller傳感器的量測范圍高于Druck和Kulite傳感器，能更好地適用于高離心環(huán)境中的孔隙水壓力量測；在工作溫度方面，Druck和Kulite傳感器比Keller傳感器的工作溫度范圍更寬，能更好地適用于不同環(huán)境溫度；在精度方面，Druck傳感器的量測精度高于Keller和Kulite傳感器，能顯著提高孔隙水壓力量測準確性；在溫度補償方面，Kulite傳感器的補償范圍最寬；在零點影響方面，Keller傳感器受環(huán)境溫度干擾影響最小；在殼體尺寸方面，3種傳感器的尺寸相對一致；在透水石尺寸方面，Keller傳感器的透水石尺寸與Druck和Kulite傳感器均不相同。綜上所述，通過詳細比較3種傳感器的基本參數(shù)，在性能參數(shù)上，Druck傳感器在工作溫度、精度方面性能較優(yōu)；Keller傳感器在量程、零點影響方面性能較優(yōu)；Kulite傳感器在工作溫度、溫度補償范圍方面性能較優(yōu)。在結構參數(shù)上，3種傳感器的殼體尺寸相對一致，但Druck和Kulite傳感器的透水石尺寸與Keller傳感器之間存在差別。

圖1 3種孔隙水壓計

表1 3種孔隙水壓計的基本參數(shù)對比

2.2 傳感器的結構組成3種孔隙水壓計的結構對比如圖2所示。由圖2可知，在硅膜片安裝方式上，Druck和Kulite傳感器的硅膜片均安裝于玻璃環(huán)上，以降低作用在傳感器兩側的應力，而Keller傳感器的硅膜片安裝在主體的空腔中且空腔填充了橡膠化合物，通過硅膜片與主體側壁之間的空腔最大程度上保護硅膜片免受側面應力作用［6-7］。在輸出電纜方式上，Druck和Kulite傳感器所使用的電纜均是通氣電纜且使用時通氣電纜不能堵塞，Keller傳感器所使用的電纜為超小型屏蔽電纜。在透水石固定方式上，Druck和Kulite傳感器的透水石均使用粘合劑固定就位，而Keller傳感器利用螺紋連接的分體式結構，能夠依據(jù)不同類型的土體模型更換透水石，在透水石未充分飽和或堵塞時，及時更換透水石可有效提高量測故障應急能力和試驗可操作性［2，6］。綜上所述，Keller傳感器的結構具有更好的穩(wěn)定性與操作性，且分體式有助于及時排除故障和提高試驗靈活性。

圖2 三種孔隙水壓計的結構對比

3 物理模擬試驗

3.1 靜態(tài)水壓試驗離心機試驗是在加州大學戴維斯分校的大型動力離心機系統(tǒng)中（半徑為9.1 m、振動負載為2.7 t）進行三種傳感器的靜態(tài)響應性能對比。模型箱中三種孔隙水壓計的布設如圖3所示。在圖3中，使用砂雨裝置在柔性剪切模型箱中（內部尺寸為1651 mm（長）×787 mm（寬）×580 mm（高））將內達華砂布設成深度約為470 mm、土層相對密度為70%的土體模型，孔隙水壓計的布設方向是使硅膜片與振動方向相平行（即孔隙水壓計軸向垂直于振動方向），且模型箱內三種孔隙水壓計的布設方向相互平行。傳感器布設完成后，在土體模型中通入一定量的CO2，使用甲基纖維素溶液對孔隙水壓計進行飽和處理。離心機旋轉加速達到55 g的高離心變化過程中，采集處在同一深度中土體表層上IV基點的三種傳感器測量的孔隙水壓力信號（靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率為1 Hz），IV基點中三個孔隙水壓計的靜態(tài)響應曲線如圖4所示。由圖4可知，三種孔隙水壓計在靜態(tài)響應性能方面相對一致。

圖3 模型箱中孔隙水壓計布設（平面圖）

圖4 IV基點孔隙水壓計的靜態(tài)響應曲線

3.2 動力離心模型試驗孔隙水壓計的動態(tài)響應能力對于觀測自由場中孔隙水壓力增長和消散起至關重要的作用。在離心機加速度達到55 g的高離心水平時，模型箱基底輸入等效壓縮地震波（最大為0.6 g基底加速度），地震波加速度時程曲線如圖5所示，采集處在同一深度中土體表層上IV基點的三種傳感器測量的孔隙水壓力信號（動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率為4 096 Hz），三種孔隙水壓計的動態(tài)響應時程曲線如圖6所示。由圖6可知，三種孔隙水壓計在動態(tài)響應上具有顯著滯后與幅值差異，證明了三種孔隙水壓計的測試性能存在差異，在動力離心模型試驗中孔隙水壓量測可靠性評價有待進一步研究。

圖5 地震波加速度時程曲線

圖6 IV基點中孔隙水壓計動態(tài)響應時程曲線

4 數(shù)值模擬實驗

進行離心機試驗前，對Keller傳感器進行標定的過程中，發(fā)現(xiàn)傳感器安裝透水石前后的標定結果存在顯著差異，由此推斷透水石對傳感器的頻響特性具有重要影響［2］。本節(jié)將通過ANSYS CFX流體力學軟件建立多孔介質模型，模擬在高離心加速度環(huán)境中孔隙水經(jīng)過不同孔隙、尺寸的透水石對流體阻礙作用和傳感器頻響的影響。

4.1 透水石孔隙的影響通過數(shù)值模擬在透水石厚度為2 mm、直徑為6 mm，孔隙水黏度為10 cSt的情況下，當離心機旋轉加速從50 g達到100 g的離心變化過程中，三種不同孔隙的透水石對流體阻礙作用和傳感器動態(tài)響應的影響，三種不同孔隙的透水石速度場分布結果如圖7所示，高離心加速變化中不同孔隙的透水石對比結果如表2所示。由表2可知，在高離心加速度變化中三種不同孔隙的透水石對孔隙水的阻礙作用近似相同，傳感器動態(tài)響應時間變化均在21.3 us～21.4 us范圍內。綜上所述，可知不同孔隙的透水石對于傳感器的動態(tài)響應特征影響較小。

表2 不同孔隙的透水石模擬結果對比

4.2 透水石尺寸的影響通過數(shù)值模擬在透水石的孔隙為0.005 mm情況下，在高離心加速度變化過程中，三種不同尺寸的透水石對流體的阻礙作用和傳感器動態(tài)響應的影響，不同尺寸的透水石速度場分布對比如圖8所示，高離心加速變化中不同尺寸的透水石對比結果如表3所示。由表3可知，在高離心加速變化下，透水石厚度為2 mm、直徑為6 mm與厚度為2 mm、直徑為5 mm時，對孔隙水阻礙作用近似相同，傳感器動態(tài)響應時間均在21.3 us～21.4 us范圍內；而透水石厚度為4 mm、直徑為4 mm時，對孔隙水的阻礙作用明顯大于前兩者，傳感器的動態(tài)響應時間也增加一倍。綜上所述，可知不同尺寸的透水石對于傳感器動態(tài)響應時間與響應幅值存在明顯差異。

5 結論

（1）通過詳細比較三種傳感器的基本參數(shù)與結構組成，在性能參數(shù)方面，Druck傳感器在工作溫度范圍、精度誤差上性能較優(yōu)；Keller傳感器在量程、零點影響上性能較優(yōu)；Kulite傳感器在工作溫度、溫度補償范圍上性能較優(yōu)。在總體尺寸方面，兩種新型傳感器與現(xiàn)有Druck傳感器尺寸大小相對一致，小型化尺寸設計有利于減少對土體模型的干擾。在透水石尺寸方面，Druck和Kulite傳感器的透水石尺寸與Keller傳感器之間存在差別。在結構組成方面，Keller傳感器利用螺紋連接的分體式結構具有更好的穩(wěn)定性與操作性，發(fā)生故障時可及時更換透水石。（2）通過設計兩組離心機試驗，對比三種孔隙水壓計的靜力與動力響應特征。靜態(tài)水壓試驗中，三種傳感器的量測性能在靜態(tài)響應性能方面相對一致；動力離心模型試驗中，三種傳感器的動態(tài)量測響應滯后且幅值存在顯著差異，證明在動力離心模型試驗中三種孔隙水壓計的測試性能存在差異，有待對孔隙水壓力量測可靠性評價進一步研究。（3）展開一系列數(shù)值模擬實驗，分析透水石的孔隙、尺寸對傳感器動態(tài)響應的影響。通過模擬不同孔隙的透水石，可知在高離心加速度變化下不同孔隙的透水石對于傳感器動態(tài)響應特征影響較小。通過模擬不同尺寸的透水石，可知在高離心加速度變化下不同尺寸的透水石對傳感器的頻響存在顯著差異，證明開展孔隙水壓計的動態(tài)頻響改進設計的研究十分必要。

圖7 不同孔隙的透水石速度場分布對比

圖8 不同尺寸的透水石速度場分布對比

表3 不同尺寸的透水石模擬結果對比

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Abstract：The measurement accuracy and reliability of the pore water pressure under seismic load are criti?cal to determine the liquefaction of the site and to construct the constitutive model of the unit.The worthy of attention and attention in the dynamic centrifugal model test with high frequency and instantaneous char?acteristics is significant by contrast to the traditional Druck pore pressure transducer，design principles and structure composition of two alternative new transducers are introduced.The response performance and influ?encing factors of the three transducers are analyzed by physical tests and numerical simulation.The Hydro?static pressure tests and dynamic centrifugal model tests show that the three transducers are consist of stat?ic response，while the dynamic response has significant lag and amplitude difference.The influence of the main components on the frequency response of the transducer is analyzed by numerical simulation.The size of the porous stone is greatly related to the frequency response.The main conclusion of the study and meth?ods prove that the establishment the amount of pore water pressure measurement reliability evaluation meth?ods and conducting research to improve the design of dynamic frequency response are necessary.

Keywords：pore pressure transducer;dynamic centrifuge model test;dynamic response;physical tests;nu?merical simulation

（責任編輯：祁 偉）

Preliminary discussion on measurement performance comparison of three pore pressure transducers

TANG Zhaoguang，WANG Yongzhi，SUN Rui，WANG Tiqiang，WANG Hai
（Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China）

P714.6；P751

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.008

1672-3031（2017）04-0291-06

2017-06-15

國家自然科學基金項目（51609218）；中國地震局工程力學研究所基本科研業(yè)務費專項資助項目（2017B05）；黑龍江省自然科學基金項目（LC2015021）

湯兆光（1993-），男，福建漳州人，碩士生，主要從事孔隙水壓計量測與理論解析方法研究。E-mail：tzg158135@163.com

王永志（1984-），男，河南周口人，博士，副研究員，主要從事動力離心機設計理論與巖土試驗方法及技術研究。E-mail：yong5893741@163.com