薄膜壓力傳感器在液壓振動沉樁試驗中的應(yīng)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(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與重點實驗室)

(3 江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

在樁基工程中常采用在樁上打孔進(jìn)而安裝土壓力盒來測量樁土界面的應(yīng)力[1]。但是在樁上打孔破壞了樁的整體性，樁身的內(nèi)力一定程度上由于樁的缺陷而發(fā)生改變。并且由于土壓力盒體積較大，在測量土體應(yīng)力時也容易引發(fā)土拱效應(yīng)，造成測量結(jié)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(yōu)點而引發(fā)大量學(xué)者的關(guān)注[4-8]。關(guān)于薄膜壓力傳感器在土工試驗方面的應(yīng)用已有相關(guān)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(zhǔn)確測量靜力和動力土工試驗中土體應(yīng)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(yīng)用在曲面物體上從而測量其土壓力，并對比了傳統(tǒng)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(jié)果表明薄膜壓力傳感器能有效避免嵌入效應(yīng)，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(lǐng)域中得到了應(yīng)用，然而，其在沉樁過程中的測量樁側(cè)應(yīng)力的相關(guān)應(yīng)用研究卻鮮有報道，并且樁側(cè)應(yīng)力的測量對沉樁過程的監(jiān)測又至關(guān)重要。基于此，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(jiān)測樁側(cè)應(yīng)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(zhuǎn)換元件及信號調(diào)理電路等元件組合而成[13]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。根據(jù)薄膜材料不同可分為合金薄膜與半導(dǎo)體材料薄膜壓力傳感器，工作原理與薄膜材料有關(guān)。對于半導(dǎo)體材料薄膜壓力傳感器，其工作原理表現(xiàn)為壓阻效應(yīng)[12]，即當(dāng)外部環(huán)境施加壓力傳遞到薄膜壓力傳感器上時，內(nèi)部的晶格參數(shù)將發(fā)生改變，進(jìn)而影響禁帶寬度，于是載流子密度也隨之發(fā)生改變，最終導(dǎo)致材料的電阻率改變。之后通過橋式電路，電阻值被轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓值。

圖1 薄膜壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.2薄膜壓力傳感器規(guī)格參數(shù)

本次試驗采用的是防水型薄膜壓力傳感器，其規(guī)格參數(shù)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(shù)

2 試驗內(nèi)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(yīng)，模型樁的布設(shè)位置在距模型槽側(cè)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(xué)性質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）[14]進(jìn)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(xué)性質(zhì)表。模型槽中地基土厚度為4.0m，采用分層鋪設(shè)振動碾壓法鋪設(shè)，每層鋪設(shè)0.2m。試驗時，首先采用激光水平儀定出要鋪設(shè)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(jìn)行壓實。

表2 砂土物理力學(xué)性質(zhì)

2.3模型樁及傳感器安裝

在模型樁上布設(shè)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(jiān)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(guān)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(jìn)行保護(hù)；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(jìn)行二次保護(hù)；③為了保護(hù)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(shè)示意圖

2.4傳感器的標(biāo)定

試驗前對薄膜壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法是通過制作標(biāo)定筒，在標(biāo)定筒內(nèi)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(guān)系，具體的操作步驟可查閱文獻(xiàn)[15]。

2.5試驗步驟

試驗采用的是125 型液壓打樁機，發(fā)動機功率為125kW，液壓錘頭為1000HMB，液壓系統(tǒng)的工作壓力為20～25MPa，打樁動力和頻率可以通過檔位手動調(diào)節(jié)。關(guān)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(yù)定的樁位位置，隨后采用激光定位儀調(diào)整模型樁的垂直度；②將樁帽放置在模型樁頂，調(diào)整打樁機的位置使得打樁機驅(qū)動錘對準(zhǔn)樁帽，并且在樁帽和驅(qū)動錘墊上一塊橡膠墊；③將傳感器的一端連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在電腦軟件上調(diào)整好參數(shù)，檢測傳感器是否完好，并記錄初始數(shù)據(jù)；④手動調(diào)節(jié)打樁機檔位，每連續(xù)打樁至0.2m 后暫停打樁約2min，記錄數(shù)據(jù)，直到打樁深度到達(dá)2.2m位置，停止試驗。

3 試驗結(jié)果

為了分析沉樁過程中的樁側(cè)法向峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系，樁體每打入0.2m 的深度提取一次法向峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)。圖4 給出了傳感器分別在h/R 為0.7、4.4 和8.0 時樁側(cè)法向峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力隨深度變化的關(guān)系曲線。由圖對比h/R=0.7處左右兩側(cè)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在樁入土深度為0～1.0m 時，左右兩側(cè)傳感器的法向峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力比較接近，峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力分別在100kPa和40kPa左右，說明樁體沒有發(fā)生傾斜。隨后樁右側(cè)傳感器TFP3 峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，樁左側(cè)傳感器TFP6 的峰值應(yīng)力逐漸增大，說明在樁的入土深度達(dá)到1.5m 后，樁身向右側(cè)傾斜，樁底部發(fā)生“踢腳”現(xiàn)象，導(dǎo)致樁底左右兩側(cè)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(cè)傳感器可以發(fā)現(xiàn)，右側(cè)傳感器樁側(cè)法向峰值應(yīng)力要大于左側(cè)，這與樁體向右傾斜的有關(guān)。此外，試驗結(jié)果顯示隨著h/R 的增加，樁側(cè)法向應(yīng)力都在減小，并且樁與土界面法向殘余應(yīng)力降低更為顯著。這是因為高能量和往復(fù)荷載作用下樁側(cè)土產(chǎn)生了擾動以及樁側(cè)摩擦疲勞，從而導(dǎo)致樁側(cè)法向應(yīng)力減小。由此可見，考慮沉樁效應(yīng)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(jiān)測液壓振動沉樁過程中樁土界面應(yīng)力，并且液壓振動沉樁的樁側(cè)殘余法向應(yīng)力顯著小于振動時的法向應(yīng)力。

圖4 樁側(cè)法向峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力隨深度變化的關(guān)系曲線

4 結(jié)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(yīng)力（樁側(cè)法向應(yīng)力）進(jìn)行測量，所得結(jié)論如下：

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

⑵液壓振動沉樁的樁側(cè)殘余法向應(yīng)力顯著小于振動時的法向應(yīng)力，這是由于高能量和往復(fù)荷載作用下樁側(cè)土產(chǎn)生擾動以及樁側(cè)摩擦疲勞導(dǎo)致樁側(cè)法向應(yīng)力減小。