土體變形監測傳感器的研究

中國電力建設股份有限公司，北京 100000

近年來我國道路、鐵路及各類管道等基礎工程建設量大幅增加，此類施工中邊坡、基坑等結構大量出現。基坑和邊坡問題不僅是各種工程建設的基礎問題，也是影響施工地點周圍一定區域內已有建筑物、構筑物穩定性的重要因素，因此研究基坑和邊坡問題對土體監測尤為重要。

文章研究提出了一種新的基于Flex傳感技術的無線位移監測系統，利用Flex傳感器的優良性質，設計一種獨特的封裝結構，將Flex植入該孔結構中。所設計的傳感器結構能保證Flex可以契合于測斜或測沉降。該系統能對邊坡位移、基坑傾斜進行無線實時監測，并且具有良好的精確度和準確性。

1 Flex傳感器原理

傳感器結構如圖1所示，可以分為傳感元件、封裝元件，以及數據傳輸元件。

圖1 Flex彎曲傳感器示意圖

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

式中：GF為應變影響因素，其數值取決于傳感器制作材料及工藝；ΔR為電阻變化值；R為初始狀態的電阻值；ε為機械應變。

該測斜傳感器設計采用定制的Flex自制，其中傳感元件是采用Spectra Symbol公司生產的Flex Sensor 4.5″單向彎曲傳感器，此傳感器規格為總長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，待軟件顯示的數據平穩后，開始進行標定試驗。

標定時將量角器與Flex測斜傳感器外殼緊密貼合，避免出現間隙造成標定誤差，必要時可以用膠帶固定在端頭。標定需要嚴格按照節點彎曲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以確保采集到的數據穩定。這樣可以得到一組階梯式的標定圖，如圖2～圖4所示。

圖2 1號傳感元件標定結果

圖3 2號傳感元件標定結果

圖4 3號傳感元件標定結果

1號Flex彎曲傳感器的標定試驗結果顯示，當傳感器彎曲角度為0°時，其穩定的輸出信號量為569；在彎曲角度為60°時，其穩定的輸出信號量為442，整個標定試驗過程中信號量的變化為127。從圖2可以看出，當彎曲角度變大時，Flex彎曲傳感器的輸出信號量變小。可得出結論：1號Flex彎曲傳感器的輸出信號量與其彎曲角度的關系可以看作是線性的，且符合式（1）所分析的結果。

2號Flex彎曲傳感器的標定試驗結果顯示，在傳感器彎曲角度為0°時，其穩定的輸出信號量為618；在彎曲角度為60°時，其穩定的輸出信號量為495，整個標定試驗過程中信號量的變化為123。從圖3可以看出，當彎曲角度變大時，Flex彎曲傳感器的輸出信號量變小。可得出結論：2號Flex彎曲傳感器的輸出信號量與其彎曲角度的關系可近似認為是線性的，且符合式（1）分析的結果。

3號Flex彎曲傳感器的標定試驗結果顯示，在傳感器彎曲角度為0°時，其穩定的輸出信號量為496；在彎曲角度為60°時，其穩定的輸出信號量為366，整個標定試驗過程中信號量的變化為130。從圖4可以看出，當彎曲角度變大時，Flex彎曲傳感器的輸出信號量變小。可得出結論：3號Flex彎曲傳感器的輸出信號量與其彎曲角度的關系可近似認為是線性的，且符合式（1）分析的結果。由標定得到的數據具有良好的線性關系，表示所制作的Flex測斜傳感器可以用作基坑模型箱試驗，為基坑模型箱加載過程中反映土體傾斜變化做了試驗基礎。

2 基于Flex彎曲傳感器的基坑模型加載試驗

基坑加載設計思路：該設計傳感器主要用于巖土工程中土體的傾斜監測，在基坑模型箱試驗中，基坑邊縱向加載時土體側向會發生大變形，其產生的側移可以檢測該新型Flex測斜傳感器是否能發揮作用。

在模型箱中，利用模型箱和試驗所用砂土堆砌與實際施工條件相似的基坑結構。將標定好的3個Flex傳感器預埋至基坑內設計位置，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，確保試驗所用的砂土深度從刻度尺標識深度計算。正面可視玻璃用可貼的刻度尺條做標記。

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突然的大變形破壞。

圖5 Flex無線傳感器測斜布置圖

試驗過程：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。砝碼盤規格為5.1kg。當加載至數據出現瞬時下降趨勢時停止增加砝碼盤，此狀態說明已經失穩。此時保存終端回傳好的數據，并記錄加載重量。

3 結論

此研究旨在研發一種基于Flex無線傳感技術與3D打印技術，可應用于巖土工程領域的土體變形監測傳感器。通過室內試驗以及相應的分析得出如下結論：

（1）較高自由度的3D打印技術可以高效靈活地設計Flex傳感器的封裝保護裝置，并且通過該封裝裝置構成位移傳感結構。

（2）在標定過程中發現Flex的線性關系可以在0°～60°時保持良好的線性，由此可以通過收集到的數據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知變形趨勢的檢測中，相比傳統測斜傳感器其無線傳輸更有優勢。