姬鵬飛武亞軍

(上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海200444)

隨著近年來我國道路、鐵路、各類管道等基礎(chǔ)工程建設(shè)量的大幅增加，在此類施工中邊坡、基坑等結(jié)構(gòu)大量出現(xiàn)[1]；基坑和邊坡不僅是各種工程建設(shè)的基礎(chǔ)，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，所以對土體監(jiān)測變的尤為重要[2-3]。

在土體傾斜監(jiān)測領(lǐng)域，目前應(yīng)用最廣泛的是傳統(tǒng)測斜儀[4-5]。 使用測斜儀需要提前預(yù)埋測斜管，在測量提取數(shù)據(jù)時(shí)要有作業(yè)人員到現(xiàn)場下放測斜儀[5-6]。 因?yàn)槭褂脺y斜儀必須定點(diǎn)定時(shí)監(jiān)測所以會(huì)受到較多因素的影響，比如人為因素、儀器因素和環(huán)境因素等，且做一次監(jiān)測的讀數(shù)時(shí)間很長，所得到的結(jié)果不一定準(zhǔn)確[7-8]。

針對傳統(tǒng)監(jiān)測方法中存在的問題，不少學(xué)者提出了以各類傳感器為基礎(chǔ)土體監(jiān)測方法，此類方法很大程度上避免了監(jiān)測過程中出現(xiàn)人為失誤的可能性，同時(shí)提高了監(jiān)測過程的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。 2012年，龐學(xué)雷[9]等人發(fā)表一篇關(guān)于無線監(jiān)測系統(tǒng)在上海迪士尼工程軟基處理中的應(yīng)用，探索無線遠(yuǎn)距離監(jiān)測告別傳統(tǒng)檢測手段的實(shí)施辦法。 文章中介紹無線監(jiān)測系統(tǒng)可以分作，監(jiān)測模塊、傳輸模塊、后臺(tái)處理模塊。 2019 年，施斌[10]團(tuán)隊(duì)采用光纖監(jiān)測馬家溝滑坡深部位移。 其研究結(jié)果表明光纖既可以作為分布式監(jiān)測傳感器同時(shí)也是傳輸數(shù)據(jù)的載體。 需要與樁體一起組合使用，但施工和保護(hù)難度很大。 江鋒[11]等人發(fā)表一篇關(guān)于新型沉降板在高鐵施工中的應(yīng)用研究，雖然避免了老式沉降板易破壞難恢復(fù)的缺點(diǎn)，但其設(shè)計(jì)的新型沉降板仍存在防護(hù)罩受力不均，回填土過程中可能出現(xiàn)偏差傾覆。 其設(shè)計(jì)的新式沉降板分辨率達(dá)到1 mm。 都悅來[12]等人利用Flex 測斜技術(shù)設(shè)計(jì)的彎曲傳感器，其精度在動(dòng)態(tài)條件下絕對誤差為1°～3°，相對誤差為2%～6%。 近些年洪成雨[13-16]針對巖土測量，采用3D 打印技術(shù)運(yùn)用不同的新材料制作了很多新穎的傳感器對本研究提供了新的設(shè)計(jì)思路。

如今在土體監(jiān)測領(lǐng)域探索的新技術(shù)仍有很多需要改進(jìn)的地方。 大多數(shù)研究偏向于應(yīng)用新的施工工藝、改進(jìn)算法。 多數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用在巖土施工現(xiàn)場的傳感器施工復(fù)雜、難保護(hù)、測量精度低、數(shù)據(jù)需要定期人工采集。 因此設(shè)計(jì)一個(gè)易操作，有高精度的傳感器對于土體精確監(jiān)測，小變形感知有著重要的意義。

本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)，獨(dú)特地設(shè)計(jì)一種封裝結(jié)構(gòu)，將Flex 植入該孔結(jié)構(gòu)中。 所設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)能保證Flex 可以契合于測斜或測沉降。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用分布式的串聯(lián)方式，使得每個(gè)傳感器點(diǎn)與點(diǎn)之間的測量結(jié)果可以擬合土體的實(shí)際變形。 另外在使用傳感器時(shí)需要注意，預(yù)埋時(shí)令所有組合傳感器保持鉛錘或水平放置。這樣可以盡可能模擬一個(gè)未免的土體初始狀態(tài)。 該系統(tǒng)對邊坡位移，基坑傾斜進(jìn)行無線實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且有著良好的精確度和準(zhǔn)確性。

1 Flex 傳感器原理介紹

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

圖1

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，此外也可以使用導(dǎo)電橡膠作為導(dǎo)電元件。

Flex 傳感器受到彎曲作用時(shí)，其電阻會(huì)產(chǎn)生變化。 存在如下關(guān)系:

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

由式(1)可知，決定選擇何種導(dǎo)電元件的因素主要有兩個(gè)，分別是導(dǎo)電元件與底物的附著性能好壞以及傳感器使用環(huán)境與導(dǎo)電元件特性是否匹配。Flex 彎曲傳感器的底物材料決定了整個(gè)傳感器的柔韌性，底物與導(dǎo)電元件之間的附著性會(huì)影響Flex 彎曲傳感器整體的電阻輸出及使用穩(wěn)定性。 當(dāng)GF 一定時(shí)，電阻的變化與機(jī)械應(yīng)變成正比。 通過Flex 傳感器可以將彎曲應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電信號，由于有良好的線性關(guān)系，可以達(dá)到測量變形的目的。

封裝結(jié)構(gòu)是采用3D 打印設(shè)備應(yīng)用熔融沉積(FDM)技術(shù)，在軟件中設(shè)計(jì)制作。 打印成型如圖1(b)所示。 傳感器的藍(lán)牙模塊與電腦的藍(lán)牙連接后，打開客戶端XCOMv2.0。 在界面點(diǎn)擊打開串口后實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。

本測斜傳感器設(shè)計(jì)采用定制的Flex 自制。 其中傳感元件是采用Flex Sensor 4.5″單向彎曲傳感器。 此傳 感 器 規(guī) 格 為: 總 長112. 24 mm， 總 寬6.35 mm，厚度不大于0.43 mm，有效測量長度95.25 mm。 筆直狀態(tài)下的電阻值為10 kΩ，彎曲時(shí)電阻變化范圍為60 kΩ～110 kΩ，額定功率0.5 W，峰值功率為1.0 W。 電阻公差值為±30%，工作溫度范圍為-35 ℃～＋80 ℃。 使用壽命為超過100 萬次彎曲。分辨率為0.3°～0.4°。

傳感器的標(biāo)定過程為:首先將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(shí)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(shí)可以用膠帶在端頭固定。 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(gè)角度時(shí)需要停留10 s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，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，在傳感器彎曲角度為0°時(shí)，其穩(wěn)定的輸出信號量為569，在彎曲角度為60°時(shí)，其穩(wěn)定的輸出信號量為442，整個(gè)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(shí)，F(xiàn)lex 彎曲傳感器的輸出信號量變小。 可得出結(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(shí)，其穩(wěn)定的輸出信號量為618，在彎曲角度為60°時(shí)，其穩(wěn)定的輸出信號量為495，整個(gè)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(shí)，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(shí)，其穩(wěn)定的輸出信號量為496，在彎曲角度為60°時(shí)，其穩(wěn)定的輸出信號量為366，整個(gè)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(shí)，F(xiàn)lex彎曲傳感器的輸出信號量變小。 可得出結(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。 在標(biāo)定的范圍內(nèi)，角度變化統(tǒng)一在0°至60°，組合使用足以反映模型箱試驗(yàn)土體的變形。 為基坑模型箱加載過程中反應(yīng)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(jì)思路為:該設(shè)計(jì)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(shí)土體側(cè)向會(huì)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)定好的三個(gè)flex 傳感器預(yù)埋至基坑內(nèi)設(shè)計(jì)位置。 模型箱為長方體，尺寸為700 mm×300 mm×400 mm。 模型箱四壁貼合底部有墊板貼合確保試驗(yàn)所用的沙土深度從刻度尺標(biāo)識深度計(jì)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 中所示位置。 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。

試驗(yàn)過程為:如圖5 所示的加載位置處逐漸加載砝碼盤，加載以每100 s 加一個(gè)砝碼盤的速度增加荷載。 砝碼盤規(guī)格為5.1 kg。 當(dāng)加載至數(shù)據(jù)出現(xiàn)瞬時(shí)下降趨勢時(shí)停止增加砝碼盤，此狀態(tài)說明已經(jīng)失穩(wěn)。此時(shí)保存終端回傳好的數(shù)據(jù)，并記錄加載重量。

圖5 Flex 無線傳感器測斜布置圖

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6 Flex 回傳數(shù)據(jù)整理

從圖6 中數(shù)據(jù)可以看出，1，2，3 號傳感器信號均呈現(xiàn)遞減的趨勢，在最終失穩(wěn)時(shí)1 號與2 號出現(xiàn)了瞬時(shí)減小的趨勢。 在0～400 s 的時(shí)間內(nèi)整體變化波動(dòng)很小，說明最初加載時(shí)對基坑的影響很小，基坑自身的塑形可以承受此時(shí)的荷載。 隨著第400 s 時(shí)的繼續(xù)加載造成基坑接近失穩(wěn)，開始了出現(xiàn)較之前更大的變形。 3 號傳感器的整體變形較小，這說明了距離基坑底部的側(cè)向變形較小。 由上述設(shè)計(jì)試驗(yàn)后采得的數(shù)據(jù)整理分析得出角度數(shù)據(jù)與時(shí)間變化的關(guān)系圖，如圖7 所示。 圖7 所示的三個(gè)傳感器，隨著加載過程，每個(gè)的Flex 傳感器的彎曲角度均在0°～40°之間，其轉(zhuǎn)化公式是將所得的信號數(shù)值圖6 的數(shù)據(jù)，分別代入到各個(gè)傳感器標(biāo)定時(shí)的擬函數(shù)Y 值中，反算X 角度值。

圖7 Flex 信號經(jīng)標(biāo)定轉(zhuǎn)化為角度

3 基于Flex 彎曲傳感器的邊坡模型加載試驗(yàn)

邊坡加載設(shè)計(jì)思路是，基于設(shè)計(jì)的Flex 傳感可以監(jiān)測土體層的變形，傳感器水平設(shè)置時(shí)可以用作沉降監(jiān)測，在邊坡模型箱試驗(yàn)里可以測試設(shè)計(jì)傳感器在其他情況下的應(yīng)用。 且在試驗(yàn)時(shí)放置位移計(jì)，對試驗(yàn)結(jié)果輔助分析。

同樣在模型箱中堆砌與實(shí)際施工條件相似的邊坡結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。 將標(biāo)定好的三個(gè)Flex 傳感器預(yù)埋至邊坡設(shè)計(jì)位置，且一端需要與模型箱壁固定以確保初始埋置狀態(tài)是水平。 模型箱為長方體，尺寸為700 mm×300 mm×400 mm。 模型箱所堆沙土要與四壁貼合，確保深度從刻度尺標(biāo)識深度計(jì)算。正面可視玻璃用可貼的刻度尺條做標(biāo)記。

圖8 邊坡模型Flex 傳感器測沉降布置

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

在邊坡加載試驗(yàn)中Flex 回傳的數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)定轉(zhuǎn)化后得到角度變形圖如圖9 所示。 2 號傳感器整體趨近于0 且其變化幅度很小，說明在此點(diǎn)位的幾乎沒有發(fā)生彎折，此處傳感器監(jiān)測的土層是接近線性的。 符合加載時(shí)平面均布荷載的加載預(yù)期。 1 號傳感器整體成線性正向遞增，說明一號傳感器變形角度向下，且變化比較均勻。 在停止加載時(shí)角度變化了3.3°。3 號傳感器負(fù)向增加，且出現(xiàn)了瞬變趨勢，說明其角度變化向上。 在停止加載時(shí)角度變化了9.8°

圖9 Flex 測得角度變化

位移計(jì)的編號依次是2＃、4＃、3＃位移計(jì)，接入動(dòng)態(tài)采集儀的2＃、4＃、3＃通道。 得到圖10 所示數(shù)據(jù)。 3 號位移計(jì)先增加后減少，說明在3 號點(diǎn)位處土體先上升后下降，且在停止加載后土體下降量相較于其他點(diǎn)位變化量最少。 2 號點(diǎn)位整體呈現(xiàn)下降趨勢，且較為均勻，在停止加載時(shí)其點(diǎn)位低于3 號點(diǎn)高于4 號點(diǎn)。 4號點(diǎn)位整體呈下降趨勢且出現(xiàn)了瞬變，在停止加載時(shí)下降量最大。 所呈現(xiàn)的變形趨勢符合Flex 測得的結(jié)果。 分析300 s～350 s 內(nèi)的數(shù)據(jù)，F(xiàn)lex 測得其中的變化結(jié)果與傳統(tǒng)位移計(jì)分析的變形趨勢接近。

圖10 位移計(jì)檢測結(jié)果

經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中共計(jì)產(chǎn)生了9 000 多組有效數(shù)據(jù)。 在保證誤差分析的準(zhǔn)確性的同時(shí)要提高數(shù)據(jù)的分析效率，需要選取具有代表性的樣本經(jīng)行分析。 因此取500 s～600 s 這一區(qū)間的四號位移計(jì)和Flex1＃與2＃的測量數(shù)據(jù)做對比分析。從圖11 中可以看出兩者的沉降變化趨勢基本保持一致，然后以傳統(tǒng)位移計(jì)為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相對誤差計(jì)算，得到Flex 傳感器的檢測結(jié)果的偏差率為1.73%。引起這樣的偏差主要來自兩個(gè)方面。 一是在標(biāo)定過程中，難以保證Flex 傳感元件與封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部不發(fā)生相對位移。 二是分布式傳感器固有的累計(jì)誤差問題，在結(jié)果分析時(shí)需要根據(jù)標(biāo)定結(jié)果對傳感器設(shè)置修正系數(shù)，來降低累計(jì)誤差的影響。

圖11 位移計(jì)與Flex 傳感器檢測結(jié)果對比

4 結(jié)論

本研究旨在研發(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)可以高效靈活的設(shè)計(jì)Flex 傳感器的封裝保護(hù)裝置，并且通過該封裝裝置構(gòu)成了位移傳感結(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(shí)保持良好的線性，由此可以通過集到數(shù)據(jù)反推被測土體傾斜角度及位移。 從標(biāo)定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的Flex 傳感器分辨率可以達(dá)到0.3°～0.4°

③該Flex 在單向變形時(shí)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，相比于傳統(tǒng)測斜傳感器其無線傳輸更有優(yōu)勢。

④所設(shè)計(jì)傳感器和土體位移計(jì)之間會(huì)有誤差，整體偏差率為1.73%，在使用過程中可以保證測得土體變形的變化趨勢。 并提出了可以通過兩個(gè)角度來進(jìn)一步提高傳感器檢測精度。