三种孔隙水压计量测性能对比初探.pdf

第1 5 第4 期中国水利水电科学研究院学报 v 。1 1 5N 。4 2 0 1 7 年8 月 J o u r n a lo fC h i n aI n s t i t u t eo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d m p o w e rR e s e a r c h A u g U S t ，2 0 1 7 文章编号：1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 7 ) 0 4 0 2 9 1 0 6 三种孔隙水压计量测性能对比初探 汤兆光，王永志，孙锐，王体强，王海 ( 中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 8 0 ) 摘要：地震荷载下的孔隙水压力量测准确性与可靠性对判别场地液化和构建单元本构模型极为关键，是带有高 频、瞬时特点的动力离心模型试验中一个值得学者们关注和重视的问题。与传统D r u c k 孑L 隙水压计对比，介绍了 两种可替代的新型传感器基本参数和结构组成，通过物理试验和数值模拟分析了三种传感器的响应性能和影响因 素。静态水压试验和动力离心模型试验表明，三种传感器在静态响应上结果相对一致，而动态响应上具有显著滞 后和幅值差别。数值模拟实验分析了主要元件对传感器频响特性的影响，其中透水石尺寸与频响能力关系密切。 主要研究结论和方法，证明建立孔隙水压量测可靠性评价方法和开展动态频响改进设计研究十分必要。 关键词：孔隙水压计；动力离心模型试验；动态响应；物理试验；数值模拟 中图分类号：P 7 1 4 6 ；P 7 5 1文献标识码：A 1研究背景 孔隙水压计( 简称孔压计) 是动力离心模型试验中观测超静孔隙水压力增长与消散的关键量测传 感器，用于监测、判别场地和岩土构筑物等力学性态与稳定性。5 1 。在动力离心模型试验中孔隙水压 力量测的主要难点和关键技术主要体现在两方面：与静力离心模型试验相比，孔压计除须适应高离 心力环境外，还须承受高频、高加速度振动冲击，且超静孔隙水压力在瞬间( 1 s ) 完成增长，对传感 器的结构工艺、稳定性和瞬时响应提出很高要求；与常规振动台试验相比，动力离心模型试验用于 模拟数百米的土层厚度，其孔压计量程比常规振动台高几十至上百倍，且量测信号须经集流环进行 传输并承受强低频电，磁场干扰，对传感器的量程、量测精度和可靠性提出挑战。然而，准确的孑L 隙 水压力量测是深入认识模型试验中液化土体破坏和场地失效过程的基础条件，对检验理论和建立液 化孔隙水压力增长的本构模型具有重要科学价值与研究意义。 实质上，孔隙水压计是属于压力一应变型量测传感器。，但与传统应变一应变型量测传感器对比， 具有自身的特点与难点。其中孔隙水压计为确保传感器的硅膜片仅受液体压力作用，须在硅膜片前端 安装透水石，液体压力经透水石作用于硅膜片，硅膜片受力将液体压力转变为电压信号输出”“。在 2 0 世纪3 0 年代，美国加州大学R o y W C a r l s o n 发明了孑L 隙水压计，并随着科技不断发展，相继建立 多种类型的孔压计，到目前国内常用孔压计以钢弦式、差动电阻式和压阻式为主，与国际上常用孔 压计在精度、稳定性、故障率和使用寿命上仍存在较大差距”“。，而在动力离心模型试验中，孔隙水 压计的性能评价与改进技术仍是国内外众多学者致力于研究的一个重要问题。 以往国内外静力与动力离心模型试验中广泛使用的微型孔隙水压计为D r u c k 公司设计生产的P D C R 一8 1 ，多年来已成为岩土工程物理模拟试验中孔隙水压力量测的标准传感器”。“。但自从2 0 1 0 年 收稿E l 期：2 0 1 7 0 6 1 5 基金项目：国家自然科学基金项目( 5 1 6 0 9 2 1 8 ) ；中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目( 2 0 1 7 8 0 5 ) ；黑龙江 省自然科学基金项目( L C 2 0 1 5 0 2 1 ) 作者简介：汤兆光( 1 9 9 3 一) ，男，福建漳州人，硕士生，主要从事孔隙水压计量测与理论解析方法研究。 E m a i l ：t z 9 1 5 8 1 3 5 1 6 3 e o m 通讯作者：王永志( 1 9 8 4 一) ，男，河南周口人，博士，副研究员，主要从事动力离心机设计理论与岩土试验方法及技术研究。 E m a i l ：y o n 9 5 8 9 3 7 4 1 1 6 3 t o m 一2 9 1 万方数据 三种孔隙水压计量测性能对比初探 汤兆光王永志孙锐王体强 王海 D r u c k 公司宣布P D C R 一8 l 传感器停产后，找到可替代的新型传感器在离心机试验中变得尤为重要”。 U CD a v i s 土工模拟中心联合英、美、德等国际精密量测传感器厂家进行共同研发，通过静态水压试 验和稳定测试试验，初步论证K e l l e r 和K u l i t e 两种新型传感器具有更好的量测性能与稳定性。1 。本文 首先对三种孔隙水压计的基本参数与结构组成进行详细对比，然后通过静态水压试验和动力离心模 型试验，对两种新型传感器与现有D r u c k 传感器的静力与动力响应特征进行对比，并展开一系列数值 模拟实验，分析主要元件对传感器频响特性的影响。 23 种孔隙水压计对比 2 1 传感器的基本参数本文中3 种孔隙水压计的实物如图1 所示。D r u c k 传感器与两种可替代 的新型传感器基本参数对比结果如表l 所示。由表1 可知，在量程方面，K e l l e r 传感器的量测范 围高于D r u c k 和K u l i t e 传感器，能更好地适用于高离心环境中的孔隙水压力量测；在工作温度方 面，D r u c k 和K u l i t e 传感器比K e l l e r 传感器的工作温度范围更宽，能更好地适用于不同环境温 度；在精度方面，D r u c k 传感器的量测精度高于K e l l e r 和K u l i t e 传感器，能显著提高孔隙水压力 量测准确性；在温度补偿方面，K u l i t e 传感器的补偿范围最宽；在零点影响方面，K e l l e r 传感器 受环境温度干扰影响最小；在壳体尺寸方面，3 种传感器的尺寸相对一致；在透水石尺寸方 面，K e l l e r 传感器的透水石尺寸与D r u c k 和K u l i t e 传感器均不相同。综上所述，通过详细比较3 种传感器的基本参数，在性能参数上，D r u c k 传感器在工作温度、精度方面性能较优；K e l l e r 传 感器在量程、零点影响方面性能较优；K u l i t e 传感器在工作温度、温度补偿范围方面性能较 优。在结构参数上，3 种传感器的壳体尺寸相对一致，但D r u c k 和K u l i t e 传感器的透水石尺寸与 K e l l e r 传感器之间存在差别。 a ) D r u e k 传感器( b ) K e l l e r 传感器 图l3 种孔隙水压 黪l I | | 表l3 种孑L 隙水压计的基本参数对比 2 2 传感器的结构组成 3 种孔隙水压计的结构对比如图2 所示。由图2 可知，在硅膜片安装方式 上，D r u c k 和K u l i t e 传感器的硅膜片均安装于玻璃环上，以降低作用在传感器两侧的应力，而K e l l e 。 传感器的硅膜片安装在主体的空腔中且空腔填充了橡胶化合物，通过硅膜片与主体侧壁之间的空腔 最大程度上保护硅膜片免受侧面应力作用h 。1 。在输出电缆方式上，D r u c k 和K u l i t 。传感器所使用的电 缆均是通气电缆且使用时通气电缆不能堵塞，K e l l e r 传感器所使用的电缆为超小型屏蔽电缆。在透水 - - 2 9 2 - - 万方数据 三种孔隙水压计量测性能对比初探汤兆光王永志孙锐王体强 王海 多孔透水石玻璃环螺帽 环形密封罔硅膜片多孔透水石玻璃环 ( a ) D r u c k 传感器( b ) K e l l e r 传感器( C ) K u l i t e 传感器 图2j 种孔隙水压计的结构对比 石固定方式上，D r u c k 和K u l i t e 传感器的透水石均使用粘合剂固定就位，而K e l l e r 传感器利用螺纹连 接的分体式结构，能够依据不同类型的土体模型更换透水石，在透水石未充分饱和或堵塞时，及时 更换透水石可有效提高量测故障应急能力和试验可操作性乜“1 。综上所述，K e l l e r 传感器的结构具有更 好的稳定性与操作性，且分体式有助于及时排除故障和提高试验灵活性。 3 物理模拟试验 3 1 静态水压试验离心机试验是在加州大学戴维斯分校的大型动力离心机系统中( 半径为9 1m 、 振动负载为2 7t ) 进行三种传感器的静态响应性能对比。模型箱中三种孔隙水压计的布设如图3 所 示。在图3 中，使用砂雨装置在柔性剪切模型箱中( 内部尺寸为1 6 5 1m m ( 长) x 7 8 7m m ( 宽) x 5 8 0m m ( 高) ) 将内达华砂布设成深度约为4 7 0m m 、土层相对密度为7 0 的土体模型，孔隙水压计的布设 方向是使硅膜片与振动方向相平行( 即孔隙水压计轴向垂直于振动方向) ，且模型箱内三种孔隙水 压计的布设方向相互平行。传感器布设完成后，在土体模型中通入一定量的C O ，使用甲基纤维素 溶液对孔隙水压计进行饱和处理。离心机旋转加速达到5 5g 的高离心变化过程中，采集处在同一 深度中土体表层上I v 基点的三种传感器测量的孔隙水压力信号( 静态数据采集系统的采样速率为lH z ) ， I v 基点中三个孑L 隙水压计的静态响应曲线如图4 所示。由图4 可知，三种孔隙水压计在静态响应性 能方面相对一致。 二 J j莲- E 由 母I V lI V f 2 1 、3 毒I V 基点 1r 譬P C B 加速度汁 兰 o 1r 瓮 t l n 二二4 1 0 T nn 1 7 1 4 1 ，0n n 1 二：4 1 0 m m 7 振动力向 图3模型箱中孔隙水压计布设( 平面图W4I V 展点孔隙水K 计的静态响应曲线 3 2 动力离心模型试验孑L 隙水压计的动态响应能力对于观测自由场中孑L 隙水压力增长和消散起至 关重要的作用。在离心机加速度达到5 5g 的高离心水平时，模型箱基底输入等效压缩地震波( 最大为 0 6g 基底加速度) ，地震波加速度时程曲线如图5 所示，采集处在同一深度中土体表层上I V 基点的三 种传感器测量的孔隙水压力信号( 动态数据采集系统的采样速率为40 9 6H z ) ，三种孔隙水压计的动态 响应时程曲线如图6 所示。由图6 可知，三种孔隙水压计在动态响应上具有显著滞后与幅值差异，证 明了三种孑L 隙水压计的测试性能存在差异，在动力离心模型试验中孔隙水压量测可靠性评价有待进 一步研究。 - - - 2 9 3 - 万方数据 i 种孔隙水压计量测性能对比初探 汤兆光王永志孙锐王体强 王 海 52 02 5 3 03 54 04 55 时间s 图5 地震波加速度时程曲线 4 数值模拟实验 进行离心机试验前，对K e l l e r 传感器进行标定的过程中，发现传感器安装透水石前后的标定结果 存在显著差异，由此推断透水石对传感器的频响特性具有重要影响旧1 。本节将通过A N S Y SC F X 流体 力学软件建立多孔介质模型，模拟在高离心加速度环境中孔隙水经过不同孔隙、尺寸的透水石对流 体阻碍作用和传感器频响的影响。 4 1 透水石孔隙的影响通过数值模拟在透水石厚度为2m m 、直径为6m m ，孔隙水黏度为1 0c S t 的 情况下，当离心机旋转加速从5 0g 达到1 0 0g 的离心变化过程中，三种不同孑L 隙的透水石对流体阻碍 作用和传感器动态响应的影响，三种不同孔隙的透水石速度场分布结果如图7 所示，高离心加速变化 中不同孑L 隙的透水石对比结果如表2 所示。由表2 可