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 150080）

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 150080）

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Druck孔隙水压计对比，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。

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

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［1-5］。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（1s）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，准确的孔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-应变型量测传感器［3］，但与传统应变-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［3，6-7］。在20世纪30年代，美国加州大学Roy.W.Carlson发明了孔隙水压计，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［7-8］，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Druck公司设计生产的PD⁃CR-81，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［2-3，6］。但自从2010年Druck公司宣布PDCR-81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［2，6］。UC Davis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Keller和Kulite两种新型传感器具有更好的量测性能与稳定性［3，6］。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Druck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。

2 3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。Druck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1所示。由表1可知，在量程方面，Keller传感器的量测范围高于Druck和Kulite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，Druck和Kulite传感器比Keller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，Druck传感器的量测精度高于Keller和Kulite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，Kulite传感器的补偿范围最宽；在零点影响方面，Keller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，Keller传感器的透水石尺寸与Druck和Kulite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，Druck传感器在工作温度、精度方面性能较优；Keller传感器在量程、零点影响方面性能较优；Kulite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Druck和Kulite传感器的透水石尺寸与Keller传感器之间存在差别。

图1 3种孔隙水压计

表1 3种孔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，Druck和Kulite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Keller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［6-7］。在输出电缆方式上，Druck和Kulite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，Keller传感器所使用的电缆为超小型屏蔽电缆。在透水石固定方式上，Druck和Kulite传感器的透水石均使用粘合剂固定就位，而Keller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［2，6］。综上所述，Keller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。

图2 三种孔隙水压计的结构对比

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9.1 m、振动负载为2.7 t）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1651 mm（长）×787 mm（宽）×580 mm（高））将内达华砂布设成深度约为470 mm、土层相对密度为70%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CO2，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55 g的高离心变化过程中，采集处在同一深度中土体表层上IV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1 Hz），IV基点中三个孔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。

图3 模型箱中孔隙水压计布设（平面图）

图4 IV基点孔隙水压计的静态响应曲线

3.2 动力离心模型试验孔隙水压计的动态响应能力对于观测自由场中孔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55 g的高离心水平时，模型箱基底输入等效压缩地震波（最大为0.6 g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IV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4 096 Hz），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，证明了三种孔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。

图5 地震波加速度时程曲线

图6 IV基点中孔隙水压计动态响应时程曲线

4 数值模拟实验

进行离心机试验前，对Keller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［2］。本节将通过ANSYS CFX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2 mm、直径为6 mm，孔隙水黏度为10 cSt的情况下，当离心机旋转加速从50 g达到100 g的离心变化过程中，三种不同孔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孔隙的透水石对比结果如表2所示。由表2可知，在高离心加速度变化中三种不同孔隙的透水石对孔隙水的阻碍作用近似相同，传感器动态响应时间变化均在21.3 us～21.4 us范围内。综上所述，可知不同孔隙的透水石对于传感器的动态响应特征影响较小。

表2 不同孔隙的透水石模拟结果对比

4.2 透水石尺寸的影响通过数值模拟在透水石的孔隙为0.005 mm情况下，在高离心加速度变化过程中，三种不同尺寸的透水石对流体的阻碍作用和传感器动态响应的影响，不同尺寸的透水石速度场分布对比如图8所示，高离心加速变化中不同尺寸的透水石对比结果如表3所示。由表3可知，在高离心加速变化下，透水石厚度为2 mm、直径为6 mm与厚度为2 mm、直径为5 mm时，对孔隙水阻碍作用近似相同，传感器动态响应时间均在21.3 us～21.4 us范围内；而透水石厚度为4 mm、直径为4 mm时，对孔隙水的阻碍作用明显大于前两者，传感器的动态响应时间也增加一倍。综上所述，可知不同尺寸的透水石对于传感器动态响应时间与响应幅值存在明显差异。

5 结论

（1）通过详细比较三种传感器的基本参数与结构组成，在性能参数方面，Druck传感器在工作温度范围、精度误差上性能较优；Keller传感器在量程、零点影响上性能较优；Kulite传感器在工作温度、温度补偿范围上性能较优。在总体尺寸方面，两种新型传感器与现有Druck传感器尺寸大小相对一致，小型化尺寸设计有利于减少对土体模型的干扰。在透水石尺寸方面，Druck和Kulite传感器的透水石尺寸与Keller传感器之间存在差别。在结构组成方面，Keller传感器利用螺纹连接的分体式结构具有更好的稳定性与操作性，发生故障时可及时更换透水石。（2）通过设计两组离心机试验，对比三种孔隙水压计的静力与动力响应特征。静态水压试验中，三种传感器的量测性能在静态响应性能方面相对一致；动力离心模型试验中，三种传感器的动态量测响应滞后且幅值存在显著差异，证明在动力离心模型试验中三种孔隙水压计的测试性能存在差异，有待对孔隙水压力量测可靠性评价进一步研究。（3）展开一系列数值模拟实验，分析透水石的孔隙、尺寸对传感器动态响应的影响。通过模拟不同孔隙的透水石，可知在高离心加速度变化下不同孔隙的透水石对于传感器动态响应特征影响较小。通过模拟不同尺寸的透水石，可知在高离心加速度变化下不同尺寸的透水石对传感器的频响存在显著差异，证明开展孔隙水压计的动态频响改进设计的研究十分必要。

图7 不同孔隙的透水石速度场分布对比

图8 不同尺寸的透水石速度场分布对比

表3 不同尺寸的透水石模拟结果对比

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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

（责任编辑：祁 伟）

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

国家自然科学基金项目（51609218）；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（2017B05）；黑龙江省自然科学基金项目（LC2015021）

汤兆光（1993-），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-mail：tzg158135@163.com

王永志（1984-），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-mail：yong5893741@163.com