1、前言
岩土工程监测从业者大多遇到过一个难题：传统振弦式、FBG土压力传感器封装刚度与原位土体模量差异大，土拱效应严重，实测土压力远偏离理论真值；光纤传感器传统胶水粘接封装工艺繁琐、良品率低、参数不可调，而采用3D打印预埋OFDR光纤一体化成型，经过室内模型箱+深圳地铁现场双重试验，实测数值更贴近土压力理论值，可自由定制灵敏度、量程，能够为岩土工程测试提供更可靠的数据支持。
2、技术原理及制备流程
技术原理：
传统传感器多采用钢铁材料制作外壳，很难匹配多变土体模量，且材质刚度远大于土体，埋入土层后无法测试出真实土压力，3D打印可通过更换打印材料、填充密度、模型尺寸等，让传感器的刚度贴近土体模量。
3D打印层层堆叠，成型件天然具备各向异性力学特征，搭配OFDR光频域反射技术采集光纤微应变，即可反向换算土体的土压力。
光纤直径小，可直接封装在圆柱体模型中，相较于传统压力传感器具备更好的一体性，可避免传统测试中的弊端。
制备流程 ：
三维建模：基准试样为Φ30mm×厚度10mm圆柱体；
切片参数设定：喷嘴温度220℃、走丝速度60mm/s、自定义填充密度（20%~100%）；
分段打印埋纤：打印至模型50%厚度暂停，将125μm单模分布式光纤卡在卡槽点胶固定；
剩余耗材续打封装，全程OFDR实时监测光纤完好度。
图1制备流程图
耗材可选PLA聚乳酸、碳纤维两种材料，通过更换填充密度、材料、构件厚度，灵活调控传感器灵敏度与量程。
图2不同填充密度实物图
3、传感器测试
室内模型箱加载试验 ：
室内试验在模型箱（直径30cm、高60cm）内开展，以细粒占95.2%的未压实砂土模拟欠固结土体，选用5个φ30mm×10mm、填充密度20%~100%的3D打印传感器，对应灵敏度0.269、0.203、0.165、0.149、0.101με/kPa，借助1t万能试验机分级施加200N、400N、600N、800N四级荷载测试。
图3实验示意图及实拍图
通过实验测得填充密度越低，传感器受压凹陷越明显，主动土拱效应越强，实测土压力偏大；100%满填充密度传感器整体均匀，测量值最贴近理论计算值，且全部传感器荷载-应变线性度优异。
图4室内模型箱试验中，不同密度的压力传感器的压强随四级荷载的变化
现场应用验证：
现场依托深圳地铁3号线坪西站装配式地下车站项目，车站覆土总深度5m，覆土分三阶段施工：0.8m→3m→5m，同监测断面并排布设3支3D打印光纤传感器+1支传统振弦式土压力计做对照。
图5传感器现场安装情况
1.四类传感器均可精准捕捉覆土升压趋势，埋深越大土压力同步升高；
2.受被动土拱影响，所有仪器实测值＞理论值，但3打印光纤传感器误差远小于不锈钢外壳的传统振弦传感器；
3.同尺寸：PLA材质模量更低，数据更精准；同材质：厚度越大、模量越贴近土体，监测精度越好。
图 6 现场应用的覆土压力监测
4、结论
通过室内模型箱与深圳地铁现场双重验证,3D打印光纤土压力传感器有效解决了传统振弦式传感器的"刚度匹配"难题，3D打印传感器将精度提升2-3倍。通过调节填充密度(20%-100%)、材质(PLA/碳纤维)、厚度等参数,可灵活定制灵敏度和量程,配合OFDR实时监测光纤状态,制备工艺简单、良品率高、成本低,为岩土工程监测提供了一种"参数可调、一传感器多场景"的新选择,让土压力测量不再受限于传统产品的固定参数。
原文来源：
传感技术学报第38卷第12期2025年12月-基于３Ｄ打印制备光纤土压力传感器
作者：朱双厅，黄金生，谢晓峰，王道初，樊健豪