岩土工程监测丁万涛主要内容绪论测试技术基础知识岩土的原位测试技术基坑工程中的岩土工程问题监测地下工程中的岩土工程问题监测边坡工程中的岩土工程问题监测地基加固的检验与检测桩基础的测试与检测第一章 绪 论本课程的目的和意义本课程在岩土工程中的地位与作用岩土工程测试、检测及监测技术简介岩土工程测试与检测技术的现状与展望1.1 本课程的目的和意义岩土工程是利用土力学、岩体力学及工程地质学的理论和方法，为研究各类土建工程中涉及岩土体的利用、整治和改造问题而进行的系统工作。岩土力学理论要变为工程现实，需要相应的测试手段。岩土工程设计、施工，试验工作非常重要，它是学科理论研究与发展的基础。1.2本课程在岩土工程中的地位与作用岩土力学在一定意义上讲就是一门试验力学，试验是土力学发展的基础。岩土体的复杂性使前期勘察与试验结果存在着一定的不确定性，在岩土工程施工过程中还必须通过现场监测与检测，以确保岩土工程的安全性。岩土工程测试技术不仅在工程实践中十分重要，而且在学科理论的研究与发展中也起着决定性作用。监测与检测的重要性保证工程的施工质量和安全，提高工程效益。在岩土工程服务于工程建设的全过程中，现场监测与检测是一个重要的环节，可以使工程师们对上部结构与下部岩土地基共同作用的性状及施工和建筑物运营过程的认识在理论和实践上更加完善，便于总结工作经验和形成新的认识。依据监测结果，利用反演分析的方法，求出能使理论分析与实测基本一致的工程参数。1.3 岩土工程测试、检测及监测技术简介岩土工程测试包括室内土工试验、岩体力学试验、原位测试、原型试验和现场监测等。室内土工试验：观测判别试验、物理性质试验、化学性质试验和力学性质试验等。岩体力学试验：常规力学指标和岩体变形与破坏机理的分析与研究。原位测试：基本保持被测试岩土体的结构、含水量及应力状态不变的条件下测定其基本物理力学性能。1.3.1 原位测试获取设计参数的原位试验；提供施工控制和反演分析参数的原位检测。优点：1、避开取土样困难，测定难以采取不扰动试样土层的工程性质；2、在原位应力条件下试验，避免采用过程中应力释放的影响；3、试验的岩土体体积较大，代表性强；4、工作效率较高，可大大缩短勘探试验的周期。1.3.1 原位测试缺点1、各种原位测试都有其针对性和适用条件；2、原位测试所得参数与土的工程性质间的关系往往建立在统计关系上；3、影响原位测试成果的因素较为复杂（如周围的应力场、排水条件和施工过程对测试环境的干扰等），使得对测定值的准确判定造成一定的困难；4、原位测试中的主应力方向与实际岩土工程问题中多变的主应力方向往往并不一致。1.3.2 原型试验原型试验以实际地下结构物为对象在现场地质条件下按设计荷载条件进行试验，其试验结果具有直观、可靠等优点，主要有桩基试验、锚杆试验等；通过原型试验可以进一步验证工程勘察结果和设计结果的正确性与可靠性。1.3.3 现场监测以实际工程作为对象，在施工期及工后期对整个岩土体和地下结构以及以实际工程作为对象，在施工期及工后期对整个岩土体和地下结构以及周围环境，于事先设定的点位上，按设定的时间间隔进行应力和变形现周围环境，于事先设定的点位上，按设定的时间间隔进行应力和变形现场观测。场观测。目的：目的：1、检验岩土工程施工质量是否满足岩土工程设计和有关规程、规范的要求；、检验岩土工程施工质量是否满足岩土工程设计和有关规程、规范的要求；2、指导岩土工程的施工方法、流程和施工进度，通过岩土工程监测反馈分、指导岩土工程的施工方法、流程和施工进度，通过岩土工程监测反馈分析岩土工程设计与施工是否合理，并为后续设计与施工方案提供优化意析岩土工程设计与施工是否合理，并为后续设计与施工方案提供优化意见；见；3、检测岩土工程施工对环境的影响，验证岩土工程施工防护措施的效果；、检测岩土工程施工对环境的影响，验证岩土工程施工防护措施的效果；4、及时发现和预报岩土工程施工过程中所出现的异常情况、防止岩土工程、及时发现和预报岩土工程施工过程中所出现的异常情况、防止岩土工程施工事故，保障岩土工程施工安全；施工事故，保障岩土工程施工安全；5、提供定量的岩土工程质量事故鉴定依据；、提供定量的岩土工程质量事故鉴定依据；6、为建（构）筑物的竣工验收提供所需的监测资料。、为建（构）筑物的竣工验收提供所需的监测资料。1.3.3 现场监测现场监测工作的主要内容：1、对岩土所受到的施工作用、各类荷载的大小以及在这些荷载作用下岩土反应性状的监测；2、对建设中或运营中结构物的监测；3、监测岩土工程在施工及运营过程中对周围环境的影响。1.4 岩土工程测试与检测技术的现状与展望现状：1、手段单一2、结果缺乏合理的解释3、管理制度不健全4、人员培训不及时采取相应措施：1、建立健全行业管理制度，提高工作人员素质2、增强对从事岩土工程工作的单位考核与管理，提高人员培训与考核3、加强岩土工程各个环节的控制，增强对检测、测试环节的阶段验收和最终评判展望：1、取样技术标准化2、新仪器新方法的开发3、工程地球物理探测4、现场测试、室内试验、理论预测和数值反分析及其再预测的有机结合与循环第二章 测试技术基础知识测试：信息采集，获取测试数据；以确定量值为目的的一系列操作。测试系统：传感技术的实体，传感器与多台仪表的组合。2.1.1 测试将测试值与同种性质的标准量进行比较，确定被测试值对标准量的倍数。2.1.2 测试系统测试系统：传感器与测试仪表、变换装置等的有机组合。传感器：感受被测试的大小并输出相对应的可用输出信号的器件或装置。数据传输环节：传输数据。数据处理环节：信号处理和变换。数据显示环节：被测试信息变成人感官能接受的形式，以完成监视、控制或分析的目的。2.2 传感器的基本特性传感器：敏感元件、转换元件和测试电路。传感器：敏感元件、转换元件和测试电路。传感器性能评价：静态特性和动态特性。传感器性能评价：静态特性和动态特性。静态特性：当被测量的各个值处于稳定状态时，传感器的静态特性：当被测量的各个值处于稳定状态时，传感器的输出值与输入值之间的关系数学表达式、曲线或数表。输出值与输入值之间的关系数学表达式、曲线或数表。动态特性：当被测量值随时间变化时，传感器的输出值与动态特性：当被测量值随时间变化时，传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。2.2.1 传感器的静态特性参数指标主要指标：灵敏度、线性度（直线度）和回主要指标：灵敏度、线性度（直线度）和回程误差（迟滞性）程误差（迟滞性）灵敏度（）：灵敏度（）：稳态时传感器输出量稳态时传感器输出量Y和和输入量输入量X之比，或输出量之比，或输出量Y的的增量和输入量增量和输入量X的增量之比。的增量之比。线性度（非线性误差） 传感器的输出传感器的输出-输入校准曲线与理论拟合曲线之间的最大偏差与传感器满量程输出输入校准曲线与理论拟合曲线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比。之比。理想的传感器输出与输入呈线性关系。线性度是评价非线性程度的参数。 回程误差（迟滞性）输入逐渐增加到某一值与输入逐渐减小到同一输入值时的输出输入逐渐增加到某一值与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等，叫迟滞现象。值不相等，叫迟滞现象。迟滞差：对于同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值迟滞差：对于同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值hmax与量程与量程A的比值的百分率。的比值的百分率。分辨力分辨力：传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阀值。测量范量范围和量程和量程：在允许误差限内，被测量值的下限与上限之间的范围。重复性重复性：传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出-输入曲线的不一致程度。零漂零漂：传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输出值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比。温漂温漂：温度每升高1度，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比。2.2.2 传感器的动态特性通常根据正弦变化与阶跃变化两种标准输入来考察传感器的响应特性。建立数学模型来分析和处理传感器的动态响应。线性系统的动态响应，广泛使用的数学模型是普通线性常系数微分方程。2.3 常用传感器的类型和工作原理变换原理：电阻式、电容式、差动变压器式、光电式等。被测量的物理量：位移传感器、压力传感器、速度传感器。2.3.1 差动电阻式传感器（卡尔逊式仪器）（卡尔逊式仪器）组成：两根弹性钢丝作为传感元件，一根受拉，一根受压。钢丝特性之一环境变量变化，钢丝电阻值反向变化，两个元件的电阻值比值，测出物理量的数值。当钢丝受到拉力作用而产生弹性变形，其变形与电阻变化之间关系：钢丝特性之二 钢丝电阻随其温度变化之间的近似线性关系：工作原理：仪器受力变形，钢丝电阻产生差动变化，一根受拉，电阻增加，一根受压，电阻减少，两个钢丝的串联电阻不变而电阻比R1/R2发生变化，得到钢丝电阻比值，就得到仪器的变形或应力；温度改变时，钢丝电阻变化是同方向的，温度升高时，两根钢丝的电阻都减少。获得钢丝的串联电阻，就可求得仪器测点位置的稳定。差动式应变计： 灵敏度较高，性能稳定，耐久性好2.3.2 钢弦频率式传感器组成：一根金属丝弦（高弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢）工作原理：利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测各种物理量。钢弦式仪器是根据钢弦张紧力与谐振频率成单值函数关系设计而成的；关系式如下：压力盒计算公式压力盒计算公式钢弦传感器的种类钢弦传感器的种类钢弦式应变计、钢弦式土压力盒、钢筋应力计等。特点结构简单可靠，传感器的设计、制造、安装和调试方便。不受接触电阻、外界电磁场影响，性能较稳定，耐久性能好。2.4 监测仪器的选择和标定监测仪器和元件的选择岩土工程监测仪器的质量标准监测仪器的适用范围及使用条件仪器和传感器的标定2.4.1 监测仪器和元件的选择选取要求：仪器的技术性能、仪器埋设条件、仪器测读的方式和仪器的经济性仪器技术性能方面仪器的可靠性（器的可靠性（光学、机械、光学、机械、电子子设备等等）仪器使用寿命（器使用寿命（仪器工作寿命大于或等于工程使用年限器工作寿命大于或等于工程使用年限）仪器的器的坚固性和可固性和可维护性（性（容易容易标定、修复或置定、修复或置换）仪器的精度（器的精度（精度精度满足足监测数据要求即可数据要求即可）灵敏度和量程（灵敏度和量程（高灵敏度、大量程高灵敏度、大量程）仪器埋设条件方面仪器器选型型时，应考考虑其埋其埋设条件（条件（性能保性能保证下，下，选择易埋易埋设）施工施工仪器和埋器和埋设条件不同，条件不同，选择不同不同仪器。器。v仪器选择经济方面技技术要求要求满足条件下，足条件下，选择最最经济的（的（仪器器购置、置、损耗及埋耗及埋设费用用）v仪器测读方式方面根据根据测量工作量量工作量选择不同的不同的测读方式的方式的仪器器对于能形成于能形成监测网并能网并能联网网监测的工程，的工程，仪器器选型型时应根据根据监测系系统统一的一的测读方式方式选择仪器器2.4.2 岩土工程监测仪器的质量标准可靠性和稳定性仪器在设计规定的运行条件和运行时间内，检测元件、转换装置和测读仪器、仪表保持原有技术性能的程度。准确度和精度准确度：测量结果与真值偏离的程度，系统误差的大小是准确度的标志。精度：在相同条件下测量同一个量所得结果重复一致的程度。灵敏度和分辨力灵敏度：输入量（被测信号）与输出量的比值分辨力：灵敏度的倒数，灵敏度越高，分辨力越强，传感器检测出的输入量变化越小。监测仪器的适用范围及使用条件变形观测仪器经纬仪、水准仪、全站仪、电子测距仪或激光准直仪。位移计、测缝计、倾斜仪、沉降仪、垂线坐标仪、多点位移计和应变计等压力（应力）观测仪器土压力计、孔隙压力计、钢筋内力计等其他观测仪器温度计、速度计、加速度计、动水压力计等2.4.4 仪器和传感器的标定标定：标定：利用精度高一利用精度高一级的的标准器具准器具对传感器感器进行定度的行定度的过程，从而确定其程，从而确定其输出量与出量与输入量之入量之间的的对应关系，同关系，同时也确也确定不同使用条件下的定不同使用条件下的误差关系。差关系。标定方法：利用利用标准准设备产生已知生已知“标准准”输入量，或用入量，或用标准准传感器感器检测输入量的入量的标准准值，输入待入待标定的定的传感器，并感器，并将将传感器的感器的输出量与出量与输入入标准量相比准量相比较，获得校准数据和得校准数据和输入入输出曲出曲线，动态响响应曲曲线等，由此分析等，由此分析计算而得到被算而得到被标传感器的技感器的技术性能参数。性能参数。标定类型：静静态标定和定和动态标定定静态标定将将传感器感器测量范量范围分成若干等分成若干等间距点；距点；根据根据传感器量程分点情况，感器量程分点情况，输入量由小到大逐入量由小到大逐渐变化，并化，并记录各各输入入输出出值；将将输入入值由大到小逐点减少下来，同由大到小逐点减少下来，同时记录下与各下与各输入入值相相对应的的输出出值；重复上述两步，重复上述两步，对传感器感器进行正反形成多次重复行正反形成多次重复测量，将得量，将得到的到的测量数据用表格列出或量数据用表格列出或绘制曲制曲线；进行行测量数据量数据处理，根据理，根据处理理结果确定果确定传感器的静感器的静态特性指特性指标。动态标定用用标准信号激励准信号激励标定参数，得到激励后定参数，得到激励后传感器的感器的输出信号，出信号，分析分析计算、算、处理数据，决定理数据，决定标定的定的频率特性，即幅率特性，即幅频特性、特性、阻尼和阻尼和动态灵敏度等。灵敏度等。