岩土工程监测.

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1、岩土工程监测 丁万涛 主要内容 v绪论 v测试技术基础知识 v岩土的原位测试技术 v基坑工程中的岩土工程问题监测 v地下工程中的岩土工程问题监测 v边坡工程中的岩土工程问题监测 v地基加固的检验与检测 v桩基础的测试与检测 第一章 绪 论 v本课程的目的和意义 v本课程在岩土工程中的地位与作用 v岩土工程测试、检测及监测技术简介 v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 v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。 v岩土力学理论要变为工程现实，需要相应的 测试手段。 v岩土工程设

2、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 v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。 v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。 v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 v保证工程的施工质量和安全，提高工程效益。 v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

3、 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。 v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 v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。 v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。 v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。 v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 v获取设计参数的原位试验； v提供施工控制和反演分析

4、参数的原位检测。 v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 v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

5、 原型试验 v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； v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 v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 场观测。 v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 ； 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 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

6、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； 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 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； 6、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 v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 v现状： 1、手段单一 2、结果缺乏合理的解释 3、管理制度

7、不健全 4、人员培训不及时 v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 v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 v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。 v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 v将测试值与同种性质的标准量进行比较，确定被 测试值

8、对标准量的倍数。 2.1.2 测试系统 v测试系统：传感器与测试仪表、变换装置等的有机 组合。 v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。 v数据传输环节：传输数据。 v数据处理环节：信号处理和变换。 v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 v传感器：敏感元件、转换元件和测试电路。 v传感器性能评价：静态特性和动态特性。 v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。 v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

9、达式、曲线或数表。 2.2.1 传感器的静态特性参数指标 v主要指标：灵敏度、线性度（直线度）和回 程误差（迟滞性） 灵敏度（）： 稳态时传感器输出量Y和 输入量X之比，或输出量Y的 增量和输入量X的增量之比。 v线性度（非线性误差） 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 出之比。 v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。 v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 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 hmax与量程A的比值的百分率。 v分辨力：传感器能检

10、测到的最小输入增量。在输入 零点附近的分辨力称为阀值。 v测量范围和量程：在允许误差限内，被测量值的下 限与上限之间的范围。 v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。 v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。 v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 v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。 v建立数学模型来分析和处理传感器的动态响 应。 v线性系统的动态响应，广泛使用的数学模

11、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 v变换原理：电阻式、电容式、差动变压器式 、光电式等。 v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） v组成：两根弹性钢丝作为传感元件，一根受拉，一 根受压。 v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： v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 ： v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

12、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。 v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 v组成：一根金属丝弦（高弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢） v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。 v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 钢弦传感器的种类 v钢弦式应变计、钢弦式土压力盒、钢筋应力计 等。

13、v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 v监测仪器和元件的选择 v岩土工程监测仪器的质量标准 v监测仪器的适用范围及使用条件 v仪器和传感器的标定 2.4.1 监测仪器和元件的选择 v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 v仪器技术性能方面 仪器的可靠性（光学、机械、电子设备等） 仪器使用寿命（仪器工作寿命大于或等于工程使用年限） 仪器的坚固性和可维护性（容易标定、修复或置换） 仪器的精度（精度满足监测数据要求即可） 灵敏度和量程（高灵敏度、大量程）

14、v仪器埋设条件方面 仪器选型时，应考虑其埋设条件（性能保证下，选择易埋设 ） 施工仪器和埋设条件不同，选择不同仪器。 v仪器选择经济方面 技术要求满足条件下，选择最经济的（仪器购置、损耗及埋 设费用） v仪器测读方式方面 根据测量工作量选择不同的测读方式的仪器 对于能形成监测网并能联网监测的工程，仪器选型时应根据 监测系统统一的测读方式选择仪器 2.4.2 岩土工程监测仪器的质量标准 v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。 v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

15、同条件下测量同一个量所得结果重复一致的程度 。 v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。 2.4.3监测仪器的适用范围及使用条件 v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 v压力（应力）观测仪器 土压力计、孔隙压力计、钢筋内力计等 v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 v标定：利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过 程，从而确定其输出量与输入量之间的对

16、应关系，同时也确 定不同使用条件下的误差关系。 v标定方法：利用标准设备产生已知“标准”输入量，或用标 准传感器检测输入量的标准值，输入待标定的传感器，并将 传感器的输出量与输入标准量相比较，获得校准数据和输入 输出曲线，动态响应曲线等，由此分析计算而得到被标传感 器的技术性能参数。 v标定类型：静态标定和动态标定 v静态标定 将传感器测量范围分成若干等间距点； 根据传感器量程分点情况，输入量由小到大逐渐变化，并记 录各输入输出值； 将输入值由大到小逐点减少下来，同时记录下与各输入值相 对应的输出值； 重复上述两步，对传感器进行正反形成多次重复测量，将得 到的测量数据用表格列出或绘制曲线； 进行测量数据处理，根据处理结果确定传感器的静态特性指 标。 v动态标定 v用标准信号激励标定参数，得到激励后传感器的输出信号， 分析计算、处理数据，决定标