岩土工程现场监测.doc

第一章 绪 论一、目的和意义岩土工程：利用土力学、岩体力学及工程地质学的理论与方法，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。测试技术从根本上保证岩土工程设计的精确性、代表性以及经济合理性的重要手段对岩土工程专业的学生来说，这是一门必须掌握的专业基础课程。二、现场监测技术简介1现场监测就是以实际工程为对象，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。2、监测目的：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；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见；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；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；提供定量的岩土工程质量事故鉴定依据；为建（构）筑物的竣工验收提供所需的监测材料。3、监测内容：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。对建设中或运营中的结构物的监测。监测岩土工程在施工及运营过程中对周围环境的影响。4、监测项目：地表位移、沉降，岩体内部的变形观测，土体内部的变形观测，建筑物与岩土体间接触压力的测量，岩体应力测量，土体应力测量，孔压测量。三、现状与展望1、现状：手段单一； 结果缺乏科学合理的解释； 管理制度不健全； 人员培训不及时。2、解决方法：健全管理制度； 增强考核与管理； 加强控制。3、展望：取样技术的标准化； 新仪器新方法的开发； 工程地球物理探测； 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2.1 测试系统概念：在工程中，需要有传感器与多台仪表组合在一起，才能完成信号的检测，形成了测试系统。下图为测试系统原理结构框图。被测对象传感器数据传输环节数据处理环节数据显示环节被测量l 传感器是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。l 数据传输环节用来传输数据。当测试系统的几个功能环节独立地分隔开的时候，则必须由一个地方向另一个地方传输数据，数据传输环节就是能够完成这种传输功能的环节。l 数据处理环节是将传感器输出信号进行处理和变换。l 数据显示环节将被测试信息变成人感官能接受的形式。2.2 传感器的基本特性1. 传感器定义：能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。2. 组成：通常由敏感元件、转换元件和测试电路组成。敏感元件是指能直接感受(或响应)被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其他量。转换元件则将上述非电量转换成电参量。测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。3. 可通过静态特性和动态特性来表征性能优劣。静态特性参数指标：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直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比。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。分辨力：传感器能检测到的最小输入增量。测量范围和量程：在允许误差限内，被测量值的下限到上限之间的范围。迟滞：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。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。零漂和温漂：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为零漂。而温度每升高1，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比称为温漂。4. 动态特性：输入量为时间的函数，则输出量也应是时间的函数。2.3 常用传感器类型1.差动电阻式传感器原理：内腔由两根弹性钢丝作为传感元件，受力后一根受拉一根受压。当受环境量变化作用时，两者的电阻值向相反方向变化，通过两个元件的电阻值比值，测出物理量的数值。钢丝的电阻值会随温度变化而变化。该传感器就是根据以上两个原理制成的。2钢弦频率式传感器（图例为土压力盒）钢弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦，与传感器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量。3电感式传感器根据电磁感应原理，利用线圈电感的变化来实现非电量电测。4电阻应变片式传感器利用金属的电阻应变片将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。5其他：电容式传感器、磁电式传感器、压电传感器、光纤传感器等。2.4 监测仪器的选择和标定一、 监测仪器和元件的选择（从4个方面考虑）仪器技术性能的要求可靠性，使用寿命，坚固性和可维护性，精度，灵敏度和量程仪器埋设条件的要求对同一监测目的的仪器，在性能相同或出入不大时，选择在现场易于埋设的仪器设备 ；施工要求和埋设条件不同时，选择不同仪器。仪器测读方式的要求选择操作简便易行、快速有效和测读方法尽可能一致的仪器设备；对于可与其他监测网联网的监测，根据监测系统统一的测读方式选择。仪器选择的经济性要求国产仪器性能稳定可靠且价格低廉。二、 监测仪器的质量标准:可靠性和稳定性准确度和精度灵敏度和分辨力三、 监测仪器的适用范围和使用条件变形观测仪器压力（应力）观测仪器其他四、 仪器和传感器的标定标定（又称率定）是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应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。分为静态标定和动态标定。第三章 原位测试技术3.1 平板载荷试验简称载荷试验,主要用于测定承压板下应力主要影响范围内岩土的承载力和变形特性。 载荷试验是在试坑内一定尺寸的平板上逐级施加静力荷载，观测各级荷载作用下的沉降，根据荷载-沉降关系曲线（p-s曲线），确定地基承载力、计算土的变形模量、研究土的变形特性的一种现场原位测试方法。l 仪器设备载荷测试设备由承压板、加荷装置及沉降观测装置等部件组成。1、承压板一般为铸钢件 ，大型的载荷试验，采用现场浇筑钢筋混凝土承压板。对承压板的要求是，要有足够的刚度，满足在加荷过程中承压板本身的变形小、而且其中心和边缘不能产生弯曲和翘起的要求，其形状一般为圆形(也可方形)。根据经验，土质松软（如：软土、新近沉积土、人工杂填土）或上硬下软的双层地基土宜采用较大尺寸，土质较硬时承压板宜选用较小尺寸：对密实粘性土和砂土，承压板面积一般为1,0002,500cm2；对一般土，承压板面积多采用2,5005,000cm2。2、加荷装置加荷装置包括压力源（千斤顶、堆载物）、载荷台架、反力构架等。 加荷方式可分为两种：重物静力加荷和液压千斤顶加荷。重物静力加荷法：在载荷台上放置重物，如钢锭、铅块、建筑砌块等，以此向地基土施加荷载。 液压千斤顶反力加荷法：用液压千斤顶加荷，用地锚系统提供反力，其加荷控制及搬运方便，劳动强度相对较小，但可提供的反力有限，适于小荷载测试。 3、沉降量测系统 量测系统由百分表及固定支架或沉降传感器及自动记录仪组成。l 试验要点1.试验点选择要考虑建筑物需要和地基土的特点以及场地条件，进行试验设计和选用适合的试验方式及其承压板面积。 2.开挖试坑浅层平板载荷试验的试坑宽度或直径不应小于承压板宽度或直径的三倍；深层平板载荷试验的试井直径应等于承压板直径，当试井直径大于承压板直径时，紧靠承压板周围土的高度不应小于承压板直径；试坑或试井底部的岩土应避免扰动，保持其原状结构和天然湿度。 3.安装设备确定试验点位置确定地锚位置并安装开挖试坑，取样在试验中心点安装承压板安装位移传感器千斤顶传力柱和拉杆帽在地锚和传力柱间安装反力拉杆并使之均匀受力安装千斤顶的液压系统安装测量系统并把千分表清零。加荷方式：载荷试验加荷方式应采用分级维持荷载沉降相对稳定法(常规慢速法) ，当试验对象为土体时，每级荷载施加后，间隔5min、5min、10min、10min 、 15min、15min测读一次沉降，以后间隔30min 测读一次沉降，当连读两小时每小时沉降量都小于0.1mm 时，可认为沉降已达相对稳定标准，可施加下一级荷载。最终荷载的确定：应根据试验目的、设备条件等而定。如：为了确定地基变形参数、比例界限承载力，或因设备条件限制，则在比例界限压力点出现后，再加压23级即可终止；又如，在设备条件允许情况下，为确定地基土承载力，最好做到破坏阶段，以求出地基的极限荷载值。 终止试验条件：承压板周边的土出现明显侧向挤出，周边土出现明显隆起或径向裂缝持续发展；本级荷载的沉降量大于前级荷载沉降量的5 倍，荷载与沉降曲线出现明显陡降在某级荷载下24 小时沉降速率不能达到相对稳定标准总沉降量与承压板直径(或宽度)之比超过0.06。l 资料整理1. 实测曲线校正 土的性质状态不同，pS关系曲线形状也不同，大量实践表明，曲线可分拐点型pS曲线和圆滑型pS曲线、不规则型pS曲线。 a. 拐点型pS曲线校正 方法一：线性关系法（亦称图解法，直线段计算；适用于拐点型pS曲线校正）； 方法二 最小二乘法（直线段计算，适用于拐点型pS曲线校正）； 方法三：非拐点型pS曲线校正。 b.非拐点型圆滑型pS曲线校正 方法一：等增量校正法 ； 方法二：数据转换法 。l 平板静力载荷试验成果应用1. 确定地基承载力特征值 2. 计算地基变形模量E0 3. 预估建筑物沉降量 4. 由载荷试验测定湿陷性黄土湿陷起始压力Psh 3.2 静力触探原理：静力触探的基本原理就是准静力(相对动力触探而言，没有或很少有冲击荷载)将一个内部装有传感器的触探头（如图3-5）以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力自然也不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表记录下来，再通过贯入阻力与土的物理力学性质之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供桩基承载力、选择桩尖持力层和预估单桩承载力等岩土工程勘察目的。图3-5 静力触探示意图及其曲线l 试验设备1. 静力触探探头，亦称地层阻力传感器，它是量测地基土贯入阻力的关键部件，是贯入过程中直接感受土的阻力，将其转变成电信号，然后再由仪表显示出来的元件。 2.量测系统，配套的记录仪器主要有以下4种类型：电阻应变仪；自动记录绘图仪；数字式测力仪-数字式测力仪是一种精密的测试仪表。这种仪器能显示多位数，具有体积小、重量轻、精度高、稳定可靠、使用方便、能直读贯入总阻力和计算贯入指标简单等优点，是轻便链式十字板静力触探两用机的配套量测仪表，国内已有多家生产。这种仪器的缺点是间隔读数，手工记录。数据采集仪(微机)。3.贯入系统：包括触探主机与反力装置，共同负责将探头压入土中。l 试验要点1.探头率定-求率定系数-反标定2.仪器安装、检查与调试 3.现场操作要点整平场地，设置反力装置，水平安装触探仪，以保证探杆垂直贯入；选用适当探头，检查探头和量测记录仪器是否合格和正常，接通电源；触探机的贯入速率，应控制在1-2cm/s内，般为2cm/s；使用记读式仪器时，每贯入0.1m或0.2m应记录一次读数；使用自记式仪器时，应随时注意桥压、走纸和划线情况，做好深度和归零检查的标注工作。；在现场试验过程中，应经常监视探头和仪器工作是否正常，探头是否偏斜，探杆是否弯曲，反力系统是否有效等，并作详细记录。遇下列情况之一者，应停止贯入，并应在记录表上注明。触探主机负荷达到其额定荷载的120时；贯入时探杆出现明显弯曲反力装置失效；探头负荷达到额定荷载时记录仪器显示异常。l 资料整理(1)单孔原始资料的整理；(2)绘图及分层；(3)确定场地分层触探指标；(4)提交勘察报告书。l 成果应用土层划分和土类划分测定土的物理力学性质指标 求浅基承载力 在桩基勘察中的应用 评价砂土和粉土的震动液化 检验压实填土质量及强夯效果 3.3 动力触探动力触探试验(Dynamics Penetration Test，缩写DPT)是利用一定的锤击动能，将一定规格的探头打入土中，据每打入土中一定深度的锤击数来判定土的性质，并进行力学分层的一种原位测试方法。表3-1 动力触探类型类 型锤重(kg)落距(cm)探头(圆锥)规格探杆外径(mm)触探指标（贯入一定深度的锤击数）备 注锥角()直径(mm)圆锥动力触探轻型1050604025贯入30cm锤击数N10岩土工程勘察规范重型63.576607442贯入10cm锤击数N63.5岩土工程勘察规范超重120100607460贯入10cm锤击数N120岩土工程勘察规范水利部土工试验规程标准贯入试验63.576 对开管式贯入器，外径为51mm，内径35mm，外径500mm，长760mm，刃角为18 20，刃口单刃厚度2.5mm42贯入30cm锤击数N国际统一，简称SPTl 圆锥动力触探试验1. 仪器设备圆锥动力触探设备主要由圆锥探头、触探杆、穿心锤及锤垫四部分组成 。 图3-7 动力触探探头（单位：mm）(a)轻型；(b)重型、超重型图。 3-6 轻型动力触探仪（单位：mm）1圆锥探头；2触探杆；3钢锤垫；4穿心锤 表3-2 圆锥动力触探分类和规格设备类型轻型重型超重型落锤质量m(kg)1063.5120落距H(cm)5076100探头直径(mm)407474截面积(cm2)12.64343圆锥角()606060触探杆直径(mm)25425060每米质量(kg)8100或贯入15cm锤击数超过50时即可停止试验；对于重型动力触探，当连续三次N63.550，即可停止试验或改用超重型动力触探。 贯入深度的一般限制，对轻型一般应4m，重型1215m，超重型20m，超过此深度应考虑侧壁摩阻的影响。3. 影响成果的主要因素杆长的影响 杆侧摩擦的影响 上覆压力的影响 4. 成果应用 力学分层 确定地基土的承载力 估算圆砾、卵石土地基变形模量层预估单桩承载力和确定桩基持力层的位置确定砂土和卵石的密实度 l 标准贯入试验1. 试验设备：包括标准贯入器、触探杆、穿心锤与锤垫四部分。 表3-3 标准贯入试验设备规格落锤锤的质量(kg)63.5落距(cm)76贯入器对开管长度(mm)500外径(mm)51内径(mm)35管 靴长度(mm)5076刃口角度()1820刃口单刃厚度(mm)2.5钻 杆直径(mm)42相对弯曲1/1000 图3-8 标准贯入试验设备（单位：mm）1贯入器靴；2由两半圆形管合成的贯入器身；3出水孔；4贯入器头；5触探杆；6锤垫；7穿心锤2. 试验的技术要求a) 为保证标准贯入试验孔的质量，要求采用回转钻进，以尽可能减少对孔底土的扰动。当钻进至试验标高以上15cm处，停止钻进。还应注意的是：(1)仔细清除孔底残土到试验标高；(2)在地下水位以下钻进时，或遇承压含水砂层时，孔内水位应始终高于地下水位，保持孔底土处于平衡状态，以减少对土的振动扰动；(3)当下套管时，要防止套管超过试验标高，否则会使N值偏大；(4)缓慢下放钻具，避免孔底土的扰动；(5)为防止涌砂或塌孔，可采用泥浆护壁。 b) 为保证锤击时钻杆不发生侧向晃动，钻杆应定期检查，使钻杆弯曲度小于0.1，接头应牢固。 c) 穿心锤落距为76cm，应采用自动脱钩的自由落锤法进行锤击，并减小导向杆与锤之间的摩阻力，避免锤击时的偏心和侧向晃动，以保持锤击能量恒定。 d) 试验时，先将整个杆件系统连同静置于钻杆上端的锤击系统一起下到孔底。首先将贯入器以每分钟1530击的速度打入土层中15cm，以后开始记录打入30cm的锤击数，即为实测锤击数N。当N50击，而贯入度未达30cm，可记录50击的实际贯入深度，终止试验。按实际50击时的贯入度(cm)，按下式计算贯入30cm的锤击数。e) 提出贯入器，取出贯入器中的土样进行鉴别、描述、记录，保存土样备用。f) 最后绘出击数N和贯入深度 (h)的关系曲线。3. 成果应用 评定土的强度指标 评定砂土的相对密度和密实程度 评定粘性土的稠度状态 评定地基土的承载力 评定土的变形参数 预估单桩承载力及选择桩尖持力层 液化判别3.4 十字板剪切试验l 试验原理：原位十字板剪切试验是对压入粘土中的十字板头施加扭力，使十字板头以一定的速率旋转，在土层中形成圆柱形的破坏面，测定土剪切破坏时的最大扭矩，即可得到土的抗剪强度。l 仪器设备：开口钢环式十字板剪切仪-主要部件：十字板头及上部轴杆连接部件；轴杆、钻杆、套管；施测扭力装置。图3-9 开口钢环式十字板剪切仪1手柄；2齿轮；3蜗轮；4开口钢环；5导杆；6特制键；7固定夹；8量表；9支座；10压圈；11平衡弹子轮；12锁紧轴；13底座；14导轮；15制紧轴；16固定套l 试验要点 为保证十字板头旋转时不发生摆动，试验所用探杆必须平直，前5m的探杆要求更高些。对钢环式十字板试验，探杆上应