地下工程测试实验指导书土木工程监测常用传感器原理、使用与标定

1、实验一 土木工程监测常用传感器原理、使用与标定一、实验目的1.初步了解土木工程监控量测常用传感器原理和使用方法。2.了解钢弦式土压力盒、钢筋计、混凝土应变计、锚杆计及位移计的埋设方法。3.掌握频率接收仪的使用、数据记录与处理。4.掌握常用传感器的标定。二、钢弦式传感器的工作原理钢弦式传感器的工作原理是由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。根据数学物理方程中有关弦的振动的微分方程可推导出钢弦应力与钢弦振动频率的关系：式中：钢弦的振动频率；钢弦长度；钢弦的密度；钢弦所受的张拉应力。以压力盒为例，压力盒加工完成后，、已为定值，所以，钢弦的振动频率只取决于钢弦上的张拉应力，而钢弦上的张拉应力又取

2、决于外来压力，从而使钢弦频率与薄膜所受压力的关系是：式中：压力盒受压后钢弦的频率；压力盒未受压时钢弦的频率；压力盒底部薄膜所受的压力；标定系数，与压力盒构造等有关，各压力盒各不相同。钢弦式压力盒构造简单，测试结果比较稳定，受温度影响小，测试方便，易于防潮，可做长期观测。故在土木工程现场测试和监测中得到广泛的应用。其缺点是灵敏度受压力盒尺寸的限制，并且不能用于动态测试。图1至图5为钢弦式土压力盒、钢筋计、表面应变计、埋入式应变计、位移计的常见形状图。图6为频率接收仪和分线盒图。土压力传感器主要用于铁路、公路、市政道路、机场跑道基础、房屋基础，桩基础，船坞、桥台、墩台基础，坝体，挡土墙地下连续墙以

3、及隧道、地下铁道、地下热力管道等工程接触压力的长期观测中。图1.1 钢弦式土压力传感器图1.2 钢弦式钢筋应力传感器图1.3 钢弦式表面应变传感器图1.4 钢弦埋入式应变传感器图1.5 钢弦式位移传感器图1.6 频率接收仪与分线盒钢筋应力传感器除用于量测钢筋混凝土结构中的钢筋应力外还可将其串接起来用于量测隧道及地下结构锚杆的应力分布，主要用于地下洞室、边坡、大坝、高层建筑的岩层之间、土层之间、岩土层之间受压后产生的位移量。钢弦式表面应变传感器主要用于量测混凝土、钢筋混凝土、钢结构、网状钢结构的表面应变；也可用于已产生微裂的混凝土、钢筋混凝土工程裂缝变化的观测；或用于混凝土应力解除和温度应力的测

4、量。埋入式应变传感器多埋入混凝土（或可塑性材料）、钢筋混凝土以及喷混凝土层中长期观测应变量的变化，也可用于病害工程凿孔（槽）埋入混凝土中。观测病害的发展情况。位移传感器主要用于测试隧道岩层之间、土层之间及其它工程地基基础等受压力后产生的位移量。数字式钢弦频率接受仪主要用于钢弦传感器的振动频率接受，配接分线盒可一次采集多个传感器的振动频率。三、隧道工程监测中传感器的埋设位置与埋设方法隧道工程监测中各种传感器的埋设位置见下图，初期支护所受围岩压力量测用压力盒的埋设要求与围岩密贴且固定，二次衬砌与初期支护之间的接触压力量测则要求压力盒与初期支护密贴且固定。围岩内部位移计和锚杆轴力计钻孔埋设，钻孔完成

5、后压入水泥砂浆，要求压浆饱满，然后装入位移计或锚杆轴力计。当钢筋计焊接在钢拱架时，要求其同一点的内、外缘均要焊接一只，测试钢筋应力时，则是将被测钢筋截断，并在截断处焊接钢筋应力计。混凝土应变计要求埋设在衬砌的内侧（净空一侧），环向放置并固定。图1.7隧道监测中传感器常用布置方法四、钢弦式土压力盒、钢筋计、混凝土应变计、锚杆计及位移计标定1根据传感器的量测范围，在万能试验机压（拉）至其最大荷载二次；2然后从0kn开始，读频率接收仪频率值，试验机每加荷0.5kn读频率接收仪频率值1次至最大荷载。3根据对应的压（拉）力、频率值绘制压（拉）力频率曲线，并导出压（拉）力频率平方差关系式。五、实验数据整理

6、与计算p（kn）00.51.02.02.53.03.54.04.55.0六、实验报告1隧道工程监测中各种传感器的埋设位置选定；2. 钢弦式传感器的工作原理；3标定数据记录与处理，绘制曲线，导出关系式。实验二隧道周边收敛量测一、实验目的1.了解隧道周边位移收敛量测的意义及量测目的。2.了解收敛计的性能，掌握使用方法。3.掌握收敛数据的处理方法。4.掌握隧道围岩稳定性判别准则。二、以煤科学研究总院的数显收敛计为例说明1性能量测基线长度：0. 5 m 10 m 及0. 5 m 15 m； 最小读数：0.01 mm；量测精度：0.06 mm；数显值稳定度：24h不大于0.01 mm。2仪器构造及工作原

7、理2.1主要结构收敛计主要由（1）钩、（2）尺架、（3）调节螺、（4）外壳、(5)塑料盖、(6)显示窗口、（7）张力窗口、 (8) 联尺架、（9）尺卡、 （10）尺孔销、(11)带孔钢尺等部件组成，见图9.1。图9.1收敛计结构与工作示意图2.2基本工作原理收敛计是利用机械传递位移的方法，将两个基准点间的相对位移转变为数显位移计的二次读数差。如图 1 所示，当用挂钩连接两准点 a,b 予埋件时，通过调整调节螺母，改变收敛计机体长度可产生对钢尺的恒定张力，从而保证量测的准确性及可比性，机体长度的改变量，由数显电路测出。当 a ， b 两点间随时间发生相对位移时，在不同时间内所测读数的不同，其差值

8、就是 a,b 两点间的相对位移值。当两点间的相对位移值超过数显位移计有效量程时，可调整尺孔销所插尺孔，仍能继续用数显位移计读数。3使用方法1)首先在测点处牢固的埋设预埋件;预埋件长度根据需要加工，连接件与预埋件的连接，应使销钉孔方向铅直。2)检查予埋测点有无损坏、松动并将测点灰尘擦净。3)打开收敛计钢尺摇把，拉出尺头挂钩放入测点孔内，将收敛计拉至另一测点，并将尺架挂钩挂入测点孔内，选择合适的尺孔，将尺孔销插入与联尺架固定。4)调整调节螺母，仔细观察，使塑料窗口上的刻线对在张力窗口内标尺上的两条白线之间（每次应一致）。5)记下钢尺在联尺架端时的基线长度与数显读数。为提高量测精度，每次基线应重复测

9、三次取平均值。当三次读数极差大于 0.05mm 时，应重新测试。6)测试过程中，若数显读数已超过 25mm ，则应将钢尺收拢（换尺孔） 25mm 重新测试，两组平均值相减，即为两尺孔的实际间距，以消除钢尺冲孔距离不精确造成的测量误差。7)记录数据、时间、温度、尺孔位置和测点编号。8)一条基线测完后，应及时逆时针转动调节螺母，摘下收敛计，打开尺卡收拢钢带尺，为下一次使用作好准备。4数据的记录与修正记录数据有三项内容，包括数显读数；钢卷尺使用长度及测点附近气温。一般情况下读数取三次平均值，三次读数的偏差应小于 0.05mm。基线两点间收敛值s按下式计算：式中：首次数显读数，（mm）；首次钢尺长度，

10、（mm）；第n次数显读数，（mm）；第n次钢尺长度，（mm）。如第n次测量与首次测量的环境温度相差较大时，要进行温度修正。公式如下：式中：温度修正后钢尺长度，（mm）；钢尺材料的线膨胀系数，取 1.17 ；第n次量测环境温度， ()；首次测量环境温度，()；钢尺温度修正后收敛值按下式计算： 基线缩短，或为正值，反之为负。5注意事项1)调节螺母逆时针转动最大范围，千万注意不得露出螺纹。2)数显电路本身具有自动断电功能，以提高电池使用寿命。当显示值固定不变7分钟后，显示屏自动断电。转动调节螺母，数值自动出现。3)收敛计使用读数时应特别注意百分表的小针指数，以免造成较大的过失误差。收敛计使用一段时间

11、后应进行对零校正，检验数显读数是否为零值，如有偏差可打开塑料盖，进行修正，反之可继续使用。4)使用过程中，应尽量避免泥水浸入收敛计及钢尺，并正确使用收敛计各转动部件，保证钢尺平直，不得扭曲。5)测温用的水银温度计应使用分度值为0.1的，不得用分度值大于该值的其它温度计。6)钢卷尺摇把不得逆时针方向摇动，逆时针摇动易损坏。7)仪器较长时间不用时，给钢卷尺涂缝纫机油防锈，应将仪器入在干燥处保存。三、实验步骤1了解仪器的结构，分析两种不同型号收敛计结构差异。2测二基准点间距离，读三次数，取平均值，并做记录。现场记录见表91。3测三个断面的数值，分别按(5、15、25)三个温度计算收敛值。四、实验报告

12、要求1讨论误差分析方法和提高精度的措施。2整理实验数据，得出结论。五、思考题1简述收敛仪构造。2说明计算三线 形 量测的方法。如何计算拱顶相对下沉值。表9-1 隧道现场监控量测报告单项目名称： 合同号：承包单位：监理单位： 编 号： 净空收敛量测表量测断面里程： 开挖断面里程： 开挖日期： 埋点日期： 岩层类型： 测线编号： 岩性描述： 测线布置图观测时间距开挖面距离洞内温度钢尺读数/mm 微读数/mm温度修正值测量计算值差值总收敛值日期 时刻123平均量测者： 总工程师： 监理工程师： 日期：记录者：实验三隧道衬砌厚度检测与钢筋检测实验一、实验目的1.了解电磁波的基本知识和探地雷达的基本原理

13、。2.了解仪器的使用方法和参数的设置。3.了解隧道衬砌厚度检测的布线方式和采样方法。4.了解结构物内部钢筋检测的布线方式和采样方法。5.天线的选择要求。6.简单雷达图的识别。二、sir-20探地雷达构造与工作原理地质雷达(ground penetrating radar,简称gpr)方法是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。地质雷达用1个天线发射高频电磁波,另1个天线接收来自地下介质界面的反射波(如图11.1所示)。通过对接收到的反射波进行分析就可推断地下地质情况。sir20型雷达主机与密封式天线分别见图11.2 。探地雷达主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目的体。 由公式： 雷达根

14、据测得的雷达波走时，自动求出反射物的深度z和范围。 图11.1 雷达的工作原理及其探测方法图11.2 sir-20 型地质雷达主机(a)与400mhz(b)天线三、隧道衬砌厚度与钢筋检测的测线布置自检一般根据工程单位的要求进行布线，最少为3条（拱顶和两侧起拱线位置）；质量检测按铁路隧道衬砌质量无损检测规程(tb10223-2004)进行。布置5条测线，即拱顶、两侧拱腰及两侧边墙各一条。结构物内部钢筋检测的布线按现场要求进行布线，一般垂直于钢筋走向。四、操作步骤1连接天线，检查笔记本与采集系统间的连接。2开机，给主机和笔记本供电。建立本次测试文件夹。3进入sir-20(或ssiii)测试系统。4

15、新建测试文件名。5选择天线的宏文件：c:program filesgssiradanntradanddatfixedd sir-20 setups。6根据程序提示及所测介质情况选择测试方式(自由测量、点测和轮测)。7根据程序提示选择天线频率、采集数据线接入的通道数，设置其它参数。8应用。9. 进行管线和结构物钢筋探测。10.观察雷达图。五、操作注意事项1在应用1ghz天线进行测量时，应用铁板进行标定，采集标定文件。在此过程中，天线不允许直接放在铁板上，否则会烧坏天线。2. 电缆不能压，不能折，在测试过程中应有专门的人员顺线。3. 900mhz天线专用小车，注意带光栅格的车轴易折断，且不易修。4

16、. 安装、更换天线时，必须在关机状态下进行，否则易烧主机和天线。5. 当笔记本和主机共用电源时，注意线路的连结。6. 当安装电缆时，动作要轻柔，确保各接口完全对正后插入。7. 在做公路测量时，还应做标定文件。标定文件每标段应做一个，因为每标段施工时材料会发生变化，用一个标定文件，会带来较大的误差。做标定文件时，在路面上加铁板，然后采集2000根线，前200根为静止时采集，后1800根为晃动时采集。8. 在公路测量时为方便定直达波，在测量结束时，抬起天线，再采集一段数据，可方便写出直达波。9. 在采集开始之前，应先观察信号情况，符合要求时才能开始采集。10. 增益项一定要在最后调整。表sir20

17、型雷达配套天线情况一览表型号频率(mhz)理论探测深度(m)有效探测深度(m)备注subecho-404020-5020-30瑞典产model 3207a1004-258-12model 51034000-52model 3001d90011model 4108100010.6model 61315000.50.3六、实验报告1探地雷达工作原理。2隧道衬砌厚度检测的测线布置。本实验所涉及的内容较多，学生不可能在一次实验中掌握这些内容，重点是让学生通过实验对探地雷达有一个感性的认识，了解现代科技的发展。为以后工作提供一个知识储备。实验四基坑与边坡稳定性监测实验一、实验目的1.了解基坑与边坡稳定性

18、监测实验方法。2.了解滑动式测斜仪的工作原理。3.掌握滑动式测斜仪的使用方法。4.掌握数据处理方法二、实验原理深层水平位移就是测量围护桩墙和土体在不同深度上的点的水平位移，通常采用测斜仪测量，将围护桩墙在不同深度上的点的水平位移按一定比例绘制出水平位移随深度变化的曲线，即围护桩墙深层挠曲线。测斜仪由测斜管、测斜探头、数字式测读仪三部分组成，测斜管在基坑开挖前埋设于围护桩墙和土体内，测斜管内有四条十字型对称分布的凹型导槽，作为测斜仪滑轮上下滑行轨道，测量时，使测斜探头的导向滚轮卡在测斜管内壁的导槽中，沿槽滚动将测斜探头放人测斜管，并由引出的导线将测斜管的倾斜角或其正弦值显示在测读仪上。测斜仪的原

19、理是通过摆锤受重力作用来测量测斜探头轴线与铅垂线之间倾角，进而计算垂直位置各点的水平位移的。图12.1为测斜仪量测的原理图，当土体产生位移时，埋人土体中的测斜管随土体同步位移，测斜管的位移量即为土体的位移量。放人测斜管内的活动深头测出的量是各个不同量测段上测斜管的倾角，而该分段两端点(探头下滑动轮作用点与上滑动轮作用点)的水平偏差可由测得的倾角用下式表示： （1）式中第i量测段的水平偏差值(mm)； 第i量测段的长度，通常取为0.5m、1.0m等整数(mm)； 第i量测段的倾角值()。当测斜管埋设得足够深时，管底可以认为是位移不动点，从管底上数第n量测段处测斜管的水平偏差总量为： (2)显然，

20、管口的水平偏差值就是各量测段水平偏差的总和。 在测斜管两端都有水平位移的情况下，就需要实测管口的水平偏差值，并从管口下数第n量测段处的水平偏差值，即： （3）应该引起注意的是：只有当埋设好的测斜管的轴线是铅垂线时，水平偏差值才是对应的水平位移值，但要将测斜管的轴线埋设成铅垂线是几乎不可能的，测斜管埋设好后，终有一定的倾斜或挠曲，因此，各量测段的水平位移应该是各次测得的水平偏差与测斜管的初始水平偏差之差，即： （4）式中从管口下数第n量测段处的水平偏差初始值；从管口下数第n量测段处的倾角初始值；实测的管口水平位移，当从管口起算时，管口没有水平偏差初始值。图12.1测斜仪量测原理图测斜管可以用于测

21、单向位移，也可以测双向位移，测双向位移时，由两个方向的测量值求出其矢量和，得位移的最大值和方向。实际测量时，将测斜仪探头沿管内导槽插入测斜管内，缓慢下滑，按取定的间距l逐段测定各量测段处的测斜管与铅直线的倾角，就能得到整个桩墙轴线的水平挠曲或土体不同深度的水平位移。三、测斜仪类型测斜仪按探头的传感元件不同，可分为滑动电阻式、电阻片式、钢弦式及伺服加速度式四种（图12.2为伺服加速度式测斜仪）。滑动电阻式探头以悬吊摆为传感元件，在摆的活动端装一电刷，在探头壳体上装电位计，当摆相对壳体倾斜时，电刷在电位计表面滑动，由电位计将摆相对壳体的倾摆角位移变成电信号输出，用电桥测定电阻比的变化，根据标定结果

22、就可进行倾斜测量。该探头的优点是坚固可靠，缺点是测量精度不高。 电阻片式探头是用弹性好的青铜弹簧片下挂摆锤；弹簧片两侧各贴两片电阻应变片，构成差动可变阻式传感器。弹簧片可设计成等应变梁，使之在弹性极限内探头的倾角与电阳应变读数呈线性关系。 钢弦式是通过在四个方向上十字型布置的四个钢弦式应变计测定重力摆运动的弹性变形，进而求得探头的倾角。可同时进行两个水平方向的测斜。伺服加速度计式测斜探头是根据检测质量块因输入加速度而产生惯性力，并与地磁感应系统产生的反力相平衡，感应线圈的电流与此反力成正比，根据电压大小可测定倾角。该类测斜探头灵敏度和精度较高。活动式测斜仪主要有以下四部分组成：装有重力式测斜传

23、感元件的探头、测读仪、电缆和测斜管。(1)测斜仪探头 它是倾角传感元件，其外观为细长金属鱼雷状探头，上、下近两端配有两对轮子，上端有与测读仪连接的绝缘量测电缆。(2)测读仪 测读仪是测斜仪探头的二次仪表，是与测斜仪探头配套使用的。(3)电缆 电缆的作用有四个：向探头供给电源；给测读仪传递量测信息；作为量测探头所在的量测点距孔口的深度尺； 提升和下降探头的绳索。电缆需要很高的防水性能，因为作为深度尺，在提升和下降过程中有较大的伸缩，为此，电缆中有一根加强钢芯线。 (4)测斜管 测斜管一般有塑料(pvc)和铝合金材料制成，管长分为2m和4m两种规格，管段之间由外包接头管连接，管内对称分布有四条十字型凹型导槽，管径有60mm、70mm、90mm等多种不同规格。铝合金具有相当的韧性和柔度，较pvc管更适合于现场监测，但成本远大于后者。 四、埋设测斜管有绑扎埋设和钻孔埋设两种方式：（1）绑扎埋设 主要用于桩墙体深层挠曲测试，埋设时将测斜管在现场组装后绑扎固定在桩墙钢筋笼上，随钢筋笼一起下到孔槽内，并将其浇筑在混凝土中。(2)钻孔埋设 首先在土层中预钻孔，孔径略大于所选用测斜管的外径，然后将测斜管封好底盖逐节组装逐节放人钻孔内，并同时在测斜管内注满清水，直到放到预定的标高为主。随后在测斜管与钻孔之间空隙内回填细砂，或水泥和粘土拌合的材料固定测斜管，配合比取决于土层的物