岩土工程监测

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现场场监测以实际工程程作为对象象，在施工工期及工后后期对整个个岩土体和和地下结构构以及周围围环境，于于事先设定定的点位上上，按设定定的时间间间隔进行应应力和变形形现场观测测。目的：1、检验岩岩土工程施施工质量是是否满足岩岩土工程设设计和有关关规程、规规范的要求求；2、指导岩岩土工程的的施工方法法、流程和和施工进度度，通过岩岩土工程监监测反馈分分析岩土工工程设计与与施工是否否合理，并并为后续设设计与施工工方案提供供优化意见见；3、检测岩岩土工程施施工对环境境的影响，，验证岩土土工程施工工防护措施施的效果；；4、及时发发现和预报报岩土工程程施工过程程中所出现现的异常情情况、防止止岩土工程程施工事故故，保障岩岩土工程施施工安全；；5、提供定定量的岩土土工程质量量事故鉴定定依据；6、为建（（构）筑物物的竣工验验收提供所所需的监测测资料。1.3.3现场场监测现场监测工工作的主要要内容：1、对岩土土所受到的的施工作用用、各类荷荷载的大小小以及在这这些荷载作作用下岩土土反应性状状的监测；；2、对建设设中或运营营中结构物物的监测；；3、监测岩岩土工程在在施工及运运营过程中中对周围环环境的影响响。1.4岩岩土工程程测试与检检测技术的的现状与展展望现状：1、手段单单一2、结果缺缺乏合理的的解释3、管理制制度不健全全4、人员培培训不及时时采取相应措措施：1、建立健健全行业管管理制度，，提高工作作人员素质质2、增强对对从事岩土土工程工作作的单位考考核与管理理，提高人人员培训与与考核3、加强岩岩土工程各各个环节的的控制，增增强对检测测、测试环环节的阶段段验收和最最终评判展望：1、取样技技术标准化化2、新仪器器新方法的的开发3、工程地地球物理探探测4、现场测测试、室内内试验、理理论预测和和数值反分分析及其再再预测的有有机结合与与循环第二章测测试技术术基础知识识测试：信息息采集，获获取测试数数据；以确确定量值为为目的的一一系列操作作。测试系统：：传感技术术的实体，，传感器与与多台仪表表的组合。。2.1.1测试试将测试值与与同种性质质的标准量量进行比较较，确定被被测试值对对标准量的的倍数。2.1.2测试试系统测试系统：：传感器与与测试仪表表、变换装装置等的有有机组合。。传感器：感感受被测试试的大小并并输出相对对应的可用用输出信号号的器件或或装置。数据传输环环节：传输输数据。数据处理环环节：信号号处理和变变换。数据显示环环节：被测测试信息变变成人感官官能接受的的形式，以以完成监视视、控制或或分析的目目的。2.2传传感器的的基本特性性传感器：敏敏感元件、、转换元件件和测试电电路。传感器性能能评价：静静态特性和和动态特性性。静态特性：：当被测量量的各个值值处于稳定定状态时，，传感器的的输出值与与输入值之之间的关系系数学表达达式、曲线线或数表。。动态特性：：当被测量量值随时间间变化时，，传感器的的输出值与与输入值之之间关系的的数学表达达式、曲线线或数表。。2.2.1传感感器的静态态特性参数数指标主要指标：：灵敏度、、线性度（（直线度））和回程误误差（迟滞滞性）灵敏度（ＳＳ）：稳态时传感感器输出量量Y和输入量X之比，或输输出量Y的增量和输输入量X的增量之比比。线性度（非非线性误差差）传感器的输输出-输入入校准曲线线与理论拟拟合曲线之之间的最大大偏差与传传感器满量量程输出之之比。理想的传感感器输出与与输入呈线线性关系。。线性度是是评价非线线性程度的的参数。回程误差（（迟滞性））输入逐渐增增加到某一一值与输入入逐渐减小小到同一输输入值时的的输出值不不相等，叫叫迟滞现象象。迟滞差：对对于同一输输入值所得得到的两个个输出值之之间的最大大差值hmax与量量程A的比比值的百分分率。分辨力：传感器能能检测到的的最小输入入增量。在在输入零点点附近的分分辨力称为为阀值。测量范围和和量程：在允许误误差限内，，被测量值值的下限与与上限之间间的范围。。重复性：传感器在在同一条件件下，被测测输入量按按同一方向向作全量程程连续多次次重复测量量时，所得得输出-输输入曲线的的不一致程程度。零漂：传感器在在无输入或或输入为另另一值时，，每隔一定定时间，其其输出值偏偏离原始值值的最大偏偏差与满量量程的百分分比。温漂：温度每升升高1度，，传感器输输出值的最最大偏差与与满量程的的百分比。。2.2.2传感感器的动态态特性通常根据正正弦变化与与阶跃变化化两种标准准输入来考考察传感器器的响应特特性。建立数学模模型来分析析和处理传传感器的动动态响应。。线性系统的的动态响应应，广泛使使用的数学学模型是普普通线性常常系数微分分方程。2.3常常用传感感器的类型型和工作原原理变换原理：：电阻式、、电容式、、差动变压压器式、光光电式等。。被测量的物物理量：位位移传感器器、压力传传感器、速速度传感器器。2.3.1差动动电阻式传传感器（卡尔逊式式仪器）组成：两根根弹性钢丝丝作为传感感元件，一一根受拉，，一根受压压。钢丝特性之之一环境变量变变化，钢丝丝电阻值反反向变化，，两个元件件的电阻值值比值，测测出物理量量的数值。。当钢钢丝丝受受到到拉拉力力作作用用而而产产生生弹弹性性变变形形，，其其变变形形与与电电阻阻变变化化之之间间关关系系：：钢丝丝特特性性之之二二钢丝丝电电阻阻随随其其温温度度变变化化之之间间的的近近似似线线性性关关系系：：工作作原原理理：：仪器器受受力力变变形形，，钢钢丝丝电电阻阻产产生生差差动动变变化化，，一一根根受受拉拉，，电电阻阻增增加加，，一一根根受受压压，，电电阻阻减减少少，，两两个个钢钢丝丝的的串串联联电电阻阻不不变变而而电电阻阻比比R1/R2发生生变变化化，，得得到到钢钢丝丝电电阻阻比比值值，，就就得得到到仪仪器器的的变变形形或或应应力力；；温度度改改变变时时，，钢钢丝丝电电阻阻变变化化是是同同方方向向的的，，温温度度升升高高时时，，两两根根钢钢丝丝的的电电阻阻都都减减少少。。获获得得钢钢丝丝的的串串联联电电阻阻，，就就可可求求得得仪仪器器测测点点位位置置的的稳稳定定。。差动式应应变计：：灵敏度较较高，性性能稳定定，耐久久性好2.3.2钢钢弦频频率式传传感器组成：一一根金属属丝弦（（高弹性性弹簧钢钢、马氏氏不锈钢钢或钨钢钢）工作原理理：利用用钢弦的的自振频频率与钢钢弦所受受到的外外加张力力关系式式测各种种物理量量。钢弦式仪仪器是根根据钢弦弦张紧力力与谐振振频率成成单值函函数关系系设计而而成的；；关系式式如下：：压力盒计计算公式式钢弦传感感器的种种类钢弦式应应变计、、钢弦式式土压力力盒、钢钢筋应力力计等。。特点结构简单单可靠，，传感器器的设计计、制造造、安装装和调试试方便。。不受接触触电阻、、外界电电磁场影影响，性性能较稳稳定，耐耐久性能能好。2.4监监测测仪器的的选择和和标定监测仪器器和元件件的选择择岩土工程程监测仪仪器的质质量标准准监测仪器器的适用用范围及及使用条条件仪器和传传感器的的标定2.4.1监监测仪仪器和元元件的选选择选取要求求：仪器器的技术术性能、、仪器埋埋设条件件、仪器器测读的的方式和和仪器的的经济性性仪器技术术性能方方面仪器的可可靠性（（光学、机机械、电电子设备备等）仪器使用用寿命（（仪器工作作寿命大大于或等等于工程程使用年年限）仪器的坚坚固性和和可维护护性（容易标定定、修复复或置换换）仪器的精精度（精度满足足监测数数据要求求即可）灵敏度和和量程（（高灵敏度度、大量量程）仪器埋设设条件方方面仪器选型型时，应应考虑其其埋设条条件（性能保证证下，选选择易埋埋设）施工仪器器和埋设设条件不不同，选选择不同同仪器。。仪器选择择经济方方面技术要求求满足条条件下，，选择最最经济的的（仪器购置置、损耗耗及埋设设费用）仪器测读读方式方方面根据测量量工作量量选择不不同的测测读方式式的仪器器对于能形形成监测测网并能能联网监监测的工工程，仪仪器选型型时应根根据监测测系统统统一的测测读方式式选择仪仪器2.4.2岩岩土土工程程监测测仪器器的质质量标标准可靠性性和稳稳定性性仪器在在设计计规定定的运运行条条件和和运行行时间间内，，检测测元件件、转转换装装置和和测读读仪器器、仪仪表保保持原原有技技术性性能的的程度度。准确度度和精精度准确度度：测测量结结果与与真值值偏离离的程程度，，系统统误差差的大大小是是准确确度的的标志志。精度：：在相相同条条件下下测量量同一一个量量所得得结果果重复复一致致的程程度。。灵敏度度和分分辨力力灵敏度度：输输入量量（被被测信信号））与输输出量量的比比值分辨力力：灵灵敏度度的倒倒数，，灵敏敏度越越高，，分辨辨力越越强，，传感感器检检测出出的输输入量量变化化越小小。2.4.3监测测仪器器的适适用范范围及及使用用条件件变形观观测仪仪器经纬仪仪、水水准仪仪、全全站仪仪、电电子测测距仪仪或激激光准准直仪仪。位移计计、测测缝计计、倾倾斜仪仪、沉沉降仪仪、垂垂线坐坐标仪仪、多多点位位移计计和应应变计计等压力（（应力力）观观测仪仪器土压力力计、、孔隙隙压力力计、、钢筋筋内力力计等等其他观观测仪仪器温度计计、速速度计计、加加速度度计、、动水水压力力计等等2.4.4仪仪器器和传传感器器的标标定标定：：利用精精度高高一级级的标标准器器具对对传感感器进进行定定度的的过程程，从从而确确定其其输出出量与与输入入量之之间的的对应应关系系，同同时也也确定定不同同使用用条件件下的的误差差关系系。标定方方法：：利用标标准设设备产产生已已知““标准准”输输入量量，或或用标标准传传感器器检测测输入入量的的标准准值，，输入入待标标定的的传感感器，，并将将传感感器的的输出出量与与输入入标准准量相相比较较，获获得校校准数数据和和输入入输出出