巖土工程測(cè)試技術(shù)(第二章)

巖土工程測(cè)試

與監(jiān)測(cè)技術(shù)楊麗雅Tel一章緒論1.1.1巖土工程測(cè)試的意義

巖土工程測(cè)試就是對(duì)巖土體的工程性質(zhì)進(jìn)行觀測(cè)和度量，得到巖土體的各種物理力學(xué)指標(biāo)的試驗(yàn)工作。（1）巖土工程測(cè)試技術(shù)不僅在巖土工程建設(shè)實(shí)踐中十分重要，而且在巖土工程理論的形成和發(fā)展過(guò)程中也起著決定性的作用，測(cè)試處于基礎(chǔ)地位。理論分析、室內(nèi)外測(cè)試和工程實(shí)踐是巖土工程分析三個(gè)重要的方面。理論分析指導(dǎo)工程實(shí)踐，而測(cè)試又是理論分析的基礎(chǔ)。（2）巖土工程測(cè)試技術(shù)是保證巖土工程設(shè)計(jì)的合理性的重要手段。（3）巖土工程測(cè)試技術(shù)是大型巖土工程信息化施工的保障，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試已經(jīng)成為巖土工程施工不可分割的重要組成部分。（4）巖土工程測(cè)試技術(shù)是保證大型重要巖土工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行的重要手段。1.1.2巖土工程測(cè)試的內(nèi)容1.1.2.1室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)

室內(nèi)試驗(yàn)主要有土的物理力學(xué)指標(biāo)室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)、巖石的物理力學(xué)指標(biāo)室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)、利用相似材料完成的巖土工程模型試驗(yàn)和采用數(shù)值方法完成的數(shù)值仿真試驗(yàn)。（1）土的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在《土力學(xué)》和《土動(dòng)力學(xué)》中進(jìn)行講解，主要試驗(yàn)有：土的含水率試驗(yàn)、土的密度試驗(yàn)、土粒比重試驗(yàn)、土的顆粒分析試驗(yàn)、土的界限含水率試驗(yàn)、砂的相對(duì)密度試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、黃土濕陷試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、反復(fù)直剪強(qiáng)度試驗(yàn)、土的動(dòng)力特性試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)、膨脹力試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)、凍土密度試驗(yàn)、凍土溫度試驗(yàn)、未凍含水率試驗(yàn)、凍土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)、凍脹量試驗(yàn)和凍土融化壓縮試驗(yàn)。

（2）巖石的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在《巖石力學(xué)》中進(jìn)行講解，主要試驗(yàn)有：含水率實(shí)驗(yàn)、顆粒密度實(shí)驗(yàn)、塊體密度實(shí)驗(yàn)、吸水性實(shí)驗(yàn)、滲透性實(shí)驗(yàn)、膨脹性實(shí)驗(yàn)、耐崩解性實(shí)驗(yàn)、凍融實(shí)驗(yàn)、巖石斷裂韌度測(cè)試實(shí)驗(yàn)、單軸壓縮強(qiáng)度和變形實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮強(qiáng)度和變形實(shí)驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、直剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、點(diǎn)荷載強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。（3）相似材料模型試驗(yàn)主要在《模型試驗(yàn)》中進(jìn)行講解。該試驗(yàn)采用相似理論，用與巖土工程原型力學(xué)性質(zhì)相似的材料按照幾何常數(shù)縮制成室內(nèi)模型，在模型上模擬各種加載和開(kāi)挖過(guò)程，研究巖土工程的變形和破壞等力學(xué)現(xiàn)象。模型試驗(yàn)種類(lèi)繁多，主要試驗(yàn)有：巖土工程開(kāi)挖施工過(guò)程圍巖破壞規(guī)律試驗(yàn)、巖土工程加固機(jī)理研究、地下工程開(kāi)挖引起的地表?yè)p害規(guī)律研究、巖爆機(jī)理研究、地下洞室群支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析、離心模型試驗(yàn)、光彈模型試驗(yàn)等。

(4)數(shù)值仿真試驗(yàn)主要在《有限單元法》等課程中進(jìn)行講解。數(shù)值仿真試驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行巖土工程問(wèn)題的研究,具有可以模擬大型巖土工程、模擬復(fù)雜邊界條件、成本低、精度高等特點(diǎn)。巖土工程數(shù)值仿真試驗(yàn)主要的數(shù)值方法有：有限元法、離散元法、有限差分法、不連續(xù)變形法、顆粒流法、流形單元法、無(wú)單元法等1.1.2.2原位測(cè)試試驗(yàn)技術(shù)

在原位測(cè)試方面，地基中的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試，地下結(jié)構(gòu)表面的土壓力測(cè)試，地基土的強(qiáng)度特性及變形特性測(cè)試等方面是研究的重點(diǎn)。原位測(cè)試技術(shù)可以分為土體的原位測(cè)試試驗(yàn)和巖體的原位測(cè)試試驗(yàn)兩類(lèi)。（1）土體的原位測(cè)試試驗(yàn)在《基礎(chǔ)工程》中講解。主要有：靜載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、輕便觸探試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)、地基土動(dòng)力特性原位測(cè)試試驗(yàn)、場(chǎng)地土波速測(cè)試、場(chǎng)地地微震觀測(cè)、循環(huán)荷載板試驗(yàn)、地基土剛度系數(shù)測(cè)試、振動(dòng)衰減測(cè)試、旁壓試驗(yàn)、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)等。（2）巖體的原位測(cè)試試驗(yàn)在《巖體力學(xué)》中講解。主要有：地應(yīng)力測(cè)試、彈性波測(cè)試、回彈試驗(yàn)、巖體變形試驗(yàn)、巖體強(qiáng)度試驗(yàn)等。1.1.2.3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在水電工程大型地下廠房群、城市地鐵建設(shè)中的車(chē)站及區(qū)間隧道、大型城市地下空間、復(fù)雜條件下礦山巷道、大斷面隧道、高陡邊坡加固等工程施工中，由于信息法施工的普及，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成為保證上述工程安全施工的重要手段。（1）巖土工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)涉及的領(lǐng)域眾多（2）巖土工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的分類(lèi)按開(kāi)展監(jiān)測(cè)的時(shí)間：施工期監(jiān)測(cè)和運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)。按監(jiān)測(cè)的建筑物類(lèi)型：大壩監(jiān)測(cè)、地下洞室監(jiān)測(cè)、隧道監(jiān)測(cè)、地鐵監(jiān)測(cè)、基坑監(jiān)測(cè)、邊坡監(jiān)測(cè)、支檔結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等。按影響因素：對(duì)人類(lèi)工程活動(dòng)進(jìn)行的監(jiān)測(cè)、自然地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，如滑坡、崩塌等。按監(jiān)測(cè)物理量的類(lèi)型：變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力（壓力）應(yīng)變監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等。按監(jiān)測(cè)變量：原因量和效應(yīng)量監(jiān)測(cè)。原因量即環(huán)境參量，由于它們的變化引起建筑物性態(tài)的變化；效應(yīng)量是建筑物對(duì)原因量變化而產(chǎn)生的響應(yīng)。1.2巖土工程測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1發(fā)展現(xiàn)狀

（1）新的測(cè)試設(shè)備不斷出現(xiàn)，如采用全站儀進(jìn)行表面水平位移觀測(cè)，梁式傾斜儀進(jìn)行深層側(cè)向位移觀測(cè)，采用磁環(huán)式沉降儀進(jìn)行分層沉降觀測(cè)。（2）大型工程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，如軟基加固、公路路基、基坑支護(hù)等工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)很多采用了先進(jìn)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)（3）一系列新興技術(shù)用于巖土工程測(cè)試中，如光纖維傳感技術(shù)在巖土工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

（4）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和反饋技術(shù)提高迅速。先進(jìn)的三維地質(zhì)建模軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)挖掘和專家系統(tǒng)等都在逐步應(yīng)用。（5）國(guó)內(nèi)很多地方對(duì)實(shí)行“第三方監(jiān)測(cè)”進(jìn)行了探索和實(shí)踐，實(shí)施城市地下工程施工“第三方監(jiān)測(cè)”是保證施工安全和工程質(zhì)量十分重要的舉措，有效地避免了施工過(guò)程中可能發(fā)生的事故。（6）對(duì)于大型重要的巖土工程，監(jiān)測(cè)不僅在施工過(guò)程中開(kāi)展，而且在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也要進(jìn)行，巖土工程的運(yùn)營(yíng)期間的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立研究已經(jīng)發(fā)展為巖土工程領(lǐng)域的重要課題之一。1.2.2發(fā)展趨勢(shì)

（1）國(guó)產(chǎn)的巖土工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器的信息化程度較低，急需對(duì)先進(jìn)的國(guó)外監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行消化吸收，提高國(guó)產(chǎn)化率，減低監(jiān)測(cè)儀器的成本。（2）發(fā)展巖土工程施工自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高監(jiān)測(cè)的可靠性，同時(shí)應(yīng)降低自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的造價(jià)，便于廣泛使用。（3）研制施工期監(jiān)測(cè)信息預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件。（4）積極發(fā)展第三方監(jiān)測(cè)，全面提高地下工程安全施工的水平。第二章

測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)1測(cè)試的一般知識(shí)測(cè)試將被測(cè)試值與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測(cè)試值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)x—被測(cè)試值u—標(biāo)準(zhǔn)量，即測(cè)試單位n—比值（純數(shù)），含有測(cè)試誤差測(cè)試系統(tǒng)傳感器與測(cè)試儀表、變換裝置等的有機(jī)結(jié)合檢測(cè)系統(tǒng)的組成被測(cè)對(duì)象傳感器數(shù)據(jù)采集信號(hào)處理信號(hào)顯示檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求①準(zhǔn)確性：傳感器的輸出信號(hào)必須準(zhǔn)確地反映其輸入量,即被測(cè)量的變化。因此，傳感器的輸出與輸入關(guān)系必須是嚴(yán)格的單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系②穩(wěn)定性：傳感器的輸入、輸出的單值函數(shù)關(guān)系最好不隨時(shí)間和溫度的變化而變化③靈敏度：滿足工程要求④其他：如賴腐蝕性、功耗、輸出信號(hào)形式、體積和售價(jià)等（1）傳感器（2）數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集在檢測(cè)系統(tǒng)中的作用對(duì)信號(hào)調(diào)理后的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化并轉(zhuǎn)化成與模擬信號(hào)電壓幅度相對(duì)應(yīng)的一系列數(shù)據(jù)信息,同時(shí)以一定的方式把這些轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給微處理器或依次自動(dòng)存儲(chǔ)（3）信號(hào)處理信號(hào)處理摸塊是自動(dòng)檢測(cè)儀表，檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)。現(xiàn)代檢測(cè)儀表，檢測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)處理模塊通常以各種型號(hào)的嵌入式微處理器，專用高速數(shù)據(jù)處理器(DSP)和大規(guī)模可編程集成電路，或直接采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來(lái)構(gòu)建顯示器是檢測(cè)系統(tǒng)與人聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)之一,一般可分為:①指示性顯示,又稱模擬式顯示②數(shù)字式顯示③屏幕顯示（4）信號(hào)顯示2傳感器的基本特性傳感器：能感受被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)試電路三部分組成。敏感元件：傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測(cè)信息（非電量）的元件轉(zhuǎn)換元件：指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性母惺埽ɑ蝽憫?yīng)）信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的部分測(cè)試電路：將轉(zhuǎn)換元件輸入的電參量經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等可測(cè)電量，以便進(jìn)行顯示、記錄、控制和處理。傳感器性能優(yōu)劣值判定靜態(tài)特性當(dāng)被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器輸出值與輸入值之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式、曲線或數(shù)表動(dòng)態(tài)特性當(dāng)被測(cè)量的各個(gè)值隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出值與輸入值之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式、曲線或數(shù)表（1）線性度傳感器的輸入、輸出間成線性關(guān)系的程度2.1傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)指標(biāo)（2）靈敏度傳感器在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下輸出量變化對(duì)輸入量變化的比值（3）分辨力傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱為分辨力在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值量程可以用來(lái)表示其測(cè)量范圍的大小，用其測(cè)量上限值與下限值的代數(shù)差來(lái)表示量程=|測(cè)量上限值-測(cè)量下限值|（4）測(cè)量范圍和量程（5）遲滯在相同測(cè)量條件下，對(duì)應(yīng)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器正、反行程的輸出信號(hào)大小不相等的現(xiàn)象產(chǎn)生原因：傳感器機(jī)械部分存在摩擦、間隙、松動(dòng)、積塵等δ（6）重復(fù)性傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)所得輸入－輸出特性曲線一致的程度零漂傳感器在無(wú)輸入或輸入為另一值時(shí)，每隔一定時(shí)間，其輸出值偏離原始值的最大偏差與滿量程的百分比溫漂溫度每升高一度，傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比（7）零漂和溫漂3常用傳感器的類(lèi)型和工作原理按傳感器的構(gòu)成進(jìn)行分類(lèi)：物性型和結(jié)構(gòu)型按傳感器的輸入量（即被測(cè)參數(shù)）進(jìn)行分類(lèi)：位移、速度、溫度、壓力傳感器等按傳感器的輸出量進(jìn)行分類(lèi)：模擬式和數(shù)字式按傳感器的基本效應(yīng)分類(lèi)：物理型、化學(xué)型、生物型按傳感器的工作原理進(jìn)行分類(lèi)：應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、光電式、熱電式傳感器等按傳感器的能量變換關(guān)系進(jìn)行分類(lèi)：有源（能量控制型）、無(wú)源（能量變換型）傳感器種類(lèi)很多，分類(lèi)方法也很多，巖土工程檢測(cè)技術(shù)中常用的傳感器，按被測(cè)參數(shù)分類(lèi)，可分為位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器等，按工作原理分類(lèi)，可分為電阻式、電容式、電壓式、磁電式等，如下圖所示。BGK-FGB-4420T型光纖位移傳感器FGB1533-S-E型光纖應(yīng)力傳感器891-2型加速度傳感器壓電晶體傳感器Fxg-81V型位移傳感器BLR型拉壓力傳感器1差動(dòng)電阻式傳感器2鋼弦頻率式傳感器電感式傳感器電阻應(yīng)變片式傳感器1電阻式傳感器

電阻式傳感器的基本原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)變成電阻值，通過(guò)測(cè)量電阻值達(dá)到測(cè)量非電量的目的。這類(lèi)傳感器的種類(lèi)很多，大致可以分為電阻應(yīng)變式、壓阻式和熱電阻式傳感器。利用電阻式傳感器可以測(cè)量形變、壓力、位移、加速度和溫度等非電量參數(shù)。2.鋼弦式傳感器2.1基本原理巖土工程測(cè)試中常用鋼弦式應(yīng)變計(jì)、壓力盒作為量測(cè)傳感器，其基本原理是由鋼弦內(nèi)應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)換為鋼弦振動(dòng)頻率的變化，鋼弦應(yīng)力與振動(dòng)頻率的關(guān)系為：2.2鋼弦式壓力盒壓力盒是常見(jiàn)的測(cè)試土、巖石壓力的傳感器，鋼弦式壓力盒做成后，l,p

為定值，鋼弦頻率只由張拉應(yīng)力確定，張拉應(yīng)力取決于外力P，鋼弦頻率與薄膜所受壓力P滿足關(guān)系鋼弦式傳感器主要有鋼筋應(yīng)力計(jì)、壓力盒、表面應(yīng)變計(jì)、孔隙水壓力計(jì)等，其主要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，受溫度影響小，易于防潮，在巖土工程中、地下工程監(jiān)測(cè)中得到廣泛使用。鋼弦式傳感器的鋼弦振動(dòng)頻率由頻率儀測(cè)定。根據(jù)鋼弦式傳感器在巖土工程中使用后的測(cè)定的頻率就可以得到壓力、應(yīng)變等物理量。3電感式傳感器

電感式傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，它是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M變化的裝置，由于電感式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電感量的變化，所以根據(jù)電感的類(lèi)型不同，電感傳感器可分為自感式（單磁路電感式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩類(lèi)。單磁路電感傳感器

單磁路電感傳感器由鐵芯、線圈和銜鐵組成，當(dāng)銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，銜鐵與帶線圈的鐵芯之間的氣隙發(fā)生變化，引起磁路中磁阻的變化，因此，改變了線圈中的電感。線圈中的電感量L可按下式計(jì)算：

上式表明，電感量與線圈的匝數(shù)平方成正比，與空氣隙有效導(dǎo)磁截面積成正比，與空氣隙的磁路長(zhǎng)度成反比，因此，改變氣隙長(zhǎng)度和改變氣隙截面積都能使電感量變化，從而形成三種類(lèi)型的單磁路電感傳感器。它可做成位移的電感式傳感器和壓力的電感式傳感器，也可做成加速度的電感式傳感器。4.應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便、性能穩(wěn)定、靈敏度高、測(cè)量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。它是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，由電阻應(yīng)變片和彈性元件組合起來(lái)的傳感器。通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，可以用來(lái)測(cè)量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。1、應(yīng)變片的工作原理

電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。由物理學(xué)可知：由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，可得

大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K0為常數(shù)，各種材料的靈敏度系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，一般用于制造電阻絲應(yīng)變片的金屬絲其靈敏系數(shù)多在1.7~3.6之間。2、應(yīng)變片的構(gòu)造和種類(lèi)

金屬電阻應(yīng)變片分為絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和薄膜應(yīng)變片3種。其中使用最早的是電阻絲式應(yīng)變片，構(gòu)造如圖所示。電阻應(yīng)變片必須被粘貼在試件或彈性元件上才能工作，黏結(jié)劑和粘結(jié)技術(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果有直接的影響，因此，粘結(jié)劑的選擇、粘貼技術(shù)、應(yīng)變片的保護(hù)等必須認(rèn)真做好。圖2.5應(yīng)變片的構(gòu)造

1—基片2—電阻絲3—覆蓋層4—引出線3、電阻應(yīng)變片的特性

實(shí)際應(yīng)用中，選用應(yīng)變片時(shí)，要考慮應(yīng)變片的性能參數(shù)，主要有：應(yīng)變片的電阻值、靈敏度、允許電流和應(yīng)變極限等。

1）電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)

2）橫向效應(yīng)

3）溫度誤差及補(bǔ)償4監(jiān)測(cè)儀器的選擇和標(biāo)定1.儀器技術(shù)性能的要求（1）儀器的可靠性