岩土工程测试与检测技术复习资料

岩土工程测试与检测技术

名词解释6?4分=24分

简答（基本概念、方法）7?6分=42分

计算与论述4个34分

§1概念、系统选型精度高量程低，如何选择仪器

测试技术基本概念（线性度、灵敏度）

压电式、正弦式传感器的基本原理

稳定性、误差等选测试方法

§2 传感器：相关概念、分类、命名了解

（压电式如何标定、如何采用措施消除误差

正弦式原理（土压力计典型代表、相应计算）

正弦式基本概念及计算

§3 声波测试、声发射（课件）

声波测试基本原理

纵、横波概念、计算方法、

测桩完整性、裂缝测试等测试方法

新测裂缝测试反象

在岩体中测试应用：完整性指标凯瑟效应

§4载荷试验：静载荷试验（及基本原理）

拐点——判断桩的极限荷载

加载方法：终止加载的判断

判桩的极限荷载——拐点

承载力特征值与极限荷载的确定（曲线拐点）

桩基础检测、多根桩——求平均值——误差系数（<0.15,均值——特征荷载；>0.15，——查表修正）

动测：应力波反射法曲线判定桩体缺陷的位置——计算

§5现场检测的常用特殊方法

边坡、

基坑、的安全监测监测：

地下洞室（多点位移计、收敛观测）

监测内容：｛锚杆检测、地表变形——大地水准测量、水平监测——原理、方法（基坑顶部、坑底）

项目选取

沉降观测、大地水准测量

深层水平位移的方法、原理了解

垂直监测

水平监测

测试系统元件的选取（参数）

锚杆无损检测

第一、二章测试技术基础知识、传感器

1.检测的基本概念：

(1)检测与测量：检测是意义更为广泛的测量；测量是以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作。

(2)检测技术：包含测量和信号检测极为重要。

(3)测试系统的原理结构：被测对象的被测量传感器数据传输环节数据处理环节数据显示环节。

(4) 测量系统：由传感器（一次仪表）、中间变换和测量电路（二次仪表）

组成。

（5）显示和记录系统：它是将信号及其变化过程显示或记录（或存储）下来，是测试系统的输出环节。

2.传感器：指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。组成：敏感元件、转换元件、测试电器

参数：a灵敏度：单位被测量引起的仪器输出值的变化。

b线性度：标定曲线与理想直线的接近程度。

c迟滞性：指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。（百科：指一系统的状态(主要多为物理系统)，不仅与当下系统的输入有关，更会因其过去输入过程之路径不同，而有不同的结果。）

d分辨率：指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。

3.传感器的分类：（1）按变换原理分类：电阻式、电容式、压电式、钢弦式、光电式等；（2）按被测物理量分类：位移传感器、压力传感器、速度传感器。

4.传感器的命名：

（1）传感器的全称由“主题词+四级修饰语”组成。

一级修饰语——被测量（位移、压力、速度）

二级修饰语——转换原理（应变式、电阻式、电容式、压电式、钢弦式、光电式）

三级修饰语——特征描述（指务须强调的传感器结构、性能、材料特征及敏感元件等）

四级修饰语——主要的技术指标（如，量程、精度、灵敏度等）

（2）使用场合不同修饰语排序亦不同

a在有关传感器的统计表、图书检索及计算机文字处理等场合，命名顺序为正序“主题词+一级修饰语+二级修饰语+三级修饰语+四级修饰语”；（例，传感器、位移、应变式、100mm）b在技术文件、产品说明书、学术论文、教材、书刊等的陈述句中，传感器名称采用反序为“四级修饰语+三级修饰语+二级修饰语+一级修饰语+主题词”（例，100mm应变计式位移传感器）

5.压电式传感器：是基于压电效应的传感器，其敏感材料由压电材料制成。原理：压电材料受力后表面产生电荷，电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出，从而达到检测目的装置。

优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

6.压电效应：指某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。

7.振弦式（钢弦式）传感器：敏感元件为一根金属丝弦。原理：将敏感元件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。优点：结构简单可靠，传感器的设计、制造、安装和调试非常方便，且钢弦经过热处理后蠕

变极小，零点稳定。

计算：书P15（2-12、2-13）

8.传感器的标定（率定）：

（1）定义：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。

（2）标定原因：由于传感器在制造上的误差，即使仪器相同，其输出特性曲线也不尽相同。尽管传感器在出厂前都作了标定，但传感器在运输、使用等过程中，内部元件和结构因外部环境影响和内部因素的变化，其输出特性也会有所变化，因此，必须在使用前或定期进行标定。

（3）标定步骤：

静态标定（标定静态特性指标：线性度、灵敏度、滞后和重复性等）：a、将传感器测量范围分成若干等间距点；b、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；c、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；d、重复上述两步，对传感器进行正反行程多次重复测量，将得到的测量数据用表格列出或绘制曲线；e、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。

动态标定（标定动态特性：动态灵敏度、固有频率、频响范围等）：需有一标准信号对它激励，用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性。

9.测试系统的选用：精度越高，量程越低

1）灵敏度。一般测试系统的灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。

a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。

2）响应特性。测试系统的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上测试系统的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。

3）线性范围。任何测试系统都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。测试系统工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件

4）稳定性。稳定性是表示在规定条件下，经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响稳定性的因素是时间与环境。

5）准确度。准确度是表示测试系统获得的测量结果与真值的一致程度。

6）测量方式。工作方式，也是选择测试系统时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。

10.监测仪器（传感器）和元件的选择：应从仪器的技术性能、仪器埋设条件、仪器测读的方式和仪器的经济性四个方面加以考虑。其原则如下：（1）仪器技术性能的要求：仪器的可靠性，仪器的使用寿命，仪器的坚固性和维护性，仪器的精度，灵敏度和量程。（2）仪器埋设条件要求：a、仪器选型时，应考虑其埋设条件；b、当施工要求和埋设条件不同时，应选择不同仪器。（3）仪器测读方式的要求：仪器选型时应根据监测系统统一的测读方式选择仪器，以便于数据通讯、数据共享和形成统一的数据库。（4）仪器选择的经济性要求：保证技术使用要求时，使仪器购置、损耗及其埋设费用最为经济。

11.测量误差：测量误差的基本理论是实验结果、实验数据与其理论期望值不完全相同。定义：测量所得数据预期相应的真值之差。真值为客观真实值是未知量。

约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值

理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值

相对真值：标准仪器的测量值或用来测量标准用的标准器的值

12.相对误差：测量的绝对误差与被测量的真值之比。

13. 如何采取措施消除误差（不确定是否正确）： a 、测量时尽可能把每项测量工作单独交给一个人负责，避免因每个人的习惯不同造成的误差。b 、可对每个测点进行三次测量，取其中相差较小的两组数据的平均值作为测量数据；c 、应在测量现场对测量数据进行分析，以便在发现测量数据有异常或有破坏特征时，可对测点进行再次观测，核对所测数据的准确性。d 、仪器在使用前应进行标定，以避免外部环境的改变对测量的影响。

第三章、声波测试

1. 声波测试基本原理

以人工激振的方法向岩土或混凝土介质激发一定频率的弹性波，这种弹性波在一定的空间距离经介质物理特性调制和传播后，由接收仪器接收， 通过分析和研究弹性波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数， 来确定岩土介质或混凝土结构的力学特性，了解它们的内部缺陷，解决一系列岩土工程中的相关问题。

2. 纵波：

（1）定义：介质质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波，又称为P 波.

（2）计算方法：Vp= )

21)(1()1(2μμρμρλ-+-=+E G 3. 横波：

（1）定义：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波，又称为S 波.

（2）计算方法：Vs= 2(1)

G

E ρρμ=+ 4. 测桩完整性方法：声波透射法。基本原理：由超声脉冲収射源向混凝土内収射高频弹性脉冲波，幵用高精度的接收系统记彔该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特性；当混凝土内存在不连续或破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，波到达该界面时，产生波的透射和反射，使接收到的透射波能量明显降低；当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时，将产生波的散射和绕射；根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸变程度等特征，可以获得测区范围内混凝土的密实度参数。测试记彔不同侧面、不同高度上的超声波动特征，经过处理分析就能判别测区内混凝土存在缺陷的性质、大小及空间位置。

在桩基施工前，根据桩直径大小预埋一定数量的声测管，作为换能器的通道。测试时每两根声测管为一组，通过水的耦合，超声脉冲信号从一根声测管中的换能器中収射出去，在另一根声测管中的换能器接收信号，超声仪测定有关参数，采集记彔储存。换能器由桩底同时往上或桩顶同时往下逐点检测，遍及各个截面。

5. 裂缝测试方法：

（1） 当裂缝不是很深，一般在50m 以内可以用表面平测法进行测定

（2） 当裂缝所在结构具有两个相对测试面时，可采用双面斜测法测裂缝

（3） 当某些大体积混凝土结构出现深度超过50m 深的裂缝，又无相对的两个面可供测量时，只有采用钻孔对测法，用径向换能器在钻孔中测量

6. （1）波形反相：当我们从短测距开始作跨缝测量时，随着测距增大，到达某一测距时，会发现波形发生翻转，这就是波形反相.

（2）波形反相法：在跨缝测量时，随着换能器测距的增加，观察波形反相収生在哪一个测距处。然后以发生波形反相处，及前一个测距处的数据按上述公式计算裂缝深度并取其平均值作为最后测定结果.

7. 完整性指数Kv （龟裂指数）：岩体弹性纵波速度与岩石弹性纵波速度之比的平方.

8. 凯塞效应：当材料被加载时，有声发射信号发生，若卸去后第二次再加载，则在卸荷点以前几乎不再有声发射信号，只有当超过第一次加载的最大荷载后，才有声发射出现，这种现象称为声収射的不可逆效应，也称凯塞效应。

9.新测裂缝：跨缝测量中首波反相的原因有待进一步探讨，但有一点是明确的：首波反相是在换能器间距大致为裂缝深度的1～1.5倍左右时发生。根据这一情冴，新修订的超声测缺规程中，增列了波形反相法。即在跨缝测量时，随着换能器测距的增加，观察波形反相収生在哪一个测距处。然后以収生波形反相处，及前一个测距处的数据计算裂缝深度并取其平均值作为最后测定结果。

第四章、载荷试验

1、静载荷试验：是一种最古老的、并被广泛应用得土工原位测试方法。在拟建建筑场地开挖至预计基础埋置深度的整平坑底放置一定面积的方形（或圆形）承压板，在其上逐级施加荷载，测定各相应荷载作用下地基沉降量。根据试验得到的荷载--沉降关系曲线，确定地基土的承载力；计算地基土得变形模量。由试验求得的地基土承载力特征值和变形模量综合反映了承压板下1.5--2.0倍承压板宽度（或直径）范围内地基土的强度和变形特征。

2、地基土的终止加载判断、极限荷载判定:

(1).承压板周围的土明显侧向挤出

(2)沉降s急剧增大，荷载--沉降（p-s）曲线出现陡降段

(3)某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准

(4)S/b大于0.06（b--承压板宽度或直径）

满足前三种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。

3.确定地基土承载力特征值的方法：

（1）强度控制法：p-s曲线上有明显的直线段，一般采用直线段的拐点所对应的荷载为比例界限荷载p0，取p0为fak。当极限荷载pu小于2p0时，取1/2pu为fak （2）相对沉降量控制法：当p-s曲线无明显拐点，曲线形状呈缓和曲线型时，可以用相对沉降s/b来控制，决定地基土承载力特征值。如果承压板面积为0.25--0.5m2，可取s/b （或d）=0.01-0.015所对应的荷载值。同一土层中参加统计的试验点不应少于三点，当试验实测值的极差不超过其平均值的30%时，取平均值作为地基土承载力特征值。

4、单桩竖向极限抗压极限承载力确定：

（1）根据沉降随荷载变化的特征确定：对于陡降型的Q--S曲线，取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值（2）根据沉降随时间变化的特征确定：取S--lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值（3）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降的2倍，且经24h尚未达到相对稳定标准，则取前一级荷载值（4）对于缓变型Q--S曲线可根据沉降量确定，宜取S=40mm对应的荷载值；当桩长大于40mm时，宜考虑桩身弹性压缩量；对于直径大于或等于800mm的桩，可取S=0.05D（D为桩端直径）对应的荷载值。（5）当按上述四条判定桩的竖向抗压承载力未达到极限时，桩的竖向抗压极限承载力应取最大试验荷载值。

P107试验曲线图5-4

5.单桩竖向抗压承载力特征值的确定：《建筑地基基础设计规范》规定单桩竖向抗压承载力特征值按单桩竖向抗压极限承载力统计值除以安全系数2得到。单桩竖向抗压极限承载力统计值的确定应符合下列规定：（1）参加统计的试桩结果，当满足其极差不超过平均值的30%时，取其平均值为单桩竖向抗压极限承载力。（2）当其极差超过平均值的30%时，应分析极差过大的原因，结合工程具体情况综合确定，必要时可增加试桩数量。（3）对桩数为3根或3根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3根，应取低值。

6、（单桩抗压）极限承载力标准值的确定：

（1）确定正常条件下几根桩的极限承载力实测值

（2）计算实测值的平均值

（3）求实测值的标准差

∑=-???? ??-=n i i n n Q Q S 1

211 时，平均值折减当时，取平均值当15.015.0>≤S S

7、动测法：应力波反射法

埋设于地下的桩的长度要远大于其直径，因此可将其简化为无侧限约束的一维弹性杆件，在桩顶初始扰力作用下产生的应力波沿桩身向下传播并且满足一维波动方程.弹性波沿桩身传播过程中，在桩身夹泥、离析、扩颈、缩颈、断裂、桩端等桩身阻抗变化处会发生反射和透射，用记录仪记录下反射波在桩身中传播的波形，通过对反射波曲线特征的分析即可对桩身的完整性、缺陷的位置经行判定。并对桩身混凝土的强度进行评估。

曲线判定桩体缺陷的位置 计算

桩身缺陷离开桩顶的位置'L 由下式计算：

0''2

1C t L r = 式中 ）

波速平均值（—场地范围内桩身纵波—）波至时间（—桩身缺陷的部位反射—）—桩身缺陷的位置（—s m C s t m L r /0'

' 桩身缺陷范围是指桩身缺陷沿轴向的经历长度。桩身缺陷长度可按下面的方法计算： '2

1tC l ?= 式中 ），可由下表确定

（—桩身缺陷段纵波波速—）

反射波至时间差（—桩身缺陷的上、下面—）—桩身缺陷的位置（—s m C s t m l /'? 桩身缺陷段纵波速度

缺陷类别

离析 断层夹泥 裂缝空间 缩颈 纵波速度（m/s ） 1500~2700

800~1000 <600 正常纵波速度

第五章、监测

1基坑监测

答：目的：（1）、确保支护结构的稳定和安全，确保基坑周围建筑物、构筑物、道路及地下管线等的安全与使用正常；（2）、指导基坑工程的施工；（3）、验证基坑设计方法，完整基坑设计理论。

主要内容：分为两大部分：围护结构监测（围护桩墙、支撑、围梁和围 、立柱、地下水位等）；周围环境监测（道路、地下管线、临近建筑物、地下水位等）

基坑工程监测项目及测试方法：见P151 表6-1

2、现场检测的常用特殊方法

1）变形监测

A沉降：精密水准测量（埋设基准点）磁性分层沉降仪（土体分层沉降）回弹监测标、深层沉降标（基坑回弹）

B水平位移：地表全站仪（视准线法、小角度法、三角测量）深层测斜仪

2）压力监测

A土压力：土压力盒（钢弦式、电阻式）（钻孔法，挂布法）

B孔隙水压力孔隙水压力计（钢弦式，电阻式，水管式）（钻孔法、压入法）

C地下水位钢尺水位计

3）支护内力监测A桩墙体钢筋计B锚杆钢筋计

3、地表水平位移监测的常用方法有哪些？

答：视准线法、小角度法、前方交会法、三角测量法等。

4、简述测斜仪量测土体深层水平位移的基本原理。

答：水平位移监测：将测斜管划分成若干段，测斜仪测量不同测段上测头轴线与铅垂线之间的倾角，进而计算各测段位置的水平位移。

地表变形——大地水准测量：是测量地面两点间的高差,然后通过已知点的高程,求出未知点的高程.直接利用高差计算某点的高程,称为高差法;利用视线高程计算某点的高程称为仪高法.仪高法仅使用于安置一次仪器求出多点高程的情况.

5、测试系统元件的选取（参数）

仪器选择力求少而精。监测仪器的选型应根据监测对象和运行环境选择不同的仪器。对自然边坡，环境恶劣，选择的仪器应具有防潮、抗雷电、不易被人和动物破坏等特性；对人工边坡，仪器应具有牢固、抗施工干扰能力强，被破坏后易恢复等特性。考虑监测成果的可靠程度，选用设备一般以光学、机械和电子设备为先后顺序，以提高测试精度和可靠程度。精度和可靠度根据边坡工程变形的阶段、岩土体特性确定，变形大的边坡仪器选择时量程应优于精度。专做施工期监测的仪器，精度要求稍低点，可采用简易仪器；运行期仪器安全性、可靠性要求较高。坚硬岩体变形小，采用精度高、量程小的仪器，半坚硬、破碎软弱的岩土采用精度较低、量程较大的仪器。

6、深层水平位移监测的方法、原理了解

基本方法、原理：将测斜管划分成若干段，由测斜仪测量不同测段上测头轴线与铅垂线之间的倾角，进而计算各测段位置的水平位移。

7、垂直监测

垂直位移监测点的布置一般采用水准测量法或测距高程导线法等大地测量法布置。

8、水平监测

水平位移测点布置方法：

（1）视准线法（2）联合交会法（3）边交会法（4)角前方交会法

9、锚杆无损检测：

a利用反射波法来检测金属杆的锚固质量。金属杆在岩土介质中的振动特性及锚固体系中弹性波的传播规律及能量衰减机制这一问题的解决是反射波法的关键所在。

b锚杆通常有四种失效方式:

(1)杆体钢筋拉断。常出现在杆体尾部丝扣段，该处易产生应力集中，是杆体的薄弱环节。采用滚丝法加工丝扣，或对该段进行热处理，是防止该失效的有效措施。

(2)托板失效。托板可能受到的最大压力就是锚杆的最大拉拔力，为了提高托板承载力，可增大托板厚度，或采用高强度的钢材。

(3)粘结破坏。这种破坏有三种情况:a.锚杆一粘结剂接触面破坏;b.围岩-粘结剂接触面破坏;.c 破坏面深入到围岩体内几个毫米，常发生在软弱围岩，一般软岩的抗剪强度小于7MPa，粘

结剂与围岩的粘结强度为5一16MPa，粘结剂与杆体粘结强度为.673一16.7MPa。采用树脂锚固剂，增加锚固长度，可有效防止粘结破坏。在围岩十分软弱破碎情况下，只有提高围岩的可锚性，才能实现可靠锚固。

(4)锚空失效。大量工程实践表明，由于局部围岩破坏造成的锚空失效是锚杆失效的主要形式。锚杆或锚喷支护巷道，由于围岩荷载和围岩中弱面的不均匀性，常发生局部破坏，导致锚杆切向锚固力迅速丧失，径向锚固力(托锚能力和粘锚能力)也大幅度降低，从而引起更大范围的破坏。在锚网或锚梁网支护的巷道中，局部破坏被护表构件所抑制，锚空失效会得到有效控制。

10、边坡（看书）

边坡状态：初始蠕变、稳定蠕变、加速蠕变

边坡观测特点：岩土体介质复杂性、监测内容较多、检测周期较长

1，变形

A地面变形大地测量仪器（全站仪、GPS）、位移传感(钢弦式、引线式)

B地下变形测斜法（测斜仪）、缝缝法（多点位移计、缝缝机）、重锤法(坐标仪)

2，边坡应力应变仪、应力计

3，地下水–水位记录仪、孔隙水压力计

4，环境因素–雨量计、温度计、地震仪

量测计划（依据地质条件、工程概况、量测目的、施工进度、经济效果）

设备选用先后顺序：光学、机械、电子

5、边坡工程监测的目的是什么？

答：在于获取边坡变形与力学性质的真实信息，以判断边坡变形的趋势和进行边坡稳定性预测预报，稳定性预测预报的资料主要来源于边坡的变形监控以及地下水、化学场及其物理性质的动态特征信息。

6、边坡工程监测的方法有哪些？各有何特点？

答：方法有：简易观测法、设站观测法、仪表观测法、远程观测法。

7、边坡工程监测的内容有哪些？

答：变形监测（地表大地变形、地表裂缝、地下深部变形、支护结构变形）、应力监测（边坡岩体应力、抗滑桩、锚杆应力、锚索应力）、地下水等环境监测（地下水位、空隙水压力、降雨量、流量、温度等）

11、地下洞室（看书）（多点位移计、收敛观测）

1，围岩压力

A锚杆轴力量测锚杆（机械式，不大于四个测点）

B钢支撑压力测力计（液压式、应变式、钢弦式）

C衬砌应力压力盒（埋设压力盒要求：接触紧密和平稳、防止滑移、不损伤压力盒和引线、在其上盖与压力盒直径一致的厚8mm的铁板）

2，位移

A净空相对位移测试（收敛测试）

（收敛计：单向重锤式、万象弹簧式、万向应力环式）

B拱顶下沉量测（仪器：隧道拱部变位观测计）

C洞顶地表下沉量测

D围岩内部位移（钻孔伸长计、位移计）（原理：埋设在钻孔内的各测点与钻孔壁紧密连接，岩层移动时带动测点一起移动）