岩土工程测试技术实验指导(1)

实验一 地下工程监测常用传感器原理、使用与标定一、实验目的1.初步了解地下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：ρσL f 21=式中：f －钢弦的振动频率； L －钢弦长度； ρ－钢弦的密度；σ－钢弦所受的张拉应力。

以压力盒为例，压力盒加工完成后，L 、ρ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决于外来压力P ，从而使钢弦频率与薄膜所受压力P 的关系是：2f －20f ＝K P式中：f －压力盒受压后钢弦的频率； 0f －压力盒未受压时钢弦的频率； P －压力盒底部薄膜所受的压力；K －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。

故在地下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。

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图1.1 钢弦式土压力传感器 图 1.2 钢弦式钢筋应力传感图1.3 钢弦式表面应变传图 1.4 钢弦埋入式应变传感图1.5 钢弦式位移传感图1.6 频率接收仪与分线盒观测应变量的变化，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、实验数据整理与计算六、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：)()(00n n L D L D S +-+=式中：0D －首次数显读数，（mm ）； 0L －首次钢尺长度，（mm ）； n D －第n 次数显读数，（mm ）； n L －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：n n n n L T T L L )('0--=α式中：'n L －温度修正后钢尺长度，（mm ）；α—钢尺材料的线膨胀系数，取 1.17 × 610-℃； n T —第n 次量测环境温度， (℃)； o T —首次测量环境温度，(℃)； 钢尺温度修正后收敛值()'S 按下式计算：()()''Ln Dn Lo Do S +-+= 基线缩短，S 或'S 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2－1。

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 {Δ形} 量测的方法。

如何计算拱顶相对下沉值。

表2-1 隧道现场监控量测报告单项目名称：合同号：承包单位：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1 2 3平均量测者：总工程师：监理工程师：日期：记录者：。