岩土工程现场监测

第一章绪论一、目的和意义岩土工程：利用土力学、岩体力学及工程地质学的理论与方法，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。

测试技术从根本上保证岩土工程设计的精确性、代表性以及经济合理性的重要手段对岩土工程专业的学生来说，这是一门必须掌握的专业基础课程。

二、现场监测技术简介1现场监测就是以实际工程为对象，在施工期及工后期对整个岩土体和地下结构以及周围环境，于事先设定的点位上，按设定的时间间隔进行应力和变形现场观测。

2、监测目的：⑴检验岩土工程施工质量是否满足岩土工程设计和有关规程、规范的要求；⑵指导岩土工程的施工方法、流程和施工进度，通过岩土工程监测反馈分析岩土工程设计与施工是否合理，并为后续设计与施工方案提供优化意见；⑶检测岩土工程施工对环境的影响，验证岩土工程施工防护措施的效果；⑷及时发现和预报岩土工程施工过程中所出现的异常情况、防止岩土工程施工事故，保障岩土工程施工安全；⑸提供定量的岩土工程质量事故鉴定依据；⑹为建（构）筑物的竣工验收提供所需的监测材料。

3、监测内容：⑴对岩土所受到的施工作用、各类荷载的大小以及在这些荷载作用下岩土反应性状的监测。

⑵对建设中或运营中的结构物的监测。

⑶监测岩土工程在施工及运营过程中对周围环境的影响。

4、监测项目：地表位移、沉降，岩体内部的变形观测，土体内部的变形观测，建筑物与岩土体间接触压力的测量，岩体应力测量，土体应力测量，孔压测量。

三、现状与展望1、现状：⑴手段单一；⑵结果缺乏科学合理的解释；⑶管理制度不健全；⑷人员培训不及时。

2、解决方法：⑴健全管理制度；⑵增强考核与管理；⑶加强控制。

3、展望：⑴取样技术的标准化；⑵新仪器新方法的开发；⑶工程地球物理探测；⑷现场测试、室内试验、理论预测和数值反分析及其再预测的有机结合与循环。

第二章测试技术基础知识§2.1 测试系统概念：在工程中，需要有传感器与多台仪表组合在一起，才能完成信号的检测，形成了测试系统。

下图为测试系统原理结构框图。

●传感器是感受被测试的大小并输出相对应的可用输出信号的器件或装置。

●数据传输环节用来传输数据。

当测试系统的几个功能环节独立地分隔开的时候，则必须由一个地方向另一个地方传输数据，数据传输环节就是能够完成这种传输功能的环节。

●数据处理环节是将传感器输出信号进行处理和变换。

●数据显示环节将被测试信息变成人感官能接受的形式。

§2.2 传感器的基本特性1.传感器定义：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。

2.组成：通常由敏感元件、转换元件和测试电路组成。

⑴敏感元件是指能直接感受(或响应)被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其他量。

⑵转换元件则将上述非电量转换成电参量。

⑶测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。

3.可通过静态特性和动态特性来表征性能优劣。

静态特性参数指标：①线性度（非线性误差）：传感器的输出—输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比。

②灵敏度：稳态时传感器输出量y和输入量x之比，或输出量y的增量和输入量x的增量之比。

③分辨力：传感器能检测到的最小输入增量。

④测量范围和量程：在允许误差限内，被测量值的下限到上限之间的范围。

⑤迟滞：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。

⑥重复性：传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出—输入曲线的不一致程度。

⑦零漂和温漂：传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输出值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。

而温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比称为温漂。

4.动态特性：输入量为时间的函数，则输出量也应是时间的函数。

§2.3 常用传感器类型1.差动电阻式传感器原理：内腔由两根弹性钢丝作为传感元件，受力后一根受拉一根受压。

当受环境量变化作用时，两者的电阻值向相反方向变化，通过两个元件的电阻值比值，测出物理量的数值。

钢丝的电阻值会随温度变化而变化。

该传感器就是根据以上两个原理制成的。

2．钢弦频率式传感器（图例为土压力盒）钢弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦，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。

3．电感式传感器根据电磁感应原理，利用线圈电感的变化来实现非电量电测。

4．电阻应变片式传感器利用金属的电阻应变片将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。

5．其他：电容式传感器、磁电式传感器、压电传感器、光纤传感器等。

§2.4 监测仪器的选择和标定一、监测仪器和元件的选择（从4个方面考虑）⒈仪器技术性能的要求可靠性，使用寿命，坚固性和可维护性，精度，灵敏度和量程⒉仪器埋设条件的要求对同一监测目的的仪器，在性能相同或出入不大时，选择在现场易于埋设的仪器设备；施工要求和埋设条件不同时，选择不同仪器。

⒊仪器测读方式的要求选择操作简便易行、快速有效和测读方法尽可能一致的仪器设备；对于可与其他监测网联网的监测，根据监测系统统一的测读方式选择。

⒋仪器选择的经济性要求国产仪器性能稳定可靠且价格低廉。

二、监测仪器的质量标准:可靠性和稳定性准确度和精度灵敏度和分辨力三、监测仪器的适用范围和使用条件变形观测仪器压力（应力）观测仪器其他四、仪器和传感器的标定标定（又称率定）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。

分为静态标定和动态标定。

第三章原位测试技术§3.1 平板载荷试验简称载荷试验,主要用于测定承压板下应力主要影响范围内岩土的承载力和变形特性。

载荷试验是在试坑内一定尺寸的平板上逐级施加静力荷载，观测各级荷载作用下的沉降，根据荷载-沉降关系曲线（p-s曲线），确定地基承载力、计算土的变形模量、研究土的变形特性的一种现场原位测试方法。

●仪器设备载荷测试设备由承压板、加荷装置及沉降观测装置等部件组成。

1、承压板——一般为铸钢件，大型的载荷试验，采用现场浇筑钢筋混凝土承压板。

对承压板的要求是，要有足够的刚度，满足在加荷过程中承压板本身的变形小、而且其中心和边缘不能产生弯曲和翘起的要求，其形状一般为圆形(也可方形)。

根据经验，土质松软（如：软土、新近沉积土、人工杂填土）或上硬下软的双层地基土宜采用较大尺寸，土质较硬时承压板宜选用较小尺寸：对密实粘性土和砂土，承压板面积一般为1,000～2,500cm2；对一般土，承压板面积多采用2,500～5,000cm2。

2、加荷装置加荷装置包括压力源（千斤顶、堆载物）、载荷台架、反力构架等。

加荷方式可分为两种：重物静力加荷和液压千斤顶加荷。

重物静力加荷法：在载荷台上放置重物，如钢锭、铅块、建筑砌块等，以此向地基土施加荷载。

液压千斤顶反力加荷法：用液压千斤顶加荷，用地锚系统提供反力，其加荷控制及搬运方便，劳动强度相对较小，但可提供的反力有限，适于小荷载测试。

3●1.试验点选择——要考虑建筑物需要和地基土的特点以及场地条件，进行试验设计和选用适合的试验方式及其承压板面积。

2.开挖试坑——浅层平板载荷试验的试坑宽度或直径不应小于承压板宽度或直径的三倍；深层平板载荷试验的试井直径应等于承压板直径，当试井直径大于承压板直径时，紧靠承压板周围土的高度不应小于承压板直径；试坑或试井底部的岩土应避免扰动，保持其原状结构和天然湿度。

3.安装设备⑴确定试验点位置⑵确定地锚位置并安装⑶开挖试坑，取样⑷在试验中心点安装承压板→安装位移传感器→千斤顶→传力柱和拉杆帽→在地锚和传力柱间安装反力拉杆并使之均匀受力→安装千斤顶的液压系统→安装测量系统并把千分表清零。

⑸加荷方式：载荷试验加荷方式应采用分级维持荷载沉降相对稳定法(常规慢速法) ，当试验对象为土体时，每级荷载施加后，间隔5min、5min、10min、10min 、15min、15min测读一次沉降，以后间隔30min 测读一次沉降，当连读两小时每小时沉降量都小于0.1mm 时，可认为沉降已达相对稳定标准，可施加下一级荷载。

⑹最终荷载的确定：应根据试验目的、设备条件等而定。

如：为了确定地基变形参数、比例界限承载力，或因设备条件限制，则在比例界限压力点出现后，再加压2～3级即可终止；又如，在设备条件允许情况下，为确定地基土承载力，最好做到破坏阶段，以求出地基的极限荷载值。

⑺终止试验条件：承压板周边的土出现明显侧向挤出，周边土出现明显隆起或径向裂缝持续发展；本级荷载的沉降量大于前级荷载沉降量的5 倍，荷载与沉降曲线出现明显陡降在某级荷载下24 小时沉降速率不能达到相对稳定标准总沉降量与承压板直径(或宽度)之比超过0.06。

●资料整理1.实测曲线校正土的性质状态不同，p—S关系曲线形状也不同，大量实践表明，曲线可分拐点型p—S曲线和圆滑型p—S曲线、不规则型p—S曲线。

a. 拐点型p—S曲线校正方法一：线性关系法（亦称图解法，直线段计算；适用于拐点型p—S曲线校正）；方法二最小二乘法（直线段计算，适用于拐点型p—S曲线校正）；方法三：非拐点型p—S曲线校正。

b.非拐点型圆滑型p—S曲线校正方法一：等增量校正法；方法二：数据转换法。

●平板静力载荷试验成果应用1.确定地基承载力特征值2.计算地基变形模量E03.预估建筑物沉降量4.由载荷试验测定湿陷性黄土湿陷起始压力Psh§3.2 静力触探原理：静力触探的基本原理就是准静力(相对动力触探而言，没有或很少有冲击荷载)将一个内部装有传感器的触探头（如图3-5）以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力自然也不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表记录下来，再通过贯入阻力与土的物理力学性质之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供桩基承载力、选择桩尖持力层和预估单桩承载力等岩土工程勘察目的。

图3-5 静力触探示意图及其曲线●试验设备1. 静力触探探头，亦称地层阻力传感器，它是量测地基土贯入阻力的关键部件，是贯入过程中直接感受土的阻力，将其转变成电信号，然后再由仪表显示出来的元件。

2.量测系统，配套的记录仪器主要有以下4种类型：①电阻应变仪；②自动记录绘图仪；③数字式测力仪-数字式测力仪是一种精密的测试仪表。

这种仪器能显示多位数，具有体积小、重量轻、精度高、稳定可靠、使用方便、能直读贯入总阻力和计算贯入指标简单等优点，是轻便链式十字板—静力触探两用机的配套量测仪表，国内已有多家生产。

这种仪器的缺点是间隔读数，手工记录。