1、實驗一 土木工程監測常用傳感器原理、使用與標定一、實驗目的1.初步了解土木工程監控量測常用傳感器原理和使用方法。2.了解鋼弦式土壓力盒、鋼筋計、混凝土應變計、錨桿計及位移計的埋設方法。3.掌握頻率接收儀的使用、數據記錄與處理。4.掌握常用傳感器的標定。二、鋼弦式傳感器的工作原理鋼弦式傳感器的工作原理是由鋼弦內應力的變化轉變為鋼弦振動頻率的變化。根據數學物理方程中有關弦的振動的微分方程可推導出鋼弦應力與鋼弦振動頻率的關系：式中：鋼弦的振動頻率；鋼弦長度；鋼弦的密度；鋼弦所受的張拉應力。以壓力盒為例，壓力盒加工完成后，、已為定值，所以，鋼弦的振動頻率只取決于鋼弦上的張拉應力，而鋼弦上的張拉應力又取

2、決于外來壓力，從而使鋼弦頻率與薄膜所受壓力的關系是：式中：壓力盒受壓后鋼弦的頻率；壓力盒未受壓時鋼弦的頻率；壓力盒底部薄膜所受的壓力；標定系數，有關，各壓力盒各不相同。鋼弦式壓力盒構造簡單，測試結果比較穩定，受溫度影響小，測試方便，易于防潮，可做長期觀測。故在土木工程現場測試和監測中得到廣泛的應用。其缺點是靈敏度受壓力盒尺寸的限制，并且不能用于動態測試。圖1至圖5為鋼弦式土壓力盒、鋼筋計、表面應變計、埋入式應變計、位移計的常見形狀圖。圖6為頻率接收儀和分線盒圖。土壓力傳感器主要用于鐵路、公路、市政道路、機場跑道基礎、房屋基礎，樁基礎，船塢、橋臺、墩臺基礎，壩體，擋土墻地下連續墻以及隧道、地下鐵

3、道、地下熱力管道等工程接觸壓力的長期觀測中。圖1.1 鋼弦式土壓力傳感器圖1.2 鋼弦式鋼筋應力傳感器圖1.3 鋼弦式表面應變傳感器圖1.4 鋼弦埋入式應變傳感器圖1.5 鋼弦式位移傳感器圖1.6 頻率接收儀與分線盒鋼筋應力傳感器除用于量測鋼筋混凝土結構中的鋼筋應力外還可將其串接起來用于量測隧道及地下結構錨桿的應力分布，主要用于地下洞室、邊坡、大壩、高層建筑的巖層之間、土層之間、巖土層之間受壓后產生的位移量。鋼弦式表面應變傳感器主要用于量測混凝土、鋼筋混凝土、鋼結構、網狀鋼結構的表面應變；也可用于已產生微裂的混凝土、鋼筋混凝土工程裂縫變化的觀測；或用于混凝土應力解除和溫度應力的測量。埋入式應變

4、傳感器多埋入混凝土（或可塑性材料）、鋼筋混凝土以及噴混凝土層中長期觀測應變量的變化，也可用于病害工程鑿孔（槽）埋入混凝土中。觀測病害的發展情況。位移傳感器主要用于測試隧道巖層之間、土層之間及其它工程地基基礎等受壓力后產生的位移量。數字式鋼弦頻率接受儀主要用于鋼弦傳感器的振動頻率接受，配接分線盒可一次采集多個傳感器的振動頻率。三、隧道工程監測中傳感器的埋設位置與埋設方法隧道工程監測中各種傳感器的埋設位置見下圖，初期支護所受圍巖壓力量測用壓力盒的埋設要求與圍巖密貼且固定，二次襯砌與初期支護之間的接觸壓力量測則要求壓力盒與初期支護密貼且固定。圍巖內部位移計和錨桿軸力計鉆孔埋設，鉆孔完成后壓入水泥砂漿

5、，要求壓漿飽滿，然后裝入位移計或錨桿軸力計。當鋼筋計焊接在鋼拱架時，要求其同一點的內、外緣均要焊接一只，測試鋼筋應力時，則是將被測鋼筋截斷，并在截斷處焊接鋼筋應力計。混凝土應變計要求埋設在襯砌的內側（凈空一側），環向放置并固定。圖1.7隧道監測中傳感器常用布置方法四、鋼弦式土壓力盒、鋼筋計、混凝土應變計、錨桿計及位移計標定1根據傳感器的量測范圍，在萬能試驗機壓（拉）至其最大荷載二次；2然后從0kN開始，讀頻率接收儀頻率值，試驗機每加荷0.5kN讀頻率接收儀頻率值1次至最大荷載。3根據對應的壓（拉）力、頻率值繪制壓（拉）力頻率曲線，并導出壓（拉）力頻率平方差關系式。五、實驗數據整理與計算P（KN

6、）00.51.02.02.53.03.54.04.55.0六、實驗報告1隧道工程監測中各種傳感器的埋設位置選定；2. 鋼弦式傳感器的工作原理；3標定數據記錄與處理，繪制曲線，導出關系式。實驗二隧道周邊收斂量測一、實驗目的1.了解隧道周邊位移收斂量測的意義及量測目的。2.了解收斂計的性能，掌握使用方法。3.掌握收斂數據的處理方法。4.掌握隧道圍巖穩定性判別準則。二、以煤科學研究總院的數顯收斂計為例說明1性能量測基線長度：0. 5 m 10 m 及0. 5 m 15 m； 最小讀數：0.01 mm；量測精度：0.06 mm；數顯值穩定度：24h不大于0.01 mm。2儀器構造及工作原理2.1主要結

7、構收斂計主要由（1）鉤、（2）尺架、（3）調節螺、（4）外殼、(5)塑料蓋、(6)顯示窗口、（7）張力窗口、 (8) 聯尺架、（9）尺卡、 （10）尺孔銷、(11)帶孔鋼尺等部件組成，見圖9.1。圖9.1收斂計結構與工作示意圖2.2基本工作原理收斂計是利用機械傳遞位移的方法，將兩個基準點間的相對位移轉變為數顯位移計的二次讀數差。如圖 1 所示，當用掛鉤連接兩準點 A,B 予埋件時，通過調整調節螺母，改變收斂計機體長度可產生對鋼尺的恒定張力，從而保證量測的準確性及可比性，機體長度的改變量，由數顯電路測出。當 A ， B 兩點間隨時間發生相對位移時，在不同時間內所測讀數的不同，其差值就是 A,B

8、兩點間的相對位移值。當兩點間的相對位移值超過數顯位移計有效量程時，可調整尺孔銷所插尺孔，仍能繼續用數顯位移計讀數。3使用方法1)首先在測點處牢固的埋設預埋件;預埋件長度根據需要加工，連接件與預埋件的連接，應使銷釘孔方向鉛直。2)檢查予埋測點有無損壞、松動并將測點灰塵擦凈。3)打開收斂計鋼尺搖把，拉出尺頭掛鉤放入測點孔內，將收斂計拉至另一測點，并將尺架掛鉤掛入測點孔內，選擇合適的尺孔，將尺孔銷插入與聯尺架固定。4)調整調節螺母，仔細觀察，使塑料窗口上的刻線對在張力窗口內標尺上的兩條白線之間（每次應一致）。5)記下鋼尺在聯尺架端時的基線長度與數顯讀數。為提高量測精度，每次基線應重復測三次取平均值。

9、當三次讀數極差大于 0.05mm 時，應重新測試。6)測試過程中，若數顯讀數已超過 25mm ，則應將鋼尺收攏（換尺孔） 25mm 重新測試，兩組平均值相減，即為兩尺孔的實際間距，以消除鋼尺沖孔距離不精確造成的測量誤差。7)記錄數據、時間、溫度、尺孔位置和測點編號。8)一條基線測完后，應及時逆時針轉動調節螺母，摘下收斂計，打開尺卡收攏鋼帶尺，為下一次使用作好準備。4數據的記錄與修正記錄數據有三項內容，包括數顯讀數；鋼卷尺使用長度及測點附近氣溫。一般情況下讀數取三次平均值，三次讀數的偏差應小于 0.05mm。基線兩點間收斂值S按下式計算：式中：首次數顯讀數，（mm）；首次鋼尺長度，（mm）；第n

10、次數顯讀數，（mm）；第n次鋼尺長度，（mm）。如第n次測量與首次測量的環境溫度相差較大時，要進行溫度修正。公式如下：式中：溫度修正后鋼尺長度，（mm）；鋼尺材料的線膨脹系數，取 1.17 × ；第n次量測環境溫度， ()；首次測量環境溫度，()；鋼尺溫度修正后收斂值按下式計算： 基線縮短，或為正值，反之為負。5注意事項1)調節螺母逆時針轉動最大范圍，千萬注意不得露出螺紋。2)數顯電路本身具有自動斷電功能，以提高電池使用壽命。當顯示值固定不變7分鐘后，顯示屏自動斷電。轉動調節螺母，數值自動出現。3)收斂計使用讀數時應特別注意百分表的小針指數，以免造成較大的過失誤差。收斂計使用一段時間

11、后應進行對零校正，檢驗數顯讀數是否為零值，如有偏差可打開塑料蓋，進行修正，反之可繼續使用。4)使用過程中，應盡量避免泥水浸入收斂計及鋼尺，并正確使用收斂計各轉動部件，保證鋼尺平直，不得扭曲。5)測溫用的水銀溫度計應使用分度值為0.1的，不得用分度值大于該值的其它溫度計。6)鋼卷尺搖把不得逆時針方向搖動，逆時針搖動易損壞。7)儀器較長時間不用時，給鋼卷尺涂縫紉機油防銹，應將儀器入在干燥處保存。三、實驗步驟1了解儀器的結構，分析兩種不同型號收斂計結構差異。2測二基準點間距離，讀三次數，取平均值，并做記錄。現場記錄見表91。3測三個斷面的數值，分別按(5、15、25)三個溫度計算收斂值。四、實驗報告

12、要求1討論誤差分析方法和提高精度的措施。2整理實驗數據，得出結論。五、思考題1簡述收斂儀構造。2說明計算三線 形 量測的方法。如何計算拱頂相對下沉值。表9-1 隧道現場監控量測報告單項目名稱： 合同號：承包單位：監理單位： 編 號： 凈空收斂量測表量測斷面里程： 開挖斷面里程： 開挖日期： 埋點日期： 巖層類型： 測線編號： 巖性描述： 測線布置圖觀測時間距開挖面距離洞內溫度鋼尺讀數/mm 微讀數/mm溫度修正值測量計算值差值總收斂值日期 時刻123平均量測者： 總工程師： 監理工程師： 日期：記錄者：實驗三隧道襯砌厚度檢測與鋼筋檢測實驗一、實驗目的1.了解電磁波的基本知識和探地雷達的基本原理

13、。2.了解儀器的使用方法和參數的設置。3.了解隧道襯砌厚度檢測的布線方式和采樣方法。4.了解結構物內部鋼筋檢測的布線方式和采樣方法。5.天線的選擇要求。6.簡單雷達圖的識別。二、SIR-20探地雷達構造與工作原理地質雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)方法是一種用于探測地下介質分布的廣譜電磁技術。地質雷達用1個天線發射高頻電磁波,另1個天線接收來自地下介質界面的反射波(如圖11.1所示)。通過對接收到的反射波進行分析就可推斷地下地質情況。SIR20型雷達主機與密封式天線分別見圖11.2 。探地雷達主要利用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射探測目的體。 由公式： 雷達根

14、據測得的雷達波走時，自動求出反射物的深度z和范圍。 圖11.1 雷達的工作原理及其探測方法圖11.2 SIR-20 型地質雷達主機(a)與400MHz(b)天線三、隧道襯砌厚度與鋼筋檢測的測線布置自檢一般根據工程單位的要求進行布線，最少為3條（拱頂和兩側起拱線位置）；質量檢測按鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程(TB10223-2004)進行。布置5條測線，即拱頂、兩側拱腰及兩側邊墻各一條。結構物內部鋼筋檢測的布線按現場要求進行布線，一般垂直于鋼筋走向。四、操作步驟1連接天線，檢查筆記本與采集系統間的連接。2開機，給主機和筆記本供電。建立本次測試文件夾。3進入SIR-20(或SSIII)測試系統。4

15、新建測試文件名。5選擇天線的宏文件：c:program FilesGSSIRadanNTRadanddatFixedd SIR-20 Setups。6根據程序提示及所測介質情況選擇測試方式(自由測量、點測和輪測)。7根據程序提示選擇天線頻率、采集數據線接入的通道數，設置其它參數。8應用。9. 進行管線和結構物鋼筋探測。10.觀察雷達圖。五、操作注意事項1在應用1GHz天線進行測量時，應用鐵板進行標定，采集標定文件。在此過程中，天線不允許直接放在鐵板上，否則會燒壞天線。2. 電纜不能壓，不能折，在測試過程中應有專門的人員順線。3. 900MHz天線專用小車，注意帶光柵格的車軸易折斷，且不易修。4

16、. 安裝、更換天線時，必須在關機狀態下進行，否則易燒主機和天線。5. 當筆記本和主機共用電源時，注意線路的連結。6. 當安裝電纜時，動作要輕柔，確保各接口完全對正后插入。7. 在做公路測量時，還應做標定文件。標定文件每標段應做一個，因為每標段施工時材料會發生變化，用一個標定文件，會帶來較大的誤差。做標定文件時，在路面上加鐵板，然后采集2000根線，前200根為靜止時采集，后1800根為晃動時采集。8. 在公路測量時為方便定直達波，在測量結束時，抬起天線，再采集一段數據，可方便寫出直達波。9. 在采集開始之前，應先觀察信號情況，符合要求時才能開始采集。10. 增益項一定要在最后調整。表SIR20

17、型雷達配套天線情況一覽表型號頻率(MHz)理論探測深度(m)有效探測深度(m)備注Subecho-404020-5020-30瑞典產Model 3207A1004-258-12Model 51034000-52Model 3001D90011Model 4108100010.6Model 61315000.50.3六、實驗報告1探地雷達工作原理。2隧道襯砌厚度檢測的測線布置。本實驗所涉及的內容較多，學生不可能在一次實驗中掌握這些內容，重點是讓學生通過實驗對探地雷達有一個感性的認識，了解現代科技的發展。為以后工作提供一個知識儲備。實驗四基坑與邊坡穩定性監測實驗一、實驗目的1.了解基坑與邊坡穩定性

18、監測實驗方法。2.了解滑動式測斜儀的工作原理。3.掌握滑動式測斜儀的使用方法。4.掌握數據處理方法二、實驗原理深層水平位移就是測量圍護樁墻和土體在不同深度上的點的水平位移，通常采用測斜儀測量，將圍護樁墻在不同深度上的點的水平位移按一定比例繪制出水平位移隨深度變化的曲線，即圍護樁墻深層撓曲線。測斜儀由測斜管、測斜探頭、數字式測讀儀三部分組成，測斜管在基坑開挖前埋設于圍護樁墻和土體內，測斜管內有四條十字型對稱分布的凹型導槽，作為測斜儀滑輪上下滑行軌道，測量時，使測斜探頭的導向滾輪卡在測斜管內壁的導槽中，沿槽滾動將測斜探頭放人測斜管，并由引出的導線將測斜管的傾斜角或其正弦值顯示在測讀儀上。測斜儀的原

19、理是通過擺錘受重力作用來測量測斜探頭軸線與鉛垂線之間傾角，進而計算垂直位置各點的水平位移的。圖12.1為測斜儀量測的原理圖，當土體產生位移時，埋人土體中的測斜管隨土體同步位移，測斜管的位移量即為土體的位移量。放人測斜管內的活動深頭測出的量是各個不同量測段上測斜管的傾角，而該分段兩端點(探頭下滑動輪作用點與上滑動輪作用點)的水平偏差可由測得的傾角用下式表示： （1）式中第i量測段的水平偏差值(mm)； 第i量測段的長度，通常取為0.5m、1.0m等整數(mm)； 第i量測段的傾角值(°)。當測斜管埋設得足夠深時，管底可以認為是位移不動點，從管底上數第n量測段處測斜管的水平偏差總量為：

20、(2)顯然，管口的水平偏差值就是各量測段水平偏差的總和。 在測斜管兩端都有水平位移的情況下，就需要實測管口的水平偏差值，并從管口下數第n量測段處的水平偏差值，即： （3）應該引起注意的是：只有當埋設好的測斜管的軸線是鉛垂線時，水平偏差值才是對應的水平位移值，但要將測斜管的軸線埋設成鉛垂線是幾乎不可能的，測斜管埋設好后，終有一定的傾斜或撓曲，因此，各量測段的水平位移應該是各次測得的水平偏差與測斜管的初始水平偏差之差，即： （4）式中從管口下數第n量測段處的水平偏差初始值；從管口下數第n量測段處的傾角初始值；實測的管口水平位移，當從管口起算時，管口沒有水平偏差初始值。圖12.1測斜儀量測原理圖測斜

21、管可以用于測單向位移，也可以測雙向位移，測雙向位移時，由兩個方向的測量值求出其矢量和，得位移的最大值和方向。實際測量時，將測斜儀探頭沿管內導槽插入測斜管內，緩慢下滑，按取定的間距L逐段測定各量測段處的測斜管與鉛直線的傾角，就能得到整個樁墻軸線的水平撓曲或土體不同深度的水平位移。三、測斜儀類型測斜儀按探頭的傳感元件不同，可分為滑動電阻式、電阻片式、鋼弦式及伺服加速度式四種（圖12.2為伺服加速度式測斜儀）。滑動電阻式探頭以懸吊擺為傳感元件，在擺的活動端裝一電刷，在探頭殼體上裝電位計，當擺相對殼體傾斜時，電刷在電位計表面滑動，由電位計將擺相對殼體的傾擺角位移變成電信號輸出，用電橋測定電阻比的變化，

22、根據標定結果就可進行傾斜測量。該探頭的優點是堅固可靠，缺點是測量精度不高。 電阻片式探頭是用彈性好的青銅彈簧片下掛擺錘；彈簧片兩側各貼兩片電阻應變片，構成差動可變阻式傳感器。彈簧片可設計成等應變梁，使之在彈性極限內探頭的傾角與電陽應變讀數呈線性關系。 鋼弦式是通過在四個方向上十字型布置的四個鋼弦式應變計測定重力擺運動的彈性變形，進而求得探頭的傾角。可同時進行兩個水平方向的測斜。伺服加速度計式測斜探頭是根據檢測質量塊因輸入加速度而產生慣性力，并與地磁感應系統產生的反力相平衡，感應線圈的電流與此反力成正比，根據電壓大小可測定傾角。該類測斜探頭靈敏度和精度較高。活動式測斜儀主要有以下四部分組成：裝有

23、重力式測斜傳感元件的探頭、測讀儀、電纜和測斜管。(1)測斜儀探頭 它是傾角傳感元件，其外觀為細長金屬魚雷狀探頭，上、下近兩端配有兩對輪子，上端有與測讀儀連接的絕緣量測電纜。(2)測讀儀 測讀儀是測斜儀探頭的二次儀表，是與測斜儀探頭配套使用的。(3)電纜 電纜的作用有四個：向探頭供給電源；給測讀儀傳遞量測信息；作為量測探頭所在的量測點距孔口的深度尺； 提升和下降探頭的繩索。電纜需要很高的防水性能，因為作為深度尺，在提升和下降過程中有較大的伸縮，為此，電纜中有一根加強鋼芯線。 (4)測斜管 測斜管一般有塑料(PVC)和鋁合金材料制成，管長分為2m和4m兩種規格，管段之間由外包接頭管連接，管內對稱分布有四條十字型凹型導槽，管徑有60mm、70mm、90mm等多種不同規格。鋁合金具有相當的韌性和柔度，較PVC管更適合于現場監測，但成本遠大于后者。 四、埋設測斜管有綁扎埋設和鉆孔埋設兩種方式：（1）綁扎埋設 主要用于樁墻體深層撓曲測試，埋設時將測斜管在現場組裝后綁扎固定在樁墻鋼筋籠上，隨鋼筋籠一起下到孔槽內，并將其澆筑在混凝土中。(2)鉆孔埋設 首先在土層中預鉆孔，孔徑略大于所選用測斜管的外徑，然后將測斜管封好底蓋逐節組裝逐節放人鉆孔內，并同時在測斜管內注滿清水，直到放到預定的標高為主。隨后在測斜管與鉆孔之間空隙內回填細砂，或水泥和粘土拌合的材料固定測斜管，配合比取決于土層的