1、土木工程监测技术第一章测试技术理论基础测试技术是测量技术和试验技术的总称。现代测试技术的主要功用：各种参数的测定；自动化过程中参数的反馈、调节和自控；现场实时检测和监控；试验过程中的参数测量和分析。测试系统应具有的功能：将被测对象置于预定状态下；对信息进行采集、变换、传输；对信号进行必要的分析、处理和判断；信号的显示或记录。现代测试技术的发展趋势：高精度、小型化和智能化；新型传感器的研制。一、测试系统的组成一个测试系统可以由一个或若干个功能单元所组成。一个功能单元组成的测试系统：弹簧称；温度计。多个功能单元组成的测试系统：直剪试验计算机测试系统（ 如图 11）。典型的力学测试系统由四大部分组成
2、（ 如图 12）：荷载系统、测量系统、显示与记录系统。1、荷载系统荷载系统是使被测对象处于一定的受力状态下，使被测对象(试件)有关的力学量之间的联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门系统。地下工程试验采用的荷载系统有：液压式、重力式、杠杆式、弹簧式、气压式、等等。2、测量系统测量系统由（一次仪表）、中间变换和测量电路（二次仪表）组成。一次仪表（传感器）把被测量（如力、位移）变成电信号；二次仪表将信号变换、放大、运算，变成易于处理和记录的信号。不同的传感器要求与其相匹配的二次仪表。模拟式仪器中包含有抗干扰和滤波器等电路或器件；数字式仪器中包含有抗干扰和滤波器等软件。3、显示和记录系统它是将
3、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。数据显示：各种表盘、电子示波器和显示屏；数据记录：函数记录仪、光线示波器、打印机和绘图仪等；数据存储：磁带记录仪、磁盘（硬盘、软盘）等，设备来实现，直剪试验计算。机辅助测试系统中，以微机屏幕、等作为显示记录设备。二、测试系统的主要性能指标测试系统的主要性能指标是经济合理地选择测试系统时所必需明确的。1、测试系统的精度和误差精度：测试系统给出的指示值和被测量的真值的接近程度。精度与误差是同一概念的两种不同表示方法。精度越高，误差越低。通常用测试系统相对误差和引用误差的大小来表示其精度的高低：绝对误差 (11a)相对误差 (11b)引
4、用误差 (11c)真值：常用更高精度的仪器测得的值 X0 代替真值（叫约定真值）。例 1：某压力盒的量程为 1MPa，引用误差 为满量程的 1%，若：测试结果是 0.1MPa，则： =0.01MPa， =10%。若：测试结果是 0.8MPa，则： =0.01MPa， =1.25%。两者绝对误差均为 0.01MPa，相对误差分别为：10%、1.25%。例 2：某压力盒的量程为 1MPa，相对误差 为 1%，若：测试结果是 0.1MPa，则： =0.001MPa， =1%。若：测试结果是 0.8MPa，则： =0.008MPa， =1%。两者相对误差均为 1%，绝对误差分别为 0.001MPa、0
5、.008MPa。结论：绝对误差不能用来衡量不同仪表的质量好坏如：0.01MPa 与 0.01mm 不能比；用引用误差表示仪器的精度，相对误差随被测量值而变故：应尽量避免仪器在小于三分之一量程内工作。用相对误差表示仪器的精度，绝对误差随被测量值而变2、稳定性仪器示值的稳定性的两种指标：时间上稳定性，以稳定度表示。仪器外部环境和工作条件变化所引起的示值不稳定性，以各种影响系数表示。（1）稳定度：由于仪器中随机性变动、周期性变动、漂移等引起的示值变化。一般用精密度的数值和时间长短同时表示。例如：s1.3mv/8h 表示每 8 小时内引起电压的波动为 1.3mV。（2）环境影响：仪器工作场所的环境条件
6、，诸如室温、大气压、振动等外部状态以及电源电压、频率和腐蚀气体等因素对仪器精度的影响，统称环境影响，用影响系数表示。例如：温度系数 r(示值变化/温度变化)；电源电压系数 u0.02mA/10%表示电压每变化 10%引起示值变化 0.02mA。3、测量范围(量程)测量范围(量程)：系统正常工作时所能测量的最大量值范围。在动态测量时，还需同时考虑仪器的工作频率范围。4、分辨率分辩率（灵敏阈）：系统可能检测到的被测量的最小变化值。通常要求测定仪器在零点和 90%满量程点的分辩率。5、传递特性传递特性是表示测量系统输入与输出对应关系的性能。静态测量：不随时间变化(或随时间变化很慢而可以忽略)的量的测
7、量；动态测量：对随时间而变化的量的测量。静态传递特性：描述测试系统静态测量输入输出函数关系的方程、图形、参数；动态传递特性：描述测试系统动态测量输入输出函数关系的方程、图形、参数。作为静态测量的系统，可以不考虑动态传递特性；作为动态测量的系统，则既要考虑动态传递特性，又要考虑静态传递特性。1、理想的测试系统：输出能精确地反映输入；具有确定的输入输出关系；输出与输入成线性关系时不变性。2、线性系统：若系统的输入 x(t)和输出 y(t)之间关系可以用常系数线性微分方程式来表示：(12)式中： 分别是输出 y(t)的各阶导数；分别是输入 x(t)的各阶导数；为常数。说明：微分方程的常数只与测试系统
8、的特性有关，不随时间的变化而变化。信号的输出与输入和信号加入的时间无关，即线性时不变性系统。在线性系统中的任一环节(如传感器、运算电路等)都可简化为如 图 13 的方框图。若用 h(t)表示测试系统的输入量 x(t)与输出量 y(t)的传递关系，则三者之间具有确定的关系，当已知其中任何两个量，即可求第三个量。标定：已知 x(t)、y(t)，求 h(t)；测试：已知 y(t)，h(t)，求 x(t)。1、线性叠加性若及则： (13)式中：c1、c2 为任意常数。说明：同时作用于系统的两个任意输入量的线性组合所引起的输出量，等于该两个任意输入量单独作用于该系统时所引起的输出量的线性组合。作用：分析
9、线性系统在复杂输入作用下的总输出时，可以先将复杂输入分解成若干个简单的输入分量，求出这些简单输入分量各自对应的输出之后，再求其线性组合，即可求出其总输出。2、微分特性若 ，则 (14)即系统对输入微分的响应，等同于对原输入响应的微分。3、积分特性若 ，则 (15)即如果系统的初始条件为零，则系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分。例如，已测得某物振动速度的响应函数，可作计算： ，得位移的响应函数；可作计算： ，得加速度的响应函数。4、频率保持特性若输入为正弦信号则输出函数必为 (16)即线性系统在稳态时输出的频率恒等于输入的频率，但其幅值和相位均有变化。若系统中的输出信号存在着其它频率时
10、，则是外界干扰或系统内部的噪声。3 测试系统的静态传递特性及其主要参数一、静态方程和标定曲线当测试系统处于静态测量时，输入量 x 和输出量 y 不随时间而变化，因而输入和输出的各阶导数等于零，式(12)将变成代数方程：(17)上式称为系统的静态传递特性方程(简称静态方程)，斜率 S(也称标定因子)是常数。标定曲线（ 如图 14）：反映静态测试系统输入和输出之间实际传递特性的曲线。标定曲线的求取：以标准量作为输入信号并测出对应的输出，绘制成曲线。也可用统计法求出标定方程。标准量的精度应较被标定的系统的精度高一个数量级。说明：实际的输出输入关系曲线并不完全符合理论所要求的理想线性关系；需定期标定得
11、到实际使用期的标定曲线，以保证测试结果精确可靠性。对于重要的测试，需在测试前、后都对测试系统进行标定，当前、后的标定结果的误差在容许的范围内时，才能确定测试结果有效。二、测试系统的主要静态特性参数1、灵敏度( 如图 15a）对测试系统输入一个变化量 x，就会相应地输出另一个变化量 y，则测试系统的灵敏度为： 系统特性曲线的斜率 (18)灵敏度 S300mV/mm 表示位移变化 1mm 时，输出电压的变化为 300mV。对于线性系统，灵敏度为定值，若测试系统的输出和输入的量纲相同，则灵敏度 S 无量纲，常称“放大倍数“。2、线性度(直线度， 如图 15b）线性度：标定曲线与理想直线的接近程度。表
12、示为：(19)A 为测试系统的量程；B 为标定曲线与参考理想直线的最大偏差。理想直线无法获得，通常用参考理想直线代替理想直线。参考理想直线：反映标定数据的一般趋势而误差绝对值为最小的直线。参考理想直线通常求法：取过原点，与标定曲线间的偏差 B 的均方值最小的拟合直线。3、回程误差（ 如图 15c）回程误差：在相同测试条件下和全量程范围 A 内，当输入由小增大和由大减小的行程中，同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值 hmax 与 A 的比值的百分率，即：(110)回程误差是由滞后现象和系统的不工作区(即死区)引起的。滞后现象是在磁性材料的磁化过程和材料受力变形的过程中产生。系统的死区是指输
13、入变化时输出无相应变化的范围，原因：机械摩擦和间隙。4 传 感 器 传感器：将被测物理量直接转换为容易检测、传输或处理的信号的元件。也称换能器、变换器或探头。传感器的命名：主题(传感器)前面加四级修饰词：主要技术指标特征描述变换原理被测量物理量例如，100mm应变式位移 传感器。只有第一级修饰词(被测量物理量)不可省略。传感器的分类：一般可按被测量物理量、变换原理和能量转换方式分类按变换原理分类，如：电阻式，钢弦频率式，差动变压器式等；按被测量物理量分类，如：位移传感器、压力传感器、速度传感器等。一、应力计和应变计应力计和应变计：其主要区别是测试元件与被测物体的相对刚度的差异。如 图 16所示
14、的系统，有：若 ，则 ，是一个应变计；若 ，则 ，是一个应力计。上两式中，若 ，加入弹簧元件后，对系统的受力和变形都有很大的影响，则既不能做应力计，也不能做应变计。力学说明：应力计：若测试元件比原系统刚硬很多，则外力绝大部分由测试元件承担；应变计：若测试元件比原系统柔软很多，则测试元件对原系统的受力和变形影响很小。二、电阻式传感器电阻式传感器按其工作原理可分为：电阻应变式；电位计式；热电阻式；半导体热能电阻传感器等。电阻应变式传感器的工作原理：在外力的作用下，弹性元件产生变形，贴在弹性元件上的应变片产生一定的应变，再转换成电阻，由应变仪中的电桥获得输出信号，读出读数。1、测力传感器拉压力传感器
15、结构， 如图 17；荷重传感器结构， 如图 18。2、位移传感器双悬臂式位移式（ 见图 19）：弹簧组合式（ 见图 110）：3、液压传感器液压传感器有膜式、筒式和组合式等，量程：0.1kPa 到 100MPa。膜式（ 如图 111）：在圆心处 tr 并达到最大值：在边缘处，t=0，r 达到最小值：筒式（ 如图 112）：圆筒外壁的切向应变为：4、压力盒（ 图 113）5、热电阻温度计（ 图 114）热电阻温度计：利用某些金属导体或半导体材料的电阻率随温度而变化的特性。金属导体的电阻和温度的关系为：式中：Rt、R0 是温度为 t和 t0时的电阻值；t=t-t0 是温度的变化值； 是温度在 t0
16、t 之间金属导体平均电阻温度系数。用途：大型建筑物厚底板温差控制测量等。线路接法：热电阻本身给出三根引线， 如图 115a；给出二根引线的三线制接法， 如图 115b。三、电感式传感器电感式传感器：将被测量的变化转换成自感或互感的变化，引起电路中阻抗的变化，输出与被测的位移量成比例的电压。1、单磁路电感传感器改变气隙厚度( 如图 116a)；改变通磁气隙面积 S(如图 116b)；螺旋管式(可动铁芯式)( 如图 1-16c)，改变铁芯的有效线圈数。变磁阻式压力盒( 如图 117a)；变磁阻式加速度计( 如图 117b)；2、差动变压器式传感器差动变压器式传感器是互感式电感传感器中最常用的一种。
17、原理图： 如图 118a；等效电路图： 如图 118b；差动变压器的输出电路图：如图119。差动变压器式位移传感器 如图 120；差动变压器式测力传感器 如图 121。四、钢弦频率式传感器1、钢弦频率式传感器原理由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化：式中：f 为钢弦振动频率；L 是钢弦长度； 是钢弦的密度； 是钢弦所受的张拉应力。以压力盒为例，钢弦上产生的张拉应力由外来压力 P 引起：式中：f 是压力盒受压后钢弦的频率；f0 是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。钢弦频率式传感器的特点：优点：结构简单，结果稳定，受温湿影响小，可做长期观测；缺点：体积大，不能用于动态测
18、试。2、钢弦频率式传感器的种类土压力盒： 见图 122；钢筋应力计： 见图 1 23；表面应变计： 见图 124；孔隙水压力计： 见图 125；位移计： 见图 126。3、频率仪频率仪的组成：放大器、示波管、振荡器和激发电路等原理： 见图 127；主要技术性能指标：频率测量范围：5005000Hz；测量精度：，分辨率：0.1Hz；灵敏度：接收信号 300V，持续时间 500ms。五、传感器选择的原则传感器量程确定的途径：查阅工程设计图纸、设计计算书和有关说明；根据已有的理论估算；由相似工程类比。传感器的量程一般应确定为被测物理量预计最大值的 3 倍。对传感器的基本要求：输出与输入之间成比例关系
19、，直线性好，灵敏度高；滞后、漂移误差小；不因其接入而使测试对象受到影响；抗干扰能量强，即受被测量之外的量的影响小；重复性好，有互换性；抗腐蚀性好，能长期使用；容易维修和校准。六、传感器与介质的的匹配当传感器埋入介质中时，由于它与介质的变形特性不同，会引起介质中应力的重新分布。这样，作用在传感器上的应力与未放入传感器时该点的应力是不相同的，这种情况称为不匹配。静力完全匹配条件是传感器与介质的弹性模量 E 和泊松比 相等；如静力问题要考虑体积力时，则还须密度 相等。动力完全匹配条件是传感器与介质的弹性模量 E、泊松比 和密度 相等。在波动力学中，只有当传感器与介质的动力刚度相等时，才不会产生波的反
20、射；(介质的动力刚度是其密度与波速的乘积，而波速只与 、E、 有关)。压力盒在满足下列条件时，其匹配在允许的范围内：压力盒厚度与直径之比应满足：H/D0.10.2；压力盒直径 D 要大于土体最大颗粒直径 50 倍；传感器与介质等效变形模量之比应满足：Eg/Es510；带油腔的压力盒，其感受面积与全面积之比 Ag/A0 应小于 0.641；泊松比不匹配引起的误差可忽略不计；当进行动态测试时，动力匹配条件是：压力盒最低自振频率为应力波最高频率的 35 倍；压力盒的直径必须远远小于应力波的波长；压力盒的质量与它所取代的介质的质量相等。七、仪器和传感器的标定标定(率定)：通过试验建立传感器输入量与输出
21、量之间的关系。标定曲线：试验求得的传感器输入量与输出量之间的关系曲线（输出特性曲线）。标定方法：利用已知的标准值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量，将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线。荷重、应力、压力传感器等的静标定方法是利用压力试验机进行标定；它们更精确的标定则是在压力试验机上用专门的荷载标定器标定；位移传感器的标定则是采用标准量块或位移标定器。按传感器的种类和使用情况不同，其标定方法也不同。标定要求：标定应该在与其使用条件相似的状态下进行；增加重复标定的次数，以提高测试精度。传感器需定期标定，一般以一年为期；对重要的试验，需在试验前后的标定误差，在允许的范围内；第三章
22、 基坑工程施工监测深圳地铁一期工程竹子林车辆段基坑位于南山区与福田区交界处的竹子林地区。东西长约 1014 米，南北宽约 230 米，用地总面积近 24 公顷。由冶金工业部建筑研究总院深圳分院负责监测。3-1 概述一、基坑的用途：高层建筑基础；城市地铁车站和区间隧道明挖；过江隧道；合流污水处理系统；过街通道和地下立交；二、基坑监测的目的检验设计计算理论、模型和参数的正确性；及时反馈，指导基坑开挖和支护结构的施工；确保基坑支护结构和相邻建筑物的安全；为提高基坑工程设计和施工水平积累工程经验。三、基坑工程的施工过程3-2 监测仪器和方法基坑工程施工现场监测的内容分为两大部分，即围护结构本身和相邻环
23、境。围护结构中包括围护桩墙、支撑、围檩和圈梁、立柱、坑内土层等五部分。相邻环境中包括相邻土层、地下管线、相邻房屋等三部分。表 3-1 基坑工程现场监测内容序号 监测对象 监测项目 监测元件与仪器(一) 围护结构(1)桩墙顶水平位移桩墙顶沉降经纬仪水准仪(2)桩墙深层挠曲 测斜仪(3)桩墙内力 钢筋应力计、频率仪1 围护桩墙(4)桩墙上水土压力(4)水压力土压力盒、频率仪孔隙水压力计、频率仪2 水平支撑 支撑轴力（混凝土）支撑轴力（钢支撑）钢筋应力计或应变计、频率仪或应变仪钢筋应变计或应变片、频率仪或应变仪(1)内力 钢筋应力计或应变计、频率仪或应变仪3 圈梁、围檩(2)水平位移 经纬仪4 立柱
24、 垂直沉降 水准仪5 坑底土层 垂直隆起 水准仪6 坑内地下水 水位 钢尺，或钢尺水位计和水位探测仪(二) 相邻环境(1)分层沉降 分层沉降仪7 相邻地层(2)水平位移 经纬仪(1)垂直沉降 水准仪8 地下管线(2)水平位移 经纬仪(1)垂直沉降 水准仪(2)倾斜 经纬仪9 相邻房屋(3)裂缝 裂缝监测仪(1)水位 钢尺，或钢尺水位计和水位探测仪10 坑外地下水(2)分层水压 孔隙水压力计、频率仪一、观察和描述观察和描述的内容：围护结构和支撑体系的施工质量；围护体系是否有渗漏水及其渗漏水的位置和多少；施工条件的改变情况；坑边和支撑上的堆载的变化；地表降水、施工用水的排放情况；基坑周围的地面裂缝
25、；围护结构和支撑体系的工作失常情况；邻近建筑物和构筑物的裂缝；流土或局部管涌现象等；施工进度与施工工况。二、围护墙顶沉降监测仪器：水准仪方法：高程测量要求：在一个测区内，应设 3 个以上基准点；基准点设在距基坑开挖深度 5 倍以外的稳定地方。测点设置：用铆钉枪打入铝钉；钻孔埋设膨胀螺丝；涂红漆标记。三、围护墙顶水平位移监测仪器：经纬仪方法：1.轴线法或视准线法（ 图 3-1）。沿基坑边线或其延长线上的两端设置工作基点 A、B，A、B 两点形成的直线即为视准线，在视准线上沿基坑边线按照需要设置若干测点。测量基点 A、B 的设置：距基坑一定距离的稳定地段；有支撑的围护结构，可在基坑角点设临时基点
26、C、D，变换工况时用基点 A、B 测量临时基点 C、D 水平位移，再用此结果对各测点的水平位移值作校正。其它测点的设置：最好设在基坑圈梁、压顶等较易固定的地方；基坑有支撑时，测点宜设在两根支撑的跨中。适用条件：场地条件好的浅基坑。2.前方交会法前方交会法是在距基坑一定距离的稳定地段设置一条交会基线，或者设两个或多个工作基点，以此为基准，用交会方法测出各测点的位移量。适用条件：工程场地小，施工障碍物多，基坑边线不都是直线的深基坑。四、深层水平位移测量深层水平位移就是测量围护桩墙和土体在不同深度上的点的水平位移。1、仪器组成：测斜管：材料：塑料(PVC)或铝合金，内管壁有呈十字型分布的四条凹型导槽
27、；管段长：分为 2m 和 4m 两种规格，管段之间由外包接头管连接；管径：60、70、90mm 等多种不同规格。测斜探头：测量倾角的传感元件。外形：40 细长金属鱼雷状，上、下近两端配有两对轮子，上端接电缆。测斜仪探头按传感元件不同，可分为四种（ 如图 3-2）：滑动电阻式：摆锤-电刷-电位计；电阻片式：摆锤-弹簧片-电阻应变片；钢弦式：摆锤伺服加速度式：摆锤（质量块）-感应线圈数字式测读仪：与测斜仪探头配套使用的二次仪表。电缆：芯线中设有一根加强钢芯线，具有高防水性能。电缆的作用：向探头供给电源；给测读仪传递量测信息；作为量测探头所在的量测点距孔口的深度尺；提升和下放探头的绳索。2、测量原理
28、（ 如图 3-3）当土体内发生位移时，埋入土体中的测斜管随土体同步位移，通过逐点测量测斜管内测斜探头轴线与铅垂线之间倾角 ，可计算各点偏离垂线的水平偏差：(3-1)Li 为第 i 量测段的长度，通常取为 0.5m、1.0m 等整数，单位 mm；i 为第 i 量测段的倾角值，单位度。以管口为参照点，并从管口向下第 n 个测点的水平偏差值为：(3-2)式中：0 为管口的水平位移值，单位 mm。第 n 个测点的水平位移 n：(3-3)即：本次测得的水平偏差减去测斜管的初始水平偏差。式中：0n 从管口下数第 n 个测点处的水平偏差初始值；0i 从管口下数第 n 个测点处的倾角初始值；0是实测的管口水平
29、位移。说明：埋设好测斜管时不可能是铅垂线，故必有初始水平偏差值；当管底不动时，则以管底为参照点，从下往上计算各测点的水平偏差；可以依次测两个相互垂直方向的位移，并求得位移总量和方向。按一定比例绘制出水平位移随深度变化的曲线，即围护桩墙深层绕曲线。3、埋设(1)绑扎埋设测斜管绑扎于桩墙钢筋笼上，随钢筋笼一起下到孔槽内；(2)钻孔埋设钻孔-放测斜管-回填空隙。注意事项：在管节连接时必须将上、下管节的滑槽严格对准；避免管子的纵向旋转；测斜管的一对凹槽与欲测量的位移方向一致（垂直基坑边线方向）；用清水将测斜管内冲洗干净；可先用模型探头检查测斜管导槽是否正常可用；需测量测斜管导槽的方位、管口坐标及高程；在测斜管外部设置金属套管或砌筑窨井并加盖；4、量测将仪器预热半小时，在测斜管中放置 15 分钟；将测头缓慢下至孔底，自下而上将测头稳定在测点位置上测读；将测头旋转 180 度插入同一对导槽，按以上方法在同一位置上重复测量；深层水平位移的初始值应是基坑开挖之前连续三次测量无明显差异读数的平均值；测斜管孔口需布设地表水平位移测点，以便对深层水平位移量进行校正。五、土体分层沉降测试分层沉降是土层内离地表不同深度处的沉降或隆起，通常用磁性分层沉降仪量测。1、仪器和测量原理
