岩土工程监测与监测城地下交通工程综合训练中心南京工业大学.doc

岩土工程监测与检测课程实验指导书专 业班级学号姓 名指导教师学 期南京工业大学交通学院目 录实验一：基桩的低应变动测实验3实验二：土压力量测实验7实验三：孔隙水压力量测实验10实验四：土体深层水平位移测实验13实验一 基桩的低应变动测实验一、实验目的基桩的低应变动测就是通过对桩顶施加激振能量，引起桩身及周围土体的微幅振动，同时用仪表量测和记录桩顶的振动速度和加速度，利用波动理论或机械阻抗理论对记录结果加以分析。从而达到检验桩基施工质量、判断桩身完整性、判定桩身缺陷程度及位置等目的。本实验主要介绍在工程中应用比较广泛的反射波法。了解基桩的低应变试验原理和试验方法，熟悉试验设备的安装方法和仪器的使用方法，掌握测试成果的分析和桩身完整性的判定方法。二、基本原理埋设于地下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： (1)式中 ux方向位移(m)； c桩身材料的纵波波速(m/s)。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将会发生反射和透射，用记录仪记录下反射波在桩身中的传播的波形,通过对反射波曲线特征的分析即可对桩身的完整性、缺陷的位置进行判定，并对桩身混凝土的强度进行评估。三、仪器设备用于反射波法桩基动测的仪器一般有传感器、放大器、滤波器、数据处理系统以及激振设备和专用附件等。1 传感器 传感器是反射波法桩基动测的重要仪器，传感器一般可选用宽频带的速度或加速度传感器。速度传感器的频率范围宜宽为 10Hz500Hz，灵敏度应高于300mv/cm/s。加速度传感器的频率范围宜为 1Hz10kHz，灵敏度应高于100mv/g。2 放大器 放大器的增益应大于60dB，长期变化量小于1%，折合输入端的噪声水平应低于3v，频带宽度应宽于1Hz20kHz，滤波频率可调。模数转换器的位数至少应为8bit，采样时间间隔至少应为501000s，每个通道数据采集暂存器的容量应不小于1kbit多通道采集系统应具有良好的一致性，其振幅偏差应小于3%，相位偏差应小于0.1ms。3 激振设备 激振设备应有不同材质、不同重量之分，以便于改变激振频谱和能量，满足不同的检测目的。目前工程中常用的锤头有塑料头锤和尼龙头锤，它们激振的主频分别为2000Hz左右和1000Hz左右；锤柄有塑料柄、尼龙柄、铁柄等，柄长可根据需要而变化。一般说来，柄越短，则由柄本身振动所引起的噪声越小，而且短柄产生的力脉冲宽度小、力谱宽度大。当检测深部缺陷时，应选用柄长、重的尼龙锤来加大冲击能量；当检测浅部缺陷时，可选用柄短、质轻的尼龙锤。反射波法检测基桩质量的仪器布置如图2所示。图1 反射波检测基桩质量仪器布置1手锤 2桩 3传感器 4桩基分析仪 5显示器四、操作步骤1 对被测桩头进行处理，凿去浮浆，平整桩头，割除桩外露的过长钢筋；2 接通电源，对测试仪器进行预热，进行激振和接收条件的选择性试验，以确定最佳激振方式和接收条件；3 对于灌注桩和预制桩，激振点一般选在桩头的中心部位；对于水泥土桩，激振点应选择在1/4桩径处。传感器应稳固地安置于桩头上，为了保证传感器与桩头的紧密接触，应在传感器底面涂抹凡士林或黄油。当桩径较大时，可在桩头安放两个或多个传感器；4 为了减少随机干扰的影响，可采用信号增强技术进行多次重复激振，以提高信噪比；5 为了提高反射波的分辨率，应尽量使用小能量激振并选用截止频率较高的传感器和放大器；6 由于面波的干扰，桩身浅部的反射比较紊乱，为了有效地识别桩头附近的浅部缺陷，必要时可采用横向激振水平接收的方式进行辅助判别；7 每根试桩应进行35次重复测试，出现异常波形应立即分析原因，排除影响测试的不良因素后再重复测试，重复测试的波形应与原波形有良好的相似性。五、试验结果1 确定桩身混凝土的纵波波速桩身混凝土纵波波速可按下式计算： (2)C 桩身纵波波速(m/s)；L 桩长(m)； tr 桩底反射波到达时间(s)。2 评价桩身质量反射波形的特征是桩身质量的反应，利用反射波曲线进行桩身完整性判定时，应根据波形、相位、振幅、频率及波至时刻等因素综合考虑，桩身不同缺陷反射波特征如下；(1)完整桩的波形特征 完整性好的基桩反射波 具有波形规则、清晰、桩底反射波明显、反射波至时间容易读取、桩身混凝土平均纵波波速较高的特性，同一场地完整桩反射波形具有较好的相似性。如图2所示。图2 完整桩的波形特征(2)离析和缩颈桩的波形特征 离析和缩颈桩桩身混凝土纵波波速较低，反射波幅减少，频率降低。如图3所示。图3 离析和缩颈桩的波形特征(3)断裂桩的波形特征 桩身断裂时其反射波到达时间小于桩底反射波到达时间，波幅较大，往往出现多次反射，难以观测到桩底反射，如图4所示。图4 断裂桩的波形特征3 确定桩身缺陷的位置与范围桩身缺陷离开桩顶的位置L由下式计算： (3)式中 L桩身缺陷的位置(m)； tr桩身缺陷的部位反射波至时间(s)；0 场地范围内桩身纵波波速平均值(m/s)。桩身缺陷范围是指桩身缺陷沿轴向的经历长度，如图5所示。桩身缺陷范围可按下面的方法计算： (4)式中 l桩身缺陷的位置(m)； t桩身缺陷的上、下面反射波至时间差(s)；桩身缺陷段纵波波速(m/s)。可由表1确定。缺陷类别离析断层夹泥裂缝空间缩颈纵波速度/ms-1150027008001000600正常纵波速度表1 桩身缺陷段纵波速度图5 桩身缺陷的位置和范围4 推求桩身混凝土强度推求桩身混凝土强度是反射波法基桩动测的重要内容，桩身纵波波速与桩身混凝土强度之间的关系受施工方法、检测仪器的精度、桩周土性等因素的影响，根据实践经验，表2中桩身纵波波速与桩身混凝土强度之间的关系比较符合实际，效果较好。表2 混凝土纵波波速与桩身强度关系混凝土纵波波速/ ms-1混凝土强度(等级)4100C3537004100C3035003700C2525003500C202700C20六、成果记录表格低应变动测试验成果表工程名称： 工程地点： 测试方式： 测试时间： 桩 型： 桩 径： 砼 强 度： 成桩方式： 序号桩号桩径实测桩长(m)实测波速(m/s)桩身完整性评价类别测试： 记录： 计算： 审核： 实验二 土压力量测实验一、实验目的土压力是土体传递给挡土构筑物的压力。土压力量测就是测定土压力大小及其变化速率，以便判定土体的稳定性。通过实验熟悉土压力量测的原理和测试方法，掌握土压力盒的埋设方法和频率计的使用方法，掌握测试成果的整理方法。二、基本原理土压力盒在一定压力作用下，其传感面(即薄膜)向上微微鼓起，引起钢弦伸长，钢弦在未受压力时具有一定的初始频率，当拉紧以后，它的频率就会提高。作用在薄膜上的压力不同，钢弦被拉紧的程度不一样，测量得到的频率因而也发生差异。可根据测到的不同频率来推算出作用在薄膜上的压力大小，即为土压力值。采用频率仪测得土压力盒的频率后，根据标定的“压力频率”标定曲线求得的率定常数求得土压力值。从而换算出土压力盒所受的总压力，其计算公式如下： (1)式中 p作用在土压力盒上的总压力( kPa)； k压力计率定常数(kPa/Hz2)； f0压力计零压时的频率(Hz)；f压力计受压后的频率(Hz)。 三、仪器设备通常采用在量测位置上埋设压力传感器来进行。土压力传感器工程上称之为土压力盒，常用的土压力盒有钢弦式和电阻式。在现场监测中，为了保证量测的稳定可靠，多采用钢弦式，本实验主要介绍钢弦式土压力盒。目前采用的钢弦式土压力盒，可分为竖式和卧式两种。图1所示的为卧式钢弦压力盒的构造简图，其直径为100150mm，厚度为2050mm。薄膜的厚度视所量测的压力的大小来选用2mm至3.1mm不等，它与外壳用整块钢车成的，钢弦的两端夹紧在支架上，弦长一般采用70mm。在薄膜中央的底座上，装有铁芯及线圈，线圈的两个接头与导线联接。图1 卧式钢弦压力盒构造1弹性薄膜；2钢弦柱；3钢弦；4铁芯；5线圈；6盖板；7密封塞；8电缆；9底座；10外壳1钢弦式土压力盒主要技术指标分辨率：0.2%FS；重复性：0.5%FS；非线性度：2%FS；温度漂移：34HZ/100C；零点漂移：35HZ/3个月；温度范围：-10+500C；综合误差：2.5%FS。2 土压力盒标定土压力盒在使用之前必须进行标定，绘制压力频率标定曲线，如图2所示；同时，也可以确定出不同使用条件或不同标定条件下的误差关系。标定应该在与其使用条件相似的状态下进行。标定可分为静态标定和动态标定，两者又可分为气压、液压（油标）和土介质(砂标)中等标定方法。图2 土压力盒标定曲线1一水标曲线； 2一砂标曲线四、土压力盒埋设方法1. 墙体接触土压力量测土中土压力盒埋设通常采用钻孔法。先在预定埋设位置采用钻机钻孔，孔径大于压力盒直径，孔深比土压力盒埋设深度浅50cm，把钢弦式土压力盒装入特制的铲子内，如图3所示，然后用钻杆把装有土压力盒的铲子徐徐放至孔底，并将铲子压至所需标高。图3 铲式土压力盒2. 基底接触土压力量测(1) 土压力盒宜埋在砂垫层下面。埋设时，应将埋设处地基土仔细削平，铺一层经过分选、粒径均匀的细砂或粘土，使压力分布均匀，最后使压力计就位。当土压力盒上方不是粘土或细砂时，土压力盒上部回填5cm左右厚度的细砂或粘土。其余回填土应与周围土体一致。(2) 埋设时及填土初期，还要防止土压力盒偏斜，偏斜会使实测值偏小。(3) 测头埋入土中后进行观测，确认其工作正常后，方可进行填土施工。(4) 在大气中测量初始频率，并记录现场温度和大气压力值。五、操作步骤常用振弦读数仪测读土压力盒的自振频率，由频率换算成土压力。其操作方法如下：1.打开电源开关，检查“欠压指示灯”是否闪亮；如闪亮，说明电池电量不够，须更换电池后再行检测。2.将“功能选择”开关拨到所需检测位置，进入待测状态。3.接入土压力盒，即可进入检测状态。4.待观测值稳定后方可读数，把测读的频率读数记录在表格内，再进行下一个读数。根据换算出的土压力盒所受的压力，扣除孔隙水压力后，得到实际的土压力值。并可绘制土压力随时间变化图及随深度的分布曲线。六、成果记录表格土压力观测记录表工程名称： 编号/埋深(m)： 率定系数k： 初始频率f0( Hz)： 观测日期观测时间f（Hz）p（kPa）p（kPa）备 注记录：计算：审核：注： 七、注意事项1. 在埋设及测量过程中，土压力盒及读数仪应避免冲击。2. 对导线接头质量及密封性应予充分注意，以防接头处渗水造成传感器失效。3. 在将电缆引出时，应预留一定的电缆，以防因不均匀沉降造成电缆被拉断。实验三 孔隙水压力量测实验一、实验目的孔隙水压力是一个关键的土工参数。土体的变形和强度与土中有效应力有关。但目前尚无直接的方法测量土中有效压力，因此只能通过测定土中的总应力和相应的孔隙水压力来求得有效应力。孔隙水压力常作为工程施工中的一个监控参数，在实际工程中有着特别重要的意义。通过实验熟悉孔隙水压力量测的原理和测试方法，掌握孔隙水压力计埋设方法和频率计的使用方法，掌握测试成果的整理方法。二、基本原理孔隙水压力计的工作原理是：土体中的有压孔隙水，通过测头透水石汇集到承压腔，作用于压力薄膜上，压力薄膜受力产生挠曲变形，引起装在薄膜上的钢弦应力变化，随之引起钢弦自振频率的改变，用频率仪测定钢弦的频率大小，孔隙水压力与钢弦频率间有如下关系： (1)式中 u孔隙水压力 (kPa)； k 孔隙水压力计率定常数(kPa/Hz2)，其数值与承压膜和钢弦的尺寸及材料性质有关，由室内标定给出； f0测头零压力(大气压)下的初始频率(Hz)；f 测头受压后的频率(Hz)。 三、仪器设备 孔隙水压力计可分为水管式、钢弦式、差动电阻式和电阻应变片式等多种类型，钢弦式结构牢固，长期稳定性好，不受埋设深度的影响，施工干扰小，埋设和操作简单。国内外多年使用经验表明，它是一种性能稳定、监测数据可靠的较为理想的孔隙水压力计。本实验主要介绍钢弦式孔隙水压力计。钢弦式孔隙水压力计由测头和电缆组成。 (1).钢弦式孔隙水压力计 钢弦式测头主要由透水石、压力传感器构成。透水石材料一般用氧化硅或不锈金属粉末制成，采用圆锥形透水石以便于钻孔埋设。钢弦式压力传感器由不锈钢承压膜、钢弦、支架、壳体和信号传输电缆构成，如图1所示,其构造是将一根钢弦的一端固定于承压膜中心处，另一端固定于支架上，钢弦中段旁边安装一电磁圈，用以激振和感应频率信号，张拉的钢弦在一定的应力条件下，其自振频率随之发生变化。土孔隙中的有压水通过透水石，作用于承压膜上，使其产生挠曲变化而引起钢弦的应力发生变化，钢弦的自振频率也相应发生变化。由钢弦自振频率的变化，可测知孔隙水压力的变化。(2).电缆电缆通常采用氯丁橡胶护套，或聚氯乙烯护套二芯屏蔽电缆。电缆要能承受一定的拉力，以免因地基沉降而被拉断；要能防水绝缘。图1 钢弦式孔隙水压力计构造1一屏蔽电缆；2一盖帽；3一壳体；4一支架；5一线圈；6一钢弦；7一承压膜；8一底盖；9一透水体；10一锥头四、孔隙水压力计埋设方法孔隙水压力计埋设前应首先将透水石放入纯净的清水中煮沸2小时，以排除其孔隙内气泡和油污。煮沸后的透水石需浸泡在冷开水中，测头埋设前，应量测孔隙水压力计在大气中测量初始频率，然后将透水石在水中装在测头上，在埋设时应将测头置于有水的塑料袋中连接于钻杆上，避免与大气接触。现场埋设方法有钻孔法和压人法。 1 .钻孔埋设法。在埋设地点用钻机成孔，达到要求深度后，先向孔底填入部分干净砂，将测头放入孔内，再在测头周围填砂，然后用膨胀性粘土将钻孔全部封严即可。原则上一个钻孔只能埋设一个探头，但为了节省钻孔费用，也有在同一钻孔中埋设多个位于不同标高处的孔隙水压力计，在这种情况下，每个孔隙水压力计之间的间距应不小于1m，并且需要采用干土球或膨胀性粘土将各个探头进行严格相互隔离，否则达不到测定各层土层孔隙水压力变化的目的。钻孔埋设法使得土体中原有孔隙水压力降低为零，同时测头周围填砂，不可能达到原有土的密度，势必影响孔隙水压力的量测精度。 2. 压入埋设法。若地基土质较软，可将测头缓缓压入土中的要求深度，或先成孔到预埋深度以上1.0m左右，然后将测头向下压入至埋设预埋深度，钻孔用膨胀性粘土密封。采用压入埋设法，土体局部仍有扰动，引起的超孔隙水压力较大，也影响了需测的孔隙水压力值的精度。五、操作步骤常用振弦读数仪测读孔隙水压力计的自振频率，由频率换算成孔隙水压力。其操作方法如下：1.打开电源开关，检查“欠压指示灯”是否闪亮；如闪亮，说明电池电量不够，须更换电池后再行检测。2.将“功能选择”开关拨到所需检测位置，进入待测状态。3.接入孔隙水压力计，即可进入检测状态。4.待观测值稳定后方可读数，把测读的频率读数记录在表格内，再进行下一个读数。根据换算出的孔隙水压力绘制孔隙水压力随时间的变化图及随深度的分布曲线。六、成果记录表格孔隙水压力观测记录表工程名称： 编号/埋深(m)： 率定系数k： 初始频率f0( Hz)： 观测日期观测时间f（Hz）u（kPa）u（kPa）备 注记录：计算：审核：注： 七、注意事项1. 在埋设及测量过程中，孔隙水压力测头及读数仪应避免冲击。2. 对导线接头质量及密封性应予充分注意，以防接头处渗水造成传感器失效。3. 在将电缆引出时，应预留一定长度的电缆，以防因不均匀沉降造成电缆被拉断。4. 透水石从煮沸至埋设的全过程中不能露出水面。实验四 土体深层水平位移测实验一、实验目的土体和围护结构的深层水平位移通常采用钻孔测斜仪测定，当被测土体产生变形时，测斜管轴线产生挠度，用测斜仪测量测斜管轴线与铅垂线之间夹角的变化量，从而获得土体内部各点的水平位移。 通过实验掌握土体深层水平位移监测的原理和测试方法，熟悉测斜管的埋设方法和测斜仪的使用方法，掌握测试成果的整理方法。二、基本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倾角q ，进而计算各测段位置的水平位移，如图1所示。 由测斜仪测得第i测段的Dei，换算得该测段的测斜管倾角q i，则该测段的水平位移di为： (1) (2)式中 第i测段的水平位移(mm)；li第i测段的管长，通常取为0.5m、1.0m； 第i测段的倾角值()；f 测斜仪率定常数；Dei测头在第i测段正、反两次测得的应变读数差之半。基准点可设在测斜管的管顶或管底。若测斜管管底进入基岩或较深的稳定土层时，则以管底作为基准点。对于测斜管底部未进入基岩或埋置较浅时，可以管顶作为基准点，每次测量前须用经纬仪或其他手段确定基准点的坐标。当测斜管管底进入基岩或足够深的稳定土层时，则可认为管底不动，作为基准点(图2a)，从管底向上计算第n测段处的总水平位移： (3)当测斜管管底未进入基岩或埋置较浅时，可以管顶作为基准点 (图2b)，实测管顶的水平位移，并由管顶向下计算第n测段处的总水平位移： (4)图6-15 倾斜角与区间水平变位1一导管；2一测头 3一电缆由于测斜管在埋设时不可能使得其轴线为铅垂线，测斜管埋设好后，总存在一定的倾斜或挠曲，因此，各测段处的实际总水平位移应该是各次测得的水平位移与测斜管的初始水平位移之差，即： 管底作为基准点 (5) 管顶作为基准点 (6)式中 第i测段的初始倾角值() ；测斜管可以用于测单向位移，也可以测双向位移，测双向位移时，可由两个方向的位移值求出其矢量和，得位移的最大值和方向。测斜管铅垂线基准点测斜管铅垂线基准点(a)(b)图2 测斜管基准点三、仪器设备 测量深层水平位移的仪器，通常采用测斜仪。测斜仪分固定式和活动式两种。目前普遍采用活动式测斜仪，该仪器只使用一个测头，即可连续测量，测点数量可以任选。测斜仪主要有测头、测读仪、电缆和测斜管四部分组成。1.测头 目前常用的测头有伺服加速度计式和电阻应变计式。伺服加速度计式测头是根据检测质量块因输入加速度而产生惯性力与地磁感应系统产生的反馈力相平衡，通过感应线圈的电流与反力成正比的关系测定倾角。该类测斜探头灵敏度和精度较高。电阻应变式测头的工作原理是用弹性好的铜簧片下悬挂摆锤，并在弹簧片两侧粘贴电阻应变片，构成全桥输出应变式传感器。弹簧片构成等应变梁，在弹簧弹性变形范围内通过测头的倾角变化与电阻应变读数间的线性关系测定倾角。2.测读仪 有携带式数字显示应变仪和静态电阻应变仪等。3.电缆 采用有长度标记的电缆线，且在测头重力作用下不应有伸长现象。通过电缆向测头提供电源，传递量测信号，量测测点到孔口的距离，提升和下放测头。 4.测斜管 测斜管有铝合金管和塑料管两种(图3)，长度每节24米，管径有60mm、70mm、90mm等多种不同规格，管段间由外包接头管连接，管内有两组正交的纵向导槽，测量时测头在一对导槽内可上下移动，测斜管接头有固定式和伸缩式两种，测斜管的性能是直接影响测量精度的主要因素。导管的模量既要与土体的模量接近，又要不因土压力而压扁导管。图 3 测斜管断面a铝管 b塑料管四、测斜管埋设方法测斜管的埋设有两种方式：一种是绑扎预埋式，另一种是钻孔后埋设。1.绑扎埋设主要用于桩墙体深层挠曲测试，埋设时将测斜管在现场组装后绑扎固定在桩墙钢筋笼上，随钢筋笼一起下到孔槽内，并将其浇筑在混凝土中，随结构的加高同时接长测斜管。浇筑之前应封好管底底盖，并在测斜管内注满清水，以防止测斜管在浇筑混凝土时浮起和水泥浆渗入管内。2.钻孔埋设首先在土层中预钻孔，孔径略大于所选用测斜管的外径，然后将测斜管封好底盖逐节组装逐节放人钻孔内，并同时在测斜管内注满清水，直到放到预定的标高为止。随后在测斜管与钻孔之间空隙内回填细砂，或水泥和粘土拌合的材料固定测斜管，配合比取决于土层的物理力学性质。 3.为了消除导管周围土体变形对导管产生负摩擦的影响，还可在管外涂润滑剂等。4.在可能的情况下，应尽量将导管底埋入硬层，作为固定端。否则导管顶端应校正。5.测斜管埋设完成后，需经过一段时间使钻孔中的填土密实，贴紧导管。并测量测斜管导槽的方位、管口坐标及高程。6.要及时做好测斜管的保护工作，如在测斜管外局部设置金属套管加以保护，测斜管管口处砌筑窨井，并加盖。五、操作步骤1.将电缆线与测读仪连接，测头的感应方向对准水平位移方向的导槽，自基准点管顶或管底逐断向下或向下，每50cm或100cm测出测斜管的倾角。2. 测头放入测斜管底部静置23分钟,待测读仪读数稳定后，提升电缆线至欲测位置。每次应保证在同一位置上进行测读。3.将测头提升至管口处，旋转180，再按上述步骤进行测量。这样可消除测斜仪本身的固有误差。六、成果记录表格土体深层水平位移测记录表工程名称： 测量曰期： 年 月 日 位置： 仪器型号： 管口标高：标高(m)初测值观 测 值差值变化值 dd累计位移(mm)本次位移(mm)备 注正向负向测记： 复核： 技术负责： 七、注意事项1.测斜管连接部分应防止污泥进入，导管与钻孔壁之间用砂充填密实。2.为了避免测斜管的纵向旋转，采用凹凸式插入法，在管节连接时必须将上、下管节的滑槽严格对准，并用自攻螺丝固定使纵向的扭曲减小到最小程度。放入导管时，应注意十字形槽口应对准所测的水平位移方向。3.测斜仪属于精密仪器，应当轻拿轻放，特别是测头，测头中的传感器是石英挠性伺服加速度计，耐冲击0.1kg，在受到硬碰硬的撞击时，就可能损坏传感器。电阻应变式不得倒转存放或移动。4.量测时应保持前后两次测量的测点位置相同。