地下工程測試技術(shù)內(nèi)容提要

張蕾、丁祖德編寫的《地下工程測試技*(高等院校城市地下空間工程專業(yè)十三五規(guī)劃教材)》為“ 高等院校城市地下空間工程專業(yè)‘十三五’規(guī)劃教材 ”之一，書中內(nèi)容涵蓋地下空間工程在建設(shè)過程中所涉及的各種測試技*，主要針對施工過程中及后期監(jiān)測管理時可能使用的監(jiān)測檢測技*。

本書內(nèi)容主要包括緒論、地下工程測試和監(jiān)測技*基礎(chǔ)知識、基坑工程監(jiān)測技*、隧道施工監(jiān)測技*、軟土地基預(yù)壓處理方法監(jiān)測技*、邊坡工程監(jiān)測及樁基測試技*。

本書可用于城市地下空間工程專業(yè)、巖土工程專業(yè)教學(xué)使用，也可用于基坑、城市隧道與管線、軟弱地基預(yù)壓處理、邊坡及樁基等工程在施工過程中及工后對建筑物、管線及周邊環(huán)境的監(jiān)測檢測設(shè)計、施工、管理及科學(xué)研究等工作。

前言章 緒論 1.1 地下工程測試的目的、意義 1.2 地下工程測試的內(nèi)容 1.3 地下工程測試技*的現(xiàn)狀 1.4 地下工程測試技*的發(fā)展趨勢 1.5 地下工程測試人員應(yīng)具備的條件 1.6 本課程學(xué)習(xí)目的及要求2章 地下工程測試和監(jiān)測技*基礎(chǔ)知識 2.1 測試系統(tǒng)的組成 2.1.1 荷載系統(tǒng) 2.1.2 測量系統(tǒng) 2.1.3 信號處理系統(tǒng) 2.1.4 顯示和記錄系統(tǒng) 2.2 測試系統(tǒng)的基本原理與傳遞特性 2.2.1 概述 2.2.2 測試系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞特性 2.3 測試系統(tǒng)的誤差分析和測試系統(tǒng)的選擇 2.3.1 測試系統(tǒng)誤差 2.3.2 精度、精密度與準(zhǔn)確度 2.3.3 測試系統(tǒng)的選擇 2.4 傳感器原理 2.4.1 傳感器的定義、組成和分類 2.4.2 電阻式傳感器 2.4.3 電感式傳感器 2.4.4 電容式傳感器 2.4.5 鋼弦式傳感器 2.4.6 光纖傳感器 2.4.7 傳感器的選擇 2.4.8 傳感器的標(biāo)定 思考題3章 基坑工程監(jiān)測技* 3.1 基坑工程監(jiān)測目的和意義 3.2 基坑工程監(jiān)測原則和方案 3.2.1 監(jiān)測原則 3.2.2 監(jiān)測方案 3.3 監(jiān)測項目與監(jiān)測點的布置 3.3.1 監(jiān)測項目 3.3.2 監(jiān)測點布置 3.4 基坑工程監(jiān)測方法及儀器 3.4.1 *位移監(jiān)測 3.4.2 豎向位移監(jiān)測 3.4.3 深層*位移監(jiān)測 3.4.4 墻體和樁體的內(nèi)力監(jiān)測 3.4.5 錨桿(索)拉力監(jiān)測 3.4.6 *支撐內(nèi)力監(jiān)測 3.4.7 地下*位監(jiān)測 3.4.8 土壓力監(jiān)測 3.4.9 孑L隙*壓力監(jiān)測 3.4.1 0坑外土體分層豎向位移監(jiān)測 3.4.1 l建筑物傾斜監(jiān)測 3.4.1 2建筑物裂縫監(jiān)測 3.5 監(jiān)測頻率與監(jiān)測警戒值 3.5.1 監(jiān)測頻率 3.5.2 監(jiān)測警戒值 3.6 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及監(jiān)測報告 3.6.1 數(shù)據(jù)處理 3.6.2 監(jiān)測報告 思考題4章 隧道施工監(jiān)測技* 4.1 概述 4.1.1 隧道施工監(jiān)測的意義 4.1.2 隧道施工監(jiān)測的目的及要求 4.2 隧道施工監(jiān)測項目及方法 4.2.1 監(jiān)測項目 4.2.2 監(jiān)測方法 4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理與信息反饋 4.3.1 量測數(shù)據(jù)分析處理 4.3.2 監(jiān)控量測控制標(biāo)準(zhǔn) 4.3.3 監(jiān)控量測信息反饋 4.4 監(jiān)測組織與管理 4.4.1 監(jiān)測人員組織 4.4.2 監(jiān)測實施細(xì)則 4.4.3 監(jiān)測質(zhì)量保證體系 4.4.4 監(jiān)測報告 思考題5章 軟土地基預(yù)壓處理方法監(jiān)測技* 5.1 概述 5.2 預(yù)壓地基監(jiān)測的目的及監(jiān)測項目 5.2.1 監(jiān)測目的 5.2.2 監(jiān)測項目 5.3 堆載預(yù)壓法 5.3.1 堆載預(yù)壓工藝 5.3.2 堆載預(yù)壓施工監(jiān)測內(nèi)容 5.4 真空預(yù)壓法 5.4.1 真空預(yù)壓工藝 5.4.2 真空預(yù)壓施工監(jiān)測內(nèi)容 5.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理及監(jiān)測中的注意事項 5.5.1 監(jiān)測(檢測)成果報告內(nèi)容 5.5.2 預(yù)壓地基處理監(jiān)測中的注意事項 5.5.3 預(yù)壓地基周邊環(huán)境監(jiān)測 思考題6章 邊坡工程監(jiān)測 6.1 概述 6.1.1 邊坡工程監(jiān)測的意義和作用 6.1.2 邊坡監(jiān)測原則 6.1.3 邊坡監(jiān)測的主要內(nèi)容與方法 6.1.4 邊坡變形監(jiān)測技*的發(fā)展趨勢 6.2 邊坡地表變形監(jiān)測 6.2.1 設(shè)站觀測法 6.2.2 近景攝影測量法 6.2.3 自動化監(jiān)測網(wǎng) 6.3 邊坡表面裂縫量測 6.4 邊坡內(nèi)部變形監(jiān)測 6.4.1 簡單地下位移監(jiān)測 6.4.2 應(yīng)變管監(jiān)測 6.4.3 固定式鉆孑L測斜儀監(jiān)測 6.4.4 鉆孔伸長計監(jiān)測 6.4.5 活動式測斜儀監(jiān)測 6.5 邊坡變形量測資料的處理與分析 6.5.1 邊坡變形量測數(shù)據(jù)的預(yù)處理 6.5.2 邊坡變形狀態(tài)的判定 6.5.3 邊坡變形的預(yù)測分析 6.6 邊坡應(yīng)力監(jiān)測 6.6.1 邊坡內(nèi)部應(yīng)力測試 6.6.2 巖石邊坡地應(yīng)力監(jiān)測 6.6.3 邊坡錨固應(yīng)力測試 6.7 邊坡地下*監(jiān)測- 6.7.1 地下*位監(jiān)測 6.7.2 孔隙*壓力監(jiān)測 6.8 監(jiān)測方案設(shè)計 6.8.1 監(jiān)測設(shè)計的原則 6.8.2 測點布點原則 6.8.3 邊坡工程監(jiān)測周期與頻率 思考題7章 樁基測試技* 7.1 概述 7.1.1 樁基分類 7.1.2 樁基檢測程序 7.1.3 樁基承載力代表值與靜載試驗 7.2 單樁豎向抗壓靜載試驗 7.2.1 豎向受壓荷載作用下的單樁工作機理 7.2.2 試驗設(shè)備 7.2.3 試驗要求 7.2.4 試驗方法 7.2.5 試驗資料整理 7.2.6 單樁豎向抗壓承載力的確定 7.2.7 常見的單樁荷載一位移(Q—s)曲線 7.3 單樁豎向抗拔靜載試驗 7.3.1 豎向拉拔荷載作用下的單樁工作機理 7.3.2 試驗設(shè)備 7.3.3 試驗方法 7.3.4 試驗資料整理 7.3.5 單柱豎向抗拔承載力的確定 7.4 單樁*靜載試驗 7.4.1 *荷載作用下的單樁作機理 7.4.2 試驗設(shè)備 7.4.3 試驗方法 7.4.4 試驗步料整理 7.4.5 單樁*臨界荷載和極限荷載的確定 7.5 鉆芯法 7.5.1 試驗儀器 7.5.2 試驗方法 7.5.3 試驗準(zhǔn)備及芯樣的選取 7.5.4 芯樣加工及技*要求 7.5.5 試件抗壓強度試驗 7.5.6 試驗數(shù)據(jù)分析與判定 7.6 低應(yīng)變動力檢測法 7.6.1 一維彈性應(yīng)力波理論 7.6.2 檢測設(shè)備 7.6.3 檢測方法 7.6.4 檢測結(jié)果的應(yīng)用 7.7 高應(yīng)變動力檢測法 7.7.1 概述 7.7.2 CASE法 7.7.3 檢測設(shè)備 7.7.4 檢測方法 7.7.5 檢測報告 7.8 聲波透*法檢測 7.8.1 聲波法的基本原理 7.8.2 檢測設(shè)備 7.8.3 聲測管的布置方式 7.8.4 檢測方法 7.8.5 完整性判定 思考題 參考文獻2100433B

技術(shù)簡介

用量測元件和儀表研究地下結(jié)構(gòu)和圍巖相互作用的手段。它包括計劃、方法、量測儀表設(shè)備、數(shù)據(jù)處理和成果分析等方面的工作。其任務(wù)是對某一具體工程進行觀測和試驗，將量測數(shù)據(jù)進行分析，以評價圍巖的穩(wěn)定性和地下結(jié)構(gòu)的工作性能，為設(shè)計和施工提供資料；并在驗證和發(fā)展隧道及地下工程的設(shè)計理論，以及新的施工技術(shù)方面提供可靠的科學(xué)依據(jù)。測試包括現(xiàn)場量測和模型試驗兩個方面。

在工點實測圍巖性狀和動態(tài)，以及支護系統(tǒng)的工作特性。圍巖的各種地質(zhì)因素是復(fù)雜的，只有在坑道開挖過程中通過觀測和量測才能較真實地了解。

現(xiàn)場量測的作用　有下列四點：①及時掌握圍巖變化的動向和支護系統(tǒng)的受力情況，為驗證和修改設(shè)計提供信息；②根據(jù)量測資料，修正施工方案，指導(dǎo)施工作業(yè)。例如新奧法就是在施工中進行系統(tǒng)的量測，并將量測結(jié)果反饋到設(shè)計和施工中，逐步修改初步設(shè)計，以適應(yīng)圍巖條件；③預(yù)計工程事故和安全報警；④在地下結(jié)構(gòu)物運用期間進行長期觀測，收集和積累圍巖與支護系統(tǒng)長期共同工作的有關(guān)資料，并檢驗建筑物的可靠性。

現(xiàn)場量測內(nèi)容　主要包括：①巖土力學(xué)性能的現(xiàn)場試驗。指在現(xiàn)場進行直剪試驗、變形試驗和三軸強度試驗，以測定巖土的粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角、變形系數(shù)、彈性抗力系數(shù)（見土工試驗和現(xiàn)場原型觀測、巖體力學(xué)試驗和測試）。②隧道施工期間洞內(nèi)狀態(tài)觀測。隨著開挖工作面的推進及時測繪巖性、巖質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)情況的變化,觀測支護系統(tǒng)變形和破壞情況。③隧道(洞室）斷面變形量測。是量測洞壁的絕對位移和相對位移。如量測拱頂、拱腳、墻底的下沉量和底板隆起量，最大水平跨度的變化和洞壁其他兩測點的間距變化──收斂量測。根據(jù)位移量、位移速度及洞壁變形形態(tài)，評價圍巖的穩(wěn)定性，初期支護設(shè)計、施工的合理性，確定二次襯砌結(jié)構(gòu)斷面尺寸和修筑時間。斷面變形量測可采用精密經(jīng)緯儀或水準(zhǔn)儀、收斂計等進行。④圍巖應(yīng)變和位移量測。用量測錨桿和位移計進行。沿量測錨桿附上應(yīng)變計,在圍巖不同深度設(shè)置應(yīng)變測點,量出錨桿各測點的應(yīng)變并推算錨桿的軸力，亦可量出圍巖不同深度的相應(yīng)應(yīng)變。若同時在坑道周邊圍巖埋設(shè)多點位移計，可測出洞壁與圍巖測點之間和圍巖各測點相互間的相對位移。從圍巖應(yīng)變和位移量測，可估計隧道周邊的圍巖松動范圍，并校核錨桿的設(shè)計參數(shù)。⑤支護系統(tǒng)和襯砌結(jié)構(gòu)受力情況量測。通過埋設(shè)應(yīng)變計或壓力傳感器，了解支護系統(tǒng)和襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力，以及圍巖和支護系統(tǒng)或襯砌界面之間接觸應(yīng)力的大小和分布。此外，還可在隧道施工前或施工初期進行錨桿抗拔試驗，以確定錨桿的合理長度和錨固方式。⑥地表沉陷量測。是淺埋隧道必不可少的項目。地表沉陷量與覆蓋土石的厚度、工程地質(zhì)條件、地下水位，以及周圍建筑物等有關(guān)。它的測點布置宜和隧道斷面變形量測在同一個試驗段，一般都應(yīng)超前于開挖工作面布置測點進行量測。⑦地層彈性波速度測定。量測彈性波在巖土中的傳播速度。在彈性體上施加一個瞬間的力，其內(nèi)則產(chǎn)生動應(yīng)力和動應(yīng)變，使施力點（震源）周圍的質(zhì)點產(chǎn)生位移,并以波的形式向外傳播,形成了彈性波。其傳播速度與介質(zhì)密度、彈性常數(shù)有關(guān)。彈性波可分為縱波（p波）和橫波（s波）。它們的傳播速度公式為

式中為縱波波速；為橫波波速；為動彈性模量；μ為動泊松比；為巖土的密度。

由于巖土中的各種物理因素的改變（如巖土的性質(zhì)、密度、裂縫等）都會引起彈性波傳播特性（波速、波幅、頻率）的變化。因此，可在巖土中用測定彈性波傳播速度方法推斷巖土的動彈性模量，巖土強度、層位和構(gòu)造，坑道周邊圍巖松動范圍等。按激振的頻率，彈性波測定可分為地震法（幾十到幾百赫）、聲波法（幾千到20千赫）和超聲波法（超過20千赫）。隧道和地下工程中常采用聲波法。根據(jù)測點的布置，可分為單孔法（也稱下孔法）和雙孔法（也稱跨孔法）。通過聲波儀測出聲波在巖土中由發(fā)射探頭到接受探頭的時間，就可算出波速（見工程地球物理勘探）。

除上述內(nèi)容外,必要時還可對其他參數(shù)(如地溫、濕度、洞內(nèi)風(fēng)速、空氣中粉塵及有害氣體的含量等環(huán)境因素的參數(shù))進行測定。

在選用實現(xiàn)上述量測內(nèi)容的各種量測儀表和元件時，必須使它們能適應(yīng)地下坑道工作場地狹窄、潮濕、多塵的條件，并要滿足較長期使用的效能。

在制定現(xiàn)場量測計劃時，要根據(jù)隧道（地下工程）的用途和工程規(guī)模、地質(zhì)資料、現(xiàn)場環(huán)境及各測量項目的作用，考慮到工點所需解決的問題和量測計劃的經(jīng)濟效益，選擇合理的量測項目。隧道施工期間，洞內(nèi)狀態(tài)的觀測是日常施工管理所必須進行的項目，是修改設(shè)計和施工方法的主要依據(jù)，需要細(xì)心觀察和測量，并應(yīng)按要求格式將量測資料整理記錄存檔。此外，洞壁變形是由圍巖應(yīng)變與位移引起圍巖動態(tài)變化的集中表現(xiàn)，它反映了圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同工作的受力特性。因此，隧道（洞室）斷面變形量測是非常重要的，是施工監(jiān)控的必測項目。

在施工期進行施測時,應(yīng)根據(jù)各項量測值的變化,各量測項目的相互關(guān)系等，并結(jié)合開挖后圍巖的實際情況進行綜合分析，將所得結(jié)論和推斷及時反饋到設(shè)計和施工中去，以確保工程的安全和經(jīng)濟，并供今后的類似工程參考應(yīng)用。

用某些材料仿照原型（真實隧道襯砌結(jié)構(gòu),或包括結(jié)構(gòu)周圍一定范圍的巖土介質(zhì)）制作模型,進行室內(nèi)試驗，是研究隧道及地下結(jié)構(gòu)受力機理的一種手段。由于模型試驗?zāi)苓M行破壞性試驗，它不僅能了解支護和襯砌結(jié)構(gòu)在不斷增長的荷載作用下變形的發(fā)展過程，而且能了解它的極限承載能力和破壞形態(tài)，同時模型比原型小，能節(jié)約材料、勞力和時間，又避免了施工干擾。模型試驗一般包括模型的設(shè)計、制作、測試、以及成果分析和總結(jié)等。

若在靜力場中選定應(yīng)力相似常數(shù)Cσ=σ/σ=1（式中 σ為模型應(yīng)力；σ為原型應(yīng)力），則其相應(yīng)的單位面力量綱的物理量之比都等于1,如彈性模量、抗壓強度等。這樣采用原型材料作模型材料，或用和原型材料性質(zhì)相近的材料制作模型，都可以進行超出彈性范圍直到破壞的試驗。

模型材料　制作模型的材料應(yīng)達(dá)到下述要求：①物理力學(xué)性能和原型材料相似。若進行圍巖和襯砌的共同工作或圍巖的破壞情況的試驗，應(yīng)特別注意滿足強度相似關(guān)系。②物理力學(xué)性能穩(wěn)定，不隨大氣溫度、濕度變化而有較大的改變。③滿足量測要求。如模型的變形量易于測出，而且能保證精度。④制模成型方便，凝固時間短，成本低。

通常采用同等強度的細(xì)石子混凝土，或用石膏來模擬原型混凝土或噴射混凝土。模擬襯砌周圍的巖土，常為混合料，由膠結(jié)材料（如石膏、石蠟、凡士林等）和骨科（如砂等）組成。

模型施測　在專門的加載裝置中進行，如立式靜力臺架（圖1）、臥式靜力臺架（見彩圖）和爆炸動荷載試驗用的模爆器專用設(shè)備等。

隧道及地下工程測試技術(shù)隧道及地下工程測試技術(shù)

對模型施加的荷載可分為靜荷載、動荷載和自重荷載。靜荷載多采用千斤頂加壓，也有用液壓囊和杠桿加載的。動荷載可施加沖擊荷載、炸藥爆破，或采用激振器等方式。

靜荷載試驗量測項目主要是模型指定部位的應(yīng)變、位移和壓力。動荷載試驗要測的動參數(shù)有振幅、頻率（或頻率譜）、速度、加速度和動變形等。根據(jù)試驗的目的，在模型上布置測點，各類測點安置相應(yīng)的傳感器（如位移傳感器、加速度傳感器等）。室內(nèi)試驗時更有條件將各測點接到測量控制臺，用磁帶進行系統(tǒng)量測記錄，并用電子計算機進行處理。

光彈模型試驗　研究隧道與圍巖處于彈性范圍的應(yīng)力分布狀況，還可采用光測彈性法或激光全息光彈法。光測彈性法是將一些透明的材料（環(huán)氧樹脂、賽璐珞、玻璃等）做成模型。利用偏振光測定在荷載作用下模型中彈性變形的應(yīng)力。這是由于模型在偏振光場中，能得到具有明暗相間條紋的應(yīng)力光圖（圖2）,即得到等差線和等傾線，再根據(jù)模型材料的應(yīng)力光學(xué)常數(shù)及模型厚度，可推算各處的最大剪應(yīng)力值及其主應(yīng)力方向，從而得到模型的應(yīng)力分布狀況。用激光全息光彈法，既能作等差線和等傾線，又能作等和線，并用全息攝影記錄（見材料力學(xué)實驗）。用光測法測定非連續(xù)介質(zhì)和塑性狀態(tài)的應(yīng)力情況的試驗工作也正在發(fā)展。

隧道及地下工程測試技術(shù)

主要包括：①確定所量得的物理量的具體數(shù)值，即誤差分析。找出最接近真值的代表數(shù)據(jù)，并鑒定它的精度。②求出有關(guān)物理量的數(shù)量關(guān)系，即建立試驗公式或經(jīng)驗公式──回歸分析，從而將量測結(jié)果反饋到設(shè)計、施工和理論研究中去。

采用模型試驗和現(xiàn)場量測，對同一研究任務(wù)可以互相對照比較，起到更好的效果。2100433B

《地下工程測試技術(shù)》內(nèi)容包括試驗與監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)知識、電阻應(yīng)變測量技術(shù)、巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗、基坑工程施工監(jiān)測、地下洞室圍巖和支護系統(tǒng)施工監(jiān)測，以及地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)和地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用。書中從實用方面出發(fā)，將理論與現(xiàn)代新技術(shù)、新方法相結(jié)合，詳細(xì)介紹了各種監(jiān)測項目的原理、方法、測點布設(shè)及監(jiān)測要求等，著重解決實際工程技術(shù)問題。

《地下工程測試技術(shù)》為高等學(xué)校土木工程、交通工程等專業(yè)的教學(xué)用書，也可供研究生和有關(guān)工程技術(shù)人員參考。

第1章 試驗與監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)知識

1．1 測試系統(tǒng)的組成和特性

1．2 測試系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞特性

1．3 傳感器原理

1．4 鋼弦式傳感器的工作原理、使用與標(biāo)定

1．5 測試系統(tǒng)選擇的原則與標(biāo)定

第2章 電阻應(yīng)變測量技術(shù)

2．1 電阻應(yīng)變片的原理、類型及性能參數(shù)

2．2 電阻應(yīng)變片的選用及粘貼工藝

2．3 測量電路、溫度補償及應(yīng)變片布置、接橋方式

2．4 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

第3章 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗

3．1 巖石的物理性質(zhì)

3．2 巖塊變形性質(zhì)測試

3．3 巖塊強度性質(zhì)測試

3．4 巖體力學(xué)性質(zhì)測試

第4章 基坑工程施工監(jiān)測

4．1 概述

4．2 監(jiān)測儀器和方法

4．3 監(jiān)測方案設(shè)計

4．4 監(jiān)測報表、曲線與報告

第5章 地下洞室圍巖和支護系統(tǒng)施工監(jiān)測

5．1 地下洞室施工

5．2 地下洞室監(jiān)測目的與項目

5．3 現(xiàn)場量測計劃

5．4 地下洞室監(jiān)控量測方法

5．5 量測數(shù)據(jù)處理與反饋

第6章 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)及其在隧道工程中的應(yīng)用

6．1 概述

6．2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)基本理論

6．3 地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場工作設(shè)計

6．4 雷達(dá)資料數(shù)字處理與地質(zhì)解釋

6．5 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用

6．6 隧道襯砌檢測與探測的典型圖像

第7章 地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用

7．1 概述

7．2 地震反射波法地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)

7．3 紅外探測地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)

7．4 地下全空間瞬變電磁地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)

7．5 聲波探測地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)

7．6 地質(zhì)超前預(yù)報應(yīng)用實例

參考文獻2100433B