地下结构试验与测试技术总结文档格式.docx

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（二）工程类型

地面工程与地下工程

地下工程与地面工程区别：

（1）作用体系的区别

地面工程一般只与地基相互作用。

因此，除了地基探测和基础设计外，结构可以看成是一个空间自由状态的作用体系；

而地下工程则与周围地层有密切的关系，属于二者共同作用的体系。

（2）外荷的区别

地面工程所受的外荷一般说来是已知的，明确的；

而地下工程，从力学上看，处于与围岩相互作用的体系之中；

从地质上，看处于千变万化的地质体之中。

地面工程与地下工程在工程试验测试中以下内容是相同的：

（1）外荷的测试，又可称为压力测试。

（2）内力的测试，包括正应力、剪应力、弯矩和扭矩等形式。

（3）位移的测试，包括相对位移、绝对位移等。

本课程的研究对象是地下工程的静态试验和静力测试技术。

1.3一些基本概念

在工程试验中遇到的力学量，如压力、应力、位移等，都属于非电量的物理量。

对这些非电量进行测试，有两种方法：

一种是直接测试法，另一种就是非电量的电测法。

非电量电测法原理：

先将非电量通过传感器转换成某一种电量（例如电压、电流、感生电动势，电感等等），这种电量经接收仪的放大（或不放大）而得到读数，这种读数经事先与所测非电量的共同率定而还原为非电量数值。

一次仪表：

在电测法中，放置在被测物体上，或埋设在被测物体内，将非电量转换成电量的仪表。

二次仪表：

接收从一次仪表传输过来的电量讯号，经过（或不经过）放大，然后显示读数的仪表，二次仪表又称为接收仪或测试仪器。

率定：

任何测试元件都是由某一种原理（电学的或机械的）制成的，用它来感受和测换某一个力学量。

但是，它被仪器所直接读出来的数值不是我们所测力学量的度量单位（例如毫米、公斤等）数值，为了得到所测力学量的实际数值，必须把仪器读出的数值与要求测到的力学量建立对应关系。

有了这个对应关系，就可以从测读的数值推求出被测的力学量。

率定是任何测试元件和测试仪器都要进行的工作。

误差：

误差＝力学量的测定值－力学量的真值

实际上真值无法得到，但是当进行多次重复测试时，可得到测定值的算术平均值，将它近似地看作是真值。

此时的误差为偶然误差。

我们在测试中讨论的也就是偶然误差的数值：

偶然误差＝测定值－算术平均值

造成测试误差的原因：

外界环境影响、仪器和元件的影响、人为因素的影响等三个方面。

减小测试误差的措施：

①要克服测读仪器时所造成的误差，某一组数据要由指定的一名熟练人员测读；

②要尽量在一致的外界条件下测读，在无法做到时，要进行不同外界条件的校正测试，以对读数进行修正；

③提高仪器和元件的精度

精度：

某种仪器测定一个力学量的读数精确程度。

如千分表和百分表

灵敏度：

表示输出的信息与输入的信息之间的相对关系。

对于测试元件来说，所谓灵敏度高，指的是用相等的被测外界量作用，该元件输出的电量比别的灵敏度低的元件高。

对于接收仪器来说，所谓灵敏度高，指的是同样一个微弱的输入电量在表头上的读数值比别的灵敏度低的仪器上读数值大。

稳定性：

测试元件和仪器在相当长时间（该时间的长短取决于试验性质）的测试中，环境条件和其它因素（除力学量以外）对它影响的大小。

也就是它们在长时间工作中读数是否正常。

一般情况，稳定性包括两方面的内容：

一是零点飘移，二是使用的耐久性。

零点飘移指的是在温度、湿度较稳定的室内，在非埋置使用条件下，元件和仪器读数的稳定程度。

耐久性指的是元件在现场试验的使用条件下能正常工作的时间。

耐久性好的元件对于长期观测试验是很重要的手段。

重复性：

当元件受多次反复荷载时，它在每一级荷裁上的几次读数值相接近的程度。

如果相等或很相近，就认为该元件重复性好。

非线性偏差：

一个线性变化元件或者一个非线性变化而经过读数线性处理的元件，它的率定曲线往往不会是一条严格的直线。

用平均的方法在图中作出一条比较直线。

这时得到一组偏差值，得到标准离差。

对于一般的土建工程，非线性偏差C允许值为1～2%。

第二章测试原件

2.1测试元件的感受部分的基本原理和分类

测试元件的感受部分的基本原理：

（一）机械原理；

（二）液压原理；

（三）光测弹性力学原理（简称光弹原理）；

（四）电阻原理；

（五）电感原理（包括振荡器原理）；

（六）差动变压器原理；

（七）振弦原理；

（八）物探原理（包括声波原理和视电阻率原理）。

（一）机械式测试元件：

直接测读力学量而不经过任何电学转换的元件。

优点：

安装简单方便，读数直接明确，由于不经电学转换，所以稳定可靠，受外界环境影响小。

缺点：

灵敏度较低，不易远距离操纵和读数，不能作结构内部测试。

其中最常用、最典型的机械式元件就是机械传动、双指针显示的百分表和千分表。

目前，在地下工程和岩土工程中使用的机械式位移计可分为两大类，一类是钻孔位移型，另一类是相对位移型。

钻孔位移型—多点位移计：

相对于单点而言的，就是说在钻孔中不同深度埋置几个固定点，每个固定点都引出一根测杆。

多点位移计构造：

一般主要由测点、基准盘、位移计三部分组成。

位移值的符号一般规定:

向洞室内的位移为正，反之为负。

相对位移型元件指的是空间任意两点间相对位移的测试元件。

这种元件一般都在地下工程中用于测试拱部和边墙某些主要变形点间的位移规律。

相对位移型—测杆，收敛计。

前者仅适用于小型洞室和巷道（直径或跨度≤4.0m），后者适用于所有地下工程。

收敛计按测试方式分类：

①钢尺重锤型：

优点是构造简单，易于加工，造价低廉，操作简单。

缺点是重锤重量较大，在高处测读时甚为不便。

另外，它的重复性误差稍大，因此以用于软弱围岩和变形较大的地下工程为宜。

②弹簧张力型：

由于采用了铟钢丝以及灵活转动的方向接头，提高了量测精度和温度稳定性。

其缺点是铟钢丝的基距不能随意改变。

这一缺点是靠大量程百分表和多根铟钢丝来弥补的。

应该指出，这类收敛计的多数仍然用钢尺，其主要优点是使用方便、安装简易。

③钢丝扭矩平衡型：

优点是精度和自动化程度高，使用方便。

缺点造价高和工艺要求高

（二）液压式元件：

是利用液体作为传递介质的一种元件。

特点：

应用油压表读数的，所以可以直接读出被测压力的数值，而不需要经过任何转换和电学放大，因此最明显的特点是读数准确可靠，不易受外界因素的影响。

目前有两种该类元件用得比较多。

一种是压力枕，另一种是液压式压力盒。

压力盒的工作原理：

是:

当它的盒体承受外力P时，其内之油压为P，在压力平衡室的左边的油压也为P。

该压力将薄膜向右侧顶紧。

此时外油路的进油管和回油管的两个管口由于薄膜顶紧，其间无孔隙，进油管中之油不能进入回油管。

（三）电阻式测试元件：

包括电阻应变片、差动电阻式和滑动电阻式等几类。

电阻应变片工作原理：

金属导线的电阻R与其长度L成正比，与其面积A成反比。

岩石电阻应变片粘贴步骤：

1、选择应变片，电阻率误差小于0.1Ω；

2、砂纸打磨岩石粘贴处；

3、酒精擦洗干净；

4、502胶水，厚度小于0.1mm，保证应变片与岩石接触面无空气、气泡；

5、万用表检查电阻率；

6、焊接导线。

温度补偿法有较大的零点飘移原因：

（1）多个工作片与一个补偿片难于处在完全相同的温度、湿度和其它外界环境之中。

（2）即使上述条件能够满足，由于电阻丝材料的不均匀性，纸基或胶基材料的不均匀性等原因，在同一外界条件变化下也会造成电阻值的不均匀变化。

（3）被测试件材料的不均匀变化（例如收缩）也会造成电阻应变片的不均匀变化。

电阻应变片应用范围：

在试验室的结构试验（静态或动态）中，尤是短期加载试验中，或在现场试验中，对于短期的观测和动载观测，电阻应变片是一种主要的测试元件。

但是对于现场长期观测，温度和湿度条件变化较大的长期观测试验，电阻应变片的测试只能作为其他测试的一种补充和参考。

主要的电阻应变片测试元件：

（1）小标距应变计

（2）电测百分表（3）电测位移计（4）裂缝观测计（5）电阻式钻孔位移计（6）电阻式钻孔应变计（7）坝体内应变计（8）钻孔底面应变计

差动电阻式测试元件：

差动电阻式元件的测试原理也是惠斯顿电桥原理。

差动式元件测试时，要测读“电阻比”。

从外形来看，这一类元件与电阻应变片式的元件很相象。

可以设计应变计、应力计、钢筋计、测缝计、温度计等。

主要的差别是传感原理不同。

从长期性能来看，差动电阻式比电阻应变片式稳定性好。

这是因为前者对于绝缘度的要求不如后者高，而且前者的两根电阻丝是处于防护油的保护之中，其绝缘条件比电阻应变片好。

是制造较复杂和价格较高；

同时，尽管

两根电阻丝有温度自补偿作用，但是由于它的不均匀性，因此仍然受温度变化影响。

滑动电阻式测试元件：

滑动电阻式测试元件的测试原理仍然是惠斯顿电桥原理。

滑动电阻式测试元件（简称滑阻式测试元件）通常可作为位移的测试工具。

是量程大，所用的测试仪器简单、稳定。

滑动电阻式测试元件常用类型：

（1）盒式滑阻位移计：

由于它的结构具有较好的防水性，所以在潮湿的地下工程中可以作为长期观测的工具。

（2）管式滑阻位移计：

这种位移计比前一种的构造更为紧凑，体积更小。

因此它适用于小直径岩石钻（直径50mm左右）内作位移观测用。

（3）多点式滑阻位移计：

这种位移计用作大直径岩石钻孔（直径76-100mm）内的位移测试。

（四）电感式测试元件

电感式测试元件的原理：

由带有磁芯的电感线圈L和固定电容C组成的LC振荡器。

振荡器经仪器起振以后输出频率讯号，经放大后由频率仪显示读数。

磁芯可以相对于线圈位移，位移以后，电感线圈的电感量发生变化，LC振荡器的频率也随之变化。

通过率定得到位移量与频率之间的关系。

常见的电感式测试元件：

1、电感式钻孔位移计2、钻孔沉陷计3、钻孔膨胀计4、钻孔横向位移计

电感式钻孔位移计的电原理是：

当固定的铜套管随着岩层发生位移时，它与电感线圈之间的相对位置发生变化，使电感量发生变化。

这种电感量的变化反映到接收仪器上就是频率的变化。

它与钻孔的联结分两种情况：

孔底固定与孔口固定。

（五）振弦式测试元件

利用金属丝的自振频率特性研制成的应力、应变、位移或压力传感器。

最大优点：

稳定性好

基本原理：

一根金属弦在一定的拉应力作用下，具有一定的自振频率。

当拉应力变化时，它的自振频率也随之变化。

弦受应力后的变化也就是它的长度发生了变化，或者说金属弦产生了应变值。

振弦式测试元件设计理论基础：

钢弦的自振须率与它受的应力，或者在此应力作用下发生的应变的平方根成正比。

应用较广的振弦式测试元件有：

1、埋入式应变计：

工作原理：

从振弦频率测定仪向线圈输出断续的电脉冲，使线圈产生磁场，铁芯磁化后吸引弦线。

当脉冲消除后，弦线回复并产生振动。

它的振动频率也就是弦的自振频率。

另一方面，在脉冲消除后，线圈周围仍留有剩余磁场。

弦切割磁场