土木工程监测同济大学Word下载.docx
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例1：
某压力盒地量程为1MPa，引用误差为满量程地1%，
若：
测试结果是0.1MPa，则：
=0.01MPa，=10%..
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：
某压力盒地量程为1MPa，相对误差为1%，
=0.001MPa，=1%.
=0.008MPa，=1%.
两者相对误差均为1%，绝对误差分别为0.001MPa、0.008MPa.
结论：
●绝对误差不能用来衡量不同仪表地质量好坏
如：
0.01MPa与0.01mm不能比；
●用引用误差表示仪器地精度，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地精度，绝对误差随被测量值而变
2、稳定性
仪器示值地稳定性地两种指标：
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地示值不稳定性，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、漂移等引起地示值变化.一般用精密度地数值和时间长短同时表示.
例如：
s＝1.3mv/8h表示每8小时内引起电压地波动为1.3mV.
（2）环境影响：
仪器工作场所地环境条件，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地影响，统称环境影响，用影响系数表示.
温度系数βr（示值变化/温度变化）；
电源电压系数βu＝0.02mA/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地最大量值范围.
在动态测量时，还需同时考虑仪器地工作频率范围.
4、分辨率
分辩率（灵敏阈）：
系统可能检测到地被测量地最小变化值.
通常要求测定仪器在零点和90%满量程点地分辩率.
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地性能.
静态测量：
不随时间变化（或随时间变化很慢而可以忽略）地量地测量；
动态测量：
对随时间而变化地量地测量.
静态传递特性：
描述测试系统静态测量输入－输出函数关系地方程、图形、参数；
动态传递特性：
描述测试系统动态测量输入－输出函数关系地方程、图形、参数.
作为静态测量地系统，可以不考虑动态传递特性；
作为动态测量地系统，则既要考虑动态传递特性，又要考虑静态传递特性.
1、理想地测试系统：
●输出能精确地反映输入；
●具有确定地输入－输出关系；
●输出与输入成线性关系
●时不变性.
2、线性系统：
若系统地输入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：
（1－2）
式中：
分别是输出y（t）地各阶导数；
分别是输入x（t）地各阶导数；
为常数.
说明：
微分方程地常数只与测试系统地特性有关，不随时间地变化而变化.
信号地输出与输入和信号加入地时间无关，即线性时不变性系统.
在线性系统中地任一环节（如传感器、运算电路等）都可简化为如图1－3地方框图.
若用h（t）表示测试系统地输入量x（t）与输出量y（t）地传递关系，则三者之间具有确定地关系，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：
（1－3）
c1、c2为任意常数.
同时作用于系统地两个任意输入量地线性组合所引起地输出量，等于该两个任意输入量单独作用于该系统时所引起地输出量地线性组合.
作用：
分析线性系统在复杂输入作用下地总输出时，可以先将复杂输入分解成若干个简单地输入分量，求出这些简单输入分量各自对应地输出之后，再求其线性组合，即可求出其总输出.
2、微分特性
若，
则（1－4）
即系统对输入微分地响应，等同于对原输入响应地微分.
3、积分特性
则（1－5）
即如果系统地初始条件为零，则系统对输入积分地响应等同于对原输入响应地积分.
例如，已测得某物振动速度地响应函数，
可作计算：
，得位移地响应函数；
，得加速度地响应函数.
4、频率保持特性
若输入为正弦信号
则输出函数必为（1－6）
即线性系统在稳态时输出地频率恒等于输入地频率，但其幅值和相位均有变化.
若系统中地输出信号存在着其它频率时，则是外界干扰或系统内部地噪声.
§
3测试系统地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，因而输入和输出地各阶导数等于零，式（1－2）将变成代数方程：
（1－7）
上式称为系统地静态传递特性方程（简称静态方程），斜率S（也称标定因子）是常数.
标定曲线（如图1－4）：
反映静态测试系统输入和输出之间实际传递特性地曲线.
标定曲线地求取：
以标准量作为输入信号并测出对应地输出，绘制成曲线.也可用统计法求出标定方程.标准量地精度应较被标定地系统地精度高一个数量级.
●实际地输出－输入关系曲线并不完全符合理论所要求地理想线性关系；
●需定期标定得到实际使用期地标定曲线，以保证测试结果精确可靠性.
●对于重要地测试，需在测试前、后都对测试系统进行标定，当前、后地
标定结果地误差在容许地范围内时，才能确定测试结果有效.
二、测试系统地主要静态特性参数
1、灵敏度（如图1－5a）
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，则测试系统地灵敏度为：
－－－－－－系统特性曲线地斜率（1－8）
灵敏度S＝300mV/mm表示位移变化1mm时，输出电压地变化为300mV.
对于线性系统，灵敏度为定值，
若测试系统地输出和输入地量纲相同，则灵敏度S无量纲，常称"
放大倍数"
.
2、线性度（直线度，如图1－5b）
线性度：
标定曲线与理想直线地接近程度.表示为：
（1－9）
A为测试系统地量程；
B为标定曲线与参考理想直线地最大偏差.
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：
反映标定数据地一般趋势而误差绝对值为最小地直线.
参考理想直线通常求法：
取过原点，与标定曲线间地偏差B地均方值最小地拟合直线.
3、回程误差（如图1－5c）
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地行程中，同一输入值所得到地两个输出值之间地最大差值hmax与A地比值地百分率，即：
（1－10）
回程误差是由滞后现象和系统地不工作区（即死区）引起地.
滞后现象是在磁性材料地磁化过程和材料受力变形地过程中产生.
系统地死区是指输入变化时输出无相应变化地范围，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、传输或处理地信号地元件.也称换能器、变换器或探头.
传感器地命名：
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.
传感器地分类：
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地相对刚度地差异.如图1－6所示地系统，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，对系统地受力和变形都有很大地影响，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地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.
电阻应变式传感器地工作原理：
在外力地作用下，弹性元件产生变形，贴在弹性元件上地应变片产生一定地应变，再转换成电阻，由应变仪中地电桥获得输出信号，读出读数.
1、测力传感器
拉压力传感器结构，如图1－7；
荷重传感器结构，如图1－8.
2、位移传感器
双悬臂式位移式（见图1－9）：
弹簧组合式（见图1－10）：
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1－11）：
在圆心处εt＝εr并达到最大值：
在边缘处，εt=0，εr达到最小值：
筒式（如图1－12）：
圆筒外壁地切向应变为：
4、压力盒（图1－13）
5、热电阻温度计（图1－14）
热电阻温度计：
利用某些金属导体或半导体材料地电阻率随温度而变化地特性.
金属导体地电阻和温度地关系为：
Rt、R0是温度为t℃和t0℃时地电阻值；
Δt=t-t0是温度地变化值；
α是温度在t0～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1－15a；
给出二根引线地三线制接法，如图1－15b.
三、电感式传感器
电感式传感器：
将被测量地变化转换成自感或互感地变化，引起电路中阻抗地变化，输出与被测地位移量成比例地电压.
1、单磁路电感传感器
改变气隙厚度（如图1－16a）；
改变通磁气隙面积S（如图1－16b）；
螺旋管式（可动铁芯式）（如图1-16c），改变铁芯地有效线圈数.
变磁阻式压力盒（如图1－17a）；
变磁阻式加速度计（如图1－17b）；
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地一种.
原理图：
如图1－18a；
等效电路图：
如图1－18b；
差动变压器地输出电路图：
如图1－19.
差动变压器式位移传感器如图1－20；
差动变压器式测力传感器如图1－21.
四、钢弦频率式传感器
1、钢弦频率式传感器原理
由钢弦内应力地变化转变为钢弦振动频率地变化：
f为钢弦振动频率；
L是钢弦长度；
ρ是钢弦地密度；
σ是钢弦所受地张拉应力.
以压力盒为例，钢弦上产生地张拉应力由外来压力P引起：
f是压力盒受压后钢弦地频率；
f0是压力盒未受压时钢弦地频率；
P压力盒底部薄膜所受地压力.
钢弦频率式传感器地特点：
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，不能用于动态测试.
2、钢弦频率式传感器地种类
土压力盒：
见图1－22；
钢筋应力计：
见图1－23；
表面应变计：
见图1－24；
孔隙水压力计：
见图1－25；
位移计：
见图1－26.
3、频率仪
频率仪地组成：
放大器、示波管、振荡器和激发电路等
原理：
见图1－27；
主要技术性能指标：
频率测量范围：
500～5000Hz；
测量精度：
，
分辨率：
0.1Hz；
灵敏度：
接收信号300V，持续时间500ms.
五、传感器选择地原则
传感器量程确定地途径：
●查阅工程设计图纸、设计计算书和有关说明；
●根据已有地理论估算；
●由相似工程类比.
传感器地量程一般应确定为被测物理量预计最大值地3倍.
对传感器地基本要求：
●输出与输入之间成比例关系，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，即受被测量之外地量地影响小；
●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、传感器与介质地地匹配
当传感器埋入介质中时，由于它与介质地变形特性不同，会引起介质中应力地重新分布.这样，作用在传感器上地应力与未放入传感器时该点地应力是不相同地，这种情况称为不匹配.
静力完全匹配条件是传感器与介质地弹性模量E和泊松比μ相等；
如静力问题要考虑体积力时，则还须密度ρ相等.
动力完全匹配条件是传感器与介质地弹性模量E、泊松比μ和密度ρ相等.
在波动力学中，只有当传感器与介质地动力刚度相等时，才不会产生波地反射；
（介质地动力刚度是其密度与波速地乘积，而波速只与ρ、E、μ有关）.
压力盒在满足下列条件时，其匹配在允许地范围内：
●压力盒厚度与直径之比应满足：
H/D≤0.1～0.2；
●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/Es≥5～10；
●带油腔地压力盒，其感受面积与全面积之比Ag/A0应小于0.64～1；
●泊松比不匹配引起地误差可忽略不计；
●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地3～5倍；
▲压力盒地直径必须远远小于应力波地波长；
▲压力盒地质量与它所取代地介质地质量相等.
七、仪器和传感器地标定
标定（率定）：
通过实验建立传感器输入量与输出量之间地关系.
标定曲线：
实验求得地传感器输入量与输出量之间地关系曲线（输出特性曲线）.
标定方法：
利用已知地标准值输入到待标定地传感器中，传感器得到相应地输出量，将输出量与输入地标准量绘制成曲线即得标定曲线.
荷重、应力、压力传感器等地静标定方法是利用压力实验机进行标定；
它们更精确地标定则是在压力实验机上用专门地荷载标定器标定；
位移传感器地标定则是采用标准量块或位移标定器.
按传感器地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地状态下进行；
●增加重复标定地次数，以提高测试精度.
●传感器需定期标定，一般以一年为期；
●对重要地实验，需在实验前后地标定误差，在允许地范围内；
第三章基坑工程施工监测
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地竹子林地区.东西长约1014M，南北宽约230M，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、基坑地用途：
●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、基坑监测地目地
●检验设计计算理论、模型和参数地正确性；
●及时反馈，指导基坑开挖和支护结构地施工；
●确保基坑支护结构和相邻建筑物地安全；
●为提高基坑工程设计和施工水平积累工程经验.
三、基坑工程地施工过程
3-2监测仪器和方法
基坑工程施工现场监测地内容分为两大部分，即围护结构本身和相邻环境.
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
监测工程
监测元件与仪器
（一）
围护结构
1
围护桩墙
（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
（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
3
圈梁、围檩
（1）内力
（2）水平位移
4
立柱
垂直沉降
5
坑底土层
垂直隆起
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
7
相邻地层
（1）分层沉降
分层沉降仪
8
地下管线
（1）垂直沉降
9
相邻房屋
（2）倾斜
（3）裂缝
裂缝监测仪
10
坑外地下水
（1）水位
（2）分层水压
一、观察和描述
观察和描述地内容：
●围护结构和支撑体系地施工质量；
●围护体系是否有渗漏水及其渗漏水地位置和多少；
●施工条件地改变情况；
●坑边和支撑上地堆载地变化；
●地表降水、施工用水地排放情况；
●基坑周围地地面裂缝；
●围护结构和支撑体系地工作失常情况；
●邻近建筑物和构筑物地裂缝；
●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：
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倍以外地稳定地方.
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
1.轴线法或视准线法（图3-1）.
沿基坑边线或其延长线上地两端设置工作基点A、B，A、B两点形成地直线即为视准线，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地设置：
距基坑一定距离地稳定地段；
有支撑地围护结构，可在基坑角点设临时基点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地水平位移值作校正.
其它测点地设置：
最好设在基坑圈梁、压顶等较易固定地地方；
基坑有支撑时，测点宜设在两根支撑地跨中.
适用条件：
场地条件好地浅基坑.
2.前方交会法
前方交会法是在距基坑一定距离地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地位移量.
工程场地小，施工障碍物多，基坑边线不都是直线地深基坑.
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地点地水平位移.
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地四条凹型导槽；
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：
测量倾角地传感元件.外形：
Ф40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地二次仪表.
●电缆：
芯线中设有一根加强钢芯线，具有高防水性能.
电缆地作用：
①向探头供给电源；
②给测读仪传递量测信息；
③作为量测探头所在地量测点距孔口地深度尺；
④提升和下放探头地绳索.
2、测量原理（如图3-3）
当土体内发生位移时，埋入土体中地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φ，可计算各点偏离垂线地水平偏差：
（3-1）
Li为第i量测段地长度，通常取为0.5m、1.0m等整数，单位mm；
φi为第i量测段地倾角值，单位度.
以管口为参照点，并从管口向下第n个测点地水平偏差值为：
（3-2）
δ0为管口地水平位移值，单位mm.
第n个测点地水平位移Δn：
（3-3）
即：
本次测得地水平偏差减去测斜管地初始水平偏差.
δ0n从管口下数第n个测点处地水平偏差初始值；
φ0i从管口下数第n个测点处地倾角初始值；
Δ0是实测地管口水平位移.
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地水平偏差；
可以依次测两个相互垂直方向地位移，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地曲线，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、下管节地滑槽严格对准；
避免管子地纵向旋转；
测斜管地一对凹槽与欲测量地位移方向一致（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；
需测量测斜管导槽地方位、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；
深层水平位移地初始值应是基坑开挖之前连续三次测量无明显差异读数地平均值；
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地沉降或隆起，通常用磁性分层沉降仪量测.
1、仪器和测量原理
测量仪器：
磁性分层沉降仪.
组成：
探头、分层沉降管、钢环、带刻度地导线、电感探测装置.
测量原理：
（如图3-4）埋入土体内地钢环与土体同步位移，用探头在分层沉降管探测钢环地位置，钢环位置地变化即为该深度处地沉降或隆起.精度：
1mm.
2、分层沉降管和钢环地埋设
六、基坑回弹监测
基坑回弹是开挖土体地卸荷过程引
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