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.docx

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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

《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

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u──x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10Hz～500Hz，灵敏度应高于300mv/cm/s。

加速度传感器的频率范围宜为1Hz～10kHz，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3μv，频带宽度应宽于1Hz～20kHz，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50～1000μs，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3～5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）；

Ｃ0──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）；

Ｃ′──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-1

1500～2700

800～1000

＜600

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）

＞4100

＞C35

3700～4100

C30

3500～3700

C25

2500～3500

C20

＜2700

＜C20

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100～150mm，厚度为20～50mm。

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：

3~4HZ/100C；

零点漂移：

3~5HZ/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