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　　内容简介

　　《地下工程测试技术》是土木工程专业地下工程方向系列教材之一，较为系统地介绍了地下工程测试的目的和意义，总结了目前地下工程测试技术的发展现状，给出了地下工程测试技术中常用的传感器及其安装使用方法。《地下工程测试技术》重点介绍了边坡工程监测、软土地基（路基）监测技术、桩基测试技术、盾构隧道施工监测技术、基坑工程监测技术、地下隧洞施工监测技术、地下工程无损检测及声发射技术等内容。每章节分别对不同工程的监测内容和方法、监测方案设计等进行了详细的介绍，挑选了典型的监测实例，便于学生进一步学习和理解相关知识。

　　目录

　　目录

　　前言

　　第1章地下工程测试技术的基础知识1

　　1.1概述1

　　1.2测试系统的组成2

　　1.2.1测试系统的组成2

　　1.2.2测试系统的主要性能指标4

　　1.3常用传感器的类型和工作原理10

　　1.3.1电类传感器11

　　1.3.2光纤传感技术31

　　1.3.3声/波式传感器47

　　1.3.4振弦式传感器52

　　1.4误差与数据处理54

　　1.4.1误差的基本性质与处理54

　　1.4.2试验数据的表示方法59

　　1.4.3位移监测数据分析中常用的回归函数66

　　1.4.4常用数据处理软件介绍67

　　课后g题67

　　第2章边坡工程监测技术69

　　2.1边坡工程监测的目的69

　　2.2边坡工程监测内容71

　　2.2.1边坡工程监测分类71

　　2.2.2边坡工程监测项目的确定71

　　2.2.3测点布点原则及监测频率73

　　2.2.4边坡工程监测计划与实施75

　　2.3边坡工程监测方法75

　　2.3.1简易观测法76

　　2.3.2设站观测法76

　　2.3.3仪表观测法77

　　2.3.4远程监测法78

　　2.4边坡工程变形、应力、地下水监测78

　　2.4.1边坡变形监测78

　　2.4.2边坡应力监测89

　　2.4.3地下水监测95

　　2.4.4边坡工程监测实例一97

　　2.4.5边坡工程监测实例二102

　　课后习题104

　　第3章软土地基（路基）监测技术105

　　3.1软土地基（路基）监测内容.105

　　3.2软土地区地基（路基）监测方法106

　　3.2.1变形监测106

　　3.2.2压力监测109

　　3.2.3环境监测110

　　3.3软土地区高速公路路基监测.111

　　3.3.1确定高速公路路基现场地质情况111

　　3.3.2确定软土高速公路路基监测的主要信息111

　　3.3.3观测断面及观测点的设置原则112

　　3.3.4沉降监测基准网复测与维护标准112

　　3.3.5监测资料的整理与分析113

　　3.3.6制作监测报告114

　　3.4软土地区地基（路基）沉降预测方法114

　　3.4.1数学模型法.114

　　3.4.2人工神经网络法117

　　3.4.3遗传算法118

　　3.5软土地区路基施工监测实例.118

　　3.5.1软土地区高速路基施工监测实例一118

　　3.5.2软土地区高速路基施工监测实例二127

　　课后习题130

　　第4章桩基测试技术132

　　4.1桩基检测方法132

　　4.2桩基静力测试技术133

　　4.2.1竖向抗压静荷载试验133

　　4.2.2单桩竖向抗拔静荷载试验139

　　4.2.3单桩水平静荷载试验142

　　4.3桩基动力测试技术146

　　4.3.1低应变动力测试146

　　4.3.2高应变动力测试150

　　4.4其他桩基测试技术154

　　4.4.1钻探取芯法155

　　4.4.2超声波检测法.156

　　4.4.3粧身应变、应力、温度监测159

　　4.5桩基测试工程实例159

　　4.5.1桩基测试工程实例一159

　　4.5.2桩基测试工程实例二161

　　4.5.3粧基测试工程实例三163

　　4.5.4桩基测试工程实例四164

　　课后习题165

　　第5章盾构隧道施工监测技术166

　　5.1盾构險道施工监测的意义和目的167

　　5.1.1盾构隧道施工监测的意义167

　　5.1.2盾构隧道施工监测的目的168

　　5.2盾构險道施工监测的内容和方法168

　　5.2.1盾构隧道施工监测的内容168

　　5.2.2盾构隧道施工监测的方法169

　　5.3盾构隧道施工监测方案设计173

　　5.3.1监测项目的确定173

　　5.3.2监测断面和测点布置的确定174

　　5.3.3监测频率的确定176

　　5.3.4报警值和报警制度176

　　5.3.5盾构推进引起的地层移动特征及估算方法177

　　5.3.6盾构隧道施工监测数据整理与分析180

　　5.4盾构施工对周边建筑物的影响及保护措施180

　　5.4.1盾构隧道施工对建筑物的影响180

　　5.4.2施工前期准备工作181

　　5.4.3保护措施181

　　5.5盾构險道施工监测实例183

　　课后习题190

　　第六章基坑工程监测技术191

　　6.1基坑工程监测的特点及意义191

　　6.1.1基坑工程监测的特点191

　　6.1.2基坑工程监测的意义192

　　6.1.3基坑工程监测的基本原则193

　　6.2基坑工程监测的内容和方法193

　　6.2.1基坑工程监测的内容193

　　6.2.2基坑工程监测的方法193

　　6.3基坑工程监测方案设计200

　　6.3.1监测项目的确定200

　　6.3.2监测点的布置202

　　6.3.3监测精度205

　　6.3.4监测频率与监测警戒值206

　　6.3.5基坑工程巡视检査209

　　6.3.6监测数据处理209

　　6.4城市轨道交通基坑工程监测技术209

　　6.4.1监测内容210

　　6.4.2监测频率210

　　6.5基坑工程监测实例211

　　6.5.1基坑工程监测实例一211

　　6.5.2基坑工程监测实例二218

　　课后习题223

　　第7章地下隧洞施工监测技术224

　　7.1地下險洞施工监测的特点及意义224

　　7.1.1地下隧洞施工监测的特点224

　　7.1.2地下隧洞施工监测的意义225

　　7.2地下險洞施工监测的内容和方法226

　　7.2.1地下隧洞施工监测的内容226

　　7.2.2地下隧洞施工监测的方法226

　　7.3地下險洞施工监测方案设计236

　　7.3.1监测项目的确定236

　　7.3.2监测断面的确定及测点的布置239

　　7.3.3监测频率与监测警戒值242

　　7.3.4监测数据整理244

　　7.4矿山法隧洞施工监测245

　　7.4.1矿山法施工监测的目的245

　　7.4.2矿山法施工监测的内容246

　　7.4.3矿山法施工监测点布置246

　　7.4.4监测频率与监测警戒值246

　　7.5地下險洞施工监测实例248

　　7.5.1地下隧洞施工监测实例一248

　　7.5.2地下隧洞施工监测实例二255

　　课后习题260

　　第8章地下工程无损检测及声发射技术261

　　8.1地下工程无损检测技术基本理论261

　　8.1.1回弹法检测261

　　8.1.2声波检测263

　　8.1.3超声回弹综合检测268

　　8.1.4地质雷达检测271

　　8.2回弹法检测混凝土强度272

　　8.2.1回弹仪272

　　8.2.2回弹值的测量274

　　8.2.3碳化深度值的测量276

　　8.2.4结构或构件混凝土强度的推定277

　　8.3声发射技术原理及应用277

　　8.3.1声发射检测基本原理278

　　8.3.2声发射检测仪器的组成279

　　8.3.3声发射换能器279

　　8.3.4声发射技术在岩体工程测试中的应用280

　　课后习题281

　　参考嫌282

　　精彩书摘

　　第1章地下工程测试技术的基础知识

　　1.1概述

　　地下工程是指建造在有原岩应力场、由岩石和不同构造面组成的自然岩石体中的建筑，或因人工挖掘以及生产活动而在自然岩层构造中产生的地下空间。地下工程按功能可分成：交通、输水、公共服务以及地下水蒙库、地下水厂房、地下水冷暖气道、地下步行街、地下发电站等。

　　由于中国国民经济的迅速发展，以及城市人口的密集程度提高，地上建筑已难以满足或无法适应人类的生产和生活的需要，因此中国地下工程取得了快速的发展。尤其是随着城市地下工程步入发展阶段，中国也已经步入城市轨道交通及其他地下工程建设的新时期；与此同时，也存在着大量的岩土工程问题亟待处理。因为地下工程往往埋于地底的深处，而这些天然岩土体材料又深受节理裂缝、应力以及地下水等诸多因素的影响，所以地下工程在施工过程中所面临的问题与地面建筑的施工相比要复杂得多。尤其是在地下工程施工前，场地的自然地质条件、岩石体形状都无法完全掌握，其力学参数也难以判断，故地下工程在设计阶段的不确定性更加明显。地下工程的安全不仅受围岩本身的力学特性及自稳能力的影响，同时与地下工程支护后结构的整体特征有关。如何在施工过程中有效避免地面塌陷，科学预防和合理地控制因施工造成的工程问题，并保护周边建（构）筑物和地下管道的安全，已成为我国地下工程中亟待解决的重大问题，因此，对地下工程进行科学合理的监测显得尤为重要。

　　测试技术包括测量和试验两部分，测量是指在被检测对象的自然状态下，对其有关数据进行的监测与量度；试验则是指对被检测的对象进行试验探索的方法，通过分析其在一定激励条件下的反应来探究被测对象的相关特性。测试技术基于材料的各种物理、化学以及生物现象或效应来获取有用信息。按照被测信息的变化性质，分为静态测试和动态测试，按照被测信息的转换方法分为机械测量方法、光测量法、气体测量法和非电量电测法等。由于地下工程所面对的岩土体复杂多变，且理论尚不完善，因此很难有理想的计算模型来描述地下工程岩土体的力学行为，而通过测试技术对地下工程岩土体进行监测，根据所获取的监测信息了解地下工程岩土体的力学和变形特征，从而掌握工程的发展进程，成为保障地下工程安全的重要手段之一。现代测试技术的功能主要分为四个方面。

　　（1）各种参数的测定；

　　（2）自动化过程中参数的传递、调整和自控；

　　（3）现场实时检测和监控；

　　（4）测量过程中数据的处理和分析。

　　现代测试技术是计算机科学、通信科技、测量科学技术、自动化信息技术、电子信息技术等多领域多专业相结合的一门综合性计量科学技术，是对被测对象的相关参数进行测量，并将测量信息加以收集、变换、保存、传递、显示与管理的科学技术。这不仅是传统测量技术和现代科技手段相结合后的一种新兴科学技术，也是一种随着科技水平的提高而不断进步的综合性科学技术。特别是随着中国现代制造领域的蓬勃发展，对现代测试技术提出了越来越高的要求，有效推动着中国现代测试技术中的新原理、新科学技术、新设备的不断开发及应用。

　　1.2测试系统的组成

　　只有对整体的测试系统有了全面的认识，才能根据具体要求制定并设计出一套科学合理的测试系统，从而满足实际的测试要求。根据监测信息的传送方法进行划分，常用的测试系统可分为模拟式测试系统和数字式测试系统。

　　1.2.1测试系统的组成

　　一个测试系统可以由一个或若干个功能单元所组成。测试系统通常应具有以下几个功能，即：将被测对象置于预定状态下，并对被测对象所输出的特征信息进行采集、变换、传输、分析、处理、判断和显示记录，*终获得测试目的所需的信息。如图1.1所示，完善的测试系统一般由试验装置、测量装置、数据处理装置、显示和记录装置四大部分组成。

　　为了采用*优化方法执行测量任务，需要对整个测量系统的各个工作模块进行详尽和全方位的思考与设计。当然，根据试验目的及具体条件，我们可能只关注系统中的某几个模块。例如，虽然弹簧评只有一个**刻度尺，但它也综合了传感、检测和数字指示等功能。图1.2展示了一种为直剪试验设计的计算机辅助系统。

　　1.2测试系统的组成

　　1.试验装置

　　试验装置是一个专门的系统，用于将待测对象置于特定状态，并研究被测对象与所需监测信息之间的联系，以达到准确测量的目的。例如，在测定岩石及其结构面的力学特性的直剪试验系统中，直剪试验架和液压控制系统共同组成了一个加载装置。其中，液压泵负责为试件提供荷载，而液压控制系统确保荷载以指定的稳定速率施加，并在必要时维持其恒定。这样，试件就可以在预先设定的法向应力水平下进行剪切试验。在地下工程试验中，常用的加载装置包括重力式、反力式和液压式。

　　2.测量装置

　　测量装置由传感器、信号转换器和信号传输线等关键部件构成。在测量过程中，这个系统*先通过传感器把测量参数转化为电信号（或其他形式的信号），然后经过其他设备对这些信号进行转换、放大和运算，从而将它们处理成方便记录和分析的信息。在整个系统中，传感器扮演着至关重要的角色，它的核心功能是将物理参数转化为易于传输的信号。因此，传感器有时被视为测量系统的初级部分，而其他组成部分则被称为次级或三级设备。以直剪试验系统为例，在试验过程中需要观察试件在剪切过程中，不同法向应力作用下法向和剪切方向上力和位移的变化。因此，需要采用位移传感器对试件在法向和剪切方向的位移进行监测，采用力传感器对试件法向和剪切方向的荷载进行测量。其中，力传感器及其数据采集装置构成了力的测量系统，位移传感及其数据采集装置构成了位移测量系统，数据采集装置中通常有电桥电路、放大电路、滤波电路及调频电路等。所以，应该根据试验的具体测试需求，选择合适的传感器及其配套的数据采集装置，不同的传感器适用于不同的数据采集装置，例如，电类传感器通常采用动态电阻应变仪，光学类传感器则采用光纤调制解调仪等采集装置。

　　3.数据处理装置

　　数据处理装置是将该测试系统中的测量信息进行一定的处理，以便于后期数据分析。图1.2中，计算机系统中需设置智能处理的程序，以消除检测过程中的噪声影响和数据的偶然变化，提髙监测数据信息的置信度。当测量系统采用模拟电路时，则需采用一些特定的设备或电路以达到上述目的。

　　4.显示和记录装置

　　显示和记录装置是测量系统的重要组成部分，其主要负责将测量所得被测对象的相关信息以及变化情况，通过一定方法进行显示或记录下来。显示装置一般包括各种仪表的表盘、光电示波器以及配套的电子显示屏等，而测量所得数据信息的记录则是通过解调仪、记录仪等装置来完成；在直剪试验系统中，以微机屏幕、打印机和绘图仪等作为显示记录设备。

　　测量系统可以分为两种，分别为人工测量系统和全自动测量系统。两者的主要区别为：人工测量系统是指在测量过程的全部或大部分工作基本由测试人员直接参与完成，是目前地下工程测试中较为常用的方法，但是此方法过度依赖人工，测试效率较低；而全自动测量系统能够将各种传感器和数据采集装置通过电脑进行控制和数据采集，整个测量过程中无须人工方式介入，具有较高的监测效率，是未来监测的发展方向。

　　1.2.2测试系统的主要性能指标、

　　测试系统的主要性能指标有精确度、稳定性、测量范围等。由于不同项目在精确度、稳定性、分辨率等方面的监测要求存在差异，因此在测试系统中，必须提供明确的主要性能指标，才能够根据不同的监测需求采用科学、合理且经济的测试系统。

　　1.测试系统的精度和误差

　　精度是指相似测量的每个测值与全部测值的算术平均数之间的接近程度。精度也等同于重复性。精度一般用士数值来表示。测值的有效位数反映了测量精

　　1.2测试系统的组成

　　度。相反地，记录的测量数据应该反映出所使用的仪表的精度。仪表将一个测量数值显示为三位有效数字不能确保其准确度可以达到土0.1，而对一个准确度仅为土10%仪表读取三位有效数字也是没有意义的。一个测试系统精度通常可采用相对误差和引用误差进行判断。

　　（1）绝对误差：测量所得监测值X和真值H之差的绝对值，能够用以判断测试系统的可靠性，用误差值来度量。记为

　　（1-1）

　　绝对误差可以表示测试数据和实际数据的一致性。实际测量时，由于真值是难以确定的，所以通常约定真值通过使用高精度的仪器测量所得的数值％进行代替。当使用引用误差表示测量仪器的精度时，应尽量避免伩表在接近测定下限的三分之一量程内操作，以防止出现较大的误差。在地下工程测试中，测量数据的分布较多服从正态分布，故通常采用多次测量的算术平均值作为参考量值。由于不能将被测对象联系起来，绝对误差无法充分地表示测试的精度，因而测定结果的精度可用相对误差表示。

　　（2）相对误差：指的是测量所造成的绝对误差占被测量丨约定丨真值的百分比，以百分数表示。通常，相对误差更能反映测量的可信度。绝对误差d与被测量的真值M的百分比值称为实际相对误差。记为

　　（1-2）

　　将测量所得值X作为真值/x的相对误差称为示值相对误差，记为

　　（1-3）

　　绝对误差是评估测量结果可靠性的一个重要指标。在日常应用中，当我们需要比较不同条件下测量结果的准确性时，通常采用示值相对误差。用相对误差也可以对同一个仪器上不同状态测量成果的准确性进行比较，但不能用于判断不同仪器的监测质量的优劣程度。

　　当使用同样的测量方法时，绝对误差可能会有所变化。而当采用不同的测量方法时，绝对误差之间也会存在差异。一般来说，方法的精度越高，其绝对误差越小。不过，相对误差的大小不仅与采用的测量方法有关，还与被测量的实际数值大小相关。在同一测量方法下，被测数据越大，相对误差就可能越小。

　　（3）引用误差：用引用误差能对仪表的精确度进行评价，将仪表示值的绝对误差d与量程范围A之比记为

　　（1-4）

　　第1章地下工程测试技术的基础知识

　　引入误差是在仪表上常见的一种误差表示方式，相应于仪表满量程值的一种误差，测试的绝对误差和仪表的满量程值之比，叫作仪表的引用误差，也可用百分比表示。比较式（1-2）和式（1-4）可知，引用误差是相对误差的一种特殊类型。

　　2.稳定性

　　仪表的稳定性指的是在特定的工作条件下，其某些功能特性随时间的推移能够维持一致和稳定的性能。这是评价仪器的一个非常重要的技术标准。特别是在地下工程中，很多仪器需要在恶劣的环境中工作。例如，它们可能会面临温度和压力的巨大变化。在这样的条件下，仪表中的某些组件可能会因长时间工作而失去其初始的稳定性，从而降低整个仪器的可靠性。因此，选择在恶劣环境下仍能保持高稳定性的仪表是至关重要的。

　　目前，一般采用仪表零点漂移量来判断仪表的稳定性。通常有这样判断：当仪表在投入工作一年之内零点都没漂移，则表示这台仪表稳定性良好，反之当仪器投入工作较短时间后，仪表零点漂移了，则表明仪表的稳定性较差。仪表稳定能力直接关系着仪器的应用范围，若采用稳定性较差的仪表，则测试结果的可靠性将大幅度降低，而且稳定性差的仪表会很大程度地增大监测成本以及仪表维护的工作量。

　　3.测量范围

　　测量范围，又叫作仪表的工作范围，是指测量仪表的偏差处在规定的误差限制区域内被测定的示值区域。仪表在这一限定的测试区域内应用，其示值误差也必处在合理的范围内；但如果超过仪表的测量范围，示值误差也将超过允许限度。因此，测量范围是在一般工作条件下，能够保证检测仪表规定精度的被检测量值的区域。

　　有些测量设备的测量范围与其标称范围一致，比如寒暑表、密度计等。但有的检测设备在处于下限区域时相对误差却迅速上升，比如互感器。这时国家就规定了一条能证明其示值误差在一定限度内的示值区域作为测量范围，且标称范围通常小于或等于测量范围。

　　由此可知，标称范围是指测量仪器通过显示装置所能指示的范围，用标在标尺或显示屏上的单位进行表示；标称范围是对测定仪器整体而言的，一般用所测定量的单位进行表示，测量范围是指能保持规定精度、使误差在一定限度内变化的范围，而量程则为标称范围内的范围上、下界之差的绝对值。

　　4.分辨