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《地下工程监测和检测理论与技术（第二版）》介绍和论述了地下工程监测与检测的基础知识、基本理论和基本技术。《地下工程监测和检测理论与技术（第二版）》共13章，包括测试技术基础知识和传感器原理、地下工程的特点和监测目的、地下工程中的监测仪器、地下工程中的监测项目及其控制标准、地下工程监测项目的实施方法、地下工程中的声波测试技术、地下工程中的无损检测技术、地面建筑物的变形监测、地下工程监测案例、地下工程监测的信息反馈技术、地下工程现场监测的组织与实施、测量误差分析与数据处理、地下工程的模型试验与测试技术。
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目录第1章 测试技术基础知识和传感器原理 11.1 测试系统的组成和特性 11.1.1 测试系统的组成 11.1.2 测试系统的性能指标 31.1.3 线性测试系统 51.2 测试系统的静态传递特性 51.2.1 静态方程和标定*线 51.2.2 静态传递特性 61.2.3 测试系统的传递函数 81.3 传感器原理 111.3.1 应力计和应变计 121.3.2 电阻式传感器 131.3.3 钢弦式传感器 211.3.4 电容式、压电式和压磁式传感器 231.3.5 电阻应变计及其测量方法 271.3.6 测试系统选择的原则与标定 42第2章 地下工程的特点和监测目的 462.1 地下工程的主要特点与施工方法 462.1.1 地下工程的主要特点 462.1.2 地下工程的施工方法 472.2 监测的目的及国内外现状 522.2.1 监测的目的 522.2.2 监测的国内外现状 532.2.3 监测中存在的问题 54第3章 地下工程的监测仪器 553.1 监测仪器 553.1.1 经纬仪 553.1.2 水准仪 553.1.3 全站仪 563.1.4 收敛计 573.1.5 测斜仪 573.1.6 分层沉降仪 583.1.7 多点位移计 583.1.8 水位计 593.1.9 电阻应变仪 593.1.10 钢弦式频率采集仪 603.1.11 爆破振动监测仪 603.2 监测传感器 603.2.1 钢筋计 613.2.2 土压力计 613.2.3 孔隙水压力计 623.2.4 轴力计 623.2.5 混凝土应力计 633.2.6 应变计 633.2.7 锚杆测力计 643.2.8 爆破振动速度传感器 64第4章 地下工程监测项目及其控制标准 664.1 地下工程主要监测项目 664.1.1 钻爆法的主要监测项目 664.1.2 盾构法的主要监测项目 674.1.3 明挖法的主要监测项目 684.2 监测控制标准的确定 704.2.1 控制标准确定的基本原则 704.2.2 地表沉降控制标准的确定 714.2.3 支护结构与围岩位移控制标准的确定 754.2.4 明挖基坑工程变形控制标准的确定 79第5章 地下工程监测项目的实施方法 845.1 常规项目的监测方法 845.1.1 地表沉降监测 845.1.2 支护体系水平位移监测 865.1.3 支撑轴力监测 885.1.4 支护结构的钢筋应力监测 895.1.5 复合式衬砌中初期支护的内力监测 915.1.6 支护结构混凝土应变监测 965.1.7 土压力监测 985.1.8 孔隙水压力监测 995.1.9 地下水位监测 1015.1.10 围护结构水平位移监测 1025.1.11 深层土体位移监测 1055.1.12 地下管线变形监测 1075.1.13 拱顶下沉监测 1085.1.14 净空收敛监测 1095.1.15 爆破振动监测 1115.1.16 地质状况观察和素描 1135.2 地下工程的远程监测系统 1145.2.1 近景摄影测量系统 1145.2.2 多通道无线遥测系统 1165.2.3 光纤监测系统 1175.2.4 自动全站仪非接触监测系统 1185.2.5 巴赛特结构收敛系统 1195.2.6 轨道沉降监测系统 1205.3 光纤传感系统 1205.3.1 系统简介 1205.3.2 光纤系统组成和光纤光栅传感监测系统 1235.3.3 工作原理 1245.3.4 光纤传感器的埋设 1265.4 智能化传感器 1285.4.1 智能化传感器简介 1285.4.2 智能传感器的基本组成及工作原理 1305.4.3 智能传感器的应用实例 1325.4.4 模糊传感器 133第6章 地下工程中的声波测试技术 1466.1 声波的传播规律 1466.2 波动方程 1466.3 声波探测技术 1486.3.1 声波探测仪器设备和使用 1486.3.2 测试技术 1496.4 声波测试在地下工程中的应用 1516.4.1 围岩松动圈半径的测试 1516.4.2 利用弹性波评价岩体强度和完整程度 1536.4.3 岩体力学参数的测定 1536.4.4 张开裂隙的延伸深度测定 1536.4.5 声波测井 1546.5 声波测试在混凝土结构质量评价中的应用 1546.5.1 结构混凝土厚度检测 1546.5.2 混凝土中空洞的检测 1556.5.3 混凝土裂缝的检测 1556.5.4 深孔法检验混凝土质量 1566.5.5 声波测试在桩基完整性检测中的应用 157第7章 地下工程中的无损检测技术 1597.1 概论 1597.2 回弹法检测 1597.2.1 回弹仪 1607.2.2 回弹值的测量 1607.2.3 混凝土碳化深度值的测量 1627.2.4 基于回弹法的混凝土强度评定 1627.2.5 评定报告和有关表格 1647.3 超声波检测 1657.3.1 超声波检测仪 1657.3.2 超声波传播时间即声时值的测量 1667.3.3 测区声速值计算 1667.3.4 基于超声波法的混凝土强度评定 1667.4 超声回弹综合检测 1677.4.1 测试仪器 1677.4.2 回弹值的测量与计算 1677.4.3 声速值的测量与计算 1677.4.4 测区混凝土强度换算值 1687.4.5 结构或构件的混凝土强度推定值 1687.5 地质雷达探测技术 1687.5.1 地质雷达原理与特点 1697.5.2 地质雷达仪器及其发展 1697.5.3 地质雷达数据采集的*优化分析 1707.5.4 地质雷达图像解释 1757.6 常见特殊地质体的地质雷达图像特征 177第8章 地面建筑物的变形监测 1828.1 工程建筑物变形监测 1828.1.1 变形监测的含义 1828.1.2 建筑物变形监测的项目 1838.1.3 沉降的原因和种类 1838.2 变形监测的周期及其精度 1848.2.1 变形监测的周期 1848.2.2 变形监测的精度 1858.2.3 高程控制网的建立和沉降监测 1868.2.4 变形监测平面控制网的建立 1908.3 建筑物的倾斜监测 1928.3.1 直接测定建筑物倾斜度的方法 1928.3.2 测定建筑物基础相对沉降值的方法 1948.3.3 液体静力水准测量方法 1948.4 建筑物裂缝和挠度监测 1958.4.1 建筑物裂缝监测 1958.4.2 建筑物挠度监测 196第9章 地下工程监测案例 1989.1 南京地铁1号线某区间盾构隧道工程监控 1989.1.1 工程概况 1989.1.2 监测项目与控制标准 1989.1.3 监测结果与分析 1999.1.4 监测信息反馈 2089.2 广州地铁1号线某区间隧道工程监测 2099.2.1 工程概况 2099.2.2 监测项目与控制标准 2109.2.3 监测结果与分析 2119.2.4 监测信息反馈 216第10章 地下工程监测的信息反馈技术 21910.1 信息反馈的目的及内容 21910.1.1 信息反馈的目的 21910.1.2 信息反馈的内容 21910.2 监测数据的处理方法 22010.2.1 散点图和回归分析法 22010.2.2 位移监测数据分析中常用的回归函数 22310.3 信息反馈 22410.3.1 监测反馈程序 22410.3.2 收敛约束法 22510.3.3 参数控制法 22610.3.4 工程类比法 22710.3.5 有限单元法 23010.3.6 反分析法 23210.4 稳定围岩与支护结构的技术措施 23510.4.1 钻爆法施工时围岩与支护结构稳定的技术措施 23610.4.2 盾构法施工时围岩与支护结构的稳定措施 24310.4.3 明挖法施工时地层与围护结构的稳定措施 247第11章 地下工程现场监测的组织与实施 24911.1 监测方案的编制 24911.1.1 监测方案的设计原则 24911.1.2 监测项目的确定 24911.1.3 监测方案编制的步骤 25011.1.4 监测方案的主要内容 25011.1.5 编制监测方案的基础资料 25011.2 监测的组织与实施 25111.2.1 监测的前期准备 25111.2.2 监测工作的实施 25211.3 监测资料的整理与分析 25511.3.1 监测资料的种类 25511.3.2 监测数据的整理 25611.3.3 监测数据的分析与反馈 258第12章 测量误差分析与数据处理 25912.1 概述 25912.2 测量误差及其分类 25912.2.1 误差分类 26012.2.2 精密度、准确度与精度 26012.3 单随机变量的数据处理 26112.3.1 误差估计 26112.3.2 误差的分布规律 26212.3.3 可疑数据的舍弃 26312.3.4 处理结果的表示 26412.4 多变量数据的处理 266第13章 地下工程的模型试验与测试技术 27013.1 相似理论与室内模型试验 27013.1.1 相似理论 27013.1.2 相似理论第1定理 27213.1.3 相似理论第2定理 27513.1.4 相似理论第3定理 27513.2 相似准则的导出 27713.2.1 方程分析法 27713.2.2 量纲分析法 27913.3 相似理论的应用 28213.3.1 结构静力相似 28213.3.2 结构动力相似 28413.4 相似材料模型试验 28913.4.1 相似准则的推导 29013.4.2 单值条件 29513.4.3 相似材料的配置 29613.5 结构模型试验 29913.6 离心模型试验 301主要参考文献 304附录A 测区混凝土强度值换算表 305附录B 泵送混凝土测区混凝土强度值换算表 317
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第1章测试技术基础知识和传感器原理 1.1测试系统的组成和特性 人类社会和科学技术的发展表明，没有试验和测试技术就没有科学，科学技术的发展同样需要试验和测试技术加以支撑。试验与测试技术、科学在各自发展与相互促进的对立统一关系中得以不断发展。现代科学研究的方法包括理论分析、试验测试和数值分析，试验与测试技术是构成科学研究的重要方法之一。 现代测试技术包括测量和试验技术，是研究测试与试验技术的规律、方法、原理及应用的一门学科。随着现代科学技术的快速发展和生产水平的提高，各种测试技术已越来越广泛地应用于各个工程领域和科学研究当中。测试技术的水平已经成为衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志之一。现代测试技术的作用主要体现在以下3个方面： （1）科学研究和试验过程中各种参数的测量和分析。 （2）工业自动化生产过程中各参数的监测、反馈、调节和控制。 （3）工程建设和工业生产中现场实时监测和监控。 当代科学技术的不断发展为测试技术水平的提高创造了物质条件，反之高水平的测试理论和测试技术又会促进科技成果的不断创新。当前，随着半导体技术的不断突破和大规模集成电路构成的微处理器的广泛应用，测试技术逐渐向高精度、小型化和智能化的方向发展，新型传感器的研制也成为当前测试技术的重要发展内容。 只有对测试系统有完整的了解，才能按照实际需要设计或配置出一个有效的测试系统，达到实际测试的目的。按照信号传递方式，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。模拟式测试系统是将被测物理量转换成电阻、电压、电磁、指针位移和记录*线等模拟量的测试系统，而数字式测试系统是将被测物理量转换成二进制或十进制数码的测试系统。 1.1.1测试系统的组成 一个测试系统由一个或若干个功能单元组成。图1.1为一个完整的力学测试系统，它由三大部分组成，即荷载系统、测量系统、显示与记录系统。 荷载系统主要由加载体系和被测对象构成，而测量系统主要包括传感器、信号变换与测量电路，显示与记录系统包括存储器、绘图仪、数据处理器和打印机等外围设备。若要以最佳方案完成测试任务，就应该对整个测试系统的各功能单元作全面和综合的分析与研究。 一个测试系统可根据测试目的和要求的不同，设有不同的功能单元，也可以只含有其中的一至两个部分。如常用的弹簧秤，它只由一根弹簧、挂钩和刻度尺组成，仅包含了测量和显示功能。 图1.1完整力学测试系统的组成 图1.2是岩石和混凝土试件应力与应变测试系统的组成，该系统是由多个测试单元组成的测试系统。 图1.2岩石和混凝土试件应力与应变测试系统的组成 1.荷载系统 荷载系统也称加载系统，该系统使被测对象（如试件等）处于一定的约束或受力状态，待与被测对象有关的物理力学量之间的联系充分显现出来后，再进行有效测量。 例如，在如图1.2所示的岩石和混凝土试件应力与应变测试系统中，液压加载系统就是一个荷载系统。它由试件、试验架、液压控制系统组成，液压泵提供施加到试件上的荷载，液压控制系统则使荷载按一定速率平稳地施加，并在需要时保持恒定，从而使试件在一定的法向应力水平下进行剪切试验。在隧道与地下工程中，荷载是通过施工和开挖等工程活动而施加的。 2.测量系统 测量系统由传感器和测量电路组成，其主要作用是将被测物理量（如力、位移等）通过传感器转换成电信号，并经过后接仪器的变换、放大和运算，最终变为易于处理和记录的电信号。传感器是整个测试系统中采集信息的关键环节，其作用是将被测非电量转换为便于放大、记录的电信号。因此，有时也称传感器为测试系统的一次仪表，其余部分称为二次仪表或三次仪表。 例如，在如图1.2所示的测试系统中，需要观察在不同正应力或法向应力作用下，试件在抗压或剪切过程中法向和剪切方向力和位移的变化。采用四只位移传感器分别测量试件在法向和剪切方向的位移，采用两只液压传感器分别测量试件在法向和剪切方向的荷载。其中，荷载传感器和动态电阻应变仪组成力的测量系统，而位移传感器和位移变送器组成位移测量系统。 动态电阻应变仪和位移变送器的中间变换和测量电路中通常设置有电桥电路、放大电路、滤波电路及调频电路等。测量系统是根据不同的被测参量，选用不同的传感器和后接仪器组成，但不同的传感器需要与后接仪器相匹配。 3.信号处理系统 信号处理系统的作用是将测量系统的输出信号进一步处理，以排除干扰或输出不同的物理量，如对位移量的一次微分得到速度，二次微分得到加速度。图1.2中的计算机需要设计智能滤波等软件，以排除测量系统中产生的噪声干扰和偶然波动，提高所获信号的置信度。对模拟电路的处理则需要用专门的仪器或电路，例如滤波器等。 4.显示与记录系统 显示与记录系统是测试系统的输出环节，用于显示、记录或存储从被测对象测得的有用信号及其变化过程。数据显示可以用各种表盘、电子示波器和显示屏来实现，而数据记录则可采用函数记录仪、光线示波器、磁盘或存储器等设备来实现。例如，如图1.2所示的测试系统中，以打印机和绘图仪等作为测试系统的显示与记录设备。 1.1.2测试系统的性能指标 测试系统的主要性能指标有精度、稳定性、测量范围（量程）、分辨率和传递特性等。这些指标是在经济合理地选择测试系统时必须明确提出的关键因素。 1.测试系统的精度和误差 测试系统的精度是指其示出的测量值和被测物理量的真值之间的接近程度。精度与误差是同一概念的两种不同表达方式。通常，测试系统的精度越高，其误差越小；反之，精度越低，则误差越大。在实际测试工作中常采用测试系统的绝对误差（Ea）、相对误差（Er）和引用误差（Eq）来表示其精度的高低。 （1）绝对误差： （1.1） （2）相对误差： （1.2） （3）引用误差： （1.3） 式（1.1）～式（1.3）中，x为由仪器或传感器测量获得的测量值；X0为被测物理量的真值；Xm为测量仪器的测量上限值。 绝对误差越小，说明测量值越接近真值。实际上真值是难以确切测量的，因此，常用更高精度的仪器来进行测量，并将测得的X0值代替真值，X0也叫约定真值。在使用引用误差表示测试仪器的精度时，需尽量避免仪器在靠近测量下限的1/3量程范围内工作，以免产生较大的相对误差。 相对误差可用来比较同一仪器不同测量结果的准确程度，但不能用来衡量不同仪表的质量高低，或不能用来衡量同一仪表在不同量程时的质量高低。因为在整个量程范围内，同一仪表的相对误差是一个变值，随着被测量量程的减小而增大，精度也随之降低。当被测量值接近量程起始零点时，相对误差趋于无限大。实际中，常以引用误差来划分仪表的精度等级，其可以较全面地衡量测量精度。 2.稳定性 衡量仪器或传感器示值的稳定性有两项指标：一项是时间上的稳定性，以稳定度来表示；另一项是仪器外部环境和工作条件变化所引起的示值不稳定性，以影响系数来表示。 （1）稳定度。对于仪器中随机性变动、周期性变动、漂移等引起的示值变化，一般用精密度的数值和时间之比，即稳定度来表示。例如，每8h内引起电压的波动为1.3mV，则稳定度Sv=1.3mV/8h。 （2）影响系数。环境影响是指仪器工作场所的环境条件，如大气压、室温、振动等外部状态及电源电压、频率和腐蚀气体等因素对仪器精度产生的影响，可用影响系数表示。例如，周围介质温度变化所引起的示值变化，用温度系数βr（示值变化与温度变化率之比）来表示；电源电压变化所引起的示值变化，用电源电压系数βu（示值变化与电压变化率之比）来表示，如βu=0.02mA/10%表示电压每变化10%所引起的电流示值变化为0.02mA。 3.测量范围或量程 测试系统在正常工作时所能测量的最大量值范围称为测量范围或量程。在动态测量时还需同时考虑仪器的工作频率范围。 4.分辨率 分辨率是指系统能够检测到的被测量的*小变化值，也叫灵敏阈或者阈值。例如，若某一位移测试系统的分辨率是0.5μm，当被测量的位移小于0.5μm时，该位移测试系统将没有反应。但并不表明此时被测量没有发生变化，只是测试仪器或仪表的分辨率大于该变化而无法测出数据。通常要求测定仪器的分辨率在零点和90%满量程点的范围，一般来说分辨率的数值愈小愈好。 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的性能。了解测量系统的传递特性对提高测量的精度、正确选用系统或校准系统十分重要。 测量不随时间变化或变化很慢而可以忽略的量叫作静态测量；而测量随时间变化的量叫作动态测量。与此对应，测试系统的传递特性又可分为静态传递特性和动态传递特性，包含输入量与输出量之间函数关系的方程、图形、参数等。静态测量系统可以不考虑动态传递特性，而动态测量系统则既要考虑动态传递特性，又要考虑静态传递特性，这是因为测试系统的精度很大程度上与其静态传递特性有关。 1.1.3线性测试系统 根据不同的测试目的可组成各种不同功能的测试系统，各系统应保证输出数据能够精确地反映输入数据。对于一个理想的测试系统而言，应该具有确定的输入与输出关系，其中以输出数据与输入数据呈线性关系为最佳，即理想的测试系统应当是一个线性时不变系统。 若系统的输入函数x(t)和输出函数y(t)之间的关系可以用常系数线性微分方程式来表示，则该系统就称为线性时不变系统，简称为线性系统，其方程的通式为 （1.4） 式中，分别为输出函数y(t)的各阶导数； 分别为输入函数x(t)的各阶导数；和为常数，其与测试系统特性、输入状况、测试点的分布因素有关。 图1.3系统的输入与输出关系 从式（1.4）可以看出，线性方程中的每一项都不包含输入、输出函数及它们各阶导数的高次幂和乘积。此外，其内部参数也不随时间的变化而变化，测试系统中信号的输出和输入与信号的加入时间无关。 在研究线性测试系统时，系统中的任一环节如传感器、运算电路等都可简化为一个方框图，并用x(t)表示输入量，用y(t)表示输出量，h(t)表示系统的传递关系，则三者之间的关系可用图1.3表示。x(t)、y(t)、h(t)是3个具有确定关系的量，若已知其中任意两个，即可求出第3个，这便是工程测试中常常需要处理的实际问题。 1.2测试系统的静态传递特性 1.2.1静态方程和标定*线 当测试系统处于静态测量时，输入量x和输出量y不随时间发生变化，因而输入量和输出量的各阶导数均等于零，则式（1.4）将变成代数方程： （1.5） 式（1.5）称为测试系统的静态传递特性方程，简称静态方程。斜率S为常数，称为标定因子，表示静态或动态方程的图形时称为测试系统的标定*线、特性*线、率定*线或定度*线等。在直角坐标系中，标定*线的横坐标为输入量x，即自变量；而纵坐标为输出量y，即因变量。图1.4是标定*线的不同种类及其相应的*线方程。 图1.4标定*线的不同种类及其*线方程 如图1.4（a）所示，输入与输出呈线性关系，是理想状态，而其余的三条*线则可看成线性关系上叠加了非线性的高次分量。其中图1.4（b）标定*线包含了x的奇次幂，它在零点附近有一段对称的近似于直线的线段，可以作为近似标定*线，而图1.4（c）和图1.4（d）的*线则是不合适的。 标定*线是反映测试系统输入量x和输出量y之间关系的*线。一般情况下，实际输入量与输出量的关系*线并不完全符合理论所要求的理想线性关系，所以定期标定测试系统的标定*线是保证测试结果精确可靠的必要措施。对于重要的测试，需在测试前后都对测
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