變形監(jiān)測技術與應用4章

變形監(jiān)測技術與應用4章第一頁，共68頁。建筑物的內部監(jiān)測是安全監(jiān)測的重要內容；監(jiān)測項目主要包括：位移監(jiān)測、應力/應變監(jiān)測、溫度監(jiān)測、滲流監(jiān)測和撓度監(jiān)測等。內部監(jiān)測一般采用傳感器等自動化監(jiān)測技術實施；在大多數大型工程中，內部監(jiān)測已經成為必選的監(jiān)測項目，其監(jiān)測資料為工程建筑物的安全評判提供了可靠的依據。建筑物內部監(jiān)測第四章建筑物內部監(jiān)測2第二頁，共68頁。主要內容第四章建筑物內部監(jiān)測內部位移監(jiān)測應力/應變監(jiān)測地下水位及滲流監(jiān)測撓度監(jiān)測裂縫監(jiān)測光纖監(jiān)測技術3第三頁，共68頁?！?內部位移監(jiān)測內部位移觀測包括分層沉降觀測、分層水平位移觀測和界面位移觀測。在土工建筑物的施工控制和變形監(jiān)測中，一般都需要進行這個項目的監(jiān)測。第四章建筑物內部監(jiān)測4第四頁，共68頁。內部位移觀測一般以觀測斷面的形式進行布置，觀測斷面應布置在最大橫斷面及其他特征斷面上，如地質及地形復雜段、結構及施工薄弱段等。每個觀測斷面上可布設1～3條觀測垂線，其中一條宜布設在軸線或中心線附近。觀測垂線上測點的間距，應根據建筑物的高度、結構形式、材料特性及施工方法與質量等而定。一條觀測垂線上的分層沉降測點，一般宜3～15個。最下一個測點應置于基礎表面，以兼測基礎的沉降量。第1節(jié)內部位移監(jiān)測5第五頁，共68頁。界面位移測點通常布設在壩體與岸坡連接處、組合壩型不同壩斜交界及土壩與混凝土建筑物連接處，測定界面上兩種介質相對的法向及切向位移。第1節(jié)內部位移監(jiān)測6第六頁，共68頁。觀測方法分層沉降觀測主要方法有：電磁式沉降儀觀測、干簧管式沉降儀觀測、水管式沉降儀觀測、橫臂式沉降儀觀測和深式測點組觀測。分層水平位移觀測的常用方法有：測斜儀及引張線式位移計，有條件時，也可采用正、倒垂線進行觀測。界面位移可采用振弦式位移計及電位器式位移計進行觀測。第1節(jié)內部位移監(jiān)測7第七頁，共68頁。測斜儀及其應用測斜儀是觀測分層水平位移的常用儀器。測斜儀一般由測頭、導向滾輪、連接電纜及測讀設備等部分組成。其工作原理是利用重力擺錘始終保持鉛直方向的特性。彈簧銅片上端固定,下端靠著擺線；當測斜儀傾斜時擺線在擺錘的重力作用下保持鉛直，壓迫簧片下端，使簧片發(fā)生彎曲，由粘貼在簧片上的電阻應變片測出簧片的彎曲變形，即可知道測斜儀的傾角，從而推算出測斜管的位移。

第1節(jié)內部位移監(jiān)測8第八頁，共68頁。1——傳感器2——電纜3——導管接頭4——鉆孔5——導管6——灌漿7——導輪8——管初始位置線9——傳感器測斜儀工作原理示意圖第1節(jié)內部位移監(jiān)測9第九頁，共68頁。測斜儀的使用方法（1）（1）測斜儀在使用前需按規(guī)定進行嚴格標定；（2）測斜管用鋼材、鋁合金和塑料等制作，每節(jié)長度2～4m，管接頭有固定式或伸縮式兩種，管內壁設有兩對互相垂直的縱向導槽；（3）測斜管宜埋設在孔徑等于或大于89mm的鉆孔中,通常管底應埋置在預計發(fā)生傾斜部位的深度之下；（4）測斜管應豎向埋設，管內導槽位置應與量測位移的方向一致；第1節(jié)內部位移監(jiān)測10第十頁，共68頁。測斜儀的使用方法（2）（5）測斜管頂部高出基準面150～200mm，頂部和底部用蓋子封牢，并在埋入前灌滿清水,以防污水、泥漿或砂漿從管接頭處漏入；（6）測斜管應在正式測讀前5天安裝完畢,并在3～5天內重復測量3次以上，判明測斜管已處于穩(wěn)定狀態(tài)后方可開始正式測量工作；（7）測量時,將測斜儀與標有刻度的電纜線連接,電纜線的另一端與測讀設備連接；然后將測斜儀沿測斜管的導槽放入管中，直滑到管底，每隔一定距離向上拉線讀數，測出測斜儀與豎直線之間的傾角變化,即可得出不同深度部位的水平位移。第1節(jié)內部位移監(jiān)測11第十一頁，共68頁。分層沉降觀測分層沉降觀測一般和分層水平位移觀測聯合布設，即在測斜管的外部再加設沉降環(huán);要求測斜管的剛度與周圍介質相當，且沉降環(huán)與周圍介質密切結合;沉降管（或測斜管）一般應隨建筑物的填筑埋設。第1節(jié)內部位移監(jiān)測12第十二頁，共68頁。1——磁鐵環(huán)；2——沉降管；3——探測頭；4——鋼尺；5——指示器分層沉降觀測示意圖第1節(jié)內部位移監(jiān)測13第十三頁，共68頁。電磁式沉降儀觀測利用電磁式沉降儀觀測分層沉降時，首先應測定孔口的高程，再用電磁式測頭自下而上測定每個沉降環(huán)的位置（即孔口到沉降環(huán)的距離），每個測點應平行測定兩次，讀數差不得大于2mm。利用孔口高程和孔口到沉降環(huán)的距離可以計算出每個沉降環(huán)的高程，從而可以計算出每個沉降環(huán)的沉降量，以及每個沉降環(huán)之間的相對沉降量。第1節(jié)內部位移監(jiān)測14第十四頁，共68頁。深式測點組觀測分層沉降觀測也可采用深式測點組的方式進行觀測，即在需要觀測的位置預埋測點標志，并將標志接伸到建筑物的表面，這樣，多個標點就形成了一個標點組，每次觀測各個標頭高程，即可知道各測點的沉降情況。第1節(jié)內部位移監(jiān)測15第十五頁，共68頁。水管式沉降儀觀測水管式沉降儀也是用于測量建筑物內部沉降的一種常用測量儀器；該儀器由沉降測頭、連通水管、排水管、通氣管、保護管、觀測臺、充水排氣設備等構成；常用于土石壩、河堤等土工建筑物的沉降監(jiān)測。第1節(jié)內部位移監(jiān)測16第十六頁，共68頁。水管式沉降儀結構示意圖第1節(jié)內部位移監(jiān)測17第十七頁，共68頁?！?應力/應變監(jiān)測在所考察的截面某一點單位面積上的內力稱為應力；應力是反映物體一點處受力程度的力學量，同截面垂直的稱為正應力或法向應力，同截面相切的稱為剪應力或切應力。應力會隨著外力的增加而增長，對于某一種材料，應力的增長是有限度的，超過這一限度，材料就要破壞。第四章建筑物內部監(jiān)測18第十八頁，共68頁。應力/應變監(jiān)測的作用通過應力/應變監(jiān)測，了解建筑物應力的實際分布，尋求最大應力的位置、大小和方向，真正掌握建筑物的實際強度安全程度。利用應力/應變的觀測成果，可以改進設計，驗證新的設計方法和建筑物的設計形態(tài)。第2節(jié)應力/應變監(jiān)測19第十九頁，共68頁。儀器埋設為了獲得觀測數據，必須在事先選擇好的觀測截面上的測點處埋設應變計組和無應力計。應變計組主要監(jiān)測混凝土在平面方向上的應力狀態(tài)。應變計組的各向應變計的測值反映的是測點的各向應變。無應力計是用來測量除外力以外的由于混凝土物理、化學因素及溫度、濕度變化引起的變形。第2節(jié)應力/應變監(jiān)測20第二十頁，共68頁。應變計埋設先將支座固定于埋設儀器處的預埋鋼筋上，然后插上支桿并準確校正支桿方向，再將應變計裝于支桿上，五支儀器的方位誤差不超過±1°，方向布置在觀測斷面上，但至少有一個方向與觀測斷面垂直。儀器周圍填筑混凝土時，一定要剔除大于8cm大骨料，防止大骨料造成混凝土不均勻，影響觀測精度。用人工方法振搗儀器周圍的混凝土，使混凝土慢慢圍住并逐漸覆蓋儀器，這樣可以有效地保護儀器和電纜不被巨大的外力破壞。

第2節(jié)應力/應變監(jiān)測21第二十一頁，共68頁。無應力計埋設先用細鐵絲將應變計固定在無應力計內筒的中心位置上，將沒有大骨料的混凝土填充到內筒內，使混凝土均勻地分布在應變計周圍，然后用人工振搗密實，否則將影響儀器信號的輸出。最后用螺栓把筒蓋密封埋入混凝土中。無應力計筒的埋設位置應距應變計組1米左右。特別注意在埋設時，要不斷測量應變計組的電阻和電阻比，以便發(fā)現有異常情況的儀器即時更換。

第2節(jié)應力/應變監(jiān)測22第二十二頁，共68頁?！?地下水位觀測地下水位觀測是水利、采礦、能源、交通以及高層建筑等工程中進行安全監(jiān)測的主要項目之一。目前，國內地下水位觀測一般采取在透水層埋設測壓管，通過人工或利用水位傳感器進行觀測，也可通過專門的觀測井進行觀測。第四章建筑物內部監(jiān)測23第二十三頁，共68頁。水位觀測井觀測利用水位觀測井觀測地下水位動態(tài)變化是一種傳統(tǒng)的測量方法，該系統(tǒng)主要由鉆孔埋入地下的水位管和由測頭、鋼尺電纜、接收系統(tǒng)及繞線盤等部分組成，測頭內部安裝了水阻接觸點，當觸點接觸到水面時，便會接通接收系統(tǒng)，蜂鳴器發(fā)出響聲。此時，讀取測量鋼尺讀數，即可獲取地下水位相對于管口的深度，并可進一步轉換成絕對水位。水位觀測井應設置在具有代表性的位置上，井位的布設以能全面反映工程環(huán)境地下水位分布面為準。

第3節(jié)地下水位觀測24第二十四頁，共68頁。壓阻式液位傳感器觀測該系統(tǒng)采用中美合資麥克傳感器有限公司生產的壓阻式液位傳感器，這種傳感器體積小，安裝維護較方便，其抗振動沖擊性能也相當好。它采用高穩(wěn)定性的OEM表壓傳感器，將其裝入一個不銹鋼殼體內，鋼體頂部有一鋼帽能起到保護傳感器膜片的作用，同時又能使水通暢地接觸到膜片，輸出信號通過防水電纜與傳感器外殼密封連接。該傳感器是為連續(xù)投入水中使用而設計的，工作溫度范圍寬，穩(wěn)定性良好。第3節(jié)地下水位觀測25第二十五頁，共68頁。X=H-h測量方法示意圖第3節(jié)地下水位觀測26第二十六頁，共68頁。感應式數字液位傳感器觀測感應式數字液位傳感器是一種用于液位測量的器件，采用神經網絡電路的棒式傳感器，利用機械方法定位感應裝置感應液位變化，經機械編碼處理，實現數字化分度（等精度測量的關鍵）、數字化采樣、數字化傳輸的全新新型液位傳感器。具有測量精度高、穩(wěn)定可靠、抗干擾等優(yōu)點。

第3節(jié)地下水位觀測27第二十七頁，共68頁。感應式數字液位傳感器第3節(jié)地下水位觀測28第二十八頁，共68頁。§4滲流量觀測滲流量觀測包括滲漏水的流量及其水質觀測。水質觀測中包括滲漏水的溫度、透明度觀測和化學成分分析。滲流量觀測系統(tǒng)的布置，應根據工程的地質條件、滲漏水的出流和匯集條件以及所采用的測量方法等確定。對于大型工程應分區(qū)、分段進行測量，所有集水和量水設施均應避免客水干擾。滲漏水的溫度觀測以及用于透明度觀測和化學分析水樣的采集，均應在相對固定的滲流出口或堰口進行。第四章建筑物內部監(jiān)測29第二十九頁，共68頁。觀測方法

根據滲流量的大小和匯集條件，可選用如下幾種方法進行觀測：（1）當流量小于1L/s時宜采用容積法；（2）當流量在1～30L/s之間時宜采用量水堰法。（3）當流量大于300L/s或受落差限制不能設置水堰時，應將滲漏水引入排水溝中，采用測流速法。第4節(jié)滲流量觀測30第三十頁，共68頁。量水堰法觀測量水堰的結構有三角堰、梯形堰和矩形堰三種。目前，量水堰一般選用三角堰，三角堰缺口為等腰三角形，底角為直角，堰口下游邊緣呈45°。矩形堰堰板應嚴格保持堰口水平，水舌兩側的堰墻上應留通氣孔。第4節(jié)滲流量觀測31第三十一頁，共68頁。1——水尺；2——堰板量水堰結構示意圖第4節(jié)滲流量觀測32第三十二頁，共68頁。直角三角形量水堰板示意圖第4節(jié)滲流量觀測33第三十三頁，共68頁。安裝要求量水堰應設在排水溝直線段的堰槽段。該段應采用矩形斷面，兩側墻應平行和鉛直。槽底和側墻應加砌護，不漏水，不受其它干擾。堰板應與堰槽兩側墻和來水流向垂直。堰板應平正和水平，高度應大于５倍的堰上水頭。堰口水流形態(tài)必須為自由式。測讀堰上水頭的水尺或測針，應設在堰口上游3～5倍堰上水頭處。尺身應鉛直，其零點高程與堰口高程之差不得大于1mm。水尺刻度分辨率應為1mm；測針刻度分辨率應為0.1mm。必要時可在水尺或測針上游設欄柵穩(wěn)流。量水堰安裝完畢，應詳細填寫考證表，存檔備查。第4節(jié)滲流量觀測34第三十四頁，共68頁。測流速法觀測測流速法的流速測量，可采用流速儀法或浮標法，兩次流量測值之差不得大于均值的10%。測流速法觀測參流量的測速溝槽應符合以下要求：（1）長度不小于15m的直線段；（2）斷面一致，并保持一定縱坡；（3）不受其它水干擾。第4節(jié)滲流量觀測35第三十五頁，共68頁?？紫端畨毫τ^測國內外所使用的孔隙水壓力計的種類較多,有振弦式、電阻片式、差動式、雙管液壓式、電感調頻式及水管式等等。土體中的土壓力和孔隙水壓力作用于接觸面上,經過透水石后,只有孔隙水壓力作用在變形膜上,膜片發(fā)生撓曲變形,引起鋼弦張力的變化,從而根據鋼弦頻率的變化可測得孔隙水壓力值。第4節(jié)滲流量觀測36第三十六頁，共68頁。1——導線2——防水材料3——線圈4——鋼弦5——透水石孔隙水壓力計的結構第4節(jié)滲流量觀測37第三十七頁，共68頁。使用方法（1）（1）每個孔隙水壓力傳感器在埋設之前均應進行傳感器的標定,以求得其標定系數及零點壓力下的頻率值；（2）根據傳感器的埋設深度、孔隙水壓力的變化幅度以及大氣降水可能會對孔隙水壓力造成的影響等因素,確定傳感器的量程,以免造成孔隙水壓力超出量程范圍,或是量程選用過大,影響測量精度。第4節(jié)滲流量觀測38第三十八頁，共68頁。（3）安裝傳感器前,先在選定的位置鉆孔至所需測量深度；再將用砂網、中砂裹好的傳感器放到測點位置；然后向孔中注入中砂(作為傳感器周圍的過濾層),以高出傳感器位置0.2m～0.5m為宜；最后向孔中埋入粘土，即可將孔封堵好。（4）當在同一鉆孔中埋設多個傳感器時,則傳感器的間距不得小于1m,且一定要保證封孔質量,避免水壓力的貫通；在地層的分界處亦應注意封孔質量,以免上下層水壓力貫通。使用方法（2）第4節(jié)滲流量觀測39第三十九頁，共68頁?！?撓度監(jiān)測測定建筑物受力后撓曲程度的工作稱為撓度觀測。建筑物在應力的作用下產生彎曲和扭曲，彎曲變形時橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移稱為撓度。第四章建筑物內部監(jiān)測40第四十頁，共68頁。平置構件撓度示意圖第5節(jié)撓度監(jiān)測41第四十一頁，共68頁。觀測方法對于直立高大型建筑物，其撓度的觀測方法是測定建筑物在鉛垂面內各不同高程點相對于底部的水平位移值。高層建筑物通常采用前方交會法測定。對內部有豎直通道的建筑物，撓度觀測多采用垂線觀測，即從建筑物頂部附近懸掛一根不銹鋼絲，下掛重錘，直到建筑物底部。在建筑物不同高程上設置觀測點，以坐標儀定期測出各點相對于垂線最低點的位移。比較不同周期的觀測成果，即可求得建筑物的撓度值。如果采用電子傳感設備，可將觀測點相對于垂線的微小位移變換成電感輸出，經放大后由電橋測定并顯示各點的撓度值。第5節(jié)撓度監(jiān)測42第四十二頁，共68頁。正垂線測量撓度倒垂線測量撓度撓度測量第5節(jié)撓度監(jiān)測43第四十三頁，共68頁?！?裂縫監(jiān)測建筑物裂縫比較常見，成因不一，危害程度不同。有些裂縫（如滑坡裂縫等）已是破壞的開始，多數裂縫都會影響建筑物的整體性，嚴重的能引起建筑物的破壞。為了保證建筑物的安全，應對裂縫的現狀和變化進行監(jiān)測。對建筑物產生的裂縫應進行位置、長度、寬度、深度和錯距等的定期觀測，對建筑物內部及表面可能產生裂縫的部位，應預埋儀器設備，進行定期觀測或臨時采用適宜方法進行探測。裂縫觀測的主要目的是查明裂縫情況，掌握變化規(guī)律，分析成因和危害，以便采取對策，保證建筑物安全運行。第七章建筑物內部監(jiān)測44第四十四頁，共68頁。測微器法測微器法主要包括：單向測縫標點和三向測縫標點；主要用于測量表面裂縫的寬度和錯距。第6節(jié)裂縫監(jiān)測45第四十五頁，共68頁。單向測縫標點一般用于測量裂縫的寬度。在實際應用中，可根據裂縫分布情況，對重要的裂縫，選擇有代表性的位置，在裂縫兩側各埋設一個標點；標點采用直徑為20mm，長約80mm的金屬棒，埋入混凝土內60mm，外露部分為標點，標點上各有一個保護蓋。兩標點的距離不得少于150mm，用游標卡尺定期地測定兩個標點之間距離變化值，以此來掌握裂縫的發(fā)展情況，其測量精度一般可達到0.1mm。第6節(jié)裂縫監(jiān)測46第四十六頁，共68頁。單位：（mm）1——標點；2——鉆孔線；3——裂縫單向測縫標點安裝第6節(jié)裂縫監(jiān)測47第四十七頁，共68頁。48第四十八頁，共68頁。三向測縫標點三向測縫標點有板式和桿式兩種，目前大多采用板式三向測縫標點。板式三向測縫標點是將兩塊寬為30mm，厚5～7mm的金屬板，作成相互垂直的3個方向的拐角，并在型板上焊三對不銹鋼的三棱柱條，用以觀測裂縫3個方向的變化，用螺栓將型板錨固在混凝土上。用外徑游標卡尺測量每對三棱柱條之間的距離變化，即可得三維相對位移。

第6節(jié)裂縫監(jiān)測49第四十九頁，共68頁。1——觀測x方向的標點；2——觀測y方向的標點；3——觀測z方向的標點；4——伸縮縫板式三向測縫標點結構第6節(jié)裂縫監(jiān)測50第五十頁，共68頁。測縫計測縫計可分為電阻式、電感式、電位式、鋼弦式等多種，是由波紋管、上接座、接線座及接座套筒組成儀器外殼。差動電阻式的內部構造是由兩根方鐵桿、導向板、彈簧及兩根電阻鋼絲組成，兩根方鐵桿分別固定在上接座和接線座上，形成一個整體。第6節(jié)裂縫監(jiān)測51第五十一頁，共68頁。1——接座套管；2——接線座；3——波紋管；4——塑料套；5——鋼管；6——中性油；7——方鐵桿；8——電阻鋼絲；9——上接座；10——彈簧測縫計結構示意圖第6節(jié)裂縫監(jiān)測52第五十二頁，共68頁。超聲波檢測超聲波用于非破損檢測，就是以超聲波為媒介，獲得物體內部信息的一種方法。掌握混凝土表面裂縫的深度，對混凝土的耐久性診斷和研究修補、加固對策有重要意義。當聲波通過混凝土的裂縫時，繞過裂縫的頂端而改變方向，使傳播路程增加，即通過的時間加長，由此可通過對裂縫繞射聲波在最短路程上通過的時間與良好混凝土在水平距離上聲波通過的時間進行比較來確定裂縫的深度。第6節(jié)裂縫監(jiān)測53第五十三頁，共68頁。E——發(fā)射探頭；R——接收探頭；B——裂縫；A——裂縫終點；H——裂縫深度超聲波觀測裂縫深度第6節(jié)裂縫監(jiān)測54第五十四頁，共68頁。土工建筑物表面裂縫觀測對全部裂縫或若干主要裂縫區(qū)的裂縫進行觀測。主要裂縫包括：縫寬顯著或長度較長的裂縫、垂直于軸線的裂縫、明顯的垂直錯縫、弧形縫、地形陡變部位的裂縫等。在觀測范圍內，以土壩、土堤等建筑物的軸線為基準線，可按堤壩樁號和距軸線的距離，畫出坐標方格，逐格量測縫的分布位置和沿走向的長度。裂縫寬度可在兩側設帶釘頭的小木樁作標點進行量測。裂縫錯距可作刻度尺直接量測。裂縫深度，可選定若干適當位置，進行坑探、槽探或井探。探測前，最好從縫口灌入石灰水，以便觀察縫跡。第6節(jié)裂縫監(jiān)測55第五十五頁，共68頁。土工建筑物內部裂縫觀測對于土工建筑物內部或表面可能發(fā)生裂縫的部位，可在施工時埋設土應變計或改裝的測縫計進行定期觀測。在已成土工建筑物上，除可利用上述探測縫深的各種方法外，也可使用對堤壩隱患進行探測的有關方法進行探測，還可利用變形觀測資料進行初步分析判斷，從而有目的地進行探測。第6節(jié)裂縫監(jiān)測56第五十六頁，共68頁。混凝土建筑物表面裂縫觀測對于混凝土建筑物，首先應根據情況，確定觀測范圍。裂縫分布位置和長度可仿照土工建筑物的量測辦法進行量測。裂縫深度，除可用細鐵絲等簡易辦法探測外，常采用超聲波探傷儀進行探測，也可采取逐步鉆孔進行壓氣或壓水試驗辦法探測。裂縫寬度，除可用讀數放大鏡直接觀測外，常在縫兩側設金屬標點，用游標卡尺量測，或將差動式電阻測縫計的兩端分別固定在縫的兩側，用電阻比電橋或其他檢測儀器觀測或自動遙測。對于貫穿性裂縫的錯距，可在縫的兩側設三向測縫標點進行三個方向的量測。第6節(jié)裂縫監(jiān)測57第五十七頁，共68頁。混凝土建筑物內部裂縫觀測對于大體積混凝土內部或表面預計可能發(fā)生裂縫的部位，可在施工時埋設裂縫計（差動式電阻測縫計連接加長桿而成）定期進行觀測。在已竣工工程上，可采用上述探測縫深的辦法進行探測。

第6節(jié)裂縫監(jiān)測58第五十八頁，共68頁。光纖傳感技術是70年代中期發(fā)展起來的一門新技術，它是伴隨著光纖及光通信技術的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器是把光纖傳感技術應用于測量領域的一種傳感器件，它與傳統(tǒng)的傳感器相比具有許多優(yōu)點：如靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、抗電磁干擾、光路可擾曲、易于與計算機連接、便于遙測等，而且結構簡單、尺寸小、質量輕、頻帶寬，可進行溫度、應變、壓力等多種參數的分布式測量。近年來，光纖傳感器以其獨特的優(yōu)點，在土木工程領域得到了廣泛的應用，成為建筑物結構監(jiān)測的首選傳感器形式。

§7光纖監(jiān)測技術第四章建筑物內部監(jiān)測59第五十九頁，共68