土木工程监测技术 同济大学

土木工程监测技术第一章测试技术理论基础测试技术是测量技术和试验技术的总称。现代测试技术的主要功用：各种参数的测定；自动化过程中参数的反馈、调节和自控；现场实时检测和监控；试验过程中的参数测量和分析。测试系统应具有的功能：将被测对象置于预定状态下；对信息进行采集、变换、传输；对信号进行必要的分析、处理和判断；信号的显示或记录。现代测试技术的发展趋势：高精度、小型化和智能化；新型传感器的研制。一、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。一个功能单元组成的测试系统：弹簧称；温度计。多个功能单元组成的测试系统：直剪试验计算机测试系统（如图11）。典型的力学测试系统由四大部分组成（如图12）：荷载系统、测量系统、显示与记录系统。1、荷载系统荷载系统是使被测对象处于一定的受力状态下，使被测对象(试件)有关的力学量之间的联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门系统。地下工程试验采用的荷载系统有：液压式、重力式、杠杆式、弹簧式、气压式、等等。2、测量系统测量系统由（一次仪表）、中间变换和测量电路（二次仪表）组成。一次仪表（传感器）把被测量（如力、位移）变成电信号；二次仪表将信号变换、放大、运算，变成易于处理和记录的信号。不同的传感器要求与其相匹配的二次仪表。模拟式仪器中包含有抗干扰和滤波器等电路或器件；数字式仪器中包含有抗干扰和滤波器等软件。3、显示和记录系统它是将信号及其变化过程显示或记录（或存储）下来，是测试系统的输出环节。数据显示：各种表盘、电子示波器和显示屏；数据记录：函数记录仪、光线示波器、打印机和绘图仪等；数据存储：磁带记录仪、磁盘（硬盘、软盘）等，设备来实现，直剪试验计算。机辅助测试系统中，以微机屏幕、等作为显示记录设备。二、测试系统的主要性能指标测试系统的主要性能指标是经济合理地选择测试系统时所必需明确的。1、测试系统的精度和误差精度：测试系统给出的指示值和被测量的真值的接近程度。精度与误差是同一概念的两种不同表示方法。精度越高，误差越低。通常用测试系统相对误差和引用误差的大小来表示其精度的高低：绝对误差 (11a)相对误差 (11b)引用误差 (11c)真值：常用更高精度的仪器测得的值X0代替真值（叫约定真值）。例1：某压力盒的量程为1MPa，引用误差为满量程的1%，若：测试结果是0.1MPa，则：=0.01MPa，=10%。若：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：某压力盒的量程为1MPa，相对误差为1%，若：测试结果是0.1MPa，则：=0.001MPa，=1%。若：测试结果是0.8MPa，则：=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的质量好坏如：0.01MPa与0.01mm不能比；用引用误差表示仪器的精度，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的精度，绝对误差随被测量值而变2、稳定性仪器示值的稳定性的两种指标：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的示值不稳定性，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、漂移等引起的示值变化。一般用精密度的数值和时间长短同时表示。例如：s1.3mv/8h表示每8小时内引起电压的波动为1.3mV。（2）环境影响：仪器工作场所的环境条件，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的影响，统称环境影响，用影响系数表示。例如：温度系数r(示值变化/温度变化)；电源电压系数u0.02mA/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的最大量值范围。在动态测量时，还需同时考虑仪器的工作频率范围。4、分辨率分辩率（灵敏阈）：系统可能检测到的被测量的最小变化值。通常要求测定仪器在零点和90%满量程点的分辩率。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的性能。静态测量：不随时间变化(或随时间变化很慢而可以忽略)的量的测量；动态测量：对随时间而变化的量的测量。静态传递特性：描述测试系统静态测量输入输出函数关系的方程、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的方程、图形、参数。作为静态测量的系统，可以不考虑动态传递特性；作为动态测量的系统，则既要考虑动态传递特性，又要考虑静态传递特性。1、理想的测试系统：输出能精确地反映输入；具有确定的输入输出关系；输出与输入成线性关系时不变性。2、线性系统：若系统的输入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： (12)式中：分别是输出y(t)的各阶导数；分别是输入x(t)的各阶导数；为常数。说明：微分方程的常数只与测试系统的特性有关，不随时间的变化而变化。信号的输出与输入和信号加入的时间无关，即线性时不变性系统。在线性系统中的任一环节(如传感器、运算电路等)都可简化为如图13的方框图。若用h(t)表示测试系统的输入量x(t)与输出量y(t)的传递关系，则三者之间具有确定的关系，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： (13)式中：c1、c2为任意常数。说明：同时作用于系统的两个任意输入量的线性组合所引起的输出量，等于该两个任意输入量单独作用于该系统时所引起的输出量的线性组合。作用：分析线性系统在复杂输入作用下的总输出时，可以先将复杂输入分解成若干个简单的输入分量，求出这些简单输入分量各自对应的输出之后，再求其线性组合，即可求出其总输出。2、微分特性若，则 (14)即系统对输入微分的响应，等同于对原输入响应的微分。3、积分特性若，则 (15)即如果系统的初始条件为零，则系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分。例如，已测得某物振动速度的响应函数，可作计算：，得位移的响应函数；可作计算：，得加速度的响应函数。4、频率保持特性若输入为正弦信号则输出函数必为 (16)即线性系统在稳态时输出的频率恒等于输入的频率，但其幅值和相位均有变化。若系统中的输出信号存在着其它频率时，则是外界干扰或系统内部的噪声。3 测试系统的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，因而输入和输出的各阶导数等于零，式(12)将变成代数方程： (17)上式称为系统的静态传递特性方程(简称静态方程)，斜率S(也称标定因子)是常数。标定曲线（如图14）：反映静态测试系统输入和输出之间实际传递特性的曲线。标定曲线的求取：以标准量作为输入信号并测出对应的输出，绘制成曲线。也可用统计法求出标定方程。标准量的精度应较被标定的系统的精度高一个数量级。说明：实际的输出输入关系曲线并不完全符合理论所要求的理想线性关系；需定期标定得到实际使用期的标定曲线，以保证测试结果精确可靠性。对于重要的测试，需在测试前、后都对测试系统进行标定，当前、后的标定结果的误差在容许的范围内时，才能确定测试结果有效。二、测试系统的主要静态特性参数1、灵敏度(如图15a）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，则测试系统的灵敏度为：系统特性曲线的斜率 (18)灵敏度S300mV/mm表示位移变化1mm时，输出电压的变化为300mV。对于线性系统，灵敏度为定值，若测试系统的输出和输入的量纲相同，则灵敏度S无量纲，常称放大倍数。2、线性度(直线度，如图15b）线性度：标定曲线与理想直线的接近程度。表示为：(19)A为测试系统的量程；B为标定曲线与参考理想直线的最大偏差。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：反映标定数据的一般趋势而误差绝对值为最小的直线。参考理想直线通常求法：取过原点，与标定曲线间的偏差B的均方值最小的拟合直线。3、回程误差（如图15c）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的行程中，同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值hmax与A的比值的百分率，即：(110)回程误差是由滞后现象和系统的不工作区(即死区)引起的。滞后现象是在磁性材料的磁化过程和材料受力变形的过程中产生。系统的死区是指输入变化时输出无相应变化的范围，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、传输或处理的信号的元件。也称换能器、变换器或探头。传感器的命名：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。传感器的分类：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的相对刚度的差异。如图16所示的系统，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，对系统的受力和变形都有很大的影响，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的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。电阻应变式传感器的工作原理：在外力的作用下，弹性元件产生变形，贴在弹性元件上的应变片产生一定的应变，再转换成电阻，由应变仪中的电桥获得输出信号，读出读数。1、测力传感器拉压力传感器结构，如图17；荷重传感器结构，如图18。 2、位移传感器双悬臂式位移式（见图19）：弹簧组合式（见图110）：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111）：在圆心处tr并达到最大值：在边缘处，t=0，r达到最小值：筒式（如图112）：圆筒外壁的切向应变为：4、压力盒（图113）5、热电阻温度计（图114）热电阻温度计：利用某些金属导体或半导体材料的电阻率随温度而变化的特性。金属导体的电阻和温度的关系为：式中：Rt、R0是温度为t和t0时的电阻值；t=t-t0是温度的变化值；是温度在t0t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115a；给出二根引线的三线制接法，如图115b。三、电感式传感器电感式传感器：将被测量的变化转换成自感或互感的变化，引起电路中阻抗的变化，输出与被测的位移量成比例的电压。1、单磁路电感传感器改变气隙厚度(如图116a)；改变通磁气隙面积S(如图116b)；螺旋管式(可动铁芯式)(如图1-16c)，改变铁芯的有效线圈数。变磁阻式压力盒(如图117a)；变磁阻式加速度计(如图117b)；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的一种。原理图：如图118a；等效电路图：如图118b；差动变压器的输出电路图：如图119。差动变压器式位移传感器如图120；差动变压器式测力传感器如图121。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的变化转变为钢弦振动频率的变化：式中：f为钢弦振动频率；L是钢弦长度；是钢弦的密度；是钢弦所受的张拉应力。以压力盒为例，钢弦上产生的张拉应力由外来压力P引起：式中：f是压力盒受压后钢弦的频率；f0是压力盒未受压时钢弦的频率；P压力盒底部薄膜所受的压力。钢弦频率式传感器的特点：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、钢弦频率式传感器的种类土压力盒：见图122；钢筋应力计：见图123；表面应变计：见图124；孔隙水压力计：见图125；位移计：见图126。3、频率仪频率仪的组成：放大器、示波管、振荡器和激发电路等原理：见图127；主要技术性能指标：频率测量范围：5005000Hz；测量精度：，分辨率：0.1Hz；灵敏度：接收信号300V，持续时间500ms。五、传感器选择的原则传感器量程确定的途径：查阅工程设计图纸、设计计算书和有关说明；根据已有的理论估算；由相似工程类比。传感器的量程一般应确定为被测物理量预计最大值的3倍。对传感器的基本要求：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，即受被测量之外的量的影响小；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、传感器与介质的的匹配当传感器埋入介质中时，由于它与介质的变形特性不同，会引起介质中应力的重新分布。这样，作用在传感器上的应力与未放入传感器时该点的应力是不相同的，这种情况称为不匹配。静力完全匹配条件是传感器与介质的弹性模量E和泊松比相等；如静力问题要考虑体积力时，则还须密度相等。动力完全匹配条件是传感器与介质的弹性模量E、泊松比和密度相等。在波动力学中，只有当传感器与介质的动力刚度相等时，才不会产生波的反射；(介质的动力刚度是其密度与波速的乘积，而波速只与、E、有关)。压力盒在满足下列条件时，其匹配在允许的范围内：压力盒厚度与直径之比应满足：H/D0.10.2；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/Es510；带油腔的压力盒，其感受面积与全面积之比Ag/A0应小于0.641；泊松比不匹配引起的误差可忽略不计；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的35倍；压力盒的直径必须远远小于应力波的波长；压力盒的质量与它所取代的介质的质量相等。七、仪器和传感器的标定标定(率定)：通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。标定曲线：试验求得的传感器输入量与输出量之间的关系曲线（输出特性曲线）。标定方法：利用已知的标准值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量，将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线。荷重、应力、压力传感器等的静标定方法是利用压力试验机进行标定；它们更精确的标定则是在压力试验机上用专门的荷载标定器标定；位移传感器的标定则是采用标准量块或位移标定器。按传感器的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的状态下进行；增加重复标定的次数，以提高测试精度。传感器需定期标定，一般以一年为期；对重要的试验，需在试验前后的标定误差，在允许的范围内；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的竹子林地区。东西长约1014米，南北宽约230米，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、基坑的用途：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、基坑监测的目的检验设计计算理论、模型和参数的正确性；及时反馈，指导基坑开挖和支护结构的施工；确保基坑支护结构和相邻建筑物的安全；为提高基坑工程设计和施工水平积累工程经验。三、基坑工程的施工过程3-2监测仪器和方法基坑工程施工现场监测的内容分为两大部分，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项目监测元件与仪器(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)内力钢筋应力计或应变计、频率仪或应变仪(2)水平位移经纬仪4立柱垂直沉降水准仪5坑底土层垂直隆起水准仪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(2)水平位移经纬仪8地下管线(1)垂直沉降水准仪(2)水平位移经纬仪9相邻房屋(1)垂直沉降水准仪(2)倾斜经纬仪(3)裂缝裂缝监测仪10坑外地下水(1)水位钢尺，或钢尺水位计和水位探测仪(2)分层水压孔隙水压力计、频率仪一、观察和描述观察和描述的内容：围护结构和支撑体系的施工质量；围护体系是否有渗漏水及其渗漏水的位置和多少；施工条件的改变情况；坑边和支撑上的堆载的变化；地表降水、施工用水的排放情况；基坑周围的地面裂缝；围护结构和支撑体系的工作失常情况；邻近建筑物和构筑物的裂缝；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：水准仪方法：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倍以外的稳定地方。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仪器：经纬仪方法：1.轴线法或视准线法（图3-1）。沿基坑边线或其延长线上的两端设置工作基点A、B，A、B两点形成的直线即为视准线，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的设置：距基坑一定距离的稳定地段；有支撑的围护结构，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的水平位移值作校正。其它测点的设置：最好设在基坑圈梁、压顶等较易固定的地方；基坑有支撑时，测点宜设在两根支撑的跨中。适用条件：场地条件好的浅基坑。2.前方交会法前方交会法是在距基坑一定距离的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的位移量。适用条件：工程场地小，施工障碍物多，基坑边线不都是直线的深基坑。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的点的水平位移。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的四条凹型导槽；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：测量倾角的传感元件。外形：40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的二次仪表。电缆：芯线中设有一根加强钢芯线，具有高防水性能。电缆的作用：向探头供给电源；给测读仪传递量测信息；作为量测探头所在的量测点距孔口的深度尺；提升和下放探头的绳索。2、测量原理（如图3-3）当土体内发生位移时，埋入土体中的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，可计算各点偏离垂线的水平偏差：(3-1)Li为第i量测段的长度，通常取为0.5m、1.0m等整数，单位mm；i为第i量测段的倾角值，单位度。以管口为参照点，并从管口向下第n个测点的水平偏差值为：(3-2)式中：0为管口的水平位移值，单位mm。第n个测点的水平位移n：(3-3)即：本次测得的水平偏差减去测斜管的初始水平偏差。式中：0n从管口下数第n个测点处的水平偏差初始值；0i从管口下数第n个测点处的倾角初始值；0是实测的管口水平位移。说明：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的水平偏差；可以依次测两个相互垂直方向的位移，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的曲线，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、下管节的滑槽严格对准；避免管子的纵向旋转；测斜管的一对凹槽与欲测量的位移方向一致（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；需测量测斜管导槽的方位、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；深层水平位移的初始值应是基坑开挖之前连续三次测量无明显差异读数的平均值；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的沉降或隆起，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、带刻度的导线、电感探测装置。测量原理：（如图3-4）埋入土体内的钢环与土体同步位移，用探头在分层沉降管探测钢环的位置，钢环位置的变化即为该深度处的沉降或隆起。精度：1mm。2、分层沉降管和钢环的埋设六、基坑回弹监测基坑回弹是开挖土体的卸荷过程引起的基坑底面的隆起。1、仪器和原理仪器：回弹标或深层沉降标、精密水准仪原理：高程测量。即埋设于基坑开挖面以下的分层沉降环监测到的土层隆起就是土层回弹量。2、埋设回弹标，如图3-5；深层沉降标，如图3-6。七、土压力监测1、预先安装法：如图3-7，适用于钢板桩或钢筋混凝土预制构件；2、挂布法：如图3-8，适用于地下连续墙；3、弹入法：如图3-9，适用于地下连续墙；4、活塞压入法：如图3-10，适用于地下连续墙；5、钻孔法：如图3-11，适用于土层中。八、孔隙水压力监测1、仪器：孔隙水压力传感器（孔隙水压力计）和频率仪。孔隙水压力计的量程取测点深度处水柱的1.52.0倍。2、原理：探头由金属壳体和透水石组成。孔隙水压力计的工作原理是把多孔元件（如透水石）放置在土中，使土中水连续通过元件的孔隙（透水后），把土体颗粒隔离在元件外面而只让水进入有感应膜的容器内，再测量容器中的水压力，即可测出孔隙压力。3、孔隙水压力计的埋设压入法：直接将孔隙水压力计压到埋设深度，或先钻孔至埋设深度以上1m处，再将孔隙水压力计压至埋设深度，用粘土球封孔至孔口。适用于较软土质。钻孔法：如图3-12，适用于土层中，原则上一个钻孔只能埋设一个探头。九、支挡结构内力监测1、用途：基坑围护结构沿深度方向的弯矩；基坑支撑结构的轴力和弯矩；圈梁或回檩的平面弯矩；结构底板所受的弯矩。2、仪器：钢筋应力计和频率仪或电阻应变仪；钢筋应变计和频率仪或电阻应变仪。钢筋应力计的量程根据钢筋的直径和等级。3、原理：由钢筋计的拉力或压力计算构件内力的方法如下：支撑轴力（kN）：(3-5)支撑弯矩：(3-6)地下连续墙弯矩：(3-7)式中：Ec,Eg为混凝土和钢筋的弹性模量，单位MPa；为所量测的几根钢筋拉压力平均值，单位kN；A,Ag为支撑截面面积和钢筋截面面积；为混凝土结构两对边受力主筋实测拉压力平均值；n为埋设钢筋计的那一层钢筋的受力主筋总根数；t为受力主筋间距；b为支撑宽度；h为支撑高度或地下连续墙厚度。说明：结构浇筑初期应考虑混凝土龄期对弹性模量的影响；温度变化大时，还需注意温差对监测结果的影响。4、埋设（如图3-13）钢筋应力计：割断主筋，与结构主筋串联焊接（照片1，照片2）钢筋应变计：并在结构主筋附近（与主筋并联）。钢筋计在混凝土结构内相对的钢筋层上对称布置；矩形断面可以布置在4个角点处。5、钢支撑轴力的监测a.在钢支撑端头安装轴力计（串联），直接测得轴力；b.在钢支撑表面焊接钢弦式表面应变计，用频率计或应变仪测读；c.在钢支撑表面粘贴电阻应变片，用应变仪测读；d.在钢支撑上安装位移计或千分表，测得钢支撑变形。对于b.、c.、d.三种监测方法:每个截面上均匀布置3个或4个监测元件；根据钢支撑截面积和平均应变，可以计算其轴力。说明：轴力计价格高，但测试简单,可以重复使用；需在施工单位配置钢支撑时就协调好轴力计安装事宜；轴力计安装不好，会影响支撑受力甚至引起支撑失稳或滑脱。十、土层锚杆拉力监测1、仪器和原理：锚杆拉力计、频率仪或电阻应变仪，直接测得锚杆拉力；钢筋应力计、频率仪或电阻应变仪，钢筋拉力乘以钢筋数量；钢筋应变计、频率仪或电阻应变仪，计算钢筋拉力，乘以钢筋数量。2、埋设锚杆拉力计安装在承压板与锚头之间，如图3-14；钢筋应力计：割断钢筋，与钢筋串联焊接；钢筋应变计：焊在钢筋或钢管上（与锚杆并联连接）。说明：钢筋应力计只能用于由钢筋组成的锚杆；锚杆由几根钢筋组合而成时，每根钢筋都需布设钢筋计。十一、地下水位监测1、仪器水位管：钻有小孔的塑料管，外包细纱布挡泥土。钢尺，或钢尺水位计和水位探测仪。2、埋设-钻孔埋设注意事项：清水冲孔后放入水位管；在水位管与孔壁间用干净细砂填实，上面2米用粘土球封孔；水位管应高出地面约200mm，上面加盖；做好水位观测井的保护装置。十二、邻近建筑物变形监测1、邻近建筑物资料收集和调查建筑物平面位置图等；建筑物基础和结构的设计图纸；建筑物基坑工程围护方案；建筑物既有的测点布设图和监测资料；建筑物已有裂缝的宽度、长度和走向等。2、监测内容沉降、水平位移、倾斜、裂缝等。3、倾斜监测4、裂缝监测十三、相邻地下管线监测1、相邻地下管线资料收集和调查市政综合管线图；管线埋置深度和走向、管材和接头的型式；管线的基础型式、地基处理情况等；管线地面道路人流与交通状况。2、监测内容沉降、水平位移3、测点布设间接测点：设在管线的窨井盖上；将钢筋打入至管底深度。适用场合：开挖布设直接测点条件不允许；设防标准不高。直接测点：a.抱箍式,如图3-21；b.套筒式,如图3-22。3-3监测方案设计监测方案制定步骤：1、收集和阅读有关资料综合平面图工程地质勘察报告围护结构和主体结构(0.00以下部分)的设计图纸围护施工组织设计综合管线图等相邻建筑物基础和结构的设计图纸2、现场踏勘3、拟定监测方案初稿，提交协调会议讨论，形成会议纪要4、根据会议纪对监测方案初稿进行修改，形成正式监测方案基坑工程监测方案设计的内容：1、监测内容-测什么；2、监测方法和仪器-怎么测；3、施测部位和测点布置-测哪里；4、监测期限和频度-何时测；5、预警值及报警制度等实施计划-怎么办。一、监测内容的确定有关规范确定:上海市地基基础设计规范(DGJ08-11-1999)（表3-2）国家行业标准建筑基坑支护技术规程(表3-3)表3-2基坑工程的施工监测项目表(据DGJ08-11-1999)序号监测项目围护结构施工基坑开挖水泥土围护墙板式支护体系放坡开挖1围护墙(边坡)顶水平位移-2围护墙(边坡)顶沉降-3立柱沉降-4围护墙侧向位移-*-5土体深层侧向位移-*6支撑或锚杆轴力-7基坑内外地下水位-8孔隙水压力-*-9围护墙体土压力-*-10坑底隆起（回弹）-*-11裂缝监测邻近建筑物*12邻近地面*13邻近建筑物沉降14邻近地下管线水平、竖向位移注：必须监测；*选择监测；-不用监测表3-3基坑工程等级划分及变形监控允许值安全等级一级二级三级破坏后果很严重一般不严重重要性系数01.101.000.90监测项目支护结构水平位移周围建筑物、地下管线变形*地下水位桩、墙内力*锚杆拉力*支撑轴力*立柱变形*土体分层竖向位移*支护结构界面上侧向压力*注：1.破坏后果系指支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境和地下结构施工影响程度；2.有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定；3.应测；*宜测；可测。二、测点位置及其布置原则1、桩墙顶水平位移和沉降混凝土圈梁或压顶上；测点间距一般取为8-15m，变化较大处应适当加密；有支撑时布置在两根支撑的中间部位；阳角处应布置测点；有测斜管处；桩墙顶水平位移和沉降测点是合二为一的。2、立柱沉降立柱桩上方的支撑面上；多根支撑交汇处立柱；作施工栈桥处的立柱。3、桩墙深层水平位移在基坑每边上应布设1个测孔，布设在基坑边中部；较短的边可不布设，长边上应每隔3040米布设1个；测孔一般应布设在两根支撑的中间部位；阳角处应布置测点；测斜管深度与围护桩墙同深度，并延伸至地表；沿深度每隔0.5米或1.0米测一点。4、土体分层沉降平面位置的布设参见桩墙深层水平位移的布设原则；测孔紧邻围护桩墙埋设；在各土层的分界面布设测点；在厚度较大土层中，土层中部增加测点。5、土体回弹基坑中央、特征变形点；距坑底边缘1/4坑底宽度处；方形、圆形基坑可按单向对称布点；矩形基坑可按纵横向布点,复合矩形基坑可多向布点；坑外测点布设在坑内测点延长线上，在2倍基坑深度范围内。6、支撑轴力测点的布置平面上：轴力最大的支撑；支撑间距最大处的支撑；受力较复杂的支撑；有代表性的支撑；混凝土支撑轴力监测截面应取支撑中部；钢支撑轴力监测截面应取支撑端部。立面上：平面测点对应的每道支撑处都应测。7、锚杆拉力测点的布置平面上：拉力最大的锚杆；间距最大处的锚杆；平面形状较复杂处的锚杆；有代表性的锚杆；每道土层锚杆中至少测2根；锚杆长度、型式、穿越的土层不同时，每种情况至少测2根。立面上：平面测点对应的每道锚杆处都应测。每道锚杆与平面测点对应处。8、围护桩墙的内力测点的布置平面上：弯矩最大处；支撑间距最大处；受力较复杂处；有代表性的地方；剖面上：弯矩最大处；反弯点位置；两道支撑（土锚）的跨中；内支撑及拉锚所在位置；各土层的分界面、配筋率改变处。9、坑外地下水位搅拌桩施工搭接；相邻建筑（构）物处；地下管线相对密集位置；管底标高一般在常年水位以下45m。10、环境监测环境监测包括3倍基坑开挖深度范围内的建筑（构）物和地下管线。建筑（构）物监测与建筑（构）物长期沉降观测点的布设原则一致；尽量利用建筑（构）物既有沉降观测点；在墙角、柱身、门边等外形凸出部位；能反映基础差异沉降处（房与主楼交接处、基础差异缝处）。地下管线监测听取管线主管部门的意见；有弯头和丁字形接头；每隔1012米布设1个测点；管线越长，测点间隔可以放长；对变形敏感的部位，测点间距要变小；承接式接头每23个节度布设1个测点。三、监测期限与频率1、围护墙顶水平位移和沉降、围护桩墙深层水平位移监测频率：从开挖到浇筑完结构底板：1次/天；浇筑完结构底板到施工到0.00：23次/周；各道支撑拆除后的3天到一周：1次/天。2、内支撑轴力和锚杆拉力监测频率从支撑和锚杆施作到全部支撑拆除：1次/天。3、土体分层沉降、回弹、水土压力、围护墙体内力监测频率：基坑每开挖其深度的1/51/4，测读23次或12次/周；在每道内支撑(或锚杆)施工间隔的时间内，测读23次或12次/周；开挖到设计深度到浇筑完结构底板，34次/周；浇筑完结构底板到全部支撑拆除，12次/周。4、地下水位监测频率从基坑开挖到浇筑完结构底板或整个降水期间：1次/天。5、环境监测频率围护桩墙和止水帷幕施工期间：1次/天（建筑物倾斜和裂缝：12次/周）；从开挖到浇筑完结构底板：1次/天；浇筑完结构底板到施工到0.00：23次/周；各道支撑拆除后的3天到一周：1次/天；沉降和水平位移到到结构做到0.00：1次/天，这段期限都需进行监测。说明：在基坑开挖前，取连续三次测量无明显差异时的读取为初读数；埋设在土层中的元件（土压力盒、孔隙水压力计、测斜管和分层沉降环等）最好在基坑开挖一周前埋设；支撑（土锚）内等需随施工进度而埋设的元件，在埋设后读取初读数；监测频率应随基坑状况、变化速率而作适当调整。四、预警值的确定预警值的确定依据：1、现行的相关规范、规程：上海市和深圳市基坑设计规程（表3-4、表3-5）；国家建筑基坑工程技术规范（表3-6）；上海地区相邻建筑物的基础倾斜允许值（表3-7）。2、设计计算预估值（围护结构和支撑轴力、锚杆拉力等）；3、各保护对象的主管部门提出的要求；4、经验类比、专家会议。表3-4基坑工程等级划分及变形监控允许值一级二级三级很严重严重不严重基坑深度(m)149149地下水埋深(m)5软土层厚度(m)5252与邻近建筑基础或重要管线边缘净距(m)1.0H监控值设计值监控值设计值上海市墙顶位移(mm)305060100参考二级基坑，可适当放宽。墙体最大位移(mm)608090120地面最大沉降(mm)305060100最大差异沉降6/100012/1000深圳市墙体最大水平位移(mm)排桩、地下连续墙、土钉墙0.0025H0.0050H0.0100H钢板桩、深层搅拌桩0.0100H0.0200H应注意变形速率的控制：一级工程：2mm/天；二级工程：1.2墙体变位墙体变位与开挖深度之比F21.2%F20.7%0.4%F21.2%0.2%F20.7%F20.4%F20.2%墙体应力钢筋拉应力F31.0墙体弯距F41.0支撑轴力容许轴力F51.0基底隆起隆起量与开挖深度之比F61.0%F60.5%F60.2%0.4%F61.0%0.2%F60.5%0.04%F60.2%F60.4%F60.2%F61.2%F70.7%F70.2%0.4%F71.2%0.2%F70.7%0.04%F70.2%F70.4%F70.2%F750m土层条件良好地基(0.0050.01)H(0.0100.015)H0.015H一般地基(0.0150.02)H(0.020.025)H0.025H软弱地基(0.0250.035)H(0.0350.045)H0.045H注:H为监控开挖深度。表3-7建筑物的基础倾斜允许值建筑物类别允许倾斜多层和高层建筑基础H24m0.00424mH60m0.00360m100m0.0015高耸结构基础H20m0.00820mH50m0.00650mH100m0.005100mH150m0.004150mH200m0.003200mH250m0.002注：(1)H为建筑物地面以上高度；(2)倾斜是基础倾斜方向二端点的沉降差与其距离的比值。经验类比值：煤气管的沉降和水平位移：均不得超过10mm，每天发展不得超过2mm；自来水管的沉降和水平位移：均不得超过30mm，每天发展不得超过5mm；坑外水位下降：不得超过1000mm，每天发展不得超过500mm；立柱桩隆起或沉降：不得超过10mm，每天发展不得超过2mm；位移时程曲线变形加速度小于0，则该工程是稳定的；变形加速度等于0，工程进入“定常蠕变”状态，须发出警告；变形加速度大于0，工程进入危险状态，须立即停工，进行加固。各种时程曲线、特征曲线发生明显转折点或突变点，也应引起重视。五、预警制度达到报警值的80%时，在日报表上作上预警记号，并报告管理人员；达到报警值的100%时，在日报表上作上报警记号，写出书面报告面交管理人员；达到报警值的110%时，在日报表上作上紧急报警记号，写出书面报告外，开现场会。3-4监测报表与监测报告一、监测报表（典型报表格式）二、监测曲线（典型报表格式）1、各监测项目时程曲线；2、各监测项目的速率时程曲线；3、各监测项目在不同工况和特殊日期变化发展形象图。如：围护墙顶、建筑物和管线的水平位移平面图；深层侧向位移曲线；不同深度的孔隙水压力和土压力图线。三、监测报告监测报告主要内容：1、工程概况；2、监测项目和各测点的平面和立面布置图；3、所采用的仪器设备和监测方法；4、监测数据处理方法和监测结果汇总表和有关汇总