地下结构试验与测试技术总结

1、地下结构试验与测试技术总结孟陆波第一章绪论1.1工程试验的重要意义和目的存于：1作为设计的依据和信息2作为施工的指导和控制3作为运营的安全监视4作为理论研究的手段要成功地进行一次工程试验，需要条件:除了有一个完整的、切合实际工程情况的试验计划外，还必须掌握一系列测试技术同时，工程试验中，需要了解岩土体的物理力学参数，如：容重，弹模、泊松比等通过仪器、仪表、探头(传感器)来测定参数本身和它们的变化值。利用工程试验和测试技求对若干个工程进行研究，从中得出规律性的东西，使理论得到发展。再用工程试验的方法在以后的工程实践中应用和改进这些已有理论。1.2研究对象分类：（一）荷载类型根据荷载类型，工程试验

2、可分为工程动态试验和静态试验。前者主要研究工程结构物在动荷载(例如爆破力、列车振动力、地震力，等等)作用下的力学状态和安全状态；后者主要研究工程结构物在静荷载或缓慢变化荷载 (例如岩土压力、地基反力、静水压力、自重力，等等)作用下的力学状态和安全状态。从试验的角度看，除了加荷的性质不同以外，主要区别仅在于部分测试项目和仪器不同。（二）工程类型地面工程与地下工程地下工程与地面工程区别：(1)作用体系的区别地面工程一般只与地基相互作用。因此，除了地基探测和基础设计外，结构可以看成是一个空间自由状态的作用体系；而地下工程则与周围地层有密切的关系，属于二者共同作用的体系。(2)外荷的区别地面工程所受的

3、外荷一般说来是已知的，明确的；而地下工程，从力学上看，处于与围岩相互作用的体系之中；从地质上，看处于千变万化的地质体之中。地面工程与地下工程在工程试验测试中以下内容是相同的：(1)外荷的测试，又可称为压力测试。 (2)内力的测试，包括正应力、剪应力、弯矩和扭矩等形式。(3)位移的测试，包括相对位移、绝对位移等。本课程的研究对象是地下工程的静态试验和静力测试技术。1.3一些基本概念在工程试验中遇到的力学量，如压力、应力、位移等，都属于非电量的物理量。对这些非电量进行测试，有两种方法：一种是直接测试法，另一种就是非电量的电测法。非电量电测法原理：先将非电量通过传感器转换成某一种电量(例如电压、电流

4、、感生电动势，电感等等)，这种电量经接收仪的放大(或不放大)而得到读数，这种读数经事先与所测非电量的共同率定而还原为非电量数值。一次仪表：在电测法中，放置在被测物体上，或埋设在被测物体内，将非电量转换成电量的仪表。二次仪表：接收从一次仪表传输过来的电量讯号，经过(或不经过)放大，然后显示读数的仪表，二次仪表又称为接收仪或测试仪器。率定：任何测试元件都是由某一种原理(电学的或机械的)制成的，用它来感受和测换某一个力学量。但是，它被仪器所直接读出来的数值不是我们所测力学量的度量单位(例如毫米、公斤等)数值，为了得到所测力学量的实际数值，必须把仪器读出的数值与要求测到的力学量建立对应关系。有了这个对

5、应关系，就可以从测读的数值推求出被测的力学量。率定是任何测试元件和测试仪器都要进行的工作。误差：误差力学量的测定值力学量的真值实际上真值无法得到，但是当进行多次重复测试时，可得到测定值的算术平均值，将它近似地看作是真值。此时的误差为偶然误差。我们在测试中讨论的也就是偶然误差的数值：偶然误差测定值算术平均值造成测试误差的原因：外界环境影响、仪器和元件的影响、人为因素的影响等三个方面。减小测试误差的措施：要克服测读仪器时所造成的误差，某一组数据要由指定的一名熟练人员测读；要尽量在一致的外界条件下测读，在无法做到时，要进行不同外界条件的校正测试，以对读数进行修正；提高仪器和元件的精度精度：某种仪器测

6、定一个力学量的读数精确程度。如千分表和百分表灵敏度：表示输出的信息与输入的信息之间的相对关系。对于测试元件来说，所谓灵敏度高，指的是用相等的被测外界量作用，该元件输出的电量比别的灵敏度低的元件高。对于接收仪器来说，所谓灵敏度高，指的是同样一个微弱的输入电量在表头上的读数值比别的灵敏度低的仪器上读数值大。稳定性：测试元件和仪器在相当长时间(该时间的长短取决于试验性质)的测试中，环境条件和其它因素(除力学量以外) 对它影响的大小。也就是它们在长时间工作中读数是否正常。一般情况，稳定性包括两方面的内容：一是零点飘移，二是使用的耐久性。零点飘移指的是在温度、湿度较稳定的室内，在非埋置使用条件下，元件和

7、仪器读数的稳定程度。耐久性指的是元件在现场试验的使用条件下能正常工作的时间。耐久性好的元件对于长期观测试验是很重要的手段。重复性：当元件受多次反复荷载时，它在每一级荷裁上的几次读数值相接近的程度。如果相等或很相近，就认为该元件重复性好。非线性偏差：一个线性变化元件或者一个非线性变化而经过读数线性处理的元件，它的率定曲线往往不会是一条严格的直线。用平均的方法在图中作出一条比较直线。这时得到一组偏差值，得到标准离差。对于一般的土建工程，非线性偏差C允许值为12%。第二章测试原件2.1测试元件的感受部分的基本原理和分类测试元件的感受部分的基本原理：(一)机械原理； (二)液压原理； (三)光测弹性力

8、学原理(简称光弹原理)； (四)电阻原理； (五)电感原理(包括振荡器原理)； (六)差动变压器原理； (七)振弦原理；(八)物探原理(包括声波原理和视电阻率原理)。(一)机械式测试元件：直接测读力学量而不经过任何电学转换的元件。优点：安装简单方便，读数直接明确，由于不经电学转换，所以稳定可靠，受外界环境影响小。缺点：灵敏度较低，不易远距离操纵和读数，不能作结构内部测试。其中最常用、最典型的机械式元件就是机械 传动、双指针显示的百分表和千分表。目前，在地下工程和岩土工程中使用的机械式位移计可分为两大类，一类是钻孔位移型，另一类是相对位移型。钻孔位移型多点位移计：相对于单点而言的，就是说在钻孔中

9、不同深度埋置几个固定点，每个固定点都引出一根测杆。多点位移计构造：一般主要由测点、基准盘、位移计三部分组成。位移值的符号一般规定:向洞室内的位移为正，反之为负。相对位移型元件指的是空间任意两点间相对位移的测试元件。这种元件一般都在地下工程中用于测试拱部和边墙某些主要变形点间的位移规律。相对位移型测杆，收敛计。前者仅适用于小型洞室和巷道(直径或跨度4.0m），后者适用于所有地下工程。收敛计按测试方式分类：钢尺重锤型：优点是构造简单，易于加工，造价低廉，操作简单。缺点是重锤重量较大，在高处测读时甚为不便。另外，它的重复性误差稍大，因此以用于软弱围岩和变形较大的地下工程为宜。弹簧张力型：优点：由于采

10、用了铟钢丝以及灵活转动的方向接头，提高了量测精度和温度稳定性。其缺点是铟钢丝的基距不能随意改变。这一缺点是靠大量程百分表和多根铟钢丝来弥补的。应该指出，这类收敛计的多数仍然用钢尺，其主要优点是使用方便、安装简易。钢丝扭矩平衡型：优点是精度和自动化程度高，使用方便。缺点造价高和工艺要求高(二)液压式元件：是利用液体作为传递介质的一种元件。特点：应用油压表读数的，所以可以直接读出被测压力的数值，而不需要经过任何转换和电学放大，因此最明显的特点是读数准确可靠，不易受外界因素的影响。目前有两种该类元件用得比较多。一种是压力枕，另一种是液压式压力盒。压力盒的工作原理：是:当它的盒体承受外力P时，其内之油

11、压为P，在压力平衡室的左边的油压也为P。该压力将薄膜向右侧顶紧。此时外油路的进油管和回油管的两个管口由于薄膜顶紧，其间无孔隙，进油管中之油不能进入回油管。(三)电阻式测试元件：包括电阻应变片、差动电阻式和滑动电阻式等几类。电阻应变片工作原理：金属导线的电阻R与其长度L成正比，与其面积A成反比。岩石电阻应变片粘贴步骤：1、选择应变片，电阻率误差小于0.1；2、砂纸打磨岩石粘贴处；3、酒精擦洗干净；4、502胶水，厚度小于0.1mm，保证应变片与岩石接触面无空气、气泡；5、万用表检查电阻率；6、焊接导线。温度补偿法有较大的零点飘移原因：(1)多个工作片与一个补偿片难于处在完全相同的温度、湿度和其它

12、外界环境之中。 (2)即使上述条件能够满足，由于电阻丝材料的不均匀性，纸基或胶基材料的不均匀性等原因，在同一外界条件变化下也会造成电阻值的不均匀变化。 (3)被测试件材料的不均匀变化(例如收缩)也会造成电阻应变片的不均匀变化。电阻应变片应用范围：在试验室的结构试验(静态或动态)中，尤是短期加载试验中，或在现场试验中，对于短期的观测和动载观测，电阻应变片是一种主要的测试元件。但是对于现场长期观测，温度和湿度条件变化较大的长期观测试验，电阻应变片的测试只能作为其他测试的一种补充和参考。主要的电阻应变片测试元件：（1）小标距应变计（2）电测百分表（3）电测位移计（4）裂缝观测计（5）电阻式钻孔位移计

13、（6）电阻式钻孔应变计（7）坝体内应变计（8）钻孔底面应变计差动电阻式测试元件：差动电阻式元件的测试原理也是惠斯顿电桥原理。差动式元件测试时，要测读“电阻比”。从外形来看，这一类元件与电阻应变片式的元件很相象。可以设计应变计、应力计、钢筋计、测缝计、温度计等。主要的差别是传感原理不同。优点：从长期性能来看，差动电阻式比电阻应变片式稳定性好。这是因为前者对于绝缘度的要求不如后者高，而且前者的两根电阻丝是处于防护油的保护之中，其绝缘条件比电阻应变片好。缺点：是制造较复杂和价格较高；同时，尽管两根电阻丝有温度自补偿作用，但是由于它的不均匀性，因此仍然受温度变化影响。滑动电阻式测试元件：滑动电阻式测试

14、元件的测试原理仍然是惠斯顿电桥原理。滑动电阻式测试元件(简称滑阻式测试元件)通常可作为位移的测试工具。优点：是量程大，所用的测试仪器简单、稳定。滑动电阻式测试元件常用类型：（1）盒式滑阻位移计：由于它的结构具有较好的防水性，所以在潮湿的地下工程中可以作为长期观测的工具。（2）管式滑阻位移计：这种位移计比前一种的构造更为紧凑，体积更小。因此它适用于小直径岩石钻 (直径50mm左右)内作位移观测用。（3）多点式滑阻位移计：这种位移计用作大直径岩石钻孔（直径76-100mm）内的位移测试。(四) 电感式测试元件电感式测试元件的原理：由带有磁芯的电感线圈L和固定电容C组成的LC振荡器。振荡器经仪器起振

15、以后输出频率讯号，经放大后由频率仪显示读数。磁芯可以相对于线圈位移，位移以后，电感线圈的电感量发生变化，LC振荡器的频率也随之变化。通过率定得到位移量与频率之间的关系。常见的电感式测试元件：1、电感式钻孔位移计2、钻孔沉陷计3、钻孔膨胀计4、钻孔横向位移计电感式钻孔位移计的电原理是：当固定的铜套管随着岩层发生位移时，它与电感线圈之间的相对位置发生变化，使电感量发生变化。这种电感量的变化反映到接收仪器上就是频率的变化。它与钻孔的联结分两种情况：孔底固定与孔口固定。(五) 振弦式测试元件利用金属丝的自振频率特性研制成的应力、应变、位移或压力传感器。最大优点：稳定性好基本原理：一根金属弦在一定的拉应

16、力作用下，具有一定的自振频率。当拉应力变化时，它的自振频率也随之变化。弦受应力后的变化也就是它的长度发生了变化，或者说金属弦产生了应变值。振弦式测试元件设计理论基础：钢弦的自振须率与它受的应力，或者在此应力作用下发生的应变的平方根成正比。应用较广的振弦式测试元件有：1、埋入式应变计：工作原理：从振弦频率测定仪向线圈输出断续的电脉冲，使线圈产生磁场，铁芯磁化后吸引弦线。当脉冲消除后，弦线回复并产生振动。它的振动频率也就是弦的自振频率。另一方面，在脉冲消除后，线圈周围仍留有剩余磁场。弦切割磁场后产生的交变感生电流和交变磁场又反过来在线圈中产生了频率等于弦的自振频率的感生电动势。这个感生电动势由线圈

17、引线反输回测定仪，经放大后进行频率计数并显示。2、表面式应变计：了解混凝土结构表面或者岩体表面的应变数值，用以换算表面应力.基本构造与埋入式一致。不同之处是在其两端有连接件和固定螺丝，用于和所测结构表面的固定柱相连接。3、钻孔应力计:用来测试岩体或混凝土构件的钻孔径向应力的元件。测试的目的是为了解一个工程结构或者岩体在长期荷载作用下或者施工荷载作用下，其内部的应力变化规律。4、油压式压力盒:该种压力盒是用钢弦式应力计作为压力传感器，以油压式传力囊作为压力传递工具的埋入式测压元件。精度相当高，适用于土压力变化较小的工程试验。主要问题是油压部件和管路的工艺要求很高，不允许任何微小的漏油象，一旦漏油

18、，这种元件便失效。5、渗水压力计：压力水从压力计前部的透水石渗入，并作用在金属薄膜上。其后的变化过程与油压式压力盒相同。6、 岩土压力盒：其构造特点是在受力膜外面套上了一个铁皮制成的受力油囊，油囊的直径为300mm，厚度为20mm，内装机油。油囊受到土石压力以后，其内的油将压力传递给受力膜。受力膜受压挠曲变形，振弦受张拉，频率增高。7、钢索拉力计：两端与钢索牢固连接，受力外壳的抗拉强度稍大于钢索强度，其它构造与前述相似。也可测定钢筋拉力数值。(六)其他方法如物探式测试技术。目前，在工程中常用的物探式测试技术包括声波法、电法、地震法和视电阻率法。其它的方法，例如放射性同位素探测法用的较少。第三章

19、 工程测试中的常用仪器工程测试中的常用仪器：常用测试仪器、常用辅助。测试仪器：程测试中它的功能就是接收传感器传输过来的讯号，然后显示某种事先率定过的数据。简言之，它是测定某些物理量，其中主要是测定力学数据的仪器。辅助仪器：指的是在测试或者安装仪器过程中所应用的电学测定仪器。3.1常用的测试仪器：（一）比例电桥：是差动电阻式测试元件的二次仪表。它的基本原理是直流四臂电桥。仪器使用步骤：1、打开检流计开关并确认其状态良好，接上测试元件(注意电缆线的颜色与ABC一致)； 2、测定电阻，将K3扳向电阻值t一边，打开K2，按下粗调G1，然后转动四个旋钮开关使检流计指针基本居中，再按下细调作相同调节，使检

20、流计居中便可读数; 3、测定电阻比时将K3扳向电阻比一边，测定步骤同前。读数：1）测定电阻值时，其读数与面板所示的倍乘率一致，即小数点放在第二和第三旋钮之间。例如四个旋钮的读数分别是6、4、7、2，那么这个电阻值就是64.72。2）测定电阻比时，其小数点在第一旋钮之前。例如四个旋钮的读数分别是9、8、5、7，那么这个电阻比就是0.9857。优点：比例电桥中没有任何的电子放大部件，它的可变电阻均为线绕电阻，因此它的测试稳定性是较好的，仪器本身受外界影响较小。在通常的测试中，应用得较多的是差动式应变计和差动式钢筋计。（二）静态电阻应变仪：静态电阻应变仪分为简易型和多点巡检型两大类。简易型电阻应变仪

21、即通常应用的手动度盘读数的便携式应变仪。国产的类型:YJ-5，YJB-1，KJY-1等。YJ-5是一种以电子管作为振荡、放大，电源等部件主体的一种应变仪。它的优点是灵敏度高，稳定性好，测量精度较理想，但缺点是体积和重量均较大，故适宜于在实验室作模型试验或结构试验。YJB-1是一种晶体管式应变仪，它的主要优点是轻便易于携带，有足够的灵敏度，同时可交流直流供电两用，因此是现场试验中不可缺少的一种仪器。KJY-1是一种矿用轻便型应变仪，它是专为含有瓦斯气体的煤矿矿井中测试用的，因此它的主要特点是采用安全火花型的直流电源和线路设备，可在矿井下安全使用。3种测量方法：（1） 桥测量（2）半桥测量：（3）

22、全桥测量：多点巡检指的是测试点超过100点，自动切换测点并自动记录打印数据和进行数据处理的应变仪装置。微处理机也是一种微型化的电子计算机，它包括:中央处理单元，只读存贮器，随机存取存贮器，中断逻辑设备、接口和各种外围设务。有了微处理机以后，应变仪的功能可扩大到有以下几种：1、各种物理量的模拟信号：物理量如应变，应力，压力，荷载，转矩，位移，角度，张力，压差、流量，土压，等等。2、测量扫描控制功能：可以程序控制各测点的输入方式，供桥电压，给定常数和放大率，工程单位或线性化计算等。3、报警功能：可监视，记录，报警和发出控制信号。各个报警测点均可选任意的报警值。4、测量与计算功能： a）校验功能；

23、b）初始值的测定和记忆； c）测量值的测定； d）执行运算程序的功能。（三）滑阻式测定仪其基本原理仍然是惠斯顿电桥。构造和特点：这种滑阻式测定仪与比例电桥一样，它的特点是没有设置晶体管放大器(或集成电路)等电子线路。优点：因此它的稳定性比其它电子仪器都好，而且它具有体积小，重量轻，造价低，使用方便等。使用：这种仪器使用直流电压供电。电源可以用电池，也可以用交流电经整流、滤波、稳压后使用。电源的电压大小对惠斯顿电桥的平衡无影响，也就是说仪器读数不随电压而发生变化。这一点已被实际测试所证明。但是电压(电源电压或供桥电压)的大小不同，会使检流计的显示灵敏度发生变化。电压越小，显示灵敏度越低。（四）振

24、弦频率测定仪特点：把振弦的机械振动频率转换为电讯号频率的传感器。向测试元件发出激振脉冲，并接收和显示经测试元件转换反输回来的频率讯号。常见仪器：（1）数字和示波联合显示式频率仪（2）自动运算频率测压仪（五）差动变压器接收仪这种接收仪与差动变压器式测试元件相配合使用，测定位移值或者应变值。3.2常用辅助仪器和仪表：（一）万用电表一般的万用电表均能够测定交直流电压、直流电流和电阻等电学参数，较高档的万用电表，还能测定音频电平值、电容值和交流电流值。（二）绝缘电表在以电阻应变片作为传感元件的测试中，绝缘电表是一种必不可少的辅助仪表。主要功能是测定电阻应变片对地的绝缘程度；当应变片用来测试金属物表面应

25、变时，它的功能则是测定应变片与金属物表面之间的绝缘程度。（三）频率仪通用频率仪：测定某个交变讯号的频率。与钢弦频率测定仪的区别：钢弦测试元件自身不会发出讯号，靠钢弦频率测定仪输出一组激振脉冲激发钢弦振动，利用感生电流的频率讯号再回输到测定仪。通用频率仪则只测定讯号而不向外输出激振脉冲。频率仪原理：利用在机内编制的适当逻辑电路，使一套电子计数器在给定的标准时间内累计待测输入信号的个数，并用数码管显示单位时间(1秒)的信号个数，即频率数。（四）示波器在研制和检修测试仪器时，通用示波器是一种必备的辅助仪器。用途：就是检查一个电子测试仪器的每一个部分工作是否正常。第五章地下结构工程地质力学模型试验研究

26、岩体稳定问题，通常采用的方法有工程类比法、地质结构分析法、数值模拟分析法和地质力学物理模型试验法等。对于中小型工程，一般只采用前几种方法进行研究，但对与大型或超大型工程，地质力学物理模型试验则是必要的。5.1概述模型试验的意义：超大型工程往往没有先例可以比较，地质和地应力条件千差万别，而且采用不同的数值分析方法和模型也会给出差别较大的结果。这在工程尚未施工时也很难对它们的差别做出准确判断。物理模型则由于是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，则更能真实地反映地质构造和工程结构的空间关系，更准确地模拟施工过程和影响。试验结果能给人以更直观的感觉，使人更容易从全局上把握岩体工程整体力学特征、

27、变形趋势和稳定性特点，以及各洞室或结构之间的相互关系，从而做出相应的判断。其次，也可以通过物理模型试验，对各种数值分析结果进行一定程度上的验证，而不必等到工程施工以后。模型试验的不足：改变方案很不灵活，重复性差； 测量数据受仪器精度影响大，有一定的离散性；有尺寸效应，很难保证所有物理参数都满足相似理论；试验工作量大、难度大、费用高，尤其是三维模型试验更是如此。模型试验试验内容：将实际工程结构物(以及与之接触的岩体)按照一定比例做成模型，然后在加载台架中进行不同内容的试验。这些内容概括起来是： 比较不同类型结构物的承载能力；比较不同类型外荷对于同一结构物的作用结果；了解结构物在受外荷过程中，其内

28、部应力和结构变形特性，以及与之接触的岩体的力学变化特性；了解结构物在长期外荷作用下的力学特性。模型试验试验目的：为设计中的结构选型和设计参数提供数据，为运营的可靠性提供依据，为理论探讨提供核证。例如研究结构物的力学特性，工程建筑物的设计理论等。模型试验试验准备： 1试验计划的拟定，一个比较切实可行的试验计划包括下列内容： (1)结构(或结构加岩体)模型的类型和比例； (2)模型所用的材料及制备方法；(3)加载设备的类型； (4)外荷类型以及加载程序； (5)结构模型的测试项目； (6)测试仪表的种类及数量； (7)试验人员的数量及分工； (8)费用。2、结构模型的制备和仪表的安装模型比例的选择

29、与加载设备的大小有关。另外，模型材料又与模型比例有关。3、模型试验台架模型试验台架就是容纳模型结构并能进行加载的试验设备。从台架材料来看，有钢结构和钢筋混凝土结构两种；要设计一个试验台架，必须掌握以下几项资料：(1)结构物模型的最大尺寸； (2)模型的估算破坏荷载， (3)台架所选用的材料和受力条件。试验台架类型：（1）小型竖式台架：在介质的侧面放置钢化玻璃或有机玻璃，其作用利用它们的透明性质进行观察；利用它们的光滑性质减小介质与四周的摩擦力。（2）中型竖式台架：除了垂直方向加载以外，还考虑了侧向加水平荷载。加水平荷载的方法可以用橡皮气压囊、液压（3）大型卧式台架：由于它的体积是按照缩小若干倍

30、的实体制作的，因此在实际承载能力、受力特点和变形规律方面都不能很好地反映实体结构的情况。模型试验的过程：1仪表和测试元件的安装：在一般的结构模型试验中，最基本的测试项目是位移和应变，有的试验中再加上压力测试。百分表：用来测试结构的径向位移传压板上的百分表用来测试“地表”的下沉值。电阻应变片：用来测试结构的内外表面的应变。微型压力盒：沿结构外周布置的微型压力盒用来测试通过介质传递的压力。应变花：试验中，可以在模拟材料表面或内部粘贴电阻应变片，应变片在三个方向组成应变花。应变花用来测试模拟岩层中的应变数值。在应变花间距较密的情况下，还可用应变数值估算各点的位移值。2、加载过程由于模型制作和仪表设置

31、等一般都要化费较多时间，尤其是1：1的大模型试验，化费的时间更长，因此模型试验的加载都不是一次达到破坏荷载。加载阶段： (1)弹性阶段，荷载数量只到设计荷载的1/51/2，分布形式可按现场实测数据进行设计（2）长期观测阶段，有的结构试验中对材料徐变影响比较感兴趣，因此在弹性阶段荷载作用下保持荷载不变的情况下观察一段时间。（3）破坏阶段，在进行了上述两个阶段加载并已得到一定规律以后，即可最后加载将结构压坏，以得到承载能力的数值。3、资料整理（1）在结果分析之前首先要将全都资料进行整理。核对各项记录是否完整；计算各测试点在各加载等级中的读数差值和总差值；利用计算所得到的差值和总差值并根据需要列表格

32、，绘制荷载和应变、位移、压力等项目之间的关系曲线，以及时间和各项目之间的关系曲线。（2）检查观测模型变形破坏情况5.2模型试验原理：相似材料模拟试验方法采用模拟材料做成模型，然后在模型中开挖洞室或隧道，观察模型的变形、位移、破坏和应力等情况，据以分析、推测原型中所发生的情况。确定原型与模型之间的相似关系和相似准则。若欲使模型和原型相似，必须满足以下两个条件：（1）各对应量成一定的比例关系；（2）各对应量所组成的数学物理方程相同。5.3地下结构模型试验模拟技术5.3.1室内模拟技术的主要内容：是如何选择模型材料和量测技术来实现所建立的相似条件，然后进行模型设计的研究，包括： 岩块模拟； 节理或不

33、连续面的模拟； 岩体模拟； 岩体初始应力场及开挖过程的模拟等。模型材料的一般要求：由于结构对象、荷载性质、受力工作阶段等不同，对模型材料的要求也不同，但以下条件是模型材料选择应共同遵守的： (1)模型材料应与原型材料的物理、力学性能相似。(2)保证模型在现代量测技术水平下，得到足够精确的量测成果。为此，在某种加荷设备条件下，要求材料弹模比原型岩石材料弹模小得多，并且有足够的强度和承载能力。 (3)保证模型在加荷和正常试验的量测时间内，无显著的徐变产生。(4)凝固前具有较好的和易性，便于施工和修补，易制成多种材料、性能较为均匀的试验结构所要求的特定形状，且在制作模型或模坯时，材料可以大量的混合和

34、配置，以适应不同的物理、力学性能模拟的要求。同时还要求材料在凝固及干燥过程中，收缩变形很小。(5)物理、力学、化学、热学等性能稳定，力求不受时间、湿度、温度等变化的影响。(6)价格便宜、容易取得。应力试验对模型材料的要求：在设计荷载作用下，模型和原型一般都处于弹性体范围内工作，原型岩体或混凝土在弹性阶段工作时，可以认为它服从弹性力学中的假设，即连续、均匀、各向同性，因此模型材料也要相应满足这些要求：（1）岩石在较小应力范围内，重复多次加荷、卸荷后，其应力应变关系趋近直线，因此模型材料也应具备这个特点。（2）当模型的变形足以改变结构的几何而影响其应力状态时，则为了保持变形后模型与原型的几何相似，

35、这就要求原型、模型上相应点的应变必须相等。（3）模型和原型材料的泊松比应相等或至少相近。与天然岩体泊松比相去甚远时，会使得试验结果产生误差问题。因此在选用模型材料时，必须充分考虑泊松比差别。破坏试验对模型材料的要求：进行破坏试验，模型材料除应满足上述应力试验所要求条件外，还应补充以下几点要求：(1)模型材料和原型材料的应力应变关系曲线，应严格满足完全相似的要求。(2)为保证模型和原型在相似荷载下开裂，要求原型和模型材料的破坏情况应当相似。(3)由于模型和原型材料都存在非弹性变形，且影响承载能力，因此要求模型材料的非弹性变形与原型材料的非弹性变形应满足相似要求。几种类型的模型材料：（1）不考虑容

36、重相似的砂石膏混合物适用条件：当地应力场强度足够大，足以略去岩石自重影响，或者，当地下洞室上层岩石覆盖厚度足够厚，以致可将岩石自重化引为面力作用在洞室周围岩体的边界时，可以忽略模型范围内自重的相似性，采用石膏砂的混合料作为模型材料是合适的。同一配比下，含砂量对材料应力应变关系的线型及破坏模式有明显的影响。1)砂量增加时，弹模增加，材料表现出脆性破坏特性；2)砂量减少时，弹模降低，脆性减弱；砂量为零时，弹模降到最低，并表现出典型的塑性破坏特性。（2）考虑容重相似的地质力学模型材料地质力学模型材料和前述不考虑自重的砂膏混合物的共同特点是：1）弹模及抗压强度低，加载设备简单易行； 2）变形大，量测精

37、度易于掌握。3）材料的力学性能变化幅度大，便于模拟各种复杂的地质特性。不同点是模拟自重应力场的地质力学模型材料要满足以下相似：1）应力应变全过程的相似； 2）内摩擦角、凝聚力及泊松比的相似； 3）且尚要求模型材料有尽可能大的容重较低的强度和变形模量。其不足之处是有时某些材料很软，强度很低，在这种材料的表面上贴电阻片测量应变目前尚有一定困难。提高材料容重的办法是采用大比重骨料。例如： 1)重晶石粉，其容重为2.72g/cm3,空隙率40； 2)红丹粉，容重5.25g/cm3,空隙率40；3)铁粉，可 由未生锈的铁屑中筛选，容重3.56g/cm3,空隙率47； 4)此外尚有石英砂，铅及铅的氧化物为

38、改善拌合物的可塑性与和易性，往往加一些膨润土，硅藻土，甘油与水的溶液，酒精等外加料。甘油对降低变模及增加和易性稍有作用，能减少干缩，但易于使模型材料表面吸收空气中的水份而降低模型表面的绝缘性能。酒精也能增加和易性，且能消除水对骨料的物理化学作用并导致快速干燥效果。胶结剂：是影响材料强度的主要因素。除利用环氧树脂在水中的乳化作用作为胶结料以外，所用的胶结料主要有两种：（）石膏浆：调整石膏用量或水膏比，可以调整材料的强度及变模。（2）松香酒精溶液或石蜡：属于一种弱胶结剂，有利于降低材料的强度5.3.2岩体不连续面和应力释放模拟技术由弱面和岩块组成的岩体的变形模量和强度常常小于岩块本身的变形模量和强

39、度，有2种模拟方式：1）对于不连续的、厚度不可以忽略的弱面，一种办法是较详细地模拟单个弱面的强度和法向变形特性，然后去验证整个岩体的强度和变形特性。2）模拟岩体的力学性能，将弱面的削弱、软化隐含在岩体变形特性之中。模型如果需要模拟断层或软弱夹层等地质构造面，则模型制作通常以这些面、带加以分块砌筑。而对一般的节理、裂隙面，岩体仍作为连续的整体，这种模型称为“大块体”地质力学模型。此时模型材料一般采用石膏、石膏硅藻土或石膏重晶石粉。模拟断层接触面上抗剪强度的材料，通常采用涂料法或不同的纸型来，或者淀粉石膏粉黏结剂。如果模型中要进一步模拟节理、裂隙，即把构造面间岩体作为非连续的裂隙介质考虑，则需用小

40、砌块分层、分段砌筑而成，这种模型称为“小块体”地质力学模型。岩体不连续面力学性能的模拟包含：1、弱面强度模拟2、剪切变形特性模拟3、法向变形特性模拟4、剪切膨胀特性模拟岩体不连续面力学性能的模拟的方法：先制成小尺寸的砌块，在其接触面之间放置不同的夹层材料，以模拟所要求的节理性能，称这种方法为砌块夹层法；用一种专门设计的刀片把模型材料劈裂为具有粗糙表面的不连续砌块，然后再把这些小砌块按切割前的形状挤在一起堆砌成整体模型劈裂法。应力释放的相似包括：（1）开洞前初始应力场的相似和开挖过程相似，这可以在整体模型的加载和开挖的工艺中得到实现。（2）加载、卸载条件下的应力应变关系及卸载应力水平相近。5.3

41、.3模型试验的量测技术模型试验的量测内容有位移、变形、应力、裂隙的滑移及材料的屈服松动，当模拟隧洞衬砌时，还要求量测衬砌上的围岩压力1、应变、位移测量分为表面位移量测和材料内部位移量测表面位移量测的方法有： 1）电阻应变2）悬臂式测位计3）千分表4）差动式位移传感器5）精密摄影位移量测内部位移量测有：1）微型高精度多点位移计2）光纤位移/应变传感器。2、压力、应力量测对于压力测量：1）微型油压式压力盒2）微型钢弦式压力盒对于应力测量：结构物三维应力测量可采用贴应变片花方式，通过测得应变，根据胡克定律求的相应应力。岩爆模型相似材料选取的标准：（1）应具有脆性特征，较好的线性应力应变关系，较小的抗

42、压强度与抗拉强度，较大的弹性能量指数；（2）相似材料的声发射强度、频率、累计数及能量特征应与岩石相似，具有突发性破坏的特征；（3）应满足施工工艺的要求，凝固时间适宜，易于成型，成本较低且具有力学指标的稳定性。相似材料的配合比试验的基本步骤：（1）制作长方体试件（2）试件的成型与养护（3）模型相似材料的试验，主要测定试件的弹性模量，单轴抗压强度，弹性能量指数等参数。第六章隧道与地下工程信息化施工监测现场原型试验现场原型试验的显著优点是在实际的外界条件和工程结构条件下研究它的一切特性和得到必须的设计参数。同时，现场原型试验还能为施工的工序提供指导性数据，为运营的安生性和一些研究课题提供资料。新奥法

43、施工的要素：光面爆破：保护围岩自承能力锚喷支护：提高围岩自承能力监控量测：发挥围岩自承能力现场原型测试监测的目的：确保隧道的安全施工；信息反馈，指导施工（适时支护，发挥围岩自承能力）；信息反馈，指导设计（修改支护参数和计算参数）；验证和研究设计新方法、施工新工艺采集数据；环境保护（相互影响）。监测信息反馈修正设计内容：(1)施工方法变更的建议(2)施工工序更改的建议(3)预留变形量的修正设计参数的修改或认定：若发现以下两种情况时，应及时修改设计参数：（1）在施工过程中，如发现以下现象之一时，应修改设计参数，增强初期支护。1）隧道开挖后，工程地质、水文地质条件、围岩类别比预计的差。2）实测位移量

44、超出规范规定的或类似条件下的隧道位移值。3）观察发现混凝土层裂纹多、裂缝大或不断扩展时。4）位移量可能超出预留变形量。 位移量可能超出预留变形量时，将影响二次衬砌或喷射混凝土的厚度，因此，必须预先采取加强措施。5）稳定特征出现异常状态。监测位移曲线可能出现正加速度。增强初期支护的措施：增强初期支护可用降低围岩类别的办法，改用相应的设计参数，或选用如下加强措施：增设钢筋网或改用钢纤维喷射混凝土。加密或加长锚杆。增加喷射混凝土厚度。 改用早强喷射混凝土或早强砂浆锚杆。 采用或加密钢架。 增设临时仰拱及时形成支护封闭环。（2）在施工过程中，若发现以下现象之一时，应改变设计参数，适当降低初期支护：1）

45、确认围岩类别、工程地质条件、水文地质条件比预计的有明显好转。2）初期支护未全部完成前，位移已收敛，达到施作二次衬砌的指标。3）初期支护全部工作完毕，位移量远小于规范规定时，可按施工信息应用的要求及有关规定，降低其他地段初期支护设计参数。降低初期支护的措施：可按提高围岩类别，改用相应的设计参数，或选用以下方法处理：减少锚杆数量，缩短锚杆长度，或减少喷层的厚度，取消钢架等。取消或改用其他辅助措施，改变辅助措施的设计参数。6.2隧道监测的项目内容和方法监测的对象：围岩；衬砌（初衬和二衬）；锚杆；钢拱架及其它支撑监测的部位：地表；围岩内；洞壁；衬砌内；衬砌内壁等。监测的类型：位移；压力（应力）；其它物

46、理量（围岩松动圈和声发射）。量测项目可分为必测项目和选测项目两大类。必测项目是必须进行的常规量测项目，是为了在设计施工中确保围岩稳定、判断支护结构工作状志、指导设计施工的经常性量测。必测项目是新奥法量测的重点，主要包括： (1)隧道内目测观察。(2)隧道内空变位量测。 (3)拱顶下沉量测。选测项目:是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补充测试，以求更深入地了解围岩的松动范围和稳定状态以及喷锚支护的效果，为未开挖区段的设计与施工积累现场资料。一、洞内观察观察目的: (1)预测开控面前方的地质条件。 (2)为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据。(3)根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结

47、构的可靠程度。观测内容: (1)对开挖后没有支护的围岩进行目测，主要是了解开挖工作面的工程地质和水文地质条件。1)岩质种类和分布状态，境界面位置的状态。2)岩性特征：岩石的颜色、成分、结构、构造。3)地层时代归属及产状。4)节理性质、组数、间距、规模，节理裂隙的发育程度和方向性，断面状态特征，充填物的类型和产状等。5)断层的性质、产状、破碎带宽度，特征。6)地下水类型，涌水量大小、涌水位置、涌水压力、水的化学成分，湿度等。7)开挖工作面的稳定状态，顶板有无剥落现象。(2)开挖后已支护段的目测内容。1)初期支护完成后对喷层表面的观察以及裂 缝状况的描述和记录。2)有无错杆被拉脱或垫板陷入围岩内部

48、的现象。3)喷混凝土是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏。4)有无锚杆和喷混凝土质量问题。5)钢拱架有无被压屈现象， 6)是否自底鼓现象。目测观察中围岩的破坏形态分析1、危险性不大的破坏构筑仰拱后，在拱肩部出现的剪切破坏，一般都进展缓慢，危险性不丈，特别是当拱肩部的剪切破坏面上有锚杆穿过时，因锚杆的抵抗作用，更不会发生急剧破坏。2、危险性较大的破坏在没有构筑仰拱的情况下，当隧道内空变位速度收敛很慢且内空变位量很大时，拱顶喷混凝土因受弯曲压缩而产生的裂隙常常进展急剧，时常伴有混凝土碎片飞散，是一种危险性较大的破坏。3、塌方征兆的破坏拱顶喷混凝土层出现对称的、可能向下滑落的剪切破

49、坏的现象时，或侧墙发生向内侧滑动的剪切破坏并伴有底鼓现象时，这两种情况都会引起塌方事故的破坏形态。二、隧道收敛位移量测收敛位移量测目的:(1)周边位移是隧道围岩应方状态变化的最直观反映，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息。(2)根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度为二次衬砌提供合理的支护时机。(3)指导现场设计与施工。测值及温度修正:由于钢尺受温度变化的影响会产生热胀冷缩，而每次观测环境温度不尽相同，即要对观测值进行温度修正，消除变温引起的误差。监测断面必须尽量靠近开挖工作面，但太近会造成开挖爆破下的碎石砸坏测桩，太远又会漏掉该量测断面开挖后的变位值，根据部分规范规定，测点应距开

50、挖面2m的范围内尽快安设，并应保证爆破后24h内或下一次爆破前测读初次读数。监测断面沿隧道纵向设置的间隔，根据岩性不同与围岩类别的差异，一般情况下，围岩类别越低，监测断面布置的越密。量测频度:根据围岩变形规律，变形量在开挖后初期变形大，以后逐渐变缓，最后趋于稳定，因此一般情况下，前期量测频度密，后期疏。三、地表下沉量测量测目的：地表下沉量测的目的主要在于了解以下内容： (1)地表下沉的范围以及下沉量的大小。 (2)地表下沉量随工作面推进的变化规律。(3)地表下沉稳定的时间。量测方法及测点布置：一般用水平仪量测，其量测精度为±1mm，用水平仪在地面量测，简易可行，量测结果能反映浅埋隧道

51、开挖过程中围岩变形的全过程。量测频度：地表下沉量测在量测区间内，当开挖面距量测断面前后距离d<2D)时，每天12次；2D<d<5D时，每两日量测一次；当d>5D时，每周量测一次。量测数据整理：将每次的量测数据，经整理绘出曲线以便分析。 (1)地表纵向下沉量时间关系曲线。(2)地表横向下沉量一时间关系曲线。从两曲线图中可以看出地表下沉与时间的关系，以及最大下沉量产生的部位等。四、围岩内变形量测围岩内变形量测的目的：(1)确定围岩位移随深度变化的关系。(2)找出围岩的移动范围，深入研究支架与围岩相互作用的关系。(3)判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性区的范围。(4)

52、判断锚杆长度是否适宜，以便确定合理的锚杆长度。量测设备：围岩内变形量测的设备，主要使用位移计，它可量测隧道不同深度处围岩位移量。按测试装置的工作原理可分为电测式位移计和机械式位移计。电测式位移计是把非电量的位移量通过传感器的机械运动转化为电量变化信号输出，再由导线传送给二次仪表，接收并显示。位移计可分为单点位移计和多点位移计，而单点位移计只能量测围岩内某一深度处的位移量，多点位移计可在围岩内部不同深度埋设多个测点，同时量测围岩内不同深度处位移量。一般来说，在工程实践中多点位移计被广泛采用。1）单点位移计：单点位移计结构简单，制作容易，测试精度高； 受外界因素影响小，容易保护； 若钻孔足够深时孔

53、底可视为不动点，测得的是位移绝对值； 单点位移计通常与多点位移计配合使用。2）多点位移计按位移监测仪器的不同分为：机械式：深度测微计、千分表或百分表。电测式：位移传感器；钢弦式电阻式；差动变压器式；电阻应变式。按安装方式分为： a.并联式多点位移计： 注浆式锚固头；机械式锚固头。b.串联式多点位移计：孔口固定；孔底固定。c.滑动式位移计（地表埋设）埋设方式：当隧道埋较浅时可地表埋设，测得全位移洞内埋设，可向多个方向埋设。利用量测结果判断围岩内变位状态可根据围岩内变位曲线判断围岩内强度下降区和松动区的限界。若以横坐标表示各量测点距围岩壁面的深度，纵坐标表示各量测点围岩的绝对变位量，根据现场量测数

54、值可绘出围岩内变位曲线，利用曲线斜率的变化状态可以判断围岩是否出现了强度下降区和松动区。判断的依据是如果曲线斜率可以分成三个区域，那么靠近围岩壁面的变位量最大，则是松动区，变位量较大的区域为强度下降区，再往围岩深部变形量最小，是为弹性区。五、锚杆抗拔力、轴向力量测锚杆抗拔力(亦称锚杆拉拔力)是指锚杆能够承受的最大拉力，它是锚杆材料、加工与施工安装质量优劣的综合反映。锚杆抗拔力的大小直接影响着锚杆的作用效果，如果抗拔力不足，会使锚杆起不到锚固围岩的作用，所以是检测锚杆质量的一项基本内容。量测目的：(1)测定锚杆的锚固力是否选到设计要求。 (2)判断所使用的锚杆长度是否适宜。 (3)检查锚杆安装质

55、量。 (4)了解锚杆受力状态及轴向力大小。量测仪器：a.锚杆拉力计、频率仪或电阻应变仪，直接测得锚杆拉力； b.钢筋应力计、频率仪或电阻应变仪； c.钢筋应变计、频率仪或电阻应变仪； d.应变片、电阻应变仪。埋设方法a.锚杆拉力计安装在承压板与锚头之间； b.钢筋应力计：割断钢筋，与钢筋串联焊接； c.钢筋应变计：焊在钢筋或钢管上（与锚杆并联连接）； d.应变片：对锚杆表面作特殊加工后粘贴，并防潮、密封。数据分析：1）锚杆轴向力沿锚杆长度的分布状态曲线锚杆的轴向力沿杆长显“凸形”分布，其原因有两方面：一是由于爆破形成的自由面将表层围岩松动，致使表层围岩的变形大部分在锚杆安装前业已完成使应力大量

56、释放。二是由于锚杆的变形模量比围岩的变形模量大，使锚杆起到加固围岩的作用，当围岩变形时或者当靠近洞壁的郡部分岩体产生塑性流动时，锚杆将阻止这种变形，其结果在锚杆杆体与孔壁通过砂浆产生相互间的剪切作用，在这种情况下，锚杆中轴向力的分布确系“凸形”分布。2)根据锚杆轴向力确定适宜的锚杆长度。当锚杆轴向力的最大值低于锚杆的拉拔抗力，且围岩壁面与围岩内不动点之间的绝对变形量又大于所用锚杆长度的6(经验值)时，应当加大锚杆长度。当锚杆轴向力最大值低于锚杆拉拔抗力，且围岩内变位很小时，说明锚杆过长，可以减少锚杆长度或数量。3）绘制锚杆轴向力随时间变化曲线判断围岩变形的发展趋势。绘制锚杆不同深度处锚杆轴向力

57、随时间的变化曲线。对每一测点(不同深度)随着时间的增长轴向力逐渐增大。在同一时间内不同深度处的轴同力的大小是不等的，浅部的轴向力最大，深部的最小，这是由于深部岩体的制约所形成。六、钢架荷载量测量测的目的:(1)了解钢架受力的大小为钢架选型与设计提供依据。(2)根据钢架的受力状态，为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息。(3)了解钢架的工作状态，评价钢架的支护效果。量测设备与量测方法:目前国内使用较普遍的钢架荷载测量仪器有机械式测压仪，钢弦测压仪和液压测力计等。量测与量测数据分析:钢架受力的量测工作，应与围岩内空变形的量测工作同步进行，量测频度可参照围岩内空变形的量测间隔进行。对整理出的资料应作以下分析： (1)根据同一时间内所测定的钢架受力与隧道围岩变形的大小，可以获得隧道围岩位移与围岩压力(钢架上的压力)间的关系。 (2)通过