岩石工程测试技术

1、岩土工程测试技术测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析 处理方法。测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测等必不可少的手段，它 起着类似人的感觉器官的作用。通过测试可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而去利 用它和改造它，推动科学技术的发展。科学技术的发展历史表明，科学上很多新的发现和 突破都是以测试为基础的。同时，其它领域科学技术的发展和进步又为测试提供了新的方 法和装备，促进了测试技术的发展。第一章：测试技术理论基础1.1结构组成1）当输入、输出能够测量时（已知），可以通过它们推断系统的传输特性。2）当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致

2、该输出的输入量。3）如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。1.2测试系统主要性能指标1）精度和误差用误差来表示精度的高低。绝对误差：相对误差：引用误差：最大引用误差：2）稳定性时间稳定性稳定度环境稳定性影响系数我们构建/购买一个测试系统应考虑哪些问题? 精度：系统测量值与真实值的接近程度。测量结果的准确性。测量仪器的精度等级。电压影响系数压力影响系数标定因子温度影响系数湿度影响系数3）量程：系统正常工作时所能测量的最大值范围。4）分辨率一一系统可能检测到的被测量的最小变化值。5）信噪比信号功率与噪声功率之比。信号电压与噪声电压之比。6）传递特性：系统输入与输出对应关系的性能。静

3、态测试-传递特性1.3线性系统及其主要性质1）叠加性动态测试-动态传递特性若：2）比例性则：若：3）微分特性则：若：4）积分特性则：若：5）频率保持特性则：若：1.4静态传递特性及其主要参数则：静态测量：均为常量，不随时间变化而变化。那么:静态传递特性方程（静态方程）1）标定曲线标定方法：用系列高出标定系统精度一个数量级的标准信号输入，测出相应的输出，用数学方法拟合出输入输出曲线（标定曲线）。2）灵敏度：当测试装置的输入x有一增量Ax，引起输出y发生相应的变化Ay时：取决于输入、输出的量纲。输入、输出量纲相同时，S无量纲；输入、输出有不同量纲 时，S的量纲可用输出量纲与输入量纲之比来表示。3）

4、线性度：标定曲线和理想曲线的接近程度。B为最大偏差，A为全量程输出范围4）回程误差（也称滞后度或变差）相同测试条件下和全量程范围内，输入由小增大再由大减小的行程中， 对于同一输入值所得到的2个输出值之间的最大差值与量程的比值。1.5动态传递特性及其测定动态测量：输入输出随时间变化而变化。1）传递函数2） 系统的串联和并联N个串联3）频率响应函数当输入一系列正弦波，只考虑稳态（时间响应频率响应时间域频率域N个并联：），则传递函数H （s）称为频率响应函数4）一阶系统5）二阶系统6） 测定方法频率响应法阶跃函数法7）不失真传递8）测试系统的负载效应测试元件总要从被测对象中吸取一些能量，会或多或少的

5、改变被测值，这种效应称为 系统的负载效应。9）测量系统的抗干扰电磁干扰：干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的干扰。第二章：电阻应变片测量技术2.1电阻应变片1）原理2）类型3）优缺点及用途优点：体积小、重量轻、动态响应快、精度高、使用简便、灵敏度高、频响范围宽、测量 范围大缺点：热稳定性差、灵敏度系数分散度大、大应变时非线性误差大用途：应变、应力、位移、加速度、速度、扭矩等的高精度测量4）应变片的工作特性横向效应：应变片横向部分线栅与纵向部分线栅电阻应变符号相反，使应变

6、减小。应变片的电阻值：初始状态，室温测得的电阻值。机械滞后量：恒温下，各应力水平加卸载应变片指示应变的最大差值。蠕变：恒温，试件受恒定机械应变，应变片指示应变随时间的变化。零点漂移：恒温、试件不受力，应变片指示应变随时间的变化；应变极限：室温，对试件逐渐加载，应变片应变与机械应变相对误差达到规定值。绝缘电阻：敏感栅及引线与被测试件之间的电阻。疲劳寿命：在恒定加载幅值交变应力作用下，应变片疲劳损坏的加载次数。最大工作电流：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。5）应变片的选用工作环境被测材料的性质被测试件的受力状态和应变性质测量精度2.2应变测量电路2.3电桥平衡1）电阻串联平衡法2）电阻

7、并联平衡法3）电阻无触点平衡法2.4应力应变测量1）布片一般原则首先考虑应力集中区和边界上的危险点，选择主应力最大，最能反映其力学规律的点贴片；利用结构的对称性布点，充分利用电桥的加减特性，可以达到温度补偿、提高灵敏度；当测量荷载时，应尽量避开应力-应变非线性区贴片；在用力已知部位安排适当的测点，用于验证测试结构的可靠性。2）接桥方法半桥法：用两个电阻应变片作为电桥的相邻臂，另外两臂为精密无感电阻；全桥法：电桥的四个臂全由电阻应变片构成。3）温度补偿方法补偿块补偿工作片补偿4）示例单向应力应变测量半桥四片补偿块补偿法测拉压单向应力应变测量全桥四片测拉压第三章：模型试验作用：1）探索许多目前数学

8、分析方法尚不易解决的工程问题；2）验证数值计算的正确性，然后改变参数进行系列数值计算。研究内容1）地下工程在各种荷载作用下的应力分布特征与变形位移规律；2）地下工程在各种荷载作用下的破坏形式及其原因，通过逐级超荷实验，可以估算原模型的总安全系数和稳定性程度；3）地下工程结构的最佳方案，围岩与衬砌的互相作用等设计中需要解决的问题；4）各类岩土结构的变形与强度特征及其结构的互相作用。3.1相似理论1）相似及相似条件表示一个系统的所有物理量的数值，能有另一个系统的相对应的物理量乘以不变的无量 纲常数而得到，则这两个系统相似。2）理论推导法-以弹性平面问题为例平衡方程原型模型相容方程原型模型物理方程原

9、型模型几何方程原型模型3）量纲分析法量纲：物理量所属的种类，可以有不同的单位，但只能有一个量纲。基本量纲：独立量纲。导出量纲：由多个基本量纲构成的量纲。不同量纲不能进行加减；任何一个正确的物理方程，各项的量纲一定相同，称为物理方程量纲的协调性。量纲分析的作用检查所建立的方程的正确性；变换单位；确定正确的物理现象的有关物理量的合理形式；设计系统的实验，并分析实验结果。n定理若物理方程：共含有p个物理量，其中r个是基本量，并保持量纲的协调性，则可写为：式中：n 1，n 2,，n p-r，是有物理方程中的物理量所构成的无量纲量，称为相似 判据。使用步骤从x1，x2，xp中按不同量纲选取r个，组成基本

10、量群；要求：是基本量纲或不能互相导出的量纲，且每个基本量纲在所选的r个物理量中至少出现一次。将基本量群中的量纲的幕相乘作为分母；将其它没被选入量群的物理量分别作为分子，构成p-r个分式，每个分式为无量纲量， 即相似判据n 。4）单值条件两个模型相似的充要条件：相似判据不变，单值条件相似。原型和模型的几何条件相似；在研究过程中具有显著意义的物理常数成比例；c.两个系统初始条件相似；4研究期间，两个系统边界条件相似。3.2相似材料模拟实验1）相似材料（配比试验）力学性质与模拟对象相似；实验过程力学性能稳定；改变配比可以调整某些性质以适应相似条件的要求；制作方便，成型容易，凝固时间短；成本低，来源丰

11、富。2） 相似比3.非破坏试验b.破坏实验3）荷载相似与加载4）测量系统5）其他细节3.3结构模型实验结构模型试验：采用与实体结构相同的材料，按一定的比例缩小，不考虑体力影响，进行 力学试验。3.4离心模型实验重力重要！离心加速，设备昂贵！3.5数值计算的挑战第四章：声波测试技术与声发射监测技术引言声波测试作用：确定岩土体介质和结构的力学特性和了解其内部缺陷。（无损探测）声发射技术的作用：确定岩土体介质和结构的内部破坏状态及受力历史。4.1声波的传播原理1）波动方程纵波（P波）：质点振动方向与波的传播方向一致时，称为纵波。横波（S波）：质点振动方向与波的传播方向垂直时，称为横波。表面波（R波）

12、：沿介质表面和交界面传播，波动振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表 面波。表面波质点振动轨迹为椭圆形，长轴垂直于传播方向，端轴平行于传播方向。2）波的反射与透射斯奈尔定律：4.2声波探测技术弹性模量降低，岩体波速相应下降；岩石越致密，岩体声波速越高；结构面的存在，将使声波速降低，并使声波在岩体中传播时存在各向异性；岩体风化程度大，波速低；压应力方向上波速升高；孔隙率大，波速低。1）声波测试技术穿透法：穿透法灵敏度高，波形简单、清晰，干扰小，波形易于识别。反射法：适用于介质一端无法安装传感器的情况。剖面法：通过表面波特性测定介质缺陷和材料性能。2）应用围岩松弛带测试评价岩体强度和完整性完整性系数/

13、龟裂系数：Vm评价对象（岩体）的声波速度；Vc一采样试件的声波波速。Cm0.75完整性好，裂隙小；Cm=0.750.45完整性较好，裂隙间距小于2030cm；CmV0.45完整性差，裂隙间距在2030cm以上;岩体力学参数测定岩体抗压强度；岩体抗拉强度；岩石单轴抗压强度；岩体单轴抗拉强度。张开裂隙延伸深度测定声波测井混凝土测厚混凝土空洞检测混凝土裂缝检测桩基完整性检测隧道超前地质预报4.3声发射技术及应用1）原理：材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂；或材料内部缺陷及潜在缺陷在外 部条件作用下，改变其状态时，将以弹性波形式向外释放能量。AE事件计数：纪录每个声发射事件；AE事件计数率：单位

14、时间的AE事件计数；AE事件总数：声发生事件计数累积。凯塞尔效应：当材料被加荷载时，有声发射信号发生，若卸载后再加载，则在卸荷点以前 几乎不会再有声发射信号产生。只有当荷载超过历史最大荷载时，才会继续产生声发射信 号。2） 应用地应力测试岩土工程灾害预报第五章：地下工程中的无损检测5.1回弹法检测1）原理：用回弹值和碳化深度来评价结构或构件混凝土的强度。2）仪器使用必须经有关质检部门检定（有效期1年）；每次现场测试前后，回弹仪须在洛氏硬度HRC=602的标准钢砧上率定；弹击杆4次旋转，每次90，每旋转一次进行3次回弹，求均值，所有均值在802范 围内为合格，否则重新检定；通常回弹超过6000次

15、，应重新检定一次。3）回弹值测定试样、测区、测面和测点抽样法推定整个结构或成批构件的混凝土强度时，随机抽取试样数量不少于总数量的 30%；测区均匀分布，数量不少于10，间距不大于2m，每点弹击1次。回弹值的整理去掉3个最大和3个最小的回弹值，然后： 当回弹仪非水平方向工作，应根据回弹仪轴线与水平方向的角度a，应将测区平均回弹值 加上角度修正值N a 。4）碳化深度测定用凿子在测点内凿出直径15mm，深度6mm的小孔，去除粉末。用1%的酚酞酒精滴在 孔内壁边缘，量取紫红色的垂深。5）试样混凝土强度的评定n总测区数；Rni第i个测区的混凝土强度值。5.2地质雷达1）原理:-采用高频电磁波检测地下介

16、质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确 定其内部结构形态或位置的电磁技术。利用天线向地下发射电磁脉冲，并接受由于地下不 同介质界面反射回来的电磁波。电磁波在传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过 介质的电性质（如介电常数）及几何形态变化而变化。根据接受到回波的时间、幅度和波 形等信息，可以判断地下介质与埋藏体的位置与形状。电磁波走时为：式中：t一脉冲走时；h一目标深度；x一发射天线与接收天线的距离v一电磁波速度。常见的岩土和混凝土为非磁性介质，在地质雷达的频率范围内，电磁波的传播速度为： 式中：C一光速，0.3m/ns；一介质相对介电常数。当发射天线和接收天线之间的距离很近时，探测目标深度公式可写为：2）组成结构天线：将高频电磁波从地质雷达传输线耦合到传播介质或有传播介质耦合到传输线；发射机：产生所需功率的电平的高频电磁波；接收机：接收微弱目标信号，并将信号放大到可以使用的电平；分析显示：分析信息并显示。3）电磁波速的测定方法反射共点法宽角反射折射4）天线的选择目标体的尺寸至少是目标体深度的1/10，对象所处深度超过雷达探测距离的50%，应排除 该方法。5）电特性的影响要探测的介质的电特性，决定雷达方法是否适用。在用雷达进行地质勘探时，水是决定电 特性的最主要的因素。电导率（穿透深度）相对介电常数（对比度，信号速度）水（与上面参数有关）信号的穿透深度