实验一 土木工程监测常用传感器原理、使用与标定
一、实验目的
1.初步了解土木工程监控量测常用传感器原理和使用方法。
2.了解钢弦式土压力盒、钢筋计、混凝土应变计、锚杆计及位移计的埋设方法。 3.掌握频率接收仪的使用、数据记录与处理。 4.掌握常用传感器的标定。
二、钢弦式传感器的工作原理
钢弦式传感器的工作原理是由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。根据《数学物理方程》中有关弦的振动的微分方程可推导出钢弦应力与钢弦振动频率的关系：
f?1?
2L?式中：f－钢弦的振动频率； L－钢弦长度； ?－钢弦的密度；
?－钢弦所受的张拉应力。
以压力盒为例，压力盒加工完成后，L、?已为定值，所以，钢弦的振动频率只取决于钢弦上的张拉应力，而钢弦上的张拉应力又取决于外来压力P，从而使钢弦频率与薄膜所受压力P的关系是：
f2－f02＝KP
式中：f－压力盒受压后钢弦的频率； f0－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；
K－标定系数，与压力盒构造等有关，各压力盒各不相同。
钢弦式压力盒构造简单，测试结果比较稳定，受温度影响小，测试方便，易于防潮，可做长期观测。故在土木工程现场测试和监测中得到广泛的应用。其缺点是灵敏度受压力盒尺寸的限制，并且不能用于动态测试。图1至图5为钢弦式土压力盒、钢筋计、表面应变计、埋入式应变计、位移计的常见形状图。图6为频率接收仪和分线盒图。
土压力传感器主要用于铁路、公路、市政道路、机场跑道基础、房屋基础，桩基础，船坞、桥台、墩台基础，坝体，挡土墙地下连续墙以及隧道、地下铁道、地下热力管道等工程接触压力的长期观测中。
图1.2 钢弦式钢筋应力传图1.1 钢弦式土压力 感器
图1.3 钢弦式表面应变传 图1.4 钢弦埋入式应变传
图1.6 频率接收仪与分线图1.5 钢弦式位移传
钢筋应力传感器除用于量测钢筋混凝土结构中的钢筋应力外还可将其串接起来用于量测隧道及地下结构锚杆的应力分布，主要用于地下洞室、边坡、大坝、高层建筑的岩层之间、土层之间、岩土层之间受压后产生的位移量。
钢弦式表面应变传感器主要用于量测混凝土、钢筋混凝土、钢结构、网状钢结构的表面应变；也可用于已产生微裂的混凝土、钢筋混凝土工程裂缝变化的观测；或用于混凝土应力解除和温度应力的测量。
埋入式应变传感器多埋入混凝土（或可塑性材料）、钢筋混凝土以及喷混凝土层中长期
观测应变量的变化，也可用于病害工程凿孔（槽）埋入混凝土中。观测病害的发展情况。
位移传感器主要用于测试隧道岩层之间、土层之间及其它工程地基基础等受压力后产生的位移量。
数字式钢弦频率接受仪主要用于钢弦传感器的振动频率接受，配接分线盒可一次采集多个传感器的振动频率。
三、隧道工程监测中传感器的埋设位置与埋设方法
隧道工程监测中各种传感器的埋设位置见下图，初期支护所受围岩压力量测用压力盒的埋设要求与围岩密贴且固定，二次衬砌与初期支护之间的接触压力量测则要求压力盒与初期支护密贴且固定。围岩内部位移计和锚杆轴力计钻孔埋设，钻孔完成后压入水泥砂浆，要求压浆饱满，然后装入位移计或锚杆轴力计。当钢筋计焊接在钢拱架时，要求其同一点的内、外缘均要焊接一只，测试钢筋应力时，则是将被测钢筋截断，并在截断处焊接钢筋应力计。混凝土应变计要求埋设在衬砌的内侧（净空一侧），环向放置并固定。
图1.7 隧道监测中传感器常用布置方法
四、钢弦式土压力盒、钢筋计、混凝土应变计、锚杆计及位移计标定
1．根据传感器的量测范围，在万能试验机压（拉）至其最大荷载二次；
2．然后从0kN开始，读频率接收仪频率值，试验机每加荷0.5kN读频率接收仪频率值1次至最大荷载。
3．根据对应的压（拉）力、频率值绘制压（拉）力－频率曲线，并导出压（拉）力－
频率平方差关系式。
五、实验数据整理与计算
P（KN） 0 0.5 1.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 f f2 f2?f02 六、实验报告
1．隧道工程监测中各种传感器的埋设位置选定； 2. 钢弦式传感器的工作原理；
3．标定数据记录与处理，绘制曲线，导出关系式。
实验二 隧道周边收敛量测
一、实验目的
1.了解隧道周边位移收敛量测的意义及量测目的。 2.了解收敛计的性能，掌握使用方法。 3.掌握收敛数据的处理方法。 4.掌握隧道围岩稳定性判别准则。
二、以煤科学研究总院的数显收敛计为例说明
1．性能
量测基线长度：0. 5 m～ 10 m 及0. 5 m～ 15 m； 最小读数：0.01 mm； 量测精度：0.06 mm；
数显值稳定度：24h不大于0.01 mm。 2．仪器构造及工作原理 2.1主要结构
收敛计主要由（1）钩、（2）尺架、（3）调节螺、（4）外壳、(5)塑料盖、(6)显示窗口、（7）张力窗口、 (8) 联尺架、（9）尺卡、 （10）尺孔销、(11)带孔钢尺等部件组成，见图9.1。
图9.1 收敛计结构与工作示意图 2.2基本工作原理
收敛计是利用机械传递位移的方法，将两个基准点间的相对位移转变为数显位移计的二次读数差。如图 1 所示，当用挂钩连接两准点 A,B 予埋件时，通过调整调节螺母，改变收敛计机体长度可产生对钢尺的恒定张力，从而保证量测的准确性及可比性，机体长度的改变量，由数显电路测出。当 A ， B 两点间随时间发生相对位移时，在不同时间内所测读数的不同，其差值就是 A,B 两点间的相对位移值。
当两点间的相对位移值超过数显位移计有效量程时，可调整尺孔销所插尺孔，仍能继续用数显位移计读数。
3．使用方法
1)首先在测点处牢固的埋设预埋件;预埋件长度根据需要加工，连接件与预埋件的连接，应使销钉孔方向铅直。
2)检查予埋测点有无损坏、松动并将测点灰尘擦净。
3)打开收敛计钢尺摇把，拉出尺头挂钩放入测点孔内，将收敛计拉至另一测点，并将尺架挂钩挂入测点孔内，选择合适的尺孔，将尺孔销插入与联尺架固定。
4)调整调节螺母，仔细观察，使塑料窗口上的刻线对在张力窗口内标尺上的两条白线之