岩土工程应变监测中的线法原理及便携式系列仪器

岩土力学与工程学报1岩土工程应变监测中的线法原理及便携式系列仪器李光煜黄粤（广州欧美大地仪器设备有限公司，广州510620）1、岩土工程现场监测概述岩土工程是指修建在岩体土体中及以其为依托的工程，例如隧道、地下洞室、边坡、采矿场、坝基、桥梁道路基础、建筑物基础等。一般来说，设计岩土工程前都必须进行工程地质水文地质调查，物理力学参数的测定。由于绝大多数岩体（包括土体）在形成过程中经历过造岩运动、构造运动以及非构造运动，其结构构造体系是极其复杂的，物理力学参数很难测定而且不确定。岩土体是非均质、非弹性、非连续并且具有初始应力。因此，无论调查工作多么细致，也不可能完全描述岩土体的结构构造，科学试验如何精确，也不可能准确测定其物理力学参数。即使作了大量工作，取得了比较详细的地质资料和较正确的参数，在设计计算中还必须作各种假设和简化，以建立计算剖面和计算模型。在勘察、测试和设计的每一个阶段都存在不确定性因素，因此岩土工程的设计不可能完善，必须通过施工期和运行期的监测来保证施工安全，验证设计合理性并通过信息反馈及时修正设计和施工方法。但遗憾的是目前相当多的工程负责人和技术人员对岩土工程的这一特点认识不足。影响岩土工程特性的因素可分为两大类：一类是岩土体本身所固有的，称为固有因素，如工程地质水文地质条件，岩土体的物理力学特性及其参数，初始应力状态等，人们只能认识它而无法改变它；另一类为修建岩土工程而进行的活动，可称为人为因素，如工程规模、枢纽布置、开挖方法、支护措施等，人们可以适当地控制这些因素以达到合理地修建岩土工程的目的。依目前科技水平，只要具备需要和资金两大条件，绝大部分情况下都可修建岩土工程，问题的关键是所采取的设计方案和施工方法是否合理，即既安全又经济。岩土工程有两种结局，成功或失败或部分失败，但成功不等于合理，它可能是过于保守，意味着不必要的浪费。判断合理性的唯一方法是现场监测。鉴于现场监测的重要性和必要性，新奥法将其列为该法三大组成部分之一，纵观重大岩土工程及岩土力学的进展，无一不与现场监测成果密切相关。岩土工程监测项目很多，例如压力、应力、应变、变形、渗透、振动……其中应变（变形）监测是应用昀为普遍，同时也是昀敏感昀直观的参数，因为应变（变形）是所有影响岩土工程特性的因素的综合反映，变形是工程稳定性的昀重要判据，通过应变可计算应力以及变形、位移。岩土工程应变（变形）监测的方法很多，其监测变量可归纳为两类：一类是监测两点之间的轴向分量，如应变计、收敛计、多点伸长计、滑动测微计、激光测距仪……等；另一类为垂直于两点连线的横向分量，如倾斜仪、三向位移计（TRIVEC）、水准仪、连通管……等。应变（变形）监测中，通常采用标距很小的应变计或标距很大的多点伸长计、收敛计，由于岩体是多裂隙体，变形主要集中在节理裂隙断层等软弱面处，上述两种方法只能得到个别点处的应变或大范围的平均值，很难确定昀大应变（变形）的部位。八十年代初，瑞士联邦苏黎世科技大学岩石及隧道工程系K.Kovari教授等提出了线法监测原理（Linewiseobservation），区别于以应变计为代表的点法监测原理（PointwiseObservation）。后者只能测定元件埋设处的应变信息，前者则是连续地测量相邻两点间的信息，这样它就可以导出整条测线上轴向和横向变形分布。根据线法监测原理他们研制了一系列的便携式仪器，以区别于应变计、多点伸长计等固定埋设式仪器。这些仪器分别适用于不同精度要求的工程，不同方向的钻孔，可单独或同时测量轴向和横向变形，大部分是便携式的，即一套仪器可用于多个钻孔甚至多个工程。李光煜等，岩土工程应变监测中的线法原理及便携式系列仪器22、线法监测及球—锥定位原理图1a、b为一条直线或弯曲的测线，在平面问题的前提下，当测定了所有测段的变形△l、转角αi及转角变化△αi以后，任意段的位移un、vn和转角αn即可计算出。式中ki为曲率。图1：以多个参考点形成的测量链确定变形线a)直线b)曲线对于桩、地下连续墙以及大坝等细长型构件，当测定了a、b两条测线上轴向应变分布后（图2），即可算出整个构件的变形轴，其横向变形测量精度比通用的钻孔测斜仪高一个量级。原则上说，连续不断地埋设应变计也有可能取得同样结果，但实际上是不可能的，因经费太高，电缆太多，且成功率不高。图2通过测定εa、εb确定构件平面变形轴为了实现上述设想,他们根据球—锥接触原理(图3)，设计了锥形的测标及两端为球面的探头。锥形测标是环形的，并被切成四瓣，探头两端的球头也切成四瓣。这样，探头就可在用套管连接的锥形测标中自由地滑动和测量。图4为这套仪器的示意图，通过采用高硬度的不锈钢或铜及精密机械加工，球心定位精度可达到0.001mm，可满足多次反复测量的定位要求。ε—式中各分段平均应变K—各分段曲率变化α—转角u,w—横向和轴向位移分量A.B.C—积分常量图3将探头上的球头放在锥形测标上实现高精度的重复性岩土力学与工程学报3图4滑动测微计（a）结构原理示意图(b)滑动状态(c)测量状态3、便携式系列仪器3.1滑动测微计（SlidingMicrometer）这是70年代末至80年代初昀早研制成功,精度昀高，应用昀广的一套仪器，图5示出其主要组成部件，1—探头，内含LVDT电感位移计和NTC温度传感器；2—电缆铰盘，长100m，此外还有50m的，不带铰盘架；3—数据控制器（SDC），它是一种多用途的数据采集、处理、储存、控制仪，屏幕上可同时显示XYZ三个方向读数，可通过RS-232接口同现场计算机或打印机连接，存储总容为8000个数据。它可以用于滑动测微计、三向位移计、FIM、滑动变形计等几乎所有SolexpertsAG公司生产的探头，也可用于美国SINCO公司的测斜仪和在钻孔中测定弹性模量的膨胀计，除此之外，它还可采集压力、位移、温度和倾斜计等探头的数据以及作为4-20毫安传输探头的数据控制器，利用总线可控制探头250个，是自动监测系统（GeoMonitorSystem)的核心仪器（图6）；4—打印机或手提式计算机。此外还包括操作杆，导向链、铟钢标定筒，脚踏数据采集板以及钻孔中的埋设件（测环、导管、孔底封堵、孔口保护盖等）。图5滑动测微计主要部件图6SDC面板图钻孔中只埋设测环及套管，如图7所示。测环用套管相连接，间距为1000±1mm，用加膨润土的水泥浆灌注。当用于混凝土构件时可随钢筋笼一起浇注，而用于钢构件时可直接将测环焊接到构件上。可用于任意方向的测孔，只要孔口以上（以外）有2.5m左右的操作空间即可。现场测量工作很简单，通过操作杆（每根长2000mm）即可将探头送到测点处，正反旋转45度，可将探头置于滑动或测量状态，拉紧电缆或操作杆即可读数。测试过程中可随时读取测段温度，测试前后可在2134李光煜等，岩土工程应变监测中的线法原理及便携式系列仪器4标定筒中标定，以消除温度影响及零点漂移。灵敏度0.001mm/m，现场测量精度≤±0.003mm/m。图7线性监测仪器的钻孔埋设件（测环和套管）3.2滑动变形计（SlidingDeformeter）滑动变形计的测量原理和滑动测微计完全一样，组成部件也基本相似，它适用于软岩及土层中的工程，仪器量程较大（45mm），但灵敏度较低（0.01mm）。探头外径有二种，24mm、47mm，前者可埋设于Φ75mm钻孔中，整套仪器更为轻便，同时也更经济，图8为主要组成部件。1—探头，其中的位移传感器有二种类型（电感式，电位式）每种又有二种型号，即SD27（P）、SD27（I）、SD51（P）、SD51（I）；2—电缆盘；3—读数仪，可单独使用，也可通过RS-232串口连接到微型打印机或计算机4中，对（I）型探头也可用SDC。在计算机上处理数据及绘图，可用相应的TRICAL软件。图8滑动变形计主要部件3.3三向位移计（TRIVEC）TRIVEC是在滑动测微计基础上增加二个低量程伺服加速度计，以测定相互垂直的横向位移，因此，可同时测定三个位移分量（X、Y、Z），仪器外形及组成部件与滑动测微计基本相同，操作也极简单，通过脚踏启动器，可同时记录三个读数，完成一个测段约需30秒钟。但它只适用于接近垂直的钻孔中，（±5.5o~14.5o）,如基本垂直，则横向测量精度将高于±0.05mm/m。为了检查探头的操作、线性位移传感器的零点与线性是否正常以及测斜探头是否稳定，特别设计了一种标定装置，如图9所示，主要部件由铟钢制成，它通过两个高精度的复合气泡来控制该装置的正确倾斜度，因此在X与Y方向同竖直方向的偏斜均可观测到。此标定台也可对其他类型的测斜仪进行标定。图9TRIVEC标定架3.4固定式可回收测微计（FIM）滑动式仪器的缺点是不能进行连续的自动监测，但在某些情况下，自动监测是完全必要的，例如滑坡活动期，洪水期大坝、桥基、码头等的稳定性等。这时可根据滑动测微计或三向位移计的监测结果，选定昀敏感部位，如应变不连续处或应变昀大处，安装FIM。FIM的安设过程同滑动测微计和三向位移计基本相同，只是需要将它的探头临时锁固在两个测环之间，Calibrationdevicewithtwohighprecisioncoincidencelevels3241岩土力学与工程学报5基线长度可以是1或2米，也可将两个探头一个跟一个地同时安设。安设探头所用的导杆完全相同，用它就可安设和取出FIM，它的弹簧加压装置可在两上测环之间临时锁固FIM。由于它的安设、临时锁固和取出均很方便，故取出探头以后，仍然可以使用滑动测微计或三向位移计对该量测线进行监测。数据采集所用的仪器可以是SDC数据控制器或全自动的GEOMONITOR系统。一个钢针穿过探头自由伸缩的内外径上的特殊孔中，利用读数器就可对它进行标定。如果需要，可将传感器的输出信号微调至量测范围中点所要求的读数，这个位于量测范围中点的初始读数可在读数器中使用较高的增益，以便于增加探头的分辨率。FIM的技术参数与滑动测微计相同。图10FIM安装在二个测环之间3.5滑动曲率计（SlidingCurvometer）TRIVEC和常用的钻孔测斜仪只能对竖直的钻孔进行手动或自动量测,而滑动曲率计则可对任何倾斜度的钻孔进行量测，它可成功地量测出垂直于钻孔轴线的X和Y方向上的位移。探头是双向的、并用电子接头将两个一米长的探头互相连接起来，在该接头中有信号放大和测温装置。当在向上倾斜或水平的钻孔中进行量测时，需使用导杆定位，而在向下倾斜的钻孔中量测时，用电缆就可将探头定位。不论是哪种情况，都可利用探头自身的三对弹簧受压轮将它沿着套管槽滑动，图11为工作原理图。电缆末端一个防水接头同探头连接，电缆本身以高强度聚酰胺纤维加强。它的标定设备用来检查探头的操作是否正常和验证电子接头的零点与线性，标定器的正确定位是由高精度的测微计所控制的。图11滑动曲变计工作原理图数据采集和处理可用SDC数据控制器或GeoMonitor系统。灵敏度0.005mm，20m钻孔测量精度可达±3mm。3.6便携式变形计和曲率计（DeformeterandCurvometer）上述五种仪器只适用钻孔中，有时需要根据线法原理测定结构表面应变，如隧道或地下洞室衬砌或钢拱架上的变形和应变，了解其受力状态并计算顶拱荷载。从理论上讲，顶拱荷载可用压力盒测定，但安装压力盒以后，支护和围岩（或土）的接触状态就变了，其测量值和真实值不一样，这是长期以来困扰人们的元件与介质的匹配问题，因此另辟蹊径，通过测定结构的变形和应变去推算岩石或土压力。K．KOVARI教授等根据线法原理设计了一种机械式的而且是便携式的变形计和曲率计，以连续地测定每一拱段的弦长和矢高的变化，并在实验室用原形构件测定预加压力下的变形，并根据各级压力下测定的变形计算压力，以对比实际施加压力与计算压力之间的误差，得到了很好的验证。图13中的变形计和曲率计分别测定图11中的L和F值，而N和Q值可用N-Q荷重计测定。二种仪器均用铟钢制造，并可在铟钢标定台上校正,仪器定位仍采用球一锥接触原理,其定位精度可达±0.002mm,标距500mm。图12变形计和曲