第二讲  围护体系内力监测

一、监测项目
基坑工程围护体系内力监测包括支撑内力、锚杆拉力、围护墙内力、围檩内力、立柱内力等。支撑内力、锚杆拉力为板式围护体系一、二级基坑应测项目，三级基坑选测项目。围护墙内力、围檩内力为板式围护体系一级基坑应测项目，二级基坑选测项目。立柱内力为板式围护体系一、二级基坑选测项目，主要用于逆作法施工。
二、仪器、设备简介
1．监测传感器及基本原理（钢弦式传感器）
监测传感器是地下工程施工前或施工过程中直接埋设在地层及结构物中，用以监测其在施工阶段受力和变形的传感器。按照它们的工作原理可分成差动电阻式(卡尔逊式)、钢弦式、电阻应变式、电感式等多种。
目前地下工程中使用较多的是钢弦式和电阻应变片式传感器。钢弦式传感器是利用钢弦的振动频率将物理量变为电量，再通过二次测量仪表(频率计)将频率的变化反映出来。当钢弦在外力作用下产生变形时，其振动频率即发生变化。在传感器内有一块电磁铁，当激振发生器向线圈内通入脉冲电流时钢弦振动。钢弦的振动又在电磁线圈内产生交变电动势。利用频率计就可测得此交变电动势即钢弦的振动频率，其构造如下图所示。根据预先标定的频率-应力曲线或频率—应变曲线即可换算出所需测定的压力值或变形值。由于频率信号不受传感器与接收仪器之间信号电缆长度的影响，因此钢弦式传感器十分适用于长距离遥测(国内电缆可长达1000m，国外电缆可长达1500m)。当然，无线传输技术的应用也为长距离遥测提供了技术支撑。钢弦式传感器还具有稳定性、耐久性好的特点．能适应相对较差的监测环境，在目前工程实践中得到了广泛应用。
钢弦式传感器物理计算公式：
P=K                                   (2-1)
式中P—待测物理量；
K—与待测物理量相匹配的标定系数；
 —测试频率；
 —初始频率。
钢弦式传感器可制作成用于不同监测参数的传感器，如应变计、钢筋应力计、轴力计、（孔隙水压力计和土压力盒）等。
1）应变计
应变计是用于监测结构承受荷载、温度变化而产生变形的监测传感器。与应力计所不同的是，应变计中传感器的刚度要远远小于监测对象的刚度。根据应变计的布置方式，可分为表面应变计和埋入式应变计。
（1）表面应变计。表面应变计主要用于钢结构表面，也可用于混凝土表面。表面应变计由两块安装钢支座、微振线圈、电缆组件和应变杆组成，其微振线圈可从应变杆卸下，这样就增加了一个可变度使得传感器的安装、维护更为方便，并且可以调节测量范围（标距）。安装时使用一个定位托架，用电弧焊将两端的安装钢支座焊（或安装）在待测结构的表面。表面应变计的特点在于安装快捷，可在测试开始前再行安装，避免前期施工造成的损坏，传感器成活率高。
（2）埋入式应变计。埋入式应变计可在混凝土结构浇筑时，直接埋入混凝土中用于地下工程的长期应变测量。埋入式应变计的两端有两个不锈钢圆盘。圆盘之间用柔性的铝合金波纹管连接．中间放置一根张拉好的钢弦，将应变计埋入混凝土内。混凝土的变形(即应变)使两端圆盘相对移动，这样就改变了张力，用电磁线圈激振钢弦，通过监测钢弦的频率求混凝土的变形。埋入式应变计因完全埋入在混凝土中，不受外界施工的影响稳定性耐久性好，使用寿命长。
2）钢筋应力计
用于测量钢筋混凝土内的钢筋应力。可根据被测钢筋的直径选配与之相应的钢筋应力计。
3）轴力计
在基坑工程中轴力计主要用于测量钢支撑的轴力。轴力计的外壳是一个经过热处理的高强度钢筒。在筒内装有应变计，用来测读作用在钢筒上的荷载。
4）孔隙水压力计
孔隙水压力计(渗压计)是用于测量由于打桩、基坑开挖、地下工程开挖等作业扰动土体而引起的孔隙水压变化的测量传感嚣。孔隙水压力计由金属壳体和透水石组成，孔隙水渗入透水石作用于传感器。
5）土压力计(盒)
土压力计按埋人方式分为埋入式和边界式两种。土压力盒是置于土体与结构界面上或埋设在自由土体中，用于测量土体对结构的土压力及地层中土压力变化的测量传感器。根据其内部结构不同又有单膜和双膜两类。单膜式受接触介质的影响较大，而使用前的标定要与实际土体一致往往做不到，因而测试误差较大。一般使用于测量界面土压力目前采用较广的是双膜式，其对各种介质具有较强适应性。因此多用于测量土体内部的土压力，依据土压力盒的测量原理结构材料和外形尺寸，使用时可根据实际用途、施工方式、量程大小进行选择。
2．测试仪器、设备（频率仪）
频率仪是用来测读钢弦式传感嚣钢弦振动频率值的二次接收仪表。目前现场常用的是采用单片计算机技术，测量范围在500-5000Hz，分辨率0.1Hz的数显频率仪。
(1)安装电池。打开仪器背后的电池盒盖，依照所示正负极安装密封电池，应使用优质电池，以防电液损坏技器。
(2)连接测量导线。将单点测量线或多点测量控制线插接在仪器上。禁止在开机带电状态下插拔测量线，以免造成分线箱永久损坏。
(3)通电测读。打开电源开关，仪器自检后进入等待测量状态，按动键开始选点测量。读取稳定的测试数据。

三、传感器安装
1.支撑内力传感器安装
1）钢筋混凝土支撑
目前钢筋混凝土支撑杆件，主要采用钢筋计监测钢筋的应力，然后通过钢筋与混凝土共同工作、变形协调条件反算支撑的轴力。当监测断面选定后监测传感器应布置在该断面的4个角上或4条边上以便必要时可计算轴力的偏心距，且在求取平均值时更可靠(考虑个别传感器埋设失败或遭施工破坏等情况)，当为了使监测投资更为经济或同工程中的监测断面较多，每次监测工作时问有限时也可在个监测断面上上下对称、左右对称或在对角线方向布置两个监测传感器。
钢筋计与受力主筋一般通过连杆电焊的方式连接。因电焊容易产生高温，会对传感器产生不利影响。所以，在实际操作时有两种处理方法。其一, 有条件时应先将连杆与受力钢筋碰焊对接(或碰焊)，然后再旋上钢筋计。其二, 在安装钢筋计的位置上先截下一段不小于传感器长度的主筋,然后将连上连杆的钢筋计焊接在被测主筋上焊上。钢筋计连杆应有足够的长度,以满足规范对搭接焊缝长度的要求。在焊接时,为避免传感器受热损坏, 要在传感器上包上湿布并不断浇冷水,直到焊接完毕后钢筋冷却到一定温度为止。在焊接过程中还应不断测试传感器,看看传感器是否处于正常状态。
钢筋计电缆一般为一次成型,不宜在现场加长。如需接长,应在接线完成后检查钢筋计的绝缘电阻和频率初值是否正常。要求电缆接头焊接可靠,稳定且防水性能达到规定的耐水压要求。做好钢筋计的编号工作。
2）钢支撑
对于钢结构支撑杆件，目前较普遍的是采用轴力计(也称反力计)和表面应变计两种形式。 轴力计可直接监测支撑轴力, 表面应变计则是通过量测到的应变再计算支撑轴力。
轴力计安装: 将轴力计圆形钢筒安装架上没有开槽的一端面与支撑固定头断面钢板焊接牢固，电焊时安装架必须与钢支撑中心轴线与安装中心点对齐。待冷却后，把轴力计推入焊好的安装架圆形钢筒内并用圆形钢筒上的4个M10螺丝把轴力计牢固地固定在安装架内，然后把轴力计的电缆妥善地绑在安装架的两翅膀内侧，确保支撑吊装时，轴力计和电缆不会掉下来。起吊前，测量一下轴力计的初频，是否与出厂时的初频相符合(≤±20Hz)。钢支撑吊装到位后，在轴力计与墙体钢板间插入一块250mm×250mm×25mm钢板，防止钢支撑受力后轴力计陷入墙体内，造成测值不准等情况发生。在施加钢支撑预应力前，把轴力计的电缆引至方便正常测量位置，测试轴力计初始频率。在钢支撑施加预应力同时测试轴力计，看其是否正常工作。待钢支撑预应力施加结束后，测试轴力计的轴力，检验轴力计所测轴力与施加在钢支撑上的预顶力是否一致。
表面应变计安装:在钢支撑同一截面两侧分别焊上表面应变计, 应变计应与支撑轴线保持平行或在同一平面上。焊接前先将安装杆固定在钢支座上,确定好钢支座的位置,然后将钢支座焊接在钢支撑上。待冷却后将安装杆从钢支座取出,装上应变计。调试好初始频率后将应变计牢固在钢支座。需要注意的是, 表面应变计必须在钢支撑施加预顶力之前安装完毕。
2.围檩内力传感器安装
围护支护系统中围檩有钢筋混凝土围檩和钢围檩之分, 钢筋混凝土围檩内力传感器安装同钢筋混凝土支撑,采用钢筋计监测钢筋的应力，然后通过钢筋与混凝土共同工作、变形协调条件反算围檩内力。钢围檩内力传感器安装采用表面应变计,通过监测钢围檩应变,计算钢围檩内力。传感器安装方法同上。
3.立柱内力传感器安装
立柱内力监测主要用于逆作法施工,监测点宜布置在受力较大的立柱上。传感器安装部位宜设置在坑底以上立柱长度的1/3处,每个截面内不应少于4个传感器。
4.围护墙内力传感器安装 
围护墙内力监测断面应选在围护结构中出现弯矩极值的部位。在平面上，可选择围护结构位于两支撑的跨中部位、开挖深度较大以及水土压力或地表超载较大的地方。在立面上．可选择支撑处和每层支撑的中间，此处往往发生极大负弯矩和极大正弯矩。若能取得围护结构弯矩设计值，则可参考最不利工况下的最不利截面位置进行钢筋计的布设。围护墙内力测试传感器采用钢筋计,安装方法同钢筋混凝土支撑。当钢筋笼绑扎完毕后，将钢筋计串联焊接到受力主筋的预留位置上．并将导线编号后绑扎在钢筋笼上导出地表，从传感器引出的测量导线应留有足够的长度，中间不宜有接头，在特殊情况下采用接头时，应采取有效的防水措施。钢筋笼下沉前应对所有钢筋计全都测定核查焊接位置及编号无误后方可施工。对干桩内的环形钢筋笼、要保证焊有钢筋计的主筋位于开挖时的最大受力位置，即一对钢筋计的水平连线与基坑边线垂直，并保持下沉过程中不发生扭曲。钢筋笼焊接时，要对测量电缆遮盖湿麻袋进行保护。浇捣混凝土的导管与钢筋计位置应错开以免导管上下时损伤监测传感器和电缆。电缆露出围护结构，应套上钢管．避免日后凿除浮渣时造成损坏。混凝土浇筑完毕后，应立即复测钢筋计，核对编号，并将同立面上的钢筋计导线接在同一块接线板不同编号的接线柱，以便日后监测。

四、监测技术
1.钢弦式传感器测试方法
钢弦式传感器测试方法可分为手动和自动两类。目前工程中常用的为手动测试,即用手持式数显频率仪现场测试传感器频率。具体操作方法为,接通频率仪电源,将频率仪两根测试导线分别接在传感器的导线上,按频率仪测试按钮, 频率仪数显窗口会出现数据(传感器频率),反复测试几次,观测数据是否稳定,如果几次测试的数据变化量在1Hz以内,可以认为测试数据稳定,取平均值作为测试值。 由于频率仪在测试时会发出很高的脉冲电流,所以在测试时操作者必须使测试接头保持干臊,并使接头处的两根导线相互分开,不要有任何接触,不然会影响测试结果。
现场原始记录必须采用专用格式的记录纸, 除记录下传感器器编号和对应测试频率外,原始记录纸上还要充分反映环境和施工信息。
2.测试数据处理
根据材料力学基本原理轴向受力可表述为:
                                （2-2）
对钢筋混凝土杆件，在钢筋与混凝土共同工作、变形协调条件下，轴向受力可表述为:
                            （2-3）
1) 支撑内力计算方法
钢筋混凝土支撑内力计算方法:
                            （2-4）
                           （2-5）
 =                       （2-6）
式中 —支撑内力(kN)；
 —钢筋应力(kN/mm2)；
 —钢筋计监测平均应力(kN/mm2) ；
 —第j个钢筋计标定系数（kN/Hz2）；
 —第j个钢筋计监测频率（Hz）；
 —第j个钢筋计安装后的初始频率（Hz）。
 —第j个钢筋计截面积（mm2）。
 —混凝土弹性模量(kN/mm2)；
 —钢筋弹性模量(kN/mm2)；
 —混凝土截面积（mm2）；AC=Ab-AS Ab—支撑截面积（mm2）
 —钢筋总截面积（mm2）。
钢支撑轴力计算方法:
轴力计：                                                     （2-7）
式中 —钢支撑轴力(kN)；
 —轴力计标定系数（kN/Hz2）；
 —轴力计监测频率（Hz）；
 —轴力计安装后的初始频率（Hz）。
表面应变计：                                       （2-6）
式中 —钢支撑轴力(kN)；
 —钢支撑截面积(mm2)；
 —钢弹性模量(kN/mm2)；
 —第j个表面应变计标定系数（10-6/Hz2）；
 —第j个表面应变计监测频率（Hz）；
 —第j个表面应变安装后的初始频率（Hz）。
2) 围护墙内力计算方法
                            （2-7）
                           （2-8）
 =                       （2-9）
式中 —围护墙内力(kN)；
 —钢筋应力(kN/mm2)；
 —钢筋计监测平均应力(kN/mm2) ；
 —第j个钢筋计标定系数（kN/Hz2）；
 —第j个钢筋计监测频率（Hz）；
 —第j个钢筋计安装后的初始频率（Hz）。
 —第j个钢筋计截面面积（mm2）。
 —混凝土弹性模量(kN/mm2)；
 —钢筋弹性模量(kN/mm2)；
 —混凝土截面面积（mm2）；
AC=A-AS A—围护墙截面面积（mm2），连续墙为每延米，灌注桩以单桩计；
 —钢筋总截面面积（mm2）。
3) 立柱内力计算方法
同支撑轴力计算方法。
4) 围檩内力计算方法
同支撑轴力计算方法。
5) 锚杆拉力计算方法
同轴力计计算方法。
3工程算例