第二講 圍護體系內力監測
一、監測項目
基坑工程圍護體系內力監測包括支撐內力、錨桿拉力、圍護墻內力、圍檁內力、立柱內力等。支撐內力、錨桿拉力為板式圍護體系一、二級基坑應測項目，三級基坑選測項目。圍護墻內力、圍檁內力為板式圍護體系一級基坑應測項目，二級基坑選測項目。立柱內力為板式圍護體系一、二級基坑選測項目，主要用于逆作法施工。
二、儀器、設備簡介
1．監測傳感器及基本原理（鋼弦式傳感器）
監測傳感器是地下工程施工前或施工過程中直接埋設在地層及結構物中，用以監測其在施工階段受力和變形的傳感器。按照它們的工作原理可分成差動電阻式(卡爾遜式)、鋼弦式、電阻應變式、電感式等多種。
目前地下工程中使用較多的是鋼弦式和電阻應變片式傳感器。鋼弦式傳感器是利用鋼弦的振動頻率將物理量變為電量，再通過二次測量儀表(頻率計)將頻率的變化反映出來。當鋼弦在外力作用下產生變形時，其振動頻率即發生變化。在傳感器內有一塊電磁鐵，當激振發生器向線圈內通入脈沖電流時鋼弦振動。鋼弦的振動又在電磁線圈內產生交變電動勢。利用頻率計就可測得此交變電動勢即鋼弦的振動頻率，其構造如下圖所示。根據預先標定的頻率-應力曲線或頻率—應變曲線即可換算出所需測定的壓力值或變形值。由于頻率信號不受傳感器與接收儀器之間信號電纜長度的影響，因此鋼弦式傳感器十分適用于長距離遙測(國內電纜可長達1000m，國外電纜可長達1500m)。當然，無線傳輸技術的應用也為長距離遙測提供了技術支撐。鋼弦式傳感器還具有穩定性、耐久性好的特點．能適應相對較差的監測環境，在目前工程實踐中得到了廣泛應用。
鋼弦式傳感器物理計算公式：
P=K (2-1)
式中P—待測物理量；
K—與待測物理量相匹配的標定系數；
—測試頻率；
—初始頻率。
鋼弦式傳感器可制作成用于不同監測參數的傳感器，如應變計、鋼筋應力計、軸力計、（孔隙水壓力計和土壓力盒）等。
1）應變計
應變計是用于監測結構承受荷載、溫度變化而產生變形的監測傳感器。與應力計所不同的是，應變計中傳感器的剛度要遠遠小于監測對象的剛度。根據應變計的布置方式，可分為表面應變計和埋入式應變計。
（1）表面應變計。表面應變計主要用于鋼結構表面，也可用于混凝土表面。表面應變計由兩塊安裝鋼支座、微振線圈、電纜組件和應變桿組成，其微振線圈可從應變桿卸下，這樣就增加了一個可變度使得傳感器的安裝、維護更為方便，并且可以調節測量范圍（標距）。安裝時使用一個定位托架，用電弧焊將兩端的安裝鋼支座焊（或安裝）在待測結構的表面。表面應變計的特點在于安裝快捷，可在測試開始前再行安裝，避免前期施工造成的損壞，傳感器成活率高。
（2）埋入式應變計。埋入式應變計可在混凝土結構澆筑時，直接埋入混凝土中用于地下工程的長期應變測量。埋入式應變計的兩端有兩個不銹鋼圓盤。圓盤之間用柔性的鋁合金波紋管連接．中間放置一根張拉好的鋼弦，將應變計埋入混凝土內。混凝土的變形(即應變)使兩端圓盤相對移動，這樣就改變了張力，用電磁線圈激振鋼弦，通過監測鋼弦的頻率求混凝土的變形。埋入式應變計因完全埋入在混凝土中，不受外界施工的影響穩定性耐久性好，使用壽命長。
2）鋼筋應力計
用于測量鋼筋混凝土內的鋼筋應力。可根據被測鋼筋的直徑選配與之相應的鋼筋應力計。
3）軸力計
在基坑工程中軸力計主要用于測量鋼支撐的軸力。軸力計的外殼是一個經過熱處理的高強度鋼筒。在筒內裝有應變計，用來測讀作用在鋼筒上的荷載。
4）孔隙水壓力計
孔隙水壓力計(滲壓計)是用于測量由于打樁、基坑開挖、地下工程開挖等作業擾動土體而引起的孔隙水壓變化的測量傳感囂。孔隙水壓力計由金屬殼體和透水石組成，孔隙水滲入透水石作用于傳感器。
5）土壓力計(盒)
土壓力計按埋人方式分為埋入式和邊界式兩種。土壓力盒是置于土體與結構界面上或埋設在自由土體中，用于測量土體對結構的土壓力及地層中土壓力變化的測量傳感器。根據其內部結構不同又有單膜和雙膜兩類。單膜式受接觸介質的影響較大，而使用前的標定要與實際土體一致往往做不到，因而測試誤差較大。一般使用于測量界面土壓力目前采用較廣的是雙膜式，其對各種介質具有較強適應性。因此多用于測量土體內部的土壓力，依據土壓力盒的測量原理結構材料和外形尺寸，使用時可根據實際用途、施工方式、量程大小進行選擇。
2．測試儀器、設備（頻率儀）
頻率儀是用來測讀鋼弦式傳感囂鋼弦振動頻率值的二次接收儀表。目前現場常用的是采用單片計算機技術，測量范圍在500-5000Hz，分辨率0.1Hz的數顯頻率儀。
(1)安裝電池。打開儀器背后的電池盒蓋，依照所示正負極安裝密封電池，應使用優質電池，以防電液損壞技器。
(2)連接測量導線。將單點測量線或多點測量控制線插接在儀器上。禁止在開機帶電狀態下插拔測量線，以免造成分線箱永久損壞。
(3)通電測讀。打開電源開關，儀器自檢后進入等待測量狀態，按動鍵開始選點測量。讀取穩定的測試數據。
三、傳感器安裝
1.支撐內力傳感器安裝
1）鋼筋混凝土支撐
目前鋼筋混凝土支撐桿件，主要采用鋼筋計監測鋼筋的應力，然后通過鋼筋與混凝土共同工作、變形協調條件反算支撐的軸力。當監測斷面選定后監測傳感器應布置在該斷面的4個角上或4條邊上以便必要時可計算軸力的偏心距，且在求取平均值時更可靠(考慮個別傳感器埋設失敗或遭施工破壞等情況)，當為了使監測投資更為經濟或同工程中的監測斷面較多，每次監測工作時問有限時也可在個監測斷面上上下對稱、左右對稱或在對角線方向布置兩個監測傳感器。
鋼筋計與受力主筋一般通過連桿電焊的方式連接。因電焊容易產生高溫，會對傳感器產生不利影響。所以，在實際操作時有兩種處理方法。其一, 有條件時應先將連桿與受力鋼筋碰焊對接(或碰焊)，然后再旋上鋼筋計。其二, 在安裝鋼筋計的位置上先截下一段不小于傳感器長度的主筋,然后將連上連桿的鋼筋計焊接在被測主筋上焊上。鋼筋計連桿應有足夠的長度,以滿足規范對搭接焊縫長度的要求。在焊接時,為避免傳感器受熱損壞, 要在傳感器上包上濕布并不斷澆冷水,直到焊接完畢后鋼筋冷卻到一定溫度為止。在焊接過程中還應不斷測試傳感器,看看傳感器是否處于正常狀態。
鋼筋計電纜一般為一次成型,不宜在現場加長。如需接長,應在接線完成后檢查鋼筋計的絕緣電阻和頻率初值是否正常。要求電纜接頭焊接可靠,穩定且防水性能達到規定的耐水壓要求。做好鋼筋計的編號工作。
2）鋼支撐
對于鋼結構支撐桿件，目前較普遍的是采用軸力計(也稱反力計)和表面應變計兩種形式。 軸力計可直接監測支撐軸力, 表面應變計則是通過量測到的應變再計算支撐軸力。
軸力計安裝: 將軸力計圓形鋼筒安裝架上沒有開槽的一端面與支撐固定頭斷面鋼板焊接牢固，電焊時安裝架必須與鋼支撐中心軸線與安裝中心點對齊。待冷卻后，把軸力計推入焊好的安裝架圓形鋼筒內并用圓形鋼筒上的4個M10螺絲把軸力計牢固地固定在安裝架內，然后把軸力計的電纜妥善地綁在安裝架的兩翅膀內側，確保支撐吊裝時，軸力計和電纜不會掉下來。起吊前，測量一下軸力計的初頻，是否與出廠時的初頻相符合(≤±20Hz)。鋼支撐吊裝到位后，在軸力計與墻體鋼板間插入一塊250mm×250mm×25mm鋼板，防止鋼支撐受力后軸力計陷入墻體內，造成測值不準等情況發生。在施加鋼支撐預應力前，把軸力計的電纜引至方便正常測量位置，測試軸力計初始頻率。在鋼支撐施加預應力同時測試軸力計，看其是否正常工作。待鋼支撐預應力施加結束后，測試軸力計的軸力，檢驗軸力計所測軸力與施加在鋼支撐上的預頂力是否一致。
表面應變計安裝:在鋼支撐同一截面兩側分別焊上表面應變計, 應變計應與支撐軸線保持平行或在同一平面上。焊接前先將安裝桿固定在鋼支座上,確定好鋼支座的位置,然后將鋼支座焊接在鋼支撐上。待冷卻后將安裝桿從鋼支座取出,裝上應變計。調試好初始頻率后將應變計牢固在鋼支座。需要注意的是, 表面應變計必須在鋼支撐施加預頂力之前安裝完畢。
2.圍檁內力傳感器安裝
圍護支護系統中圍檁有鋼筋混凝土圍檁和鋼圍檁之分, 鋼筋混凝土圍檁內力傳感器安裝同鋼筋混凝土支撐,采用鋼筋計監測鋼筋的應力，然后通過鋼筋與混凝土共同工作、變形協調條件反算圍檁內力。鋼圍檁內力傳感器安裝采用表面應變計,通過監測鋼圍檁應變,計算鋼圍檁內力。傳感器安裝方法同上。
3.立柱內力傳感器安裝
立柱內力監測主要用于逆作法施工,監測點宜布置在受力較大的立柱上。傳感器安裝部位宜設置在坑底以上立柱長度的1/3處,每個截面內不應少于4個傳感器。
4.圍護墻內力傳感器安裝
圍護墻內力監測斷面應選在圍護結構中出現彎矩極值的部位。在平面上，可選擇圍護結構位于兩支撐的跨中部位、開挖深度較大以及水土壓力或地表超載較大的地方。在立面上．可選擇支撐處和每層支撐的中間，此處往往發生極大負彎矩和極大正彎矩。若能取得圍護結構彎矩設計值，則可參考最不利工況下的最不利截面位置進行鋼筋計的布設。圍護墻內力測試傳感器采用鋼筋計,安裝方法同鋼筋混凝土支撐。當鋼筋籠綁扎完畢后，將鋼筋計串聯焊接到受力主筋的預留位置上．并將導線編號后綁扎在鋼筋籠上導出地表，從傳感器引出的測量導線應留有足夠的長度，中間不宜有接頭，在特殊情況下采用接頭時，應采取有效的防水措施。鋼筋籠下沉前應對所有鋼筋計全都測定核查焊接位置及編號無誤后方可施工。對干樁內的環形鋼筋籠、要保證焊有鋼筋計的主筋位于開挖時的最大受力位置，即一對鋼筋計的水平連線與基坑邊線垂直，并保持下沉過程中不發生扭曲。鋼筋籠焊接時，要對測量電纜遮蓋濕麻袋進行保護。澆搗混凝土的導管與鋼筋計位置應錯開以免導管上下時損傷監測傳感器和電纜。電纜露出圍護結構，應套上鋼管．避免日后鑿除浮渣時造成損壞。混凝土澆筑完畢后，應立即復測鋼筋計，核對編號，并將同立面上的鋼筋計導線接在同一塊接線板不同編號的接線柱，以便日后監測。
四、監測技術
1.鋼弦式傳感器測試方法
鋼弦式傳感器測試方法可分為手動和自動兩類。目前工程中常用的為手動測試,即用手持式數顯頻率儀現場測試傳感器頻率。具體操作方法為,接通頻率儀電源,將頻率儀兩根測試導線分別接在傳感器的導線上,按頻率儀測試按鈕, 頻率儀數顯窗口會出現數據(傳感器頻率),反復測試幾次,觀測數據是否穩定,如果幾次測試的數據變化量在1Hz以內,可以認為測試數據穩定,取平均值作為測試值。 由于頻率儀在測試時會發出很高的脈沖電流,所以在測試時操作者必須使測試接頭保持干臊,并使接頭處的兩根導線相互分開,不要有任何接觸,不然會影響測試結果。
現場原始記錄必須采用專用格式的記錄紙, 除記錄下傳感器器編號和對應測試頻率外,原始記錄紙上還要充分反映環境和施工信息。
2.測試數據處理
根據材料力學基本原理軸向受力可表述為:
（2-2）
對鋼筋混凝土桿件，在鋼筋與混凝土共同工作、變形協調條件下，軸向受力可表述為:
（2-3）
1) 支撐內力計算方法
鋼筋混凝土支撐內力計算方法:
（2-4）
（2-5）
= （2-6）
式中 —支撐內力(kN)；
—鋼筋應力(kN/mm2)；
—鋼筋計監測平均應力(kN/mm2) ；
—第j個鋼筋計標定系數（kN/Hz2）；
—第j個鋼筋計監測頻率（Hz）；
—第j個鋼筋計安裝后的初始頻率（Hz）。
—第j個鋼筋計截面積（mm2）。
—混凝土彈性模量(kN/mm2)；
—鋼筋彈性模量(kN/mm2)；
—混凝土截面積（mm2）；AC=Ab-AS Ab—支撐截面積（mm2）
—鋼筋總截面積（mm2）。
鋼支撐軸力計算方法:
軸力計： （2-7）
式中 —鋼支撐軸力(kN)；
—軸力計標定系數（kN/Hz2）；
—軸力計監測頻率（Hz）；
—軸力計安裝后的初始頻率（Hz）。
表面應變計： （2-6）
式中 —鋼支撐軸力(kN)；
—鋼支撐截面積(mm2)；
—鋼彈性模量(kN/mm2)；
—第j個表面應變計標定系數（10-6/Hz2）；
—第j個表面應變計監測頻率（Hz）；
—第j個表面應變安裝后的初始頻率（Hz）。
2) 圍護墻內力計算方法
（2-7）
（2-8）
= （2-9）
式中 —圍護墻內力(kN)；
—鋼筋應力(kN/mm2)；
—鋼筋計監測平均應力(kN/mm2) ；
—第j個鋼筋計標定系數（kN/Hz2）；
—第j個鋼筋計監測頻率（Hz）；
—第j個鋼筋計安裝后的初始頻率（Hz）。
—第j個鋼筋計截面面積（mm2）。
—混凝土彈性模量(kN/mm2)；
—鋼筋彈性模量(kN/mm2)；
—混凝土截面面積（mm2）；
AC=A-AS A—圍護墻截面面積（mm2），連續墻為每延米，灌注樁以單樁計；
—鋼筋總截面面積（mm2）。
3) 立柱內力計算方法
同支撐軸力計算方法。
4) 圍檁內力計算方法
同支撐軸力計算方法。
5) 錨桿拉力計算方法
同軸力計計算方法。
3工程算例
