《隧道工程》实验教学大纲2012

河南城建学院《隧道工程》实验教学大纲课程名称隧道工程适用专业城市地下空间工程交通运输工程学院 《隧道工程》实验教学大纲课程编码0703206课程名称隧道工程实验适用专业城市地下空间工程学分考核形式查学时6先修课程隧道工程开课学期6一、课程简介《隧道工程实验》是城市地下空间工程专业一门重要的技术基础课程。通过实验课程项目的设置，介绍隧道工程施工控制和质量检测实验的基本测试技术和实验方法，使学生获得专业所必需的实验基本技能，具备解决一般隧道施工监控和质量检测所要求的基本素质和能力，并对学生进行科学研究隧道科学实验能力的培养。二、课程实验教学目的与要求通过实验，能更好地掌握实验理论和方法，巩固和充实课堂教学效果，培养实验技能，为将来在实际工作中进行隧道工程方面科学研究和结构检验打下基础。三、实验项目实验1土木工程监控量测常用传感器原理、使用与标定1、实验目的、任务与基本要求（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。2、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：式中：f－钢弦的的振动频率；L－钢弦长度；ρ－钢弦的密度；σ－钢弦所受的张拉应力。以压力盒为例，压力盒加工完成后，L、ρ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： 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，与压力压力和构造等有关，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。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以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，也可以用于病害工程凿孔（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。3、实验内容（1）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传感器的埋设位置见下图，初期支护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同样压力盒与初期支护密贴且固定。 围岩内部位移计和锚杆力计钻孔埋设，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，要求其同一点内、外缘均要焊接一只，测试钢筋应力时，则是被测钢筋截断，截断焊接钢筋应力计。混凝土应变计要求埋设在衬砌的内侧（净空一侧），环向放置固定。（2）、钢弦式压力盒、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－频率关系式。（3）实验报告的要求隧道工程监测中各种传感器的埋设位置选定；钢弦式传感器的工作原理；标定数据记录与处理绘制曲线，导出关系式。4、实验的重点与难点重点：频率接收仪的使用、数据记录与处理；常用传感器的标定。难点：常用传感器的标定。实验2隧道衬砌混凝土强度和缺陷的无损实验1、实验目的与任务（1）运用超声回弹综合法推定衬砌混凝土强度（2）运用声波仪测定混凝土的厚度及缺陷位置（3）运用地质雷达测定混凝土的厚度、钢筋位置及缺陷分布。2、实验基本要求掌握运用超声回弹综合法推定衬砌混凝土强度的方法，一般掌握运用声波仪测定混凝土的厚度及缺陷位置，了解运用地质雷达测定混凝土的厚度、钢筋位置及缺陷分布的方法。3、实验基本原理混凝土试块的抗压强度与无损检测的参数之间建立起来的关系曲线，称为测强曲线，它是无损检测推定混凝土强度的基础。4、实验内容（1）实验模型位长方体，材料为混凝土，模型缺陷含平行裂缝、钢筋，见图1。 （2）在模型上无缺陷处选定测区进行回弹测试，各读取16次回弹值，并记录（记录表格附后）。（3）在相应的回弹测区进行对测法声波波速测试。将声波探头用黄油或凡士林耦合后读取3次走时，并记录（记录表格附后）。图1混凝土缺陷模型示意图（4）运用声波仪、钢筋测定仪和地质雷达对含裂缝和钢筋的区域进行测定，记录声波和雷达波的反射信号。（5）回弹数据的整理①从16个回弹值中，各剔除3个最大值和最小值，然后将余下的10个回弹值求平均值得到测区回弹值。②进行碳化、测试角度和顶底面修正，得到回弹修正值。（6）波速数据的整理将测得的三个声波走时t1、t2和t3求取平均值，再利用式（1）计算混凝土的声波波速vp，式中L为测距。vp=3L/(t1+t2+t3)（1）（7）混凝土强度的推定若粗骨料为卵石时，按式（2）推定测区混凝土强度f=0.0038vp1.23R1.95（2）粗骨料为碎石时，按式（3）推定测区混凝土强度。f=0.008vp1.72R1.57（3）（8）声波法对衬砌厚度或裂缝位置的确定根据波形测得反射波的走时tp和混凝土的波速vp，由公式（4）可求得裂缝的深度D。Dp=tpvp/2（4）（9）地质雷达对衬砌厚度或裂缝位置的确定 据雷达波波形测得反射波的走时te，再根据混凝土的电磁波波速ve，由公式（5）可求得裂缝的深度De。De=teve/2（5）（10）地质雷达或钢筋仪对钢筋位置和数量的确定对钢筋反射波波形进行识别后，可直接由波形图读出钢筋数量，并可按式（5）对钢筋位置进行计算。5、实验重难点实验的重点为：混凝土强度的推定。实验的难点为：声波法对衬砌厚度或裂缝位置的确定、地质雷达对衬砌厚度或裂缝位置的确定。实验3锚杆拉拔试验1、实验目的与基本要求（1）掌握锚杆拉拔计的使用方法。（2）测定全长胶结锚杆在拉拔过程中应力分布情况。（3）掌握隧道开挖过程中围岩松动圈、塑性圈的确定方法。2、实验任务（1）原始记录、最大拉拔力，应变和百分表读数；（2）画出不同拉拔力P的条件下，杆内各点的应力σ图；（3）画出不同拉拔力p时杆端位移图；（4）实验结论（不作回归分析）。3、实验内容（1）将试件上各点按半桥连接到静态应变仪，并将仪器调平。（2）将锚杆拉力计和反力扳套在锚杆上，尾部用螺母拧紧，连接油泵和压力表（见图1）。（3）应变仪初读数后，油泵加压，每隔1吨拉力即30kg/cm2,应变仪读一次各点应变值和百分表读数，直到锚杆拉破坏。注意接力计应与锚杆外露部分平行，加力时应匀速缓慢。（4）锚杆拉出时，记录拉拔力和最大应变点的应变值，以及百分表读数，取下拉力计复位。 1．锚杆；2.充填砂浆；3.喷射混凝土；4.反力板；5.油压千斤顶；6.千分表；7.固定梁；8.支座；9.油压泵4、实验重点与难点重点：锚杆拉拔计的使用方法。难点：隧道开挖过程中围岩松动圈、塑性圈的确定方法。四、实验项目学时分配表序号实验项目实验类别学时1土木工程监控量测常用传感器原理、使用与标定演示性22隧道衬砌混凝土强度和缺陷的无损实验综合性23锚杆拉拔实验综合性2合计6五、实验报告格式1、题目与要求2、实验内容（原理、步骤等）3、掌握情况（原始记录、计算结果等）4、问题分析（结果讨论）六、成绩评定办法及标准1、成绩评定方法：1）正常情况下的学生的实验成绩应按学生的实验操作、纪律、实验报告三个方面综合评定，各项所占比例情况见下表。项目实验操作纪律实验报告百分比4020402）实验成绩按优、良、中、及格、不及格评定，3）有下列情况之一者，没有实验成绩或成绩不及格。A不参加实验者B没有完成试验报告者C报告内容过于简单、错误显著者；或抄袭者。 4）课内实验，其学生的实验成绩可识为平时（作业）成绩。2、评定标准A操作认真、无误；遵守纪律；实验报告格式标准、内容翔实、语言规范；问题分析透彻、明了；对实验掌握好。可给优。B操作认真、无误；遵守纪律；实验报告格式标准、内容翔实、语言规范；问题分析比较透彻；对实验掌握较好。可给良。C操作较认真、无误；较遵守纪律；实验报告符合要求、内容翔实；有问题分析；对实验掌握尚可。可给中。D操作基本认真；较遵守纪律；实验报告格式及内容尚可；问题分析简单；对实验掌握一般。可给及格。E操作不认真；实验报告格式及内容简单、语言不规范；问题分析差；对实验掌握不好。可给不及格。七、教材及参考书《隧道工程实验检测技术》人民交通出版社2005年1月ISBN7-114-05351-7