地下工程監測與檢測實驗環節教學設計

陳 娟， 鄭 曉， 鐘世英， 張慎河， 柴志剛

（山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101）

巖土工程的測試、檢測與監測是從事巖土工程勘察、設計、施工和監理的工作者必須掌握的基本知識，同時也是從事巖土工程理論研究所必須具備的基本手段［1-3］。隨著自動化監測和遠程監控技術的實現，監測和檢測在現代巖土工程中的地位逐漸提高，地下工程監測與檢測或巖土工程測試與監測技術成為全國土木工程（巖土方向）和城市地下空間工程本科專業非常重要的一門專業課［4-6］。通過本課程的學習使學生初步掌握工程監測與檢測的基本要求、方法、手段，對不同類型工程能制定合理的監測方案，針對不同工程關鍵問題給出合理的檢測方法，并利用已有的監測與檢測數據有效控制現場施工質量，及時信息反饋以調整設計，確保施工安全和保護周邊環境，并為今后類似地下工程的設計和施工提供經驗數據。

該課程內容豐富，涉及巖土工程的多個方面，如地基加固、樁基礎、基坑工程、隧道工程以及邊坡工程的監測和檢測等，并具有較強的實踐性。針對課程的上述特點，劉永莉等從教師、學生和學校3個方面提出開設課程應滿足的基本要求，提出提高課程教學質量的建議，如提高教師素質、培養學生自學能力、提高資源投入等，并分析了現代教育技術（網絡技術和多媒體技術等）在課程教學中的應用［6-7］。沈超等指出課程課堂教學環節中存在的問題，如缺乏課堂互動、儀器設備操作少、操作技能不熟練等，提出邊學邊做、強調實踐能力是提高課程教學質量的關鍵［5］。結合大型地下結構與工程地質實驗場地進行了巖土工程測試與監測技術實踐教學改革的探索，提出通過合理設置實踐教學環節，優化實踐教學方法和內容，完善實踐教學成績的考核，激發學生學習該課程的積極性和創造性［8］。

地下工程監測與檢測是一門實踐性非常強的課程，傳統課堂教學對提高學生實踐能力有一定局限性，僅通過視頻演示無法讓學生獲得直接訓練，必須開設高質量的實踐教學環節。實驗是地下工程監測和檢測課程的重要組成部分，是了解地下工程測試技術、基本測試儀器操作和使用的重要環節。然而實際地下工程監測費時費力，并且風險性較高，難以在教學中開展。比如，基坑工程監測往往在基坑開挖前就需要埋設測點，隨項目進行定期測試，測試時長持續數月；再如，邊坡工程監測往往開始于邊坡施工前，在邊坡施工完成后還要進行長達數月甚至數年的監測，直至邊坡穩定。一些典型的原位測試技術，比如，現場開展平板載荷實驗等需要的場地和堆載條件，在教學中也很難實現。若開展小型的模型箱實驗，則與工程實際相差較遠，無法再現復雜的現場環境。

鑒于此，結合教學團隊近年來對課程實踐教學環節的思考和實踐，提出一種模擬實驗的實驗環節教學設計。通過簡化改進標準實驗步驟，開展課程的實驗教學環節，取得了較好的教學效果，可為相關院校該課程實踐教學環節的設計提供參考。

一、地下工程監測和檢測課程設置概況

地下工程監測與檢測是山東建筑大學土木工程學院土木工程專業（巖土與地下工程方向）和城市地下空間工程專業開設的一門專業限選課。課程設置32 個學時，于大三下學期開設。本課程的先修課程是工程地質、土力學和巖土工程勘察，同期的專業課程有基坑工程、基礎工程和隧道工程等，后續課程為畢業設計。根據工程教育認證要求，該課程需要滿足下列4個培養目標。

課程目標1：了解各種傳感器的基本原理和類型，掌握測試基礎的基本知識及各種原位測試技術基本原理與適用條件等。

課程目標2：學習運用各種監測與檢測手段，為不同巖土工程問題制定合理的監測方案，根據監測數據及時信息反饋，設計、保護周邊環境。

課程目標3：熟悉常用傳感器和檢測方法的使用范圍及局限性，對基坑工程、地下工程等監測指標進行觀測、預測和模擬。

課程目標4：通過分組實驗，了解并掌握實驗小組內人員分工、合作、協調組織，能夠在團隊中承擔個體、團隊成員或負責人的角色。根據工程教育認證要求，課程目標與畢業要求中的“問題分析、研究、使用現代工具和個人與團隊”具有一一對應關系。

為適應上述要求、提高教學質量，課程教學團隊于2018 年修訂課程大綱，在32 個學時中以4 個學時開展實踐教學環節，即32 個總學時的課程分為28 學時課堂教學和4 學時的實驗教學。主要安排2 個實驗項目：土壓力測試（2 學時）和淺層平板載荷實驗（2 學時）。通過這2 個實驗的教學和設計，使學生掌握運用理論設計實驗方案的初步能力，正確選用識讀土壓力盒、百分表及壓力表讀數規則，掌握振弦式土壓力計及平板載荷實驗的基本實驗方法和數據處理步驟，對實驗數據規律進行初步分析。培養學生的實踐動手能力、團結協作能力和解決問題能力，提升學生的科研興趣。

二、采用標準實驗步驟開展實驗教學存在的問題

介紹土壓力測試和淺層平板載荷實驗的標準實驗步驟，分析教學中采用標準實驗步驟存在的困難和問題。

（一） 土壓力測試標準實驗步驟及存在的問題

土壓力是巖土工程領域的基本概念，土壓力測試是基坑工程的重要監測項目［9］，即基坑支護結構周圍土體傳遞給擋土結構的壓力，其大小直接決定擋土構筑物的穩定性和安全，進而決定整個基坑的安全。土壓力測試一般采用鋼弦式土壓力計，即常說的土壓力盒。其測試原理是：將土壓力盒置于土體與結構界面上或埋設在自由土體中，其作用在薄膜上的壓力不同，鋼弦被拉緊的程度不同，測量得到的頻率也隨之變化。根據測到的不同頻率推算作用在薄膜上壓力的大小，即土壓力值。根據頻率計算土壓力的計算公式為

式中：p為被測土壓力所受的力，MPa；K為土壓力計的率定系數，MPa/Hz2；f0為土壓力計的初始頻率讀數，Hz；fi為土壓力計工作頻率值，Hz。

在基坑工程監測中，圍護結構土壓力盒的埋設常采用鉆孔法和掛布法［1］，如圖1 所示。本次實驗選用常州金土木公司生產的JTM-V2000型振弦式土壓力計、JTM-V10A型頻率讀數儀（圖2）。

圖1 基坑圍護結構土壓力監測方法

圖2 JTM-V2000型振弦式土壓力計及JTM-V10A型頻率讀數儀

采用上述土壓力盒進行土壓力實驗的標準實驗步驟主要為埋設安裝和量測，具體步驟參見儀器使用說明書。理論上講，可以采用標準實驗步驟開展土壓力監測，在空地挖土埋設土壓力盒即可測試自重應力下的豎向土壓力。但是，這種情況下，由于人工挖坑深度受限，即使采用最小量程的土壓力盒，也難以測得較小的土壓力值，無法獲得測試數據。教學中，更無法模擬實際基坑開挖后產生的側向土壓力工況。

（二） 平板載荷實驗標準實驗步驟及存在的問題

載荷實驗（plate load test，PLT）是在現場用一個剛性承壓板逐級加荷，測定天然地基、單樁或復合地基沉降隨荷載的變化，借以確定其承載能力的現場實驗。地基土淺層平板載荷試驗適用于確定淺部地基土層的承壓板下應力主要影響范圍內的承載力和變形系數。在擬建建筑場地上將一定尺寸和幾何形狀（方形或圓形）的剛性板安放在被測地基持力層上，逐級增加荷載，由固定在基準梁上的變形測量裝置測得相應的穩定沉降，直至達到地基破壞標準，由此可得到荷載沉降曲線，即p-s曲線。通過對p-s曲線計算分析，可以得到地基土的承載力fak和地基土的變形模量E0。

實驗采用K-30 平板載荷實驗儀，包括承壓板、加荷裝置和沉降觀測裝置，如圖3（a）所示，真實的平板載荷現場實驗布置如圖3（b）所示。

圖3 平板載荷實驗

其加載系統由手動油泵、千斤頂、高壓油管和載荷板組成。載荷板直徑300 mm，厚度25 mm；千斤頂推力最大值為5 t，行程120 mm，升降桿起升高度100 mm；手動油泵的額定壓力為30 MPa。實驗前應檢查油泵的液壓，及時補充液壓油。根據儀器使用說明書和巖土工程勘察規范的規定［10］，采用上述設備進行土壓力實驗的標準實驗步驟包括實驗設備安裝和實驗操作兩個基本步驟。實驗設備安裝包括開挖試坑、放置承壓板、安裝千斤頂、測力計和百分表；實驗操作主要包括加載操作、穩壓操作、沉降觀測和實驗記錄等。

實驗中沉降觀測可采用慢速法和快速法，根據規范要求，兩種觀測方法的具體要求如下：

（1）當采用慢速法時，對于土體，每級荷載施加后，間隔5、5、10、10、15 和15 min 測讀一次沉降，再間隔30 min測讀一次沉降。當連續2 h的每小時沉降量不大于0.1 mm時，認為沉降已達到相對穩定標準，可施加下一級荷載；

（2）當采用快速法時，每加一級荷載按間隔15 min觀測一次沉降。每級荷載維持2 h，即可施加下一級荷載，最后一級荷載可觀測至沉降達到相對穩定標準或仍維持2 h。

由上述實驗步驟及加載條件可知，若嚴格按照標準實驗步驟開展平板載荷實驗，需要較大體量的堆載，如圖3（b）所示，在課堂教學中受場地條件的限制，很難實現，且堆載后對實驗人員的安全造成一定威脅。同時，根據標準的沉降觀測要求，完成一級加載需要數天時間，完成整個加載過程則持續數月，2學時的實驗教學也無法滿足標準實驗時間的要求。綜上，受時間、場地和堆載條件的限制，在教學中采用上述實驗步驟是不可行的。

三、基于模擬實驗的改進實驗教學環節設計

針對上述問題，結合教學實際，適當改進、簡化上述兩個實驗的標準實驗步驟，通過模擬實驗開展課程實驗教學環節。將驗證性實驗改為半設計性實驗，由學生根據實驗指導書自主設計實驗步驟，鍛煉學生的動手能力，加深了其對實驗基本原理和實驗目的的理解，初步培養了其科研興趣，提高了學生的積極性和創造力。

（一） 土壓力測試的改進設計

為克服教學過程難以模擬基坑開挖實際工況，而人工挖坑又受深度限制難以測得土壓力的困難，教學團隊提出在地面堆置砝碼以提高土壓力大小的辦法，即開展超載下土壓力測試。根據這一改進思路，將土壓力測試實驗改進為半設計型實驗。

實驗儀器包括JTM-V10A 型頻率讀數儀1 個、JTM-V2000 型振弦式土壓力計3 個和20 kg 的砝碼10 個。自行設計土壓力盒的埋深h1，h2和h3，在地面超載40 kg、80 kg 和160 kg 時，測試豎向土壓力沿深度的分布。寫明實驗目的、所用儀器、實驗原理、實驗步驟（附圖片），詳細記錄實驗數據，繪制土壓力沿深度分布圖，并對實驗結果進行分析。設計實驗數據記錄表，需記錄設備編號以便查找該儀器對應的率定系數，記錄設計土壓力盒埋深，并記錄初始和最終頻率，據此計算土壓力值。

（二） 平板載荷模擬實驗設計

為克服平板載荷實驗時間、場地和堆載條件的限制，設計模擬實驗?？紤]實驗室設備、校園場地和實驗安全，堆載上限設計為10 個20 kg 的砝碼?？紤]實際實驗學時，沉降觀測要求簡化為每間隔5、5、10、10 和15 min 讀數，并施加下一級荷載。采用這種模擬實驗的方式，雖無法測得真實的地基承載力，但有助于學生掌握平板載荷實驗的原理，體驗實際加載過程與步驟。

由于實驗場地、堆載條件及上課時間限制，此次開展平板載荷實驗的模擬實驗。將所提供的堆載總質量作為加載最終荷載F（F=m·n·g，m為單個砝碼質量，20 kg，n為砝碼個數，10個，g為重力加速度，取9.8 N/kg），平均分成5 級加載，計算各級加載增量Δpb，及各級荷載對應的油壓表讀數py，根據液壓表控制各級荷載。采用簡化快速法進行加載，每間隔5、5、10、10 和15 min 讀數，并施加下一級荷載。根據實驗結果繪制p-s曲線，分析本模擬實驗曲線與標準實驗曲線產生差別的原因，根據土力學知識補全該曲線，預測地基承載力。設計實驗記錄樣表，需記錄油壓表讀數和載荷板壓強，油壓表讀數根據載荷板壓強計算，記錄左右兩百分表讀數，取兩者平均值作為沉降值，根據數值繪制p-s曲線。

學生根據實驗指導書先行預習，設計具體實驗方案，教師檢查各組方案設計。到達現場后，實驗指導教師現場演示，強調儀器操作步驟和注意事項，學生根據自行設計方案開展實驗，記錄實驗數據。實驗后，各組繪制實驗曲線，分析實驗結果，形成實驗報告?，F場實驗前，各組先提交自行設計的實驗方案，教師檢查通過后方可參加現場實驗，提高了學生參與實驗的積極性。到達現場后，實驗指導教師首先示范儀器操作步驟及注意事項，學生隨后根據設計實驗方案開展實驗操作，分工合作完成試坑開挖、儀器組裝調試、測試讀數以及數據記錄工作。實驗結束后，整理實驗數據，畫測試曲線并分析其規律，各組提供一份實驗報告。

四、改進實驗教學效果分析

圖4 為超載下土壓力現場測試情況，通過前期預習及教師現場演示，學生能按步驟完成試坑開挖、確定土壓力盒埋深和測讀采集儀頻率數值的工作，土壓力盒埋深為學生自主設計。由圖5可見，土壓力曲線隨深度變化滿足科學規律，本改進實驗設計可行。通過實驗報告可知，學生較好地掌握了鋼弦式土壓力計的測試原理、土壓力計埋設方法、土壓力數據處理方法，并且可分析土壓力隨深度及地面超載情況的變化規律，以及產生該變化規律的原因，取得了較好的實驗教學效果。

圖4 超載下土壓力測試現場開展情況

圖5 實驗報告中超載下土壓力隨深度變化曲線

土壓力實驗中仍存在以下問題：1）土壓力盒擺放中較難定位其平面位置，3 個土壓力盒較難對中；2）回收土壓力盒過程中，出現只找到引線，土壓力找尋不到的現象，導致過度拉扯引線，損害引線連接的問題。在后期教學中，應提前強調問題，加強實驗督導。

圖6為現場平板載荷實驗情況，根據實驗指導書和現場教師指導，學生逐步安裝實驗設備，包括載荷板、壓力表、油泵、百分表等，按指導書給出的簡化步驟完成實驗堆載，并進行儀器讀數，包括百分表及壓力表讀數。根據提交的實驗報告可知，各組均測得了p-s曲線的前半段，能分析造成該結果的原因，可根據土力學規律補全曲線，模擬分析地基承載力，達到了實驗教學目的。

圖6 平板載荷模擬實驗

由于實驗步驟及儀器操作復雜，平板載荷實驗過程中還存在一些問題：1）實驗開展過程中，個別組未擰緊和油泵連接的壓力表，導致油泵漏油，進而導致加壓無法達到設定壓力值；2）現場條件暫不允許安裝基準梁，因此，百分表讀數精度有待提高。上述問題可在后續實踐教學中改進。

五、結語

實踐教學環節是保證地下工程監測與檢測課程教學效果的關鍵，針對實際巖土工程監測實驗費時費力，較難開展的問題，提出模擬實驗的解決方案。對土壓力監測和平板載荷實驗進行了實驗步驟的改進，提出模擬實驗和半設計型實驗的實踐教學設計。

（1）針對人工挖坑深度較淺、土壓力數值太小無法測試的問題，提出地面堆載的方法增大土壓力，將實驗改進為超載下的土壓力測試，并要求學生自行設計土壓力盒埋深，達到半設計性實驗的效果。

（2）針對平板載荷實驗開展時間長、占地面積大且堆載風險高的問題，設計了簡化的實驗步驟和沉降觀測要求，有效保障了課堂實驗的順利進行。實驗得到非標準曲線，由實驗學生自主分析其產生原因，將實驗結果分析擴展為開放性問題，鍛煉了學生分析解決問題的能力，初步培養了其科研興趣。

該改進實驗設計充分利用了實驗室現有儀器設備和校園空地條件，取得了良好的教學效果。加深了學生對實驗基本原理的理解，提高了儀器操作的熟練程度，鍛煉其實驗設計和問題分析能力，并在實驗過程中充分保障了師生的人身安全。該實驗設計克服地下工程監測實驗課程的時間和空間條件限制，可為相關院校地下工程監測與檢測實驗環節教學設計提供參考。