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CN106949953B - 连续原位测量岩土剪切波速测试仪及其测试方法 - Google Patents

连续原位测量岩土剪切波速测试仪及其测试方法 Download PDF

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CN106949953B CN201710237463.3A CN201710237463A CN106949953B CN 106949953 B CN106949953 B CN 106949953B CN 201710237463 A CN201710237463 A CN 201710237463A CN 106949953 B CN106949953 B CN 106949953B
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曹礼聪
张阔
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China Nuclear Engineering & Construction Corp ltd
Zhengzhou Cnec Geotechnical Engineering Co ltd
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Zhengzhou Cnec Geotechnical Engineering Co ltd
Southwest Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种连续原位测量岩土剪切波速测试仪及其测试方法，以解决现有测定剪切波速技术精度偏低的问题。波速测试仪包括剪切波发生器(100)、动态信号采集系统(200)以及计算机(300)。剪切波发生器(100)在钻孔附近进行接近地层自振频率的连续稳态水平向激振，通过配重底盘(102)传递到被测场地，使被测场地内产生较大响应的稳态剪切波；动态信号采集系统(200)通过检波器采集不同深度内地层响应，并且将信号传递给计算机(300)；计算机(300)通过滤波程序提高信噪比，通过稳态剪切波算法求得各测点间初振时间差、同相位时间差，换算得到稳态平均时间差，进而求得地层剪切波速。连续稳态剪切波速测试可提高剪切波测试中时间差关键指标的精度，使波速测试结果精度大幅提高。

Description

连续原位测量岩土剪切波速测试仪及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种原位连续剪切波速测试设备及测试方法，用于测量岩土体的剪切波速。
背景技术
剪切波速是反映介质对波传播能力和土体动力特性的一个重要参数，土层的剪切波速指标在工程实践中得到了广泛的应用，并在现行规范中有明确的说明。目前，常规测量方法是通过瞬态激振，通过爆破、锤击等，产生一频率、相位、振幅不可控的剪切波，并估算测点初动时刻与剪切波发出时刻的时间差来估算该岩土层的剪切波速。这种瞬态激振方法得到的时间差误差较大，且瞬态激振产生的剪切波在重复测量中无法保证一致，导致波速误差在15％-20％左右。
发明内容
本发明公开了一种原位连续剪切波速测试仪以及连续稳态剪切波速测试方法，目的是解决现有测定剪切波速技术精度偏低的问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种连续原位测量岩土剪切波速测试仪，主要由剪切波发生器100、动态信号采集系统200、控制计算机300组成；控制计算机300与动态信号采集系统200数据连接并控制剪切波发生器100。
其中，剪切波发生器100由置于配重底盘102上的变频电机101和水平剪力发生机构构成；水平剪力发生机构为对称设置的两个激振机构；激振机构具有立于配重底盘102上的转轴106和套置在转轴106上并随之同步转动的偏心转子质量块107，安装在电机输出轴103上的减速圆锥齿轮副104将动力变向传 递给同置于配重底盘102上的传动轴105，传动轴105通过其端头的二圆锥齿轮副向所述转轴传递动力；所述配重底盘102的底面具有避免与地面发生滑移的抓地构造；动态信号采集系统200在剪切波发生器100附近的地表和与钻孔中布置了至少三个检波器，各检波器与动态信号采集系统200数据连接，动态信号采集系统将动态信号传输到计算机300进行处理。
进一步地，所述配重底盘(102)的底面抓地构造由底面锯齿结构构成，设备自重使设备与场地的摩擦力大于激振力。所述两个偏心质量块对称安放在同一水平面上。所述电机振动平面与激振平面垂直。
本发明的目的还在于为采用上述原位连续剪切波速测试仪提供一种连续原位测量岩土剪切波速的方法，具体的措施为：
采用以上所述测试仪的连续原位测量岩土剪切波速的方法，首先开启动态信号采集系统200与计算机300，记录场地噪声；振源在t0时刻产生频率为f0的稳态剪切波；同时位于钻孔中的检波器p1在t0时刻开始记录波形s1，此时位于钻孔内的检波器p2只能记录到噪声；t0'时刻钻孔内的检波器p2记录到波形s2，此时记初态时间差T0＝t0'-t0；计算机300在s1第一个波峰时记录时刻t1,第n个波峰记录时刻tn,在s2第一个波峰时记录时刻t1',第n个波峰记录时刻tn'；稳态时间差T1＝t1'-t1,Tn＝tn'-tn，埋设于钻孔与振源连线出检波器p3用于标定输出波形。
所述振源达到位置p2位置处的行程剪切波速
Figure SMS_1
的计算公式如下,其中，所述时间单位为ms，所述距离单位为m：
Figure SMS_2
(行程剪切波速)、/>
Figure SMS_3
(平均时间差)
其中，D为检波器p2到振源的直线距离；
从测得数据中提取多个时间差用于计算。
实际应用时，激振源进行扫频激振，找到地层最大响应频率，提高信噪比。检波器连续接收的剪切波信号为加速度信号，可使用滤波技术过滤噪声信号。
采用本发明，剪切波发生器100在钻孔附近进行接近地层自振频率的连续稳态水平向激振，通过配重底盘102传递到被测场地，使被测场地内产生较大响应的稳态剪切波；动态信号采集系统200通过检波器采集不同深度内地层响应，并且将信号传递给计算机300；计算机通过滤波程序提高信噪比，通过稳态剪切波算法求得各测点间初振时间差、同相位时间差，换算得到稳态平均时间差，进而求得地层剪切波速。连续稳态剪切波速测试可提高剪切波测试中时间差关键指标的精度，使波速测试结果精度大幅提高。
附图说明
图1为本发明所述剪切波发生器俯视图；
图2为本发明所述剪切波速算法波形图；
图3为本发明所述剪切波发生器三维示意图。
图4为本发明所述各系统布置图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实例。
如图1、3所示，剪切波发生器100的变频电机101固定于配重底盘(102)上，安装在电机输出轴103上的减速圆锥齿轮副104将动力变向传递给同置于配重底盘102上的传动轴105，传动轴105通过支架同置于配重底盘102上，其两端对称设置有两个激振机构；激振机构由立于配重底盘102上的转轴106和套置在转轴106上并随之同步转动的偏心转子质量块107构成，转轴106与传动轴105垂直并处于同一水平面上；传动轴105和转轴106通过圆锥齿轮副实 现动力变向传递。
具体测试时，需在距离孔口2-3m范围内寻找平整场地安放将剪切波发生器，并且压上重物保证剪切波发生器配重地盘与底面完全贴合。在剪切波发生器与钻孔连线上的表层土体中埋设一枚检波器p3，用于标定输出信号，在井中待测位置安放另两枚检波器p1、p2。
首先开启动态信号采集系统200与计算机300，记录场地噪声；将剪切波发生器100电源接通，待其转速表显示稳定，且检波器信号稳定时开始测试。振源在t0时刻产生频率为f0的稳态剪切波；同时位于振源的检波器p1在t0时刻开始记录波形s1，此时位于钻孔内的检波器p2只能记录到噪声；t0'时刻钻孔内的检波器p2记录到波形s2，此时记初态时间差T0＝t0'-t0；计算机300在s1第一个波峰时记录时刻t1,第n个波峰记录时刻tn,在s2第一个波峰时记录时刻t1',第n个波峰记录时刻tn'；稳态时间差T1＝t1'-t1,Tn＝tn'-tn，埋设于钻孔与振源连线出检波器p3用于标定输出波形。
具体测试时，在相同测点变换剪切波发生器100输出频率，使输出波形中产生明显变频特征，根据检波器响应确定最大响应频率。
所述振源达到位置p2位置处的行程剪切波速
Figure SMS_4
的计算公式如下,其中，所述时间单位为ms，所述距离单位为m：
Figure SMS_5
(行程剪切波速)、/>
Figure SMS_6
(平均时间差)
其中，D为检波器p2到振源的直线距离。
从测得数据中提取多个时间差用于计算。

Claims (4)

1.一种连续原位测量岩土剪切波速测试仪，其特征在于，主要由剪切波发生器(100)、动态信号采集系统(200)、控制计算机(300)组成；控制计算机(300)与动态信号采集系统(200)数据连接并控制剪切波发生器(100)；
剪切波发生器(100)由置于配重底盘(102)上的变频电机(101)和水平剪力发生机构构成；水平剪力发生机构为对称设置的两个激振机构；激振机构具有立于配重底盘(102)上的转轴和套置在转轴上并随之同步转动的偏心转子质量块，安装在电机输出轴(103)上的减速圆锥齿轮副(104)将动力变向传递给同置于配重底盘(102)上的传动轴(105)，传动轴(105)通过其端头的二圆锥齿轮副向所述转轴传递动力；所述配重底盘(102)的底面具有避免与地面发生滑移的抓地构造；动态信号采集系统(200)在剪切波发生器(100)附近的地表和与钻孔中布置了至少三个检波器，各检波器与动态信号采集系统(200)数据连接，数据采集传输仪(202)将动态信号传输到计算机(300)进行处理；
所述配重底盘(102)的底面抓地构造由底面锯齿结构构成，设备自重使设备与场地的摩擦力大于激振力；
所述两个偏心质量块对称安放在同一水平面上；电机振动平面与激振平面垂直。
2.采用权利要求1所述测试仪的连续原位测量岩土剪切波速的方法，首先开启动态信号采集系统(200)与计算机(300)，记录场地噪声；振源在t0时刻产生频率为f0的稳态剪切波；同时位于钻孔中的检波器p1在t0时刻开始记录波形s1，此时位于钻孔内的检波器p2只能记录到噪声；t0'时刻钻孔内的检波器p2记录到波形s2，此时记初态时间差T0＝t0'-t0；计算机(300)在s1第一个波峰时记录时刻t1,第n个波峰记录时刻tn,在s2第一个波峰时记录时刻t1',第n个波峰记录时刻tn'；稳态时间差T1＝t1'-t1,Tn＝tn'-tn，埋设于钻孔与振源连线出检波器p3用于标定输出波形；
所述振源达到位置p2位置处的行程剪切波速
Figure FDA0004148148860000023
的计算公式如下,其中，所述时间单位为ms，所述距离单位为m：
Figure FDA0004148148860000021
(行程剪切波速)、/>
Figure FDA0004148148860000022
(平均时间差)
其中，D为检波器p2到振源的直线距离；
从测得数据中提取多个时间差用于计算。
3.根据权利要求2所述的连续剪切波速测试方法，其特征在于，激振源进行扫频激振，找到地层最大响应频率，提高信噪比。
4.根据权利要求2所述的连续剪切波速测试方法，其特征在于，检波器连续接收的剪切波信号为加速度信号，使用滤波技术过滤噪声信号。
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