CN102998368B - 一种用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器，该探测器的同轴电缆（1）用于传输信号和数据；连接杆（2）可与静力触探杆或钻探杆相连，通过静力触探贯入仪或钻机贯入土中；叶片（3）位于连接杆（2）的另一端，内部设有导线孔，允许同轴电缆穿过；一对悬臂分支梁（5）从楔形叶片（3）两侧延出，三组弯曲元传感器分别正对安装于悬臂分支梁（5）的下端；一对可拆卸电缆保护层（4）内部开设有线型凹槽，并分别覆盖于叶片（3）和悬臂分支梁（5）的外侧，同轴电缆（1）则通过电缆保护层（4）的线型凹槽与弯曲元传感器相连；一对传感器保护器（7）分别安装于悬臂分支梁（5）底部的内侧，保护弯曲元传感器不受损坏。该测量方法具有原位、快速、准确、连续的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种软土原位剪切波速的测定新方法，属于岩土工程测试领域中一种能够良好控制剪切波传播方向，原位、快速、连续测定剪切波传播速度的原位测试贯入式探测器。
背景技术
剪切波速是指震动横波在土内的传播速度，反映了土体的小应变动力学特征。根据弹性理论，土的最大剪切模量Gmax与土的密度和剪切波速密切相关，而最大剪切模量则是表征土动力学特性的基本参数，是土动力计算和场地地震安全性评价中不可或缺的内容。因此，通常采用剪切波速测试来计算土的最大剪切模量。常用的剪切波速测试方法分为原位测试与室内试验两大类。室内试验往往采用动三轴试验、共振柱试验和弯曲元试验，然而这些试验均需要高质量的钻孔取样，对软土而言则难以获得无扰动的原状试样，且室内试验方法和操作程序等均会使得试验的结果严重偏离其真实值。工程中更为常用的是原位测试方法，包括跨孔法、下孔法以及瞬态瑞利波法等，然而在真实的剪切波传递过程中，剪切波速测试值同时受到波传播方向和颗粒移动方向上有效应力的影响，也即受到竖向和水平向有效应力的影响。天然土层具有较大的各向异性和复杂多变的沉积特征，因此对剪切波速测试值造成显著的影响，使得原位测试方法提供的剪切波速测试结果意义往往不够明确，因此工程实践中应用时需要作出一些简化假定，实际上则会导致土体的动力学特征评估存在误差。此外，现有的剪切波速原位测试方法一般采用人工震源，还受到人为因素的影响，可重复性不高。近几年国际上出现了许多新型传感器技术，其中弯曲元传感器可以用来非常容易地测量土体的剪切波速，且具有无需人工震源、易改造、易更换以及不影响能量传输和信号接收等优点。本发明据此提出了一种快捷、连续、测试成本低廉以及可重复性高的原位剪切波速测试贯入式探测器，采用此贯入式探测器还可控制剪切波的传递方向，因此还可用于评价土体的各向异性。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是针对现有的原位剪切波速测试技术存在的缺陷，提出一种可良好控制剪切波传递方向的原位剪切波速测试贯入式探测器。
技术方案：本发明的一种用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器包括同轴电缆、连接杆、叶片、一对可拆卸电缆保护层、一对悬臂分支梁、第一弯曲元传感器、第二弯曲元传感器、第三弯曲元传感器和一对传感器保护器；同轴电缆用于传输信号和数据，连接杆的上端与静力触探杆或钻探杆相连，通过静力触探贯入仪或钻机贯入土中，叶片位于连接杆的下端，连接杆的内部设有导线孔，允许同轴电缆穿过；一对悬臂分支梁从叶片两侧延出，第一弯曲元传感器、第二弯曲元传感器、第三弯曲元传感器分别正对安装于悬臂分支梁的下端；一对可拆卸电缆保护层内部设有线型凹槽，分别覆盖于叶片和悬臂分支梁的外侧，同轴电缆则通过可拆卸电缆保护层的线型凹槽与第一弯曲元传感器、第二弯曲元传感器、第三弯曲元传感器相连；一对传感器保护器分别安装于悬臂分支梁底部的内侧，保护弯曲元传感器不受损坏。
所述连接杆外径为35.7mm。
叶片的上部钢板的厚度为15mm，高度为70mm，宽度为95mm；下部为楔形钢板，顶角为15°，楔形斜面长度为57.5mm，高度为57mm，宽度为65mm；叶片的总高度为127mm。
可拆卸电缆保护层近悬臂分支梁一侧的高度为217mm，远离悬臂分支梁一侧高度为190mm，宽度为6mm，厚度为15mm。
两悬臂分支梁的厚度为15mm，高度为100mm，底部宽度为15mm，上部与可拆卸电缆保护层接触处的宽度为9mm；悬臂分支梁的底部为楔形，顶角60°，楔形部分的高度为15mm。
三组弯曲元传感器之间间距为15mm，第一弯曲元传感器与叶片楔形边缘之间的距离为40mm，露出悬臂分支梁部分的宽度为4mm；弯曲元传感器的工作频率为1kHz；第一弯曲元传感器的偏振方向为水平方向，第二弯曲元传感器的偏振方向与竖直方向成45°，而第三弯曲元传感器的偏振方向则为竖直方向。
传感器保护器露出悬臂分支梁部分的宽度为5mm。
本发明的可用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器，通过连接杆与静力触探或钻探杆相连，在地表动力系统的作用下贯入土体中。地表激发系统产生单一的正弦信号，通过同轴电缆传递至弯曲元传感器中。弯曲元产生振动，振动在土中以剪切波的形式传递能量。土中剪切波沿各个方向均有传播，且互相会造成干涉，而安装有偏振器的弯曲元传感器则仅允许与其偏振方向相同的剪切波通过并被检测到，因此，贯入式探测器的三组弯曲元传感器可以接收来自三个不同方向（水平向、与竖向成45°方向以及竖向）的剪切波。剪切波被贯入式探测器另一端的弯曲元传感器接收到后，被转换成电信号，然后通过同轴电缆传递至地表的采集系统中，由地表计算机软件对采集数据进行处理及波形显示。贯入式探测器整体为关于中心线左右对称的结构，贯入过程中，贯入式探测器下面的土对称移动，而在悬臂分支梁之间无流动，因此悬臂分支梁不会弯曲。叶片边缘与悬臂分支梁的尾端设置为楔形，保持叶片下土颗粒的对称分布，降低贯入式探测器在土中受到的贯入阻力。当贯入式探测器贯入到较坚硬的土中时，弯曲元传感器和同轴电缆容易被破坏。可拆卸电缆保护层避免同轴电缆遇到磨损，传感器保护器则降低弯曲元传感器与贯入式探测器下部土体的直接接触，降低损坏的可能性。贯入式探测器悬臂分支梁的长度设置有利于提高刚度，增强贯入式探测器的稳定性；而弯曲元传感器与叶片楔形边缘的距离设置，则保证所测得土体剪切波速基本不受到贯入式探测器贯入的影响，能最大程度的提供土体原位剪切波速值。
有益效果：土体剪切波速的室内试验结果受到取样扰动、试验方法以及操作步骤的影响而容易偏离其真实值，在软土中尤为明显。现有的剪切波速原位测试技术则受到地下土体各向异性等复杂因素的影响，在工程实践中应用时需要引入一些简化假定，同样会产生误差；同时还受到人为因素的影响。本发明解决了现有的原位剪切波速测试技术不能考虑和评价土体各向异性的缺陷，提出一种可良好控制剪切波传递方向的原位剪切波速测试技术。该项技术无需人工震源，具有连续性、可靠性和可重复性的特点。
附图说明
图1是本发明元件装置的正面示意图（0°视角）；
图2是本发明元件装置的侧面示意图（90°视角）。
其中包括：同轴电缆1、连接杆2、叶片3、一对可拆卸电缆保护层4、一对悬臂分支梁5、第一弯曲元传感器6.1、第二弯曲元传感器6.2、第三弯曲元传感器6.3、一对传感器保护器7。
具体实施方式
本发明是一种用于软土原位测试剪切波速的贯入式探测器，该设备主要由同轴电缆1、连接杆2、叶片3、一对可拆卸电缆保护层4、一对悬臂分支梁5、第一弯曲元传感器6.1、第二弯曲元传感器6.2、第三弯曲元传感器6.3和一对传感器保护器7组成。同轴电缆1用于传输信号和数据；连接杆2与静力触探杆或钻探杆相连，通过静力触探贯入仪或钻机贯入土中；叶片3位于连接杆的另一端，内部设有导线孔，允许同轴电缆1穿过；一对悬臂分支梁5从叶片3两侧延出，第一弯曲元传感器6.1、第二弯曲元传感器6.2、第三弯曲元传感器6.3分别正对安装于悬臂分支梁5的下端；一对可拆卸电缆保护层4内部设有线型凹槽，分别覆盖于叶片3和悬臂分支梁5的外侧，同轴电缆1则通过可拆卸电缆保护层4的线型凹槽与弯曲元传感器相连；一对传感器保护器7分别安装于悬臂分支梁5底部的内侧，保护弯曲元传感器不受损坏。
连接杆外径为35.7mm。叶片的上部钢板的厚度为15mm，高度为70mm，宽度为95mm；下部为楔形钢板，顶角为15°，楔形斜面长度为57.5mm，高度为57mm，宽度为65mm；叶片的总高度为127mm。
可拆卸电缆保护层近悬臂分支梁一侧的高度为217mm，远离悬臂分支梁一侧高度为190mm，宽度为6mm，厚度为15mm。
两悬臂分支梁的厚度为15mm，高度为100mm，底部宽度为15mm，上部与可拆卸电缆保护层接触处的宽度为9mm；悬臂分支梁的底部为楔形，顶角60°，楔形部分的高度为15mm。
三组弯曲元传感器之间间距为15mm，弯曲元传感器与叶片楔形边缘之间的距离为40mm，露出悬臂分支梁部分的宽度为4mm；弯曲元传感器的工作频率为1kHz；三组弯曲元传感器的偏振方向分别为水平方向、与竖直方向成45°方向和竖直方向。
传感器保护器露出悬臂分支梁部分的宽度为5mm。
贯入式探测器通过连接杆与静力触探或钻探杆相连，在地表动力系统的作用下贯入土体中。地表激发系统产生单一的正弦信号，通过同轴电缆传递至弯曲元传感器中。弯曲元产生振动，振动在土中以剪切波的形式传递能量。土中剪切波沿各个方向均有传播，且互相会造成干涉，而安装有偏振器的弯曲元传感器则仅允许与其偏振方向相同的剪切波通过并被检测到，因此，贯入式探测器的三组弯曲元传感器可以接收来自三个不同方向（水平向、与竖向成45°方向以及竖向）的剪切波。剪切波被贯入式探测器另一端的弯曲元传感器接收到后，被转换成电信号，然后通过同轴电缆传递至地表的采集系统中，由地表计算机软件对采集数据进行处理及波形显示。贯入式探测器整体为关于中心线左右对称的结构，贯入过程中，贯入式探测器下面的土对称移动，而在悬臂分支梁之间无流动，因此悬臂分支梁不会弯曲。叶片边缘与悬臂分支梁的尾端设置为楔形，保持叶片下土颗粒的对称分布，降低贯入式探测器在土中受到的贯入阻力。当贯入式探测器贯入到较坚硬的土中时，弯曲元传感器和同轴电缆容易被破坏。可拆卸电缆保护层避免同轴电缆遇到磨损，传感器保护器则降低弯曲元传感器与贯入式探测器下部土体的直接接触，降低损坏的可能性。贯入式探测器悬臂分支梁的长度设置有利于提高刚度，增强贯入式探测器的稳定性；而弯曲元传感器与叶片楔形边缘的距离设置，则保证所测得土体剪切波速基本不受到贯入式探测器贯入的影响，能最大程度的提供土体原位剪切波速值。
Claims (5)
1.一种用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器，其特征在于该贯入式探测器包括同轴电缆(1)、连接杆(2)、叶片(3)、一对可拆卸电缆保护层(4)、一对悬臂分支梁(5)、第一弯曲元传感器(6.1)、第二弯曲元传感器(6.2)、第三弯曲元传感器(6.3)和一对传感器保护器(7)；同轴电缆(1)用于传输信号和数据，连接杆(2)的上端与静力触探杆或钻探杆相连，通过静力触探贯入仪或钻机贯入土中，叶片(3)位于连接杆(2)的下端，连接杆(2)的内部设有导线孔，允许同轴电缆穿过；一对悬臂分支梁(5)从叶片(3)两侧延出，第一弯曲元传感器(6.1)、第二弯曲元传感器(6.2)、第三弯曲元传感器(6.3)分别正对安装于悬臂分支梁(5)的下端；一对可拆卸电缆保护层(4)内部设有线型凹槽，分别覆盖于叶片(3)和悬臂分支梁(5)的外侧，同轴电缆(1)则通过可拆卸电缆保护层(4)的线型凹槽与第一弯曲元传感器(6.1)、第二弯曲元传感器(6.2)、第三弯曲元传感器(6.3)相连；一对传感器保护器(7)分别安装于悬臂分支梁(5)底部的内侧，保护弯曲元传感器不受损坏；
两悬臂分支梁(5)的厚度为15mm，高度为100mm，底部宽度为15mm，上部与可拆卸电缆保护层(4)接触处的宽度为9mm；悬臂分支梁(5)的底部为楔形，顶角60°，楔形部分的高度为15mm；
三组弯曲元传感器(6)之间间距为15mm，第一弯曲元传感器(6.1)与叶片(3)楔形边缘之间的距离为40mm，露出悬臂分支梁(5)部分的宽度为4mm；弯曲元传感器的工作频率为1kHz；第一弯曲元传感器(6.1)的偏振方向为水平方向，第二弯曲元传感器(6.2)的偏振方向与竖直方向成45°，而第三弯曲元传感器(6.3)的偏振方向则为竖直方向。
2.根据权利要求1所述的用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器，其特征在于连接杆(2)外径为35.7mm。
3.根据权利要求1所述的用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器，其特征在于叶片(3)的上部钢板的厚度为15mm，高度为70mm，宽度为95mm；下部为楔形钢板，顶角为15°，楔形斜面长度为57.5mm，高度为57mm，宽度为65mm；叶片(3)的总高度为127mm。
4.根据权利要求1所述的用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器，其特征在于可拆卸电缆保护层(4)近悬臂分支梁(5)一侧的高度为217mm，远离悬臂分支梁(5)一侧高度为190mm，宽度为6mm，厚度为15mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器，其特征在于传感器保护器(7)露出悬臂分支梁(5)部分的宽度为5mm。
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