CN107561590A - 一种土层剪切波测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土层剪切波测试装置，包括运动传感器M、重力传感器G、电子罗盘C、附属贴壁装置AD、长条形板P和锤击装置。一种土层剪切波测试方法，在地面水平面HP上测量水平激发正方向SP与水平基准方向N的夹角Ansp，将装置T放置在钻孔中待测试深度位置，计算水平激发正方向SP在装置坐标系uvw内对应的方向SPuvw，记录并显示运动矢量在方向SPuvw上的投影，完成待测深度位置测试过程。无论装置T在钻孔中如何扭转和倾斜，能够始终追踪实际的剪切波成分的质点运动方向，并在此方向展示测试成果，使得测试人员能够更加容易识别剪切波成分。

Description

一种土层剪切波测试装置及其方法

技术领域

本发明属于岩土工程和地震工程中土层剪切波测试的技术领域，具体涉及一种土层剪切波测试装置，还涉及一种土层剪切波测试方法。

背景技术

岩土工程和地震工程中测定土层剪切波波速时，常常采用单孔法，示意图见图1，在钻孔H中放置装置T，在地面上钻孔孔口附近放置压有重物W的长条形板P，长条形板P的长边垂直平分线L正对钻孔孔口，长条形板P的中点距钻孔孔口1——3m，测试时，水平锤击长条形板P的一端A，定义由A端指向B端的锤击方向为激发正方向SP，激发一组向下传播的机械波，而后水平锤击长条形板P的另一端B，定义由B端指向A端的锤击方向为锤击方向为激发负方向SN，激发另一组向下传播的机械波。这种激发方式可以确保长条形板P相对于地面产生水平运动趋势，激发的机械波中剪切波成分的能量远大于压缩波，两组机械波中的压缩波成分幅度较小，相位相近，剪切波成分幅度较大，相位相反。通过比较装置T记录的两组时程曲线，示意图见图2，可见ts时刻之后的时程曲线出现了幅度较大、相位相反的成分，ts时刻为两时程曲线的剪切波反相点，判定ts时刻为剪切波成分到达的时刻，进而可以根据ts计算得到剪切波波速。

实际检测中识别两组时程曲线中的剪切波反相点时，通常依据三维传感器T中的某个分量传感器记录的两根时程曲线，但是在提升三维传感器T时，单根电缆线悬吊着的三维传感器T可能会扭转，使得三维传感器T指向性发生变化，导致有时某个深度范围内某个分量传感器与实际剪切波的质点振动方向较为一致，在另一个深度范围内该分量与实际剪切波的质点振动方向又会有较大偏离，甚至与实际剪切波的质点振动方向近于垂直，从而剪切波成分不突出，判读困难。另外，通常三维传感器T有某些附属贴壁装置，例如气囊或电磁控制的机械支撑杆，用于使三维传感器T紧贴钻孔孔壁以利于接收机械波信号，但是这些附属贴壁装置往往不能确保三维传感器T的贴壁姿态，也会导致三维传感器T发生倾斜，使得指向发生改变，时程曲线不易判读。

理论上土层界面也会导致机械波的传播方向的改变，但是在岩土工程和地震工程中用单孔法测定土层剪切波波速时，基于假定土层是水平性状才成立，且通常测试深度在数十米以内，机械波激发点在孔口附近1—3m范围，激发的机械波基本上可以近似为是垂直土层入射的，因此可以不考虑土层性状的影响。

发明思路：采用图1所示的单孔法测定土层剪切波，通常可以认定水平锤击长条形板P的一端激发的机械波中的剪切波分量的质点运动方向与锤击的方向（也是长条形板P的长边指示的方向）平行，如果控制某个分量传感器指向与该方向相同，剪切波分量就能够得到最大的体现，最有利于识别剪切波分量，可是控制传感器的姿态和指向显然比较困难，如果能够得到实际三维空间矢量表达的质点运动，进而将该质点运动在锤击方向上投影，也可以达到同样的目的，检测人员依据这个投影分量分析，能够更加容易的分析剪切波分量的出现时刻。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种土层剪切波测试装置，还提供一种土层剪切波测试方法，无论处于钻孔中的装置处于什么样的姿态，都能够得到三维质点运动在锤击力方向的投影，供测试人员追踪分析剪切波分量的出现时刻。

本发明采用以下技术方案实现上述发明目的：

一种土层剪切波测试装置，包括装置T，装置T包括一个用于测试运动状态的运动传感器M、一个用于测试重力方向的重力传感器G、一个用于测试磁极方向的电子罗盘C，

还包括用于将装置T固定在钻孔孔壁的附属贴壁装置AD，

还包括设置在钻孔的孔口所在地面水平面HP上的长条形板P，

还包括用于锤击长条形板P端部的锤击装置，

还包括通过数据控制线缆与运动传感器M、重力传感器G和电子罗盘C连接的测试记录仪器。

附属贴壁装置AD可以是气囊装置，也可以是电磁铁控制的可张开的机械臂装置。气囊装置有导气管与地面相连，通过在地面向气囊充气，钻孔中的气囊张开将装置T推向钻孔孔壁，使得装置T贴紧孔壁，完成一个测点的测试过程后，将气囊中的空气排出，装置T可以脱离孔壁，能够自由提升或下放本装置。电磁铁控制的可张开的机械臂装置，初始下放装置T时，机械臂被电磁铁吸附，处于收拢状态，装置T可以在钻孔中自由提升或下放，当将装置T放置到最深的待测位置后，关闭电磁铁的吸附功能，机械臂在狭小的钻孔中张开，使得装置T被支撑在钻孔中与孔壁贴紧。由于机械臂一旦张开，通常不能再次将机械臂吸附，使用机械臂装置时只能从最深处开始，而后通过电缆线硬性提拉装置T到下一个较浅的待测位置进行测试。气囊装置和电磁铁控制的可张开的机械臂装置应用于土层剪切波测试均属现有技术范畴。

在本发明中，装置T的自身坐标系、运动传感器M的自身坐标系、重力传感器G的自身坐标系、电子罗盘C的自身坐标系均为同一装置坐标系uvw。

在实际应用中，当装置T的自身坐标系、运动传感器M的自身坐标系、重力传感器G的自身坐标系、电子罗盘C的自身坐标系不同时，定义装置T的自身坐标系为装置坐标系uvw，将运动传感器M、重力传感器G、电子罗盘C测得的数据转换为装置坐标系uvw下的数据即可。

定义固定在装置T之上的装置坐标系uvw，运动传感器M的三个分量Mu、Mv、Mw与装置坐标系uvw三个坐标轴方向一致，重力传感器G的三个分量Gu、Gv、Gw与装置坐标系uvw三个坐标轴方向一致，电子罗盘C的三个分量Cu、Cv、Cw与装置坐标系uvw三个坐标轴方向一致。

由于本发明的目的是得到三维质点运动在锤击力方向的投影，关注的是地磁方向、重力方向，运动参量方向等矢量的方向关系，矢量间的平移关系不需考虑。运动传感器M的三个分量、重力传感器G的三个分量、电子罗盘C的三个分量与装置坐标系uvw的三个坐标轴方向一致可以使计算更加简便。各个传感器的分量与装置坐标系uvw的三个坐标轴不一致时，计算过程要增加传感器三分量坐标系与装置坐标系uvw之间的坐标系旋转换算，本发明的技术依然适用。

装置T内可以增加控制与信号调理采集模块PC用以完成对运动传感器M、重力传感器G、电子罗盘C的状态设定、输出信号采集、相关计算。这是因为无论运动传感器M、重力传感器G、电子罗盘C的输出信号采用数字方式还是模拟方式，通过长电缆线在地面采集信号都会有诸如引入噪声、信号衰减、传输距离限制等等不利因素的影响。

装置T内有控制与信号调理采集模块PC时，控制与信号调理采集模块PC须有与地面激发信号同步的控制线LP和用于传输数字信号的数据传输线LS。

一种土层剪切波测试方法：

步骤1、孔口地面修整为地面水平面HP，将北磁极方向NMP在地面水平面HP上的投影方向作为水平基准方向N，在地面水平面HP上确定水平激发正方向SP和水平激发负方向SN，在地面水平面HP上测量水平激发正方向SP与水平基准方向N的夹角Ansp；本步骤中北磁极方向NMP可以通过指北针或者其他现有指北装置、方法获得。

如图1所示，可以设定在长条形板P的A端的激发方向（由A端指向B端）为水平激发正方向SP，也可以设定在板P的B端的激发方向（由B端指向A端）为水平激发正方向SP，设定A端激发方向为水平激发正方向SP时，B端激发方向即为水平激发负方向SN，反之亦然。水平激发正方向SP与水平激发负方向SN都是水平方向。

步骤2、将装置T放置在钻孔中待测试深度位置；

步骤3、附属贴壁装置AD使装置T与钻孔孔壁贴紧并处于静止状态；

放置装置T通常是通过一根电缆线放下或提升，这个过程无法控制装置T的扭转，到达某待测深度位置后，附属贴壁装置AD用于使得装置T贴紧钻孔孔壁，也会导致装置坐标系uvw在钻孔中发生一定的扭转和倾斜。

步骤4、计算水平激发正方向SP在装置坐标系uvw内对应的方向SPuvw；

水平激发方向SP是北磁极方向NMP在地面水平面HP上的投影旋转角度Ansp后得到的方向，水平面的法向矢量方向与重力方向重合，重力方向和北磁极方向NMP都是客观存在，在测试现场范围内可以认定重力方向和北磁极方向NMP是不变的，装置T中的重力传感器G用以确定重力加速度的矢量方向在装置坐标系uvw内的矢量表达，电子罗盘C用以确定北磁极方向在装置坐标系uvw内的矢量表达，有了水平面法向矢量和北磁极方向在装置坐标系uvw的表达式就可以计算装置坐标系uvw内的方向SPuvw。

步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、读取重力传感器G的三个分量Gu、Gv、Gw，计算在装置坐标系uvw下的过装置坐标系uvw的坐标系原点的水平面HPuvw，水平面HPuvw平行于地面水平面HP；

无论装置T的姿态如何倾斜，水平面是客观存在，在装置坐标系uvw下有水平面簇，过装置坐标系uvw原点的水平面HPuvw是水平面簇中表达式最为简洁的一个水平面。

步骤4.2、读取电子罗盘C的三个分量Cu、Cv、Cw，获得北磁极方向NMP，计算北磁极方向NMP在过装置坐标系uvw原点的水平面HPuvw上的投影方向Nnmp；

北磁极方向NMP是客观存在，在测试现场地面和深度范围0～100米范围内，北磁极方向NMP的变化可以忽略，电子罗盘C的三个分量Cu、Cv、Cw给出北磁极方向NMP在装置坐标系uvw下的表达，其在水平面HPuvw上的投影方向Nnmp与北磁极方向NMP在地面水平面HP上的投影方向相同，即与步骤1中的水平基准方向N相同。

步骤4.3、投影方向Nnmp在水平面HPuvw上旋转角度Ansp得到方向SPuvw。

在地面水平面上，水平激发正方向SP与水平基准方向N的夹角为Ansp，在水平面HPuvw上，投影方向Nnmp与水平基准方向N相同，投影方向Nnmp旋转角度Ansp后得到的方向SPuvw与水平激发正方向SP相同。

上述步骤4中有关计算水平激发正方向SP在装置坐标系uvw内对应的方向SPuvw的计算方法均为基于空间解析几何范畴的现有技术。

步骤5、完成待测深度位置测试过程；

步骤5.1、在地面按水平激发正方向SP锤击长条形板P的A端，记录和显示通过运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw得到的时程曲线Rsp，即计算运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw合成的运动矢量在方向SPuvw上的投影Rsp_t，投影Rsp_t随时间的变化曲线即为时程曲线Rsp，记录并显示时程曲线Rsp；

步骤5.2、在地面按水平激发负方向SN锤击长条形板P的B端，记录和显示通过运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw得到的时程曲线Rsn，即计算运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw合成的运动矢量在方向SPuvw上的投影Rsn_t，投影Rsn_t随时间的变化曲线即为时程曲线Rsn，记录并显示时程曲线Rsn；

这里时程曲线Rsp和时程曲线Rsn均为运动传感器M的三个分量合成的运动矢量在激发方向SPuvw上的投影，激发方向SPuvw也就是剪切波成分对应的质点运动方向，因此剪切波成分将得到最充分的体现，使得测试人员能够更加容易的识别剪切波成分。

步骤6、将本装置T放置在钻孔中下一个待测试深度位置，返回步骤3，直至测试结束。

本发明的有益效果是：

在进行土层剪切波测试时，难以避免提升传感器装置时传感器装置的扭转，也难以避免传感器装置贴紧孔壁时传感器装置的倾斜，使用本发明的技术，无论测试装置在钻孔中如何扭转和倾斜，能够始终追踪实际的剪切波成分的质点运动方向，并在此方向展示测试成果，使得测试人员能够更加容易识别剪切波成分。

附图说明

图1为单孔法测试土层波速测试布置示意图。

S：土层。

H：钻孔。

P：长条形板。

L：长条形板P的长边垂直平分线。

W：长条形板P上放置的重物。

A：长条形板P的一端。

B：长条形板P的另一端。

Inst：测试记录仪器。

T：孔中传感器装置。

图2为单孔法测试土层波速测试曲线示意图。

（a）：锤击方向为激发正方向SP时的时程曲线。

（b）：锤击方向为激发负方向SN时的时程曲线。

tp：机械波中的压缩波到达的时刻。

ts：机械波中的剪切波到达的时刻。

图3为装置坐标系uvw下的过坐标原点的水平面HPuvw。

HPuvw：在装置坐标系uvw中的过坐标原点的水平面。

（m,n,k）：水平面HPuvw的法向矢量。

图4为装置坐标系uvw下的北磁极方向NMP。

NMP：北磁极方向。

Cu：北磁极方向NMP在u坐标轴上的投影。

Cv：北磁极方向NMP在v坐标轴上的投影。

Cw：北磁极方向NMP在w坐标轴上的投影。

图5为北磁极方向NMP在水平面HPuvw上的投影Nnmp。

Nnmp：北磁极方向NMP在水平面HPuvw上的投影。

图6为Nnmp在水平面HPuvw上旋转Ansp角度得到水平激发正方向SP在装置坐标系uvw内对应的方向SPuvw。

SPuvw：水平激发正方向SP在装置坐标系uvw内对应的方向。

Ansp：方向Nnmp与方向SPuvw的夹角。

具体实施方式

实施例1：

一种土层剪切波测试装置，包括装置T，装置T包括一个用于测试运动状态的运动传感器M、一个用于测试重力方向的重力传感器G、一个用于测试磁极方向的电子罗盘C，

还包括用于将装置T固定在钻孔孔壁的附属贴壁装置AD，

还包括设置在钻孔的孔口所在顶面水平面HP上的长条形板P，

还包括用于锤击长条形板P端部的锤击装置，

还包括通过数据控制线缆与运动传感器M、重力传感器G和电子罗盘C连接的测试记录仪器。

定义装置坐标系uvw为右手系坐标系，运动传感器M的三个分量Mu、Mv、Mw分别指向装置坐标系uvw的u轴、v轴、w轴三个坐标轴，重力传感器G的三个分量Gu、Gv、Gw分别指向装置坐标系uvw的u轴、v轴、w轴三个坐标轴，电子罗盘C的三个分量Cu、Cv、Cw分别指向装置坐标系uvw的u轴、v轴、w轴三个坐标轴。

测试时采用如下步骤：

步骤1、孔口地面修整为地面水平面HP，将指北针测量得到的北磁极方向NMP在地面水平面HP上的投影方向作为水平基准方向N，在地面水平面HP上确定水平激发正方向SP和水平激发负方向SN，在地面水平面HP上测量水平激发正方向SP与水平基准方向N的夹角Ansp；本步骤中北磁极方向NMP可以通过指北针或者其他现有指北装置、方法获得。

在本实施例中，长条形板P的长边垂直平分线L平行于水平基准方向N，钻孔孔口圆心位于长条形板P的长边垂直平分线L上，长条形板P的中点距钻孔孔口圆心2m。定义锤击长条形板P的A端导致的由A端指向B端的方向为水平激发正方向SP，水平激发正方向SP与水平基准方向N的夹角Ansp=90°；测试深度3m～25m，从深度25m开始测试，测点间隔2m。

步骤2、将装置T放置在钻孔中深度位置25m；

步骤3、附属贴壁装置AD使装置T与钻孔孔壁贴紧并处于静止状态；

步骤4、计算水平激发正方向SP在装置坐标系uvw内对应的方向SPuvw；具体包括以下步骤：

步骤4.1、读取重力传感器G的三个分量Gu、Gv、Gw，计算在装置坐标系uvw下的过装置坐标系uvw的坐标系原点的水平面HPuvw，水平面HPuvw平行于地面水平面HP；

重力传感器G可选用三轴加速度计，输出为装置T的u轴、v轴、w轴三个方向的重力加速度分量，通过重力加速度分量获得重力加速度矢量，重力加速度矢量与水平面mu+nv+kw=X的法向矢量（n，m，k）重合，（相同或相反），过原点的水平面HPuvw的表达式mu+nv+kw=0。图3为装置坐标系uvw下的水平面HPuvw的示意图。

步骤4.2、读取电子罗盘C的三个分量Cu、Cv、Cw，获得北磁极方向NMP，计算北磁极方向NMP在过装置坐标系uvw原点的水平面HPuvw上的投影方向Nnmp；

电子罗盘C输出的地磁强度数据Cu、Cv、Cw为北磁极方向NMP在装置坐标系uvw中对应的方向矢量的三个分量，见图4装置坐标系uvw下的北磁极方向NMP。

北磁极方向NMP在水平面HPuvw上的投影方向Nnmp与北磁极方向NMP和水平面HPuvw的法向矢量（n，m，k）的关系图见图5。

步骤4.3、投影方向Nnmp在水平面HPuvw上旋转角度Ansp得到方向SPuvw。

在装置坐标系uvw中的水平面HPuvw与地面水平面HP是平行的，北磁极方向NMP在装置坐标系uvw中的水平面HPuvw上的投影方向Nnmp与北磁极方向NMP在地面水平面HP上的投影方向（也就是基准方向N）是相同的，因此装置坐标系uvw中的水平面HPuvw上的北磁极方向NMP的投影方向Nnmp在水平面HPuvw上旋转Ansp角度就是水平激发正方向SP在装置坐标系uvw内对应的方向SPuvw。见图6。

方向SPuvw和投影方向Nnmp都在水平面HPuvw上，都垂直于水平面HPuvw的法向矢量（n，m，k），因此方向SPuvw和投影方向Nnmp的矢量积（叉乘）与水平面HPuvw的法向矢量（n，m，k）同向，矢量积（叉乘）的三个分量与法向矢量（n，m，k）的三个分量满足等比例关系，方向SPuvw和方向Nnmp夹角为Ansp=90°为已知，可以求解方向SPuvw。

步骤5、完成待测深度位置测试过程；

步骤5.1、在地面按水平激发正方向SP锤击长条形板P的A端，记录和显示通过运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw得到的时程曲线Rsp，即计算运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw合成的运动矢量在方向SPuvw上的投影Rsp_t，投影Rsp_t随时间的变化曲线即为时程曲线Rsp，记录并显示时程曲线Rsp；

步骤5.2、在地面按水平激发负方向SN锤击长条形板P的B端，记录和显示通过运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw得到的时程曲线Rsn，即计算运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw合成的运动矢量在方向SPuvw上的投影Rsn_t，投影Rsn_t随时间的变化曲线即为时程曲线Rsn，记录并显示时程曲线Rsn；

计算运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw合成的运动矢量在方向SPuvw上的投影Rsp时可以直接计算矢量（Mu、Mv、Mw）与方向SPuvw的数量积（点乘）。投影矢量Rsn同理。

步骤6、将本装置T放置提升2m，返回步骤3，至深度位置<3m时结束测试。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种土层剪切波测试装置，其特征在于，包括装置T，装置T包括一个用于测试运动状态的运动传感器M、一个用于测试重力方向的重力传感器G、一个用于测试磁极方向的电子罗盘C，

还包括用于将装置T固定在钻孔孔壁的附属贴壁装置AD，

还包括设置在钻孔的孔口所在地面水平面HP上的长条形板P，

还包括用于锤击长条形板P端部的锤击装置，

还包括通过数据控制线缆与运动传感器M、重力传感器G和电子罗盘C连接的测试记录仪器。

2.一种土层剪切波测试方法，包括以下步骤：

步骤1、孔口地面修整为地面水平面HP，将北磁极方向NMP在地面水平面HP上的投影方向作为水平基准方向N，在地面水平面HP上确定水平激发正方向SP和水平激发负方向SN，在地面水平面HP上测量水平激发正方向SP与水平基准方向N的夹角Ansp；

步骤2、将装置T放置在钻孔中待测试深度位置；

步骤3、附属贴壁装置AD使装置T与钻孔孔壁贴紧并处于静止状态；

步骤4、计算水平激发正方向SP在装置坐标系uvw内对应的方向SPuvw，具体包括以下步骤：

步骤4.1、读取重力传感器G的三个分量Gu、Gv、Gw，计算在装置坐标系uvw下的过装置坐标系uvw的坐标系原点的水平面HPuvw，水平面HPuvw平行于地面水平面HP；

步骤4.2、读取电子罗盘C的三个分量Cu、Cv、Cw，获得北磁极方向NMP，计算北磁极方向NMP在过装置坐标系uvw原点的水平面HPuvw上的投影方向Nnmp；

步骤4.3、投影方向Nnmp在水平面HPuvw上旋转角度Ansp得到方向SPuvw；

步骤5、完成待测深度位置测试过程，具体包括以下步骤：

步骤5.1、在地面按水平激发正方向SP锤击长条形板P的A端，记录和显示通过运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw得到的时程曲线Rsp，即计算运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw合成的运动矢量在方向SPuvw上的投影Rsp_t，投影Rsp_t随时间的变化曲线即为时程曲线Rsp，记录并显示时程曲线Rsp；

步骤5.2、在地面按水平激发负方向SN锤击长条形板P的B端，记录和显示通过运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw得到的时程曲线Rsn，即计算运动传感器M三个分量Mu、Mv、Mw合成的运动矢量在方向SPuvw上的投影Rsn_t，投影Rsn_t随时间的变化曲线即为时程曲线Rsn，记录并显示时程曲线Rsn；

步骤6、将本装置T放置在钻孔中下一个待测试深度位置，返回步骤3，直至测试结束。