CN116972954A - 基于原位激振的岩土波速测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械振动测量技术领域，具体涉及基于原位激振的岩土波速测量方法及装置；本发明采用两次激振，测出任一切分的土层的波速，相比于常规的单次激振测量激振点至地面的波速的测量方法，可以精确测量出地层内任一土层切分的波速，避免了近地表结构松散区域对波速测量造成的影响；本发明采用坐标转换方法，可以准确调整激振角度，提高了激振精度；本发明采用二元激振角，即可以单独测量纵波波速，也可以通过45度激振测量纵波和横波的波速，提高了测量的精度和全面性；本发明通过二元法进行土层切分，基于相邻土层的波速差是否小于预设值来判定土层切分是否已经足够精细，并仅对不够精细的土层继续进行切分，提高了测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及机械振动测量技术领域（G01H），具体涉及基于原位激振的岩土波速测量方法及装置。
背景技术
地震波（seismic wave）是由地震震源向四处传播的振动，指从震源产生向四周辐射的弹性波。按传播方式可分为纵波（P波）、横波（S波）（纵波和横波均属于体波）和面波（L波）三种类型。
土体的剪切波速是土动力学中的一个重要参数，是地基土动力性质测试的项目之一。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010 2016年版）规定，甲乙类建筑物场地必须按照实测地层剪切波速进行场地划分；根据《工程场地地震安全性评价标准》（GB17741-2005）规定，Ⅰ级工作、Ⅱ级工作和地震小区划工作都需要进行剪切波速测试。
剪切波速可以用于场地类别划分、场地基本周期计算、提供地震反应分析所需的地基土动力参数、判别地基土液化可能性以及评价地基处理效果，故剪切波速的测量精度对工程质量有重要的影响。
剪切波速的测试方法主要包括单孔法、跨孔法、表面波速法及室内弯曲元法。以上几种测试方法分别使用了不同的原理，具体表述如下：
一、单孔法的特点是只用一个试验孔，是应用最为广泛的波速测试方法，其理论简单，操作方便，造价较少，具有普遍适用性；根据激振方式不同，单孔法又分为地面激振式和孔中激振式；地面激振式是在地面打击木板产生向下传播的压缩波（P波）和水平极化剪切波（SH波）；井中激振式采用井中激振，孔中接收，地面激振-孔中接收式的测试深度与激振源能量成正比。
二、跨孔法的特点是多个试验孔，振源产生水平方向传播的波，测出它到达位于各接收孔中与振源同标高的垂直向传感器的时间，跨孔法是目前较理想的振源是液压式井下剪切波锤，该设备能在孔内某一预定位置产生质点为上下方向振动的剪切波。该方法能产生极性相反的两组剪切波，可比较准确地确定波到达接收孔的初至时间，能在孔中反复测试。
三、面波法的特点是在地面求瑞利波的速度，再利用瑞利波速与剪切波速的关系求出剪切波速。
四、弯曲元法适用于测试细粒土和砂土从初始状态至塑性变形发展过程中的动力特性。
现有技术中公开了如何进行岩土波速测量的相关技术：
公告号为CN106949953B的中国专利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，具体公开了：包括剪切波发生器、动态信号采集系统以及计算机。剪切波发生器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；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。
公告号为CN101718579B的中国专利公开了一种测量岩土剪切波速的方法和系统，具体公开了：该方法首先由振源在时刻t0产生频率为f1的剪切波；在时刻t0+tc触发计数器开始计数，计数器的触发脉冲的频率为f2，其中，tc为预设的触发计数延时；将位于井孔内位置n处的检波探头输出的包含剪切波的检测信号进行抗干扰处理，得到输入至剪切波接收处理电路的输出频率为f1的方波，其中，n≥0；计数器在剪切波接收处理电路接收到方波的时刻t1(n)时停止计数；位置n与所述振源之间的行程综合剪切波速的计算公式为。本发明所述方法和系统可以有效提高岩土剪切波速的测量精度。
公开号为CN108594294A的中国专利公开了一种孔内稳态激振剪切波测试系统及方法；具体公开了：该系统包括交流信号发生装置、贴壁装置控制器、直流电流控制器、波速测试仪以及按照预设间距依次放置在钻孔内的激振器、第一传感器、第二传感器；交流信号发生装置与激振器电连接，直流电流控制器与激振器电连接；贴壁装置控制器分别与激振器、第一传感器和第二传感器电连接，控制激振器、第一传感器和第二传感器上分别设置的贴壁装置撑起或收缩；波速测试仪分别与激振器、第一传感器、第二传感器电连接，能够解决采用地表瞬态激振时，当孔深较大或岩土层较硬，或者当钻孔位于水域，无法通过地表激振激发剪切波，造成的无法进行剪切波的测试的技术问题。
公告号为CN104122577B的中国专利公开了一种场地地层剪切波速快速复测装置及测试方法；具体公开了：场地地层剪切波速快速复测装置，其特征在于：它包括并排连接成整体的第一振源发生器和第一检波器，分别与第一振源发生器和第一检波器对应、且并排连成整体的第二检波器和第二振源发生器，以及通过信号线分别与第一振源发生器、第一检波器、第二检波器和第二振源发生器相连的计算机。本发明适用于土木工程建设场地的原位勘测技术领域，尤其是剪切波速原位测试技术领域。
然而，以上述专利文件为代表的现有技术仍然存在以下问题：
一、单孔法的人工激振的测试深度一般在60m以内，而采用爆破、空气压缩枪、弹簧式S波激发装置、火箭筒等造价较高、实施较繁琐；人工激振能量差异较大，结果较为离散；
二、单孔法对钻孔质量要求较高，根据测井要求，钻孔直径应该比测井探头大3倍以上，并且要求钻孔井壁光滑、井径变化较小、井孔的倾斜不能超过50、有套管时无法测量等；在测井时容易出现塌孔卡住检波器的情况。
三、单孔法由于仪器结构的限制，最下端的检波器处在井口以下3m左右，在浅层测试时，单孔法存在折射波的干扰，当下卧土层波速高于覆盖土层且激振点距离孔口较远时，剪切波的入射角超过临界角时会产生折射波，造成到时误差等；且成孔时泥浆的冲刷和钻具的碰撞，孔口位置出现扩径，即使存在井液，其测得的数据也不准确，一般是偏小；且泥浆的浓度对测试结果影响较大，当泥浆过浓时，探头悬置在泥浆中，测得波速较小；当泥浆过稀时，井壁维持较差，激振时容易产生扩径，测得数据也偏小等；且无法进行P波测试。
四、面波法设备轻便，应用比较广泛，理论研究也较深入，但空间分辨率相对较低；目前应用相对较少，但做为一种测试方法，这种方法也成功地应用于许多复杂工程。其测试费用比单孔法高，数据分辨率一般，适用性差。
五、弯曲元测试虽然精度较高但无法大批量开展，只能有针对性的对某一层土进行剪切波速测试，属于点测试。
发明内容
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于原位激振的岩土波速测量方法，包括以下步骤：
S1、确定测量深度范围；包括：
S11、根据测量计划书，确定测量区域，去除地表浮土层并确定测量基准面，确定钻孔坐标，完成定位；
S12、以测量基准面为零深度平面，确定测量深度范围，满足：
其中，表示最小测量深度，/>表示最大测量深度，/>表示最大钻孔深度；
S2、钻孔，布置孔中激振器和地表接收器；
S3、基于二分法确定激振点位；
S4、确定孔中二元激振角；
S5、激振、接收震波计算各土层的平均计算波速；
S6、判定土层切分精度是否达到预定要求，若否，则循环执行步骤S3-S5；若是，则停止激振，完成测量，输出土层波速测量数据。
进一步的，在步骤S3具体包括：
S31、确定二元切分的端点；取点和/>点的距离作为二元切分端点，每一轮切分均以上一轮切分的中点作为切分点，满足：
其中，表示切分轮次，为非零自然数，/>表示第/>轮切分的土层厚；
S32、确定切分点数量；满足：
其中，第/>轮切分的切分点数量；
S33、确定切分的深度；满足
其中，为第/>轮的点的深度，/>为切分点自/>点向下的序号，为不大于切分点总数的奇数。
进一步的，在步骤S4具体包括：
S41、建立大地坐标系；以孔口、孔中激振器和地表接收器所在平面为坐标平面，以孔口为原点，以孔口指向地表接收器的水平方向为/>轴，竖直方向为/>轴，建立大地坐标系/>；
S42、建立激振坐标系；取与大地坐标系相同的坐标平面，以孔中激振器所在点为原点，以孔中激振器指向地表接收器的方向为/>轴，垂直于/>轴且指向竖直上方取正方向为/>轴，建立激振坐标系/>；
S43、确定孔中二元激振角；在激振坐标系中，以/>为孔中二元激振角；其中，/>为纵波激振角，表示孔中激振器的激振方向指向地面接收器，以产生纵波；/>为纵波-横波激振角，表示孔中激振器的激振方向与孔中激振器指向地面接收器的连线成45°，产生纵波及横波；
S44、坐标系换算；根据孔中激振器的实际深度和地表接收器与孔口的水平距离计算换算角/>，满足：
得到大地坐标系中的大地二元激振角
。
进一步的，在步骤S5具体包括：
S51、端点激振；将孔中激振器先后定位土层的上端点点和下端点/>点，激振并记录岩土波传播时间/>和/>；
S52、计算土层波速均值；建立土层波速均值的计算公式，满足：
其中，表示震波在以深度为/>的点为上端点和深度为/>的点的下端点的土层中的平均计算波速；/>表示下端端点至地表接收器的连线与/>轴的夹角；合并公式得到：
表示通过/>点激振得到的土层平局计算波速。
进一步的，在步骤S6具体包括：
S61、判断相邻两个土层的平均计算波速的差值是否小于预设的阈值，即判定下士是否成立：
S62、若是，则判定该两个土层的切分精度达到预定要求，对该两个土层停止切分；
S63、若否，则判定该两个土层的切分精度未达到预定要求，对该两个土层继续进行二分法切分，回跳执行步骤S3、S4、S5及S61。
本发明还提供了一种基于原位激振的岩土波速测量装置，用于实施所述的基于原位激振的岩土波速测量方法，其特征在于，包括中央控制器、孔中激振器和地表接收器；所述中央控制器具有波速计算单元和土层切分精度判定单元；
所述波速计算单元基于两次激振计算土层的平均计算波速，所述平均计算波速按照下式计算得到：
其中，表示震波在以深度为/>的点为上端点和深度为/>的点的下端点的土层中的平均计算波速；/>表示下端端点至地表接收器的连线与/>轴的夹角；/>和/>为两次激振的岩土波传播时间；/>为地表接收器与孔口的水平距离。
进一步的，所述土层切分精度判定单元判断相邻两个土层的平均计算波速的差值是否小于预设的阈值，即判定下士是否成立：
若是，则判定该两个土层的切分精度达到预定要求，对该两个土层停止切分；
若否，则判定该两个土层的切分精度未达到预定要求，对该两个土层继续进行二分法切分，并计算土层的平均计算波速。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用两次激振，测出任一切分的土层的波速，相比于常规的单次激振测量激振点至地面的波速的测量方法，本发明可以精确测量出地层内任一土层切分的波速，避免了近地表结构松散区域对波速测量造成的影响。
2、本发明采用坐标转换方法，将激振坐标转换至大地坐标，可以准确调整激振角度，提高了激振精度。
3、本发明采用二元激振角，即可以单独测量纵波波速，也可以通过45度激振测量纵波和横波的波速，提高了测量的精度和全面性。
4、本发明通过二元法进行土层切分，基于相邻土层的波速差是否小于预设值来判定土层切分是否已经足够精细，并仅对不够精细的土层继续进行切分，提高了测量效率，相比于穿透的等距测量或者全面二分法测量，减少了针对均匀土层的不必要的测量，提高了整体效率。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明的坐标系转换示意图；
图3为本发明的平均计算波速的参数示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例一
本实施例提供了一种基于原位激振的岩土波速测量方法，包括以下步骤：
S1、确定测量深度范围；包括：
S11、根据测量计划书，确定测量区域，去除地表浮土层并确定测量基准面，确定钻孔坐标，完成定位；
S12、以测量基准面为零深度平面，确定测量深度范围，满足：
其中，表示最小测量深度，/>表示最大测量深度，/>表示最大钻孔深度。
S2、钻孔，布置孔中激振器和地表接收器；
S3、基于二分法确定激振点位；具体包括：
S31、确定二元切分的端点；取点和/>点的距离作为二元切分端点，每一轮切分均以上一轮切分的中点作为切分点，满足：
其中，表示切分轮次，为非零自然数，/>表示第/>轮切分的土层厚；
S32、确定切分点数量；满足：
其中，第/>轮切分的切分点数量；
S33、确定切分的深度；满足
其中，为第/>轮的点的深度，/>为切分点自/>点向下的序号，为不大于切分点总数的奇数；
S4、确定孔中二元激振角；具体包括：
S41、建立大地坐标系；以孔口、孔中激振器和地表接收器所在平面为坐标平面，以孔口为原点，以孔口指向地表接收器的水平方向为/>轴，竖直方向为/>轴，建立大地坐标系/>；
S42、建立激振坐标系；取与大地坐标系相同的坐标平面，以孔中激振器所在点为原点，以孔中激振器指向地表接收器的方向为/>轴，垂直于/>轴且指向竖直上方取正方向为/>轴，建立激振坐标系/>；
S43、确定孔中二元激振角；在激振坐标系中，以/>为孔中二元激振角；其中，/>为纵波激振角，表示孔中激振器的激振方向指向地面接收器，以产生纵波；/>为纵波-横波激振角，表示孔中激振器的激振方向与孔中激振器指向地面接收器的连线成45°，产生纵波及横波；
S44、坐标系换算；根据孔中激振器的实际深度和地表接收器与孔口的水平距离计算换算角/>，满足：
得到大地坐标系中的大地二元激振角
；
S5、激振、接收震波计算各土层的平均计算波速；步骤S5具体包括：
S51、端点激振；将孔中激振器先后定位土层的上端点点和下端点/>点，激振并记录岩土波传播时间/>和/>；
S52、计算土层波速均值；建立土层波速均值的计算公式，满足：
其中，表示震波在以深度为/>的点为上端点和深度为/>的点的下端点的土层中的平均计算波速；/>表示下端端点至地表接收器的连线与/>轴的夹角；合并公式得到：
表示通过/>点激振得到的土层平局计算波速；
S6、判定土层切分精度是否达到预定要求，若否，则循环执行步骤S3-S5；若是，则停止激振，完成测量，输出土层波速测量数据；具体包括：
S61、判断相邻两个土层的平均计算波速的差值是否小于预设的阈值，即判定下士是否成立：
S62、若是，则判定该两个土层的切分精度达到预定要求，对该两个土层停止切分；
S63、若否，则判定该两个土层的切分精度未达到预定要求，对该两个土层继续进行二分法切分，回跳执行步骤S3、S4、S5及S61。
实施例二
一种基于原位激振的岩土波速测量装置，用于实施所述的基于原位激振的岩土波速测量方法，其特征在于，包括中央控制器、孔中激振器和地表接收器；所述中央控制器具有波速计算单元和土层切分精度判定单元；
所述波速计算单元基于两次激振计算土层的平均计算波速，所述平均计算波速按照下式计算得到：
其中，表示震波在以深度为/>的点为上端点和深度为/>的点的下端点的土层中的平均计算波速；/>表示下端端点至地表接收器的连线与/>轴的夹角；/>和/>为两次激振的岩土波传播时间；/>为地表接收器与孔口的水平距离。
所述土层切分精度判定单元判断相邻两个土层的平均计算波速的差值是否小于预设的阈值，即判定下士是否成立：
若是，则判定该两个土层的切分精度达到预定要求，对该两个土层停止切分；
若否，则判定该两个土层的切分精度未达到预定要求，对该两个土层继续进行二分法切分，并计算土层的平均计算波速。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种基于原位激振的岩土波速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定测量深度范围；包括：
S11、根据测量计划书，确定测量区域，去除地表浮土层并确定测量基准面，确定钻孔坐标，完成定位；
S12、以测量基准面为零深度平面，确定测量深度范围，满足：
其中，表示最小测量深度，/>表示最大测量深度，/>表示最大钻孔深度；
S2、钻孔，布置孔中激振器和地表接收器；
S3、基于二分法确定激振点位；
S4、确定孔中二元激振角；
S5、激振、接收震波计算各土层的平均计算波速；
S6、判定土层切分精度是否达到预定要求，若否，则循环执行步骤S3-S5；若是，则停止激振，完成测量，输出土层波速测量数据。
2.根据权利要求1所述的基于原位激振的岩土波速测量方法，其特征在于：在步骤S3具体包括：
S31、确定二元切分的端点；取点和/>点的距离作为二元切分端点，每一轮切分均以上一轮切分的中点作为切分点，满足：
其中，表示切分轮次，为非零自然数，/>表示第/>轮切分的土层厚；
S32、确定切分点数量；满足：
其中，第/>轮切分的切分点数量；
S33、确定切分的深度；满足
其中，为第/>轮的点的深度，/>为切分点自/>点向下的序号，为不大于切分点总数的奇数。
3.根据权利要求1或2所述的基于原位激振的岩土波速测量方法，其特征在于：在步骤S4具体包括：
S41、建立大地坐标系；以孔口、孔中激振器和地表接收器所在平面为坐标平面，以孔口为原点，以孔口指向地表接收器的水平方向为/>轴，竖直方向为/>轴，建立大地坐标系；
S42、建立激振坐标系；取与大地坐标系相同的坐标平面，以孔中激振器所在点为原点，以孔中激振器指向地表接收器的方向为/>轴，垂直于/>轴且指向竖直上方取正方向为轴，建立激振坐标系/>；
S43、确定孔中二元激振角；在激振坐标系中，以/>为孔中二元激振角；其中，/>为纵波激振角，表示孔中激振器的激振方向指向地面接收器，以产生纵波；/>为纵波-横波激振角，表示孔中激振器的激振方向与孔中激振器指向地面接收器的连线成45°，产生纵波及横波；
S44、坐标系换算；根据孔中激振器的实际深度和地表接收器与孔口的水平距离/>计算换算角/>，满足：
得到大地坐标系中的大地二元激振角
。
4.根据权利要求3所述的基于原位激振的岩土波速测量方法，其特征在于：在步骤S6具体包括：
S51、端点激振；将孔中激振器先后定位土层的上端点点和下端点/>点，激振并记录岩土波传播时间/>和/>；
S52、计算土层波速均值；建立土层波速均值的计算公式，满足：
其中，表示震波在以深度为/>的点为上端点和深度为/>的点的下端点的土层中的平均计算波速；/>表示下端端点至地表接收器的连线与/>轴的夹角。
5.根据权利要求4所述的基于原位激振的岩土波速测量方法，其特征在于：在步骤S6具体包括：
S61、判断相邻两个土层的平均计算波速的差值是否小于预设的阈值，即判定下士是否成立：
S62、若是，则判定该两个土层的切分精度达到预定要求，对该两个土层停止切分；
S63、若否，则判定该两个土层的切分精度未达到预定要求，对该两个土层继续进行二分法切分，回跳执行步骤S3、S4、S5及S61。
6.一种基于原位激振的岩土波速测量装置，用于实施如权利要求1-5任一项所述的基于原位激振的岩土波速测量方法，其特征在于，包括中央控制器、孔中激振器和地表接收器；所述中央控制器具有波速计算单元和土层切分精度判定单元；
所述波速计算单元基于两次激振计算土层的平均计算波速，所述平均计算波速按照下式计算得到：
其中，表示震波在以深度为/>的点为上端点和深度为/>的点的下端点的土层中的平均计算波速；/>表示下端端点至地表接收器的连线与/>轴的夹角；/>和/>为两次激振的岩土波传播时间；/>为地表接收器与孔口的水平距离。
7.根据权利要求6所述的基于原位激振的岩土波速测量装置，其特征在于：所述土层切分精度判定单元判断相邻两个土层的平均计算波速的差值是否小于预设的阈值，即判定下士是否成立：
若是，则判定该两个土层的切分精度达到预定要求，对该两个土层停止切分；
若否，则判定该两个土层的切分精度未达到预定要求，对该两个土层继续进行二分法切分，并计算土层的平均计算波速。
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