CN208654091U - 孔内稳态激振剪切波测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种孔内稳态激振剪切波测试系统，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，当孔深较大或岩土层较硬，地表激振的能量可能无法满足深部测点的测试要求，或者当钻孔位于水域，无法通过地表敲击激发剪切波，导致无法进行剪切波的测试的技术问题。

Description

孔内稳态激振剪切波测试系统

技术领域

本实用新型属于岩土工程技术领域，更具体地说，是涉及一种孔内稳态激振剪切波测试系统。

背景技术

剪切波速是反映介质对剪切波传播能力和土体动力特性的一个重要参数，土层的剪切波指标在工程实践中得到了广泛的应用。单孔法波速测试是岩土勘察中测试岩土体剪切波速度的重要手段。

目前，单孔法剪切波速测试多采用地表瞬态激振，使用大锤在孔口水平上敲击上压重物的剪切板激发剪切波成分占比高的地震波，利用放置在孔内指定深度的三分量检波器和波速测试仪器接收地面激振、由地层介质传递至孔内的地震波，利用波在震源和检波器之间的距离和传播时间计算地层剪切波速。但是这种采用地表瞬态激振方式，当孔深较大或岩土层较硬，地表激振的能量可能无法满足深部测点的测试要求，或者当钻孔位于水域，无法通过地表敲击激发剪切波，导致无法进行剪切波的测试。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种孔内稳态激振剪切波测试系统，以解决现有技术中存在的采用地表瞬态激振当孔深较大或岩土层较硬，地表激振的能量可能无法满足深部测点的测试要求，或者当钻孔位于水域，无法通过地表敲击激发剪切波，导致无法进行剪切波的测试的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本实用新型实施例提供一种孔内稳态激振剪切波测试系统，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所述激振器、第一传感器、第二传感器；

所述交流信号发生装置与所述激振器电连接，所述直流电流控制器与所述激振器电连接；

所述贴壁装置控制器分别与所述激振器、第一传感器和第二传感器电连接，控制所述激振器、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；

所述波速测试仪分别与所述第一传感器、第二传感器电连接。

进一步地，所述激振器包括激振器壳体、振动头、激励体和贴壁装置；

所述振动头与所述直流电流控制器电连接，所述激励体与所述交流信号发生装置电连接，所述激励体固定在所述激振器壳体上，所述振动头与所述激励体通过弹簧连接，所述振动头的端部设置有位于所述激振器壳体外部的振块，所述贴壁装置设置在激振器壳体的两端。

进一步地，所述振动头包括第一铁心和第一电磁线圈，所述第一铁心位于所述第一电磁线圈内部，所述直流电流控制器与所述第一电磁线圈电连接，用于向所述第一电磁线圈提供直流电。

进一步地，所述激励体包括第二铁芯、第二电磁线圈，所述第二铁芯位于所述第二电磁线圈内部，所述交流信号发生装置与所述第二电磁线圈电连接，用于向所述第二电磁线圈提供交流电。

进一步地，所述贴壁装置包括两个对称设置在所述激振器壳体端部的贴壁机构，所述贴壁机构包括电动推杆、复位弹簧、撑壁杆；

所述电动推杆设置在所述激振器壳体上，所述撑壁杆通过中部设置的支撑点可转动的固定在所述激振器壳体的侧壁上，所述撑壁杆的一端与所述电动推杆连接，所述撑壁杆的另一端与所述激振器壳体通过所述复位弹簧连接，所述电动推杆与所述贴壁装置控制器电连接。

进一步地，所述交流信号发生装置包括交流信号发生器和功率放大器；所述功率放大器分别与所述激振器和所述交流信号发生器电连接。

进一步地，所有的电连接为通过多芯屏蔽电缆连接。

进一步地，所述第二铁芯为硅钢片铁芯，所述第二电磁线圈为漆包线电磁线圈。

进一步地，所述第一传感器和第二传感器均为检波器。

进一步地，所述波速测试仪与所述激振器电连接。

本实用新型提供的孔内稳态激振剪切波测试系统的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型孔内稳态激振剪切波测试系统，通过按照预设间距依次放置在钻孔内的所述激振器、第一传感器、第二传感器，所述波速测试仪分别与所述第一传感器、第二传感器电连接，波速测试仪器接收第一传感器发送第一地层剪切波信号和第二传感器发送的第二地层剪切波信号，并根据第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号，计算得到地层剪切波波速，本实用新型实施例能够在孔内进行激振，能够解决采用地表瞬态激振当孔深较大或岩土层较硬，地表激振的能量可能无法满足深部测点的测试要求，或者当钻孔位于水域，无法通过地表敲击激发剪切波，导致无法进行剪切波的测试的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的孔内稳态激振剪切波测试系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的激振器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号的曲线图示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，现对本实用新型实施例提供的孔内稳态激振剪切波测试系统进行说明。所述孔内稳态激振剪切波测试系统，包括：交流信号发生装置1、贴壁装置控制器2、直流电流控制器3、波速测试仪4、以及按照预设间距依次放置在钻孔9内的激振器5、第一传感器6、第二传感器7。

交流信号发生装置1与激振器5电连接，直流电流控制器3与激振器5电连接。贴壁装置控制器2分别与激振器5、第一传感器6和第二传感器7电连接，控制激振器5、第一传感器6和第二传感器7上分别设置的贴壁装置8撑起或收缩。波速测试仪4分别与第一传感器6、第二传感器7电连接。

其中，交流信号发生装置1包括输出交流信号的电源及交流电源控制开关。贴壁装置控制器2为控制开关。直流电流控制器3包括输出直流电的电源及直流电源控制开关。其中沿钻孔由下到上依次为第二传感器、第一传感器和激振器。

本实施例的孔内稳态激振剪切波测试系统的使用原理为：将激振器、第一传感器、第二传感器和波速测试仪器按照预设的间距放入到钻孔内；贴壁装置控制器发送贴壁装置撑起信号到激振器、第一传感器和第二传感器，控制所述激振器、第一传感器和第二传感器的贴壁装置撑起，以使激振器、第一传感器和第二传感器贴壁；直流电流控制器向激振器提供直流电，交流信号发生装置向激振器提供交流电，激振器在直流电和交流电作用下周期性水平激振钻孔孔壁产生地层剪切波；第一传感器实时接收地层剪切波信号生成第一地层剪切波信号；第二传感器实时接收地层剪切波信号生成第二地层剪切波信号；波速测试仪器接收第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号，并根据第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号，计算得到地层剪切波波速。

本实用新型提供的孔内稳态激振剪切波测试系统，与现有技术相比，能够在孔内进行激振，能够解决采用地表瞬态激振当孔深较大或岩土层较硬，地表激振的能量可能无法满足深部测点的测试要求，或者当钻孔位于水域，无法通过地表敲击激发剪切波，导致无法进行剪切波的测试的技术问题；同时采用孔内激发的形式，减小了激发点与接收点的间距，并且可以通过加大供给激振器的电流，来增加振动头17与激励体12之间的作用力，从而增加激振能量，保证接收到的振动波具有足够的能量，保证信号有较高的信噪比。

进一步地，请一并参阅图1至图2，作为本实用新型提供的孔内稳态激振剪切波测试系统的一种具体实施方式，激振器5包括激振器壳体10、振动头17、激励体12和贴壁装置8。

振动头17与直流电流控制器3电连接，激励体12与交流信号发生装置电连接，激励体12固定在激振器壳体10上，振动头17与激励体通过弹簧18连接，振动头17的端部设置有位于激振器壳体外部的振块24，贴壁装置8设置在激振器壳体10的两端。

其中，弹簧18为橡胶弹簧或机械弹簧，该弹簧起到对振动头的支撑和限位作用。激振器壳体10为防腐蚀金属材料。其中贴壁装置8可转动的设置在激振器壳体10的两端。

从本实施例可知，本实施例提供的激振器能够满足钻孔内使用。

进一步地，请参阅图1至图2，作为本实用新型提供的孔内稳态激振剪切波测试系统的一种具体实施方式，振动头17包括第一铁心16和第一电磁线圈 15，第一铁心16位于第一电磁线圈15内部，直流电流控制器3与第一电磁线圈15电连接，用于向第一电磁线圈15提供直流电。

其中，第一铁心16为振动头铁心，第一电磁线圈15为振动头电磁线圈。

激励体12包括第二铁芯13、第二电磁线圈11，第二铁芯13位于第二电磁线圈11内部，交流信号发生装置1与第二电磁线圈11电连接，用于向第二电磁线圈11提供交流电。

从本实施例可知，振动头和激励体均采用电磁铁部件，结构简单，性能可靠，振动过程可以由直流电流控制器和交流信号发生装置灵活控制。

进一步地，参阅图1及图2，作为本实用新型提供的孔内稳态激振剪切波测试系统的一种具体实施方式，贴壁装置8包括两个对称设置在激振器壳体10 端部的贴壁机构19，贴壁机构19包括电动推杆21、复位弹簧20、撑壁杆23；

电动推杆21设置在激振器壳体10上，撑壁杆23通过中部设置的支撑点可转动的固定在激振器壳体10的侧壁上，撑壁杆23的一端与电动推杆21连接，撑壁杆23的另一端与激振器壳体10通过复位弹簧20连接，电动推杆21与贴壁装置控制器2电连接。

其中，撑壁杆23与电动推杆21通过连接杆22连接。

初始状态时，撑壁杆23收到复位弹簧20拉力，贴在激振器壳体10上；当接收到贴壁装置控制器2的支撑信号后，电动推杆21收缩，撑壁杆23的一端受到电动推杆拉力，撑壁杆展开支撑到钻孔孔壁上。本实施例中，所述激振器、所述第一传感器和第二传感器的贴壁装置结构一致。

从本实施例可知，通过孔内激振器与传感器均采取贴壁方式，有效减小了在水中传播的干扰波(如斯通利波)的影响，提高了测试信号的可靠性。

进一步地，请参阅图1，作为本实用新型提供的孔内稳态激振剪切波测试系统的一种具体实施方式，交流信号发生装置1包括交流信号发生器26和功率放大器27；功率放大器27分别与激振器5和交流信号发生器26电连接。通过功率放大器保证交流信号发生器输出的交流信号的能量。通过交流信号发生装置改变激振器接收到的交流电的信号频率，进行扫频测试，搜寻地层共振频率，能保证在地层共振区测试，地层振动具有较大的振幅，接收到的信号具有较高的信噪比。

进一步地，请参阅图1，作为本实用新型提供的孔内稳态激振剪切波测试系统的一种具体实施方式，所有的电连接为通过多芯屏蔽电缆28连接，以保证各设备传输的信号不受外界的干扰。

需要说明的是：第二铁芯13为硅钢片铁芯，第二电磁线圈11为漆包线电磁线圈。

其中，第一传感器6和第一传感器7均为检波器，检波器可以是三分量检波器或单分量检波器。优选地，检波器为单分量检波器。单分量检波器优选频带宽、灵敏度高的压电式加速度传感器。

进一步地，所述波速测试仪与所述激振器电连接。当波速测试仪器接收到激振器开始工作的信号时，波速测试仪器开始记录第一传感器和第二传感器的地层剪切波信号。

现对本实用新型实施例提供的基于孔内稳态激振剪切波测试系统的地层剪切波测试方法进行说明，本实施例的使用方法详述如下：

将激振器、第一传感器、第二传感器和波速测试仪器按照预设的间距放入到钻孔内。

在本实施例中，预设间距可以是固定的间距，也可以根据需要进行调整。激振器、第一传感器、第二传感器之间可以通过隔声材料固定连接。第一传感器和第二传感器可以是三分量或单分量检波器。其中，沿钻孔由下到上依次为第二传感器、第一传感器和激振器。

贴壁装置控制器发送贴壁装置撑起信号到激振器、第一传感器和第二传感器，控制述激振器、第一传感器和第二传感器的贴壁装置撑起，以使激振器、第一传感器和第二传感器贴壁。

在本实施例中，激振器、第一传感器和第二传感器的贴壁装置设置在钻孔的同一侧，激振器、第一传感器和第二传感器的贴壁装置贴壁后，激振器、第一传感器和第二传感器的另一侧紧贴钻孔孔壁，激振器的振块与贴壁装置对称设置。

直流电流控制器向激振器提供直流电，交流信号发生装置向激振器提供交流电，激振器在直流电和交流电作用下周期性水平激振钻孔孔壁产生地层剪切波。

第一传感器实时接收地层剪切波信号生成第一地层剪切波信号，第二传感器实时接收地层剪切波信号生成第二地层剪切波信号。

波速测试仪器接收第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号，并根据第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号，计算得到地层剪切波波速。

从本实施例提供的地层剪切波测试方法可知，本实施例能够在孔内进行激振，能够解决采用地表瞬态激振当孔深较大或岩土层较硬，地表激振的能量可能无法满足深部测点的测试要求，或者当钻孔位于水域，无法通过地表敲击激发剪切波，导致无法进行剪切波的测试的技术问题。

波速测试仪器根据所述第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号，计算得到地层剪切波波速的计算过程为：

交流信号发生装置为所述激振器第一交流信号，所述交流信号激振频率为 f₁，第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号的相位差为n为剪切波在第一传感器和第二传感器之间传播经历的周期数，则剪切波在第一传感器和第二传感器之间的传播时间为

交流信号发生装置为所述激振器第二交流信号，所述交流信号激发的激振频率为f₂，第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号的相位差为则剪切波在第一传感器和第二传感器之间的传播时间为

根据公式(1)和(2)，得到

将公式(3)代入公式得到

式中，L为第一传感器和第二传感器的距离。

参考图3，图3为本实用新型实施例提供的第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号的曲线图示意图。

第一传感器9、第二传感器10接收到的地层振动信号如图3所示，由于剪切波由激振器6激发后，向下传播，先到达第一传感器9，再经过Δt时间到达第二传感器10，因此波速测试仪每一次采样时，第二传感器10采到的振动波形是第一传感器9Δt之前的振动波形，剪切波在两个传感器之间的传播时间可以用下式表示为：

其中，T₁为交流信号激发的激振周期，t1为第一传感器接收到某一地层剪切波信号的时间，t2为第二传感器接收到同一地层剪切波信号的时间。

第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号的相位差为

其中，t2、t3为第一地层剪切波信号和第二地层剪切波信号相邻波峰或波谷的时间差

公式(2)和的计算过程，与公式(5)和(6)的原理相同，这里不再赘述。

所述激振器包括激振器壳体、振动头、激励体和贴壁装置；所述振动头与所述直流电流控制器电连接，所述激励体与所述交流信号发生装置电连接，所述振动头与所述激励体通过弹簧连接，所述振动头与所述激励体设置在所述激振器壳体内，所述振动头的端部设置有位于所述激振器壳体外部的振块；所述振动头包括第一铁心和第一电磁线圈，所述第一铁心位于所述第一电磁线圈内部，所述直流电流控制器与所述第一电磁线圈电连接；所述激励体包括第二铁芯、第二电磁线圈，所述第二铁芯位于所述第二电磁线圈内部，所述交流信号发生装置与所述第二电磁线圈电连接；所述方法包括：

向第一电磁线圈提供直流电，使得第一铁心两端产生方向固定的第一磁场。

交流信号发生装置向第二电磁线圈提供交流电，使得第二铁芯两端产生方向周期交变的第二磁场。

振动头在第一磁场和第二磁场的作用下周期往复运动。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，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从上到下依次放置在钻孔内的激振器、第一传感器、第二传感器；

所述交流信号发生装置与所述激振器电连接，所述直流电流控制器与所述激振器电连接；

所述贴壁装置控制器分别与所述激振器、第一传感器和第二传感器电连接，控制所述激振器、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；

所述波速测试仪分别与所述第一传感器、第二传感器电连接。

2.如权利要求1所述的孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，所述激振器包括激振器壳体、振动头、激励体和贴壁装置；

所述振动头与所述直流电流控制器电连接，所述激励体与所述交流信号发生装置电连接，所述激励体固定在所述激振器壳体上，所述振动头与所述激励体通过弹簧连接，所述振动头的端部设置有位于所述激振器壳体外部的振块；所述贴壁装置设置在激振器壳体的两端。

3.如权利要求2所述的孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，

所述振动头包括第一铁心和第一电磁线圈，所述第一铁心位于所述第一电磁线圈内部，所述直流电流控制器与所述第一电磁线圈电连接，用于向所述第一电磁线圈提供直流电。

4.如权利要求3所述的孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，

所述激励体包括第二铁芯、第二电磁线圈，所述第二铁芯位于所述第二电磁线圈内部，所述交流信号发生装置与所述第二电磁线圈电连接，用于向所述第二电磁线圈提供交流电。

5.如权利要求2所述的孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，

所述贴壁装置包括两个对称设置在所述激振器壳体端部的贴壁机构，所述贴壁机构包括电动推杆、复位弹簧、撑壁杆；

所述电动推杆设置在所述激振器壳体上，所述撑壁杆通过中部设置的支撑点可转动的固定在所述激振器壳体的侧壁上，所述撑壁杆的一端与所述电动推杆连接，所述撑壁杆的另一端与所述激振器壳体通过所述复位弹簧连接，所述电动推杆与所述贴壁装置控制器电连接。

6.如权利要求1所述的孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，所述交流信号发生装置包括交流信号发生器和功率放大器；所述功率放大器分别与所述激振器和所述交流信号发生器电连接。

7.如权利要求1所述的孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，所有的电连接为通过多芯屏蔽电缆连接。

8.如权利要求4所述的孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，所述第二铁芯为硅钢片铁芯，所述第二电磁线圈为漆包线电磁线圈。

9.如权利要求1～8任一项所述的孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器均为检波器。

10.如权利要求1～8任一项所述的孔内稳态激振剪切波测试系统，其特征在于，所述波速测试仪与所述激振器电连接。