[发明专利]一种土层剪切波测试装置及其方法

说明书

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。

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，