贯入式土层原位弹性波测试装置

摘要

本发明公开了一种贯入式土层原位弹性波测试装置。其包括连接杆、弹性波阻尼块、两个辐射体、两个外壳、两个压电陶瓷环状振子、锥状贯入头、探头连接部和两根信号线。本发明提供的贯入式土层原位弹性波测试装置可以省去已有技术的钻孔步骤，因此能够大大降低测试费用。同时，本装置中设有两个相隔距离较近的压电陶瓷环状振子，采用比原位激振高至少两个数量级的测试频率，能够大大提高地基勘查时土层弹性波速测试的精度及速度，因此能够获得连续的土层弹性波速随深度变化规律。此外该装置可以同时测试横波与纵波波速并可以与静力触探结合起来，因此便于多种土性指标的平行测试与相互比较。

权利要求

1.一种贯入式土层原位弹性波测试装置，其特征在于：所述的贯入式土层原位弹性波测试装置包括连接杆(5)、弹性波阻尼块(3)、两个辐射体(2)、两个外壳(4)、两个压电陶瓷环状振子(1)、锥状贯入头(7)、探头连接部(8)和两根信号线(9)；其中连接杆(5)的中心部位形成有一个用于引出信号线(9)的中心孔(10)；弹性波阻尼块(3)呈筒状，并且套在连接杆(5)的外部圆周中间部位；两个辐射体(2)均呈环状，并且分别紧贴在弹性波阻尼块(3)的两端面而套在连接杆(5)的外部圆周上；两个外壳(4)的一端分别连接在两个辐射体(2)的外端面边缘部位；两个压电陶瓷环状振子(1)分别紧贴在两个辐射体(2)的外端面而套在连接杆(5)的外部圆周上，并且位于外壳(4)的内部空间中；锥状贯入头(7)上与锥尖相对的内端面中心部位凹陷形成有一个用于插入连接杆(5)一端的螺栓孔(11)，而边缘部位则与一个外壳(4)的外端相连；探头连接部(8)呈圆柱体形，其内端面中心部位凹陷形成有一个用于插入连接杆(5)另一端的螺栓孔(12)，并且探头连接部(8)的中心部位贯通形成有一个与螺栓孔(12)相连通的用于引出信号线(9)的引线孔(13)，而该端面的边缘部位则与另一个外壳(4)的外端相接；每个压电陶瓷环状振子(1)的两端面上分别镀有电极，两个电极分别连接同一根信号线(9)的芯线与屏蔽层，而信号线(9)的另一端则依次通过连接杆(5)的中心孔(10)以及探头连接部(8)上的引线孔(13)引至外部而与信号接收装置相连；所述的锥状贯入头(7)上的内端面与其相近的压电陶瓷环状振子(1)相隔间距设置，由此形成密封腔(6)，从而为压电陶瓷环状振子(1)提供防潮、绝缘环境；所述的探头连接部(8)上的内端面与其相近的压电陶瓷环状振子(1)相隔间距设置，由此形成密封腔(14)，从而为压电陶瓷环状振子(1)提供防潮、绝缘环境；所述的弹性波阻尼块(3)、辐射体(2)、外壳(4)、锥状贯入头(7)和探头连接部(8)的外部直径相同。

2.根据权利要求1所述的贯入式土层原位弹性波测试装置，其特征在于：所述的连接杆(5)的外圆周面上还套有绝缘管。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程勘查技术领域，特别是涉及一种贯入式土层原位弹性波测试装置。

背景技术

土层的弹性波速广泛应用于场地土分类、地震区划中地基土分类、建筑抗震地基设计及震动分析，因此在工程建设中，场地或地基土层的弹性波速测试是一项很重要的基础性工作。目前原位测试土层弹性波速主要包括检层法和跨孔法两种方法。其中检层法需要首先在土层中钻孔，然后将检波器置于待测土层的深度，之后在地面上采用叩板法激振或孔内激振，从而测得检波器以上土层的平均弹性波速。跨孔法需要在土层中同时平行钻两个孔，一孔作为振源孔而放置振源，另一孔作为测试孔而放置检波器，从而测得振源与检波器之间土层的弹性波速。这两种方法均为目前《岩土工程勘查规范》(GB50021-2001)中所规定的测试方法。
但是，以上两种方法存在下列问题：首先测试前需要在土层中钻孔，因此费用高、测试速度慢；此外，需要借助气囊或水囊的压力才能使检波器上的探头与孔壁相接触，因此操作费时费力且耦合效果较差；另外，受检波器分辨率的限制，测试间距不可能很小，例如检层法测试点竖向间距最小为1m，因此仅能测试某厚度范围内的土层平均波速，所以仅具有统计平均的意义，不可能做到连续、精确测试。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种测试过程中不需要钻孔、测试速度快、耦合效果好，并且可以实现土层弹性波速连续、精确测试的贯入式土层原位弹性波测试装置。
为了达到上述目的，本发明提供的贯入式土层原位弹性波测试装置包括连接杆、弹性波阻尼块、两个辐射体、两个外壳、两个压电陶瓷环状振子、锥状贯入头、探头连接部和两根信号线；其中连接杆的中心部位形成有一个用于引出信号线的中心孔；弹性波阻尼块呈筒状，并且套在连接杆的外部圆周中间部位；两个辐射体均呈环状，并且分别紧贴在弹性波阻尼块的两端面而套在连接杆的外部圆周上；两个外壳的一端分别连接在两个辐射体的外端面边缘部位；两个压电陶瓷环状振子分别紧贴在两个辐射体的外端面而套在连接杆的外部圆周上，并且位于外壳的内部空间中；锥状贯入头上与锥尖相对的内端面中心部位凹陷形成有一个用于插入连接杆一端的螺栓孔，而边缘部位则与一个外壳的外端相连；探头连接部呈圆柱体形，其内端面中心部位凹陷形成有一个用于插入连接杆另一端的螺栓孔，并且探头连接部的中心部位贯通形成有一个与螺栓孔相连通的用于引出信号线的引线孔，而该端面的边缘部位则与另一个外壳的外端相接；每个压电陶瓷环状振子的两端面上分别镀有电极，两个电极分别连接同一根信号线的芯线与屏蔽层，而信号线的另一端则依次通过连接杆的中心孔以及探头连接部上的引线孔引至外部而与信号接收装置相连。
所述的锥状贯入头上的内端面与其相近的压电陶瓷环状振子相隔间距设置，由此形成密封腔，从而为压电陶瓷环状振子提供防潮、绝缘环境。
所述的探头连接部上的内端面与其相近的压电陶瓷环状振子相隔间距设置，由此形成密封腔，从而为压电陶瓷环状振子提供防潮、绝缘环境。
所述的弹性波阻尼块、辐射体、外壳、锥状贯入头和探头连接部的外部直径相同。
所述的连接杆的外圆周面上还套有绝缘管。
本发明提供的贯入式土层原位弹性波测试装置可以省去已有技术的钻孔步骤，因此能够大大降低测试费用。同时，本装置中设有两个相隔距离较近的压电陶瓷环状振子，采用比原位激振高至少两个数量级的测试频率，能够大大提高地基勘查时土层弹性波速测试的精度及速度，因此能够获得连续的土层弹性波速随深度变化规律。此外该装置可以同时测试横波与纵波波速并可以与静力触探结合起来，因此便于多种土性指标的平行测试与相互比较。

附图说明

图1为本发明提供的贯入式土层原位弹性波测试装置纵向结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的贯入式土层原位弹性波测试装置进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的贯入式土层原位弹性波测试装置包括连接杆5、弹性波阻尼块3、两个辐射体2、两个外壳4、两个压电陶瓷环状振子1、锥状贯入头7、探头连接部8和两根信号线9；其中连接杆5的中心部位形成有一个用于引出信号线9的中心孔10；弹性波阻尼块3呈筒状，并且套在连接杆5的外部圆周中间部位；两个辐射体2均呈环状，并且分别紧贴在弹性波阻尼块3的两端面而套在连接杆5的外部圆周上；两个外壳4的一端分别连接在两个辐射体2的外端面边缘部位；两个压电陶瓷环状振子1分别紧贴在两个辐射体2的外端面而套在连接杆5的外部圆周上，并且位于外壳4的内部空间中；锥状贯入头7上与锥尖相对的内端面中心部位凹陷形成有一个用于插入连接杆5一端的螺栓孔11，而边缘部位则与一个外壳4的外端相连；探头连接部8呈圆柱体形，其内端面中心部位凹陷形成有一个用于插入连接杆5另一端的螺栓孔12，并且探头连接部8的中心部位贯通形成有一个与螺栓孔12相连通的用于引出信号线9的引线孔13，而该端面的边缘部位则与另一个外壳4的外端相接；每个压电陶瓷环状振子1的两端面上分别镀有电极，两个电极分别连接同一根信号线9的芯线与屏蔽层，而信号线9的另一端则依次通过连接杆5的中心孔10以及探头连接部8上的引线孔13引至外部而与信号接收装置相连。
所述的锥状贯入头7上的内端面与其相近的压电陶瓷环状振子1相隔间距设置，由此形成密封腔6，从而为压电陶瓷环状振子1提供防潮、绝缘环境。
所述的探头连接部8上的内端面与其相近的压电陶瓷环状振子1相隔间距设置，由此形成密封腔14，从而为压电陶瓷环状振子1提供防潮、绝缘环境。
所述的弹性波阻尼块3、辐射体2、外壳4、锥状贯入头7和探头连接部8的外部直径相同。
所述的连接杆5的外圆周面上还套有绝缘管。
组装本发明提供的贯入式土层原位弹性波测试装置时，首先在每个压电陶瓷环状振子1的两端面上焊接上电极，同时引出信号线9，然后将两个压电陶瓷环状振子1分别粘贴在两个由铝合金或有机玻璃制成的辐射体2上。之后将信号线9通过连接杆5上的中心孔10穿出，在连接杆5的外圆周面上套上绝缘管，然后将由特种橡胶材料制成的筒状弹性波阻尼块3套在连接杆5的外部圆周中间部位，之后在连接杆5两端分别套入两个辐射体2及两个压电陶瓷环状振子1。然后将两个由不锈钢材料制成的外壳4的一端分别连接在两个辐射体2的外端面边缘部位，最后将从连接杆5上中心孔10穿出的两根信号线9从探头连接部8上的引线孔13引至外部而与信号接收装置相连，再将锥状贯入头7与探头连接部8分别连接在连接杆5两端即可完成整个组装过程。
当需要利用本发明提供的贯入式土层原位弹性波测试装置进行土层的弹性波速测试时，首先根据待测土层的深度在探头连接部8上连接好一根或多根探杆，然后使锥状贯入头7上的锥尖朝下，之后利用外力将整个贯入式土层原位弹性波测试装置贯入土层中，直至达到所需的深度。然后通过信号线9给一个压电陶瓷环状振子1施加一脉冲电压，以使压电陶瓷环状振子1发生厚度或扭剪振动。此振动能量将以弹性波的形式向与之相连的辐射体2中传播，弹性波阻尼块3能够阻止此弹性波的传播。由于辐射体2与周围土层能够紧密接触，因此弹性波只能进入周围土层。另外，由于压电陶瓷环状振子1与土层联系的唯一部件为辐射体2，因此进入土层的弹性波只能经过最短路径通过另一辐射体2被另一压电陶瓷环状振子1接收。该压电陶瓷环状振子1接收到此振动信号后又将之转化为电信号，此电信号再通过信号线9传至信号接收装置。假设从脉冲电压的发出到接收到脉动电信号这段时间为Δt，两个辐射体2之间的净距离为L，则土层的弹性波速为L/Δt。