专利名称：用于土壤的静动态特性测量的联合探针及相应的地震模块的制作方法
技术领域：
本公开涉及用于土壤的静动态特性测量的联合地震探针及相应的地震模块。
背景技术：
美国专利第4，043，186号公开了一种通常称作为扁铲侧胀仪的已知探针1，该探 针1用于原位测量土壤层变形模量。图1中示出该探针1包括膨胀计铲2，该膨胀计铲2内 部具有压力室，该压力室经由通过薄的圆形可膨胀的钢制膜3密封的开口与外部连通，钢 制膜平齐安装在铲的一个面上(或者装配有两个膜，铲的每个面有一个)。通过连接在铲 2上面的推杆4使探针竖直地强制进入土地里。膨胀计铲2还包括用作响应所述金属膜的 运动的电触点。铲2通过内部接有导线的气体导管5、6连接到地表，内部接有导线的气体 导管5、6包括含有单根导线6的气体导管5，例如塑料管，在推杆4内部延伸。气体导管5 在土壤表面连接到外部电路，外部电路包括用于将压缩气体引导到腔膨胀计铲2或从腔膨 胀计铲2排出的单元，而单根导线6允许从铲2到外部电路的电连接。铲2停止在选定的 深度且膜3由进给到铲2的气体压力膨胀。在每个深度，用户测定为引起膜开始升起的压 力的压力Po，然后测定为使膜产生通常为1. 1mm的中心偏移的预定量的压力的压力P1。必 须获取Po和P1的时刻通过由像普通的电开关那样工作的膜的位置确定的电路的打开或闭 合来信号通知。开关的两极通过气体导管内部的通电的导线连接到地表和电接地，即推杆。 在地表，电池和蜂鸣器(当电路闭合时，发出声音)使电路完善。两个压力Po和P1随后被 解释以推导土壤参数。在近几十年，已知的扁铲侧胀仪探针已经被越来越多地使用。然而，扁铲侧胀仪仅 仅测定静态的土壤参数，而现今，还存在对地震参数、具体对横波速度Vs及对初始剪切模 量Go (从Vs导出)的逐渐增长的兴趣。目前可获得用于测定Vs分布的各种方法。在这些方法中，经常使用的方法为在专 门制造的专用钻孔中施行的跨孔和潜孔方法。然而，这些方法需要额外的场地作业，因此与 只从利用同一探针的一次探测获得静态参数和地震参数的情形相比，总成本和时间基本上较高。这就是为什么过去施行的研究(H印ton "Shear Wave VelocityMeasurements during Penetration Testing，，，Proc. Penetration Testing in theUK, ICE1988, pages 275-278 禾口 G.Martin and P.Mayne "Seismic FlatDilatometer Tests in Piedmont Residual Soils"Geotechnical SiteCharacterization 1998 Balkerna,Rotterdam)努力 致力于使扁铲侧胀仪和用于同时获得静态参数和地震参数的地震模块相结合的原因。图2示出了配备有地震模块7的已知的实验复合探针。地震模块7包括连接在膨 胀计铲2的上面的管状元件4a，例如钢管。在该管状元件4a的内部，典型间隔0. 5m或lm 设置两个接收器8、9，例如地震检波器或加速度计。每个接收器8、9通过各自的导线10、11连接到地表。这些导线10、11中的每一个 在推杆4内部平行于内部接有导线的气体导管5、6延伸。内部接有导线的气体导管5、6和波震图导线10、11都到达地表并连接到外部电路。通过连接在地震模块7的管状元件4a上面的推杆4使由地震模块7和膨胀计铲2 形成的复合探针12竖直地强制进入土壤。探针12停止在想要的深度，且操作者能如上所 述的执行静态土壤参数测量或能执行Vs测量。在必须施行Vs测量的深度，探针12停止并通过经常为水平敲击平行六面体铁砧 的摆锤打桩机的源在地表产生地震波W。地震波W向下传播并首先到达上部接收器8，然后 到达下部接收器9。第一波震图和第二波震图间的延迟通常利用已知的互相关算法测定。一旦知道了延迟，作为容易计算出的地表的源和两个接收器之间的距离的差值与 所述的延迟之间的比率获得横波速度Vs。Vs随后可通过利用弹性公式Go = pVS2的原理 转换成初始土壤剪切模量Go。当联合探针12用于静态测量时，扁铲侧胀仪如前所述地工作且通过其内部接有 导线的气体导管5、6连接到地表。地震模块7经由导线11、10以模拟的形式将通过两个接收器8、9产生的电的波震 图传递到地表。波震图在地表通过示波器分析以确定延迟。这样的联合探针12已经产生出令人感兴趣的研究结果。具体来说获得的研究结 果已经成为目的在于结合低应力剪切模量(来自地震测试)和工作模量(来自扁铲侧胀 仪)用于定义模量与应力的关系的衰减曲线的研究的出发点，所述曲线对于执行土壤在负 载下变形的非线性分析是必要的。然而，对于在土壤研究领域中工业化使用的已知的联合探针12具有许多严重的 实质上的缺陷。一个不方便之处在于以模拟形式传递波震图的导线10、11起到了天线的作用并 聚集由于运输、马达、电线、通讯线等等的电干扰。此不方便之处在大深度处尤其严重，在那 里，由于远离能量源波震图弱且电噪声能妨碍信号在导线10、11上传递。更严重的实质上的不方便之处是多个电缆的存在。超过一个电缆的存在，具体是 内部接有导线的气体导管5、6和导线10、11中的任何一个的存在，使现场检测非常复杂，这 对于有经验的操作者来说是众所周知的。电缆5、6、10、11必须贯穿推杆4的内部并经常被 操作。混淆和混合两个(或更多个)电缆的风险高，导致相当慢地运行和相当高的总成本。在土地中的深入研究的情形中，几个电缆5、6、10、11必须顺次连接以获得必要的 长度。接头变得很多且多个气动接头和电动接头非常复杂及庞大。在对于工业非常重要的近海研究的特殊情形中，多样性的导线或电缆的使用事实 上不可能。实际上，在许多近海构造中，连接到内部接有导线的气体导管5、6的膨胀计铲2 通过绳索悬挂，利用单电缆或导管更难处理，这是因为悬挂的膨胀计铲2能旋转，因此使内 部接有导线的气体导管5、6扭曲，而绳索和内部接有导线的气体导管5、6必须互相独立地 纵向自由滑动，以使膨胀计铲2插入海底的土壤中。众所周知的事实是在许多情形中，操作 者被由导线的存在引起的问题困扰。本发明公开的实施例解决了克服这些不方便之处的问题，具体是多根导线的问题 以及有利地天线效应。
发明内容
此处在第一实施例中公开了一种联合探针，包括膨胀计探针；气体导管，所述气 体导管联接到膨胀计探针用于在膨胀计探针和外部气体源之间提供气体连接；导线，所述 导线位于气体导管中用于在膨胀计探针和外部电路之间提供电连接；以及地震模块，所述 地震模块联接到位于气体导管中以在地震模块和外部电路之间提供电连接的导线。此处在另一个实施例中公开了一种地震模块，包括管状元件；气体导管，所述气 体导管位于管状元件中；以及导线，所述导线位于气体导管中以在地震模块和外部电路之 间提供电连接，其中，导线和气体导管适合于用于联接到膨胀计探针。
当联合附图时，通过参考下面的详细说明，对特征的更完整的理解及其的许多伴 随的优点将易于理解，其中图1示出了根据现有技术的膨胀计探针的示意图；图la示出了图1的膨胀计探针的示意侧视图，其中膜处于非膨胀位置；图lb示出了图1的膨胀计探针的示意侧视图，其中膜处于膨胀位置；图2示出了根据现有技术的联合探针的示意图；图3示出了根据本发明公开的联合探针的示意图；图4示出了根据本发明公开的联合探针的地震模块的实施例的示意图。
具体实施例方式现在参考附图，其中全部几幅附图中同样的附图标记表示相同的或相应的部分， 具体参考图3，联合探针130包括膨胀计探针20，膨胀计探针20内部具有压力室，压力室经 由至少一个通过膜30密封的开口与外部连通，气体能供入及排出压力室以引起膜运动。举 例来说，气体能为空气或氮气。联合探针130还包括内部具有导线的气体导管(50、60)，该气体导管在膨胀计探 针到外部电路(未示出)之间提供电连接和气动连接。具体来说，内部接有导线的气体导 管包括含有导线60的气体导管50，例如塑料管。气体导管50允许压缩气体从在土壤表面 上的外部电路流到膨胀计探针20，而例如单根导线的导线60允许在膨胀计探针20和外部 电路之间交换电信号。联合探针130包括地震模块70，地震模块70包括能连接到膨胀计探针20的管状 元件41，例如刚性管状元件41。有利地，刚性管状元件41为钢管。至少地震换能器元件 80、90、连接到接收器80、90的电子板100固定在管状元件41内部。内部接有导线的气体 导管(50、60)在到达外部电路之前插入管状元件41。电子板100包括发射器110，发射器110用以在电子板100和外部电路之间交换电信号。在一个实施例中，发射器110联接到导线60以与地震模块70的外部交换信号。利用联合探针130，施行利用膨胀计探针20的土壤参数的静态测量和利用来源于 地震换能器元件80、90的信号的土壤参数的动态/地震测量都是可能的。具体来说，膨胀计探针20和地震模块70都使用内部接有导线的气体导管(50、60) 以与联合探针130的外部交换信息。
有利地，膨胀计探针20或地震模块70与外部电路之间的唯一连接由内部接有导 线的气体导管(50、60)组成，因此，避免在现场操作中由多个电缆的存在引起的问题。为了获得土壤参数的更详细的动态测量，在地震模块70中能够设置第二地震换 能器元件80、90。地震换能器元件80、90为典型地间隔0. 5m或lm的接收器，例如地震检波 器或加速度计。有利地，通过连接在刚性管状元件41上面的推杆40使地震模块70和膨胀计探针 20竖直地强制进入土壤。在一个实施例中，电子板100还包括-接收器，所述接收器接收来源于地震换能器元件的信号，以及-模拟/数字转换器，所述模拟/数字转换器用于将来自于地震换能器元件80、90 的模拟信号放大并变换成数字信号。在图3中示出的实施例中，发射器110是非接触式的并包括例如具有C形轮廓的 磁头，其中，内部接有导线的气体导管(50、60)在磁头的自由臂之间延伸。在图4示出的另一个实施例中，发射器110包括导线111，导线111具有电连接到 电子板100的第一端、电连接到导线60的第二端。导线111的第二端位于气动适配器112 中，气动适配器112与内部接有导线的气体导管(50、60)密封闭合。因此，导线111和导线 60之间的连接密封在气动适配器112内部，以允许压缩气体在气体导管(50、60)中流动。换句话说，第二端穿过气动适配器进入内部接有导线的气体导管中使得压缩气体 能在内部接有导线的气体导管(50、60)中自由流动。之后，导体111连接于位于气体导管 50中的导线。有利地，在地震模块70的内部接有导线的气体导管(50、60)的端部设置气密连 接器120，以允许到膨胀计探针20及进一步到膨胀计探针20的内部接有导线的气体导管 (50、60)的连接。同样有利地，地震模块70能包括连接到电子板的地震检波器、加速度计、倾斜计、 摄影机、压力换能器、视觉传感器、化学探测器。电子板100还能由获取单元及处理器形成。例如在图3和4中示出的那些地震模块70包括-地震换能器元件80、90，-获取单元及处理器100，该获取单元及处理器100用于来源于地震换能器元件的 信号，以及-发射器110，该发射器110连接到获取单元和处理器100。 地震模块70适当的含有用于电连接和气动连接的内部接有导线的气体导管(50、 60)，且适当的连接到膨胀计探针20，因此限定了联合探针130。正如前面所描述的，膨胀计 探针20内部具有压力室，该压力室经由至少一个通过膜30密封的开口与外部连通。内部接 有导线的气体导管(50、60)连接到且密封到压力室，而位于内部接有导线的气体导管(50、 60)内的导线60电连接到膨胀计探针20。在地震模块70中，发射器110联接到导线60以允许在获取单元及处理器与地震 模块外部之间交换电信号。例如，联合探针130通过以下方式操作。接收器80、90的输出不是如在现有技术 中那样的被直接发送到地表，而是被发送到地震模块70内部的电子板100。电子板100处理所述信号，例如电子板100放大所述信号并使所述信号数字化。然后，不是利用附加导线 将信号传递到地表，而是经由膨胀计探针20所使用的内部导线60将数字化的信号传送到 地表。数字化的信号由地表单元解码并分析以确定延迟，由此计算出横波速度。有利地，如果信号以模拟的形式通过导线直接从传感器传递到地表，在深度处的 数字化避免了可能干扰信号的天线效应。由于两个测试在不同时刻执行，内部导线60用于静态和地震测量两者的双重使 用选择地启动膨胀计探针或地震模块是可能的。联合探针130使得联合的工具的使用更简 单经济。有利地，联合探针130能利用相同的内部接有导线的气体导管(50、60)作为膨胀 计探针，这种安排具有许多优点。扁铲侧胀仪探针的使用者不必取得额外的电缆并且制造 者不必制造并贮存不同类型的电缆和接头(从生态学的角度也有益)。有利地，利用联合探针130，检测到的信号能经由相同的内部导线60数位传递，即 使这些信号由包括在地震模块70中的其它传感器产生。如果地震模块70是可拆装的，只有一个内部接有导线的气体导管(50、60)的存在 允许非常快速地拆卸联合探针130。因此，如果仅仅必须执行静态测量，膨胀计探针和地震 模块能被快速地分离，且膨胀计探针被用于通常的非地震模式中。复合探针的模块化意味着，希望还执行地震测量的例如在美国专利4，043，186中 所描述的扁铲侧胀仪探针的拥有者不需要完全新的探针，仅仅需要附加本发明公开的地震 模块70以升级他们的扁铲侧胀仪探针。
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权利要求
一种联合探针，包括膨胀计探针；气体导管，所述气体导管联接到所述膨胀计探针，用于在所述膨胀计探针和外部气体源之间提供气体连接；导线，所述导线位于所述气体导管中，用于在所述膨胀计探针和外部电路之间提供电连接；以及地震模块，所述地震模块联接到位于所述气体导管中的所述导线，以在所述地震模块和所述外部电路之间提供电连接。
2.根据权利要求1所述的联合探针，其中，所述膨胀计探针进一步包括压力室，所述压力室位于所述膨胀计探针的内部，所述压力室经由被膜密封的至少一 个开口与外部连通；并且其中经由所述气体导管提供的气体为压缩气体以使得所述膜移动。
3.根据权利要求1所述的联合探针，其中，所述地震模块进一步包括 至少一个地震换能器元件；获取单元，所述获取单元联接到所述地震换能器元件，用于从所述地震换能器元件获 取信号；以及处理器，所述处理器联接到所述获取单元，用于处理从所述地震换能器元件获取的信号。
4.根据权利要求1所述的联合探针，其中，所述地震模块进一步包括发射器，所述发射器联接到所述地震模块和所述导线，用于在所述地震模块和所述外 部电路之间交换电信号。
5.根据权利要求1所述的联合探针，其中，位于所述气体导管中的所述导线为单根导线。
6.根据权利要求1所述的联合探针，其中，所述气体导管位于设置有所述地震模块的 管状元件内。
7.根据权利要求3所述的联合探针，其中，所述气体导管位于设置有所述地震换能器 元件、所述获取单元及所述处理器的管状元件内。
8.根据权利要求3所述的联合探针，其中，所述获取单元和所述处理器在电子板上。
9.根据权利要求3所述的联合探针，其中，所述获取单元包括接收器，所述接收器接收来源于所述地震换能器元件的模拟信号；以及 模拟/数字转换器，所述模拟/数字转换器用于把来自于所述地震换能器元件的所述 模拟信号放大并变换成数字信号。
10.根据权利要求4所述的联合探针，其中，联接到所述导线用于在所述地震模块和所 述外部电路之间交换电信号的所述发射器包括非接触电连接。
11.根据权利要求10所述的联合探针，其中，所述非接触电连接包括磁头。
12.根据权利要求11所述的联合探针，其中 所述磁头具有带有两个自由臂的C形轮廓；并且 所述气体导管在所述磁头的所述自由臂之间延伸。
13.根据权利要求4所述的联合探针，其中，所述发射器包括第一端，所述第一端电联接到所述地震模块；以及 第二端，所述第二端电联接到位于所述气体导管中的所述导线； 其中，所述第二端通过气动适配器进入所述气体导管，所述气动适配器被密封以使得 气体能在所述气体导管中自由地流到所述膨胀计探针。
14.根据权利要求1所述的联合探针，其中，所述地震模块包括地震检波器、加速度计、 倾斜计、摄像机、压力换能器、视觉传感器、以及化学探测器。
15.根据权利要求1所述的联合探针，其中所述导线为所述地震模块和所述外部电路之间的唯一的电连接；并且 所述导线为所述膨胀计探针和所述外部电路之间的唯一的电连接。
16.一种地震模块，包括 管状元件；位于所述管状元件内的气体导管；以及导线，所述导线位于所述气体导管中，以在所述地震模块和外部电路之间提供电连接；其中，所述导线和所述气体导管适于联接到膨胀计探针。
17.根据权利要求16所述的地震模块，进一步包括 位于所述管状元件中的至少一个地震换能器元件；获取单元，所述获取单元联接到所述地震换能器元件，用于从所述地震换能器元件获 取信号，并且所述获取单元位于所述管状元件中；以及处理器，所述处理器联接到所述获取单元，用于处理从所述地震换能器元件获取的信 号，并且所述处理器位于所述管状元件中。
18.根据权利要求16所述的地震模块，进一步包括发射器，所述发射器联接到所述地震模块和所述导线，用于在所述地震模块和所述外 部电路之间交换电信号。
19.根据权利要求16所述的地震模块，其中，位于所述气体导管中的所述导线为单根 导线。
20.根据权利要求17所述的地震模块，其中，所述获取单元和所述处理器在电子板上。
21.根据权利要求17所述的地震模块，其中，所述获取单元包括接收器，所述接收器接收来源于所述地震换能器元件的模拟信号；以及 模拟/数字转换器，所述模拟/数字转换器用于把来自于所述地震换能器元件的所述 模拟信号放大并变换成数字信号。
22.根据权利要求18所述的地震模块，其中，联接到所述导线用于在所述地震模块和 所述外部电路之间交换电信号的所述发射器包括非接触电连接。
23.根据权利要求22所述的地震模块，其中，所述非接触电连接包括磁头。
24.根据权利要求23所述的地震模块，其中 所述磁头具有带有两个自由臂的C形轮廓；并且 所述气体导管在所述磁头的所述自由臂之间延伸。
25.根据权利要求18所述的地震模块，其中，所述发射器包括 第一端，所述第一端电联接到所述地震模块；以及第二端，所述第二端电联接到位于所述气体导管中的所述导线； 其中，所述第二端通过气动适配器进入所述气体导管，所述气动适配器被密封以使得 气体能在所述气体导管中自由地流到联接到所述地震模块的膨胀计探针。
26.根据权利要求16所述的地震模块，其中，所述地震模块包括地震检波器、加速度 计、倾斜计、摄像机、压力换能器、视觉传感器、以及化学探测器。
27.根据权利要求16所述的地震模块，其中所述导线为所述地震模块和所述外部电路之间的唯一的电连接；并且 所述导线为所述外部电路和联接到所述地震模块的膨胀计探针之间的唯一的电连接。
28.根据权利要求16所述的地震模块，其中内部接有导线的所述气体导管为所述地震模块和所述外部电路之间的唯一连接；并且 内部接有导线的所述气体导管为所述外部电路和联接到所述地震模块的膨胀计探针 之间的唯一连接。
29.根据权利要求1所述的联合探针，其中内部接有导线的所述气体导管为所述地震模块和所述外部电路之间的唯一连接；并且 内部接有导线的所述气体导管为所述膨胀计探针和所述外部电路之间的唯一连接。
全文摘要
本发明涉及用于土壤的静动态特性测量的联合探针及相应的地震模块，该联合探针包括膨胀计探针；气体导管，所述气体导管联接到膨胀计探针用于在膨胀计探针和外部气体源之间提供气体连接；导线，所述导线位于气体导管中用于在膨胀计探针和外部电路之间提供电连接；以及地震模块，所述地震模块联接到位于气体导管中以在地震模块和外部电路之间提供电连接的导线。本发明解决了多根导线的问题和天线效应。
文档编号E02D1/02GK101852862SQ20091013079
公开日2010年10月6日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者西尔瓦诺·马尔凯蒂, 迭戈·马尔凯蒂 申请人:西尔瓦诺·马尔凯蒂