一种深层土体剪切波速测试装置及方法与流程

本发明属于土体工程性质测试技术领域，具体涉及一种深层土体剪切波速测试装置及方法。

背景技术：

振动横波在土体内部的传播速度称为剪切波速，剪切波速可以进一步根据弹性理论计算出土的小应变剪切模量gmax，从而评价土体的小应变动力学特征。由于小应变剪切模量gmax是土体的基本力学参数之一，是土体动力学评价中不可或缺的内容。因此，利用剪切波速测试对gmax进行表征显得尤为重要。常用的剪切波速测试方法是将弯曲元插入土中来测量土体的剪切波速，具有无需人工震源，对土体扰动小等特点。然而该方法仅适用于室内试验和原位试验的表层土检测，如果想要对深层土体进行波速检测，必须先取样制作试件。然而取样过程必然会带来土体应力的释放以及结构性的扰动，使得波速的检测结果失真。

近几年国内外已经出现了一些可以实现深层土体原位波速检测的装置，但大都存在测试装置截面积较大、对土体扰动较大的缺点。也有的为了降低装置横截面积而采用尺寸很小的弯曲元，使得激发和接收效果不明显，检测效果较差。

技术实现要素：

本发明提供了一种深层土体剪切波速测试装置及方法，所述装置能够在深入土体后再展开弯曲元，能够在保证弯曲元良好激发和接收效果的同时最大限度地减小测试装置的横截面积，从而减少装置对土体的扰动。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了以下技术方案：

一种深层土体剪切波速测试装置，包括桩身，所述桩身内部竖向设有两个相互平行的竖直腔体，其中一个腔体上端开口，用于容纳主动顶杆，另一个腔体位于桩身的下部，用于容纳从动顶杆；两个腔体之间设有第一连通腔，其中设有齿轮，该齿轮与桩身轴连接；所述主动顶杆的下部和从动顶杆的上部均设有一段齿条，能够与所述齿轮相啮合；

所述桩身下部位于主动顶杆的同侧设有腔体，所述腔体侧面开口，用于容纳导向机构，所述导向机构的一端设有弯曲元传感器，另一端与桩身轴连接，中部通过外撑顶杆与从动拉杆连接；

初始状态下，从动顶杆下端面位于腔体底部，导向机构收纳于该腔体内。

一个或多个实施例提供了以下一种基于所述测试装置的深层土体剪切波速测试方法，包括：

确定测试点位，并将目标点位上部土层整平；

确定测试深度，并依据测试深度在测试装置上做好标记，测试装置桩身侧面开口的上沿到标记处的距离即为目标深度；

根据所采用的激发频率和土质情况确定对称布置的两个测试装置的间距；

使用动力设备将两个测试装置按照目标点位和间距竖直压入同一目标深度处，两个装置的桩身侧面开口相对；

将两个测试装置的主动顶杆下压至最大位移距离，使弯曲元传感器弹出；

在弯曲元激发端输入特定频率的电信号激发剪切波，同时记录接收端接收到的波形，利用时域初达波法得到波在土中传递的时间,并进一步计算剪切波速。

以上一个或多个技术方案具有以下技术效果：

测试装置采用弯曲元来检测土体的剪切波速，弯曲元对土体的损伤极小，检测结果准确度高。

测试装置通过上述主动顶杆、从动顶杆以及装载弯曲元传感器的导向机构的结构设计，使得弯曲元在到达预定深度处再展开并伸入土中，对土体的原位波速进行检测，便于减小桩体截面积，从而减少扰动，保证了土体的原状特征。

由于弯曲元弹出系统采用了折叠和弹出式设计，保证了能够使用尺寸尽可能大的弯曲元，使得弯曲元传感器与土体实际接触的有效面积较大，剪切波激发和接收作用更为明显，产生的波形更为显著，便于传播时间的判断和波速的确定；

所述剪切波速测试装置为全深度测试装置，不仅能够对表层土体进行检测，还能实现不开挖上覆土层直接对深层土体进行检测的目的，避免深层原状土内部应力的释放，检测结果更加准确。

基于上述测试装置的检测方法将一对测试装置垂直压入土中目标深度处，避免了取土制样带来的应力释放和扰动，桩体对称布置，便于波速测量；且施工简单高效，配套的计算理论准确可靠，可以广泛地适用于各种路基地基的波速检测工作。

附图说明

图1为本发明实施例中的弯曲元未展开时的装置竖向剖面图；

图2为本发明实施例中的桩身轴测图；

图3为本发明实施例中的动力传输系统细节放大图；

图4为本发明实施例中的弯曲元展开系统展开并弹出时的轴测图；

图5为本发明实施例中的导向机构的爆炸图；

图6为本发明实施例中的弯曲元展开系统中多层挡土外壳的展开原理图；

图7为本发明实施例中的弯曲元弹出顶块轴测图；

图8为本发明实施例中的弯曲元弹出顶块下压过程图；

图9为本发明实施例中的主动顶杆脱离齿轮、触发锁止结构时的装置竖向剖面图；

图10为本发明实施例中的主动顶杆接触弯曲元弹出顶块时的装置竖向剖面图；

图11为本发明实施例中的弯曲元片弹出后的装置竖向剖面图；

其中，1.桩身，2.动力传输系统，3.弯曲元展开系统，4.弯曲元弹出顶块，5.主动顶杆压入口，6.弯曲元弹出口，7.纵向导管，8.主动顶杆，9.齿轮，10.从动拉杆，11.锁止结构，12.弹簧，13.锯齿，14.镂空区，15.外撑顶杆，16.导向机构，17.导杆，18.横梁，19.第一挡土外壳，20.第二挡土外壳，21.第三挡土外壳，22.第四挡土外壳，23.弯曲元片，24.同轴电缆，25.弯曲元固定滑块，26.弹簧，27.凸起，28.弧形轨道，29.弯曲元弹出顶块，30.z型槽，31.弹簧。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本实施例提供了一种深层土体剪切波速测试装置，如图1-2所示，包括桩身1，所述桩身1内设有动力传输系统、弯曲元展开系统和弯曲元弹出顶块。

所述桩身1用来容纳其内部的各个机械结构，将各个部件送入土中。同时起到固定零件中轴、限制零件位移和提供复位反力的作用，保证各零件按照预定的方式运动，从而达到预期的功能。

如图2所示，所述桩身1总体呈截面为矩形的柱形，其底端为锥形，便于压入土中；在其顶面预留主动顶杆压入口5，便于下压主动顶杆；在其下部侧面开有弯曲元弹出口6，便于弯曲元弹出；桩身内部设有纵向导管7，供弯曲元的同轴电缆穿过。桩身材料为高强度的硬质合金，自身刚度大，表面光滑，具有不易磨损变形的特点。

所述桩身内部竖向设有用于容纳主动顶杆8和从动拉杆10的两个腔体，分别记为主动顶杆腔体和从动拉杆腔体，所述两个腔体相互平行，且从动拉杆腔体位于柱身的下方。并且，所述主动顶杆腔体上端开口，即主动顶杆压入口，用于将主动顶杆插入主动顶杆腔体并下压。所述主动顶杆腔体一侧设有一段连通腔体，其中内置弹簧，所述弹簧下部与该连通腔体下端面连接，主动顶杆朝向该连通腔体的一侧设有一凸起，该凸起与弹簧的上部连接。主动顶杆下压时需克服该弹簧的弹力。

所述主动顶杆8的下部和从动拉杆10的上部相对的一侧分别设有一段齿条。如图3所示，所述主动顶杆腔体和从动拉杆腔体之间还有第一连通腔，用于容纳齿轮，所述的齿轮被中轴固定在桩身上，可以绕轴转动。所述齿轮分别与的主动顶杆和从动拉杆上的齿条相啮合。

所述从动拉杆腔体深度大于从动拉杆长度，其中设有从动拉杆和第一弹簧，且第一弹簧设于从动拉杆上方，初始状态下，第一弹簧使得从动拉杆下端位于从动拉杆腔体下端。

所述主动顶杆腔体和从动拉杆腔体之间还设有第二连通腔，用于容纳锁止结构，该第二连通腔位于第一连通腔下方。所述锁止结构11包括第二弹簧和l形锁止件，所述l形锁止件包括一个短边和一个长边，拐角处通过中轴固定在连通腔靠近主动顶杆腔体的一侧，且能够绕中轴旋转。初始状态下，短边和长边在重力作用下自然下垂，此时，短边伸入主动顶杆腔体内。所述第二连通腔上端面连接弹簧，保证在初始状态下短边能够伸入主动顶杆腔内，并且在动力撤去之后将主动顶杆、从动拉杆和锁止结构弹回原处，便于下一次使用。所述主动顶杆腔体和从动拉杆之间两个连通腔之间的距离与主动顶杆上齿条的长度相适应，长边长度能够保证其在水平状态时抵住从动拉杆，所述锁止结构11可以在主动顶杆8的压力下旋转并卡住从动拉杆，使得主动顶杆的锯齿与齿轮脱离之后仍然保持从动拉杆不动，起到锁止从动拉杆的作用。

主动顶杆8、齿轮9、从动拉杆10、锁止结构11及第一弹簧组成动力传输系统，用于传输动力，主动顶杆8下压时，通过齿轮带动从动拉杆10向上运动，并压缩第一弹簧。

所述桩身下方，与主动顶杆腔体同侧的内部设有用于容纳弯曲元展开系统的腔体，且，该腔体侧面开口，即弯曲元弹出口。

如图4所示，所述弯曲元展开系统包括导向机构16，所述导向机构16的一个端部设有弯曲元传感器，另一端与桩身轴连接，使得导向机构能够绕轴旋转，中部与外撑顶杆15的一端铰接，外撑顶杆15的另一端与从动拉杆10的底部铰接。初始状态下，从动顶杆10位于从动顶杆腔的底部时，导向机构16完全位于桩身内部。当主动顶杆8下压带动从动顶杆10向上运动时，外撑顶杆15随之向外撑开，与竖直向的角度逐渐变大，从而将导向机构撑出桩体，直至导向机构16处于水平状态。

进一步地，为了防止弯曲元在地下展开时砂砾进入，所述导向机构16外侧包括依次叠加嵌套的多层挡土外壳，且均与导向机构共轴。本实施例中，多层挡土外壳共有四层19-22，自内而外依次记为第一挡土外壳19、第二挡土外壳20、第三挡土外壳21和第四挡土外壳22。如图6所示，导向机构16和第一挡土外壳19、第二挡土外壳20、第三挡土外壳21上均设有凸起27，第一挡土外壳19、第二挡土外壳20、第三挡土外壳21和第四挡土外壳22上均设有与内层导向机构/挡土外壳的凸起相适应的弧形轨道28，且内层的凸起27处于外层的弧形轨道28当中，用于对各层挡土外壳的展开方向和角度进行限制。当导向机构16被撑开至一定角度时，其上设置的凸起将拨动最里层外壳一起转动；再转动一定角度后，最里层外壳上设置的凸起又将拨动次一层的外壳，以此类推，直至四层外壳全部打开，形成扇形结构。这些外壳打开后的底面和侧面均相互部分叠合，起到阻挡外部土砾进入桩体内部的作用，确保弯曲元可以再次闭合，以便重复使用。

具体地，如图5所示，所述导向机构16内部设有一滑槽，所述滑槽中设有相连接的弯曲元固定滑块25和导杆17，其中，弯曲元固定滑块25端部留有传感器固定槽，用于固定弯曲元传感器，弯曲元固定滑块25的两个侧面上分别设有一凸块，导杆17由两根平行杆组成，两根平行杆的一端均设有凹槽，分别通过弯曲元固定滑块25的两个侧面的凸块与弯曲元固定滑块25连接，另一端均伸出导向机构的外壳通过横梁连接。导向机构16中滑槽的两侧还对称设有导向槽，用于容纳导杆17，且导向槽中，导杆与弯曲元固定滑块连接的一端还设有弹簧26。导杆17推动弯曲元固定滑块25能够使弯曲元传感器伸出导向机构16。相应地，导向机构16一端预留弯曲元传感器的伸出缝，便于弯曲元从其内部伸出，另一端预留两个方孔，便于弯曲元固定滑块25的导杆17伸出导向机构16。当导杆受到弯曲元弹出顶块的挤压作用时，迫于导向机构的限制，滑块仅能沿滑槽挤压弹簧移动，从而将弯曲元顶出。当挤压作用撤去时，整个滑块又在弹簧的作用下复位，弯曲元重新缩回导向机构中。

所述的弯曲元传感器包括弯曲元片23和同轴电缆24。所述的弯曲元片23大部分固定在弯曲元固定滑块之中，留有一公分的自由端部便于激发和接收剪切波。自由端仅在需要测量时从导向机构预留的伸出缝中伸出，其他状态下均缩回导向机构内部，从而保护弯曲元传感器不被破坏。

所述弯曲元固定滑块25内固定槽的底部中央预留孔道，所述导向机构与桩身连接的其中一个轴中空，形成的孔道与弯曲元固定滑块上的孔道相通。所述的同轴电缆24一端与弯曲元片相连，另一端依次穿过滑块预留孔道、导向机构中空轴，经由桩身的纵向导管从顶部引出桩身之外，与激发系统或采集系统相连。在导向机构和四个挡土外壳转动的过程中，位于导向机构中空轴内部的同轴电缆自身扭转90°。

如图3和7所示，所述从动拉杆下部有一段镂空区14，其中嵌入弯曲元弹出顶块4，所述弯曲元弹出顶块4为倒l形，其水平部分延伸至主动顶杆腔体下方，竖直部分嵌入从动拉杆10中的镂空区14，并且，其下部开有一道z形槽，槽的下端开口正对导杆之间的横梁，并且z形槽的斜向滑槽部分向上朝主动顶杆方向延伸。竖直部分的下端通过第三弹簧连接至镂空区的下端。顶块可以在主动顶杆8的压力下沿从动拉杆10上下滑动。在主动顶杆抵住顶块之后，顶块将随着顶杆一同向下移动。在顶块下压的过程中，横梁将被嵌入z形槽中，并被迫沿着z形槽的固定轨迹水平运动，从而通过导杆推动弯曲元固定滑块沿滑槽移动，将弯曲元弹出。图8展示了弯曲元展开装置的展开以及弯曲元弹出的过程。当顶杆压力撤去之后，顶块将在弹簧的作用下复位，从而解除对导杆的位移限制。

测试装置被插入被测点位后，从主动顶杆压入口下压主动顶杆，主动顶杆所受压力除了克服弹簧弹力之外，其余部分将通过锯齿带动齿轮转动，齿轮的转动将带动另一侧的从动拉杆向上运动。从动拉杆向上运动的过程中，除了克服弹簧弹力，剩余动力以拉力的形式施加在外撑顶杆上，迫使外撑顶杆底端向上提起，顶端向外转动。外撑顶杆向外转动的过程中，导向机构率先绕轴向外旋转，同时其上的凸起沿第一挡土外壳的弧形轨道滑动。当导向机构转过一定角度后，凸起到达轨道尽头，将拨动第一挡土外壳一起转动；再转动一定角度后，第一挡土外壳上设置的凸起又将拨动第二挡土外壳转动，以此类推，直至四层外壳全部打开，弯曲元片从竖直状态转为水平状态。主动顶杆继续下压，当主动顶杆上的锯齿与齿轮脱离时，顶杆下端恰好挤压锁止结构短臂使其转动，锁止结构的长臂经转动后卡住从动拉杆镂空区的上沿，如图9所示。此时导向机构已处于水平状态，导杆间的横梁也转动至弯曲元弹出顶块的开口正下方，等待与之对接。主动顶杆向下运动与弯曲元弹出顶块接触，如图10所示，顶块在主动顶杆的压力作用下克服弹簧阻力下行。随后z形槽卡住横梁，并通过导杆推动弯曲元固定滑块沿滑槽移动，将弯曲元弹出，如图11所示。

检测工作完成后，取消对主动顶杆施加的压力，各个机构均在弹簧的作用下复位，依次经历弯曲元回缩、导向机构收回、锁止机构复位等机械动作。

测试装置通过上述主动顶杆、从动顶杆以及装载弯曲元传感器的导向机构的结构设计，使得弯曲元在到达预定深度处再展开并伸入土中，对土体的原位波速进行检测，便于减小桩体截面积，从而减少扰动，保证了土体的原状特征。

由于弯曲元弹出系统采用了折叠和弹出式设计，不必再为了控制桩径选择小尺寸的弯曲元片，扩大了弯曲元与土体实际接触的有效面积，剪切波激发和接收作用更为明显，产生的波形更为显著，便于传播时间的判断和波速的确定。本实施例在单桩的整体宽度仅为60mm的情况下，采用的弯曲元尺寸为长60mm，宽10mm，厚1-2mm，实际伸出部分长度为10mm，有效面积为100mm²。

本领域技术人员可以理解，上述测试装置不仅能够配合弯曲元进行剪切波速测试，还能够更换或加装其他传感器(如湿度传感器)，用来检测土体的其他物理化学指标。

实施例二

本发明提供一种深层土体剪切波速测试装置的使用方法，基于弹性理论中剪切波速和小应变剪切模量gmax之间的换算关系以及使用弯曲元检测土体剪切波速的方法，具体包括如下步骤：

1)根据工程或试验需求确定测试点位，并将目标点位上部土层整平，便于施工；

2)根据工程或试验需求确定测试深度，并依据测试深度在测试装置上做好标记。弯曲元弹出口的上沿到标记处的距离即为目标深度；

3)根据所采用的激发频率和土质情况确定对称布置的两个测试装置的间距l。一般推荐剪切波输出频率为4khz，间距设定为30cm；

4)使用动力设备将两个测试装置按照选好的点位和间距竖直压入同一目标深度处，以两个装置的标记处均与地表齐平为准。注意压入时要让两个测试装置的弯曲元弹出口相对；

5)使用液压杆通过主动顶杆下压口将测试装置的主动顶杆下压至最大位移距离，此时弯曲元弹出顶块刚好与从动拉杆镂空区下沿接触。在整个下压过程中，依次经历导向机构连带挡土外壳旋转展开、弯曲元弹出等机械动作；

6)在弯曲元激发端输入特定频率的电信号激发剪切波，同时记录接收端接收到的波形，利用时域初达波法得到波在土中传递的时间t,并进一步计算剪切波速vs＝l/t；

7)将液压杆上提直至与主动顶杆脱离。在该过程中，各个机构均在弹簧的作用下复位，依次经历弯曲元回缩，导向机构收回等机械动作；

8)使用动力设备竖直拔出两个测试装置，以便重复使用。

通过上述施工过程可知，检测施工时仅需通过液压杆对主动顶杆施加压力，将其压至最大位移；检测结束后仅需撤销液压杆对主动顶杆的压力，装置即可通过弹簧自动复位，施工简单。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。