一种岩土体动态参数阻尼比的现场测试装置及方法与流程

本发明属于岩土工程测试领域，具体涉及一种岩土体动态参数阻尼比的现场测试装置，还涉及阻尼比的现场测试方法。

背景技术：

阻尼比是岩土动态参数之一，在抗震设计中具有很重要的地位。目前测试岩土的阻尼比的方法主要有室内试验和现场试验。室内试验包括(土)动三轴试验、(土)共振柱试验、(岩石)悬臂梁试验等；现场试验主要为现场预制混凝土块体激振试验。对于岩土体来讲，以上试验方法存在一些无法克服的问题。首先，室内试验取样和制样困难，土体取样及试样加工时难免对土体结构产生扰动，特别是取样时基本上不会取到原状土，甚至最后加工的试样本身就是重塑体，用非原状试样进行室内试验其结果当然不能反映现场土体的真实状态；岩石悬臂梁试验要求试验对象为完整岩块，而实际岩体包含大量节理裂隙等不连续面，岩块和岩体的力学性质差别大，不能互相替代。其次，现场激振试验成本高，通常只能在某一暴露出的岩土体层面上进行少量试验，无法进行地表以下岩土层的激振试验，试验结果不能代表整个地层。第三，试验结果包含信息量少，阻尼比是反映应力波在岩土体内传播过程中的能量损耗的参数，与应力波的频率有关，目前测试方法均不能提供阻尼比与频率间相互关系。

鉴于目前测试方法的弊端，有必要开发一种新的阻尼比测试装置及方法，该装置及方法要求对于岩体和土体均能进行现场试验，试验原理清晰，易于实施，测试结果能够反映岩土体的真实状况，且信息丰富，便于设计者使用。

技术实现要素：

本发明的目的是在于提供了一种岩土体动态参数阻尼比的现场测试装置，该装置结构简单，操作方便，能适应现场各种条件。

本发明的另一个目的是在于提供了一种岩土体动态参数阻尼比的现场测试方法，该方法兼顾了岩体和土体，通过岩土体现场钻孔，测试钻孔间岩土体各个层位的阻尼比，测试过程对岩土层性质没有任何限制性要求，而且测试过程对岩土体没有任何扰动，保持了岩土体的自然状态。另外，根据需要可以对不同深度和方向的岩土层进行测试。测试结果包含不同频率振动下岩土层的阻尼比，可为抗震设计提供依据。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种岩土体动态参数阻尼比的现场测试装置，所述的装置包括电火花震源电极，高压控制器，第一、第二可控制方向的传感器装置，控制及数据采集仪，计算机。电火花震源电极置于激振孔中，电火花震源电极和高压控制器通过同轴电缆连接；控制及信号采集仪通过同轴电缆与高压控制器的同步输出接口连接，可控制方向的传感器装置通过电缆接入控制及数据采集仪的接口，计算机通过USB线与控制及数据采集仪连接。所述的可控制方向的传感器装置为两个，分别固定于测试孔中，包括下底座、上底座，下底座包括气囊、减速电机，气囊设有充气孔，气囊包裹在下底座的侧壁，通过连接在气孔上的充气软管对气囊充气，使下底座固定在测试孔的指定深度，减速电机固定于下底座的中央，其轴与上底座固定连接，减速电机转动带动上底座改变方向；上底座包括推杆电机、传感器、电子罗盘、支撑靴，支撑靴位于上底座的两侧，并与推杆电机的推杆固定连接，通过推杆电机推动支撑靴，将上底座固定在孔壁上，传感器位于推杆电机的顶部，电子罗盘固定在传感器的顶部，传感器的X、Y方向与电子罗盘的X、Y方向一致。

一种岩土体动态参数阻尼比的现场测试方法，步骤是：

1)在测试现场进行钻孔，钻孔数量为三个，所述三个钻孔在同一个剖面，分别为激振孔、第一测试孔、第二测试孔，钻孔进入测试的岩土层内；

2)将上述现场测试装置中的电火花震源电极放入激振孔指定深度，第一、第二可控制方向传感器装置分别放入第一测试孔、第二测试孔的指定深度，电火花震源电极以及两个传感器装置在同一条直线上，所述的指定深度为被测试岩土体的所在深度；

3)用电子罗盘测试钻孔连线的方位角，调整传感器的方向，使其X方向与钻孔连线方向一致；

4)高压控制器充电，控制及数据采集仪处于采集等待状态；

5)高压控制器放电，产生爆震，控制及数据采集仪和计算机记录保存各个传感器的振动信息；

6)按以下步骤对采集的数据进行处理，计算岩土层不同频率振动对应的阻尼比：

a.对两个传感器测试时域信号y₁(t)和y₂(t)进行Fourier变换：

b.计算两个传感器的时域信号y₁(t)和y₂(t)的相关函数Ry₁y₂(τ)：

c.计算两个传感器的时域信号y₁(t)和y₂(t)的互功率谱函数Sy₁y₂(f)：

d.计算相位函数：

e.计算岩土层不同频率振动对应的阻尼比：

其中：

A₁(f)、A₂(f)分别为第一测试孔(2)、第二测试孔(3)的测点质点振幅；

R1、R2分别为第一测试孔(2)测点、第二测试孔(3)测点与激震孔电极(4)的距离；

t₁：应力波在两测试孔间的传播时间；

T：波的周期。

优选地，所述激振孔和第一、第二测试孔为垂直孔。

进一步地，为准确确定传感器间的距离，所述钻孔正式试验前进行钻孔倾斜测试。

优选地，所述电火花震源电极和传感器在同一高程上。如果岩土层是倾斜的，电火花震源电极和传感器也可以不在同一个高程上，但连线应为直线。

优选地，为保证各个传感器所测振动信号相位的准确性，所述控制及数据采集仪的各个传感器通道同步进行数据采集。

优选地，所述可控制方向传感器装置的顶部设有吊环，所述吊环与带有刻度标示的钢丝绳连接，传感器装置通过钢丝绳在钻孔中移动。

优选地，电火花震源电极产生的振动是由多个不同频率和振幅的谐波组成的，为确定各个谐波的振幅和相位与频率间关系，对所采集的振动时域信号进行傅里叶变换及互相关分析，由此得到不同频率的振动对应的阻尼比。

本发明采用电火花震源的目的在于其激振能量可控，且其激发振动低频成分能量高，主频与地震波主频接近，因此电火花震源激发的振动可以较好地模拟地震波在地层中的传播。所述的测试方法的测试对象为现场岩土层，安装在测试孔中的传感器可以根据测试需要准确调整方位，因此可以测试岩土层各个深度和方向的阻尼比。所述的分析方法可以计算岩土体层不同频率的振动对应的阻尼比。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

首先，测试方法的创新。阻尼比是反映振动在传播过程中由于材料的内摩擦及其它阻碍造成的能量耗散的指标，本发明通过测试振动在同一测线上离震源不同距离质点的振动幅度变化计算阻尼比，是对阻尼比概念的真实表达，而目前采用质点振动衰减的方法，将岩体概化为带阻尼的弹簧，分析自由衰减规律确定阻尼比；或通过动态加载对加卸载滞回圈分析，根据能量吸收与释放关系计算阻尼比，这些方法弱化了阻尼的动态特征。

其次，测试对象具有广泛的代表性。本发明测试对象是包含一定范围自然状态下的岩土体，且可以对不同深度的岩土体进行测试。目前室内试验测试对象是现场采样，实验室制样，试验对象不可避免地受到扰动，甚至测试对象本身就是重塑试样，对现场岩土体是一种简单代表，更不能反映岩土体结构和所处环境的复杂性；现场激振试验测试对象虽然也是原状岩土，但其结果仅仅代表激振块体附近小范围岩土体的动态特征，而不能反映地表以下岩土层的动态特征。

再者，测试结果真实可靠。本发明所得到的阻尼比与频率关系真实反映了岩土体的振动特性，现有的测试方法均假定岩土体的阻尼比与振动频率无关，与实际情况不符。

附图说明

图1为一种岩土体动态参数阻尼比的现场测试装置的示意图。

图2为可控制方向的传感器装置的结构示意图。

其中：1－激振孔、2－第一测试孔，3－第二测试孔，4－电火花震源电极，5－高压控制器，6－第一可控制方向的传感器装置，7－第二可控制方向的传感器装置，8－控制及数据采集仪，9－计算机，10－充气软管，11－钢丝绳，12－下底座，13－上底座，14－气囊，15－减速电机，16－推杆电机，17－传感器，18－电子罗盘，19－支撑靴，20－吊环。

图3为实施例2中传感器X方向振动时域曲线图。

图4为实施例2中计算所得的阻尼比和频率关系散点图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1所示，一种岩土体动态参数阻尼比的现场测试装置，它包括电火花震源电极4、高压控制器5、第一可控制方向的传感器装置6、第二可控制方向的传感器装置7、控制及数据采集仪8、计算机9，可以分为四个子系统：

激振系统：采用电火花震源作为激振系统，包括高压控制器5(XW512C)、电火花震源电极4(普通)，高压控制器5和电火花震源电极4通过同轴电缆连接，电火花震源电极4置于激振孔1中；采用电火花震源的目的在于其激振能量可控，且其激发振动低频成分能量高，主频与地震波主频接近，因此电火花震源激发的振动可以较好地模拟地震波在地层中的传播；

传感器系统：由于需要测试沿钻孔连线方向的振动传播规律，传感器的方向必须保持与钻孔连线方向一致，因此采用可控方位的传感器装置，第一可控制方向的传感器装置6、第二可控制方向的传感器装置7分别固定于第一测试孔2、第二测试孔3中，通过集成线缆与控制及数据采集仪8相连；所述的可控制方向的传感器装置包括下底座12、上底座13，上底座13包括推杆电机16(A58SW31ZY)、传感器17(速度传感器TCS-B3)、电子罗盘18(DCM220B)、支撑靴19，支撑靴19位于上底座的两侧，并与推杆电机16的推杆固定连接，通过推杆电机16推动支撑靴19，将上底座13固定在孔壁上，传感器17位于推杆电机16的顶部，电子罗盘18固定在传感器17的顶部，传感器17的X、Y方向与电子罗盘18的X、Y方向一致；下底座12包括气囊14、减速电机15(JGY-2838)，气囊14设有充气孔，气囊14包裹在下底座12的侧壁，通过连接在气孔上的充气软管10对气囊14充气，使传感器装置的下底座12固定在钻孔的指定深度，减速电机15固定于下底座的中央；下底座减速电机15的轴与上底座13固定连接，减速电机15通过控制及数据采集仪8和电子罗盘18转动并确定传感器17的方向；所述传感器装置通过连接吊环20的钢丝绳11在钻孔中移动，钢丝绳11带有刻度标示。

控制及数据采集系统：控制及数据采集仪8(DASP)具有对传感器方位控制功能及传感器振动信号采集功能，控制及数据采集仪8通过同轴电缆与电火花震源高压控制器5的同步输出接口连接，第一可控制方向的传感器装置6、第二可控制方向的传感器装置7通过电缆接入控制及数据采集仪8的对应接口，计算机9通过USB线与控制及数据采集仪8连接；

数据采集分析系统：包括计算机9及采集软件(COIN DASP V10)，该软件可以完成时域数据采集，并具有对所采集数据进行滤波、快速Fourier分析、自相关分析、互相关分析、互谱分析等功能。

本发明提供了一种岩土层现场阻尼比测试方法的装置，它包电火花震源电极4，高压控制器5，第一可控制方向的传感器装置6、第二可控制方向的传感器装置7，控制及数据采集仪8，计算机9。其连接关系是：电火花震源电极4置于激振孔中，电火花震源电极4和高压控制器5通过同轴电缆连接；控制及数据采集仪8通过同轴电缆与高压控制器5的同步输出接口连接，可控制方向的传感器装置6、7分别通过电缆接入控制及数据采集仪8的接口，计算机9通过USB线与控制及数据采集仪8连接。

实施例2：

一种岩土体动态参数阻尼比的现场测试方法，其步骤是：

1)在测试现场进行钻孔，钻孔的数量为三个，所述的三个钻孔必须在同一个剖面上，分别为激振孔1、第一测试孔2、第二测试孔3，钻孔进入需要测试的岩土层内；

2)为准确确定钻孔间距，用钻孔测斜仪(SINCO)对钻孔倾斜进行测试；

3)通过电缆将电火花震源电极4放入激振孔1的测试深度处(被测岩土体所在的深度)，高压控制器5的同步输出接口和控制及数据采集仪8(DASP)的同步输入接口通过同轴电缆相连；

4)通过集成线缆将第一可控制方向的传感器装置6放到测试孔2的测试深度处(被测岩土体所在的深度)，通过充气软管10对气囊14充气，使第一可控制方向的传感器装置6的下底座12固定到第一测试孔2的测试深度处(被测岩土体所在的深度)；

5)按照步骤4)所述方法在第二测试孔3中固定第二可控制方向的传感器7的下底座；

6)将所述的第一可控制方向的传感器装置6、第二可控制方向的传感器装置7分别与控制及数据采集仪8相应接口相连，控制及数据采集仪8通过USB线与计算机9相连；

7)通过罗盘测试钻孔孔口连线的方位角，通过减速电机15调整第一可控制方向的传感器装置6、第二可控制方向的传感器装置7的上底座13，使所述的传感器的X方向与钻孔连线方向一致，通过推杆电机16伸出支撑靴19，将第一可控制方向的传感器装置6、第二可控制方向的传感器装置7的上底座13分别固定在第一测试孔2和第二测试孔3的孔壁上；

8)高压控制器5充电，控制及数据采集仪8处于采集等待状态；

9)高压控制器5放电，产生爆震，控制及数据采集仪8和计算机9记录保存第一可控制方向的传感器装置6、第二可控制方向的传感器装置7的振动信息；

10)对采集的数据进行处理，计算岩土层不同频率振动对应的阻尼比，粘滞阻尼比D由下式求出：

其中：

A1、A2分别为第一测试孔2、第二测试孔3的测点质点振幅；

R1、R2分别为第一测试孔2测点、第二测试孔3测点与激震孔1电极的距离；

t₁：应力波在两测试孔间的传播时间；

T：波的周期

上述公式仅针对简谐振动，即频率单一的振动，由于现场传感器所接收的信号为多种频率振动的合成，振幅A和相位都是频率f的函数。对振动信号进行Fourier变换，可以得到A～f关系：

由y₁(t)和y₂(t)的互功率谱函数：

可以得到相位函数:

其中：相关函数为：

通过对两个传感器所接收的信号进行以上分析，最后通过阻尼比计算公式得到不同频率下岩土层的阻尼比D。

电火花震源电极4以及两个传感器装置6、7必须在同一条直线上(如果岩土层是倾斜的，电火花震源电极和传感器可以不在同一个高程上，但连线同样应为直线)，两个传感器之间的岩土层即为测试对象，优选采用垂直钻孔。

为保证传感器17所测振动信号相位的准确性，所述控制及数据采集仪8的各个传感器通道同步进行数据采集。

应用举例：

某工程场地地层主要由粉质粘土、花岗片麻岩、斜长角闪岩和闪长玢岩组成，其中基岩以花岗片麻岩为主，斜长角闪岩和闪长玢岩呈脉岩状分布。为测试花岗片麻岩层的阻尼比，在场地布置3个直径为90mm的垂直钻孔，分别为ZK1、ZK2和ZK3，其中ZK1为震源孔，ZK2和ZK3为测试孔，3个钻孔呈直线排列，孔距为3000mm，钻孔深度19m进入花岗片麻岩层15米，本次测点深度为8m和11m。测试前，首先采用SINCO测斜仪对各钻孔倾斜状况进行测试，以准确测定测点间的距离，然后测试钻孔连线方位角，最后安放电火花震源、传感器，并对传感器角度进行调整，使其X方向与钻孔连线方向一致。设置DASP控制与数据采样仪，采样频率为1000Hz，采样时长2s，当电火花震源放电时，DASP同时记录两个传感器的振动信息，两个传感器X方向振动时域曲线如图3所示。

先对两个传感器的X方向振动信号进行Fourier变换，得到A1(f)和A2(f)，再计算两个传感器的X方向振动信号的相关函数和互功率谱函数，得到相位函数，最后计算出t1/T，代入阻尼比计算公式，便可得到花岗片麻岩不同频率下的阻尼比。图4为计算得到花岗片麻岩的阻尼比和频率关系散点图，经过回归分析，可得到阻尼比和频率关系拟合曲线，曲线表明，阻尼比不是一个恒定值，而是随频率增加而增加的变化值，测试结果与实际相符。