一种孔内剪切波震源及跨孔法波速测试方法与流程

本发明涉及一种孔内剪切波震源及跨孔法波速测试方法，属于工程技术领域。

背景技术：

跨孔法波速测试是岩土工程勘察中测试岩土体剪切波速度、压缩波速度、动剪切模量、动弹性模量及动泊松比的重要手段。孔内震源是跨孔法波速测试的一种关键设备，通常采用如下两种设备，一种为液压撑壁式剪切锤，其孔内支撑力大，但支撑板行程受限，只适用于岩质钻孔，土质钻孔无法可靠贴壁；另一种为气囊贴壁式剪切锤，其虽然适用的孔径范围较大，但在有井液的钻孔中，存在气囊充气困难、容易漏气的问题。两者都存在激振能量较小的问题，钻孔间距较大或岩土体弹性模量较大、需要较大激振能量时，往往不能满足要求。

技术实现要素：

本发明所要解决技术问题是提供一种激振能量大、能可靠激发剪切波、适用孔径范围大、触发时间精确以及对剪切波进行测试的孔内剪切波震源及跨孔法波速测试方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明一种孔内剪切波震源包括导向筒、设置在导向筒内呈柱状的重锤、固定设置在导向筒下端的锤垫以及设置在重锤上端内的与地面波速测试仪连接的触发器；在所述导向筒内和重锤上设置限位装置，所述限位装置限定重锤的下降和上升位置，在所述重锤顶端设置防旋转钢丝绳。

本发明一种孔内剪切波震源所述重锤顶部设置凹槽，所述触发器包括设置在凹槽内的壳体、固定安装在壳体底部的下堵头、固定安装在下堵头顶部的压电陶瓷片、固定安装在压电陶瓷片之间的铜箔电极以及信号线缆；信号线缆的正极与铜箔电极连接，信号线缆的负极与壳体连接；所述壳体内为空腔，下堵头上部和压电陶瓷片设置在空腔内，在所述壳体上部设置填充槽，填充槽内填充环氧树脂层，所述信号线缆穿过环氧树脂层与防旋转钢丝绳并列。

本发明一种孔内剪切波震源所述限位装置包括固定安装在导向筒内的上限位环和固定套装在重锤下部的下限位环，在所述重锤上端设置凸台，所述下限位环和凸台的外径大于上限位环的内径，在所述重锤顶部固定安装承重环，所述承重环与防旋转钢丝绳连接。

本发明一种孔内剪切波震源所述压电陶瓷片通过螺栓b与下堵头固定，在所述压电陶瓷片顶面和螺栓b的螺帽之间设置不锈钢垫片，所述信号线缆的负极与不锈钢垫片连接。

本发明一种孔内剪切波震源在所述下堵头与壳体底部之间安装o型密封圈。

本发明一种孔内剪切波震源在所述锤垫顶面上设置尼龙垫片。

本发明一种孔内剪切波震源所述导向筒外壁纵向设置一个以上的排水槽。

本发明一种孔内剪切波跨孔波速测试方法，采用如下步骤：

（一）、随波速测试进度施工或预先施工完成第一接收孔和第二接收孔，将第一波速探头和第二波速探头分别对应设置在第一接收孔和第二接收孔相应测试深度内，并使第一波速探头和第二波速探头与第一接收孔和第二接收孔相应内壁紧密接触；激发孔施工到预定波速测试测点深度后，将孔内剪切波震源放入激发孔孔底，第一波速探头和第二波速探头和信号线缆均与位于地面的波速测试仪连接；

（二）、通过地表的支架从激发孔中拉升重锤至最高处，然后放开让其自由落下，重复几次使锤垫与激发孔孔底紧密接触；

（三）、启动波速测试仪，使第一波速探头和第二波速探头处于信号接收状态，拉升重锤至最高处后使其自由落下，通过与激发孔孔底的撞击，激发触发器并同时使波速测试仪开始采样，撞击产生的剪切波向四周传播，并先后被第一波速探头和第二波速探头接收，通过两个接收探头的剪切波传播距离和时间差，计算出剪切波的传播速度。

本发明积极效果如下：本发明锤垫、重锤及导向筒由不锈钢材料加工而成，通过调整重锤的重量增加激振的能量，调整灵活，重锤在导向筒中的活动空间由上、下限位环位置确定，重锤可在上、下限位环限制范围内自由滑动，通过重锤锤击锤垫，在激发孔内可靠地激发垂直向振动、水平向传播的剪切波，在锤垫顶面上设置尼龙垫片，可增强中、低频成分的剪切波能量比重，增加剪切波的有效传播距离；导向筒外壁纵向设置一个以上的排水槽，在重锤下落时能及时排出筒内的井液，使用防旋转钢丝绳可以防止钢丝绳与信号线缆缠绕。

触发器壳体为导电的不锈钢材质，触发器安装在重锤顶端，可以保证触发时间的准确；壳体上部填充槽内填充的环氧树脂层和下堵头与壳体底部之间安装o型密封圈使壳体空腔内防水，保证200m的有效防水深度；固定压电陶瓷片的不锈钢垫片同时起到质量块的作用，存在加速度时会对压电陶瓷片产生力的作用，不锈钢垫片较小的质量使得触发器对运动加速度的灵敏度相对较低，可以保证在重锤下落过程中不误触发，而在重锤下落，砸到锤垫时马上触发，从而保证触发信号的精准。

本发明的使用不受激发孔孔径和地基岩性限制，岩质钻孔和土质钻孔均适用，可以放入激发孔中任意深度，信号线缆与防旋转钢丝绳并联，可以将触发信号传递到地面的波速测试仪。

使用本发明进行跨孔法波速测试由1个激发孔和1个或1个以上与激发孔并排设置的接收孔组成。激发孔施工随波速测试进度进行，施工到预定测试深度后，将本发明放入激发孔底，将波速探头放入接收孔的相应深度，并保证良好贴壁，波速探头和触发器信号线缆均与位于地面的波速测试仪连接。重锤由重力作用下落砸向锤垫激发垂直向振动、水平向传播的剪切波，同时触发器发出信号，波速测试仪开始接收振动信号，记录震源激发的地震波，可以通过多次激振，信号叠加的方式增强有效信号，压制随机噪声。

本发明重锤可以通过改变截面尺寸和高度，根据需要增加激振能量；触发器控制到较低的灵敏度，可以有效防止重锤下落过程中误触发。

附图说明

附图1为本发明结构示意图；

附图2为本发明重锤结构示意图；

附图3为本发明触发器结构示意图；

附图4为本发明触发器的壳体结构示意图；

附图5为本发明孔内剪切波跨孔波速测试方法工作状态结构示意图。

在附图中：1锤垫、2螺栓a、3尼龙垫片、4下限位环、5重锤、6导向筒、7上限位环、8触发器、9信号线缆、10防旋转钢丝绳、11下堵头、12压电陶瓷片、13壳体、14o型密封圈、15螺栓b、16铜箔电极、17不锈钢垫片、18环氧树脂层、19填充槽、20凹槽、21空腔、22凸台、23承重环、24激发孔、25第一接收孔、26第二接收孔、27第一波速探头、28第二波速探头、29波速测试仪、30支架。

具体实施方式

如附图1-4所示，本发明孔内剪切波震源包括导向筒6、设置在导向筒6内呈柱状的重锤5、通过螺栓a固定设置在导向筒6下端的锤垫1以及设置在重锤5上端内的与地面波速测试仪连接的触发器8；重锤5为不锈钢材质的实心柱形锤体，锤垫1顶面上设置尼龙垫片3；所述导向筒6外壁纵向设置一个以上的排水槽；在所述导向筒6内和重锤5上设置限位装置，所述限位装置限定重锤5的下降和上升位置，在所述重锤5顶部固定安装承重环23，所述承重环23与防旋转钢丝绳10连接，防旋转钢丝绳10另一端与安装在地面上的支架30固定连接。

本发明孔内剪切波震源的限位装置包括固定安装在导向筒6内的上限位环7和固定套装在重锤5下部的下限位环4，在所述重锤5上端设置凸台22，所述下限位环4和凸台22的外径大于上限位环7的内径。所述上限位环7内壁与重锤5间隙设置；所述下限位环4外壁与导向筒6内壁间隙设置，便于重锤5在导向筒6上升和下降运动。

本发明孔内剪切波震源的锤垫1、重锤5及导向筒6由不锈钢材料加工而成，通过调整重锤5的重量增加激振的能量，调整灵活，重锤5在导向筒6中的活动空间由上限位环7和下限位4的位置确定，重锤5可在上限位环7和下限位4限制范围内自由滑动，通过重锤5锤击锤垫1，在激发孔24内可靠地激发垂直向振动、水平向传播的剪切波，在锤垫1顶面上设置尼龙垫片3，尼龙垫片3可增强中、低频成分的剪切波能量比重，增加剪切波的有效传播距离；导向筒6外壁纵向设置一个以上的排水槽，在重锤5下落时能及时排出筒内的井液，使用防旋转钢丝绳10可以防止钢丝绳与信号线缆缠绕。

本发明孔内剪切波震源所述重锤5顶部设置凹槽20，所述触发器8包括设置在凹槽20内的壳体13、固定安装在壳体13底部的下堵头11、固定安装在下堵头11顶部的压电陶瓷片12、固定安装在压电陶瓷片12之间的铜箔电极16以及信号线缆9；信号线缆9的正极与铜箔电极16连接，信号线缆9的负极与壳体13连接；所述壳体13内为空腔21，下堵头11上部和压电陶瓷片12设置在空腔21内，在所述壳体13上部设置填充槽19，填充槽19内填充环氧树脂层18，所述信号线缆9穿过环氧树脂层18与防旋转钢丝绳10并列。压电陶瓷片12通过螺栓b15与下堵头11固定，在所述压电陶瓷片12顶面和螺栓b15的螺帽之间设置不锈钢垫片17，所述信号线缆9的负极与不锈钢垫片17连接。下堵头11与外壳13之间通过螺纹连接，下堵头11与壳体13底部之间安装o型密封圈14。

本发明孔内剪切波震源的触发器8壳体13为导电的不锈钢材质，触发器8安装在重锤5顶端，可以保证触发时间的准确；壳体13上部填充槽19内填充的环氧树脂层18和下堵头11与壳体13底部之间安装o型密封圈14使壳体的空腔21内防水，保证200m的有效防水深度，保证测试过程中触发信号精准，使触发器8工作可靠，低灵敏度的触发器8可以保证在重锤5下落过程中不误触发，而在重锤下落，砸到锤垫时马上触发。

如附图5所示，本发明一种孔内剪切波跨孔波速测试方法，采用如下步骤：

（一）、随波速测试进度施工或预先施工完成第一接收孔25和第二接收孔26，将第一波速探头27和第二波速探头28分别对应设置在第一接收孔25和第二接收孔26相应测试深度内，即第一波速探头27设置在第一接收孔25相应测试深度内，第二波速探头28设置在第二接收孔26相应测试深度内，并使第一波速探头27和第二波速探头28与第一接收孔25和第二接收孔26相应内壁紧密接触；激发孔24施工到预定波速测试测点深度后，将孔内剪切波震源放入激发孔24孔底，第一波速探头27和第二波速探头28和信号线缆9均与位于地面的波速测试仪29连接；

二、通过地表的支架30从激发孔24中拉升重锤5至最高处，然后放开让其自由落下，重复几次使锤垫1与激发孔24孔底紧密接触；

三、启动波速测试仪29，使第一波速探头27和第二波速探头28处于信号接收状态，拉升重锤5至最高处后使其自由落下，通过与激发孔24孔底的撞击，激发触发器8并同时使波速测试仪29开始采样，撞击产生的剪切波向四周传播，并先后被第一波速探头27和第二波速探头28接收，通过两个接收探头的剪切波传播距离和时间差，计算出剪切波的传播速度。

如附图1-5所示，使用本发明孔内剪切波震源进行跨孔法波速测试的钻孔由1个激发孔24和1个或1个以上与激发孔24并排设置的接收孔组成，本实施例为设置第一接收孔25和第二接收孔26，第一接收孔25和第二接收孔26可以先施工到位，也可以随波速测试进度施工；激发孔24随测试进度施工。激发孔24施工到预定波速测试测点深度后，将本发明放入激发孔24底，将第一波速探头27和第二波速探头28分别设置在第一接收孔25和第二接收孔26相应测试深度，并使第一波速探头27和第二波速探头28与第一接收孔25和第二接收孔26相应内壁紧密接触；激发孔24施工到预定波速测试测点深度后，将孔内剪切波震源放入激发孔24孔底，第一波速探头27和第二波速探头28和信号线缆9均与位于地面的波速测试仪29连接；测试时通过防旋转钢丝绳10提拉重锤5，通过上、下限位环4、7保证导向筒6及锤垫1位于孔底，而重锤5可以提升一定高度。操作波速测试仪29处于采样等待状态，释放防旋转钢丝绳10，重锤5由重力作用下落砸向锤垫1，激发垂直向振动、水平向传播的剪切波，同时触发器8发出信号，波速测试仪29开始接收振动信号，记录震源激发的地震波。可以通过多次激振，信号叠加的方式增强有效信号，压制随机噪声。

这一深度位置剪切波测试完成后通过防旋转钢丝绳10提出孔内剪切波震源，钻机继续钻孔施工，直到下一个测点位置，重复上述测试过程，直到完成整个孔的测试。

由于该剪切波震源是在孔底击震，能量大，干扰因素少，测得的剪切波波形清晰，取得了很好的效果。

使用本发明孔内剪切波震源进行跨孔法波速测试方法适应性强，可以用于岩质钻孔，也可以用于土质钻孔；激振能量大、有效信号强、剪切波有效传播距离远，可以通过适当加大激发孔与接收孔间距的方式，拉开压缩波与剪切波的初至时间差，增加信噪比；另外，设置在锤体顶端、防水效果良好、灵敏度适中、触发时间精准的触发器，可以有效减小触发误差，保证测试数据的准确可靠。

最后说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。