一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统，包括钻杆和探头，探头连接于钻杆的一端，系统还包括信号发生器、信号采集装置和上位机，探头包括发射端传感器和接收端传感器，探头底部设有环钢刀，发射端传感器和接收端传感器均为弯曲元传感器，并分别连接至信号发生器和信号采集装置，信号发生器和信号采集装置均连接至上位机；信号发生器生成波形信号，由发射端传感器发送，接收端传感器将采集到的波形通过信号采集装置解析后，由上位机计算得到波速。与现有技术相比，本发明专利技术采用了一种结构更为合理的探头，可以安全可靠的贯入土体深部，实现对深部土体的测试。

A bending element system for in-situ continuous measurement of wave velocity in soft soil

【技术实现步骤摘要】
一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统
本专利技术涉及土体原位测试领域，尤其是涉及一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统。
技术介绍
土的剪切波波速(vp)和压缩波波速(vs)测试具有重要的意义如下：(1)可以推算土样的弹性模量E0和剪切模量G0，即土样在小应变情况下的模量，该参数可作为动力分析的参数，也可作为小应变弹塑性本构模型的参数。(2)作为一种无损测试方法，通过弹性参数的变化来间接表征土体内部结构的变化，是电镜扫描等图像法的必要补充。当前测试波速的方法主要有以下两种：(1)室内试验法(主要为共振柱法和弯曲元波速法)；(2)原位测试法，具体包括面波法、钻孔波速法、地震静力触探、地震扁铲等。由于室内试验时不可避免地会受到取土扰动的影响，因此原位测试法所得结果更为可靠。对于上面提到的土体波速原位测试方法，均需要在地表或钻孔中安装特殊的激振设备，操作复杂；另外，这些方法也不能连续自动地测试不同深度处土体的波速，测试效率较低。弯曲元传感器是采用粘贴在一起的两片压电陶瓷片制作而成的传感器，可以作为应力波的发射和接收的传感器。弯曲元波速测试是在土样两端安装一对弯曲元(BenderElement)传感器，一个发射应力波，另外一个接收应力波，通过应力波在土样中的传播时间来得到土样的波速。弯曲元波速测试是室内测试土样波速的最普遍的方法之一。对于这种传感器在原位测试中的应用，中国专利CN101413823A公开了一种用于测试地表土体波速的便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置，然而，该测试装置只能用于地表面或浅土层土体的波速测试，而不能测量一定深度土体的波速，因此运用收到限制；中国专利CN102998368A则公开了一种用于软土原位剪切波速测试的贯入式探测器，但是其探头结构遇到坚硬土层时易损坏，不适用于深部土体波速的测试。这些设备需要人工处理数据，测点间距在1m左右，不能实现快速连续测量波速的功能，也不能反应复杂土层性质
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统，包括钻杆和探头，所述探头连接于钻杆的一端，所述系统还包括信号发生器、信号采集装置和上位机，所述探头包括发射端传感器和接收端传感器，所述探头底部设有环钢刀，所述发射端传感器和接收端传感器均为弯曲元传感器，并分别连接至信号发生器和信号采集装置，所述信号发生器和信号采集装置均连接至上位机；信号发生器生成波形信号，由发射端传感器发送，所述接收端传感器将采集到的波形通过信号采集装置解析后，由上位机计算得到波速。所述信号采集装置包括依次连接的电压放大器和数据采集卡，所述电压放大器连接至接收端传感器，所述数据采集卡连接至上位机。所述环钢刀包括环形钢板和环形的刀刃部，所述刀刃部沿环形钢板延伸，所述环形钢板内设有两块十字交叉设置的支撑钢板，所述支撑钢板连接至钻杆。所述探头还包括钢杆，所述钢板通过钢杆与钻杆可拆卸连接。所述发射端传感器和接收端传感器设于环形钢板内壁上，并位于任一根支撑钢板的下方。所述刀刃部的外径自刃口端至根部渐扩。所述刀刃部的内径与环形钢板的内径一致。所述上位机为计算机。所述计算机执行程序时实现以下步骤：步骤S1：接收输入的测试配置信息，包括测试日期、位置、测试信号的频率和强度、测试时间间隔；步骤S2：控制信号发生器产生指定频率的正弦波形电压信号传送至发射端传感器；步骤S3：接收由信号采集装置转发的接收端信号，基于得到的波形计算波速；步骤S4：根据贯入速率和贯入时间计算测试点深度；步骤S5：重复S2～S4，进行下一个测试点的测试。所述波速为：其中：v(t)为波速，L(t)为发射端传感器和接收端传感器之间的距离，t1为发射波选取的波峰对应的时间，t2为接收波中与所述选取的波峰对应波峰所对应的时间。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)采用了一种结构更为合理的探头，可以安全可靠的贯入土体深部，实现对深部土体的测试。2)配置了信号发生器、信号采集装置可以对信号的生成和处理进行自动处理，从而可以实现连续测试，提高测试效率。3)不必像其他原位波速方法那样需要配备复杂的激振系统，尤其适用于海洋软土。4)通过程序按照一定间隔直接给出各测点的波速，测试过程更加流畅。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为探头的结构示意图；图3为探头的工程图，其中，(a)为俯视图，(b)为正面的剖视图，(c)为侧面的剖视图；图4为环钢刀的示意图；其中：1、数据采集卡，2、电压放大器，3、信号发生器，4、原位土体，5、发射端传感器，6、接收端传感器，7、钻杆，8、钢杆，9、钢环刀，10、支撑钢板，11、上位机，91、环形钢板，92、刀刃部。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统，如图1所示，包括钻杆7和探头，探头连接于钻杆7的一端，系统还包括信号发生器3、信号采集装置和上位机11，探头包括发射端传感器5和接收端传感器6，探头底部设有环钢刀9，发射端传感器5和接收端传感器6均为弯曲元传感器，并分别连接至信号发生器3和信号采集装置，信号发生器3和信号采集装置均连接至上位机11；信号发生器3生成波形信号，由发射端传感器5发送，接收端传感器6将采集到的波形通过信号采集装置解析后，由上位机计算得到波速。信号采集装置包括依次连接的电压放大器2和数据采集卡1，电压放大器2连接至接收端传感器6，数据采集卡1连接至上位机11。本申请的一个改进点在于设计了一种特殊的探头，该探头与现有的结构不同，其以环钢刀9为主体，环钢刀9包括环形钢板91和环形的刀刃部92，刀刃部92沿环形钢板91延伸，环形钢板91内设有两块十字交叉设置的支撑钢板10，支撑钢板10连接至钻杆7。探头还包括钢杆8，钢板10连通过钢杆8与钻杆7可拆卸连接。发射端传感器5和接收端传感器6设于环形钢板91内壁上，并位于任一根支撑钢板10的下方。刀刃部92的外径自刃口端至根部渐扩。刀刃部92的内径与环形钢板91的内径一致。探头在地面动力作用下贯入软土层中，同时对深部软土连续进行波速试验，钢环刀9下方的刀刃部92(即刃脚)设计可以减少贯入阻力；上位机为计算机，计算机执行程序时实现以下步骤：步骤S1：接收输入的测试配置信息，包括测试日期、位置、测试信号的频率和强度、测试时间间隔；步骤S2：控制信号发生器2产生指定频率的正弦波形电压信号传送至发射端传感器5；步骤S3：接收由信号采集装置转发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统，包括钻杆(7)和探头，所述探头连接于钻杆(7)的一端，其特征在于，所述系统还包括信号发生器(3)、信号采集装置和上位机(11)，所述探头包括发射端传感器(5)和接收端传感器(6)，所述探头底部设有环钢刀(9)，所述发射端传感器(5)和接收端传感器(6)均为弯曲元传感器，并分别连接至信号发生器(3)和信号采集装置，所述信号发生器(3)和信号采集装置均连接至上位机(11)；/n信号发生器(3)生成波形信号，由发射端传感器(5)发送，所述接收端传感器(6)将采集到的波形通过信号采集装置解析后，由上位机计算得到波速。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统，包括钻杆(7)和探头，所述探头连接于钻杆(7)的一端，其特征在于，所述系统还包括信号发生器(3)、信号采集装置和上位机(11)，所述探头包括发射端传感器(5)和接收端传感器(6)，所述探头底部设有环钢刀(9)，所述发射端传感器(5)和接收端传感器(6)均为弯曲元传感器，并分别连接至信号发生器(3)和信号采集装置，所述信号发生器(3)和信号采集装置均连接至上位机(11)；
信号发生器(3)生成波形信号，由发射端传感器(5)发送，所述接收端传感器(6)将采集到的波形通过信号采集装置解析后，由上位机计算得到波速。


2.根据权利要求1所述的一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统，其特征在于，所述信号采集装置包括依次连接的电压放大器(2)和数据采集卡(1)，所述电压放大器(2)连接至接收端传感器(6)，所述数据采集卡(1)连接至上位机(11)。


3.根据权利要求2所述的一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统，其特征在于，所述环钢刀(9)包括环形钢板(91)和环形的刀刃部(92)，所述刀刃部(92)沿环形钢板(91)延伸，所述环形钢板(91)内设有两块十字交叉设置的支撑钢板(10)，所述支撑钢板(10)连接至钻杆(7)。


4.根据权利要求3所述的一种用于原位连续测试软土波速的弯曲元系统，其特征在于，所述探头还包括钢杆(8)，所述钢板(10)通过钢杆(8)与钻杆(7)可拆卸连接。


5.根据权利要求3所述的一种用于原位连续测试软土波速的弯...

【专利技术属性】
技术研发人员：高彦斌，王浩，郑晓军，姚天骄，杨正园，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31