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    剪切波測試中的幾個問題

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    剪切波測試中的幾個問題


    一、儀器設備的選擇


    剪切波測試儀器可以使用3通道以上的振動測試儀器,測試根據測試規范要求,數據轉換的位數至少為12位,同時為了保持三個通道相位一致性,要求三個通道的數據要同時采集并模數轉換,現在有的廠家為了追求成本,使用單通道模數轉換器配合模擬開關,對三個通道輪流采樣,假設一個數據的轉換時間為t,則三個通道的轉換時間為3t,每個通道的相位差為ωt,如果一個數據的最小轉換時間為t,則根據采樣定理,采樣間隔最小為6t,武漢建科科技有限公司生產的WAVE2000場地振動測試儀采用三通道并行數據采集的設計方法,同時采集三個通道的振動數據,有效的解決了相位差問題。


    二、震源與激發


    剪切波的振動方向和波的傳播方向相垂直,所以接收方向的選擇很重要,為了突出剪切波,需要使檢波器的最大靈敏度方向和波的傳播方向相垂直(也就是和振動方向相一致)。另外,剪切波是在壓縮波之后到達的續至波,容易受到干擾,因此在測試中應使震源的振動具有明顯的方向性,以突出剪切波的信號。


    常見的激振系統有以下三種:


    1、大錘擊板法:(見圖1)該方法比較方便、實用。它是將激振木板平放在離孔口1~3m處的地面,木板規格為:長度約2.5~3m,寬度不小于40cm,厚度不小于15cm,且兩端宜包上一定厚度的鐵皮或橡膠。木板安裝時,宜埋入地面一定深度或木板底面直接嵌有一定長度的鐵腳釘直接插入土中,再在木板上壓以重物(500Kg以上,壓上大卡車雙后輪更好),使木板與地面緊密接觸,除此之外,還可以在木板的四周打入1m以上的Φ22鋼筋以加固木板,以防止敲擊時木板的滑移。再用鐵錘沿板的縱向分別敲擊板的兩端,木板與地面產生剪切力,使地層產生相應方向的剪切波。


    試驗表明:當增加激振木板的荷載時,剪切波的振幅將隨荷載的增加而近似于線形的增加,但當荷載增加到一定的值后,剪切波的振幅就不在增加了。此外,激發的效果還和敲擊力的大小、木板的幾何形狀以及木板和地面的摩擦系數等有關系。





    圖1大錘擊板法


    2、彈簧激振法:(見圖2)它是由木板,彈簧、穿心錘等組成.試驗前用地腳螺釘將木板固定地面,彈簧一端用地錨固定,試驗時將穿心錘拉到一定距離后、突然放開,利用彈簧的彈力沖擊木板,使板與地面產生剪切力,從而使地層產生剪切波。這種震源裝置使用起來比較麻煩,但穩定性,重復性都較好,激震能量也較大,一般能測較深鉆孔的波速。


    3、定向爆破法:(見圖3)這種裝置類似于迫擊炮筒,將它固定在地面,炸藥在炮筒內爆炸后炮身的后座力使炮架與地面產生強大的剪切力,使地面產生剪切波。這種震源對炮筒內藥室的形狀有一定的要求,以使爆炸力有較好的集中性與指向性。激振力的大小可由裝藥量控制,這種震源使用起來也比較麻煩,還存在一定的安全性,所以一般只在深孔波速測試時才使用。

              


     激振系統根本的作用就是激發出剪切波,大錘擊板法和彈簧激振法都能激發出較好的剪切波,而定向爆破法在產生剪切波的同時也產生了較大能量的壓縮波,會對測試產生一定的影響。


    要產生出剪切波,就要有機械的剪切動作,現在有些儀器設備使用無機械剪切動作的設備,主觀意愿產生出足夠能量的剪切波,我們認為這個從測試理論上就是站不住腳的。產生不了剪切波,就采集不到剪切波信號,即便是采集到了振動信號,也不是剪切波信號,對測試結果沒有任何用處。


    三、信號的接收


    測試信號的接收依靠三分量檢波器,也就是我們通俗講的“剪切波探頭”,探頭可以接受兩個水平方向的剪切波信號(互成90°相位差)和一個垂直方向的壓縮波信號。在實際的測試過程中,剪切波信號比壓縮波信號能量小,傳播速度慢,為了能夠準確的采集到剪切波信號,就需要要求探頭和測孔緊密耦合,現在經常使用的探頭,按外型分有氣囊式和彈簧式兩種,這兩種都能緊密的和測孔耦合,但是氣囊式探頭使用比較繁瑣,它需要每個測點打一次氣和放一次氣,也就是說,如果有個測孔20米深,需要測20個點,則需要打20次氣和放20次氣;彈簧式探頭雖然使用比較方便,當要注意塌孔?,F在有些廠家生產既沒有氣囊也沒有彈簧的剪切波探頭,通體光滑,他們的理論是:在有孔液的的測孔中,通過孔液的耦合,探頭也能接收到剪切波信號。我們對此持懷疑態度。眾所周知,波在液體中比在固體中能量消散更快,通過孔液耦合的方法,能準確的測得有效信號嗎?


    四、波形的判讀和數據處理


    用擊板法測試時,接收區產生的壓縮波能量較小,剪切波在波形上能較清晰的出現,如果遇到剪切波不易辨認時,可采用在木板兩端分別敲擊的方法,這時采集到的兩次剪切波形將呈現相位相反的現象,而壓縮波的相位不變,從而可以容易的區分剪切波和壓縮波,并判讀出剪切波起跳位置。


    壓縮波比剪切波傳播速度快,所以在曲線上反映出來壓縮波先到達,然后才是剪切波;而且壓縮波振幅小,剪切波振幅大。


    剪切波測試的目的是進行場地評價,給建筑設計提供參考依據,土體等效剪切波速是從地面到一定測試深度的土體波速的綜合反映,并不是具體到某個特定土層的波速,許多用戶在這一點還理解的不是很清楚,往往混淆這兩個概念。

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