JQ系列井下波速测试检波器

JQ系列井下波速测试设备及其在岩土工程勘察中的应用一、现状简述岩土工程勘察中一项重要的工作内容，就是进行钻孔中的波速测试。

迄今为止，广泛使用的孔中检波器（探头），是三分量气囊贴壁方式。

这种检波器在孔中的每一个测试位置上，都必须进行充气—排气操作，效率极低，气囊爆裂、磨损率高。

对于扩颈部位或大孔径的钻孔，则无法测试。

另外，由于只有两个水平传感器，浅部的S波信号难以测试到。

二、JQ系列波速测试设备的结构、性能特点本系列产品已获中国专利局的实用新型专利，具有以下特点：①电控推靠式贴壁；②多方向横波检波器技术；③特制四合一全封闭软铠甲电缆；⑴电控推靠式贴壁装置电控推靠式贴壁装置，采用电磁铁控制弹簧钢杆使检波器贴壁，一改充气贴壁方式的烦琐、低效、受孔径大小限制、气囊破损率高、安装操作不便等缺点。

仅用12伏直流电瓶控制即可，保证了野外使用的方便、可靠。

另外，不受测试孔径的限制，将原来的测试孔径范围，由Ф80～Ф150mm，改良为Ф50～Ф1500mm。

测试效率提高了约400%，故障率极低，安装、携带方便。

⑵多方向横波检波器技术采用多方向横波（S波）检波器，解决了浅部S波信号难以捕捉的问题。

在用传统的三分量（两个水平分量、一个垂直分量）传感器进行单孔中10米以上的地层的S波测试时，由于检波器在孔中的自转，其贴壁方向是随机的。

则检波器中的两个水平传感器与地面激振板的方向往往是不平行的，有一定的夹角。

如图1所示。

这样，水平传感器接收的地面激振波的振动方向与波的传播方向就是不垂直的。

亦即，水平传感器接收的并非S波。

从而在记录中也就不能清楚地看到，由两个相反方向（P,N）激振所产生的起跳重合在一起的两个反向脉冲信号。

也就意味着测试的失败。

即使偶尔能够测到所期望的S 波信号，也仅仅是巧合而已。

这时，某个传感器的方向，恰巧与激振板的方向平行了。

由于检波器在孔中随机地自转着，这种巧合的概率是很低的。

这也就是，即使贴壁良好，浅部S波信号往往测不好的主要原因。

在进行深部测试时，由于板孔距很小（一般约1米左右），这时激振波可以认为始终是垂直于水平传感器向下传播的，则水平传感器始终接收的是S波信号。

故用三分量检波器进行深部测试是可以的。

JQ系列检波器，采用了多个水平传感器技术（一般为5个）。

由于多个水平传感器在检波器中呈多角度辐射状布置，这样检波器贴壁后，总有一个水平传感器的方向与激振板方向平行或近似平行，从而保证了能够有效地捕捉到S波信号。

在笔者近两年约200个钻孔的测试工作中，已取得了良好的效果。

向P⑶四合一全封闭软铠甲电缆首先，采用了钢丝绳生产工艺，导线在钢丝绳中包裹，保证了电缆能够承重。

其次，导线、钢丝绳全部被一层2mm厚的聚氯乙护套紧箍成一体，使导线不易磨损，钢丝绳不生锈，延长了使用寿命，防止了由于钢丝绳绣断产生的事故。

由于电磁铁控制导线及信号线都挤塑在一根护套内，且深度标尺刻画在护套上，使用一根电缆即可工作，省去了导线、承重钢丝绳、测绳、输气管四道繁琐、复杂、混乱的工序，实现了四合一。

另外，在电缆的两头，分别装有两个特殊的接头，使电缆与检波器不必始终连在一起。

使用时，将电缆的下接头与检波器接在一起，上接头与适配线接在一起，即可测试。

而且电缆的上接头与另一根电缆的下接头可以对接，增加测试深度。

测试完毕后，将电缆两头的密封盖拧上，将检波器接头上的密封盖拧上，检波器、电缆均被密封起来，可分别携带、冲洗。

极为方便。

且整个全封闭系统至少可耐压30个大气压。

三、实用测试技术与工艺波速测试有单孔波速法（检层法）和跨孔波速法。

现就应用JQ系列检波器进行单孔波速测试的实用测试技术与工艺简述如下：⑴要保证检波器(探头)贴壁在测试孔中泥浆较稠的情况下，亦可利用泥浆耦合。

缺点是，检波器不易下到位，测试效果不稳定。

气囊贴壁检波器，由于可靠性低，操作烦琐，受孔径限制，在实际工程中，极不实用。

建议使用JQ系列井下波速测试检波器，由于其采用了电控推靠贴壁方式，较好地解决了上述问题。

检波器下到孔中后，测试时，电缆一定要静止在孔中心。

⑵激振板激振板的尺寸以2000mm×400mm×50 mm最佳，两头用厚度5mm 以上的槽钢焊制的铁靴固定。

多次击打有裂缝后，应及时修复，否则影响测试效果。

⑶摩擦面激振板下的摩擦面，必须平整、密实，不能有建筑垃圾以及新近堆积的杂填物。

进行深孔测试时，若有水泥面，必须砸掉。

进行浅孔（20米以内）测试时，若有水泥面，可在击振板下铺垫5cm厚的十分稠的泥浆，用锤反复敲击击振板，使其牢固地吸附在泥浆中。

⑷压重测试深度小于20米时，激振板上的压重，应不小于500kg，亦可用汽车的两前轮压；测试深度大于20米而小于90米时，激振板上的压重，应不小于2000kg。

以保证有足够的摩擦力。

⑸击振能量与方式测深大于20米而小于90米时，应用不小于18磅的铁锤重击。

测深小于20米时，应用不大于4磅的铁锤轻击，越到浅部，越要轻击。

测深大于90米时，应采用弹簧激振法或定向爆破法[1]。

水平敲击铁靴，保证每一测点波形的稳定性、重复性好。

要求周围环境振动干扰尽量小。

⑹板孔距原则上，板孔距越小越好，一般不大于1.5米。

激振板的中心应正对孔口，两端与孔口等距。

⑺浅部信号的测试当测试深度较浅时，可分别将2#—6#（编号分别为2、3、4、5、6的5个）传感器接到采集仪上，选择有清楚的S波信号的初至（正反向一致）的记录保存。

⑻零时触发信号零时触发信号最好用埋在激振板下的传感器给出。

它将作为波在地层中传播时间的起始时刻。

该传感器应位于激振板的中心，埋实，与激振板紧密接触。

四、波形判读及波速计算图3为笔者在西安地区用JQ Ⅴ型检波器实测的一组波形。

由波动理论知，剪切波（S波）的能量约为压缩波（P波）能量的3倍，S 波比P波频率低、传播能量衰减慢、传播速度低；且相反向激振产生的S波波形相位相差1800,而P 波不变。

则据此，在一组诸如图2的波形中，可轻易、准确地判读出S波的到时。

P波到时应从垂直敲击激振板中心附近的钢板得到的波形中判读，只是比S波初至的判读困难些。

在进行波速计算时，假设地层为一维水平成层模型。

即在每一测试层中，波速是一致的。

如图2，图2 波速计算过程示意图图3 实测波形第1层的波速V s1计算如下：SCSCS t l V =1 (1) 第2层的波速V s2计算如下：FDFDS t l V =2 (2) 其中: t FD =t SD -t SF (3)1S SFSF V l t =(4) (1)—（4）式中的tSC 、tSD 即为由测试波形判读出的各个测试层位的S 波到时。

l SC 、l SF 、l SD 等可利用板孔距d SC 和平面几何理论得到。

依次递推，即可得到任一层位的S 波波速：BGBGSi t l V =(5) P 波波速的计算与上完全相同。

五、测试结果的应用波速测试的结果主要可用于以下几个方面： ⑴进行场地地层分类和场地类别划分： ★场地土类型：见表1[2]表1★★场地类别：见表2[2]表2表2中的等效剪切波速Vse 的定义如下： td V se 0=（6） ∑==nai siiV d t )(（7） 式中 d 0——计算深度（m ）,取覆盖层厚度和20m 二者的较小值；t ——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间； d i ——计算深度范围内第i 土层的厚度（m ）； V si ——计算深度范围内第i 土层的剪切波速（m/s ）； n ——计算深度范围内土层的分层数。

建筑场地覆盖层厚度的确定[2]，有4条规定，一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s 的土层顶面的距离确定。

笔者所编制的sjl22波速计算程序，贯穿了规范的所有规定与精神，能够精确地给出各计算层位的波速V si 及土层等效剪切波速Vse 。

⑵岩土地基动力参数计算[1]：22222)43(s p s p s d V V V V V E --=ρ (8)2s d V G •=ρ (9))(222222sps p d V V V V --=ν (10)式中 d E ——地基土的动弹性模量；d G ——地基土的动剪切模量；d ν——动泊松比； ρ——介质的质量密度； 其它符号意义同前。

⑶计算场地卓越周期 T(s) [1]: ∑==NI siiV h T 14 (11) 式中 T ——场地地基土的卓越周期（s ）；i h ——第i 层土层厚度（m ），一般计算至基岩面，当岩面较深时，可计算至30～50m ；si V ——第i 层土的剪切波波速（m/s ）； n ——土层层数。

⑷计算地基刚度系数岩土地基物理力学参数：详见《工程地质手册》第三版，P 314。

⑸为场地地震反应分析提供依据，详见有关专业文献。

⑹探测地质异常体，如洞穴、古墓、地下管道等，详见有关专业文献。

参考文献①《工程地质手册》第三版。

②《建筑抗震设计规范》，GB 50011—2010。

结束语JQ系列检波器自从2001年12月定型投入批量生产以来，已销往黑龙江、吉林、辽宁、河北、河南、上海、浙江、江苏、江西、湖北、湖南、云南、广西、西藏、甘肃、陕西、青海、山西、山东、海南、四川、北京、内蒙、福建、天津、重庆、新疆等省、市、自治区（仅台湾尚无用户），用户反应良好，经常被带到海外进行测试。

为广大工程勘察工作者提供了一种高效、方便、可靠的波速测试设备。

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