一种水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备及安装方法
【专利摘要】一种水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备及安装方法，通过第二连接部件把孔隙水压力传感器和三向速度传感器固定连接在一起，使上述第二连接部件、三向速度传感器位于钻孔中，使孔隙水压力传感器位于钻孔底部的土体中，在孔隙水压力传感器上方放置膨胀泥球，并使三向速度传感器位于膨胀泥球中。当膨胀泥球吸水膨胀后，就使三向速度传感器固定在钻孔中，并使孔隙水压力传感器与钻孔上方的水体隔绝开来。本发明可在同一钻孔中准确安装两个传感器，并能够测定所需方向的土层振动速度和所需土层的孔隙水压力。
【专利说明】一种水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备及安装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种土体振动速度和孔隙水压力测定设备，具体说是涉及一种准确测定水下土体的振动速度和孔隙水压力的设备及安装方法。
【背景技术】
[0002]如今，在很多水利工程施工过程中，会涉及打桩、爆破等振动问题。为确保施工过程中周围建筑物的安全，需对土体振动及稳定进行监测，主要涉及土体振动速度和孔隙水压力测定。用常规传感器测定土体振动速度与孔隙水压力具有方便、准确、经济、快捷等特点。在这方面，传感器得到了充分应用和深入研究。但三向速度传感器埋入水下土体后，传感器的固定及如何保证传感器的测振方向与需测方向一致是设备安装的难点，目前还未见报道。
[0003]将三向速度传感器与孔隙水压力传感器连接成一个整体放置到水下土体中，与传统安装方法中将两个传感器分孔安装相比，可以节约钻孔成本与施工时间。但两个传感器同时安装，需要解决传感器的连接与固定、水下三向速度传感器的定向、孔隙水压力传感器的封堵问题，使得常规的安装方法无法完成。本申请通过研制一种水下土体三向速度传感器与孔隙水压力传感器的安装方法，克服上述困难，实现同孔测定土体振动速度和孔隙水压力。
【发明内容】
[0004]本发明解决的技术问题为将三向速度传感器和孔隙水压力传感器同时放置到水下土体中一定深度时，在原有传感器设备的基础上通过新的设计，既能调整三向速度传感器的测振方向，又能同时完成三向速度传感器的固定与孔隙水压力传感器的封堵。
[0005]一种水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备，包括第一连接部件、三向速度传感器、膨胀泥球、第二连接部件、孔隙水压力传感器、钻孔、土体、数据采集仪，钻孔的四周及底部均为土体，钻孔的顶部是空的，孔隙水压力传感器位于钻孔底部的土体中，第一连接部件和第二连接部件是空心管，三向速度传感器的底部设置有下通孔，三向速度传感器的顶部设置有上通孔，上通孔和下通孔之间具有通道，第二连接部件的下端与孔隙水压力传感器的尾端固定连接，第二连接部件的上端与三向速度传感器的下通孔固定连接，第一连接部件的底部与三向速度传感器的上通孔固定连接，孔隙水压力传感器的第一引出电缆依次从第二连接部件、三向速度传感器、第一连接部件穿过并从第一连接部件的顶部穿出，三向速度传感器的第二引出电缆从第一连接部件穿过并从第一连接部件的顶部穿出，第一引出电缆和第二引出电缆与数据采集仪相连接，膨胀泥球位于钻孔中并处于钻孔底部土体的上方，三向速度传感器位于膨胀泥球中。
[0006]作为本技术方案的进一步改进，膨胀泥球膨胀前膨胀泥球的封堵深度H大于lm。
[0007]作为本技术方案的进一步改进，还包括至少一节连接管，连接管是空心管，第一连接部件的上端与连接管的底部相连接，第一引出电缆和第二引出电缆穿过连接管，并从连接管的顶部穿出。
[0008]作为本技术方案的进一步改进，连接管的顶部或者外壁上至少有一个凹槽。
[0009]根据上述测定设备的安装方法:
第一步:在土体中打好钻孔；
第二步:使第一引出电缆穿过第二连接部件进入三向速度传感器中，并使三向速度传感器的下通孔与孔隙水压力传感器的尾端通过第二连接部件进行固定连接；
第三步:使第一引出电缆和第二引出电缆从第一连接部件中穿出，并使三向速度传感器的上通孔与第一连接部件固定连接；
第四步:将连接好的水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备放入钻孔中，并使孔隙水压力传感器位于钻孔的底部；
第五步:转动第一连接部件使三向速度传感器至需测方向；
第六步:在第一连接部件上施加向下的压力，使得孔隙水压力传感器插入钻孔底部的土体中；
第七步:往钻孔的底部倒入膨胀泥球，膨胀泥球位于土体的上部，使孔隙水压力传感器的上部被封堵，三向速度传感器位于膨胀泥球中，膨胀泥球遇水定型一周；
第八步:使第一引出电缆、第二引出电缆和数据采集仪相连接。
[0010]作为本技术方案的进一步改进，膨胀泥球膨胀前膨胀泥球的封堵深度H大于lm。
[0011]有益效果:本发明将三向速度传感器和孔隙水压力传感器连接在一起，能调整三向速度传感器的测振方向，又能将孔隙水压力传感器放置到所需深度的土层中并封堵其上部，还能充分固定三向速度传感器，从而测定所需方向的土层振动速度和所需土层的孔隙水压力。同时，本安装方法完成土体振动速度和孔隙水压力在同孔测定，节约施工成本和安装时间。本发明操作简单，使用方便，可广泛应用于水下土体振动速度与孔隙水压力的测定工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是一种水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备示意图。
[0013]图2是连接管俯视图。
[0014]图3是测得的埋桩时典型速度曲线图。
[0015]图4是与孔隙水压力数据表格相应的曲线图。
[0016]图5是测得的土层振动速度图。
[0017]图6是不同时间测得的孔隙水压力数据图。
[0018]附图标记名称如下:
1、第一引出电缆；2、连接管；3、第一连接部件；4、三向速度传感器；5、膨胀泥球；6、第二连接部件；7、孔隙水压力传感器；8、钻孔；9、凹槽；10、第二引出电缆；11、土体。
【具体实施方式】
[0019]如图1所示。一种水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备，包括第一引出电缆
1、连接管2、第一连接部件3、三向速度传感器4、膨胀泥球5、第二连接部件6、孔隙水压力传感器7、钻孔8、第二引出电缆10、土体11、数据采集仪。
[0020]钻孔8的四周及底部均为土体11，钻孔8的顶部是空的。孔隙水压力传感器7位于钻孔8底部的土体11中。孔隙水压力传感器7用于测量钻孔8底部的土体11中的孔隙水压力。孔隙水压力传感器7的第一引出电缆I位于孔隙水压力传感器7的尾端。孔隙水压力传感器7的尾端(图1中的上端)设置有内螺纹或者外螺纹，第二连接部件6为空心管，第二连接部件6的下端设置有与孔隙水压力传感器7尾端上的内螺纹或者外螺纹相配合的螺纹，第二连接部件6的下端与孔隙水压力传感器7通过螺纹连接。当然第二连接部件6的下端也可以采用其它已知的连接方式与孔隙水压力传感器7固定连接。第二连接部件6与孔隙水压力传感器7采用螺纹连接的方式是为了方便安装，并使二者固定连接在一起。孔隙水压力传感器7的第一引出电缆I从第二连接部件6中引出。
[0021]三向速度传感器4在X，y，Z三个方向都设置有传感器，可以测定x，y，z三个方向的振动速度。三向速度传感器4的底部设置有下通孔，下通孔最好是设置在底部的中间部位。三向速度传感器4的顶部设置有上通孔，上通孔最好是设置在顶部的中间部位。在三向速度传感器4的内部预留有一定的空间，也就是说上通孔和下通孔之间具有通道，以方便第一引出电缆I从底部的下通孔穿入及从顶部的上通孔穿出。三向速度传感器4的下通孔处设置有内螺纹或者外螺纹，第二连接部件6的上端设置有与三向速度传感器4底部上的内螺纹或者外螺纹相配合的螺纹，第二连接部件6的上端与三向速度传感器4底部的下通孔通过螺纹连接。当然第二连接部件6的上端也可以采用其它已知的连接方式与三向速度传感器4的下通孔固定连接。第二连接部件6与三向速度传感器4采用螺纹连接的方式是为了方便安装，并使二者固定连接在一起。第二连接部件6位于三向速度传感器4底部下通孔的下方，以方便第一引出电缆I穿入三向速度传感器4。第一引出电缆I从第二连接部件6穿出后，从三向速度传感器4底部的下通孔穿入，并从三向速度传感器4顶部的上通孔穿出。
[0022]第一连接部件3为空心管。第一连接部件3的底部与三向速度传感器4顶部的上通孔固定连接。三向速度传感器4的顶部上通孔处设置有内螺纹或者外螺纹，第一连接部件3的下端设置有与三向速度传感器4顶部上的内螺纹或者外螺纹相配合的螺纹，第一连接部件3与三向速度传感器4通过螺纹连接。当然第一连接部件3也可以采用其它已知的连接方式与三向速度传感器4固定连接。第一连接部件3与三向速度传感器4采用螺纹连接的方式是为了方便安装，并使二者固定连接在一起。第一连接部件3位于三向速度传感器4顶部上通孔的上方。第一引出电缆I从三向速度传感器4顶部上通孔穿入第一连接部件3，三向速度传感器4的第二引出电缆10也是从三向速度传感器4顶部上通孔穿入第一连接部件3。
[0023]由于钻孔8 一般位于海底，至少需要一节连接管2与第一连接部件3相连接，当然连接管2可以使多节连接在一起使用。第一连接部件3的上端与连接管2的底部相连接，为了安装方便及拆卸，二者可以采用螺纹连接。当测定设备埋设完成后，连接管2要与第一连接部件3脱开，把连接管2从钻孔8中取出。一般来说在使用多节连接管2时，最下面一节连接管2 (与第一连接部件3相连接的连接管2)与第一连接部件3采用螺纹连接，其余连接管2之间采用螺丝钉固定连接。这样在从钻孔8中取出连接管2时，只要旋转连接管2就能把连接管2从钻孔8中取出。连接管2也是空心管，第一引出电缆I和第二引出电缆10从第一连接部件3中穿过，也就是说第一引出电缆I和第二引出电缆10从第一连接部件3的顶部穿出，并穿过连接管2，从连接管2的顶部穿出。如图2所示，连接管2的顶部或者外壁上至少有一个凹槽9，在本实施例中连接管2的顶部设置有沿圆周方向均匀排列的四个凹槽9。连接管2上的凹槽9是用来定向的。具体来讲，三向速度传感器4可以测定X、y>z三个方向的振动速度，假定当连接管2与与第一连接部件3通过螺纹拧紧时，且第一连接部件3与三向速度传感器4也通过螺纹拧紧时，凹槽9与三向速度传感器4上的X向测振方向之间的角度为α度，当需要使三向速度传感器4上的X向测振方向与需测方向一致时，只要先把连接管2上的凹槽9转动至准需测方向，然后再把连接管2转动负α度，那么三向速度传感器4上的X向测振方向就与需测方向一致了。也就是说由于连接管2与三向速度传感器4固定连接在一起，转动连接管2可以达调整三向速度传感器4的测振方向的目的。所以凹槽9最好是位于连接管2的顶部，当然也可以位于连接管2的外壁上，只要方便使用就可以。
[0024]膨胀泥球5是用膨润土做成的泥球，膨胀泥球5遇水就能膨胀。膨胀泥球5位于钻孔8底部土体11的上方，也就是位于孔隙水压力传感器7上方，且膨胀泥球5位于钻孔8中。当把膨胀泥球5放入钻孔8的底部后，膨胀泥球5遇水膨胀，使孔隙水压力传感器7与钻孔8的上方隔绝，从而保证孔隙水压力传感器7测得孔隙水压力为所在土层的孔隙水压力，而非来自钻孔8上部水体的水压力。为了使膨胀泥球5有效的使孔隙水压力传感器7与钻孔8的上方隔绝，膨胀泥球5在膨胀前的封堵深度H大于I米，一般来说只要略大于I米就可以了，当然把钻孔8填满也可以。一般来说，第一连接部件3的长度要大于2米，当膨胀泥球5在膨胀前的封堵深度H略大于I米时，那么膨胀泥球5在膨胀后也不会封堵住第一连接部件3的上端，以方便在膨胀泥球5定型后连接管2从第一连接部件3上脱开。三向速度传感器4位于膨胀泥球5中，从而使三向速度传感器4被固定在钻孔8中。
[0025]第一引出电缆I与第二引出电缆10和数据采集仪相连接。用来观测并记录三向速度传感器4与孔隙水压力传感器7的读数。
[0026]上述设备是应用于测量水下土体振动速度与孔隙水压力。上述设备的安装步骤如下所示。
[0027]第一步:在土体11中打好钻孔8。
[0028]第二步:使三向速度传感器4与孔隙水压力传感器7通过第二连接部件6进行连接，并使第一引出电缆I穿过第二连接部件6进入三向速度传感器4中。
[0029]第三步:使三向速度传感器4的上通孔与第一连接部件3相连接，并使孔隙水压力传感器7的第一引出电缆I和三向速度传感器4的第二引出电缆10从第一连接部件3中穿出。
[0030]第四步:使连接管2的底部与第一连接部件3的顶部相连接，并使孔隙水压力传感器7的第一引出电缆I和三向速度传感器4的第二引出电缆10从第一连接部件3中穿过并从连接管2中穿出，如果钻孔8的长度大于连接管2的长度，可以使用多节连接管2相互连接在一起，使得最上面一节连接管2的顶部高于钻孔8的顶部。
[0031]第五步:将连接好的水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备放入钻孔8中，并使孔隙水压力传感器7位于钻孔8的底部。
[0032]第六步:先使连接管2上的凹槽9对准需要测量的振动方向，然后转动负α度，使得需要测量的振动方向与三向速度传感器4的能够测量的振动方向相同，也就是说转动连接管2使三向速度传感器4至需测方向，当然我们也可以转动第一连接部件3使得需要测量的振动方向与三向速度传感器4的能够测量的振动方向相同，从本质上来说由于连接管2和第一连接部件3连接在一起，转动哪个都是一样的。
[0033]第七步:在连接管2上施加向下的压力，使得孔隙水压力传感器7插入钻孔8底部的土体11中，使得孔隙水压力传感器7可以测量钻孔8底部的土体11中的孔隙水压力，当然我们也可以在测定设备上的任何一处(包括第一连接部件3)施加向下的压力，使得孔隙水压力传感器7插入钻孔8底部的土体11中。
[0034]第八步:往钻孔8的底部倒入膨胀泥球5，膨胀泥球5位于钻孔8底部的土体11的上部，使孔隙水压力传感器7的上部被封堵，膨胀泥球5膨胀前膨胀泥球5的封堵深度H大于lm，三向速度传感器4位于膨胀泥球5中，膨胀泥球5经遇水定型一周后，使连接管2与第一连接部件3脱开；孔隙水压力传感器7上部倒入膨胀泥球5封堵，膨胀泥球5膨胀前膨胀泥球5的封堵深度H大于lm，这样封堵处理能保证孔隙水压力传感器7的测量值为所在土层的孔隙水压力，不会受到来自钻孔8内上部水体的影响，同时膨胀泥球5还能充分固定三向速度传感器4，使得三向速度传感器4通过膨胀泥球5与钻孔8周围的土体11连接在一起，从而准确测量土体11的三向振动速度。
[0035]第九步:旋转连接管2，使得连接管2与第一连接部件3脱开，将连接管2从钻孔8中撤出。
[0036]第十步:使第一引出电缆1、第二引出电缆10和数据采集仪相连接。用来观测并记录三向速度传感器4与孔隙水压力传感器7的读数。
[0037]至此水下土体11中的两个传感器完全安装成功，即可在相应距离进行打桩振动实验。此时，记录三向速度传感器4与孔隙水压力传感器7的读数。三向振动速度检测全程贯穿打桩过程，实时观测三向振动速度曲线，孔隙水压力正常每天检测两次。
[0038]本次振动速度采集采用国内最先进的动态采集测试系统DH5920，其多通道并行同步采样技术成熟且稳定性较好，每通道最高采样速率达128kHz，满足振动、冲击、噪声多种测试，且采样方便，具有丰富的数据分析处理功能，测试过程中可以实时得到传感器位置的速度时程曲线。测得的振动速度数据见图5，测得的埋桩时典型速度曲线见图3。
[0039]本次孔隙水压力采集采用精度〈0.1Hz的XP-02型振弦式频率仪，直接测定孔隙水力计的频率变化，根据标定的孔隙水压力与频率的关系曲线，由实测孔隙水压力的频率得到该测点的孔隙水压力值。测得的不同时间点的孔隙水压力数据见图6，相应的孔隙水压力曲线见图4。
[0040]通过本安装方法测出的数据:图5、图6和图3、图4，能反映打桩振动时实际土层振动速度和孔隙水压力的变化。说明本设备及其安装方法成功实现了水底钻孔8中三向速度传感器4与孔隙水压力传感器7的成功安装及操作。
[0041]本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
【权利要求】
1.一种水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备，其特征在于:包括第一连接部件(3)、三向速度传感器(4)、膨胀泥球(5)、第二连接部件(6)、孔隙水压力传感器(7)、钻孔(8)、土体(11)、数据采集仪，钻孔(8)的四周及底部均为土体(11)，钻孔(8)的顶部是空的，孔隙水压力传感器(7)位于钻孔(8)底部的土体(11)中，第一连接部件(3)和第二连接部件(6)是空心管，三向速度传感器(4)的底部设置有下通孔，三向速度传感器(4)的顶部设置有上通孔，上通孔和下通孔之间具有通道，第二连接部件(6)的下端与孔隙水压力传感器(7)的尾端固定连接，第二连接部件(6)的上端与三向速度传感器(4)的下通孔固定连接，第一连接部件(3)的底部与三向速度传感器(4)的上通孔固定连接，孔隙水压力传感器(7)的第一引出电缆(I)依次从第二连接部件(6)、三向速度传感器(4)、第一连接部件(3)穿过并从第一连接部件(3)的顶部穿出，三向速度传感器(4)的第二引出电缆(10)从第一连接部件(3)穿过并从第一连接部件(3)的顶部穿出，第一引出电缆(I)和第二引出电缆(10)与数据采集仪相连接，膨胀泥球(5)位于钻孔(8)中并处于钻孔(8)底部土体(11)的上方，三向速度传感器(4)位于膨胀泥球(5)中。
2.根据权利要求1所述的测定设备，其特征在于:膨胀泥球(5)膨胀前膨胀泥球(5)的封堵深度大于lm。
3.根据权利要求1所述的测定设备，其特征在于:还包括至少一节连接管(2)，连接管(2)是空心管，第一连接部件(3)的上端与连接管2的底部相连接，第一引出电缆(I)和第二引出电缆(10)穿过连接管(2)，并从连接管(2)的顶部穿出。
4.根据权利要求3所述的测定设备，其特征在于:还包括凹槽(9)，连接管(2)的顶部或者外壁上至少有一个凹槽(9)。
5.根据权利要求1所述测定设备的安装方法，其特征在于: 第一步:在土体(11)中打好钻孔(8)； 第二步:使第一引出电缆(I)穿过第二连接部件(6)进入三向速度传感器(4)中，并使三向速度传感器(4)的下通孔与孔隙水压力传感器(7)的尾端通过第二连接部件(6)进行固定连接； 第三步:使第一引出电缆(I)和第二引出电缆(10)从第一连接部件(3)中穿出，并使三向速度传感器(4)的上通孔与第一连接部件(3)固定连接； 第四步:将连接好的水下土体振动速度与孔隙水压力测定设备放入钻孔(8)中，并使孔隙水压力传感器(7)位于钻孔(8)的底部； 第五步:转动第一连接部件(3)使三向速度传感器(4)至需测方向； 第六步:在第一连接部件(3)上施加向下的压力，使得孔隙水压力传感器(7)插入钻孔(8)底部的土体(11)中； 第七步:往钻孔(8)的底部倒入膨胀泥球(5)，膨胀泥球(5)位于钻孔(8)底部的土体(11)的上部，三向速度传感器(4)位于膨胀泥球(5)中，膨胀泥球(5)遇水定型一周； 第八步:使第一引出电缆(I )、第二引出电缆(10)和数据采集仪相连接。
6.根据权利要求5所述测定设备的安装方法，其特征在于:膨胀泥球(5)膨胀前膨胀泥球(5)的封堵深度大于lm。
【文档编号】E02D1/00GK104153340SQ201410348659
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】朱瑞虎, 诸裕良, 李成强, 吴腾, 严士常, 苏静波 申请人:河海大学