聲波測(cè)試耦合裝置及測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是涉及巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測(cè)試及分析領(lǐng)域中的鉆孔聲波測(cè)試設(shè)備，具體是指一種聲波測(cè)試耦合裝置，本發(fā)明還涉及采用這種耦合裝置的測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工程建設(shè)的復(fù)雜程度和對(duì)工程地質(zhì)要求的提高，我們往往需要測(cè)試工程場(chǎng)地的巖土的結(jié)構(gòu)狀況和力學(xué)特性，以便對(duì)重大巖土工程設(shè)計(jì)、建設(shè)及其對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估和決策。
[0003]目前，利用聲波測(cè)試對(duì)巖土工程做定量化研宄，具體是以電磁激振的方法通過聲波發(fā)射換能器向介質(zhì)(如:巖石、巖體，混凝土結(jié)構(gòu)等)發(fā)射聲波，同時(shí)在一定的空間距離上通過聲波接收換能器接收介質(zhì)物理特性調(diào)制后的聲波。通過觀測(cè)和分析聲波在該場(chǎng)地介質(zhì)中的傳播速度、振幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)，分析得出介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和狀況，為巖土工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。聲波測(cè)試實(shí)用性強(qiáng)，完全不破壞工程結(jié)構(gòu)，在建設(shè)工程中使用廣泛，檢測(cè)技術(shù)先進(jìn)，檢測(cè)儀器普遍。
[0004]但是，現(xiàn)有的聲波測(cè)試裝置也存在一定問題，特別是聲波測(cè)試中，必須保證發(fā)射探頭和接收探頭必須同時(shí)與孔壁直接或者通過特定介質(zhì)間接耦合良好；這使得聲波測(cè)試技術(shù)在巖土勘測(cè)中的應(yīng)用中受到限制，給解決工程問題帶來諸多不便。
[0005]目前工程勘查中，經(jīng)常采用的方式是對(duì)待測(cè)區(qū)域鉆孔然后在鉆孔中注水，再使用聲波探頭等裝置進(jìn)行聲波測(cè)試。但是，鉆孔中的水往往滲漏嚴(yán)重，從而造成鉆孔無法充滿水，需要不斷往鉆孔中注水以保證測(cè)試，導(dǎo)致水消耗量大，往往使用不便。某些鉆孔底部甚至在不斷注水時(shí)也無法充滿水，無法進(jìn)行聲波測(cè)試。
[0006]此外，還可以使用乳膠囊緊貼孔壁，往乳膠囊中注水進(jìn)行耦合的方法(如專利CN2414417Y)。但是，這種方法對(duì)充水時(shí)的壓力控制要求較高，壓力過小則無法將水槽中的水壓入乳膠囊中，壓力過大則可能造成乳膠囊過度膨脹而泄露。更為重要的是，聲波從發(fā)射換能器到接收換能器的傳播過程中還需通過乳膠囊，聲波能量損耗大，測(cè)試誤差大。
[0007]除了鉆孔后注水測(cè)試外，還可以直接對(duì)干孔做測(cè)試，如干孔探頭貼壁裝置(專利CN202649477U)無需通過水與孔壁耦合，而是通過聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭緊貼孔壁，孔壁直接作為聲波傳播的介質(zhì)，擴(kuò)大了適用范圍。但是該裝置制作較為復(fù)雜，造價(jià)較高同時(shí)難以完全保證探頭和孔壁間的緊密接觸。
[0008]類似的，還有發(fā)明《一種聲波全方位測(cè)試干孔探頭的耦合裝置》(申請(qǐng)?zhí)?01410523153.4)提出的將儲(chǔ)水器和耦合氣囊以密封件連接，向氣囊內(nèi)充氣以擠壓儲(chǔ)水器中的水，通過過水孔進(jìn)入耦合氣囊中與聲波探頭耦合，給聲波測(cè)試帶來一定便利。但是，使用氣囊耦合時(shí)獲得的耦合性較差，對(duì)真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)有較大的影響，而且耦合氣囊中有空氣干擾，無法保證水與聲波探頭實(shí)現(xiàn)良好耦合，對(duì)測(cè)試效果產(chǎn)生較大影響，無法保證其測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的第一目的是:針對(duì)上述現(xiàn)有問題而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的新型的聲波測(cè)試耦合裝置，以保證所測(cè)得數(shù)據(jù)真實(shí)可信，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確無誤。
[0010]本發(fā)明的第二目的在于提供一種采用上述聲波測(cè)試耦合裝置的測(cè)試方法。
[0011]本發(fā)明的第一目的是通過如下措施來達(dá)到的:聲波測(cè)試耦合裝置包括至少一個(gè)聲波發(fā)射換能器、至少一個(gè)中部聲波接收換能器和至少一個(gè)底部聲波接收換能器；所述的聲波發(fā)射換能器設(shè)置在頂部鋼圈上朝向底部鋼圈一側(cè)；所述的底部聲波接收換能器設(shè)置在底部鋼圈上朝向頂部鋼圈一側(cè)；所述的中部聲波接收換能器設(shè)置在聲波發(fā)射換能器和底部聲波接收換能器之間；聲波發(fā)射換能器、中部聲波接收換能器和底部聲波接收換能器，相鄰兩兩之間設(shè)置有連接電纜和固定用的承重連接件；所述頂部鋼圈上未設(shè)置聲波發(fā)射換能器的一側(cè)上設(shè)置有設(shè)備連接線束；
[0012]沿所述的底部鋼圈的外周圍設(shè)置有底部氣囊；所述的底部鋼圈軸向上貫穿設(shè)置有底部連接氣管；所述底部連接氣管連通氣泵和底部氣囊；
[0013]沿所述的頂部鋼圈的外周圍設(shè)置有頂部氣囊；頂部鋼圈軸向上貫穿設(shè)置有底部連接氣管、頂部連接氣管、進(jìn)水管、上部排氣管；其中，頂部連接氣管連通氣泵和頂部氣囊；底部連接氣管連通氣泵和底部氣囊充氣；進(jìn)水管連接水泵。
[0014]在頂部鋼圈上沿軸向上貫穿設(shè)置有下部排氣管；所述的下部排氣管為可拆卸式且長(zhǎng)度可調(diào)。
[0015]在上述設(shè)計(jì)方案中，底部連接氣管和頂部連接氣管均使用外徑6?10毫米的鋼制壓力管；進(jìn)水管、上部排氣管和下部排氣管采用外徑10?25毫米的鋼制承壓管。
[0016]在上述設(shè)計(jì)方案中，所述的頂部鋼圈和底部鋼圈均為圓柱形不銹鋼制結(jié)構(gòu)，沿頂部鋼圈的外側(cè)圓柱面的中部徑向開有凹槽以安裝頂部氣囊；所述頂部氣囊的外側(cè)弧面突出于頂部鋼圈外周圍表面；沿底部鋼圈的外側(cè)圓柱面的中部徑向開有凹槽以安裝底部氣囊；所述底部氣囊的外側(cè)弧面突出于底部鋼圈外周圍表面。
[0017]在上述設(shè)計(jì)方案中，頂部氣囊和底部氣囊均為彈性材質(zhì)。
[0018]在上述設(shè)計(jì)方案中，所述的中部聲波接收換能器和聲波發(fā)射換能器之間間距LI> 20厘米；所述的中部聲波接收換能器和底部聲波接收換能器之間間距L2 > 20厘米；而且，中部聲波接收換能器的設(shè)置在:底部聲波接收換能器和聲波發(fā)射換能器之間的1/4?3/4處，即1/3 < L1/L2 < 3 ;所述的底部聲波接收換能器和聲波發(fā)射換能器之間的距離為在0.5?2米范圍內(nèi)，即0.5米< L1+L2 < 2米。
[0019]本發(fā)明的第二目的采用聲波測(cè)試耦合裝置的測(cè)試方法，包括如下步驟:
[0020]當(dāng)探孔為向下時(shí):
[0021]步驟1:將聲波測(cè)試耦合裝置放入探孔內(nèi)，將其固定到測(cè)試點(diǎn)位置；
[0022]步驟2:啟動(dòng)氣泵，打開底部氣囊閥門，通過底部連接氣管往底部氣囊中充氣，直到底部氣囊與探孔孔壁緊密貼合，關(guān)閉底部氣囊閥門和氣泵；
[0023]步驟3:打開進(jìn)水管的閥門，啟動(dòng)水泵，通過進(jìn)水管往探孔內(nèi)注水，直到水位接近頂部鋼圈時(shí)停止加水；
[0024]步驟4:打開頂部氣囊閥門，啟動(dòng)氣泵，往頂部氣囊中充氣，直至頂部氣囊與探孔孔壁緊貼；
[0025]步驟5:打開上部排氣管上的閥門，啟動(dòng)水泵繼續(xù)往探孔內(nèi)注水，直到有水從上部排氣管中排出時(shí)關(guān)閉上部排氣管上的閥門，然后關(guān)閉進(jìn)水管的閥門和水泵；
[0026]步驟6:啟動(dòng)聲波儀，進(jìn)行聲發(fā)射耦合測(cè)試，記錄并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；
[0027]步驟7:測(cè)試完成后，打開頂部氣囊閥門，從頂部氣囊中排氣直至與探孔孔壁脫離時(shí)關(guān)閉頂部氣囊閥門；
[0028]步驟8:打開底部氣囊閥門，從底部氣囊中排氣直到底部氣囊與探孔孔壁接觸壓力很小至能移動(dòng)時(shí)；迅速關(guān)閉底部氣囊閥門，移出本設(shè)備；
[0029]當(dāng)探孔為類水平時(shí):
[0030]步驟I和探孔為向下時(shí)的步驟I相同；
[0031]步驟2:打開頂部氣囊閥門和底部氣囊閥門，通過底部連接氣管和頂部連接氣管往底部氣囊和頂部氣囊中同時(shí)充氣；
[0032]步驟3:同時(shí)打開上部排氣管和下部排氣管上的閥門，打開進(jìn)水管上的閥門并啟動(dòng)水泵，往探孔內(nèi)注水；
[0033]步驟4:注水將滿時(shí)，若水先從上部