實驗名稱：含鹽人工凍土的聲學特性研究

研究方向：人工凍結法是利用人工制冷技術使地層中的水結冰形成凍土，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，在凍結壁的保護下進行地下工程施工。通常采用凍結管中循環(huán)低溫冷媒劑（凍結法施工中多用氯化鈣溶液作冷媒劑）的方式把天然巖土變成人工凍土，然而受地層條件、凍結孔偏斜、凍結工藝及掘砌方式影響，凍結管斷裂事故時有發(fā)生，導致的鹽水泄漏問題，不利于凍結壁穩(wěn)定。目前凍結壁發(fā)育狀況評估方法有圖乘法、經(jīng)驗公式法、數(shù)值模擬法等，這三種方法存在的缺點是對測溫孔內測溫結果的依賴程度高，在距測溫孔較遠時判斷不準確，容易忽略局部凍結壁開窗、強度不足等關鍵信息。而對于含鹽條件下的人工地層凍結，溫度場變化受鹽分的影響情況復雜，通過現(xiàn)有檢測手段對異常情況的探測更加困難。例如當鹽分分布不均，凍結壁形成形狀可能不規(guī)則，或因鹽水泄露存在不確定的開窗風險。針對含鹽的特殊凍結條件，了解凍結壁的發(fā)育狀況和工程性能對于人工凍結法安全施工十分重要。

聲波在巖土介質中傳播，其聲學特性與巖土物理力學性質密切相關。在人工地層凍結工程中認識含鹽人工凍土的聲學特性，建立聲波參數(shù)與含鹽人工凍土物理力學性質的關系，可為聲波探測鹽水浸漬凍結壁異常情況提供必要依據(jù)。聲波檢測作為一種方便快捷的無損檢測技術有望實現(xiàn)這一目標。聲波在凍土中傳播時，其聲波特性是凍土溫度、含水量、密度、凍土中裂隙情況、應力狀態(tài)等因素的綜合指標，同時凍土強度也是這些因素的綜合反映，通過二者之間的關系，可實現(xiàn)現(xiàn)場快速測定凍土聲參數(shù)從而對原位現(xiàn)場凍土力學性質進行推算。

實驗目的：驗證含鹽人工凍土的聲學特性

測試設備：信號發(fā)生器、ATA-2021B高壓放大器、示波器、電荷放大器、壓電陶瓷傳感器等。

實驗過程：首先由函數(shù)發(fā)生器激發(fā)單周期正弦波，然后激發(fā)信號經(jīng)由ATA-2021B高壓放大器放大后分兩路，一路直接輸出到數(shù)字示波器作為激發(fā)波形信號，另一路用于驅動壓電陶瓷傳感器產(chǎn)生振動激發(fā)聲波，聲波通過測試試樣傳播，另一端由壓電陶瓷接收傳感器收到信號后，再經(jīng)由電荷放大器對信號濾波后再次放大傳輸?shù)綌?shù)字示波器作為接收波形信號，最后利用示波器的存儲功能將波形數(shù)據(jù)導入到計算機中進行傳播時間的確定，實驗系統(tǒng)搭建如圖1-1。

圖1-1：實驗系統(tǒng)圖

實驗結果：

圖1-2：波速比變化規(guī)律圖

圖1-2(a)中可以發(fā)現(xiàn)無圍壓條件下，波速比隨含鹽量增加略有減少，變化范圍為1.82~2.41，由此可見，無圍壓作用時，波速比對含鹽量的變化不敏感，凍土在完全飽和時的波速比要大于未飽和時的波速比，可見波速比不僅與土質有關，還與飽和度有關，在低圍壓條件下（4MPa、6MPa）波速比隨含鹽量的增加而增大；高圍壓條件下（8MPa），波速比隨含鹽量的增加而減小。圖1-2(b)中可以發(fā)現(xiàn)，相同含鹽量凍結粉砂的波速比整體上隨著圍壓的增大而增大。

電壓放大器推薦：

圖：ATA-2021B高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇