王崧美， 李海鵬，2， 竇 帥， 康慶平， 楊 念， 張 駿

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇徐州221116； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221008； 3.徐州市交科軌道交通產(chǎn)業(yè)研究院有限公司，江蘇徐州221000）

0 引言

人工地層凍結(jié)技術(shù)具有對(duì)地層加固效果好、隔絕地下水可靠的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜條件下的地下工程建設(shè)［1］。凍結(jié)壁關(guān)系到地下工程掘砌施工安全，了解其發(fā)展?fàn)顩r和穩(wěn)定狀態(tài)是地層凍結(jié)工程的重要內(nèi)容，除常規(guī)采用水文觀測(cè)孔和測(cè)溫孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用也受到較多關(guān)注［2-5］。

聲波測(cè)試技術(shù)是一種檢測(cè)速度快、成本低、對(duì)人體無(wú)害的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，成功利用聲波檢測(cè)凍結(jié)壁厚度將為凍結(jié)施工帶來(lái)很大方便。為了使這項(xiàng)技術(shù)得以發(fā)展，首先需要建立聲學(xué)參數(shù)與凍土物理力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系。傅蓉等［6］利用國(guó)產(chǎn)SYC-2型聲波巖石參數(shù)測(cè)定儀得到了不同條件下人工凍結(jié)砂土及黏土中的超聲波波速，試驗(yàn)表明，聲速是影響凍土性質(zhì)各項(xiàng)因素的綜合反映。李強(qiáng)等［7］研究了不同負(fù)溫、含水量、重度的凍砂土和凍黏土抗壓、抗拉強(qiáng)度、彈模與凍土縱橫波速、振幅衰減及動(dòng)彈模的關(guān)系，并分析了凍砂土和凍黏土的差異以及凍砂土蠕變與聲波波速的關(guān)系。盛煜等［8］用液浸式超聲波循環(huán)法測(cè)定了含有不同比例廢棄輪胎碎屑的Tomakomai 粉土的縱、橫波速度。張建明等［9］通過(guò)蘭州季節(jié)凍土現(xiàn)場(chǎng)聲波波速測(cè)試分析了波速與土的膠結(jié)狀態(tài)、溫度和含水量的關(guān)系。王大雁等［10-11］運(yùn)用UVM-2 型聲速測(cè)定儀，測(cè)定了不同密度、不同含水率的凍結(jié)砂土、凍結(jié)黃土和凍結(jié)黏土在不同溫度下的超聲波波速。黃星等［12-13］利用RSM-SY5（T）型非金屬聲波檢測(cè)儀，分析溫度、含水率和干密度等對(duì)凍結(jié)黏土波速的影響以及波速與強(qiáng)度的關(guān)系，同時(shí)利用短時(shí)傅里葉變換及小波分析研究聲波在凍結(jié)重塑黃土中傳播的波形、頻譜等特征。由此可見(jiàn)，利用聲波檢測(cè)技術(shù)評(píng)估凍結(jié)壁發(fā)育情況切實(shí)可行［14］。而掌握深部?jī)鐾谅晫W(xué)參數(shù)與物理力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系是至關(guān)重要的一環(huán)。

壓電彎曲元因原理簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、無(wú)損檢測(cè)和易于移植等特點(diǎn)，近年來(lái)在聲波試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用［15］。彎曲元技術(shù)應(yīng)用于凍土研究已見(jiàn)報(bào)道，但未大量開(kāi)展。Park 等［16］利用三對(duì)彎曲元件沿著深度安裝在三個(gè)不同的位置，連續(xù)測(cè)量無(wú)壓力條件下土壤凍結(jié)期間的壓縮波和剪切波。Zhang等［17］以多年凍土為研究對(duì)象，分別用彎曲圓盤和彎曲元測(cè)量壓縮波和剪切波速度，用于評(píng)估在解凍期間的彈性特性。秦輝等［18］通過(guò)開(kāi)展無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)、彎曲元波速測(cè)試，研究建立了凍融循環(huán)黃土的波速與單軸抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

目前凍土聲波特性研究多針對(duì)淺部土體，相應(yīng)的聲波測(cè)試裝置尚不具備高壓凍融條件下的測(cè)試功能。對(duì)于深土凍融過(guò)程存在較高地應(yīng)力作用的特殊情況，需要研制一種能夠模擬深部?jī)鐾琳鎸?shí)環(huán)境的高壓凍融聲波測(cè)試裝置，以認(rèn)識(shí)深土高壓凍融條件下的聲波特性。為此，本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，基于彎曲元測(cè)試技術(shù)，研制新型高壓凍融試驗(yàn)裝置，并研究了深土彎曲元聲波測(cè)試方法。

1 深土高壓凍融彎曲元測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建

深部?jī)鐾潦窃诮?jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間固結(jié)后，并在有載狀態(tài)下凍結(jié)形成的，因此，其合理的試驗(yàn)方式應(yīng)該是先固結(jié)，并在荷載狀態(tài)下凍結(jié)后，再進(jìn)行試驗(yàn)［19］。為符合高壓環(huán)境下土的凍融特征及凍融后物理力學(xué)性質(zhì)的研究，本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)最大承載力達(dá)到10 MPa，可自主選擇單向或者雙向凍結(jié)模式，并搭載了側(cè)裝式彎曲元測(cè)試系統(tǒng)，能夠在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取土體的剪切波速。

本文研制的高壓凍融側(cè)裝式彎曲元試驗(yàn)裝置由試樣承壓艙、加載系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和側(cè)裝式彎曲元測(cè)試系統(tǒng)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。加載系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制伺服加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、液壓千斤頂與反力架組成，試驗(yàn)中可實(shí)時(shí)記錄加載壓力和變形數(shù)據(jù)，加、卸壓過(guò)程中壓力控制精度為±0.5%，穩(wěn)壓階段為±0.25%，位移控制精度1%；控溫系統(tǒng)主要由高低溫恒溫循環(huán)裝置、保溫材料組成，試驗(yàn)控溫范圍-30～45 ℃，控溫精度±0.1 ℃；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括對(duì)土體的溫度、豎向位移、軸向荷載以及剪切波速的采集，各組數(shù)據(jù)集成于計(jì)算機(jī)中，方便存儲(chǔ)及讀取。側(cè)裝式彎曲元測(cè)試系統(tǒng)組成的主要設(shè)備有函數(shù)發(fā)生器、壓電線性放大器、電荷放大器和數(shù)字示波器。

函數(shù)發(fā)生器用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，一般可輸出波形類型有正弦波、方波、三角波、任意周期脈沖波等，但輸出電壓幅值相對(duì)較低，驅(qū)動(dòng)彎曲元振動(dòng)效果不明顯。因此前端連接壓電線性放大器，用于放大函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)，從而更有效地驅(qū)動(dòng)壓電傳感器。壓電線性放大器需具有低電噪音、低畸變、防外部電磁干擾等特點(diǎn)，并具有輸入輸出過(guò)壓保護(hù)、手動(dòng)偏壓控制等功能。剪切波信號(hào)經(jīng)土體傳播后輸出電信號(hào)較微弱，需采用電荷放大器將接收端的電信號(hào)放大后傳輸至數(shù)字示波器。本系統(tǒng)選用具備濾波功能的電荷放大器，通過(guò)濾波功能可有效地提高信噪比，使接收信號(hào)清晰可辨。數(shù)字示波器的作用是接收、顯示、存儲(chǔ)來(lái)自激勵(lì)端和接收端信號(hào)，并確定剪切波在土樣中走時(shí)。系統(tǒng)中各設(shè)備之間通過(guò)具有屏蔽功能的信號(hào)線連接，具體連接方式見(jiàn)圖1。

圖1 高壓凍融彎曲元試驗(yàn)裝置Fig. 1 High pressure freeze-thaw bending element test apparatus

2 試樣承壓艙設(shè)計(jì)

2.1 試樣承壓艙

室內(nèi)試驗(yàn)研究是獲取深部?jī)鐾廖锢砹W(xué)性質(zhì)的重要手段之一，試驗(yàn)需模擬深土原位凍融環(huán)境。關(guān)輝等［20］采用厚有機(jī)玻璃筒作為試樣艙，研制了高壓土體凍融試驗(yàn)裝置，并利用此裝置開(kāi)展了2 MPa荷載下蘭州黃土單向凍結(jié)試驗(yàn)。對(duì)于深400 m 以上的土體，初始水平地壓近5 MPa，對(duì)試驗(yàn)裝置的強(qiáng)度及剛度變形要求更高。因此試樣承壓艙為滿足高壓凍融試驗(yàn)要求，不僅需要具有承載功能，還需要有足夠剛度，以約束試樣側(cè)向變形，保證試驗(yàn)精度。與此同時(shí)還要有較好的隔熱性能，以減少周圍環(huán)境溫度的影響。此外，應(yīng)避免剪切波經(jīng)試樣承壓艙傳播到達(dá)接收端對(duì)測(cè)試信號(hào)造成干擾，即應(yīng)具備“隔振”能力?？紤]以上條件，本文對(duì)試樣承壓艙從材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了分析研究。

2.2 雙層筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般情況下，金屬材料的強(qiáng)度剛度性能好，但是其保溫隔熱性能不足；而有些非金屬材料保溫隔熱性能好，但是其強(qiáng)度剛度性能相對(duì)較差，找到一種同時(shí)滿足各項(xiàng)功能要求的材料較為困難。因此，我們考慮將試樣承壓艙設(shè)置為雙層筒結(jié)構(gòu)，采用兩種不同材料以兼具以上功能。作為與土體直接接觸的內(nèi)層試樣筒（以下簡(jiǎn)稱內(nèi)筒），需要防止聲波信號(hào)可能會(huì)繞過(guò)測(cè)試土樣經(jīng)內(nèi)筒傳播，對(duì)剪切波速的測(cè)量帶來(lái)干擾。

如圖2所示，彎曲元發(fā)射探頭產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)時(shí)，土體內(nèi)部（路徑1）和筒-土界面（路徑2）會(huì)有聲波信號(hào)傳播。本文通過(guò)對(duì)鋼、聚四氟乙烯和土樣進(jìn)行剪切波速測(cè)試，測(cè)得鋼的剪切波速約為3 050 m·s-1、聚四氟乙烯的剪切波速大約為200 m·s-1、土體最小剪切波速約為300 m·s-1。則剪切波在鋼材中沿路徑2聲波走時(shí)為32 μs，在聚四氟乙烯的聲波走時(shí)為485 μs，在土中沿路徑1 的聲波走時(shí)為206 μs。據(jù)此內(nèi)筒采用聚四氟乙烯，其不僅保溫隔熱性能好，而且能夠保證剪切波經(jīng)由土體傳播最先到達(dá)彎曲元接收探頭。

圖2 剪切波傳播路徑Fig. 2 Paths of the shear wave propagation

但是，聚四氟乙烯材料強(qiáng)度和剛度不能滿足高壓試驗(yàn)要求，為此，在聚四氟乙烯內(nèi)筒外設(shè)置一強(qiáng)度高剛度大的外層試樣筒。外層試樣筒（以下簡(jiǎn)稱外筒）主要是為了增大承壓艙的剛度和強(qiáng)度，本文選用的材料是Q235 鋼。同時(shí)，在外筒上預(yù)留與內(nèi)筒相對(duì)應(yīng)的孔洞。為了保證雙層試樣筒在高壓環(huán)境下工作時(shí)仍具有良好的密封性，在彎曲元底座上安有兩層橡膠圈；除此之外，在雙層筒與底層承壓板之間也增設(shè)密封圈，雙層筒兩端設(shè)置定位法蘭和螺栓，把二者緊密連接到了一起，起到整體固定和壓緊密封圈的作用。圖3 為雙層筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及雙層筒與裝置中其他結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

圖3 裝置主體結(jié)構(gòu)Fig. 3 The main structure of the device

為了測(cè)定高壓土體在凍融中溫度的變化以及波速的變化，在內(nèi)層聚四氟乙烯筒側(cè)面不同位置處開(kāi)孔，將溫度傳感器和彎曲元探頭安裝于開(kāi)孔處。兩種預(yù)留孔沿環(huán)向呈90°，側(cè)裝式彎曲元探頭通過(guò)筒壁固定，可削弱加卸載過(guò)程干擾，有利于探頭與土體的耦合［21］。位于試樣承壓艙上端的是傳熱傳壓活塞桿，本文在傳統(tǒng)活塞桿的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定改進(jìn)，將端部放大在內(nèi)部空間循環(huán)冷媒劑，使其傳遞軸向荷載對(duì)土體進(jìn)行加載的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土體上端部的凍結(jié)和解凍。在試樣承壓艙下端的是剛性承壓板，承壓板的上端面開(kāi)有溝槽便于安放密封圈，下端面緊貼銅盤管循環(huán)冷媒劑，對(duì)土體下端進(jìn)行凍結(jié)和解凍。開(kāi)啟或關(guān)閉上下循環(huán)冷媒劑，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土體的單向、雙向凍結(jié)。試驗(yàn)中土體處于高壓環(huán)境，常規(guī)透水石很容易被壓壞，為此本文設(shè)計(jì)了一種透水鋼板代替常規(guī)透水石，即在鋼板上打有足夠多的小孔使其滲透性高于土體滲透性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該透水鋼板能夠滿足試驗(yàn)一般要求。

2.3 結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

本文使用COMSOL軟件中結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊，對(duì)雙層試樣筒體進(jìn)行了應(yīng)力變形分析，通過(guò)分析結(jié)果，確定滿足試驗(yàn)要求的各部件尺寸。計(jì)算中假設(shè)鋼材料為理想材料，忽略內(nèi)筒與外筒之間的摩擦。裝置中使用材料性能如表1 所示。試驗(yàn)過(guò)程中，土樣承受最大壓力10 MPa，土樣加載過(guò)程對(duì)內(nèi)筒施加徑向壓力，其值小于軸向壓力，計(jì)算中取值為軸向壓力的0.8 倍，即取值為8 MPa；裝置受力過(guò)程中，對(duì)于摩擦力本文主要考慮內(nèi)筒與土體之間的接觸摩擦，土體與內(nèi)筒之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.1；承壓板上表面及傳熱傳壓活塞桿下表面設(shè)為固定約束。在表2 中給出試樣筒體各部件的尺寸預(yù)選值，經(jīng)全部組合驗(yàn)算，在其中選擇出最合理的部件尺寸組合。

表1 材料性能參數(shù)（試樣筒體）Table 1 Material performance parameters（sample cylinder）

表2 試樣筒體各部件尺寸的預(yù)設(shè)計(jì)值Table 2 Preselected value of each part size of the sample cylinder

從整體上分析試樣筒體受力情況，圖4 給出試樣筒體整體表面應(yīng)力云圖以及沿YZ平面的內(nèi)部切片應(yīng)力云圖（此時(shí)，外筒壁厚15 mm，內(nèi)筒壁厚10 mm），從圖中可以看出，外筒的最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)表面中下部（圖中標(biāo)注a 處），內(nèi)筒的最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)表面中下部（圖中標(biāo)注b 處），傳熱傳壓活塞桿的最大應(yīng)力出現(xiàn)在裝置內(nèi)腔表面（圖中標(biāo)注c 處）。計(jì)算時(shí)，需要保證各部分最大應(yīng)力在安全范圍內(nèi)。利用數(shù)值模擬軟件計(jì)算得到，當(dāng)傳熱傳壓活塞桿壁厚為4 mm 時(shí)，不滿足強(qiáng)度要求（裝置的應(yīng)力均小于材質(zhì)的屈服強(qiáng)度），其余尺寸組合均滿足強(qiáng)度要求，因此需要進(jìn)一步對(duì)變形條件進(jìn)行驗(yàn)算以確定合適尺寸。

圖4 試樣筒體應(yīng)力云圖Fig. 4 Stress cloud map of the sample cylinder

圖5給出試樣筒體內(nèi)部切片Y、Z分量位移云圖，從圖5（a）中可以看出，內(nèi)筒、外筒最大徑向位移均發(fā)生在內(nèi)側(cè)表面中下部，在此兩點(diǎn)處設(shè)置Y分量位移探針。從圖5（b）中可以看出，傳熱傳壓活塞桿最大軸向位移發(fā)生在傳熱傳壓裝置上表面中心處。因此，只需要將以上最大變形危險(xiǎn)點(diǎn)控制在安全范圍內(nèi)即可保證裝置整體的變形穩(wěn)定。

圖5 試樣筒體位移云圖Fig. 5 Displacement cloud map of the sample cylinder

圖6給出不同組合方式下試樣承壓艙關(guān)鍵部件最大軸向和徑向變形占比，圖中紅色虛線是變形占比為1%分界線。變形占比是指部件某方向變形量與該部件在這一方向上尺寸的比例。從圖6中可以看出，當(dāng)外筒壁厚為15 mm，內(nèi)筒壁厚選為6 mm 或8 mm，傳熱傳壓活塞桿壁厚選為6 mm 或8 mm 時(shí)，各部分變形占比均小于1%，裝置滿足變形要求；當(dāng)外筒壁厚為10 mm，內(nèi)筒壁厚6 mm，傳熱傳壓活塞桿壁厚為6 mm 或8 mm 時(shí)，各部分變形占比均小于1%，裝置滿足變形要求。出于安全考慮，對(duì)于雙層試樣筒壁厚盡量選擇較大的厚度，即聚四氟乙烯筒壁厚選擇8 mm，承壓鋼筒壁厚選擇15 mm。同時(shí)考慮傳熱傳壓活塞桿壁厚較大時(shí)，傳熱傳壓活塞桿空腔容積將會(huì)縮小，上部制冷效果將會(huì)降低，因此傳熱傳壓活塞桿在滿足強(qiáng)度和變形的條件下，壁厚應(yīng)該盡量小，因此將傳熱傳壓活塞桿壁厚選擇為6 mm。

圖6 不同組合方式下極限變形占比Fig. 6 The proportion of ultimate deformation under different combinations

3 彎曲元測(cè)試方法

彎曲元是一種可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械信號(hào)與電信號(hào)互相轉(zhuǎn)換的壓電傳感器，通常由三層結(jié)構(gòu)貼合而成，上下兩層為壓電陶瓷片（PZT），中間層為金屬加勁層。為保證彎曲元探頭信號(hào)質(zhì)量，制作探頭時(shí)需采用環(huán)氧樹(shù)脂作為彎曲元的防水涂層，并用銀膠凝固形成的金屬層，屏蔽外界電磁干擾信號(hào)。彎曲元工作時(shí)，一端由底座固定，另一端自由，發(fā)射探頭在交流電壓激勵(lì)下產(chǎn)生橫向變形，在介質(zhì)中產(chǎn)生剪切波；彎曲元接收探頭的自由端受迫振動(dòng)，彎曲元產(chǎn)生電信號(hào)能夠被數(shù)字示波器接收，接收信號(hào)與系統(tǒng)的激勵(lì)波形、激勵(lì)頻率有關(guān)。此外關(guān)于聲波走時(shí)的確定方法尚未得到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，不同確定方法得到的聲波走時(shí)存在差異［22］。為減小彎曲元法測(cè)試誤差，本文利用彎曲元測(cè)試系統(tǒng)分析了聲波走時(shí)確定方法、激勵(lì)信號(hào)和頻率。

3.1 聲波走時(shí)確定方法

目前判定剪切波傳播時(shí)間的方法主要有：初達(dá)波法、峰值法、互相關(guān)法。本文以標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)試件（材質(zhì)為有機(jī)玻璃）為測(cè)試對(duì)象確定適合本測(cè)試系統(tǒng)的確定方法。試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度為20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)試件的剪切波速約為1 354 m·s-1。考慮測(cè)試裝置所造成的系統(tǒng)延時(shí)，本文將實(shí)測(cè)波的傳播時(shí)間減去系統(tǒng)延時(shí)作為最終的剪切波傳播時(shí)間，經(jīng)測(cè)定系統(tǒng)延時(shí)為4.8 μs。圖7 給出了聲波走時(shí)不同確定方法測(cè)試結(jié)果，括號(hào)內(nèi)表示的是激勵(lì)波形。從圖中可以看出，不同確定方法得到的剪切波速都隨著頻率的增大而增大，即產(chǎn)生了頻散現(xiàn)象，從而導(dǎo)致一定誤差。頻率范圍在0～10 kHz 時(shí)，不同確定方法產(chǎn)生的平均誤差分別為初達(dá)波法（正弦波）13 m·s-1、峰值法（正弦波）9.7 m·s-1、互相關(guān)法（正弦波）8.2 m·s-1、初達(dá)波法（方波）4.9 m·s-1，采用初達(dá)波法（方波）測(cè)得的剪切波速與實(shí)際數(shù)值更為接近，相較而言誤差最小，因此本文決定選用初達(dá)波法（方波）作為剪切波傳播時(shí)間的確定方法。

圖7 聲波走時(shí)不同確定方法測(cè)試結(jié)果Fig. 7 Test results for different methods of determining the acoustic travel time

3.2 激勵(lì)信號(hào)波形和頻率

激勵(lì)波形的選擇在不同試驗(yàn)條件下對(duì)彎曲元測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響程度不同。我們選擇高密度黏土作為測(cè)試對(duì)象，利用彎曲元測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了剪切波速測(cè)試，測(cè)試中分別用正弦波和方波作為激勵(lì)波形，兩種不同激勵(lì)波形得到的剪切波速與頻率的關(guān)系如圖8 所示。從圖8 中可以看出，同時(shí)采用初達(dá)波法作為聲波走時(shí)確定方法，激勵(lì)波形為方波時(shí)，曲線斜率較小，意味著頻率變化對(duì)波速的影響程度較小，也就意味著此時(shí)測(cè)試系統(tǒng)更加穩(wěn)定。因此本文選擇方波作為激勵(lì)信號(hào)波形。

另外，激勵(lì)頻率會(huì)影響接收信號(hào)波形從而影響剪切波速度的測(cè)量值［23-24］。通常情況下，當(dāng)激勵(lì)頻率越接近物體的固有頻率，信號(hào)越清晰，易于進(jìn)行信號(hào)分析。利用彎曲元測(cè)試系統(tǒng)對(duì)深部黏土的剪切波速進(jìn)行了測(cè)試，未凍土測(cè)試溫度為20 ℃，凍土測(cè)試溫度-20 ℃，激勵(lì)波形為方波，頻率為1～100 kHz。將得到的接收信號(hào)幅值與激勵(lì)頻率的關(guān)系示于圖9，由圖9可見(jiàn)未凍土在激勵(lì)頻率為5 kHz時(shí)幅值最大，而凍土在4 kHz 時(shí)幅值最大。據(jù)此對(duì)于本系統(tǒng)，當(dāng)測(cè)試土體處于常溫狀態(tài)下時(shí)，激勵(lì)頻率選擇5 kHz左右；當(dāng)測(cè)試土體處于低溫狀態(tài)下時(shí)，激勵(lì)頻率選擇4 kHz左右。

圖9 接收信號(hào)幅值與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線Fig. 9 Received signal amplitude versus excitation frequency curve

4 彎曲元凍融裝置初步應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)概況

本文利用該凍融彎曲元試驗(yàn)裝置，測(cè)試了有載條件下深部?jī)鼋Y(jié)黏土的剪切波速。土樣取自河南某礦深部黏土，液限為42.3%，塑限為20.5%，比重2.75。制備的重塑試樣直徑為61.8 mm，高125 mm，含水率為12.1%，干 密 度. 別 為1.72 g·cm-3和1.96 g·cm-3，荷載等級(jí)為4 MPa、8 MPa。試驗(yàn)采用分級(jí)降溫方式，溫度等級(jí)分別為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃，利用彎曲元測(cè)試系統(tǒng)測(cè)取各級(jí)溫度下試樣的剪切波速。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖10為不同干密度以及荷載條件下深部黏土剪切波速隨溫度的變化情況。由圖10可見(jiàn)，剪切波速隨著溫度的降低而增大，干密度對(duì)波速有明顯影響，干密度越大，剪切波速越大。在溫度-5～-25 ℃范圍內(nèi)，深部?jī)鼋Y(jié)黏土的剪切波速為804～1 014 m·s-1。表3 為以往報(bào)道關(guān)于深部?jī)鼋Y(jié)黏土剪切波速測(cè)試結(jié)果，剪切波速范圍為712～1 070 m·s-1，本試驗(yàn)結(jié)果在此區(qū)間內(nèi)。

圖10 不同溫度下深部?jī)鼋Y(jié)黏土剪切波速Fig. 10 Shear wave velocity in deep frozen clay at different temperatures

表3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析Table 3 Comparative analysis of test results

由于試驗(yàn)性質(zhì)和測(cè)試條件差異，相同溫度條件下本試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果有一定差異。分析其原因，Zhang 等［17］同樣采用彎曲元法測(cè)試，激勵(lì)頻率低于20 kHz，但是其是在無(wú)壓力條件下進(jìn)行試驗(yàn)，而本文試驗(yàn)是在有壓條件下進(jìn)行的，壓力作用使剪切波速增大，所以本文得到剪切波速值會(huì)略高一些。由前述測(cè)試結(jié)果可知，彎曲元測(cè)試中存在頻散現(xiàn)象。馬芹永等［25］采用超聲波測(cè)試，激勵(lì)信號(hào)頻率大于20 kHz，本試驗(yàn)的激勵(lì)頻率為4 kHz，因此本測(cè)值要低于超聲波法所測(cè)的剪切波速值?？傮w上看，本試驗(yàn)所獲得的剪切波速較為可靠，凍融彎曲元試驗(yàn)裝置可滿足高應(yīng)力條件下，20～-25 ℃范圍內(nèi)深土凍融過(guò)程實(shí)時(shí)剪切波速測(cè)試要求。

5 結(jié)論

針對(duì)深土高地應(yīng)力凍融條件，本文研制了一種結(jié)合彎曲元測(cè)試技術(shù)的新型高壓凍融試驗(yàn)裝置，該裝置主要由試樣承壓艙、加載系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和側(cè)裝式彎曲元測(cè)試系統(tǒng)組成。為保證高壓條件下承壓艙有足夠剛度，通過(guò)數(shù)值計(jì)算承壓艙采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒為聚四氟乙烯筒，壁厚8 mm，外筒為Q235承壓鋼筒，壁厚15 mm。彎曲元探頭設(shè)置于內(nèi)層筒側(cè)壁，內(nèi)層采用聚四聚乙烯筒具有隔熱和隔振優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)本條件下彎曲元系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，聲波走時(shí)宜采用初達(dá)波法確定，激勵(lì)波形采用方波，高密度凍土和未凍土的激勵(lì)頻率分別選擇4 kHz 和5 kHz。利用該裝置測(cè)試了有載條件下深部黏土不同負(fù)溫下的剪切波速，可發(fā)現(xiàn)深部黏土剪切波速隨著溫度降低而增大。對(duì)于高致密深部黏土在溫度為-5～-25 ℃范圍，軸壓在4～8 MPa 范圍，剪切波速值為804～1 014 m·s-1。

該裝置可進(jìn)行有載凍融過(guò)程深土剪切波速的實(shí)時(shí)測(cè)量，能實(shí)現(xiàn)單向和雙向凍結(jié)，最大固結(jié)壓力可達(dá)10 MPa。

致謝：阿拉斯加大學(xué)安克雷奇分校楊朝暉教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)張鋒博士為本研究提供了有益建議和幫助，特此致謝。