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侧装式弯曲元高压冻融试验装置研制与初步应用.docx
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侧装式弯曲元高压冻融试验装置研制与初步应用.docx
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人工地层冻结技术具有对地层加固效果好、隔绝地下水可靠的优点,广泛
应用于复杂条件下的地下工程建设
[ 1]
。冻结壁关系到地下工程掘砌施工安全,
了解其发展状况和稳定状态是地层冻结工程的重要内容,除常规采用水文观测
孔和测温孔进行监测外,无损检测技术的应用也受到较多关注
[ 2-5]
。
声波测试技术是一种检测速度快、成本低、对人体无害的无损检测技术,
成功利用声波检测冻结壁厚度将为冻结施工带来很大方便。为了使这项技术得
以发展,首先需要建立声学参数与冻土物理力学性质之间的联系。傅蓉等
[ 6]
利用国产 SYC-2 型声波岩石参数测定仪得到了不同条件下人工冻结砂土及黏
土中的超声波波速,试验表明,声速是影响冻土性质各项因素的综合反映。李
强等
[ 7]
研究了不同负温、含水量、重度的冻砂土和冻黏土抗压、抗拉强度、
弹模与冻土纵横波速、振幅衰减及动弹模的关系,并分析了冻砂土和冻黏土的
差异以及冻砂土蠕变与声波波速的关系。盛煜等
[ 8]
用液浸式超声波循环法测
定了含有不同比例废弃轮胎碎屑的 Tomakomai 粉土的纵、横波速度。张建明
等
[ 9]
通过兰州季节冻土现场声波波速测试分析了波速与土的胶结状态、温度
和含水量的关系。王大雁等
[ 10-11]
运用 UVM-2 型声速测定仪,测定了不同密度、
不同含水率的冻结砂土、冻结黄土和冻结黏土在不同温度下的超声波波速。黄
星等
[ 12-13]
利用 RSM-SY5(T)型非金属声波检测仪,分析温度、含水率和干
密度等对冻结黏土波速的影响以及波速与强度的关系,同时利用短时傅里叶变
换及小波分析研究声波在冻结重塑黄土中传播的波形、频谱等特征。由此可见,
利用声波检测技术评估冻结壁发育情况切实可行
[ 14]
。而掌握深部冻土声学参
数与物理力学性质之间的联系是至关重要的一环。
压电弯曲元因原理简单、操作方便、成本低、无损检测和易于移植等特点,
近年来在声波试验中得到广泛应用
[ 15]
。弯曲元技术应用于冻土研究已见报道,
但未大量开展。Park 等
[ 16]
利用三对弯曲元件沿着深度安装在三个不同的位置,
连续测量无压力条件下土壤冻结期间的压缩波和剪切波。Zhang 等
[ 17]
以多年
冻土为研究对象,分别用弯曲圆盘和弯曲元测量压缩波和剪切波速度,用于评
估在解冻期间的弹性特性。秦辉等
[ 18]
通过开展无侧限压缩试验、弯曲元波速
测试,研究建立了冻融循环黄土的波速与单轴抗压强度的经验关系式。
目前冻土声波特性研究多针对浅部土体,相应的声波测试装置尚不具备高
压冻融条件下的测试功能。对于深土冻融过程存在较高地应力作用的特殊情况,
需要研制一种能够模拟深部冻土真实环境的高压冻融声波测试装置,以认识深
土高压冻融条件下的声波特性。为此,本文在总结前人工作的基础上,基于弯
曲元测试技术,研制新型高压冻融试验装置,并研究了深土弯曲元声波测试方
法。
1 深土高压冻融弯曲元测试系统构建
深部冻土是在经历长时间固结后,并在有载状态下冻结形成的,因此,其
合理的试验方式应该是先固结,并在荷载状态下冻结后,再进行试验
[ 19]
。为
符合高压环境下土的冻融特征及冻融后物理力学性质的研究,本文设计的测试
系统最大承载力达到 10 MPa,可自主选择单向或者双向冻结模式,并搭载了
侧装式弯曲元测试系统,能够在试验过程中实时获取土体的剪切波速。
本文研制的高压冻融侧装式弯曲元试验装置由试样承压舱、加载系统、控
温系统、数据采集系统和侧装式弯曲元测试系统组成,整体结构如图 1 所示。
加载系统由计算机控制伺服加压稳压系统、液压千斤顶与反力架组成,试验中
可实时记录加载压力和变形数据,加、卸压过程中压力控制精度为±0.5%,稳
压阶段为±0.25%,位移控制精度 1%;控温系统主要由高低温恒温循环装置、
保温材料组成,试验控温范围-30~45 ℃,控温精度±0.1 ℃;数据采集系统主
要包括对土体的温度、竖向位移、轴向荷载以及剪切波速的采集,各组数据集
成于计算机中,方便存储及读取。侧装式弯曲元测试系统组成的主要设备有函
数发生器、压电线性放大器、电荷放大器和数字示波器。
图 1
图 1 高压冻融弯曲元试验装置
Fig. 1 High pressure freeze-thaw bending element test apparatus
函数发生器用于产生激励信号,一般可输出波形类型有正弦波、方波、三
角波、任意周期脉冲波等,但输出电压幅值相对较低,驱动弯曲元振动效果不
明显。因此前端连接压电线性放大器,用于放大函数发生器产生的激励信号,
从而更有效地驱动压电传感器。压电线性放大器需具有低电噪音、低畸变、防
外部电磁干扰等特点,并具有输入输出过压保护、手动偏压控制等功能。剪切
波信号经土体传播后输出电信号较微弱,需采用电荷放大器将接收端的电信号
放大后传输至数字示波器。本系统选用具备滤波功能的电荷放大器,通过滤波
功能可有效地提高信噪比,使接收信号清晰可辨。数字示波器的作用是接收、
显示、存储来自激励端和接收端信号,并确定剪切波在土样中走时。系统中各
设备之间通过具有屏蔽功能的信号线连接,具体连接方式见图 1。
2 试样承压舱设计
2.1 试 样 承 压 舱
室内试验研究是获取深部冻土物理力学性质的重要手段之一,试验需模拟
深土原位冻融环境。关辉等
[ 20]
采用厚有机玻璃筒作为试样舱,研制了高压土
体冻融试验装置,并利用此装置开展了 2 MPa 荷载下兰州黄土单向冻结试验。
对于深 400 m 以上的土体,初始水平地压近 5 MPa,对试验装置的强度及刚度
变形要求更高。因此试样承压舱为满足高压冻融试验要求,不仅需要具有承载
功能,还需要有足够刚度,以约束试样侧向变形,保证试验精度。与此同时还
要有较好的隔热性能,以减少周围环境温度的影响。此外,应避免剪切波经试
样承压舱传播到达接收端对测试信号造成干扰,即应具备“隔振”能力。考虑以
上条件,本文对试样承压舱从材料选择和结构设计上进行了分析研究。
2.2 双 层 筒 结 构 设计
一般情况下,金属材料的强度刚度性能好,但是其保温隔热性能不足;而
有些非金属材料保温隔热性能好,但是其强度刚度性能相对较差,找到一种同
时满足各项功能要求的材料较为困难。因此,我们考虑将试样承压舱设置为双
层筒结构,采用两种不同材料以兼具以上功能。作为与土体直接接触的内层试
样筒(以下简称内筒),需要防止声波信号可能会绕过测试土样经内筒传播,
对剪切波速的测量带来干扰。
如图 2 所示,弯曲元发射探头产生激励信号时,土体内部(路径 1)和筒
-土界面(路径 2)会有声波信号传播。本文通过对钢、聚四氟乙烯和土样进行
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