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生，導致的鹽水泄漏問題，不利于凍結壁穩定。目前凍結壁發育狀況評估方法有圖乘法、經驗公式法、數值模擬法等，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。聲波檢測作為一種方便快捷的無損檢測技術有望實現這一目標。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，可實現現場快速測定凍土聲參數從而對原位現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：首先由函數發生器激發單周期正弦波，然后激發信號經由ATA-2021B高壓放大器放大后分兩路，一路直接輸出到數字示波器作為激發波形信號，另一路用于驅動壓電陶瓷傳感器產生振動激發聲波，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，再經由電荷放大器對信號濾波后再次放大傳輸到數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據導入到計算機中進行傳播時間的確定，實驗系統搭建如圖1-1。

圖1-1：實驗系統圖

實驗結果：

圖1-2：波速比變化規律圖

圖1-2(a)中可以發現無圍壓條件下，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)中可以發現，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

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審核編輯 黃宇