电压放大器解锁人工冻结粉砂的力学与声学奥秘

实验名称：含盐人工冻土的声学特性研究

研究方向：人工冻结法是利用人工制冷技术使地层中的水结冰形成冻土，隔绝地下水与地下工程的联系，在冻结壁的保护下进行地下工程施工。通常采用冻结管中循环低温冷媒剂（冻结法施工中多用氯化钙溶液作冷媒剂）的方式把天然岩土变成人工冻土，然而受地层条件、冻结孔偏斜、冻结工艺及掘砌方式影响，冻结管断裂事故时有发生，导致的盐水泄漏问题，不利于冻结壁稳定。目前冻结壁发育状况评估方法有图乘法、经验公式法、数值模拟法等，这三种方法存在的缺点是对测温孔内测温结果的依赖程度高，在距测温孔较远时判断不准确，容易忽略局部冻结壁开窗、强度不足等关键信息。而对于含盐条件下的人工地层冻结，温度场变化受盐分的影响情况复杂，通过现有检测手段对异常情况的探测更加困难。例如当盐分分布不均，冻结壁形成形状可能不规则，或因盐水泄露存在不确定的开窗风险。针对含盐的特殊冻结条件，了解冻结壁的发育状况和工程性能对于人工冻结法安全施工十分重要。

声波在岩土介质中传播，其声学特性与岩土物理力学性质密切相关。在人工地层冻结工程中认识含盐人工冻土的声学特性，建立声波参数与含盐人工冻土物理力学性质的关系，可为声波探测盐水浸渍冻结壁异常情况提供必要依据。声波检测作为一种方便快捷的无损检测技术有望实现这一目标。声波在冻土中传播时，其声波特性是冻土温度、含水量、密度、冻土中裂隙情况、应力状态等因素的综合指标，同时冻土强度也是这些因素的综合反映，通过二者之间的关系，可实现现场快速测定冻土声参数从而对原位现场冻土力学性质进行推算。

实验目的：验证含盐人工冻土的声学特性

测试设备：信号发生器、ATA-2022H高压放大器、示波器、电荷放大器、压电陶瓷传感器等。

实验过程：首先由函数发生器激发单周期正弦波，然后激发信号经由ATA-2022H高压放大器放大后分两路，一路直接输出到数字示波器作为激发波形信号，另一路用于驱动压电陶瓷传感器产生振动激发声波，声波通过测试试样传播，另一端由压电陶瓷接收传感器收到信号后，再经由电荷放大器对信号滤波后再次放大传输到数字示波器作为接收波形信号，最后利用示波器的存储功能将波形数据导入到计算机中进行传播时间的确定，实验系统搭建如图1-1。

图1-1实验系统图

实验结果：

图1-2波速比变化规律图

图1-2(a)中可以发现无围压条件下，波速比随含盐量增加略有减少，变化范围为1.82~2.41，由此可见，无围压作用时，波速比对含盐量的变化不敏感，冻土在完全饱和时的波速比要大于未饱和时的波速比，可见波速比不仅与土质有关，还与饱和度有关，在低围压条件下（4MPa、6MPa）波速比随含盐量的增加而增大；高围压条件下（8MPa），波速比随含盐量的增加而减小。图1-2(b)中可以发现，相同含盐量冻结粉砂的波速比整体上随着围压的增大而增大。

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审核编辑 黄宇