[发明专利]轴压下冻土的超声波波速测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种冻土在单轴加压情况下超声波波速的测试方法。

背景技术

冻土在全世界有着广泛的分布，我国是继俄罗斯，加拿大的第三冻土大国，多年冻土分布面积约占我国国土面积的22.3%。这些区域蕴含丰富的矿藏、淡水、野生动植物等资源，它的存在及其演变对人类生存环境与生产生活方式、人类社会的可持续发展都具有重要影响。随着青藏公路与青藏铁路的相继贯通，寒区开发不断加快，青藏地区还广泛分布有输电线路桩基础，电线塔等工程。这些工程所在的区域地质复杂，不良冻土广泛分布。工程的稳定性与冻土息息相关，对冻土强度以及冻土损伤的深入研究显得越来越重要。其中，冻土损伤特性的研究是解决冻土破坏强度与冻土体稳定性问题的理论基础。因此，对冻土损伤特性的研究分析显得尤为重要。

冻土是由矿物颗粒、冰、未冻水和气体等组成的多成分和多相体系。对冻土施加压力后，在土体内会产生裂纹、微裂隙，随着荷载的增大，最终导致土体的破坏。这一过程, 可以看作是冻土体内部损伤的产生和发展过程。对于冻土损伤的分析，除了确定损伤的类型之外，损伤的定量识别以及损伤随着外部荷载施加的发展变化即损伤的演化过程是非常重要的。目前分析损伤的方法有变形模量法、密度变化测量方法、电阻阻值变化法、超声波法等。其中，变形模量法和密度变化测量方法在测试过程中会对试样造成一定的破坏。电阻率变化法虽然不会对试样造成破坏，但是对某些绝缘材料却不适应。超声波法是一种利用超声波在不同介质中的传播速度来测试试样的物理特性，是一种无损检测法,应用广泛。鉴于此，我们应用超声波法对冻土损伤演化进行分析，寻求更有效的参量来表征冻土的损伤规律。

发明内容

在超声波波速检测中，当超声波在试样中传播的过程中遇到裂纹、微裂隙和障碍物时将发生反射、绕射和散射，超声波波形振幅将减小，振动频率以及波速也将大大减小。因此，超声波振幅、波速等的相对变化反映了试样在加压过程中内部结构的变化情况。冻土试样的损伤问题可通过声波波速的变化，振幅等的变化体现出来。鉴于上述，本发明的目的旨在提供一种轴压下冻土超声波波速的测试方法，利用单轴加压装置和与承压的发射换能器和接收换能器连接的超声波检测仪来测试冻土在加压过程中波速的变化。用所测冻土超声波波速的变化情况来分析加压过程中冻土的损伤情况。

本发明的目的是这样实现的：

一种轴压下冻土的超声波波速测试方法，包括以下步骤：

a:选择土体或岩体作为试验材料，试样按规范的要求制作；

b:将制作好的试样装入模具中，然后放入温度-20℃的恒温箱中冻结，24小时后将试样取出脱模；用橡胶套包裹脱模的试样，将包裹的试样放入可调温恒温箱中，恒温24小时使试样温度达到试验负温值；将可调温恒温箱放入单轴加压装置中,通过可调温恒温箱使单轴加压装置的环境温度达到试验负温值；

c:将装有试样的发射换能器、接收换能器竖直放置于单轴加压装置中；试样居于发射换能器和接收换能器之间，将凡士林均匀涂抹在试样与发射换能器及接收换能器的接触面；待测试样安装好后，将发射换能器上方的压力及位移传感器调零； 

d:启动单轴加压装置，单轴加压装置匀速加载，单轴加压装置中的压力及位移传感器将加载过程中试样所受的压力大小、试样下降的位移以及加载直至破坏的时间传输给数据采集仪； 

e:同时启动与承压的发射换能器和接收换能器连接的超声波检测仪，超声波检测仪产生重复的电脉冲并激励发射换能器；发射换能器发射的超声波经耦合进入被测试样，在试样中传播后被接收转换器接收并转换为电信号；电信号送至超声波检测仪，超声波检测仪绘制并记录下波形；通过超声波检测仪采集得到超声波在试样中的总走时t，同时精确测量超声波通过两个换能器保护壳的走时t₀，则通过试样的走时为t-t₀，单轴加压装置的数据采集仪记录试样的初始长度L，同时记录试样加压下降过程中的位移△L，则可通过公式

                   （1）

计算得到此刻试样的实际波速值；

f:重复步骤b-e，测试不同负温时冻土试样在轴压下超声波波速的变化情况；

g:根据单轴加压装置数据采集仪采集的数据以及超声波检测仪测试得到的结果，做出冻土在不同负温时波速随应力、应变变化的趋势曲线图。

本发明的优点