[发明专利]一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法

权利要求书

1.一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立冻结壁平均抗压强度与超声波波速、土体密度和土体含水率三个因子之间函数关系式；所述超声波波速为超声波在冻结壁内的波速，所述土体密度是冻结壁冻结前的密度，所述土体含水率为冻结壁冻结前的含水率；

冻结壁平均抗压强度与超声波波速、土体密度和土体含水率三个因子之间函数关系式如式(Ⅰ)所示：

F_y＝a+bV+cρ+dω+eρω+fρV+gωV+hρ²+iω²+jV² (Ⅰ)

a为待定常数项，b～j为待定系数项，待定常数项和待定系数项均是根据实验数据多元线性回归分析获得，V为超声波波速km/s；ρ为土体密度g/cm³；

ω为土体含水率wt％

建立冻结壁平均抗压强度与超声波波速、土体密度和土体含水率三个因子之间函数关系式时，首先对不同层位冻土体进行超声波传播特性实验，具体试验步骤如下：

(1-A)根据勘察单位对冻结深度范围内土层特性的统计分析资料，选取待建结构埋设范围内主要土层，采集待检测对象不同层位土体，即为土样试块，封装后立即送至实验室；

(1-B)测试土样试块的含水率ω和土体密度ρ；

(1-C)将步骤(1-A)中的土样试块，按照实验设计温度放入低温柜式多功能冻土力学实验装置内密封恒温至少24小时，成为冻土试块；

(1-D)利用NM-4A非金属超声波检测仪对冻土试块进行轴向对测法超声波测试，测定冻土试块的超声波波速V；

(1-E)立即利用WDT-100冻土实验机进行单轴压缩实验测定冻土试块的抗压强度F_y；

上述(1-C)到(1-E)步骤中的超声波传播特性实验均在风冷式降温的控温恒温箱内进行；

(2)检测待测冻结壁的超声波波速，然后将检测到的超声波波速带入步骤(1)中的函数关系式中，计算得出待测冻结壁平均抗压强度；

步骤(2)中检测待测冻结壁的超声波波速包括如下准备工作：

(2-1)超声波声测孔布置与验收；

测温孔可作为超声波声测孔使用；如待检测区域没有测温孔则需布置声测孔；超声波声测孔布置的原则为：(a)布置在冻结壁边界位置；(b)在非重点检测区域，用两孔检测法；(c)在重点检测区域，设置三孔局部检测区域；所述重点检测区域相对所述非重点检测区域为地温较高或地下水流速较大的区域；

声测孔内设有超声波声测管，所述超声波声测管为直径89～108mm的钢管，壁厚为5～8mm；超声波声测孔内设置有温度监测线；超声波声测管的上端高于地表300mm～500mm；超声波声测管内灌注盐水；检查超声波声测管内的水位与含盐量，定期循环孔内盐水；超声波声测管的间距不超过2m，超声波声测管底端和接头部位设固定点，固定方式可采用焊接；超声波声测管安装完毕后应将上口封闭，以免落入异物，致使孔道堵塞；

所述超声波声测孔的验收，包括检查超声波声测管内是否有异物堵塞，超声波声测管身是否有裂纹、弯曲或压扁情况；超声波声测管之间应基本保持平行，不平行度应控制在1‰以下；

准确量测量所述两孔检验法中两个声测孔之间中心线距离S以及三孔局部区域检测法中两两声测孔之间中心线距离S，量测精度为±1mm；在声测孔内注入盐水；

(2-2)超声波系统声延迟标定；

标定超声波检测仪从发射至接收仪器系统产生的系统延迟时间t₀，计算方法如公式(Ⅱ)所示：

t₀＝t₁+t_b+t_y (Ⅱ)

t₁为仪器本身声延时，在与声测孔相同浓度盐水中十字交叉，按采样键，测得声时值，作为声延时；

t_b为穿过冻结管壁的时间，符合t_b＝(D-d)/v₁，其中D为钢管外径；d为钢管内径；v₁为钢质冻结管波速；

t_y为穿过耦合盐水的时间，符合t_y＝(d-D_h)/v₂，其中D_h为测量换能器的外径；v₂为盐水超声速波速；

(2-3)冻结壁平均抗压强度超声波检测

两孔检验法为检测孔B和孔A之间的抗压强度，具体步骤为：待标定超声波系统延迟时间为t₀后，将超声波发射与接收探头分别放入孔B和孔A中，下放至距孔底0.5m位置，同步提升发射与接收探头，保证发射与接收探头在同一水平上；上、下相邻两测点的间距为250～600mm；记录每次测点的波速V，距离孔B和孔A孔口0.5m位置时，结束测量；

根据相同检测层位内多组声测管间冻结壁的波速V，求出声波通过相同检测层位内两相邻声测孔间冻结壁的平均波速然后通过公式(Ⅰ)得到两相邻冻结孔间的冻结壁抗压强度F_y；

当相同检测层位内两相邻声测管间的冻结壁波速V和冻结壁平均波速满足公式(Ⅲ)时，两相邻声测孔之间的冻结壁出现异常，存在未交圈可能；

其中k为系数，k＝0.9；

将出现异常的两相邻声测孔孔间的V_w代入公式(Ⅰ)中，可得到出现异常的两相邻声测孔孔间冻结壁的平均抗压强度，分析计算值出现异常的声测孔之间地质条件和地下水流速，及时采取注浆和强化冻结措施。

2.根据权利要求1所述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，其特征在于，所述三孔局部区域检测法为检测孔C和孔B，孔B和孔A以及孔C和孔A之间的抗压强度；

具体步骤为：待标定超声波系统延迟时间t₀后，将超声波发射与接收探头分别放入孔C和孔B、孔B和孔A以及孔C和孔A之间中，下放至距孔底0.5m位置，同步提升发射与接收探头，保证发射与接收探头在同一水平上；上、下相邻两测点的间距为250～600mm；记录同一层位孔C和孔B、孔B和孔A以及孔C和孔A之间冻结壁的超声波波速V₁、V₂和V₃，距离声测孔孔口0.5m时，结束测量；

根据相同检测层位内孔C和孔B、孔B和孔A以及孔C和孔A之间冻结壁的超声波波速V₁、V₂和V₃，以及该检测层位的土体含水率ω和土体密度ρ，通过公式(Ⅰ)得到孔C和孔B、孔B和孔A以及孔C和孔A之间冻结壁的抗压强度F_y1、F_y2、F_y3；

如果孔C和孔B、孔B和孔A以及孔C和孔A之间冻结壁的抗压强度F_y1、F_y2、F_y3满足公式(Ⅳ)；

F_yi＝kF_y(i+1) (Ⅳ)

其中k为系数，k＝0.9～1.1；

则三孔局部区域孔C和孔B、孔B和孔A以及孔C和孔A之间冻结壁的平均抗压强度通过公式(Ⅴ)求得，

如果孔C和孔B、孔B和孔A以及孔C和孔A之间冻结壁的抗压强度F_y1、F_y2、F_y3不满足公式(Ⅳ)，则需要分析所述三孔局部区域孔C和孔B、孔B和孔A以及孔C和孔A之间的冻结壁的厚度是否达到设计厚度，如果已经达到设计厚度，则分析抗压强度F_y1、F_y2、F_y3出现异常的孔C和孔B、孔B和孔A或孔C和孔A之间地质条件和地下水流速，及时采取注浆和强化冻结措施。