不同冻结温度下含砂粉质粘土超声波传播特性研究

发布时间：2020-08-14 08:59

【摘要】：人工冻结法是一种特殊的地下施工方法,在掘进施工过程中,形成一定强度和厚度的冻结壁是确保施工安全顺利进行的关键,人工冻结壁一旦失效将导致不可预料的后果,因此有效地判断冻结壁的发育状况至关重要。目前,常用的判断冻结壁发育状况的方法有测温数据推测法、水文孔水位观测法、冻结器内纵向测温判定法以及地质雷达探测法等。正常情况下,综合以上方法能够有效地对冻结壁发育状况进行判断。然而,面对复杂多变的地质条件和施工工况,也存在不能通过上述手段精确掌握冻结壁发育状况的情况,因此,探索一种新型的冻结壁发育状况检测手段迫在眉睫。超声波无损检测技术是一种高效便捷、结果精确、适应性强的探测手段,在岩土工程领域有相当多的应用,相关研究表明超声波在通过冻结土体前后,声学参数会随相态变化以及温度降低而改变,所以超声波检测技术能够作为冻结壁的发育状况检测的一种手段。但是,有关超声波检测冻结壁发育状况的理论还相当欠缺,对于超声波在冻结地层中传播的仿真研究也比较稀少。本文通过理论分析、室内试验以及数值模拟等手段,对不同冻结温度下含砂粉质粘土的超声波传播特性进行了系统研究,具体的研究内容与成果如下:选取含砂粉质粘土土样,采用温度、含水率、密度为三个水平的正交试验以及定含水率、定密度的温度单因素试验,进行人工冻土超声波测试,获取不同情况下人工冻土的声学参数,分析了声学信号的变化规律,建立了不同条件下温度与超声波波速以及衰减系数的关系表达式。通过敏感性分析得知,超声波波速对温度、含水率较敏感,对密度敏感度较差;衰减系数对温度较敏感,对含水率敏感度较差,对密度不敏感。提出了冻结壁温度场与超声波声场耦合的研究思路,确定了声-热单向间接耦合的方式,并利用有限元软件COMSOL,选取固体传热与压力声学瞬态模块,建立声-热单向间接耦合仿真模型,获得了不同冻结阶段含砂粉质粘土层的超声波响应特征,结果显示,冻结壁从未交圈到交圈,超声波波形变化明显,平均声速逐渐增大,冻结42 d(交圈)的峰值声压比冻结40 d(未交圈)的峰值声压急剧增大了45.91%,据此可以有效地判断冻结壁的交圈情况。本文得出的人工冻土超声波检测室内试验以及声-热耦合数值模拟结果能够为含砂粉质粘土层人工冻结壁中超声波传播特性的研究及检测技术的发展提供参考依据和数据支持,具有较强的理论价值。
【学位授予单位】：煤炭科学研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD265.3
【图文】：

煤科院建井所等单位利用研制的 DSC-1 型冻结壁声波检测仪先后在东滩副井（冻结深度151m）和潘集三号东风井（冻结深度358.5m）进行了超声波测量冻结壁厚度现场试验。具体测试方法如图1.1所示，在冻结区及外侧未冻土各有观测孔A（利用冻结管）和B（利用测温孔、专门的观测孔），在两孔内分别下放发射和接收的换能器，使两换能器在同一标高上。超声波在冻结区的速度为vd、在未冻结区域的速度为 vb。利用仪器测得超声波由A至B的通行时间，计算出该标高上的冻结壁外界面点C的位置。在不同的深度上依此测量，最终得出了冻结壁的外轮廓线。但是由于超声波检测信号处理技术较落后，检测精度较低。李栋国等利用 TICO 超声波检测仪测出在反复冻融条件下的波速变化。可见，利用冻土与未冻土之间超声波声学参数的差异

图 2.1 纵波的振动方向Fig2.1 Direction of longitudinal wave vibration（TV、TH 波）点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波，如

波（TV、TH 波）质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波，如图到交变的剪切应力作用时产生的，无法在气体、液体质中传播。横波对各向异性介质很敏感，在界面处存

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本文编号：2792807