側裝式彎曲元高壓凍融試驗裝置研制與初步應用

王崧美， 李海鵬，2， 竇 帥， 康慶平， 楊 念， 張 駿

（1.中國礦業(yè)大學力學與土木工程學院，江蘇徐州221116； 2.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221008； 3.徐州市交科軌道交通產業(yè)研究院有限公司，江蘇徐州221000）

0 引言

人工地層凍結技術具有對地層加固效果好、隔絕地下水可靠的優(yōu)點，廣泛應用于復雜條件下的地下工程建設［1］。凍結壁關系到地下工程掘砌施工安全，了解其發(fā)展狀況和穩(wěn)定狀態(tài)是地層凍結工程的重要內容，除常規(guī)采用水文觀測孔和測溫孔進行監(jiān)測外，無損檢測技術的應用也受到較多關注［2-5］。

聲波測試技術是一種檢測速度快、成本低、對人體無害的無損檢測技術，成功利用聲波檢測凍結壁厚度將為凍結施工帶來很大方便。為了使這項技術得以發(fā)展，首先需要建立聲學參數與凍土物理力學性質之間的聯系。傅蓉等［6］利用國產SYC-2型聲波巖石參數測定儀得到了不同條件下人工凍結砂土及黏土中的超聲波波速，試驗表明，聲速是影響凍土性質各項因素的綜合反映。李強等［7］研究了不同負溫、含水量、重度的凍砂土和凍黏土抗壓、抗拉強度、彈模與凍土縱橫波速、振幅衰減及動彈模的關系，并分析了凍砂土和凍黏土的差異以及凍砂土蠕變與聲波波速的關系。盛煜等［8］用液浸式超聲波循環(huán)法測定了含有不同比例廢棄輪胎碎屑的Tomakomai 粉土的縱、橫波速度。張建明等［9］通過蘭州季節(jié)凍土現場聲波波速測試分析了波速與土的膠結狀態(tài)、溫度和含水量的關系。王大雁等［10-11］運用UVM-2 型聲速測定儀，測定了不同密度、不同含水率的凍結砂土、凍結黃土和凍結黏土在不同溫度下的超聲波波速。黃星等［12-13］利用RSM-SY5（T）型非金屬聲波檢測儀，分析溫度、含水率和干密度等對凍結黏土波速的影響以及波速與強度的關系，同時利用短時傅里葉變換及小波分析研究聲波在凍結重塑黃土中傳播的波形、頻譜等特征。由此可見，利用聲波檢測技術評估凍結壁發(fā)育情況切實可行［14］。而掌握深部凍土聲學參數與物理力學性質之間的聯系是至關重要的一環(huán)。

壓電彎曲元因原理簡單、操作方便、成本低、無損檢測和易于移植等特點，近年來在聲波試驗中得到廣泛應用［15］。彎曲元技術應用于凍土研究已見報道，但未大量開展。Park 等［16］利用三對彎曲元件沿著深度安裝在三個不同的位置，連續(xù)測量無壓力條件下土壤凍結期間的壓縮波和剪切波。Zhang等［17］以多年凍土為研究對象，分別用彎曲圓盤和彎曲元測量壓縮波和剪切波速度，用于評估在解凍期間的彈性特性。秦輝等［18］通過開展無側限壓縮試驗、彎曲元波速測試，研究建立了凍融循環(huán)黃土的波速與單軸抗壓強度的經驗關系式。

目前凍土聲波特性研究多針對淺部土體，相應的聲波測試裝置尚不具備高壓凍融條件下的測試功能。對于深土凍融過程存在較高地應力作用的特殊情況，需要研制一種能夠模擬深部凍土真實環(huán)境的高壓凍融聲波測試裝置，以認識深土高壓凍融條件下的聲波特性。為此，本文在總結前人工作的基礎上，基于彎曲元測試技術，研制新型高壓凍融試驗裝置，并研究了深土彎曲元聲波測試方法。

1 深土高壓凍融彎曲元測試系統(tǒng)構建

深部凍土是在經歷長時間固結后，并在有載狀態(tài)下凍結形成的，因此，其合理的試驗方式應該是先固結，并在荷載狀態(tài)下凍結后，再進行試驗［19］。為符合高壓環(huán)境下土的凍融特征及凍融后物理力學性質的研究，本文設計的測試系統(tǒng)最大承載力達到10 MPa，可自主選擇單向或者雙向凍結模式，并搭載了側裝式彎曲元測試系統(tǒng)，能夠在試驗過程中實時獲取土體的剪切波速。

本文研制的高壓凍融側裝式彎曲元試驗裝置由試樣承壓艙、加載系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)和側裝式彎曲元測試系統(tǒng)組成，整體結構如圖1 所示。加載系統(tǒng)由計算機控制伺服加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、液壓千斤頂與反力架組成，試驗中可實時記錄加載壓力和變形數據，加、卸壓過程中壓力控制精度為±0.5%，穩(wěn)壓階段為±0.25%，位移控制精度1%；控溫系統(tǒng)主要由高低溫恒溫循環(huán)裝置、保溫材料組成，試驗控溫范圍-30～45 ℃，控溫精度±0.1 ℃；數據采集系統(tǒng)主要包括對土體的溫度、豎向位移、軸向荷載以及剪切波速的采集，各組數據集成于計算機中，方便存儲及讀取。側裝式彎曲元測試系統(tǒng)組成的主要設備有函數發(fā)生器、壓電線性放大器、電荷放大器和數字示波器。

函數發(fā)生器用于產生激勵信號，一般可輸出波形類型有正弦波、方波、三角波、任意周期脈沖波等，但輸出電壓幅值相對較低，驅動彎曲元振動效果不明顯。因此前端連接壓電線性放大器，用于放大函數發(fā)生器產生的激勵信號，從而更有效地驅動壓電傳感器。壓電線性放大器需具有低電噪音、低畸變、防外部電磁干擾等特點，并具有輸入輸出過壓保護、手動偏壓控制等功能。剪切波信號經土體傳播后輸出電信號較微弱，需采用電荷放大器將接收端的電信號放大后傳輸至數字示波器。本系統(tǒng)選用具備濾波功能的電荷放大器，通過濾波功能可有效地提高信噪比，使接收信號清晰可辨。數字示波器的作用是接收、顯示、存儲來自激勵端和接收端信號，并確定剪切波在土樣中走時。系統(tǒng)中各設備之間通過具有屏蔽功能的信號線連接，具體連接方式見圖1。

圖1 高壓凍融彎曲元試驗裝置Fig. 1 High pressure freeze-thaw bending element test apparatus

2 試樣承壓艙設計

2.1 試樣承壓艙

室內試驗研究是獲取深部凍土物理力學性質的重要手段之一，試驗需模擬深土原位凍融環(huán)境。關輝等［20］采用厚有機玻璃筒作為試樣艙，研制了高壓土體凍融試驗裝置，并利用此裝置開展了2 MPa荷載下蘭州黃土單向凍結試驗。對于深400 m 以上的土體，初始水平地壓近5 MPa，對試驗裝置的強度及剛度變形要求更高。因此試樣承壓艙為滿足高壓凍融試驗要求，不僅需要具有承載功能，還需要有足夠剛度，以約束試樣側向變形，保證試驗精度。與此同時還要有較好的隔熱性能，以減少周圍環(huán)境溫度的影響。此外，應避免剪切波經試樣承壓艙傳播到達接收端對測試信號造成干擾，即應具備“隔振”能力。考慮以上條件，本文對試樣承壓艙從材料選擇和結構設計上進行了分析研究。

2.2 雙層筒結構設計

一般情況下，金屬材料的強度剛度性能好，但是其保溫隔熱性能不足；而有些非金屬材料保溫隔熱性能好，但是其強度剛度性能相對較差，找到一種同時滿足各項功能要求的材料較為困難。因此，我們考慮將試樣承壓艙設置為雙層筒結構，采用兩種不同材料以兼具以上功能。作為與土體直接接觸的內層試樣筒（以下簡稱內筒），需要防止聲波信號可能會繞過測試土樣經內筒傳播，對剪切波速的測量帶來干擾。

如圖2所示，彎曲元發(fā)射探頭產生激勵信號時，土體內部（路徑1）和筒-土界面（路徑2）會有聲波信號傳播。本文通過對鋼、聚四氟乙烯和土樣進行剪切波速測試，測得鋼的剪切波速約為3 050 m·s-1、聚四氟乙烯的剪切波速大約為200 m·s-1、土體最小剪切波速約為300 m·s-1。則剪切波在鋼材中沿路徑2聲波走時為32 μs，在聚四氟乙烯的聲波走時為485 μs，在土中沿路徑1 的聲波走時為206 μs。據此內筒采用聚四氟乙烯，其不僅保溫隔熱性能好，而且能夠保證剪切波經由土體傳播最先到達彎曲元接收探頭。

圖2 剪切波傳播路徑Fig. 2 Paths of the shear wave propagation

但是，聚四氟乙烯材料強度和剛度不能滿足高壓試驗要求，為此，在聚四氟乙烯內筒外設置一強度高剛度大的外層試樣筒。外層試樣筒（以下簡稱外筒）主要是為了增大承壓艙的剛度和強度，本文選用的材料是Q235 鋼。同時，在外筒上預留與內筒相對應的孔洞。為了保證雙層試樣筒在高壓環(huán)境下工作時仍具有良好的密封性，在彎曲元底座上安有兩層橡膠圈；除此之外，在雙層筒與底層承壓板之間也增設密封圈，雙層筒兩端設置定位法蘭和螺栓，把二者緊密連接到了一起，起到整體固定和壓緊密封圈的作用。圖3 為雙層筒的內部結構，以及雙層筒與裝置中其他結構之間的關系。

圖3 裝置主體結構Fig. 3 The main structure of the device

為了測定高壓土體在凍融中溫度的變化以及波速的變化，在內層聚四氟乙烯筒側面不同位置處開孔，將溫度傳感器和彎曲元探頭安裝于開孔處。兩種預留孔沿環(huán)向呈90°，側裝式彎曲元探頭通過筒壁固定，可削弱加卸載過程干擾，有利于探頭與土體的耦合［21］。位于試樣承壓艙上端的是傳熱傳壓活塞桿，本文在傳統(tǒng)活塞桿的基礎上進行一定改進，將端部放大在內部空間循環(huán)冷媒劑，使其傳遞軸向荷載對土體進行加載的同時，能夠實現對土體上端部的凍結和解凍。在試樣承壓艙下端的是剛性承壓板，承壓板的上端面開有溝槽便于安放密封圈，下端面緊貼銅盤管循環(huán)冷媒劑，對土體下端進行凍結和解凍。開啟或關閉上下循環(huán)冷媒劑，可實現對土體的單向、雙向凍結。試驗中土體處于高壓環(huán)境，常規(guī)透水石很容易被壓壞，為此本文設計了一種透水鋼板代替常規(guī)透水石，即在鋼板上打有足夠多的小孔使其滲透性高于土體滲透性，經實驗證明該透水鋼板能夠滿足試驗一般要求。

2.3 結構受力計算

本文使用COMSOL軟件中結構力學模塊，對雙層試樣筒體進行了應力變形分析，通過分析結果，確定滿足試驗要求的各部件尺寸。計算中假設鋼材料為理想材料，忽略內筒與外筒之間的摩擦。裝置中使用材料性能如表1 所示。試驗過程中，土樣承受最大壓力10 MPa，土樣加載過程對內筒施加徑向壓力，其值小于軸向壓力，計算中取值為軸向壓力的0.8 倍，即取值為8 MPa；裝置受力過程中，對于摩擦力本文主要考慮內筒與土體之間的接觸摩擦，土體與內筒之間的摩擦系數設為0.1；承壓板上表面及傳熱傳壓活塞桿下表面設為固定約束。在表2 中給出試樣筒體各部件的尺寸預選值，經全部組合驗算，在其中選擇出最合理的部件尺寸組合。

表1 材料性能參數（試樣筒體）Table 1 Material performance parameters（sample cylinder）

表2 試樣筒體各部件尺寸的預設計值Table 2 Preselected value of each part size of the sample cylinder

從整體上分析試樣筒體受力情況，圖4 給出試樣筒體整體表面應力云圖以及沿YZ平面的內部切片應力云圖（此時，外筒壁厚15 mm，內筒壁厚10 mm），從圖中可以看出，外筒的最大應力出現在內側表面中下部（圖中標注a 處），內筒的最大應力出現在內側表面中下部（圖中標注b 處），傳熱傳壓活塞桿的最大應力出現在裝置內腔表面（圖中標注c 處）。計算時，需要保證各部分最大應力在安全范圍內。利用數值模擬軟件計算得到，當傳熱傳壓活塞桿壁厚為4 mm 時，不滿足強度要求（裝置的應力均小于材質的屈服強度），其余尺寸組合均滿足強度要求，因此需要進一步對變形條件進行驗算以確定合適尺寸。

圖4 試樣筒體應力云圖Fig. 4 Stress cloud map of the sample cylinder

圖5給出試樣筒體內部切片Y、Z分量位移云圖，從圖5（a）中可以看出，內筒、外筒最大徑向位移均發(fā)生在內側表面中下部，在此兩點處設置Y分量位移探針。從圖5（b）中可以看出，傳熱傳壓活塞桿最大軸向位移發(fā)生在傳熱傳壓裝置上表面中心處。因此，只需要將以上最大變形危險點控制在安全范圍內即可保證裝置整體的變形穩(wěn)定。

圖5 試樣筒體位移云圖Fig. 5 Displacement cloud map of the sample cylinder

圖6給出不同組合方式下試樣承壓艙關鍵部件最大軸向和徑向變形占比，圖中紅色虛線是變形占比為1%分界線。變形占比是指部件某方向變形量與該部件在這一方向上尺寸的比例。從圖6中可以看出，當外筒壁厚為15 mm，內筒壁厚選為6 mm 或8 mm，傳熱傳壓活塞桿壁厚選為6 mm 或8 mm 時，各部分變形占比均小于1%，裝置滿足變形要求；當外筒壁厚為10 mm，內筒壁厚6 mm，傳熱傳壓活塞桿壁厚為6 mm 或8 mm 時，各部分變形占比均小于1%，裝置滿足變形要求。出于安全考慮，對于雙層試樣筒壁厚盡量選擇較大的厚度，即聚四氟乙烯筒壁厚選擇8 mm，承壓鋼筒壁厚選擇15 mm。同時考慮傳熱傳壓活塞桿壁厚較大時，傳熱傳壓活塞桿空腔容積將會縮小，上部制冷效果將會降低，因此傳熱傳壓活塞桿在滿足強度和變形的條件下，壁厚應該盡量小，因此將傳熱傳壓活塞桿壁厚選擇為6 mm。

圖6 不同組合方式下極限變形占比Fig. 6 The proportion of ultimate deformation under different combinations

3 彎曲元測試方法

彎曲元是一種可以實現機械信號與電信號互相轉換的壓電傳感器，通常由三層結構貼合而成，上下兩層為壓電陶瓷片（PZT），中間層為金屬加勁層。為保證彎曲元探頭信號質量，制作探頭時需采用環(huán)氧樹脂作為彎曲元的防水涂層，并用銀膠凝固形成的金屬層，屏蔽外界電磁干擾信號。彎曲元工作時，一端由底座固定，另一端自由，發(fā)射探頭在交流電壓激勵下產生橫向變形，在介質中產生剪切波；彎曲元接收探頭的自由端受迫振動，彎曲元產生電信號能夠被數字示波器接收，接收信號與系統(tǒng)的激勵波形、激勵頻率有關。此外關于聲波走時的確定方法尚未得到統(tǒng)一的認識，不同確定方法得到的聲波走時存在差異［22］。為減小彎曲元法測試誤差，本文利用彎曲元測試系統(tǒng)分析了聲波走時確定方法、激勵信號和頻率。

3.1 聲波走時確定方法

目前判定剪切波傳播時間的方法主要有：初達波法、峰值法、互相關法。本文以標準校驗試件（材質為有機玻璃）為測試對象確定適合本測試系統(tǒng)的確定方法。試驗過程中環(huán)境溫度為20 ℃，標準校驗試件的剪切波速約為1 354 m·s-1。考慮測試裝置所造成的系統(tǒng)延時，本文將實測波的傳播時間減去系統(tǒng)延時作為最終的剪切波傳播時間，經測定系統(tǒng)延時為4.8 μs。圖7 給出了聲波走時不同確定方法測試結果，括號內表示的是激勵波形。從圖中可以看出，不同確定方法得到的剪切波速都隨著頻率的增大而增大，即產生了頻散現象，從而導致一定誤差。頻率范圍在0～10 kHz 時，不同確定方法產生的平均誤差分別為初達波法（正弦波）13 m·s-1、峰值法（正弦波）9.7 m·s-1、互相關法（正弦波）8.2 m·s-1、初達波法（方波）4.9 m·s-1，采用初達波法（方波）測得的剪切波速與實際數值更為接近，相較而言誤差最小，因此本文決定選用初達波法（方波）作為剪切波傳播時間的確定方法。

圖7 聲波走時不同確定方法測試結果Fig. 7 Test results for different methods of determining the acoustic travel time

3.2 激勵信號波形和頻率

激勵波形的選擇在不同試驗條件下對彎曲元測試系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響程度不同。我們選擇高密度黏土作為測試對象，利用彎曲元測試系統(tǒng)對其進行了剪切波速測試，測試中分別用正弦波和方波作為激勵波形，兩種不同激勵波形得到的剪切波速與頻率的關系如圖8 所示。從圖8 中可以看出，同時采用初達波法作為聲波走時確定方法，激勵波形為方波時，曲線斜率較小，意味著頻率變化對波速的影響程度較小，也就意味著此時測試系統(tǒng)更加穩(wěn)定。因此本文選擇方波作為激勵信號波形。

另外，激勵頻率會影響接收信號波形從而影響剪切波速度的測量值［23-24］。通常情況下，當激勵頻率越接近物體的固有頻率，信號越清晰，易于進行信號分析。利用彎曲元測試系統(tǒng)對深部黏土的剪切波速進行了測試，未凍土測試溫度為20 ℃，凍土測試溫度-20 ℃，激勵波形為方波，頻率為1～100 kHz。將得到的接收信號幅值與激勵頻率的關系示于圖9，由圖9可見未凍土在激勵頻率為5 kHz時幅值最大，而凍土在4 kHz 時幅值最大。據此對于本系統(tǒng)，當測試土體處于常溫狀態(tài)下時，激勵頻率選擇5 kHz左右；當測試土體處于低溫狀態(tài)下時，激勵頻率選擇4 kHz左右。

圖9 接收信號幅值與激勵頻率關系曲線Fig. 9 Received signal amplitude versus excitation frequency curve

4 彎曲元凍融裝置初步應用

4.1 試驗概況

本文利用該凍融彎曲元試驗裝置，測試了有載條件下深部凍結黏土的剪切波速。土樣取自河南某礦深部黏土，液限為42.3%，塑限為20.5%，比重2.75。制備的重塑試樣直徑為61.8 mm，高125 mm，含水率為12.1%，干 密 度. 別 為1.72 g·cm-3和1.96 g·cm-3，荷載等級為4 MPa、8 MPa。試驗采用分級降溫方式，溫度等級分別為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃，利用彎曲元測試系統(tǒng)測取各級溫度下試樣的剪切波速。

4.2 試驗結果

圖10為不同干密度以及荷載條件下深部黏土剪切波速隨溫度的變化情況。由圖10可見，剪切波速隨著溫度的降低而增大，干密度對波速有明顯影響，干密度越大，剪切波速越大。在溫度-5～-25 ℃范圍內，深部凍結黏土的剪切波速為804～1 014 m·s-1。表3 為以往報道關于深部凍結黏土剪切波速測試結果，剪切波速范圍為712～1 070 m·s-1，本試驗結果在此區(qū)間內。

圖10 不同溫度下深部凍結黏土剪切波速Fig. 10 Shear wave velocity in deep frozen clay at different temperatures

表3 試驗結果對比分析Table 3 Comparative analysis of test results

由于試驗性質和測試條件差異，相同溫度條件下本試驗結果與文獻報道結果有一定差異。分析其原因，Zhang 等［17］同樣采用彎曲元法測試，激勵頻率低于20 kHz，但是其是在無壓力條件下進行試驗，而本文試驗是在有壓條件下進行的，壓力作用使剪切波速增大，所以本文得到剪切波速值會略高一些。由前述測試結果可知，彎曲元測試中存在頻散現象。馬芹永等［25］采用超聲波測試，激勵信號頻率大于20 kHz，本試驗的激勵頻率為4 kHz，因此本測值要低于超聲波法所測的剪切波速值。總體上看，本試驗所獲得的剪切波速較為可靠，凍融彎曲元試驗裝置可滿足高應力條件下，20～-25 ℃范圍內深土凍融過程實時剪切波速測試要求。

5 結論

針對深土高地應力凍融條件，本文研制了一種結合彎曲元測試技術的新型高壓凍融試驗裝置，該裝置主要由試樣承壓艙、加載系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)和側裝式彎曲元測試系統(tǒng)組成。為保證高壓條件下承壓艙有足夠剛度，通過數值計算承壓艙采用雙層結構，內筒為聚四氟乙烯筒，壁厚8 mm，外筒為Q235承壓鋼筒，壁厚15 mm。彎曲元探頭設置于內層筒側壁，內層采用聚四聚乙烯筒具有隔熱和隔振優(yōu)點。

根據本條件下彎曲元系統(tǒng)測試結果，聲波走時宜采用初達波法確定，激勵波形采用方波，高密度凍土和未凍土的激勵頻率分別選擇4 kHz 和5 kHz。利用該裝置測試了有載條件下深部黏土不同負溫下的剪切波速，可發(fā)現深部黏土剪切波速隨著溫度降低而增大。對于高致密深部黏土在溫度為-5～-25 ℃范圍，軸壓在4～8 MPa 范圍，剪切波速值為804～1 014 m·s-1。

該裝置可進行有載凍融過程深土剪切波速的實時測量，能實現單向和雙向凍結，最大固結壓力可達10 MPa。

致謝：阿拉斯加大學安克雷奇分校楊朝暉教授和哈爾濱工業(yè)大學張鋒博士為本研究提供了有益建議和幫助，特此致謝。