CN108776175B - 一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法 - Google Patents

一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108776175B
CN108776175B CN201810402376.3A CN201810402376A CN108776175B CN 108776175 B CN108776175 B CN 108776175B CN 201810402376 A CN201810402376 A CN 201810402376A CN 108776175 B CN108776175 B CN 108776175B
Authority
CN
China
Prior art keywords
hole
ultrasonic
frozen
soil
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810402376.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108776175A (zh
Inventor
张基伟
李方政
崔灏
孔令辉
韩玉福
李宁
许舒荣
高伟
郭垒
叶玉西
孙右好
郑新赟
周可发
张绪忠
王磊
高玉骐
崔兵兵
王恒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Coal Science Research Institute
Tiandi Science and Technology Co Ltd
Beijing China Coal Mine Engineering Co ltd
Original Assignee
Coal Science Research Institute
Tiandi Science and Technology Co Ltd
Beijing China Coal Mine Engineering Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Coal Science Research Institute, Tiandi Science and Technology Co Ltd, Beijing China Coal Mine Engineering Co ltd filed Critical Coal Science Research Institute
Priority to CN201810402376.3A priority Critical patent/CN108776175B/zh
Publication of CN108776175A publication Critical patent/CN108776175A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108776175B publication Critical patent/CN108776175B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01—Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/011—Velocity or travel time
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02827—Elastic parameters, strength or force

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，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；(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。利用本发明的检测方法能够通过检测不同层位土层超声波传播速度，即可定量的测定测温孔与冻结孔或两冻结孔之间冻结壁平均抗压强度，达到整体掌握冻结壁强度的目的。

Description

一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法
技术领域
本发明涉及冻结壁检测。更具体地，涉及一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法。
背景技术
人工冻结法具有良好的封水性能，且形成人工冻结帷幕强度高、地层可复原性好，所以该方法已经成为不稳定含水地层中地下工程施工的首选方法。但是当地下水流速大于5m/d时，往往会发生冻结壁强度不均匀现象。冻结壁平均抗压强度大小决定了掘砌施工期间冻结壁稳定性、开挖步距及开挖时间。特别针对一些强度较低、易膨胀、冻胀率较高的粘土，需要提高其冻结帷幕强度(一般考虑平均温度为-10℃以下的抗压强度)，防止掘砌施工期间出现片帮等现象。
目前主要的冻结壁平均抗压强度监测手段为测温孔监测，即在测温孔中布置温度传感器，实时监测不同层位温度变化。根据室内实验获得的不同层位温度与抗压强度之间关系公式，推测冻结壁抗压强度。但是该方法易受到布置位置的限制，只能够反映出井筒冻结的某些位置的冻结壁抗压强度，达不到整体掌握冻结壁强度的技术要求。特别是当冻结壁出现局部强度不足情况时，很难利用某位置测温孔的数据来判断某区域的冻结壁平均抗压强度，往往对已经出现冻结壁强度不足后知后觉，为接下来掘砌施工工序带来极大的风险。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种解决目前测温孔监测只能够反映出井筒冻结的某些位置的冻结壁抗压强度，达不到整体掌握冻结壁强度的一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，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；
(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。
上述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，步骤(1)中，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：
Fy＝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％。
上述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，在步骤(1)中，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Fy；
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。
上述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，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；
(2-2)超声波***声延迟标定。
上述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，步骤(2-1)中，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。
上述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，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。
上述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，所述步骤(2-2)中，标定超声波检测仪从发射至接收仪器***产生的***延迟时间t0，计算方法如公式(Ⅱ)所示：
t0＝t1+tb+ty (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；
tb为穿过冻结管壁的时间，符合tb＝(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；
ty为穿过耦合盐水的时间，符合ty＝(d-Dh)/v2，其中Dh为测量换能器的外径；v2为盐水超声速波速。
上述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，步骤(2-1)中，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。
上述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，所述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***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
Figure BDA0001646023410000031
，然后通过公式(Ⅰ)得到两相邻冻结孔间的冻结壁抗压强度Fy；
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
Figure BDA0001646023410000042
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；
Figure BDA0001646023410000041
其中k为系数，k＝0.9；
将出现异常的两相邻声测孔孔间的Vw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。
上述冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，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***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Fy1、Fy2、Fy3；
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Fy1、Fy2、Fy3满足公式(Ⅳ)；
Fyi＝kFy(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
Figure BDA0001646023410000043
通过公式(Ⅴ)求得，
Figure BDA0001646023410000044
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Fy1、Fy2、Fy3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Fy1、Fy2、Fy3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。
本发明的有益效果如下：
冻土的弹性性质反映冻土抗压强度大小，随着土体温度降低，大量冰颗粒的增加使冻土骨架之间的黏结力增强，从而导致冻土弹性性能增强。弹性模量越高，内部越致密强度越大，波速也越高，反之越低。超声波波速通过冻土的弹性模量与其力学强度存在内在联系，本发明建立了冻土超声波波速与强度的相关关系来估算冻土的平均强度。
本发明将超声波探头下放至测温孔与冻结孔内或下放至两冻结孔内，对冻结交圈后各个土层超声波传播速度进行测定与对比，能够及时发现冻结壁强度不均匀位置。将测得的超声波波速代入到通过试验及经验获得的抗压强度与作用效应显著的波速、密度、含水率、温度四个因子的定量表达式中，即定量的测定测温孔与冻结孔或两冻结孔之间冻结壁平均抗压强度。从而能够实现对区域冻结壁平均抗压强度的过程监测与效果评价。
利用本发明的检测方法能够通过检测不同层位土层超声波传播速度，代入到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，即可定量的测定测温孔与冻结孔或两冻结孔之间冻结壁平均抗压强度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的超声波检测冻结壁平均抗压强度示意图；
图2为三孔局部区域冻结壁平均抗压强度检测布置图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法，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；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：
Fy＝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，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％。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。
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，求解式(Ⅰ)中a、b、c、d、e、f、g、h、i和j，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(如-10℃、-11℃、-12℃、-13℃、-15℃、-16℃、-17℃、-18℃、-19℃、-20℃)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Fy；
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。
将10组不同冻结温度下测得的冻土块超声波波速V和冻土试块抗压强度Fy分别代入公式(Ⅰ)中，解十元一次方程组，得到a、b、c、d、e、f、g、h、i和j，从而得到对应层位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。
(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)中得到的函数关系式中，计算得出待测冻结壁平均抗压强度。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。
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。
在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。
(2-2)超声波***声延迟标定。
标定超声波检测仪从发射至接收仪器***产生的***延迟时间t0，计算方法如公式(Ⅱ)所示：
t0＝t1+tb+ty (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；
tb为穿过冻结管壁的时间，符合tb＝(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；
ty为穿过耦合盐水的时间，符合ty＝(d-Dh)/v2，其中Dh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
(2-3-1)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***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
Figure BDA0001646023410000082
，然后通过公式(Ⅰ)得到两相邻冻结孔间的冻结壁抗压强度Fy；
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
Figure BDA0001646023410000083
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；
Figure BDA0001646023410000081
其中k为系数，k＝0.9；
将出现异常的两相邻声测孔孔间的Vw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。
(2-3-1)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；
如图1和图2所示，具体步骤为：待标定超声波***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Fy1、Fy2、Fy3；
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Fy1、Fy2、Fy3满足公式(Ⅳ)；
Fyi＝kFy(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
Figure BDA0001646023410000085
通过公式(Ⅴ)求得，
Figure BDA0001646023410000084
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Fy1、Fy2、Fy3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Fy1、Fy2、Fy3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。
采用本实施例的方法对某地层冻结后抗压强度进行检测，检测结果如表1所示：
表1抗压强度预测表
Figure BDA0001646023410000091
工程试验实例：用本发明的冻结壁平均抗压强度超声波检测方法对某冻结工程含砂粉质黏土(常规土工试验测试测得含水率ω为37.53％、密度ρ为1.87g/cm3)进行冻结壁的超声波检测，将10组不同冻结温度下测得的冻土块超声波波速V和冻土试块抗压强度Fy以及土样试块含水率ω和土体密度ρ代入下式中：
Fy＝a+bV+cρ+dω+eρω+fρV+gωV+hρ2+iω2+jV2；
从而建立此层位土体抗压强度Fy与作用效应显著的超声波波速V、密度ρ、含水率ω三个因子之间函数关系为公式(Ⅵ)所示：
Figure BDA0001646023410000092
V为冻结壁中的超声波波速km/s；ρ为土体密度g/cm3；ω为土体含水率wt％。
采用两孔检测法对某冻结工程含砂粉质黏土层进行平均抗压强度检测，测得相同检测层位五对冻结管声速分别为2.91km/s、2.92km/s、2.89km/s、2.90km/s、2.92km/s。求得含砂粉质黏土层两相邻冻结孔平均波速
Figure BDA0001646023410000102
km/s，即此检测层位的冻结壁超声波平均波速
Figure BDA0001646023410000103
对于此层位待检测的冻结壁来说，首先测得孔B和孔A间的波速为Vw＝2.61km/s，判断Vw是否满足公式(Ⅲ)，
Figure BDA0001646023410000101
其中k为系数，k＝0.9；如果Vw满足公式(Ⅲ)则说明孔B和孔A间的冻结壁存在未交圈的可能性。
Figure BDA0001646023410000104
则孔B和孔A间的冻结壁存在有未交圈可能。将Vw代入公式(Ⅵ)，可得出孔B和孔A之间平均抗压强度为2.69MPa。重点分析计算值出现异常冻结孔之间地质条件、地下水流速，及时采取注浆、强化冻结等措施。
采用三孔局部区域检测法对含砂粉质黏土层进行平均抗压强度检测，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分别为2.96km/s、2.92km/s、2.93km/s。将超声波波速V1、V2和V3，以及该检测层位的土体含水率ω37.53％和土体密度ρ1.87g/cm3，带入公式(Ⅵ)中，计算孔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Fy1、Fy2、Fy3分别为3.205MPa、3.022MPa、3.065MPa。如果不满足公式(Ⅳ)，则分析该区域冻结壁是否达到设计厚度，重点分析计算值出现异常一侧的声测孔之间地质条件、地下水流速，及时采取注浆、强化冻结等措施。
Fyi＝kFy(i+1) (Ⅳ)
其中k为系数，k＝0.9～1.1；
即Fy1/Fy2＝3.205MPa/3.022MPa＝1.060；
Fy2/Fy3＝3.022MPa/3.065MPa＝0.986；
则将孔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Fy1、Fy2、Fy3带入公式(Ⅴ)，
Figure BDA0001646023410000106
即
Figure BDA0001646023410000105
求得平均抗压强度
Figure BDA0001646023410000111
为3.097MPa。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

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：
Fy＝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Fy；
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***声延迟标定；
标定超声波检测仪从发射至接收仪器***产生的***延迟时间t0，计算方法如公式(Ⅱ)所示：
t0＝t1+tb+ty (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；
tb为穿过冻结管壁的时间，符合tb＝(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；
ty为穿过耦合盐水的时间，符合ty＝(d-Dh)/v2，其中Dh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***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
Figure FDA0002605231030000033
然后通过公式(Ⅰ)得到两相邻冻结孔间的冻结壁抗压强度Fy；
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
Figure FDA0002605231030000034
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；
Figure FDA0002605231030000031
其中k为系数，k＝0.9；
将出现异常的两相邻声测孔孔间的Vw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***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Fy1、Fy2、Fy3；
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Fy1、Fy2、Fy3满足公式(Ⅳ)；
Fyi＝kFy(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
Figure FDA0002605231030000035
通过公式(Ⅴ)求得，
Figure FDA0002605231030000032
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Fy1、Fy2、Fy3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Fy1、Fy2、Fy3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。
CN201810402376.3A 2018-04-28 2018-04-28 一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法 Active CN108776175B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810402376.3A CN108776175B (zh) 2018-04-28 2018-04-28 一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810402376.3A CN108776175B (zh) 2018-04-28 2018-04-28 一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108776175A CN108776175A (zh) 2018-11-09
CN108776175B true CN108776175B (zh) 2020-10-16

Family

ID=64026751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810402376.3A Active CN108776175B (zh) 2018-04-28 2018-04-28 一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108776175B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111042096B (zh) * 2019-12-24 2021-05-11 河海大学 一种轻质土路基快速检测与评价方法
CN112433044B (zh) * 2020-10-21 2023-07-11 北京中煤矿山工程有限公司 冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台
CN112323820B (zh) * 2020-12-14 2021-11-16 深圳百勤建设工程有限公司 一种基于土壤特征的基坑支护设计方法
CN116608009B (zh) * 2023-05-31 2024-04-09 安徽建筑大学 一种分层冻结与注浆加固效果实时监测方法
CN116972954B (zh) * 2023-09-25 2023-12-19 山东省地震工程研究院 基于原位激振的岩土波速测量方法及装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5243855A (en) * 1990-08-31 1993-09-14 Exxon Production Research Company Apparatuses and methods for measuring ultrasonic velocities in materials
CN103901107A (zh) * 2014-04-17 2014-07-02 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 轴压下冻土的超声波波速测试方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5243855A (en) * 1990-08-31 1993-09-14 Exxon Production Research Company Apparatuses and methods for measuring ultrasonic velocities in materials
CN103901107A (zh) * 2014-04-17 2014-07-02 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 轴压下冻土的超声波波速测试方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Prediction of Compressive Strength Using Ultrasonic Pulse Velocity for CLSM with Waste LCD Glass Concrete;Chien-Chih Wang,et al;《Journal of Civil Engineering and Architecture》;20151231;第691-700页 *
冻结粉质黏土声学特性与物理力学性质试验研究;黄星 等;《岩石力学与工程学报》;20150731;第34卷(第7期);第1489-1496页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108776175A (zh) 2018-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108776175B (zh) 一种冻结壁平均抗压强度超声波检测方法
CN103217131B (zh) 一种围岩松动圈的测试方法及测试设备
Berard et al. Evidence of thermally induced borehole elongation: a case study at Soultz, France
CN103255785A (zh) 采用单管纵波法进行基桩质量检测和地质探测的技术
CN105239609B (zh) 地下连续墙渗漏检测方法
CN204401664U (zh) 一种灌注桩桩底沉渣和桩端地基检测装置
CN110056342B (zh) 一种钻孔注气判定蹬空开采可行性的注气装置及方法
White et al. Comparing cross-hole sonic logging and low-strain integrity testing results
CN104532886A (zh) 一种灌注桩桩底沉渣和桩端地基检测装置和方法
CN104374827A (zh) 横观各向同性岩体原位动弹性模量的各向异性系数的测量方法
CN106149770B (zh) 灌注桩桩基施工期间同步进行的大直径灌注桩孔壁岩体完整性探测方法
CN105040750B (zh) 一种基于热响应的桩基桩长检测方法
CN104863576A (zh) 判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法
Lo et al. MEASUREMENT OF UNKNOWN BRIDGE FOUNDATION DEPTH BY PARALLEL SEISMIC METHOD.
CN109086502A (zh) 一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法
CN108547332B (zh) 一种建筑物桩基检测技术
CN112611805B (zh) 一种基于衰减系数的评价围岩松动圈范围的方法
CN114487125B (zh) 一种用于确定煤体各向异性的三维监测综合方法
CN112946778B (zh) 一种基于地下水浑浊度监测预警岩溶塌陷的方法
CN111596377B (zh) 一种高地应力软岩隧道松动圈的联合测试方法
CN113532544B (zh) 土体应变刚度和应力状态实时测试装置及其施工测试方法
CN111781277B (zh) 一种硬岩高压气体膨胀法破岩对围岩累积损伤测试方法
CN110847141B (zh) 一种基于深部位移变形监测的边坡下滑推力计算方法
CN107328861A (zh) 一种盾构始发端头多功能物理参数变化模拟装置
Deng et al. Characterization of the disturbed zone in a large rock excavation for the Three Gorges Project

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant