【摘要】：人工凍結(jié)法是一種特殊的地下施工方法,在掘進(jìn)施工過程中,形成一定強(qiáng)度和厚度的凍結(jié)壁是確保施工安全順利進(jìn)行的關(guān)鍵,人工凍結(jié)壁一旦失效將導(dǎo)致不可預(yù)料的后果,因此有效地判斷凍結(jié)壁的發(fā)育狀況至關(guān)重要。目前,常用的判斷凍結(jié)壁發(fā)育狀況的方法有測溫數(shù)據(jù)推測法、水文孔水位觀測法、凍結(jié)器內(nèi)縱向測溫判定法以及地質(zhì)雷達(dá)探測法等。正常情況下,綜合以上方法能夠有效地對凍結(jié)壁發(fā)育狀況進(jìn)行判斷。然而,面對復(fù)雜多變的地質(zhì)條件和施工工況,也存在不能通過上述手段精確掌握凍結(jié)壁發(fā)育狀況的情況,因此,探索一種新型的凍結(jié)壁發(fā)育狀況檢測手段迫在眉睫。超聲波無損檢測技術(shù)是一種高效便捷、結(jié)果精確、適應(yīng)性強(qiáng)的探測手段,在巖土工程領(lǐng)域有相當(dāng)多的應(yīng)用,相關(guān)研究表明超聲波在通過凍結(jié)土體前后,聲學(xué)參數(shù)會隨相態(tài)變化以及溫度降低而改變,所以超聲波檢測技術(shù)能夠作為凍結(jié)壁的發(fā)育狀況檢測的一種手段。但是,有關(guān)超聲波檢測凍結(jié)壁發(fā)育狀況的理論還相當(dāng)欠缺,對于超聲波在凍結(jié)地層中傳播的仿真研究也比較稀少。本文通過理論分析、室內(nèi)試驗以及數(shù)值模擬等手段,對不同凍結(jié)溫度下含砂粉質(zhì)粘土的超聲波傳播特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,具體的研究內(nèi)容與成果如下:選取含砂粉質(zhì)粘土土樣,采用溫度、含水率、密度為三個水平的正交試驗以及定含水率、定密度的溫度單因素試驗,進(jìn)行人工凍土超聲波測試,獲取不同情況下人工凍土的聲學(xué)參數(shù),分析了聲學(xué)信號的變化規(guī)律,建立了不同條件下溫度與超聲波波速以及衰減系數(shù)的關(guān)系表達(dá)式。通過敏感性分析得知,超聲波波速對溫度、含水率較敏感,對密度敏感度較差;衰減系數(shù)對溫度較敏感,對含水率敏感度較差,對密度不敏感。提出了凍結(jié)壁溫度場與超聲波聲場耦合的研究思路,確定了聲-熱單向間接耦合的方式,并利用有限元軟件COMSOL,選取固體傳熱與壓力聲學(xué)瞬態(tài)模塊,建立聲-熱單向間接耦合仿真模型,獲得了不同凍結(jié)階段含砂粉質(zhì)粘土層的超聲波響應(yīng)特征,結(jié)果顯示,凍結(jié)壁從未交圈到交圈,超聲波波形變化明顯,平均聲速逐漸增大,凍結(jié)42 d(交圈)的峰值聲壓比凍結(jié)40 d(未交圈)的峰值聲壓急劇增大了45.91%,據(jù)此可以有效地判斷凍結(jié)壁的交圈情況。本文得出的人工凍土超聲波檢測室內(nèi)試驗以及聲-熱耦合數(shù)值模擬結(jié)果能夠為含砂粉質(zhì)粘土層人工凍結(jié)壁中超聲波傳播特性的研究及檢測技術(shù)的發(fā)展提供參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支持,具有較強(qiáng)的理論價值。
【學(xué)位授予單位】：煤炭科學(xué)研究總院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD265.3
【圖文】：

煤科院建井所等單位利用研制的 DSC-1 型凍結(jié)壁聲波檢測儀先后在東灘副井（凍結(jié)深度151m）和潘集三號東風(fēng)井（凍結(jié)深度358.5m）進(jìn)行了超聲波測量凍結(jié)壁厚度現(xiàn)場試驗。具體測試方法如圖1.1所示，在凍結(jié)區(qū)及外側(cè)未凍土各有觀測孔A（利用凍結(jié)管）和B（利用測溫孔、專門的觀測孔），在兩孔內(nèi)分別下放發(fā)射和接收的換能器，使兩換能器在同一標(biāo)高上。超聲波在凍結(jié)區(qū)的速度為vd、在未凍結(jié)區(qū)域的速度為 vb。利用儀器測得超聲波由A至B的通行時間，計算出該標(biāo)高上的凍結(jié)壁外界面點C的位置。在不同的深度上依此測量，最終得出了凍結(jié)壁的外輪廓線。但是由于超聲波檢測信號處理技術(shù)較落后，檢測精度較低。李棟國等利用 TICO 超聲波檢測儀測出在反復(fù)凍融條件下的波速變化�？梢姡脙鐾僚c未凍土之間超聲波聲學(xué)參數(shù)的差異

圖 2.1 縱波的振動方向Fig2.1 Direction of longitudinal wave vibration（TV、TH 波）點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波，如

波（TV、TH 波）質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波，如圖到交變的剪切應(yīng)力作用時產(chǎn)生的，無法在氣體、液體質(zhì)中傳播。橫波對各向異性介質(zhì)很敏感，在界面處存

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本文編號：2792807