碳酸鹽漬土凍融后超聲波速檢測(cè)試驗(yàn)的研究

王 猛，王文華，萬(wàn) 健

（長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

碳酸鹽漬土凍融后超聲波速檢測(cè)試驗(yàn)的研究

王 猛，王文華，萬(wàn) 健

（長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

在吉林省的農(nóng)安地區(qū)，有大面積的碳酸鹽漬土分布，是松嫩平原較嚴(yán)重的碳酸鹽漬化地區(qū)。在該地區(qū)的碳酸鹽漬土地基上的建筑物、道路、管網(wǎng)、水渠及橋梁等工程常常會(huì)受到凍融循環(huán)的影響，從而表現(xiàn)出腐蝕、不均勻沉降、開(kāi)裂等不良現(xiàn)象。本次對(duì)農(nóng)安地區(qū)碳酸鹽漬土進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，并對(duì)其進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，檢測(cè)相應(yīng)凍融后的碳酸鹽漬土的超聲波速后，分析含水率、含鹽量及擊實(shí)度對(duì)碳酸鹽漬土超聲波速變化的影響，探討超聲波速這種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在碳酸鹽漬土中運(yùn)用的可行性。

碳酸鹽漬土；凍融；超聲波速

0 前言

根據(jù)農(nóng)安地區(qū)取樣點(diǎn)碳酸鹽漬土具有70%以上為原生礦物成分、分散性強(qiáng)、粉粒含量多的特點(diǎn)［1－3］，以該地區(qū)的碳酸鹽漬土為研究對(duì)象，配制含水率不同、含鹽量不同、擊實(shí)度不同的樣本，以超聲波速檢測(cè)手段分析不同的碳酸鹽漬土試件在多次凍融循環(huán)后波速的大小變化［4－6］，分析超聲波速與含水率、含鹽量、擊實(shí)度和凍融次數(shù)的關(guān)系；繼而對(duì)進(jìn)行相應(yīng)循環(huán)后的試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，探討不同含水率、不同含鹽量、不同擊實(shí)度情況下的試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度，對(duì)比分析相應(yīng)的碳酸鹽漬土試件在不同凍融循環(huán)后的超聲波速與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

1 野外取樣

作者分別于冬季土壤完全凍結(jié)前即2014年10月底及11月底對(duì)農(nóng)安地區(qū)的碳酸鹽漬化較明顯地區(qū)的敖寶圖泡及省道S001附近的兩處旱地進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研和土樣的采集工作。調(diào)研發(fā)現(xiàn)該地區(qū)鹽漬化程度非常大，由于大量易溶鹽在地表產(chǎn)生結(jié)晶，使得有些干燥的地表出現(xiàn)了斷斷續(xù)續(xù)呈塊狀的灰白色的現(xiàn)象，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了很壞的影響。其自然面貌如圖1所示，在進(jìn)行比較分析后，選取11月底取樣土坑的土樣為研究對(duì)象，如圖2所示。

圖1 取樣點(diǎn)周圍面貌

圖2 取土坑位置

2 超聲波檢測(cè)試驗(yàn)

2．1 試件制備

本次試驗(yàn)同樣采用農(nóng)安地區(qū)距地表20～30cm深度土樣作為試驗(yàn)土，首先將取回土樣進(jìn)行風(fēng)干、擊碎、過(guò)2mm篩處理；然后根據(jù)所需制備直徑D為10cm、高度H為5cm的試樣選用內(nèi)徑為10cm、高度為7cm的無(wú)機(jī)玻璃管作為試件模具；結(jié)合所需擊實(shí)度（85%、90%、95%）、含水率（16%、20%、24%）、含鹽量（原狀土、1．5%、2．0%），原狀土（天然狀態(tài)下的鹽漬土，其易溶鹽含量為0．95%）的含鹽量及其天然含水率，計(jì)算所需原狀土、水和NaHCO3用量，將計(jì)算好的各物質(zhì)拌合均勻后將其密封，放置在無(wú)陽(yáng)光直接照射條件下48h以上，然后制備試件；最后將制備的試件采用符合土工試驗(yàn)規(guī)范的擊實(shí)工具（木槌等）結(jié)合專用脫模劑從該圓形無(wú)機(jī)玻璃管取出，用塑料薄膜包裹嚴(yán)密后貼上其固有標(biāo)簽，放入高低溫試驗(yàn)箱，則試件制備完畢，準(zhǔn)備進(jìn)行試驗(yàn)［7－8］。用薄膜包裝的制備好的試件如圖3所示，放入高低溫試驗(yàn)箱的試件如圖4所示。

圖3 用薄膜包裝好的試件

圖4 放入高低溫試驗(yàn)箱的試件

2．2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)所用儀器主要是高低溫試驗(yàn)箱如圖5所示和瑞士生產(chǎn)的TICO超聲波測(cè)試儀如圖6所示。

其中高低溫試驗(yàn)箱的溫度控制范圍為－40～120℃，精度為0．1℃。試驗(yàn)時(shí)可對(duì)試驗(yàn)箱進(jìn)行編程，以控制試驗(yàn)箱內(nèi)溫度及其持續(xù)時(shí)間，以達(dá)到試驗(yàn)要求。TICO超聲波測(cè)試儀的測(cè)量范圍在15～6 550μm之間，采用直接法測(cè)量時(shí)測(cè)距可達(dá)15m。

采用TICO超聲波測(cè)試儀測(cè)試不同凍融循環(huán)下試件超聲波速的操作步驟如下：1）把TICO超聲波測(cè)試儀按照使用說(shuō)明書(shū)連接完成并對(duì)其開(kāi)機(jī)檢測(cè)，保證試驗(yàn)儀器能夠正常工作；2）重新測(cè)量不同凍融循環(huán)下試件的高度，把誤差范圍在1%以內(nèi)的測(cè)試結(jié)果輸入到儀器相應(yīng)位置；3）由于塑料薄膜可以起到很好的耦合作用，因此對(duì)傳感器表面涂抹耦合劑后，直接測(cè)量圓柱體試件的上下表面的超聲波速；4）正確記錄每一試件的超聲波速后，關(guān)閉儀器。對(duì)試件超聲波速的計(jì)算可按公式（1）進(jìn)行：

式中：v為超聲波速，m／s；H為試件高度，mm；t為超聲波傳導(dǎo)時(shí)間，μs。

圖5 高低溫試驗(yàn)箱

圖6 TICO超聲波測(cè)試儀

2．3 超聲波速測(cè)試

本試驗(yàn)在每一凍融循環(huán)條件下需要測(cè)量試件數(shù)為54個(gè)，包括3組不同含水率、3組不同含鹽率、3組不同擊實(shí)度的試件27個(gè)，又為了驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，則對(duì)上述各種試件做2個(gè)樣本，而需要測(cè)量對(duì)12種不同凍融循環(huán)次數(shù)下的試件進(jìn)行超聲波速檢測(cè)，則本次試驗(yàn)包括平行試件在內(nèi)共制備2× 27×12＝648個(gè)試件。將制備的試件放入高低溫試驗(yàn)箱，設(shè)置高低溫試驗(yàn)箱溫度在－20℃條件下保持6h，在20℃條件下保持5h40min，以模擬試件凍結(jié)和融化的自然環(huán)境，每完成一次凍結(jié)及融化過(guò)程即為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期為11h40min，分別對(duì)達(dá)到0次、3次、5次、10次、15次…50次共12組凍融循環(huán)次數(shù)下的土樣進(jìn)行超聲波檢測(cè)，記錄并整理試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同凍融循環(huán)條件下的不同試件超聲波速測(cè)試結(jié)果 m·s－1

通過(guò)對(duì)比分析表1可分別繪制含水率在16%、20%、24%時(shí)，含鹽率為原狀、1．50%、2．0%時(shí)，擊實(shí)度為85%、90%、95%時(shí)的試件在不同凍融循環(huán)條件下的超聲波速折線圖，如圖7～15所示。

圖7 不同擊實(shí)度、16%含水率的原狀土隨凍融次數(shù)的超聲波速變化折線

圖8 不同擊實(shí)度、20%含水率的原狀土隨凍融次數(shù)的超聲波速變化折線

圖9 不同擊實(shí)度、24%含水率的原狀土隨凍融次數(shù)的超聲波速變化折線

圖10 不同擊實(shí)度、16%含水率、含鹽率1．5%的試樣隨凍融次數(shù)的超聲波速變化折線

圖11 不同擊實(shí)度、20%含水率、含鹽率1．5%的試樣隨凍融次數(shù)的超聲波速變化折線

圖12 不同擊實(shí)度、24%含水率、含鹽率1．5%的試樣隨凍融次數(shù)的超聲波速變化折線

圖13 不同擊實(shí)度、16%含水率、含鹽率2．0%的試樣隨凍融次數(shù)的超聲波速變化折線

圖14 不同擊實(shí)度、20%含水率、含鹽率2．0%的試樣隨凍融次數(shù)的超聲波速變化折線

圖15 不同擊實(shí)度、24%含水率、含鹽率2．0%的試樣隨凍融次數(shù)的超聲波速變化折線

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)及折線圖進(jìn)行對(duì)比分析可知如下結(jié)果。

2．3．1 含水率對(duì)超聲波速的影響

對(duì)于含鹽率、擊實(shí)度相同的土樣在不同含水率條件下凍融循環(huán)后超聲波速值的變動(dòng)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)含水率越低，試件的超聲波速越大，此時(shí)的超聲波速在一定程度上與含水率呈反比。含鹽率為1．5%和2．0%的試件的超聲波速隨著含水率升高下降得更明顯，這是由于土體孔隙中水分多，土粒間接觸點(diǎn)少，聲波在土粒中傳播速度比在水中傳播快造成的，所以含水率越高波速越低。

2．3．2 擊實(shí)度對(duì)超聲波速的影響

含水率為16%和20%，在含鹽率不同時(shí)，其在擊實(shí)度95%時(shí)的超聲波速大于擊實(shí)度90%時(shí)的超聲波速，擊實(shí)度90%時(shí)的超聲波速大于擊實(shí)度85%時(shí)的超聲波速，此時(shí)的超聲波速與擊實(shí)度之間呈正比。但含水率24%時(shí)，出現(xiàn)了擊實(shí)度為85%的試件的超聲波速比擊實(shí)度為90%和擊實(shí)度為95%大的反常現(xiàn)象，這是因?yàn)樵嚰趽魧?shí)度為85%時(shí)的孔隙比大，在低含水率時(shí)，孔隙中水分沒(méi)有完全被水分充滿，氣體較多，超聲波速在氣體中傳導(dǎo)速度慢，而當(dāng)含水率達(dá)到24%時(shí)，試件土體中的孔隙被水分充滿，此時(shí)超聲波速的傳播媒介以孔隙水為主導(dǎo)，超聲波速在水中傳導(dǎo)速度快。

2．3．3 凍融循環(huán)次的影響

凍融循環(huán)在0～5次之間時(shí)，所有試件測(cè)得的超聲波波速都有明顯下降，在凍融循環(huán)達(dá)5次以上時(shí)，所有試件測(cè)得的超聲波波速大致趨于平衡。原狀土（含鹽量0．95%）時(shí)，土體在凍融循環(huán)過(guò)程中會(huì)有凍脹和融沉現(xiàn)象，凍脹時(shí)體積膨脹，土粒松散，超聲波速較慢；融沉?xí)r土粒回落，由于水分常會(huì)起到潤(rùn)滑的作用，則當(dāng)含水率較大時(shí)，土粒回落較易，更加密實(shí)。試件土質(zhì)含鹽量為1．5%時(shí)，在含水率為16%、20%、24%時(shí)的折線圖形相似，且超聲波速相近。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的累積，85%擊實(shí)度的試件的超聲波速與含水率呈正比，在此擊實(shí)度下，土質(zhì)相對(duì)比較疏松，含水率較低（16%）的試件在鹽脹作用后，仍然比較松散，在凍融循環(huán)達(dá)到40次后，試件特征如圖16所示，在對(duì)此試件在其橫截面上施加一個(gè)均勻的法向壓力后，試件如圖17所示，且其超聲波速較慢。試件土質(zhì)含鹽量為2．0%時(shí)，不同含水率的試件在凍融循環(huán)次數(shù)在0～5次時(shí)，超聲波速與含水率呈反比，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件超聲波速與含水率又出現(xiàn)呈正比的現(xiàn)象，而隨著含鹽率的增加，影響超聲波速傳導(dǎo)的因素包括鹽溶液、土顆粒及鹽結(jié)晶顆粒等，此時(shí)水分促進(jìn)土顆粒與鹽結(jié)晶粒的接觸，使超聲波速增大。

圖16 凍融40次后的試件面貌

圖17 對(duì)凍融40次后的試件施加力后的面貌

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)凍融循環(huán)后的鹽酸鹽漬土試件進(jìn)行超聲波檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，超聲波速的變化與凍融循環(huán)、含水率、含鹽量及擊實(shí)度之間存在一定的關(guān)系，尤其是隨著凍融循環(huán)的變化規(guī)律性更加明顯，說(shuō)明在一定條件下，超聲波速這種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)碳酸鹽漬土均勻性變化方面具有一定的運(yùn)用價(jià)值。

［1］李彬，王志春．松嫩平原蘇打鹽漬土堿化特征與影響因素［J］．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006（6）：183－191．

［2］宋長(zhǎng)春，何巖，鄧偉．松嫩平原鹽漬土壤生態(tài)地球化學(xué)［M］．北京：科學(xué)出版社，2003：64－90．

［3］王文華．吉林省西部地區(qū)鹽漬土水分遷移及凍脹特性研究［D］．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011．

［4］李棟國(guó)．農(nóng)安鹽漬土凍脹及反復(fù)凍融強(qiáng)度衰減特性研究［D］．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015．

［5］鮑碩超．吉林西部季凍區(qū)鹽漬土凍脹特性及三維顆粒流數(shù)值模擬［D］．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015．

［6］羅騏先，Bungeg J H．用縱波超聲換能器測(cè)定混凝土表面波速和動(dòng)彈性模量［J］．南京水利科學(xué)研究院，1996，9（3）：264－270．

［7］楊平，李強(qiáng)．凍土力學(xué)性能與聲波參數(shù)相關(guān)性試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1997，19（4）：78－82．

［8］王大雁，朱元林，馬巍，等．凍土超聲波波速與凍土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，11：1837－1840．

The Study on Ultrasonic Velocity Inspection Test to Carbonate－saline Soil after Freeze－thaw

WANG Meng，etc．
（Changchun Institute of Technology，Changchun130012，China）

In Nong’an County of Jilin Province，there are large areas of carbonate－saline soil，which are the regions of serious salinization in Song－nen plain．Buildings，roads，pipelines，canals，bridges，and other projects on the carbonate－saline soil in these areas are often affected by freeze－thaw cycles，thus showing corrosion，uneven settlement，cracking and other undesirable phenomena．The security area of agricultural carbonate－saline soil on－site sampling，and its freeze－thaw cycle test，after the detection of the corresponding carbonate－saline soil freezing and thawing after the ultrasonic velocity，an analysis to the influence of moisture content，salt content and the degree of compaction to the carbonate saline soil ultrasonic velocity change has been made，and the feasibility of non－destructive testing techniques such ultrasonic velocity in carbonate saline soil utilization has also been explored．

carbonate－saline soil；freeze－thaw；ultrasonic velocity

TU448

A

1009－8984（2016）02－0018－06

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．005

2015－12－14

王猛（1989－），男（漢），河南商丘，碩士主要研究道路工程。