碳酸盐渍土冻融后超声波速检测试验的研究

王 猛，王文华，万 健

（长春工程学院土木工程学院，长春130012）

碳酸盐渍土冻融后超声波速检测试验的研究

王 猛，王文华，万 健

（长春工程学院土木工程学院，长春130012）

在吉林省的农安地区，有大面积的碳酸盐渍土分布，是松嫩平原较严重的碳酸盐渍化地区。在该地区的碳酸盐渍土地基上的建筑物、道路、管网、水渠及桥梁等工程常常会受到冻融循环的影响，从而表现出腐蚀、不均匀沉降、开裂等不良现象。本次对农安地区碳酸盐渍土进行了现场取样，并对其进行了冻融循环试验，检测相应冻融后的碳酸盐渍土的超声波速后，分析含水率、含盐量及击实度对碳酸盐渍土超声波速变化的影响，探讨超声波速这种无损检测技术在碳酸盐渍土中运用的可行性。

碳酸盐渍土；冻融；超声波速

0 前言

根据农安地区取样点碳酸盐渍土具有70%以上为原生矿物成分、分散性强、粉粒含量多的特点［1－3］，以该地区的碳酸盐渍土为研究对象，配制含水率不同、含盐量不同、击实度不同的样本，以超声波速检测手段分析不同的碳酸盐渍土试件在多次冻融循环后波速的大小变化［4－6］，分析超声波速与含水率、含盐量、击实度和冻融次数的关系；继而对进行相应循环后的试件进行单轴抗压强度试验，对试验结果进行整理，探讨不同含水率、不同含盐量、不同击实度情况下的试件在不同冻融循环次数后的抗压强度，对比分析相应的碳酸盐渍土试件在不同冻融循环后的超声波速与抗压强度的关系。

1 野外取样

作者分别于冬季土壤完全冻结前即2014年10月底及11月底对农安地区的碳酸盐渍化较明显地区的敖宝图泡及省道S001附近的两处旱地进行了实地调研和土样的采集工作。调研发现该地区盐渍化程度非常大，由于大量易溶盐在地表产生结晶，使得有些干燥的地表出现了断断续续呈块状的灰白色的现象，给当地农业和畜牧业生产带来了很坏的影响。其自然面貌如图1所示，在进行比较分析后，选取11月底取样土坑的土样为研究对象，如图2所示。

图1 取样点周围面貌

图2 取土坑位置

2 超声波检测试验

2．1 试件制备

本次试验同样采用农安地区距地表20～30cm深度土样作为试验土，首先将取回土样进行风干、击碎、过2mm筛处理；然后根据所需制备直径D为10cm、高度H为5cm的试样选用内径为10cm、高度为7cm的无机玻璃管作为试件模具；结合所需击实度（85%、90%、95%）、含水率（16%、20%、24%）、含盐量（原状土、1．5%、2．0%），原状土（天然状态下的盐渍土，其易溶盐含量为0．95%）的含盐量及其天然含水率，计算所需原状土、水和NaHCO3用量，将计算好的各物质拌合均匀后将其密封，放置在无阳光直接照射条件下48h以上，然后制备试件；最后将制备的试件采用符合土工试验规范的击实工具（木槌等）结合专用脱模剂从该圆形无机玻璃管取出，用塑料薄膜包裹严密后贴上其固有标签，放入高低温试验箱，则试件制备完毕，准备进行试验［7－8］。用薄膜包装的制备好的试件如图3所示，放入高低温试验箱的试件如图4所示。

图3 用薄膜包装好的试件

图4 放入高低温试验箱的试件

2．2 试验仪器

本次试验所用仪器主要是高低温试验箱如图5所示和瑞士生产的TICO超声波测试仪如图6所示。

其中高低温试验箱的温度控制范围为－40～120℃，精度为0．1℃。试验时可对试验箱进行编程，以控制试验箱内温度及其持续时间，以达到试验要求。TICO超声波测试仪的测量范围在15～6 550μm之间，采用直接法测量时测距可达15m。

采用TICO超声波测试仪测试不同冻融循环下试件超声波速的操作步骤如下：1）把TICO超声波测试仪按照使用说明书连接完成并对其开机检测，保证试验仪器能够正常工作；2）重新测量不同冻融循环下试件的高度，把误差范围在1%以内的测试结果输入到仪器相应位置；3）由于塑料薄膜可以起到很好的耦合作用，因此对传感器表面涂抹耦合剂后，直接测量圆柱体试件的上下表面的超声波速；4）正确记录每一试件的超声波速后，关闭仪器。对试件超声波速的计算可按公式（1）进行：

式中：v为超声波速，m／s；H为试件高度，mm；t为超声波传导时间，μs。

图5 高低温试验箱

图6 TICO超声波测试仪

2．3 超声波速测试

本试验在每一冻融循环条件下需要测量试件数为54个，包括3组不同含水率、3组不同含盐率、3组不同击实度的试件27个，又为了验证测量数据的准确性，则对上述各种试件做2个样本，而需要测量对12种不同冻融循环次数下的试件进行超声波速检测，则本次试验包括平行试件在内共制备2× 27×12＝648个试件。将制备的试件放入高低温试验箱，设置高低温试验箱温度在－20℃条件下保持6h，在20℃条件下保持5h40min，以模拟试件冻结和融化的自然环境，每完成一次冻结及融化过程即为一个循环周期，一个循环周期为11h40min，分别对达到0次、3次、5次、10次、15次…50次共12组冻融循环次数下的土样进行超声波检测，记录并整理试验结果见表1。

表1 不同冻融循环条件下的不同试件超声波速测试结果 m·s－1

通过对比分析表1可分别绘制含水率在16%、20%、24%时，含盐率为原状、1．50%、2．0%时，击实度为85%、90%、95%时的试件在不同冻融循环条件下的超声波速折线图，如图7～15所示。

图7 不同击实度、16%含水率的原状土随冻融次数的超声波速变化折线

图8 不同击实度、20%含水率的原状土随冻融次数的超声波速变化折线

图9 不同击实度、24%含水率的原状土随冻融次数的超声波速变化折线

图10 不同击实度、16%含水率、含盐率1．5%的试样随冻融次数的超声波速变化折线

图11 不同击实度、20%含水率、含盐率1．5%的试样随冻融次数的超声波速变化折线

图12 不同击实度、24%含水率、含盐率1．5%的试样随冻融次数的超声波速变化折线

图13 不同击实度、16%含水率、含盐率2．0%的试样随冻融次数的超声波速变化折线

图14 不同击实度、20%含水率、含盐率2．0%的试样随冻融次数的超声波速变化折线

图15 不同击实度、24%含水率、含盐率2．0%的试样随冻融次数的超声波速变化折线

通过对以上数据及折线图进行对比分析可知如下结果。

2．3．1 含水率对超声波速的影响

对于含盐率、击实度相同的土样在不同含水率条件下冻融循环后超声波速值的变动情况进行分析，发现含水率越低，试件的超声波速越大，此时的超声波速在一定程度上与含水率呈反比。含盐率为1．5%和2．0%的试件的超声波速随着含水率升高下降得更明显，这是由于土体孔隙中水分多，土粒间接触点少，声波在土粒中传播速度比在水中传播快造成的，所以含水率越高波速越低。

2．3．2 击实度对超声波速的影响

含水率为16%和20%，在含盐率不同时，其在击实度95%时的超声波速大于击实度90%时的超声波速，击实度90%时的超声波速大于击实度85%时的超声波速，此时的超声波速与击实度之间呈正比。但含水率24%时，出现了击实度为85%的试件的超声波速比击实度为90%和击实度为95%大的反常现象，这是因为试件在击实度为85%时的孔隙比大，在低含水率时，孔隙中水分没有完全被水分充满，气体较多，超声波速在气体中传导速度慢，而当含水率达到24%时，试件土体中的孔隙被水分充满，此时超声波速的传播媒介以孔隙水为主导，超声波速在水中传导速度快。

2．3．3 冻融循环次的影响

冻融循环在0～5次之间时，所有试件测得的超声波波速都有明显下降，在冻融循环达5次以上时，所有试件测得的超声波波速大致趋于平衡。原状土（含盐量0．95%）时，土体在冻融循环过程中会有冻胀和融沉现象，冻胀时体积膨胀，土粒松散，超声波速较慢；融沉时土粒回落，由于水分常会起到润滑的作用，则当含水率较大时，土粒回落较易，更加密实。试件土质含盐量为1．5%时，在含水率为16%、20%、24%时的折线图形相似，且超声波速相近。随着冻融循环次数的累积，85%击实度的试件的超声波速与含水率呈正比，在此击实度下，土质相对比较疏松，含水率较低（16%）的试件在盐胀作用后，仍然比较松散，在冻融循环达到40次后，试件特征如图16所示，在对此试件在其横截面上施加一个均匀的法向压力后，试件如图17所示，且其超声波速较慢。试件土质含盐量为2．0%时，不同含水率的试件在冻融循环次数在0～5次时，超声波速与含水率呈反比，随着冻融循环次数的增加，试件超声波速与含水率又出现呈正比的现象，而随着含盐率的增加，影响超声波速传导的因素包括盐溶液、土颗粒及盐结晶颗粒等，此时水分促进土颗粒与盐结晶粒的接触，使超声波速增大。

图16 冻融40次后的试件面貌

图17 对冻融40次后的试件施加力后的面貌

3 结语

通过对冻融循环后的盐酸盐渍土试件进行超声波检测后发现，超声波速的变化与冻融循环、含水率、含盐量及击实度之间存在一定的关系，尤其是随着冻融循环的变化规律性更加明显，说明在一定条件下，超声波速这种无损检测技术在检测碳酸盐渍土均匀性变化方面具有一定的运用价值。

［1］李彬，王志春．松嫩平原苏打盐渍土碱化特征与影响因素［J］．干旱区资源与环境，2006（6）：183－191．

［2］宋长春，何岩，邓伟．松嫩平原盐渍土壤生态地球化学［M］．北京：科学出版社，2003：64－90．

［3］王文华．吉林省西部地区盐渍土水分迁移及冻胀特性研究［D］．长春：吉林大学，2011．

［4］李栋国．农安盐渍土冻胀及反复冻融强度衰减特性研究［D］．长春：吉林大学，2015．

［5］鲍硕超．吉林西部季冻区盐渍土冻胀特性及三维颗粒流数值模拟［D］．长春：吉林大学，2015．

［6］罗骐先，Bungeg J H．用纵波超声换能器测定混凝土表面波速和动弹性模量［J］．南京水利科学研究院，1996，9（3）：264－270．

［7］杨平，李强．冻土力学性能与声波参数相关性试验研究［J］．岩土工程学报，1997，19（4）：78－82．

［8］王大雁，朱元林，马巍，等．冻土超声波波速与冻土物理力学性质试验研究［J］．岩石力学与工程学报，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（汉），河南商丘，硕士主要研究道路工程。