基于超聲波頻譜分析粉質(zhì)粘土波速異?，F(xiàn)象

代靜

【摘要】 本文針對選取南京某工程中的粉質(zhì)粘土作為試驗土樣，分別研究了原狀土樣和擾動土樣兩類不同的粉質(zhì)粘土試樣在在分級側(cè)限壓縮試驗之下的波速異常的行為，結(jié)合傅立葉變換（FFT），將時域波幅轉(zhuǎn)化成為頻域上的波幅，并根據(jù)波速跟頻率的關(guān)系，結(jié)合胡瑞林的土體壓縮變形理論，解釋了兩類粉質(zhì)粘土試樣中波速的異常行為，這為解析粉質(zhì)粘土中波速的異常行為提供了理論基礎(chǔ)和實例參考。

【關(guān)鍵詞】 粉質(zhì)粘土；超聲波檢測；速度異常；圍壓

1.引言

掌握頻譜分析方法去分析和解決實際問題十分重要。目前已經(jīng)有大量專家學者對接收信號進行時域分析，并從聲時、首波波幅、波形的角度將超聲檢測技術(shù)應(yīng)用到實際中，然而對接收信號的頻譜信息研究很少，對頻譜成分也沒有給出定量的解釋。閆曉敏[1]嘗試通過超聲波頻譜分析來研究軟物質(zhì)凝膠材料中有效濃度的變化；王金枝[2]則是試驗的基礎(chǔ)上，利用混凝土的超聲波檢測方法，對工程中在役構(gòu)件性能退化及其對材料長期行為進行了研究；朱正[3]則是通過數(shù)值模擬的方式對工程實測時域信號頻譜分析進行分析，并提出實際超聲波檢測的建議。王崢輝[4， 5]等探討了粘土含水量和壓縮系數(shù)隨波速的變化情況，給出了關(guān)于波速擬合曲線的解析式。

本文以超聲波頻譜分析為手段，并從南京市某快速化改造工程第一標段巖土工程選出粉質(zhì)粘土為試樣，進行室內(nèi)實驗研究。借鑒地球物理中頻譜分析理論，嘗試從頻移和主頻幅度，解釋原狀土樣和擾動土樣中波速中隨壓力的異常變化行為。

2.試驗裝置、方法和試樣的制作

2.1 試驗方法

對采集的土樣按照0kPa壓力下、50kPa壓力下、100kPa壓力下、200kPa壓力下、400kPa壓力下，5個階段分別進行側(cè)限固結(jié)壓縮試驗。每個階段之前需要先進行土工試驗，然后采用超聲波脈沖回波法（也叫透射法），以凡士林作為耦合劑，在試樣的一端用發(fā)射器發(fā)射超聲脈沖波，同時試樣的另一端接收換能器接收。當超聲波在試樣中傳播后，另一端所接收到的超聲波信號則轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，通過超聲波放大器放大，就可以得到轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息.

2.2 試樣制作

這里選取南京某段工程中的粉質(zhì)粘土作為試驗試樣，用薄壁取土器取粉質(zhì)粘土原狀土，取24個樣，取樣方法和試樣尺寸嚴格按照《原狀土取樣技術(shù)標準》（JGJ89-92）進行。取得試樣之后，采用環(huán)刀法，制作了兩組試樣：原狀干燥土樣、擾動干燥土樣。

3. 實驗結(jié)果分析及討論

試驗測定了五種應(yīng)力狀態(tài)之下兩種不同土樣的波速，在對比兩種試樣的波速之后，發(fā)現(xiàn)波速的異常行為：即，隨著壓力的增大，粉質(zhì)粘土原狀土樣和粉質(zhì)粘土擾動土樣中的超聲波波速展現(xiàn)出兩種不同的趨勢。為了解析這種異?，F(xiàn)象，這里根據(jù)擾動土樣（RG）和原狀土樣（YG） 二者的聲時—波幅數(shù)據(jù)，進行傅立葉變換（FFT）， 進而得出對應(yīng)的頻譜圖，根據(jù)頻譜圖中的差異分析不同壓力下，頻譜的變化趨勢，進而解釋兩種土樣中波速的異?，F(xiàn)象。

3.1速度異常

用環(huán)刀切制試樣，并剔除若干不合適的試樣，得到兩組合理的擾動土樣和原狀土樣在原狀（0MPa）和各個壓力階段的縱波波速，如下圖所示。

圖1.速度異常示意圖

由上圖可以發(fā)現(xiàn)，此時原狀土樣隨著圍壓的增大而逐漸減小，而同時，擾動土樣則是相反，隨著壓力的增大，體現(xiàn)出速度提升的特性，因此，這里我們嘗試從頻譜角度來解析這種異常。

3.2 頻譜分析

需要指出的是本文中的接收信號頻譜成分左邊第一峰值點為主頻率。我們所測得的聲時—波幅測定數(shù)據(jù)，經(jīng)過傅立葉變換，可以得到以下的頻譜示意圖，即圖（2）-圖（5）。

圖 2 原狀土樣 頻譜圖 （0-100kPa） 圖 3原狀土樣頻譜圖（100-400kPa）

觀察圖2和圖3得知，原狀土試樣在進行固結(jié)壓縮試驗中，隨著壓力的增加，試樣的主頻逐漸減小，而其中400MPa下試樣主頻最小，原狀（0MPa）和50MPa下試樣主頻相近，為最大。而同時，各個頻率所對應(yīng)的幅值隨著壓力的增大而逐漸增大。而相比較于原狀土樣，擾動土試樣已經(jīng)完全破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，經(jīng)過擊實，試樣中顆粒級配較好，密實性好。擾動土的壓縮性比原狀土增強。

4.結(jié)論

本文對粉質(zhì)粘土原狀和擾動兩類試樣，進行了各個壓力條件下的固結(jié)壓縮實驗，并從其受力的各個階段分析，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增大，原狀土樣的超聲波波速總體呈現(xiàn)下降的趨勢，而擾動土樣在此過程中，總體則是體現(xiàn)出提升的趨勢，為了進一步的研究這種異?，F(xiàn)象，這里將試驗結(jié)果的振幅進行傅立葉變換（FFT）進行傅立葉變換。變換結(jié)果表明，當特征頻率保持不變時，特征頻率的幅值跟波速呈現(xiàn)正比的關(guān)系；而一旦特征頻率發(fā)生變化，即使頻率所對應(yīng)的波幅有所提升，其波速仍然呈現(xiàn)出下降的趨勢。

聯(lián)系胡瑞林的骨架變形理論可知，原狀土樣本身比較松散，因此在加壓的過程中，原狀土樣，發(fā)生了結(jié)構(gòu)重組和結(jié)構(gòu)密實兩種過程，而結(jié)構(gòu)重組的過程中，對應(yīng)的是頻移現(xiàn)象的發(fā)生，而同時，密實度的提升，則主要體現(xiàn)在主頻對應(yīng)振幅的提升；而對于擾動土樣而言，由于結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)過了重組，因此，這一過程中的主頻并沒有發(fā)生太大變化，主要是主頻對應(yīng)的幅值發(fā)生了變化。聯(lián)系工程實際，頻譜可以為基礎(chǔ)以上工程設(shè)施建設(shè)提供有利的信息。

參考文獻

[1]. 閆曉敏. 基于超聲波頻譜分析研究軟物質(zhì)凝膠的形成過程[D]. 2012， 陜西師范大學

[2]. 王金枝. 基于超聲波方法的混凝土早期損傷識別的試驗研究[D]. 2007， 武漢理工大學

[3]. 朱正. 基樁超聲波檢測頻域分析的應(yīng)用研究[D]. 2013， 華中科技大學

[4]. 王崢輝，楊鳳根，徐建龍， 粘性土物理力學性質(zhì)與超聲波波速關(guān)系的試驗研究[J]. 江蘇地質(zhì)， 2007（03）： p. 247-250.

[5]. 王崢輝. 下蜀黃土超聲波波速與物理力學性質(zhì)試驗研究[D]. 2007， 河海大學