基于超声波频谱分析粉质粘土波速异常现象

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【摘要】 本文针对选取南京某工程中的粉质粘土作为试验土样，分别研究了原状土样和扰动土样两类不同的粉质粘土试样在在分级侧限压缩试验之下的波速异常的行为，结合傅立叶变换（FFT），将时域波幅转化成为频域上的波幅，并根据波速跟频率的关系，结合胡瑞林的土体压缩变形理论，解释了两类粉质粘土试样中波速的异常行为，这为解析粉质粘土中波速的异常行为提供了理论基础和实例参考。

【关键词】 粉质粘土；超声波检测；速度异常；围压

1.引言

掌握频谱分析方法去分析和解决实际问题十分重要。目前已经有大量专家学者对接收信号进行时域分析，并从声时、首波波幅、波形的角度将超声检测技术应用到实际中，然而对接收信号的频谱信息研究很少，对频谱成分也没有给出定量的解释。闫晓敏[1]尝试通过超声波频谱分析来研究软物质凝胶材料中有效浓度的变化；王金枝[2]则是试验的基础上，利用混凝土的超声波检测方法，对工程中在役构件性能退化及其对材料长期行为进行了研究；朱正[3]则是通过数值模拟的方式对工程实测时域信号频谱分析进行分析，并提出实际超声波检测的建议。王峥辉[4， 5]等探讨了粘土含水量和压缩系数随波速的变化情况，给出了关于波速拟合曲线的解析式。

本文以超声波频谱分析为手段，并从南京市某快速化改造工程第一标段岩土工程选出粉质粘土为试样，进行室内实验研究。借鉴地球物理中频谱分析理论，尝试从频移和主频幅度，解释原状土样和扰动土样中波速中随压力的异常变化行为。

2.试验装置、方法和试样的制作

2.1 试验方法

对采集的土样按照0kPa压力下、50kPa压力下、100kPa压力下、200kPa压力下、400kPa压力下，5个阶段分别进行侧限固结压缩试验。每个阶段之前需要先进行土工试验，然后采用超声波脉冲回波法（也叫透射法），以凡士林作为耦合剂，在试样的一端用发射器发射超声脉冲波，同时试样的另一端接收换能器接收。当超声波在试样中传播后，另一端所接收到的超声波信号则转化为相应的电信号，通过超声波放大器放大，就可以得到转换后的数字信息.

2.2 试样制作

这里选取南京某段工程中的粉质粘土作为试验试样，用薄壁取土器取粉质粘土原状土，取24个样，取样方法和试样尺寸严格按照《原状土取样技术标准》（JGJ89-92）进行。取得试样之后，采用环刀法，制作了两组试样：原状干燥土样、扰动干燥土样。

3. 实验结果分析及讨论

试验测定了五种应力状态之下两种不同土样的波速，在对比两种试样的波速之后，发现波速的异常行为：即，随着压力的增大，粉质粘土原状土样和粉质粘土扰动土样中的超声波波速展现出两种不同的趋势。为了解析这种异常现象，这里根据扰动土样（RG）和原状土样（YG） 二者的声时―波幅数据，进行傅立叶变换（FFT）， 进而得出对应的频谱图，根据频谱图中的差异分析不同压力下，频谱的变化趋势，进而解释两种土样中波速的异常现象。

3.1速度异常

用环刀切制试样，并剔除若干不合适的试样，得到两组合理的扰动土样和原状土样在原状（0MPa）和各个压力阶段的纵波波速，如下图所示。

图1.速度异常示意图

由上图可以发现，此时原状土样随着围压的增大而逐渐减小，而同时，扰动土样则是相反，随着压力的增大，体现出速度提升的特性，因此，这里我们尝试从频谱角度来解析这种异常。

3.2 频谱分析

需要指出的是本文中的接收信号频谱成分左边第一峰值点为主频率。我们所测得的声时―波幅测定数据，经过傅立叶变换，可以得到以下的频谱示意图，即图（2）-图（5）。

图 2 原状土样 频谱图 （0-100kPa） 图 3原状土样频谱图（100-400kPa）

观察图2和图3得知，原状土试样在进行固结压缩试验中，随着压力的增加，试样的主频逐渐减小，而其中400MPa下试样主频最小，原状（0MPa）和50MPa下试样主频相近，为最大。而同时，各个频率所对应的幅值随着压力的增大而逐渐增大。而相比较于原状土样，扰动土试样已经完全破坏了土体原有的结构性质，经过击实，试样中颗粒级配较好，密实性好。扰动土的压缩性比原状土增强。

4.结论

本文对粉质粘土原状和扰动两类试样，进行了各个压力条件下的固结压缩实验，并从其受力的各个阶段分析，发现随着压力的增大，原状土样的超声波波速总体呈现下降的趋势，而扰动土样在此过程中，总体则是体现出提升的趋势，为了进一步的研究这种异常现象，这里将试验结果的振幅进行傅立叶变换（FFT）进行傅立叶变换。变换结果表明，当特征频率保持不变时，特征频率的幅值跟波速呈现正比的关系；而一旦特征频率发生变化，即使频率所对应的波幅有所提升，其波速仍然呈现出下降的趋势。

联系胡瑞林的骨架变形理论可知，原状土样本身比较松散，因此在加压的过程中，原状土样，发生了结构重组和结构密实两种过程，而结构重组的过程中，对应的是频移现象的发生，而同时，密实度的提升，则主要体现在主频对应振幅的提升；而对于扰动土样而言，由于结构已经经过了重组，因此，这一过程中的主频并没有发生太大变化，主要是主频对应的幅值发生了变化。联系工程实际，频谱可以为基础以上工程设施建设提供有利的信息。

参考文献

[1]. 闫晓敏. 基于超声波频谱分析研究软物质凝胶的形成过程[D]. 2012， 陕西师范大学

[2]. 王金枝. 基于超声波方法的混凝土早期损伤识别的试验研究[D]. 2007， 武汉理工大学

[3]. 朱正. 基桩超声波检测频域分析的应用研究[D]. 2013， 华中科技大学

[4]. 王峥辉，杨凤根，徐建龙， 粘性土物理力学性质与超声波波速关系的试验研究[J]. 江苏地质， 2007（03）： p. 247-250.

[5]. 王峥辉. 下蜀黄土超声波波速与物理力学性质试验研究[D]. 2007， 河海大学