目前,冻土最大动剪切模量随温度变化的规律仍缺乏统一、可靠的表达。文中对低温动三轴、超声波速测试和低温共振柱的试验结果进行文献调研,分类筛查得到21组试验数据,最终获得最大动剪切模量与温度关系的拟合方程。结果显示冻土最大动剪切模量随温度的降低而增加,可用线性方程拟合。

水合物饱和度参数的准确计算对于水合物资源量的评价至关重要。本文提出利用超声波测井资料与等效介质模型相结合的方法,可有效评价祁连山冻土区孔隙型水合物储层水合物饱和度变化特征,并在典型孔隙型水合物钻孔DKXX-13进行了应用。基于等效介质理论的弹性波速度模型正演模拟的纵波速度相比基于双相介质理论的弹性波速度模型更加吻合实际测井纵波速度,可用于分析孔隙型水合物储层的纵波速度特征;通过正演模拟的纵波速度与实际测井纵波速度的对比,识别出X30.0～X30.2m、X30.3～X30.4m、X31.1～X31.6m、X31.7～X31.9m、X32.0～X32.2m井段存在水合物,水合物赋存井段地层的水合物饱和度变化范围为13.0%～85.0%,平均值为61.9%,与标准阿尔奇公式估算结果和现场岩芯测试结果基本一致。研究结果可为祁连山冻土区水合物地层测井评价与地震勘探提供理论依据和技术支撑。

超声波波速测试作为一种无损检测已经广泛应用到岩土工程行业,该测试方法也是获得岩土体物理力学参数的有效方法.目前鲜有关于冻土的声波测试的技术和方法的报导,已有的冻土声波测试都是在垂直方向上忽略换能器的质量并在常温下快速测试声波通过时间,难以满足测试精度.鉴此,在购置常温声波测试主机的基础上,充分考虑冻土对温度敏感的特性、换能器在水平方向的测试以及土样与换能器之间的耦合程度,设计了一种适用于多种类型的冻土超声波换能器支架和恒温箱的测试系统,恒温箱意在提供适合不同温度下土体的测试环境（-30℃+30℃）,换能器支架可供低温、提供多种尺寸冻土试样的横波和纵波的测试平台.为避免垂直测试中换能器和土样自身对测试的影响,除了支架提供水平测试平台外,在调节换能器与土样接触距离的螺杆顶端放置应变片测试冻土样与换能器之间的接触程度以提高冻土声波波速的测试精度.利用该测试系统对不同负温下冻土样品进行测试,数据结果证明了该测试系统的实用性和良好的测试精度.

选用铺设于青藏铁路护坡、护道的碎屑岩、泥岩和砂岩3种岩石进行循环冻融试验。研究了在循环冻融条件下的破坏方式,并通过RSM-SY5数字声波仪对岩石进行超声波无损检测;根据不同冻融周期超声波波速变化,计算分析了循环冻融对岩石物理力学特性的影响;通过单轴压缩试验,得到岩石抗压强度随循环冻融次数变化的规律。研究结果表明:3种岩石在循环冻融条件下具有不同的表观破坏方式,碎屑岩破坏最严重,表面不同程度地出现了轴向和环向裂纹;其次是泥岩,一条近似"几"字型的裂纹出现在泥岩表面,且裂纹发展较快;砂岩表观破坏最轻微,仅有1条细而短的裂隙发育在表面;在30个循环冻融周期内,泥岩和砂岩几乎无质量变化,而碎屑岩由于岩屑掉落而质量减轻不到1%;3种岩石的弹性模量、刚性模量、体积模量、泊松比等力学特性随着循环冻融次数增加而下降,且泊松比出现负值,揭示了循环冻融对岩石材料特性的深层次破坏;岩石抗压强度也随着循环冻融周期呈现下降趋势。

超声波在介质中的传播速度反映了介质的物理力学性质。本文运用普通纵波换能器测定了不同含水率的冻结粉质粘土在不同温度下的纵波和表面波速度,从而测定并计算冻土的动弹性模量和泊松比。其中表面波速度采用的是一种用接收波波峰相关散点回归来计算的新方案,能够有效排除边界和底面反射波的影响。试验和计算结果表明:冻结粉质粘土的泊松比随温度升高和含水率增加而增大;动弹性模量在试验含水率的范围内随含水率的增大而减小。

运用UVM -2型声速测定仪 ,测定了不同含水率的冻结砂土、冻结黄土和冻结黏土在不同温度下的超声波波速 (纵波波速和横波波速 ) ;根据弹性理论 ,利用所测得的超声波波速 ,计算了被测冻土试样的动弹性力学参数 (动弹性模量E、动剪切模量G和泊松比 μ)。计算结果表明 :冻土的动弹性模量和动剪切模量随着温度的降低而增加 ,它们之间的规律可用一个统一的方程来描述 ;冻土的动泊松比随着温度的降低而减小 ;在低含水率范围内的冻结黄土 ,其动弹性模量和动剪切模量随含水率的增加而增加 ,在高含水率范围内的冻结黏土 ,它们则随含水率的增加而减少 ;冻土的动泊松比随含水率的增加而增加。

超声波在冻土中的传播特性反映了冻土材料的动力学特征 ,利用超声波速度测试技术可以直接测试冻土的动力学弹性参数 .实验结果表明 ,冻土的单轴压缩强度与冻土的超声波速度在单一影响因素改变时存在良好的相关关系 ,利用这种相关性 ,有可能采用超声波无损测试技术来估计冻土的强度 .冻土的未冻水含量明显影响着冻土中超声波的传播速度 ,实验结果表明 ,超声波速度与未冻水含量之间存在很好的函数关系 ,它提示了超声波速度用于冻土未冻水含量测试的可能性

超声波在介质中的传播速度反映了介质的物理力学性质。运用UVM-2型声速测定仪,测定不同密度的冻结砂土、冻结黄土和冻结粘土在不同温度下的超声波波速(纵波波速和横波波速)。对比分析不同土质的冻土,在温度和密度变化时超声波波速的变化,得出以下结论:土质颗粒的大小及组成成分在土冻结且在温度继续下降的过程中,通过影响结合水含量的变化而影响未冻水含量的变化,从而进一步影响冻土中的超声波传播速度,所以,可以在超声波波速与温度变化和未冻水含量与温度变化的基础上,建立超声波波速与未冻水含量的关系,通过测定超声波波速来量测冻土未冻水含量。密度的变化也影响着冻土纵、横波波速的变化,且冻结黄土的波速受密度变化影响较大,而冻结粘土则较小。冻土土质类型不同,透过它们的纵波波速和横波波速的变化范围也不同,可以通过对比表示压缩和剪切相对幅值的纵横波速比比值,来判定此冻土的土质类型,一般冻结粘土为1.07,冻结黄土为2.15,冻结砂土为0.7。根据弹性理论,泊松比与波速比有关,所以可以直接测量冻土的波速比研究冻土的强度及变形性能。

本文介绍了用液浸式超声波循环法测定冻土中超声波速度的原理和过程 ,并在 - 0 .2℃～ - 1 0℃温度范围内测定了含有不同比例废弃轮胎碎屑的Tomakomai粉土的纵、横波速度。结果表明超声波在冻土中的纵、横波传播速度在冻土温度接近 0℃时随温度的升高而急剧降低。结合冻土的未冻水含量随温度的变化规律分析表明 ,冻土中超声波的传播速度与冻土未冻水含量呈良好的线形关系 ,且未冻水含量每增加 1 % ,纵波速度约降低 6 2m/s;横波速度降低约 35m/s。