《Cold Regions Science and Technology》：Detection of the freezing state and non-closure distances of loess with different water contents under bidirectional freezing by ultrasonic testing
编辑推荐：
人工冻结墙非闭合距离的超声检测技术研究：通过实验室双向冷冻试验，结合温度、含水量监测与非金属超声检测技术（NM-4A），系统分析不同含水量黄土冻结过程中超声时频参数（Vp、Ah、fc、KFS）的演变规律，建立基于射线声学理论的非闭合距离预测方程，验证显示实验室误差0.001-6.293mm，现场精度76.82%-91.56%。通过雷达图整合四参数实现冻结墙闭合状态的定性评价与定量预测，为人工冻结墙质量监测提供高效可靠的技术手段。
张继伟|张家豪|王庆志|张松|刘书杰|刘瑶|王宇浩|张立刚|张雄波
北京科技大学，中国北京100083
摘要
准确确定人工冻土墙的冻结状态和非闭合距离对于评估其施工效果至关重要。然而，在复杂的现场条件下，传统的温度计孔监测方法存在局限性，如孔数有限且位置固定，导致检测困难或结果不准确。本研究在实验室进行了双向冻结试验，结合温度和含水量监测以及NM-4A非金属超声检测技术，系统分析了不同含水量黄土在冻结过程中超声时频参数的变化规律。结果表明，P波速度（V_p）和首波幅度（A_h）的阶段性急剧增加、频谱从多峰向单峰的转变，以及质心频率（f_c）和频谱峰度（KFS）的突变，可以作为判断冻土墙闭合状态的关键指标。反射系数（r_I）、透射系数（t_P, t_I）和声阻抗场的动态变化是影响超声传播特性的主要因素。基于射线声学理论，建立了一个非闭合距离的预测方程。验证表明，该方程具有较高的准确性，实验室试验的误差范围为0.001–6.293毫米，现场测量的准确率为76.82%–91.56%。将这四个参数（V_p、A_h、f_c、KFS）纳入雷达图中，可以定性评估冻土墙的闭合状态。通过将这种定性评估与预测方程相结合的超声检测方法，为判断双向冻结黄土墙的闭合状态和量化非闭合距离提供了一种高效可靠的技术手段。
引言
人工地面冻结（AGF）是一种利用人工制冷技术将地下水冻结成冻土墙的专用施工方法，这种冻土墙具有防水性和结构强度。在复杂的地质水文条件下，它可作为地下工程的安全屏障（Vitel等人，2016；Wang等人，2025；Zueter等人，2022）。该技术已广泛应用于采矿施工、建筑施工、隧道挖掘等领域（Tounsi等人，2019；Williams等人，2024）。然而，由于复杂的地层条件（如高速动态地下水渗流（>5米/天）（Alzoubi等人，2019）、富水弱胶结砂岩层、砾石层（Li等人，2023）以及局部地下空洞（Afshar等人，2015）的影响，冻土墙可能无法满足设计要求的强度和厚度。
已提出多种监测方法来评估冻土前沿的发展情况，例如实时温度监测（Li等人，2019）和地面穿透雷达（GPR）检测（Ferrante等人，2021），这些方法利用经验公式和温度测量数据分析和计算冻土墙的厚度。但在复杂的地质条件下，形成的冻土墙通常具有形状不规则和窗口位置随机等特点。现有的监测方法都存在一定的局限性（Wu等人，2022），导致难以检测异常情况。
声发射、电阻率和超声检测技术已被广泛应用于岩石、材料和混凝土的损伤检测与评估（Cheng等人，2024；Prassianakis和Prassianakis，2004；Wang等人，2024）。作为一种方便高效的无损检测技术，超声检测有望实现这一目标。超声检测基于超声参数与力学物理性质之间的相关性（Nefeslioglu，2013；Uyanik等人，2019；Vasconcelos等人，2008），旨在获取冻土在超声传播过程中的温度、含水量和密度等物理性质的变化。以往的研究广泛探讨了声学性质与地质材料物理状态之间的相关性。Sudakova和Vladov（2019）研究了-20°C至20°C温度范围内饱和砂的声学性质。理想情况下，冻土中的纵波和横波速度会随着温度的降低而增加，因为冰水相变导致未冻结含水量的变化会从根本上影响波速（Nakano等人，1972；Christ和Park，2009）。关于力学性质，Liu等人（2022）发现冻土中的波速与单轴抗压强度之间存在基本线性关系。此外，研究显示波速和幅度的变化可以在一定程度上反映岩石的应力状态，指示内部损伤的进展，并有助于预测岩石断裂的前兆（Ge等人，2015；Shirole等人，2020）。一些学者利用P波速度、幅度、主导频率和品质因数Q等超声特征参数来估算冻砂中的未冻结含水量（Yang等人，2021），以及定性和定量评估冻砂的冻结状态和计算冻土前沿的发展高度（Zhang等人，2023）。Zhang等人（2021）分析了富水细砂单向冻结过程中冻土前沿发展到不同位置时的声学参数响应特性，并建立了利用声学参数预测冻土墙厚度的方程，该方程已应用于细砂层中冻土墙的估算。
在以往研究的基础上，本研究旨在将超声检测的应用范围从富水细砂的单向冻结扩展到具有更广泛工程通用性的黄土的双向冻结过程。以往的相关研究主要集中在冻土墙厚度预测或单一冻结状态的评估上，主要针对特定土壤（如细砂），并未系统地解决黄土双向冻结过程中“非闭合距离”的动态演变和“冻土墙闭合状态”的准确判定这两个核心问题——这两个指标是确保AGF工程中冻土墙防水性和承载能力的关键前提。为此，本文使用NM-4A非金属超声检测仪系统测量了不同含水量黄土在不同非闭合距离和闭合后不同中心温度下的声学参数（波形、波速、首波幅度和频率参数）的变化规律。重点探讨了冻土墙闭合状态的定性识别方法和非闭合距离的定量预测模型，为监测AGF工程的冻结效果提供了更全面的技术支持。
实验样品制备
本实验使用的黄土样品取自中国甘肃河套峪煤矿东翼回风井47.6米深度的黄土层。实验室测量结果显示，其密度为1.94克/立方厘米，含水量为20.3%，冻结点为-0.3°C（使用DBS温度传感器和CHLRTU30KS数据记录仪持续监测土壤冷却过程中的温度变化）
含水量和温度变化
如图4所示，冻结过程受到含水量的显著影响。含水量分别为17.3%、20.3%和26.57%的样品，从开始冻结到冻土墙中心温度达到-5°C所需的时间分别为1.85小时、1.90小时和1.97小时。三种初始含水量样品的测量点温度均呈现先快速下降后
超声参数对微观结构演变的响应机制
双向冻结过程中声学（超声）参数的演变受热-水-微观结构耦合过程的控制，包括冻吸作用驱动的未冻结水重新分布（图6）以及孔隙水逐渐转化为冰的过程。为了将声学响应与孔隙尺度演变联系起来，利用核磁共振（NMR）技术分析了NMR可见未冻结水的孔径分布，这些未冻结水是通过T2弛豫测量得到的
结论
本文研究了不同含水量黄土在双向冻结不同阶段的超声时频特性，并通过不同冻结阶段超声参数的变化实现了冻土墙闭合的定性和定量判断。
我们得出以下主要结论：
(1)在冻结过程直至冻土墙闭合阶段，对超声时域特性的分析表明
CRediT作者贡献声明
张继伟：撰写——审稿与编辑、方法学、数据分析。张家豪：撰写——初稿、调查、数据分析。王庆志：资源获取、资金筹集。张松：资金筹集。刘书杰：资源准备。刘瑶：资源准备。王宇浩：资金筹集。张立刚：资金筹集。张雄波：资源准备。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U24B2039）和山西省重点研发计划（项目编号：2024GX-YBXM-479）的财政支持。在此表示衷心感谢。我们感谢匿名审稿人对稿件早期版本的评论，这些评论显著提升了论文的质量。
