土體剪切波速室內測試裝置及試驗驗證★

何夢杰 劉善鵬 伊廣麗 魏 然 劉婉婉 賈 杰*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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土體剪切波速室內測試裝置及試驗驗證★

何夢杰 劉善鵬 伊廣麗 魏 然 劉婉婉 賈 杰*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

總結了現有剪切波速測試方法以及各種方法的優缺點，通過對測試原理的分析，設計了一種基于振動臺的土體剪切波速的室內測試裝置，并對原狀粘性土進行了剪切波速測試試驗，試驗結果驗證了該裝置測試土體剪切波速的可行性。

剪切波速，振動臺，粘性土，超聲波傳感器

0 引言

剪切波速是土體動力學中一個很重要的參數，在地震工程、巖土工程等學科中應用十分廣泛，剪切波速在劃分地層和場地土類別、判斷砂土的液化、土基震陷沉降、地震反應分析、計算巖土動力學參數以及研究土體的振動特性等具有重要的作用。因此剪切波速測試的準確性與工程質量有直接的關系[1,2]。

目前，土體剪切波速的測試方法有室外測試法與室內測試法兩大類，室外測試法也叫原位測試法，分為單孔檢層法、跨孔法和瑞雷波法(表面波法)3種測試方法。根據激振儀器又可以分為面激振與井中激振兩種方式。實際工程中，跨孔法對孔的距離以及孔鍵平行度要求很高，一般難以保證，因此使用較少。瑞雷波法屬于間接測量，精度無法保證且處理相關系數時具有參數不確定性，導致可靠性降低，因此在實際使用中也不多。目前場地剪切波速的測試使用較多的是單孔檢層法，但是很難激發出單純的橫波(S波)，容易受到縱波(P波)的干擾以及噪聲的影響，導致測試結果有很大的誤差。室外測試只能測試天然地基的剪切波速，對于加固后的地基土剪切波速、抗液化強度等無法測量[1，3]。為了克服室外測試的一些弊端，引入了室內測試方法，目前室內測試主要有3種，第一種是基于共振柱試驗確定最大剪切模量，進而反算剪切波速；第二種是基于彎曲單元法測土樣的剪切波速；第三種是利用壓電陶瓷制成的超聲波傳感器來測試土樣的剪切波速[1]。

鑒于上述的室外、室內測試方法有很多缺陷，本文提出基于某型振動臺的土體剪切波速室內測試裝置并進行實驗驗證。

1 實驗裝置

室內測試裝置如圖1所示。

1.1 實驗儀器

試驗裝置所需儀器有：

1)GF-500型500瓦功率放大器，見圖2。

2)WS-Z30振動臺，見圖3。

3)JZ-40型激振器，見圖3。

4)有機玻璃制模型箱，見圖4。

5)壓力傳感器、基準傳感器。

6)16通道動態信號采集儀。

7)計算機。

1.2 試驗原理分析

激振器通過軸與其側面的振動臺連接處，且激振器的輸出只能提供振動臺單一方向(左右方向)的振動，有機玻璃制模型箱通過6個螺絲固定于振動臺上，隨振動臺發生單一方向的振動，裝有土體的模型箱內側壁左右兩邊各貼有1對壓力傳感器，間距為L，動態信號采集儀的輸入端與壓力傳感器輸出相連接，輸出端與計算機連接。試驗時，激振器發出人為設定的具有一定加速度和頻率的振動信號作用在振動臺上，裝有土體試驗品的模型箱也一起振動，土體的運動激發壓力傳感器作用，動態信號采集儀檢測到動態波形，可以測出設定好采樣時間的傳感器的動態波形圖的時間差Δt，由此可以求出土體的剪切波速，見式(1)。

v=L/Δt

(1)

2 試驗方案

試驗盡可能考慮邊界條件模擬天然地基土，通過試驗裝置室內測定剪切波速，并與已有數據進行比對分析。

2.1 模型箱

試驗所用模型箱制作材料為有機玻璃，尺寸500mm×500mm×1 000mm，壁厚10mm，底板各邊伸出180mm并打孔用以與振動臺固定，箱子底面均勻分配6個孔并在地板深處部分相應位置留有槽，保證試驗過程中滲水排通。左右兩內側箱體貼一些彈性材料模擬天然地基土的邊界條件。詳細情況見圖4。

2.2 試驗土體選擇

試驗選擇原狀粘性土，其物理的物性指標為：容重為γ=18.43 kg/m3，含水率為47%。塑性指數IP=25，液性指數IL=0.84[4]。

2.3 儀器及參數選擇

選用北京波譜世紀科技發展有限公司的配套GF-500型500瓦功率放大器、WS-Z30振動臺與JZ-40型激振器，信號采用正弦信號，加速度為0.368g，輸出頻率為4.292 Hz，壓力傳感器、基準傳感器選用量程為0.6 MPa的應變計，采樣時間為0.001 s。

3 試驗結果分析

由圖5，圖6中信息可知，t1=5.644 s時應變急劇增加，說明一側的壓力傳感器收到剪切波的信息，在t2=5.649 s時另外一側的傳感器首次接收到信號，依據式(1)，計算得到剪切波速為98.00 m/s。文獻[4]中分析了同樣土體兩種不同的測試結果，分別是扭剪型剪切波速傳感器測試結果為110.2 m/s，彎曲單元法測試結果為75.6 m/s。結果的差異說明不同測試方法結果不一樣，相比于文獻中的結果，本試驗裝置測試土體的密實度，含水率都與文獻[4]中不同，說明土體密實度，含水率會影響土體剪切波速的測試結果。但是介于兩者之間說明試驗裝置測試的有效性與可行性。

4 結語

基于前人研究的基礎上，文章利用現有試驗器材，搭建了一種基于激振器連接的振動臺的室內測試剪切波速的裝置，利用已有剪切波速試驗結果的土體進行試驗，結果說明試驗方案的可行性與試驗裝置的有效性。

[1] 黃占芳,余 巍,朱白濤,等.一種借助振動臺測定土體剪切波速的新裝置及試驗驗證[J].施工技術,2012,41(19):53-58.

[2] 劉福興,劉 璐,齊靜靜,等.懸掛式剪切波速測試儀測試結果影響因素分析[J].華北水利水電大學學報(自然科學版)，2015,36(4):63-66.

[3] 鹿子林，付海清.鉆孔剪切波速測試兩種方法的對比[J].華北地震科學，2014，32(2):45-48.

[4] 錢若軍，董石麟.兩種土樣剪切波速測試方法的對比試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(23):4368-4372.

A test equipment to measure the shear wave velocity of soilwith vibration table and test validation★

He Mengjie Liu Shanpeng Yi Guangli Wei Ran Liu Wanwan Jia Jie*

(College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In this paper, the existing test method of the shear wave velocity as well as the advantages and disadvantages of various methods are summarized. Through the analysis of the testing principle, a test equipment of soil shear wave velocity with the vibrating table is designed indoor. The shear wave velocity of the cohesive soil is tested using the device, and the result is compared with reference literature. The result which proves the feasibility of using this deviceto determine shear wave velocity of soil．

shear wave velocity, vibration table, the cohesive, ultrasonic transducer

1009-6825(2017)16-0070-02

2017-03-08★：黑龍江省級大學生創新創業訓練計劃項目(編號：201610225067)；黑龍江省自然科學基金青年科學基金項目(編號：QC2014C043)

何夢杰(1996- ),女,在讀本科生

賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

P315.3

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