土体剪切波速室内测试装置及试验验证★

何梦杰 刘善鹏 伊广丽 魏 然 刘婉婉 贾 杰*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



土体剪切波速室内测试装置及试验验证★

何梦杰 刘善鹏 伊广丽 魏 然 刘婉婉 贾 杰*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

总结了现有剪切波速测试方法以及各种方法的优缺点，通过对测试原理的分析，设计了一种基于振动台的土体剪切波速的室内测试装置，并对原状粘性土进行了剪切波速测试试验，试验结果验证了该装置测试土体剪切波速的可行性。

剪切波速，振动台，粘性土，超声波传感器

0 引言

剪切波速是土体动力学中一个很重要的参数，在地震工程、岩土工程等学科中应用十分广泛，剪切波速在划分地层和场地土类别、判断砂土的液化、土基震陷沉降、地震反应分析、计算岩土动力学参数以及研究土体的振动特性等具有重要的作用。因此剪切波速测试的准确性与工程质量有直接的关系[1,2]。

目前，土体剪切波速的测试方法有室外测试法与室内测试法两大类，室外测试法也叫原位测试法，分为单孔检层法、跨孔法和瑞雷波法(表面波法)3种测试方法。根据激振仪器又可以分为面激振与井中激振两种方式。实际工程中，跨孔法对孔的距离以及孔键平行度要求很高，一般难以保证，因此使用较少。瑞雷波法属于间接测量，精度无法保证且处理相关系数时具有参数不确定性，导致可靠性降低，因此在实际使用中也不多。目前场地剪切波速的测试使用较多的是单孔检层法，但是很难激发出单纯的横波(S波)，容易受到纵波(P波)的干扰以及噪声的影响，导致测试结果有很大的误差。室外测试只能测试天然地基的剪切波速，对于加固后的地基土剪切波速、抗液化强度等无法测量[1，3]。为了克服室外测试的一些弊端，引入了室内测试方法，目前室内测试主要有3种，第一种是基于共振柱试验确定最大剪切模量，进而反算剪切波速；第二种是基于弯曲单元法测土样的剪切波速；第三种是利用压电陶瓷制成的超声波传感器来测试土样的剪切波速[1]。

鉴于上述的室外、室内测试方法有很多缺陷，本文提出基于某型振动台的土体剪切波速室内测试装置并进行实验验证。

1 实验装置

室内测试装置如图1所示。

1.1 实验仪器

试验装置所需仪器有：

1)GF-500型500瓦功率放大器，见图2。

2)WS-Z30振动台，见图3。

3)JZ-40型激振器，见图3。

4)有机玻璃制模型箱，见图4。

5)压力传感器、基准传感器。

6)16通道动态信号采集仪。

7)计算机。

1.2 试验原理分析

激振器通过轴与其侧面的振动台连接处，且激振器的输出只能提供振动台单一方向(左右方向)的振动，有机玻璃制模型箱通过6个螺丝固定于振动台上，随振动台发生单一方向的振动，装有土体的模型箱内侧壁左右两边各贴有1对压力传感器，间距为L，动态信号采集仪的输入端与压力传感器输出相连接，输出端与计算机连接。试验时，激振器发出人为设定的具有一定加速度和频率的振动信号作用在振动台上，装有土体试验品的模型箱也一起振动，土体的运动激发压力传感器作用，动态信号采集仪检测到动态波形，可以测出设定好采样时间的传感器的动态波形图的时间差Δt，由此可以求出土体的剪切波速，见式(1)。

v=L/Δt

(1)

2 试验方案

试验尽可能考虑边界条件模拟天然地基土，通过试验装置室内测定剪切波速，并与已有数据进行比对分析。

2.1 模型箱

试验所用模型箱制作材料为有机玻璃，尺寸500mm×500mm×1 000mm，壁厚10mm，底板各边伸出180mm并打孔用以与振动台固定，箱子底面均匀分配6个孔并在地板深处部分相应位置留有槽，保证试验过程中渗水排通。左右两内侧箱体贴一些弹性材料模拟天然地基土的边界条件。详细情况见图4。

2.2 试验土体选择

试验选择原状粘性土，其物理的物性指标为：容重为γ=18.43 kg/m3，含水率为47%。塑性指数IP=25，液性指数IL=0.84[4]。

2.3 仪器及参数选择

选用北京波谱世纪科技发展有限公司的配套GF-500型500瓦功率放大器、WS-Z30振动台与JZ-40型激振器，信号采用正弦信号，加速度为0.368g，输出频率为4.292 Hz，压力传感器、基准传感器选用量程为0.6 MPa的应变计，采样时间为0.001 s。

3 试验结果分析

由图5，图6中信息可知，t1=5.644 s时应变急剧增加，说明一侧的压力传感器收到剪切波的信息，在t2=5.649 s时另外一侧的传感器首次接收到信号，依据式(1)，计算得到剪切波速为98.00 m/s。文献[4]中分析了同样土体两种不同的测试结果，分别是扭剪型剪切波速传感器测试结果为110.2 m/s，弯曲单元法测试结果为75.6 m/s。结果的差异说明不同测试方法结果不一样，相比于文献中的结果，本试验装置测试土体的密实度，含水率都与文献[4]中不同，说明土体密实度，含水率会影响土体剪切波速的测试结果。但是介于两者之间说明试验装置测试的有效性与可行性。

4 结语

基于前人研究的基础上，文章利用现有试验器材，搭建了一种基于激振器连接的振动台的室内测试剪切波速的装置，利用已有剪切波速试验结果的土体进行试验，结果说明试验方案的可行性与试验装置的有效性。

[1] 黄占芳,余 巍,朱白涛,等.一种借助振动台测定土体剪切波速的新装置及试验验证[J].施工技术,2012,41(19):53-58.

[2] 刘福兴,刘 璐,齐静静,等.悬挂式剪切波速测试仪测试结果影响因素分析[J].华北水利水电大学学报(自然科学版)，2015,36(4):63-66.

[3] 鹿子林，付海清.钻孔剪切波速测试两种方法的对比[J].华北地震科学，2014，32(2):45-48.

[4] 钱若军，董石麟.两种土样剪切波速测试方法的对比试验研究[J].岩石力学与工程学报，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★：黑龙江省级大学生创新创业训练计划项目(编号：201610225067)；黑龙江省自然科学基金青年科学基金项目(编号：QC2014C043)

何梦杰(1996- ),女,在读本科生

贾 杰(1980- )，男，博士，副教授

P315.3

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