（地质工程专业论文）下蜀黄土超声波波速与物理力学性质试验研究.pdf

摘要 声波探测技术自二十世纪七十年代以来得到了较快的发展，声波法作为一种无 损、快速、简便的检测方法已在岩土工程探测中被广泛应用。随着新一代声波测试仪 器的开发，测试方法的完善，它的应用将为我们研究土体性质、发展微结构理论提供 良好的平台，并将成为工程领域内最具发展前景的探测技术之一。 本文选取长江下游宁镇地区下蜀黄土，在不同环境下进行压缩试验，当土样在不 同压力作用下变形稳定后，测定含水率、孔隙比e 和密度p 三种重要的物理指标， 并应用r s - - s t 0 1 c 型非金属声波检测仪测定了试样的p 波( 纵波) 波速；测定上述 试样在不同含水率条件下的物理性质指标及p 波( 纵波) 波速。 将试验得到的纵波波速与物理力学性质指标数据进行了图表分析，结果表明在压 缩条件下，含水率与纵波波速之间整体上呈正相关关系，但在结构再造阶段波速则是 随压力增大而增大的；纵波波速与土的孔隙比、密度、外力条件等物理力学性质指标 之间有着一定的相关性。 结合土体微结构理论，分析了土体孔隙特性、颗粒特性及含水特性等微观因素 对波速的影响，发现物理力学性质是通过微观结构变化来影响波速的，土体声波波速 变化是微结构和表观多因素综合效应的结果。最后，基于以上分析，探讨性地建立了 合初步地试验模型，并提出了相应的纵波波速求解公式。 本文利用声波探测技术对下蜀黄土进行了波速测试，验证了压缩条件下土体微结 构变化的过程，研究物理力学性质与纵波波速的相关关系，对基坑开挖过程中用波速 变化反演土体物理力学性质变化有一定的工程意义。 关键词：纵波波速含水率压缩试验下蜀黄土微结构 嚣海丈学瑷士擎魏论文 a b s t r a c t f r o m1 9 7 0 s ，t h et e c h n i q u eo fa c o u s t i cd e t e c t i o nh a sar a p i dd e v e l o p m e n tf o rt h e 西t u f a l i n go fs o u n dl o c a t e ra n dd e v e l o p m e n ti nm e a s u r e m e n to f a c o u s t i cd e t e c t i o n , w h i c h p r o v i d e sap l a i ns t a g ef o rs t u d yo f s o i li n d i c a t o ra n d m i e r o s t r u e t u r e w a t e rc o n t e n t 、p o r o s i t yr a t i oea n dd e n s i t ypa l em a i ni n d e xo f s i l t yc l a y sp h y s i c a l a p p e a r a n c e t h ew a v ev e l o c i t yt r a v e l i n gi nm e d i a 谢maq u a n t i t yo f i n f o r m a t i o no f s o i lh a s v e r yc l o s er e l a t i o n s h i pw i 也t h e s ep r o p e r t i e s c l a y sw i t h d i f f e r e n tw a t e rc o n t e n ta r e m e a s u r e db yr s s 秘l es o u n dl o c a t e rs y s t e m ；v e l o c i t i e si nd i f f e r e n tc o m p r e s s i o nf o r c e w i t hd i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o na r eb e i n gm e a s u r e d w a t e rc o n t e n t 、p o r o s i t yr a t i oa n d d e n s i t ya r e 棚c o u n t e di ne x p e r i m e n ts t a t e da b o v e t h e n , t h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo fv e l o c i t i e sw i t h 、ea n dpi sa n a l y z e d t h e r e l a t i o n s h i pc a nb es e tu pa n dt a k e nad e t a i l e dd i s c u s sb ym a k i n gf i g u r eo fp h y s i c a l a p p e a r a n c ev e r s u sd i l a t a t i o n a la n ds h e a r t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa o b t a i n e d ：t h ev e l o c i t yo f d i l a t a t i o n a lw a v ea n ds i l t yc l a y sw a t e rc o n t e n th a v eag o o dr e l a t i o n s h i p t h e p h y s i c - m e c h a n i c a la p p e a r a n c ei s j u s tp r e s e n t a t i o n , t h ee f f e c t i v eo f i to nv e l o c i t yo f p w a v e p r o p a g a t i o ni sb ym i c r o s t r u c t u r ep r o m o t i o n b ya n a l y s i sa b o v ea n df u r t h e rd i s c u s s i o n , w ec o n c l u d ea s e r i e sf a c t o rt ou n d e r s t a n d t h ev a r i e dv e l o c i t ya sv i e w e df o r mp h y s i c - m e c h a n i c a lt om i c r o s t r u c t u r e t h e nt h et e s t m o d e lw h i c hi sb a s e do nm i c r o s t m c t u r em o d e li sb u i l t , a n df o r m u l ai se s t a b l i s h e da tt h e s a l n et i m e t h ef o r m u l ai sas u m m a t i o nf o r m u l ao fi n t e g r a t i o no ft h ee f f e c t i v e n e s sb y f a c t o r ss t a l e da b o v e 儆s e r i e st e s t e dt h es i i t yc l a yb yu s i n gt h et e c h n i q u eo fa c o u s t i cd e t e 暾i o mt h e p r o c e s so ft h ec h a n g ei ns o i l sm i c r o s t r u c t u r ei sb e i n gp r o v e d , w h i c hc a nb eu s e di nt h e s t u d y i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e np h y s i c - m e c h a n i c a la p p e a r a n c ea n dp - w a v ev e l o c i t y i ti s e a l t a i n e dt h a tt h es t u d yw i l lb eo fv a l u et ou s i n gv e l o c i t yt oc o n v e r s i o nc h a n g eo f t h ep h y s i c - m e c h a n i c a la p p e a r a n c ei ne x c a v a t i n gt h ef o u n d a t i o nd i t c h k e yw o r d s ：p - w a v ev e l o c i t y , w a t e rc o n t e n t , c o m p r e s s i o nt e s t , x i a s h ul o e s s ，m i e r o s t r u c t u r e 珏 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 矽驴7 年石月j 9 le t 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书 馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文 的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理 论文作者( 签名) ： 洄年名月心日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和研究设想 1 1 1 工程领域声波探测技术的发展与现状 最初推动弹性波理论发展的强大力量来自对光的本性的研究需要。1 8 2 1 年著名 物理学家f r e s n e l 和数学家c a u c h y 和p o i s s i o n 创建了弹性力学普遍方程组，并发现了 在弹性介质中传播的两种性质不同的波纵波和横波，从此开创了弹性波理论“1 。 随着弹性波理论的发展，其理论应用的范围也越来越广。由于波在介质中传播时携带 了大量的介质信息，所以很多学者开始将其应用在介质性质的研究当中。在工程技术 领域的弹性波的应用最早开始于对混凝土的质量检测。 1 1 1 1国外声波探测技术的发展与现状 从上世纪3 0 年代初，国外就已经开始探索和研究混凝土无损检测方法，该方法 在这一时期取得了迅速的发展。1 9 3 0 年首先出现了表面压痕法。1 9 3 5 年格里姆 ( g r i m e t ) 、艾德( i d e ) 把共振法用于测量混凝土的弹性模量。1 9 4 8 年施米特( s c h m i d ) 研制成功回弹仪。声学技术应用于检测混凝土的突破性进展应当是始于1 9 4 9 年，加 拿大的莱斯利( l e s l i e ) 和奇斯曼( c h e e s m a n ) 、英国的琼斯( j o n e ) 等运用超声脉冲 进行混凝土无损检测获得了成功。接着琼斯又使用放射性同位素进行混凝土密实度和 强度检测，这些研究为混凝土无损检测技术奠定了基础。随后，其它国家也相继开展 了这方面的研究。如前苏联、罗马尼亚、日本等国家在上世纪5 0 年代都曾取得许多 成果嘲。 2 0 世纪6 0 年代开始，随着混凝土声波检测技术迅速发展，隧道开挖的数量增多 且开挖的质量要求的提高，对隧道岩体稳定性的控制变得尤为重要，需寻求一种行之 有效的方法，现有方法不能满足工程需要，声波检测开始被应用于岩体稳定性研究。 这一时期，大量的试验证明了将混凝土无损检测的技术和手段，应用在隧道岩石稳定 性的研究当中是可行的，声波探测技术方面的很多专家、学者开始转向隧道岩石声波 探测技术的发展，声波探测技术也成为了隧道岩石力学测量技术中最有希望的物探方 法之一。这种方法在隧道岩体探测方面应用的报道，首先见于卡斯特纳( k a s m e r ) 1 9 6 2 河海大学硕士学位论文 年的报告中，报告提到了1 9 5 9 年在瑞士兴特兰茵( h i n t e r r h e i n ) 水电站工程用超声波 量测岩壁破碎带( 在钻孔中) 的指标；法国塔洛勃( t a l o b r e ) ，在岩石力学( 1 9 6 0 年) 一书中，也曾引用了洞室周围岩体的声波曲线特征：日本在上世纪6 0 年代初的 工程技术杂志上，也刊载有弹性波对洞室围岩进行分类的报导。而到了6 0 年代后期， 对岩石( 岩体) 的声波探测技术的研究开始在日本、美国、英国、法国、德国、加拿 大、奥地利、瑞典、苏联和东欧一些国家广泛展开渤。 同时期在混凝土声波检测技术方面，罗马尼亚的弗格瓦洛( i f a e a o a m ) 提出用 声波、回弹法综合估算混凝土强度，为混凝土的无损检测技术开辟了多因素综合分析 的途径。2 0 世纪6 0 年代声发射技术被引入混凝土检测体系，吕施( lr u s c h ) 、格林 ( g r e e n ) 等人研究了混凝土的声发射特性，为声发射技术在混凝土结构中应用打下 了基础。2 0 世纪7 0 年代英国人发明了便携式超声波仪，用超声波检测混凝土的研究 取得一定的发展，超声波不仅在英国、原苏联、东欧等国家受到高度重视，而且在美 国、日本、加拿大等国也广泛开展了这项技术的研究与应用”。到了2 0 世纪8 0 年代 中期，美国的m a r ys a n a s l o n e 和n i c h o l a sj c a r i n o 实现了在水泥混凝土等集结型非 金属复合材料中采用机械波反射法进行无损检测的目标。 2 0 世纪9 0 年代以来，国外声波探测技术己趋于成熟，多数发达国家的建筑、 水利市场缩减，国外工程领域内声波探测方面研究发生了变化，关于声波探测技术的 工程应用的报道在减少，许多学者开始注重对波的理论研究，如波形处理、波谱分析、 声波的衰减等方面的研究。研究对象既有细化的趋势( 如特殊性质岩体、水泥浆、冰 川海相沉积物、硅酸盐水泥混凝土、岩体低速带等) ，又有概化的趋势( 如分散体系、 复杂孔隙介质、饱和多相介质等) 。 t h o m 嬲h o r s i ；d e a na d u m a 等( 1 9 9 1 ) 对巴伦支海的冰川一海相沉积物的相关 性质与声波速度关系的研究，发现在该沉积物中黏粒含量和平均颗粒粒径与声速具有 很好的指数关系，同时声速还和孔隙度和湿容重等参数紧密相关，这与在大陆条件下 的相似沉积环境中沉积物的声波速度有着相似的结论嘲。 t w a t a n a b e 和k s a s s a ( 1 9 9 5 ) 对由多层、薄层、低波速层组成的破碎带中p 波 波速与波幅变化进行研究，得到了在岩体低速带中，波的传播是由直接波和在传播路 径中遇到层间界面反射后多重反射波叠合形成的结论。 s h a w 和c i n d yk a y ( 2 0 0 2 ) 研究了超声波反射波方法( w a v er e f l e c t i o nf a c t o r , w r f ) 表达硅酸盐水泥混凝土的抗压强度。通过测量三种不同水泥混凝土板材( 相 2 第一章绪论 同尺寸) 在不同龄期中的反射波法、硬化指标( m a t u r i t ym e t h o d ) 、动弹模量、脉冲 波波速和抗压强度，对比分析它们之间的变化关系，提出了w r f 法在混凝土铺道板 中应用范围”1 。 m o r t e nj a k o b s e n 和t o r a r n ej o h a n s e n ( 2 0 0 3 ) 对复杂孔隙介质中流体流动的声学 特征进行了研究嘲。 m s d i a l l o 、m p r a s a d 、e a p p e l 等( 2 0 0 3 ) 利用对德国南部k e u p e rb a s i n 的 s t u b e n s a n d s t e i n 地区的砂岩试样的自然条件下和0 2 5 m p a 压力条件波速和波的衰减 试验值与b i o t 固结理论预估值的对比，得到了微结构变化与波速理论值和试验值之间 一些有益的结论，以扩展饱和多相介质中声波理论的物理学上应用。 s p i k e s k y l e r 和d v o r k i n j a c kp ( 2 0 0 5 ) 对两种气饱和岩体有效弹性模型结果的 对比分析，丰富了弹性波传播的模型，充实了地震波波速对岩石物理学性质关系研究， 特别是丰富了饱和岩体中对孔隙性质的解译方法“时。 p u n u r a i ，w o n s i r i ( 2 0 0 6 ) 利用超声波衰减来了解各向异性的水泥浆材料的微结构 特征。希望通过超声波在水泥浆试样中的衰减来直接估计气体孔隙的体积分数和尺 寸。揭示利用超声波方法量化硬化水泥浆微结构特征的潜力1 。 国外声波探测技术发展较早，研究较为深入，己趋于成熟，研究方向已开始从声 波探测技术在工程实践中的应用研究转向对波的传播理论研究。探测技术应用研究的 对象既有细化的趋势，又有概化趋势。随着声波探测技术应用的成熟，它将受到更多 学者的广泛关注。 1 - 1 1 2 国内声波探测技术的发展与现状 国内的声波探测技术研究起步较晚，它的发展始于上世纪的6 0 年代，水利工程 的兴建及铁路隧道的开挖，对岩体动力学参数测试、岩体稳定评价和岩体中不良地质 构造检测探查等的需求，为开拓岩体声波检测技术提供了机遇。于是，国内进行了现 场的测试与可行性研究试验( 长江科学院、同济大学声学研究所) ，以及用于现场测 试研究应用的岩石声波检测仪器的研制，当时采用的是电子管式的仪器，而超声波换 能器则用酒食酸钾钠压电材料制成。 到了2 0 世纪7 0 年代，声波探测技术得到了进一步的研究及推广应用。首先是晶 体管化岩石声波检测仪开始转向现场应用。仪器也向现场应用型发展，有代表性的如 湘潭市无线电厂生产的s y c 一2 型岩石声波检测仪。随着对现场及室内测试方法的研 河海大学硕士学位论文 究，以压电陶瓷元件制作的系列化换能器被研制出来。仪器上的发展，反过来又推动 了测试方法的不断完善。伴随着硬件系统与测试方法不断完善，推广应用面不断扩大， 国内有关单位共同努力总结出了一套，为人们共同接受的符合工程检测需要的测试方 法及声学参数对岩体特性的评价解释方法，为后期各部门制订检测技术规程、规范做 好了技术准各。这一时期，工程领域内声波探测技术的研究主要集中在混凝土和岩体 两类高强介质中。 2 0 世纪8 0 年代是声波探测技术的进一步发展与提高阶段。首先在测试仪器方面， 开发研制了横波测试换能器及数字化信号增强型声波检测仪( 地矿部技术方法所) ， 为试件、构件及工程场地剪切波波速测试研究及准确的测取岩石、构件及岩土的动弹 性力学参数提供了可能，也为评价地基的稳定性及抗震性能创造了条件。进而在测试 方面进行了深入研究并总结出一套完整的测试方法，从而改变了只能利用纵波声学参 数的局面。 上世纪9 0 年代以来声波测试仪器设备的数字化与智能化给我们带来了测试方法 的全新视角：长江科学院主持开发的声层析成像测试研究获得成功，并成功地取得岩 体结构划分的c t 图像；反射波法探测地下隧道开挖前方不良地质体的“水平声波剖 面法”( 铁科院西南分院) 也通过了鉴定；反射波法基桩完整性检测已编入基桩低 应变动力检测规程，并在近2 0 年来广泛的用于桩基检测中。用反射波测试、检测混 凝土路面厚度及强度取得可喜成果( 同济大学声学所) “o 。 这一时期，声波探测技术及仪器也越来越专业，出现了声波c t 、雷达扫描、红 外热谱、脉冲波、激光超声波等“2 “”，应用范围除了隧道岩石、桩基检测、混凝土类 产品质量检测中等方面，在隧道施工地质预报、围岩注浆加固效果、水泥土、挡墙后 回填物都有应用的报道，甚至声波c t 探测技术在古生物化石探测中也有应用“”2 “。 超声波检测作为一种无损、快速、简便的检测方法在岩土工程探测己被广泛应用， 并趋于成熟，被越来越多的用于试验研究当中。如中国科学院武汉岩土力学研究所岩 土力学重点实验室关于声波速度与注浆固体之间关系“；中国地震局工程力学研究所 的测试装置方面的研究，哈尔滨工业大学土木工程学院的冻结哈尔滨粉质黏土超声波 测定“”；同济大学混凝土材料研究国家重点实验室的混凝土超声检测呻1 ；中国地质大 学工程学院的水泥土的声波检测，大连理工大学沥青混合材料试件强度的超声波测定 “。除此而外，在工程实践中，测定波速已经成为评价建筑场地土动力特性的重要指 标，它在土动剪切模量及卓越周期计算、场地抗震分类、饱和砂土液化判别以及地下 4 第一章绪论 管道抗震设计等方面也有应用。如，高印立等利用天津、上海地区实测的剪切波速值 及相应的土性指标的统计分析及相应的土性指标的统计分析，建立了剪切波速与土性 的统计关系，采用一定的数学模型，利用有价值的实测资料确定波速与土性的相关特 征，由土性反求波速，对于工程建设有重要意义。 综上所述，介质的纵波、横波声速及波幅、频率被应用于对岩土工程施工质量检 测、岩土工程地质勘探及工程地质调查中，主要探测方面如下： 灌注桩( 声波透射法及反射波法) 完整性检测“”； 混凝土构筑物的完整性及混凝土强度的检测评价。2 ”1 ； 通过岩石及岩体声波测试对岩体强度分类、岩体完整性检测与评价幽”1 ； 破裂岩体灌浆补强效果检测跏； 岩体松动范围检测与判定汹”1 ； 岩体稳定性的长期观测； 测取岩体、混凝土的纵波及横波波速，提供动弹性力学参数。1 ”； 基桩完整性抽芯检验中对漏检提供补充资料。”； 综上所述，国内声波探测技术自上世纪7 0 年代以来得到了较快的发展，它已经 作为一种无损、快速、简便的检测方法在岩土工程探测得到广泛应用并已经逐渐成为 科学研究中的一个重要手段。但在土体中声波探测技术的应用却相对较少，特别是对 黏性土的研究仍然较为薄弱。 1 1 2 土体微结构理论的发展和现状 从1 9 2 5 年t e r z a g l a i 首次提出微结构概念以来，有关土的微结构研究已经历了8 0 多年的发展历史。“在评价黏土类土和岩石的工程地质性质时，应当注意考虑其微结 构的必要性”( t e r z a g l a i ，1 9 2 5 ) 的思想已逐渐深入人心。纵观这8 0 年的发展历史， 大致可以划分为四个较为重要的阶段。 上世纪2 0 年代中期，土力学之父t e r z a g h i 倡导的微结构( m i c r o s u u c t u r e ) 概念与思想是土的微结构研究的开端。他提出的著名的“蜂窝状结构”至今仍具有普遍 的指导意义和价值。其后，g o l d s c h m i d t ( 1 9 2 6 ) 和c a s a g r a n d e ( 1 9 3 2 ) 也注意到了微 结构的土力学价值，并发展了t e r z a g h i 的结构模式。而土壤学家、土壤微形态学的创 始人_ 、l k u b i e n a 的重要著作微观土壤学( m i c r o p e d o l o g y ) 才是为微结构理 论的形成和发展奠定了重要基础。这一时期的微结构理论进展相当缓慢。 河海大学硕士学位论文 到了上世纪5 0 年代中期- - 6 0 年代后期，土的微结构理论进入成长阶段。随着这 一时期的光学显微镜、偏光显微镜、x 一射线衍射等技术手段在土的微结构观测中的 有效应用和推广，加之h j a l t e r m u l l e r 发明的“浸胶法”使得大量制作高质量的土壤薄 片变得容易起来，越来越多的人们开始对微结构研究产生了兴趣，进而推动了微结构 形态学的发展。在h f r e s e 和h j a i t c r m u l l c r 的联合倡导下，于1 9 5 8 年在b r a u s c h w e i g v o l k e r t r d e 成功地举行了第一届国际土壤微形态学工作会议，使微结构研究步上了一 个新地台阶。至此，微结构研究已开始进入国际化的稳定发展轨道，并每隔4 5 年 举行一次同样类型地会议，直到1 9 7 8 年该协会才并入国际土壤科学协会( i s s s ) 。 进入2 0 世纪7 0 年代一直到8 0 年代中期，由于新兴技术，特别是扫描电镜、电 子探针、透射电镜以及电子技术等陆续被引入到土的微结构研究领域，使得土壤微形 态研究不论是在结构层次的深度上还是在结构要素的联系广度上，都取得了飞跃的发 展，出现了空前繁荣的景象。以f m s e r g e y e v 、o s i v o v 、b a r d e n 、p u s e h 、s m a r t 、d u d l e y 、 o b r i e n 、c o l l i n s 等为代表，人们不仅对士粒的排列特征以及土的孔隙性继续展开深入 研究，而且对单矿物及其集合体的相关属性以及结构联结特征等更给予了高度的重 视。他们不仅提出了众多内容更加丰富的结构模式，而且联系土性( 尤其是结构强度、 各向异性特征等) 取得了许多非常具有实践意义的科研成果，引起了岩土工程学界的 高度注意。在结构土样制备技术方面，t o v e y 做出了杰出贡献，他提出了孔隙液移出 的液氮法冻干技术以及用于电镜扫描的胶带剥离技术等，为研究黏性土的原状构造创 造了十分有利的条件。这一时期，也是我国土的微结构研究最为兴旺的时期，我国大 多数微结构研究专家( 如张宗诂、高国瑞、李生林、王幼麟、谭罗荣、罗鸿喜、王永 炎、孔德坊、张梅英、唐大雄等) 也是在这一时期涌现出来的。但这时期，由于结构 类型的多样，也造成了结构术语及命名方面的严重混乱。 2 0 世纪8 0 年代后期以来，微结构研究工作进入徘徊阶段，遇到的最大障碍就是 结构的量化问题。于是，许多岩土工程者对其丧失了信心，西方国家反应最为强烈， 以至于包括四年一届的国际工程地质大会论文集中只有为数不多的论文涉及到这一 内容。但是，人们并未彻底放弃结构研究工作。到2 0 世纪9 0 年代初，由于非线性理 论的推出和应用，以及在岩石和部分土体结构定量研究方面的突破性进展，又似乎再 次唤起了人们的热情1 。 胡再强( 2 0 0 3 ) 的关于黄土结构性模型及黄土渠道的浸水模型试验与数值分析的 研究。说明了非饱和黄土的结构性模型和采用单相孔隙流动的方法编制的有限元数值 6 第一章绪论 计算程序能够合理模拟和正确计算非饱和黄土的结构性和湿陷性等力学性质，他提出 的本构模型和有限元分析方法为通过数值模拟预测黄土渠道和其它黄土工程在受力 和浸水共同作用下的变形提供了广阔的前景o ”。 董好刚( 2 0 0 6 ) 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究，归结出潮坪 上广泛发育的硬壳层形成是循环荷载作用下海床粉质土固结过程中微结构逐渐调整， 强度逐渐提高的结果，其沿深度方向的不均匀性与具体的微结构状态有关的结论”1 。 土体结构对土的工程性质有重要制约作用，土的结构性模型的建立己经成为当代 土力学的前沿性课题。在力学性质研究方面，土体的结构性不容忽视，从结构性模型 出发，不应当再把土体看作是具有固定变形模量和强度指标的材料，结构性模型中， 可能也不再需要保留长期强度的概念。人们只能说，原状土在刚开始受力时有一定的 模量，其结构完全破坏后有一定的强度，而受力的中间过程则是从原状土到扰动土的 逐渐转化过程。随着非线性理论、混沌理论、计算机技术、信息技术的快速发展， 可以看到，本世纪土体微结构力学将成为工程地质学的新生长点“”。 1 1 3 土体声波探测技术研究现状与本文研究设想 土体声波与岩体声波是相关的，但又存在着很大的区别。土是地壳表层母岩风化 后的重新堆积的产物，是各种矿物颗粒( 土粒) 的集合体。经过风化作用后的矿物颗 粒( 有时还有有机质) 堆积在一起，含有丰富的孔隙，孔隙当中自然还存在着水和空 气，因此天然状态下土体一般由固体( 固态颗粒) 、液相( 土中水) 和气相( 气体) 三部分组成，简称三相体系。土的母体是岩石，土的声波波速与岩体的声波波速存在 相似性，所以利用岩体中常用的声波波速来了解岩体性质及分类的方法在土体中是可 行的；另一方面，土体这种三相松散体与岩体这种相对完整的结构体在形态、微结构、 性质上又存在着很大区别，所以它们在声波理论与应用上存在很大差异。通过以上的 叙述，我们了解到土体是一种固、液、气的三相体，更进一步地根据土体本构关系模 型的研究，土体并不是简单三相堆积体，土体是一种弹塑性复杂结构幽1 ，对于黏性土 来说，还有粘性，它们对土体波速的研究产生了很多不利因素。 由于土体的成因多样、结构复杂，关于声波探测在土体中应用的研究相对较少， 而近二十年来随着国内城市化进程的加速，城市建设中利用的较多是位于地面表层的 土体，出现的土质土力学问题逐渐增多。对土体介质来说，过去对岩体的声波研究在 土体中仅能起到一定的借鉴作用，很多经验和模型不能应用在土体中，所以科研工作 7 河海大学硕士学位论文 者和技术人员开始将声波探测技术应用于土体研究中。 盛煜等( 2 0 0 1 ) 通过实验研究表明，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，利用这种相关性就可以用超声波无损检测 技术来估计冻土的强度m 1 。 王大雁等( 2 0 0 2 ) 利用测定的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，根据弹性理论，计算被测冻土试样的动弹性力学参数，并讨 论了它们随冻土负温和含水率的变化规律。 郑志华等( 2 0 0 2 ) 利用自行设计的土样剪切波速超声测试装置，测定了干砂试样 在几种工况下的剪切波速，并由剪切波速换算出了相应的干砂最大剪切模量g f 。 推导出计算干砂最大剪切模量的经验公式。 凌贤长等( 2 0 0 2 ) 利用对冻结哈尔滨粉质黏土超声波波速测定的结果，考察负温 和含水率对超声波在冻土中传播速度及冻土弹性力学性质指标的影响“”。 王大雁等( 2 0 0 3 ) 利用测定不同密度的冻结砂土、冻结黄土和冻结黏土不同温度 下的超声波波速，得到土质颗粒的大小和组成成分在土冻结且在温度继续下降阶段的 过程中通过影响结合水含量的变化从而影响未冻水的含量的变化，进一步影响冻土中 的超声波波速的结论，并通过建立超声波波速与未冻水含量的关系，用波速来反求冻 土未冻水含量“”。 国外在波速与土体性质研究方面较多关注的是声波在土体孔隙、土体中流体、土 的分子成分的微结构理论发展的声波方法的应用。 如r e n k e n 和m a r t i nc h a r l e s ( 2 0 0 1 ) 通过对比计算机模拟的分散体系波传播的时 间延迟、分散体系表厦波的超声波量测时间延迟数据和非分散体系的超声量测，验证 将时间延迟预估作为分散的弹性波频率的函数的正确性。 在a d r i a na b a s m a 等( 2 0 0 3 ) 对天然膨胀黏性土的涨缩性进行研究中，利用超 声观测和扫描电镜观察对膨胀黏性土循环涨缩后的微结构变化过程，利用t 一矩阵方 法模拟物理结构特征变化。同时也说明了超声方法应用在黏性土微结构中是可行的 4 町 。 而j i l a l ib e n t a m a 等( 2 0 0 7 ) 关于黏性土分子成分特征的超声波的研究，正说明 了超声技术可以成为在探查黏性土在形成后孔隙缺失的很好工具呻1 。 在剪切波速方面，剪切波速是评价场地土动力特性的重要指标，它在土动剪切模 量及卓越周期计算、场地抗震分类、饱和砂土和粉土液化判别以及地下管道抗震设计 第一章绪论 等方面都有广泛应用。 目前，剪切波速的测定一般有室内试验和现场测试两种方法。室内试验一般有波 速法和共振柱法。室内试验由于土的扰动等各种因素的影响，其值比实测值要小一倍 左右，误差较大；现场测试主要有单孔法、跨孔法以及表面波法等：现场测试速度快、 成本较低、工效高，能克服室内试验需要取原状土的困难，但不能测试在不同应力条 件下土的动力变形特性啪1 。 室内试验是获得不同条件下，不同土的动力性质的重要基础。但是，现场取样不 可避免的对土体的结构产生扰动。土的结构性扰动，改变了土的结构构造，原始应力 释放，从而改变了土的动力特性，使得室内试验结果不能很好的反映土体原位工程性 质。如何处理室内试验成果，关键在于土样对原状结构的模拟问题或取样扰动的评价 问题。已有的研究表明。”蚓，土的初始剪切模量g 。( 或v 3 ) 可以反映土的原状结构性， 而剪切波速对土样的密实度、固结时间、超固结效应和预振等结构性因素有良好的相 关关系，能够反映由于制样方法、先期震动、固结时间和超固结等原因引起的原状样 与重塑样之间的结构性差异。剪切波速还可以反映土体结构的扰动程度”1 。 在剪切波速方面，一般认为其主要影响因素是：标贯击数n 6 35 、测点深度h 、土 层性质及地质年代等。这些因素对剪切波速的影响已有不少研究成果，其中以h 的 影响研究较多o ”。 由于国内外关于声波波速和土体关系的研究时间并不长，国内近些年关于土体声 波探测技术的应用也多集中在北方的冻结黄土、冻结黏土、干砂等，专门研究黏性土 中声波探测技术应用很少，几乎是空白。而土体声波探测技术中又以剪切波( 横波) 的研究较多，横波测定的方法在土动剪切模量及卓越周期计算、场地抗震分类、饱和 砂土和粉土液化判别以及地下管道抗震设计怫1 等方面都有广泛应用。我们应当发展黏 性土声波探测技术，但把横波作为研究黏性土声波探测技术手段是不适合的。黏性土 原状样中往往含有大量的水分，而横波在水中无法传播，所以波在黏性土中传播时衰 减较大，波形不清晰，读数由于存在干扰波易产生较大误差。因此，在黏性土声波研 究工作中，不宜采用横波测试的方法。在黏性土的研究中，特别是高含水率的黏性土 中，我们应当更多的利用纵波的测试手段。 根据黏性土的微观形态特征所确定的特定结构形态模型来表征土的工程地质及 岩土工程性质，仍旧是一种直观而且有效的重要途径。过去，人们在这方面己做了大 量的定性描述工作，而且很有成效，但定量描述是必不可少的，也是发展的必然趋势， 9 河海大学硕士学位论文 是土体微结构研究摆脱目前困境的重要出路。微结构定量研究的首要一步是量化结构 信息的有效提取，声波法就是量化结构信息的获取手段之一。 本文最初的研究设想来源于对土的物理力学性质的探究。由于土的结构复杂，力 学性质多样，黏性土更是如此，所以很难对土的性质进行全面的定性定量描述。而波 则具有完美而严密的数学论述，这为定量了解土的性质提供了方便。 而黏性土的声波探测方面研究不多，随着声波探测技术不断发展成熟，声波探测 在黏性土中的应用越来越广。因此，本文拟对下蜀黄土这种较为特殊黏性土的纵波波 速、物理力学性质和微结构之间的综合效应进行较为系统的分析。 1 2 本文研究的内容及意义 根据上节中对研究设想内容的引出，可以看到，在信息技术高速发展的今天，声 波作为介质信息的重要载体为我们对土体的本构模型关系研究提供了一个良好的平 台。通过声波所承载的信息来反映土体性质的方法，已经得到很多学者的广泛关注。 1 2 1 本文研究内容 国内外关于声波探测技术的研究大都针对冻土、砂土、灌浆体、岩体、钢管混凝 土、混凝土、岩石破碎带等介质，而对我国长江中下游地区的黏土、粉质黏土等低强 度、软弱土层关注度较小。受到声波探测仪器设备的限制，仪器测试的精确度要求与 这类土的各向异性、颗粒成分复杂等特性相冲突，波在这类土中的传播时受干扰大、 衰减大，进行研究困难重重。但是这类土的性质却不容忽视，例如在南京河西地区的 城镇开发建设中就经常遇到高含水率的黏性土，它给工程技术人员带来了许多困扰； 镇江大港地区的下蜀黄土( 粉质黏土) 由于较好的压缩性和较高的强度，可以作为中 低层建筑的良好持力层。经过科研工作者们的多年努力，计算机模糊理论的发展，声 波研究的不断深入，声波探测仪器的开发研制，为黏性土声波测试研究提供了契机。 本文针对下蜀黄土声波探测技术进行了相关研究。研究主要内容如下：测定下 蜀黄土的原状土、扰动土在不同环境中的压缩试验的单级压力下变形稳定后含水率 、密度p 、孔隙比e 等性质指标与纵波波速，利用得到的数据图形化它们的关系， 找到它们之间的一个量化关系；由于土的性质复杂多样，可以预见影响波速的物理力 学性质指标并不局限于某种或某几种，而是一个综合因素的复杂相关体系。通过以 l o 第一章绪论 上在力学状态下和非力学状态下，单独分析几种重要的性质指标与超声波波速之问的 关系，再综合考虑各种环境中土超声波波速的随物理性质指标的变化趋势，对物理性 质指标和波速综合分析，以寻求其中的基本的变化规律。将土微结构理论引入以上 分析中，以了解微观结构通过宏观表达来影响波速的方式，总结微观结构方面影响波 速的最基本因素，验证微结构理论的科学性，另一方面也反过来通过波速量化结构信 息。剔除对波速变化影响较小的因素，留下影响较大的因素，以土的基本结构模型 理论为基础，力图模拟出一个针对本次波速试验的与工程实际相通的试验模型和经验 公式，以方便波速变化的解释，并讨论模型和公式的适用性。 1 2 2 本文研究意义 现今，我们所面临的世界正处在一个知识急剧爆炸、技术突飞猛进、观念不断更 新的时代。作为古老又年轻学科一工程地质学，2 0 世纪9 0 年代以来，正日益面临 着更加严峻的挑战，其中一个重大问题就是如何处理并有效地反映我们所面对的非线 性世：界一复杂的岩土工程环境。 事实上，土体是一种远比其它普通工程材料的要复杂得多的介质，建立于成因分 析基础上的均一化处理过程很难逾越土体微观结构多样性和不确定性的巨大障碍。因 而，其分析评价结果往往与实际需求有较大的偏差，有时甚至会给工程建设造成一些 麻烦和损失。在工程建设进入高层次、大规模发展的今天，传统的土质学理论和方法 在定量分析方面已不适应时代的要求，亟待取得突破性发展“”。作为岩土工程环境土 体分类中重要组成部分的黏性土( 体) 是地壳表层广泛分布的一种性质较差的工程材 料。由于其现存状态既残留着地质历史变迁的痕迹，又明显地受到现今人类活动的改 造，因而在宏观上表现为不同结构部位，微观上具有复杂的非线性结构特征土体物理 力学性状的不均匀性和相同结构部位土体的各向异性：而在微观上则主要表现在介质 结构的非连续性和不确定性。从本质上讲，黏性土的物理力学性质的复杂性是其介质 结构非线性的集中体现。鉴于黏性土非线性结构的复杂性，传统的研究方法是将其进 行适度的均一化处理，进而采用相对连续的介质模型去分析和评价黏性土的工程地质 性质及其对工程建筑的适应型。 作者注意到了声波探测技术的特点，对复杂岩土工程环境中土体的了解需要声波 法这样的无损、简便的方法，利用声波法才能在更为接近自然的无扰动情况下了解土 的性质，以此作为定题的依据以期得到一个波速与土性之间的良好的相关关系，为岩 河海大学硕士学位论文 土环境的非线性研究引出一个有效的方法，为工程技术人员提供可靠的参数。 本文利用下蜀黄土波速与相关物理力学性质指标的试验数据，以土体性质数值化 为基础，先进行某种单一因素的线性分析，再把这些单一因素的线性分析放在一起进 行综合效应讨论，以形成一些有益的土体非线性概念，加深科研工作者对岩土工程环 境中复杂非线性特征的土体理解。本文的意义在于利用声波探测技术对下蜀黄土的物 理力学性质进行研究，利用波速变化过程验证了压缩变化中黏性土微结构变化的过 程，对把下蜀黄土作为建筑地基土的基坑开挖过程中利用波速变化反演黄土物理力学 性质变化具有一定实际应用价值。 第二章试验原理 第二章试验原理 2 1 土的物理力学性质和工程分类 2 1 1 土的物理性质 土是自然界中的岩石在各种风化作用下，经过破碎、分解和化学变化变成各种碎 屑，再经过搬运作用和沉积作用，使这些碎屑在一定的自然环境中沉积下来，形成了 由大大小小的土颗粒组成颗粒集合体，这些颗粒的集合体中间贯穿了大大小小的孔 隙，空隙中又多多少少充填了一定量的水分，而颗粒之间的连接一般较为微弱，这种 由固体颗粒、液态水和空隙中的气体组成的三相体系就是土。 与一般建筑材料相比，土体具有松散、易变性、透水性、强度低、变形大等特点。 土中固体颗粒的矿物成分各异，其土粒间的联结也比较微弱，土粒还可能与周围 的水发生一系列复杂的物理、化学作用。因此，在外力作用下，土体并不显示出一般 固体的特性，土粒间的联结也并不像胶体那样易于相对位移，也不表现出一般液体的 特性。因此，在研究土的工程性质时，既有别于固体力学，也有别于流体力学。 土中的液态水可分为结合水和自由水两大类。 1 ) 结合水 结合水是受土粒表面电场吸引的水，可分为强结合水和弱结合水。水溶液中的阳 离子，一方面受电场吸引，另一方面受由布朗运动产生的扩散力作用。在最靠近土粒 表面，静电引力大于扩散力，水分子被牢固吸附在颗粒表面，形成强结合水层。在离 土粒表面较远的地方，静电引力比较小，水分子的活动性比较大，从而形成弱结合水 层( 又称扩散层) 。结合水不具备普通水的性质，强结合水没有溶解盐类的能力，不 能传递静水压力，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度，其性质接近于固体。弱结合 水，其离土粒表面愈远，受到分子引力愈小，并逐渐过渡到自由水。 2 ) 自由水 存在于土颗粒表面电场影响范围以外的水称为自由水。它的性质和普通水一样， 能传递静水压力和溶解盐类。根据所受作用力不同分为重力水和毛细水。重力水是存 在于地下水位以下含水土层中的水，它能在重力或压力差作用下运动，对颗粒有浮力 作用。重力水在重力作用下能在土孔隙中流动，流动时产生动水压力，带走土中细颗 河海大学硕士学位论文 图2 - 1 毛细压力示意图 粒，而且还能溶解土中盐类。这两种作用会使土 的孔隙增大，压缩性提高，抗剪强度降低。毛细 水是存在于地下水位以上透水层中的水。它是由 于水与空气交界处表面张力作用而产生。黏性土 中毛细水的上升高度比砂类土要大。当土中存在 毛细水时，由于毛细力的存在，会使土