（岩土工程专业论文）剪切波速与振动三轴液化联合试验装置的研究及应用.pdf

摘要 针对目前饱和砂土剪切波速与抗液化强度的相关性研究中，缺乏有效的试 验设备和方法的问题，本文开发了一种新型的剪切波速与振动三轴联合试验装 置。 首先，探讨了通过扭转振动测试三轴试样剪切波速的原理，提出了具体技 术实施方案，讨论了研制过程中一系列的关键问题，如传感器材料的声阻抗匹 配、频率设计、可靠性检测等，并通过与弯曲单元和共振柱试验结果的对比， 证明了该装置的准确可靠性。 利用该联合试验装置，研究了控制三轴压力室内土样初始剪切波速的方法； 在此基础上，进行了控制土样初始剪切波速的振动三轴液化试验，研究了饱和 砂土剪切波速与抗液化强度的相关关系。结果表明，在给定的应变破坏标准下， 饱和砂土剪切波速与抗液化强度具有良好的相关性。 利用该装置，结合现场单孔法和静力触探试验，分析了室内剪切波速测试 结果与土层原位剪切波速之间的关系，结果表明，取样扰动对土体结构性的影 响是有限的，且与土层的埋深和土性有着直接关系；室内测试结果基本上可以 反映土层的剪切波速随深度的变化趋势。 关键词：饱和砂土液化，土的剪切波速，振动三轴液化试验，抗液化强度 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es h o r t a g eo fe f f e c t i v et e s t i n gm e t h o d sa n dt e s t i n gd e v i c et os t u d y t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nl i q u e f a c t i o n r e s i s t a n c ea n dt h e s h e a r - w a v e v e l o c i t y o f s a t u r a t e ds a n da tp r e s e n t , an e wk i n do fc o m b i n e dt e s ta p p a r a t u si sd e v e l o p e dt h r o u g h w h i c hs h e a r - w a v ev e l o c i t ym e a s u r e m e n to fs o i ls a m p l e sa n dc y c l i ct r i a x i a lt e s tc a r lb e c a r r i e do u ts i m u l t a n e o u s l y t h em a i nw o r ki sd e s c r i b e da sf o l l o w s f i r s t ，t h ep r i n c i p l eo fs a m p l es h e a r w a v em e a s u r e m e n tb ym e a n so ft o r s i o n v i b r a t i o ni ss t u d i e da n dt h et e c h n i c a lp r o g r a m st or e a l i z e t o r s i o nv i b r a t i o na r e p r e s e n t e d i n t h e d e s i g np r o c e s s o fs u c hc o m b i n e dt e s t a p p a r a t u s ，a s e r i e so f i m p o r t a n tp r o b l e mi sd i s c u s s e d ，s u c ha st h ea c o u s t i ci m p e d a n c em a t c ho fm a t e r i a l ， 行e q u e n c yd e s i g na n dr e l i a b i l i t yd e t e r m i n a t i o n ，e t c f u r t h e r m o r e ，t h ea c c u r a c y o f d e v i c eh a sb e e nv e r i f i e db yt h ec o n t r a s tt e s tw i t hb e n d - e l e m e n tt e s t sa n dr e s o n a n t c o l u m nt e s t s u s i n gt h en e wa p p a r a t u s ，a ni n i t i a l s h e a r - w a v ev e l o c i t yc o n t r o lt e c h n i q u eo f s a t u r a t e ds a n ds a m p l ei nt h et r i a x i a ll o a dc e l lw a sd e v e l o p e d t h e n ，c y c l i ct r i a x i a l l i q u e f a c t i o nt e s t sw e r e c o n d u c t e d b yc o n t r o l l i n gt h es h e a r w a v ev e l o c i t yt os t u d yt h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h el i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c ea n ds h e a r - w a v ev e l o c i t yo fs a t u r a t e d s a n d t h er e s u l ts h o w st h a tt h es h e a r w a v ev e l o c i t yo fs a t u r a t e ds a n dc o u l db e s t r o n g l yr e l a t e d t ot h el i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c eu n d e rac e r t a i nl i q u e f a c t i o nc r i t e r i o n f i n a l l y , t h ed i f f e r e n c eo f s o i ls t r a t u ms h e a r - w a v ev e l o c i t ys u r v e y e di n - s i t ub y s i n g l e h o l em e t h o d o rc o n ep e n e t r a t i o nt e s ta n dt h o s eo b t a i n e di nl a b o r a t o r yt e s ta r e d i s c u s s e d ，w h i c hp r o v e st ob el i m i t e dc a u s e db ys a m p l i n gd i s t u r b a n c ea r i dd i r e c t l y r e l a t e dt ot h ee m b e d d e d d e p t ha n dt h es o i li n d i c a t o ro f s o i ll a y e r t h ev a r i a t i o no fs o i l s t r a t u ms h e a r - w a v e v e l o c i t yd e p e n d i n g o nt h e d e p t h c a nb er e f l e c t e d b y t h e l a b o r a t o r yt e s tr e s u l t k e y w o r d s ：l i q u e f a c t i o no fs a t u r a t e ds a n d ；s h e a r w a v ev e l o c i t y o fs o i l ；c y c l i c t r i a x i a ll i q u e f a c t i o n t e s t s ；l i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位敝作者躲维乏 签字吼研年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨凄盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名- 狼乏 签字日期：伽4 年 f 月 7 日 导师签名 企鸪 1 雹彳 签字日期：二闪忤月7 日 第一章绪论 第一章绪论 建造在饱和软粘土或饱和砂土地基上的工程建筑物，遇到地震作用时，常 因地基软化或液化失稳而导致破坏。液化对地面结构物的破坏是严重的，造成 的损失是巨大的。1 9 7 6 年天津震害调查表明，饱和砂土的液化及其震陷是导致 天津地区地基破坏的主要原因。1 9 9 9 年9 月台湾发生7 2 级大地震，液化造成 了大量房屋倒塌、地面开裂等现象的发生。在国外，除了早期的日本新泻地震 和美国阿拉斯加地震外，近年来，又有多次地震也都引起了大规模的土体液化， 造成了巨大的经济损失。饱和砂土的振动液化问题历来是抗震工程的重要组成 部分，在国内外都得到广泛的重视和研究。 1 1 饱和砂土液化的概念及机理 美国土木工程师协会岩土工程分会土动力学专业委员会( 1 9 7 9 ) 对液化的 定义是：“液化是使任何物质转化为液体状态的行为或过程。就无粘性土而言， 这种由固体状态向液体状态的转化是孔隙水压力增大和有效应力减小的结果。” 关于液化的定义比较笼统，泛指土体表现出的各种类似液体的现象。人们对这 一点的认识并不存在分歧。但是，在对饱和砂土液化机理的认识，存在着两种 明显不同的观点“叫。 一种观点从液化的应力状态出发，强调液化标志着土的法向有效应力等于 零。当稳定的饱和砂土受到动荷载作用时，在土颗粒的接触点处形成新的应力， 当这种应力超过一定数值时，就会破坏土颗粒之间原来的联接强度与结构状态， 使砂土颗粒彼此之间脱离接触。此时，原先由砂土颗粒所传递的压力( 有效压 力) ，就要传向孔隙水，使孔隙水压力增高。当孔隙水压力增高到等于有效上覆 压力时，就会使土体的抗剪强度丧失，土不具有任何抵抗剪切的能力。当土的 动荷作用的任何一个瞬间开始出现这种应力状态时，即认为砂土达到了初始液 化状态。砂土即发生液化。因此，振动三轴液化试验中常把孔隙水压力发展到 和围压相等作为判别液化的标准。 另一种观点认为，土体的破坏表现为过量的位移，变形或应变，而不完全 取决于应力条件。在很多情况下，即使土体中并没有达到液化的应力状态，但 土体由于结构破坏和孔压上升而引起的强度弱化，也出现了具有液化状态的流 第一章绪论 动破坏，就认为土体已经液化。所以，在振动三轴试验中也可以采用应变标准 作为判别液化的标准，当峰到峰的轴向应变达到5 时就判别发生了液化。 1 2 饱和砂土液化势的判别方法 迄今为止，人们已经相继提出了多种基于室内和现场试验以及震害调查成 果的土层液化势的实用分析和判别方法，并己纳入相应的地基抗震设计规范。 1 、基于现场试验或地震经验的液化势判别方法 现场试验是研究土体动力特性和土体稳定性的重要手段，在土体液化势的 判别中有很重要的地位。原位动力性质测试主要以标贯试验( s p t l 测得的标贯击 数帆，或静力触探( c p t ) 得到的静力触探阻力吼与宏观地震害资料的经验关系 判定抗液化强度【4 “l 。国内外根据以往的震害资料与现场标贯试验和静力触探试 验，建立了很多经验公式用来评价土层的液化势。这些经验公式在实际工程的 土体液化势判别中发挥了很大作用。近年来，又发展了以剪切波速和瑞利波速 为指标的判别方法i o ”j 。 用标准贯入试验评价饱和砂土液化势的经验性方法在国内外己被广泛接 受，但其局限性也是明显的，经验表明，标贯值存在离散性大、不可重复、不 能连续测试等缺点。同时，标贯试验测试结果物理意义不明确，它受许多因素 的影响。砂土液化的发生不仅与地震的烈度( 地面最大水平加速度1 有关，还与动 力作用的次数( 震级) 有关，而在这种方法中这些因素无法得到体现。此外地震烈 度反映的也不仅是地面最大水平加速度，还与地面建筑物的性质有关。 在原位测试方法中，静力触探试验( c p t ) 的锥顶贯入阻力，能更好地反映土 的特性，且静力触探具有贯入连续、测试简便、结果离散性小和人为因素小等 优点。因此，应用静力触探试验判断砂土液化的方法逐渐得到重视。 自1 9 8 0 年，d o b r y 首先按应变法原理提出用剪切波速预测砂土液化势的方 法以来1 7 1 ，该类方法在国内外受到普遍关注，是当前抗震工程研究中的热点问题 之一。用剪切波速判别饱和砂土的振动液化具有物理意义明确、波速值离散性 小、预测可靠性高、可重复、经济性好、快速等优点：同时，剪切波速又是既 可以在室内又可以在现场进行测试的指标，所以可以将室内试验和现场资料联 系起来。有些行业规范中已经开始用剪切波速进行液化的判别。例如天津地区 地基设计规范 1 q 、水利水电工程地质勘察规范【】5 规定了可以判别砂土液化的 临界剪切波速。 第一章绪论 应用临界剪切波速判别液化的关键是，如何确定土层发生液化时的i 临界剪 切波速。在天津地区规范推荐的关系式中，是依据液化现场调查实例，按照s e e d 提出的等效地震剪应力概念，通过对液化土层相关数据分析和拟合，确定了剪 切波速随土层深度、地面最大加速度变化的关系。由于液化现场土层变化的复 杂性和特殊性，而且大部分液化土层的剪切波速是在进行液化场地调查时测出 的，因此与发生液化的土层剪切波速相比有较大差异。因此所确定的临界剪切 波速不能很好反映土层埋深、地下水位、初试状态、初试应力条件等因素的影 响。同时，在已有的一些的现场资料中，没有现场剪切波速值，所以用于确定 i 临界剪切波速的基本数据还比较有限。 2 、基于室内试验的液化势判别法 这种方法根据室内试验模拟现场条件确定土体的抗液化强度，同时用设计 地震资料计算地震应力比，比较两者大小以判别液化与否。其中以s e e d 提出的 抗液化剪应力判别法，最具有代表性，是目前国内外应用最广泛的方法【6 】。一 些主要的土动力学试验有：振动三轴试验、共振柱试验、循环单剪、循环扭剪、 振动台和离心机模型试验等。 该类判别方法的主要问题，就是试验土样的代表性问题，即土样能否真正 反映原位土体的液化性能。室内试验成果的正确性，主要取决于土样对实际土 性条件的模拟。取得高质量的原状土进行室内试验是得到原位土体动力性质的 有效途径。 在原状取样技术中，原位冻结取样法是一种很好的取得高质量原状样的方 法【” 1 8 1 。我国的刘小生等人【1 9 2 川也利用该法进行了原状砂土动力特性的研究。 但是，这种取样方法所需费用昂贵，主要应用于研究工作和重要工程场地的勘 探试验中，不能在工程勘察技术中推广应用。用常规的取样方法得到的土样， 实际上都受到不同程度的扰动，在取样、运输和制样过程中取样筒的插入、机 械振动、土体应力释放、取样时的扰动都会影响土样密度，改变土体颗粒的分 布和土体动力性质。t o k i m a t s u 2 1 1 通过两种取样方法( 原位冻结取样和常规取样 筒取样) 的对比试验，除了肯定原位冻结法是得到高质量原状土的一种有效手 段外，还发现若以轴向应变达到5 为液化标准，用常规取样法得到的试样动强 度只有原位冻结法取样的3 0 。 考虑到在现场取得大量的未扰动土是极为困难的，实验室内多采用重塑样 来模拟土样的实际土性条件。在研究土的动力性质的初始阶段，室内试验主要 是控制重塑样的密度、饱和度和固结压力来模拟现场的实际情况。在振动三轴 第一辩绪论 试验中，通常以相对镪度作为原状土性控制指标来重瀵土样。但是，这也存在 着闯题，一方颟，现场测试相对密度商一定困难，通过现场标贯值估计，与实 际情况有差异；另一方面，仅仅以相对密度作为控制煎塑土样的指标麓不够的。 m u l i l i s 、l a d d 、p a u r 和m o r i 等人鄙发现试样成型方法、威力历史、超固结 眈等因索对土体动力憔质，尤其是液化势的影响很大翠扣2 郓。熏塑样豹抗液化强 度小于原状样，造成强度差异的主要原因与土体结构性有关，土的结构性【1 9 2 6 】 主要搔：砂土的颗粒辩列、接触方式、颗粒联结和胶绪能力，可能的闰粒结构 及土层结构的不均匀憔。它们受砂层成因、固结剪应力比历史、固结时效及动 应力瘦变历雯等因素瓣影穗丽改变。 现行的室内重塑试验方法不能反映出天然土体所特有的原状结构性对其 静、动力强度特佳懿影喃。t o w n s e d ! 磁，t o k i m a t s u l 2 蝴麓等久静试验研究表疆主 体不同的组构将导致不同的液化特性，即使土样的相对密度相同。相反，有蓿 不嚣秘薅密疫静砂，箕动强度胃熊会一致。一天然藤霞与重豢释懿结梅性麓 别，悬引起两精动强度有极大差异的主要原因，仅控制重塑土样的相对密度并 不足敦耋瑷天然钵熬撬滚纯耗力。援然重塑梯豹寮度、滋度等竣态可 冀在 相当程度上接近现场实际情况，但却无法恢复天然土体的结构性。 以上载分掇可j 露，溺蘧斡关键是皴鹰获终能够反映獗蕴主层状态戆试验 样，即利用什么样的锚构控制参数使实验室试验土样能够反映原位土层的抗液 化强度。 1 3 饱和砂土剪切波速与抗液化强凄的关系 许多学者通过研究不同斟豢对剪切波速的影响，发现这热因素对主体的波 仡势裔着相同的影响麓势 2 8 3 f l ，表1 - 1 汇总了一些主臻的研究成果。 表1 一l 抗液化强度与剪仞波速( 模量) 影响因索 影响因素( 增加)对抗液化强度的影响对剪切波速( 摸量) 的影响 籀对密度增翔增魏 结构稳定性增加可能增加 固结时问增加可能增加 蠢结褒力跑壤毅增鸯瑟 剪廊变历史( 预振)增加增加 有效围压增加增加 4 第一章绪论 研究表明，剪切波速可能是控制饱和砂土抗液化强度的结构性指标。即如 果同一颗粒级配的饱和砂土的剪切波速相同，那么其抗液化强度就可能是一致 的。于是，只要制备出与现场土层剪切波速一致的土样，由振动三轴试验确定 的抗液化能力就能代表现场土层的真实抗液化强度【3 ”。这是砂土液化特性研究 中的一个热点问题，目前研究主要集中在以下两方面： 1 3 1 砂土的剪切波速( 最大剪切模量) 与抗液化强度的相关关系 t o k i m a t s u 研究发现，冻结取样( f s ) 和取土器取样( t s ) 两种方法得到的土 样，抗液化强度有很大差别( 对于密实砂土，t s 试样的抗液化强度仅为f s 试 样的3 0 左右) 。然后通过预剪切的方法使t s 试样的最大剪切模量恢复到和f s 试样相同，发现密实砂土的抗液化强度提高了将近2 0 0 左右，即几乎恢复到了 未受扰动状态的抗液化强度。因此他认为：对于扰动试样，可以通过用恢复其 最大剪切模量( 剪切波速) 的方法，来恢复或部分恢复土体的原状结构性，从 而重现其原状抗液化强度。 郭锡荣和刘小生进行了以原位剪切波速模拟砂土结构的研究，得到的结论 为：剪切波速可以综合反映影响结构性的各种因素【3 ”。 s a s i t h a r a n i j 4 1 在振动三轴压力室内进行冻融实验模拟冻结取样对结构性的扰 动。然后进行剪切波速测试，发现经过冻融循环后孔隙比变化的大小直接决定 了发生冻融前后剪切波速的变化，由此得到结论：剪切波速可以反映冻结取样 的扰动。 李万红、李新研究了超声波波速测试和振动三轴的联合试验装置口5 6 1 ，在 小应变幅下用预振( 剪切振幅y = o 1 1 1 0 - 6 ，使孔压比上升到0 4 左右，然后使 试件在静力祭件下固结) 的方法使土体的结构发生变化，研究发现预剪切可以 使抗液化能力大幅度提高而超声剪切模量变化不大，与其他研究结果不同的是： 他们认为超声剪切模量不能较好反映砂土的结构性。 a l f e r n a n d e z 等人的研究表明，在小应变下( 小于1 0 。6 ) 土颗粒之间的胶 结强度对剪切波速有显著影响 3 7 - 3 8 】。d e a l b a l 3 9 1 用不同的制样方法模拟土颗粒的 不同排列方式，发现对于密实砂土用不同的制样方法制成的试样其弹性剪切模 量相差不大。 黄博等人【4 ”1 j 研究发现通过控制重塑土样的密度和剪切波速，使之与现场 一致，在此基础上研究剪切波速的一致性与其抗液化强度之间的关系。研究结 果表明：对重塑土样而言，两者之间确实具有较好的关系。但是，由于没有进 第一章绪论 行同一剪切波速情况下的重塑土样与原状土样之间抗液化强度的差异，因此还 不足以说明剪切波速的一致性对饱和砂土抗液化强度的影响程度。 综上所述，要证明剪切波速确实可以作为控制饱和砂土液化强度的参数， 尚需进行深入系统的试验研究，包括对不同种类的饱和砂土进行试验对比分析， 特别是要阐明原状与重塑饱和砂土的剪切波速一致性对其抗液化强度的影响程 度。 1 3 _ 2 相关试验设备的使用及研制 进行饱和砂土剪切波速与抗液化强度相关关系的试验研究，首先得具备相 关的室内试验设备。显然，试验研究的设备需有由两部分组成：土样剪切波速 的测试装置和循环振动液化试验装置。 目前液化试验装置大多采振动三轴仪，测试土样剪切波速的方法和装置主 要有以下几种： 1 ) 通过共振柱试验确定最大剪切模量，进而反算剪切波速 h a r d i n 采用共振柱确定砂土的最大剪切模量，进而反算得到了剪切波速 4 2 】。 吴建平用自振柱仪测试土样的剪切波速，测试完成后再将土样转移到动三轴仪 中进行振动液化试验 4 ”。石兆吉采用共振柱确定土样剪切波速后，然后在其它 仪器上进行振动液化试验【。 利用自振柱或共振柱测试土样的剪切波速的方法进行研究时，需要与振动 三轴液化试验分开进行，剪切波速测试后土样需转移到振动三轴仪上或制各相 同的土样进行平行试验。这种试验方法的最大缺点是剪切波速不能实时测得， 平行试验过程中，不可避免存在着不确定因素的影响。 2 ) t o k i m a t s u 在振动三轴压力室内通过精确测量轴向和侧向应变得到剪切 模量。用测量应变计算土样剪切模量的方法受到位移传感器精度的限制，一般 认为声波测量所产生的应变小于l o 。6 ，而在三轴试验中应变测量能达到1 0 巧并不 容易，因此用测量应变计算出的剪切模量并不是最大剪切模量。 3 ) 厚度切变压电陶瓷传感器和超声波仪 汪闻韶院士首先倡导在三轴仪内利用超声波技术测试土样剪切波速。李新、 李万红首次在振动三轴仪内测试了砂土试样的剪切波速和压缩波速。在已有机 械振动台惯性式三轴仪的基础上安装了岩石超声波仪，进行试样剪切波速的测 试。d ea l b a 在振动三轴压力室内的试件顶部和底部安装厚度切变型剪切波测试 设备测量剪切波速。郑志华利用单片厚度切变型p z t 晶片制作的剪切波速传感 第一章绪论 器进行土样剪切波速的测量m j 。 惑有的剪切波传感器或岩石超声波仪都是测用单片厚度切蹩型p z t 晶片铡 成，厚度切变溅振动怒压电晶片的高频振动模式；同时由于p z t 晶片的厚度机 电藕合系数较低，剪切波辐射能量小，难以穿透厚度较大的土样；另外，压电 p z t 晶片的厚度切交振动在固体介质中不仅产生剪切波，而艇在压电片的周黼 产生一纵波偶扳子，出于纵波速度快予剪切波速度，纵波脉冲在剪切波脉冲姚 前面，会干扰翦切波的首波h 螂，尤其对于软睾占、谗稻松散砂土这类离损耗的 介质，纵波干扰十分严重，这使得该法只适合测试于砂的剪切波速，多# 且还需 要配合滤波菽术和一定的振楣识剐菽巧。困藏，凡乎无法测试饱和砂土、秸憾 土的剪切波速。 4 ，压电陶瓷弯馥擎元法 弯曲单元法最早由美国a u s t i n 大学的s h i r l e y 和h a m p t o n 4 7 】于1 9 7 7 年发明 靛。京爨悉篷惫随瓷薄冀裁黢鸾赘荤元，在交交毫蕊作建下产生弯蕊缀动：蔽 之当接收到剪切波信号时，又可以将邀种振动转化为交变的电荷。利用弯曲单 元熬这蒋性，将其镂藏发鬈移接牧装鐾，霹渡震来溺试梯豹剪穗波速。鑫 d y v i k 年 1 m a d s h u s 首先将压电陶瓷弯曲单元安装在三轴仪上测试了土体的剪切波 速郴j 爨寒，该方法得到了广泛应嚣，在工试验中应蠲越寒越广泛，霹戮安装 在不同的土工仪器中，在进行原有试骏的同时，测试土样的辫切波速【4 9 5 4 1 。但 是，弯魏单元农实医纛用孛瞧撵在一黧逡题： 酋先，弯曲单元需要插入被测试件的一定深度( 般为3 m m ) ，从而造成对 插入深菠范围内一定懿扰动，墩造成了剪甥波特攒长度稳不礁定性。v i g g i a n i 趱 出对于长度为7 6 m m 的试件，仅此一项造成的误差可以达到1 6 f 5 5 】：第二， v i g g i a n i 和j o v i e i e 研究还表明，近场效应和杂数波鲍予拢使褥剪切波秘至对剿 的判别带有较大的主观性，由此带来的测量误麓可以达到3 0 c 5 5 5 6 l ；第三，s o u t o 和h a r t i k a i n e n 研究表明i 5 ”，弯曲单元的测试结果与晷压有很大关系，当围压小 于1 0 0 k p a 时，弯嗑单元的测试结果和按振柱结巢非常接近；大于1 0 0 k p a 时，旗 结果要大于共振柱的结果；第四，有资料表明【5 9 1 ，弯曲单党产生的是一秘偏 振波，发射弯曲单元和接收弯曲单元的摆放角度对剪切波的测试有很大影响， 测试时必需将发射和接收单元的敏感方向排列一致，才能有效接收到测试信号； 第五，z e n g 和n i 指出，弯曲举元的尺寸对测试的精度有影响，当试骏应力水平 较高时1 6 ，弯姻单元的运动衰减快，接收信号不清晰；第六，由于弯曲单元霈 经常孺入中，绝缘和防水是黻销该装置使餍海命的一个关键因素。 蘩一章续谂 5 1 膳电簸台树料在声波颡试巾的应用 舒对簿度镯变型攫奄陶瓷传薅器不遥合测试低声融撬、赢撰巍夯蒺豹弱点， 避柬程声波测试按术中聪魄复合材料逐渐得到了废用。这种材料妇予矮密较高 靛浮皮辘电藕台系数，较小黪将彀阻撬，鞍小麴瓤褫鹣鹱因数，可戳通过改变 其中愿电糯和滩聪电稽之间的眈铡调熬僚感嚣的特性阻抗融与测试奔质逸到戳 抗匹配，提毫蓰黪器的灵皱凄两l 。 党长久l 捌分析了拣转挺愿泡复合毒孝料的掇动特幢及缀波干扰褥至肖散掷南l 豹潦因，捂密警嚣电嚣技疆佬方蠢浍灏溺一致臻翔蹿，纵波禚辍予效应鞠互瓠 满，歇褥黼弱了菇片中级波兹辐辩强震。并虽他邋过试验验谣了孛珏转嫠波速传 惑器无褥怒兹褊强方溺。l i ns h u y u i 酏1 分褥了熬转麓垂毫复合_ 耢瓣绩惑嚣靛等效 毫路并给潞谐缀频率静计簿方法。这黧磷究成祭为开发掰鍪静徉剪仞波速俊 感溪羹定了萋骥。 综上掰述，懑毫磷究装嚣簿滹在澄定的润繇。辫鼗，开发一释新燮豁蘩 锈波速秘摄动三霉蠡联合试验装鬟戏为妙滚稼特鼍耋簪 畿中靛一令菲霉燕簧豹、 夔特黪决瓣闫然，在憩基旗上_ 避l 嚣剪韬波速与攘韵滚亿联合试验，避步疆究 嘏移砂赘镄波遴与摭波纯强鹱之闻蛉关系，力图解决霹裁蕊予取褥缀状键秘 砂主试榉测试冀拨滚豫怒力的鼹熬，莠游联会试簸技术瘦瘸予移主渡纯势懿判 剐上，馒键对于预测魄霸砂震黪的方法达到了叛的术乎，态来寒地震俘月下 德鄹砂土鼷戆羧害程度豹预测、城事懿摭震设耱糕潮主发擦妻簧- 蕈霜。 l + 4 本文的z 撵 蘩予以上分章厅，本文对撵剪切波速测试装霾及瑟擞联会试验鼓术与装爨 进行研究，主疆包括以下几部分虑骞： l 、磷铡一萃孛新羹遁髑予振动三辘压力室魂溯试键和土撵剪切渡速瀚传臻 嚣，开发新型的剪切波速测试与振动三轴试验联合试验装鬣。 2 、零j 罐联合实验装甏，遂毒亍控制主榉初赣剪切波速的振动三轴液记试验， 磺究饱和砂土翦切波速与拣液化强度之阍的相关关系。 3 、稍稻联合试验装麓，簿溪溺测试静主菇剪惦波速与实验室试验结袈进行 眈较分析，磷究能否秘用赛内禊l 试结粜客溉评价原位层劈谚波遮静变化趋势。 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 如前文所述，现有的测试土样剪切波速的理论和方法，都存在一些技术问 题亟待解决。为解决以上室内测试中存在的问题及本课题研究的需要，本章研 究了扭转振动测试土样剪切波速的原理及弥散性对波速测试的影响；然后依据 压电陶瓷原理，提出实现扭转振动的两种技术方案。 2 1 扭转振动测试原理 2 1 1 扭转波动方程及其解 依据弹性动力学原理【6 2 】，在柱坐标系中，动力平衡方程为 等+ ；斋+ 。出f z i z _ r + _ i g o ) 妒耳中等= 。 誓+ 吾鲁+ 誓+ 詈, z i r o + p 如甲争= 。 p ， 誓+ 吉鲁+ 誓+ b 抄疋节挚= 。 式中：k ，、k 。、k ：分别为r 、0 、z - - d 7 5 - i 句的体积力，p 为介质密度。 几何方程为： 铲等岛= 吾券+ 等铲鲁2 方岛2 7 葡+ 子铲i 如= 警+ 吾嚣= 警+ 等 = 等+ 等一等 物理方程为 ( 2 2 j 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 盯，= a t # + 2 g 8 ， y o = 五- e + 2 - g 岛 。= 五e 十2 g 疗。 t = g y - e r h = g y r ”= g ， 式中：兄2 f 丽e v ，e = e r + o v a + 0 将( 2 之) 代入( 2 3 ) ，然后霉投入( 2 1 ) 得柱坐标下靛波动方程： ( 2 - 3 ) + g ) 导u ) + g ( v 2 “，一7 2 面0 u o 一7 1 坼) = p 争 。+ g ) 吾刍如孙) + g ( v 2 + 7 2 丽0 u , 一7 1 = 矿争 箨固 积+ g ) 毒如u ) 柳2 驴p 式中：枷口=。=塑+71丽0ue生+警，v2=芸+1l+7102+萨020r ro r ro r 2 0 0 2 2 r8 e溉 2 j r? 怒 对于半径r = 盯无限长的圆柱，在牟睦l 对称瓤转的情况下，仅裔非零的位移分灏 = p ，z ，) 及两个非零的应变分量： ，。= 錾一生，。：挈 o rr 0 z 此时，波劝方程为： 0 2 西2 1 0 辖一鹭 ( 2 6 ) 上曙 | 一， 一 监酽 + 可0 ，监扩 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 式中：_ ：，厚 vp 考虑沿z 方向的行波，设解为 “。= v ( o e x p i k ( z 一“) 】 式中：c 为扭转波的传播速度。 式中 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) 得： 害+ 警+ ( 矿2 专 扯。万+ 7 了+ 一一7 尸。0 叩，= ( 嚣 2 一七2 j 当玑= 0 时，式( 2 8 ) 为欧拉方程，其通解为 u ( r ) = c 。 ，+ c 一1 ， 当叩，0 时，方程为一阶b e s s e l 方程，其通解为： ( 2 - 7 ) ( 2 _ 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 、 u p l = c ，- j 。b ，r ) + c 。i 白，r ) ( 2 1 1 ) 式中：以和1 分别为一阶第一类b e s s e l 函数和一阶第二类b e s s e l 函数， 以= 薹( _ f 。( x ! 。2 ) + 2 。+ p ) = 五垒生篆铲 为了保证，= 0 时，有界，则必须令c 2 = c 。= 0 ，从而得： 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 fc ，一e x p 【f k ( z 一“) 】( 叩，= 0 ) 2 1 c ，i ，( 仉r ) e x p 陋( z c r ) 】b ；o ) 利用圆柱体表面自由的边界条件，有 铂l 。吨乩，g t 钆= 。 f 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 当玑= 0 时，上式恒成立，因此玑= 0 是该问题的一个解。当玑0 时： 等一等巩 剿一捌卜姒一训 陋 由b e s s e l 函数的性质得 剿一铡一埔。a 白。- ，)白，r ) q w 5 叫 根据边界条件( 2 - 1 3 ) 饥。婚饥。毋争扎 = 一g 仉j 2 ( r 。r ) e x p 【f k ( z c r ) 】，：。= o ( 2 1 5 ) f 2 1 6 ) 因此，满足以魄口) = 0 的所有仉是该问题的解。若把玑= 0 的解也包括进 来，则满足该问题的r ，取一系列离散值： r ，疗= 帆届屈屈) = ( o 5 1 3 68 4 1 7 1 1 6 2 0 )( 2 1 7 ) 根据式( 2 9 ) 对玑的定义，得圆柱体轴对称扭转时的频率方程为 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 山2 = 曙+ 七2 ) 扭转波速为： 将式( 2 9 ) 和( 2 1 7 ) 代入( 2 1 9 ) 整理得： c = 1 一亟生 r 国a 、2 l f j ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) f 2 2 0 ) 在利用扭剪波进行波速测试时，所测得的波速为扭剪波速c 。下面讨论在什 么条件下，扭剪波传播的速度等于材料的剪切波速旷。 2 1 2 弥散性对剪切波速测试的影响 波动是某种扰动在介质中的传播过程。例如一个正弦振动s i n k ”) ，如果它 在介质中的传播速度为c ，它沿x 正方向传播的波函数为：s i n ( c o t k x l 或 s i n k ( c t x ) 。其中为振动的圆频率，k 为波数，其意义为2 7 c 长度内波长的个 数。 女：塾：旦：竺 五t cc r 2 2 1 ) 对于一个波动系统，圆频率可以表示为波数k 某种函数：甜= 珊( 女) 。称此 关系式为系统的弥散关系。 如果圆频率c o 是波数k 的线性函数即：0 3 = a k 时。相速度为： 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 。：趔：。( 2 - 2 2 ) k 式中：a 为常数。此时相速度是一常数，它不随波频率的变化而变化，系统为非 弥散的。 如果圆频率0 9 是波数k 的非线性函数即：国”女) 0 ，在此情况下，不同波数 的简谐波具有不同的传播速度。也就是说，波的传播速度随频率而变化，这样 的波称为弥散波。 根据引起弥散的原因不同，可以分为物理弥散和几何弥散。前者是由于介 质的性质引起的( 例如土这种介质) ，文献【6 3 1 根据b l o t 流体饱和多孑l 介质中波传 播理论，得出弥散方程式( 2 2 3 ) 。 笔=鲁+雨ib厕p2(-0 2 g g ( f 6 一店国) ( 2 - 2 3 ) 式中：p 。，p ：，g ，b 为与固体骨架和孔隙中流体性质有关的材料常数。 从式( 2 2 3 ) 可以看出，0 3 为k 的非线性函数，在弥散关系式中包含材料的弹 性参数，因此这种弥散关系称物理弥散。扬峻等删用数值方法讨论了波的频率 和饱和土的孔隙率、渗透性及流体的粘滞性对各种波的速度和波速衰减的影响， 他引入弥散程度参数： 口：监( 2 - 2 4 ) 式中：k 。和分别表示频率趋于c 。和0 时的相速度。 对于饱和土，他取渗透系数为1 0 m 2 ，流体粘滞性系数取1 0 4 只，s 孔隙率 取o 2 7 ，计算得到的结论为：剪切波速的弥散程度大致为6 7 。可见饱和土中 剪切波的物理弥散程度很小。 几何弥散性是由于几何效应引起的，其弥散关系由边界条件来确定。在式 ( 2 - 1 8 ) 中，当r ，0 时，c o 是k 的非线性函数。这种非线性是由于在弥散关系式 中包含有介质边界的几何尺寸，这种弥散关系称为几何弥散。 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 由式( 2 9 ) 得到 k = ( 2 - 2 5 ) 为了使k 为实数，有：等刁：，由此得到各阶扭转波的截止圆频率 蛾：业( n _ 1 ，2 ，3 ，) a ( 2 - 2 6 ) 当逐渐增大，到达q = 5 1 3 6 t 肠后就出现一阶扭转波，到达0 3 ：后就出现 第二阶扭转波。从式( 2 1 8 ) 可以看出，当r 。0 的高阶模态都具有弥散现象。当 n = o 时，c = 矿，说明扭转波基本模态无弥散现象，扭转波传播速度与圆柱体的 几何尺寸无关，其相速度以材料的剪切波速传播。这是以扭转实现剪切波速测 试的一大优点。 要实现扭转波的无几何弥散测量，应采用其零阶扭转波，其条件就是所采 用的声波圆频率小于第一阶扭转波截止圆频率1 6 “。 以：塑! ：竺 a r 2 - 2 7 ) 对于a = 3 9 1 2c m 的土样，如果土样剪切波速一= 1 5 0 m s ，那么实现无几何 弥散测量的最高圆频率及频率为： 以：! ：坐! ! ! ! = 3 9 4 0 7 m d 1 0 0 2 ，：旦：6 2 7 k h 2 。 2 石 f 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 从理论上说，对于直径为3 9 1 e r a 的圆柱体试件，只要测试频率低于6 2 7 k h z 就可以消除几何尺寸的影响。此时测得的剪切波速与在无限体中测得的结果应 该相同，是材料本身固有的性质参数。 同时，从式( 2 2 7 ) 可以看出，对于圆柱体试件实现剪切波速无几何弥散测量 的最高截止频率是随着试件剪切波速圪和试件半径a 而变化的，在剪切波速一 定的情况下，截止频率随a 的减小而增大。 2 2 扭转振动的实现 2 2 1 压电陶瓷基本原理 压电陶瓷的基本原理是，多晶陶瓷在一定的温度下进行强电场极化而使内 部电畴定向排列，从而产生压电效应【6 6 1 。即：在机械力作用下在压电陶瓷的表 面产生电荷，这种现象叫正压电效应；反之，将压电陶瓷置于电场中。在电场 力的作用下，压电陶瓷将产生机械变形，这种现象叫逆压电效应。 压电材料具有弹性、电学和压电三方面的性质和性能参数。压电陶瓷的弹 性行为通常是以应力t 和应变s 作变量进行描述。描述压电陶瓷电学行为的变 量是电场强度e 和电位移矢量d 。压电方程则把压电陶瓷的弹性行为与电学行 为联系起来。 描述压电陶瓷弹性行为的应力t 和应变s 符合广义虎克定律，以矩阵形式 表示为： 巨 五 巧 五 l 瓦 ( 2 - 3 0 ) 式中：1 ，2 ，3 分别表示x ，y ，z 三个方向，图2 - 1 ；s = ，是= q ，s = s ；， 蜀= 1 2 岛，s = 1 2 k ，瓯= 1 2 ；五= c r ，疋= q ，五= q ， 五= z x y ，瓦= k ，瓦= k ：s h k 协，k = 1 ，2 ，6 ) 为压电陶瓷弹性柔顺常数。 即蹈跏跏跖邸 4 4 4 4 4 4即物跏趴即轴彤物跏_詈跏暑即印跚脚跚跗即嘲蛳蛳跚阳 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 为 图2 1 应力及应变分量的表示法 描述压电陶瓷电学行为的两个变量电场强度e 和电位移矢量d 之间的关系 剐骚摊 式中：d 、e 、毛( f ，_ ，= 1 ，2 ，3 ) 分别为x ( 2 - 3 1 ) y ，z 三个方向的电位移、电场强度、 压电方程就是描述压电陶瓷的力学量( 应力t h 和应变s h ) 和电学量( 电场强度 e i 和电位移矢量d j ) 之问相互关联系的关系式。压电方程具有多种形式，在此只 列出逆压电效应和正压电效应方程的一种表达方式。 h , k 2 1 ，2 ，6 ( 以) 2 、 f ，= 1 , 2 ，3( 6 ) ”7 式中：s 磊是恒电场下的柔性常数分量，是恒应变条件下的介电常数，屯和 是压电常数分量，它们分别为： 巳3e 1 4 e 2 3e 2 4 巳，e 3 4蚓 根据式( 2 3 2 ) ，对压电陶瓷采用不同的极化方式和施加不同方向的电场， 就可以实现不同的振动模式。压电陶瓷的振动模式有纵向振动模式、厚度振动 侉基 目爵 + + 疋瓯 f 腑 m s p = i 岛q ，(l 白如如q 勺 。，l = 、叫“ 吐破喀4 吐以九屯幽儡破以吐攻以 碣吐吐 l = 办 第二章扭转振动测试土样剪切波速的原理 模式、径向振动模式和剪切振动模式等。扭转振动就是应用这些基本的振动模 式实现的【6 7 6 9 1 。 2 2 2 用压电陶瓷的剪切振动模式实现扭转振动 如图2 - 2 ，对于沿3 ( z ) 方向极化的压电陶瓷，由于材料的对称性，压电常数 矩阵为： 办= 瞪 00 00 以。吐， 图2 - 2 压电陶瓷的剪切振动模式 鲫 对于上述压电陶瓷，如果在前后两面镀银，外加电场的方向为1 ( x ) 方向， 在压电陶瓷不受外力的情况下( t = o ) ，由逆压电效应方程( 2 3 2a ) ，得此时产生的唯 一应变为： k = 2 砖= 2 4 ，e l f 2 3 3 ) 反之，当压电陶瓷没有外电场作用而在电极面受到3 ( z ) 方向的剪切作用时， 必然产生剪切变形墨，由压电效应方程( 2 3 2b ) ，此时仅在1 ( x ) 方向产生电位移。 d l = 岛，t s ( 2 3 4 ) o o o o o 0 o o 。l =