为消除土体应力传递、扩散及损失过程中自重应力的影响,剪切波速测试过程中圆柱形试件保持水平放置。剪切波采用自触发的方式进行激发,测试方法为首至波时间测试法。在试件表面施加压力时,必须保证试件长度在压应力作用下不发生明显改变,以避免试件内土颗粒排布结构发生变化,剪切波速测试时信号发射及信号接收传感器必须紧贴试件表面,保障充分接触。施加的应力通过千分表进行读数。依据此原理设计变应力剪切波速测试仪,如图5,6所示。

图5 试验仪器设计图Figure 5 Design of test instrument
图6 变应力剪切波速测试仪器Figure 6 Test instrument of shear wave velocity under changing stress

由图5,6可见,试验试件制备为圆柱形,制备试件采用直径5 cm圆柱形试桶进行击实,试件压实度为95%,含水率为最佳含水率,将制备好的试件水平放置于测试仪内,通过加压装置对试件施加压应力,并通过压力计控制应力大小,同时采用GJY-1工程测试仪对试件在固定应力下的剪切波速进行测试。
当试件受到任何压应力时,其本身就会发生变形,但试验认为当该变形较小时,基本认为试件的变形可忽略,在土力学分层总和法计算最终沉降量中设定附加应力等于0.2倍自重应力下方的地基变形不予计算。以此为依据,经过土体变形换算,可大致得出(试件长度/可忽略变形)值近似为:1 000:1~500:1。本实验中的试件长度为10 cm以上,兼顾考虑测试设备的精度,设置土体变形在0.2 mm以下时,认为试件无体积变化,实验室测试长度可通过游标卡尺得到。
试验用粘土液限含水率为21.6%,塑性指数Ip=15.4,为粉质粘土,最佳含水率19%,最大干密度1.94 g/cm3;试验用砂土为粉砂,大于0.075 mm颗粒含量为93.80%,其中0.075~0.25 mm含量64.8%,0.25~0.5 mm含量13.8%,0.5~2 mm含量7.1%,大于2 mm含量8.1%,最佳含水率17%,最大干密度1.74 g/cm3。试验制备试件在单个应力状态下为3个长度规格,分别为5,8,11 cm。
3 数据分析与建模
砂土、粘土的试验中应力采用15个应力状态,分别为37.89,75.79,113.68,151.58,189.47,227.37,265.26,303.16,341.05,378.95,416.84,454.74,492.63,530.53,568.42 kPa,在每个应力状态下,对①~③ 号试件分别进行剪切波速的测试。各应力下不同长度试件的整体剪切波速与试件表面应力关系如图7,8所示。

图7 砂土试件整体应力-剪切波速曲线Figure 7 Overall stress-shear wave velocity curve in sandy soil
图8 粘土试件整体应力-剪切波速曲线Figure 8 Overall stress-shear wave velocity curve in clay

从图7,8中可看出,砂土、粘土的应力-剪切波速曲线变化趋势基本一致,剪切波速随应力的增大总体呈增大趋势,因为依据土体强度理论,土中应力增大引发土体抗剪强度增大,土体剪切刚度增大,剪切波速也随之增大。依据试验数据可看出,同等应力条件下,土体剪切波速随试件长度的增大而有所下降,这主要是因为土中应力在土颗粒间传播时会发生应力扩散及应力损失的现象。试验中剪切波沿圆柱体试件长度方向传播,当土体沿剪切波速传播方向仅受到附加应力作用影响时,随剪切波传播深度的增加,土体应力逐渐变小,对应土层所处位置处剪切波速变小。则说明试件越长,剪切波传播路径越长,土柱体应力损失越大,剪切波速减小也越发严重,这是造成长度较长的土柱体剪切波速测试结果较小的根本原因。
采用第1节中论述的应力-剪切波速理论建模方法对试验数据进行处理,可得到试验砂土及粘土在仅受附加应力作用下的应力-剪切波速曲线,如图9,10所示。

图9 砂土应力-剪切波速曲线Figure 9 Curve of stress-shear wave velocity in sandy soil
图10 粘土应力-剪切波速曲线Figure 10 Curve of stress-shear wave velocity in clay

从图9,10中可看出其他条件固定的前提下,土基应力对土基剪切波速的影响显著,土样同密实度条件下,剪切波速随应力的变化幅度可达5倍以上,工程中必须考虑应力对剪切波速的影响。对图9,10中所示的试验土体应力-剪切波速数据进行数据拟合分析,选取相关系数最高的二次多项式进行曲线趋势描述。砂土见式(4),相关系数为0.959;粘土见式(5),相关系数为0.955。

${V_{\rm{s}}} = 0.003{\sigma ^2} + 1.002\sigma + 199.5$(4)
${V_{\rm{s}}} = 0.013{\sigma ^2} - 0.251\sigma + 281.5$(5)

式(4,5) 反映的是试验土样的剪切波速与自身所受应力的相关关系,σ为测试土层的应力,该应力为总应力,包括土体自重应力及附加应力。利用该模型可对试验地基土任意深度的95%地基压实度进行准确测试评估,如测试剪切波速小于模型计算结果,则可判定该地基承载能力及抗剪强度已发生降低,可能造成后期地基沉陷。