粘性土的波动传播特性分析

2022-09-17

剪切波速是一个可在原位测试的土性指标, 可采用剪切波来检测细粒土的压实质量。把细粒土视作单相匀质材料, 剪切波速计算公式表示为Vs=Gρ, ρ为土体密度;G为剪切模量。土中孔隙水不能传递剪力[1], 将影响到土体剪切模量。因此含水率和土体密度是影响土体剪切波速大小的两大重要因素。这里通过大量试验, 研究不同含水率土样剪切波速随干密度的变化规律, 为进一步研究剪切波速评价压实质量提供理论参考。

1 实验方法及过程简介

剪切波测试采用GJY-1工程测试仪, 试验击实采用150mm的击实筒标准击实。测试所用粘土物性指标量:ωL=25.9%, IP=13.26%, 最佳含水量11.54%, 最大干密度1.99g/cm3。按照《公路土工试验规程》 (JTJ051-93) 规定的重型击实法, 配置不同含水量试件 (w=5.14%、7.47%、8.64%、10.53%、13.28%、15.73%、17.95%、19.85%) 。然后进行不同击实锤数的标准击实, 脱模处理后进行剪切波速测试。

2 试验数据整理

根据试验得到某一含水率下, 不同干密度对应的剪切波速值, 分别绘制某一含水率下ρd-Vs的关系曲线。下面只列出含水率w=7.47%、w=13.28%、w=19.85%时的曲线, 如图1~图3所示:

3 试验结果分析

由图1~图3可知, 某一含水率下土体剪切波速与干密度具有良好的相关性, 波速随干密度增加而显著增长。这是因为:土是由土颗粒、水和气体三部分组成, 各自的体积可分别用V土、V水、V气来表示。在密度较小时, 孔隙较多, 构成了一定的架空结构。颗粒间的接触较少, 剪切模量G较低, 相应剪切波速也较小。在压实过程中, 孔隙中气体不断被排除, 土中V气不断减少, 土颗粒重新排列, 土颗粒间的骨架结构变得紧密, 土颗粒间的内摩擦力或粘结力增大, 剪切模量G迅速增长;同时总体体积V总的减小也使得土体密度ρ随之增大。但细粒土的剪切模量增长速度远大于密度的增长速度, 因此剪切波速随干密度的增加而显著增大。

分析图1~图3曲线斜率, 可知剪切波速增长幅度随土体含水率w的增加而逐渐减缓。对比看出, 在同等干密度的情况下土体波速随含水率的增大而减小的。这是因为:在含水率较小的情况下, 土颗粒间相互咬合十分紧密, 形成比较致密的骨架结构, 孔隙水对剪切波的传递阻碍作用较小剪切波很快传递过去。随着含水率的增加, 土体孔隙中的水分也在增长, 水在土颗粒的表面会形成一层水膜, 土颗粒的内摩擦力或粘结力下降, 进一步虚弱了土体的剪切模量G。同时孔隙水对剪切波的传递阻碍作用逐渐增大, 剪切波速也随之减小。