基于超聲波技術的土體抗剪強度參數預測方法探討

宋昊林 李華 鄢詣明 曹禧麟 孔雀

摘要：鑒于目前通過室內直接剪切試驗或三軸壓縮試驗等破壞性試驗獲得土體抗剪強度參數存在試驗周期長、成本高和試驗量大等缺點，本文以超聲波在土體傳播過程中的聲學參數變化特征與物理力學性質參數的相關性為基礎，探索提出了一種基于超聲波技術的土體抗剪強度參數預測方法，為土體抗剪強度參數的獲取提供了一種新的途徑，對于降低試驗成本、加快設計與施工進程以及指導工程實踐等方面具有重要的參考價值。

關鍵詞：抗剪強度參數;超聲波技術

1 引 ?言

抗剪強度參數作為土體抵抗剪切破壞能力的表征，是相關工程土壓力計算、邊坡穩定性驗算以及土體強度和抗變形能力評價的重要力學指標，其取值對于指導工程設計與施工以及保證其強度與穩定性具有舉足輕重的作用。目前，土體抗剪強度參數的獲取主要是通過室內直接剪切試驗或三軸壓縮試驗獲得，但兩者均為破壞性試驗，需要準備大量的試驗試樣以通過室內試驗獲取土體不同圍壓下的極限強度，并通過繪制摩爾應力圓最終確定土體抗剪強度參數。超聲波檢測技術作為一種新型的無損檢測技術，由于具有操作簡便、成本低廉和全程無損等特點，近年來越來越多地受到巖土工作者的關注，在相關領域的工程和科研實踐中得到了廣泛的應用。土體是一個典型的由土顆粒、水和空氣組成的復雜三相體系，超聲波作為波動的一種形式，在土體內部傳播時必然產生散射、反射和繞射等現象，從而使得通過不同土體或不同性狀的同一土體時的速度、振幅和波形等參數表現出不同的變化特征，而這些聲學參數的變化蘊含了土體力學參數及內部微觀結構信息，現有研究也表明土體的物理力學性質與其超聲波波速存在著密切的聯系[1-4]。目前超聲波技術目前在巖土領域的應用，主要集中在利用超聲波聲學參數來反映不同性狀及條件下土體物理性質、微觀特征及力學性質的變化[1-7]，有關基于超聲波技術的路基土抗剪強度參數預測方面的研究尚鮮有報道?；诖?，本文擬以超聲波在路基土體傳播過程中的聲學參數變化特征與物理力學性質參數的相關性為基礎，探討一種基于超聲波技術的土體抗剪強度參數預測方法，以為土體抗剪強度參數的獲取提供一種新的途徑。

2 ?B2 ?基于超聲波技術的土體抗剪強度參數預測方法

2.1 ?土體波速和極限強度的獲取

選取分布廣泛并在工程實踐中應用較為普遍的典型土，在對其基本物理力學性質試驗研究的基礎上，成型最佳含水率狀態下的試驗試樣，測試確定試驗土體的縱波波速以及不同圍壓下的極限強度。

土體的縱波波速可利用相關非金屬超聲測試系統，采用透射法進行測試，具體測試方法和程序為：在安裝、調試好超聲波測試系統之后，取待測土體試樣，并在放置發射換能器和接收換能器的兩個端面均勻涂抹適量耦合劑以保證換能器與試樣的緊密貼合和良好耦合;接著，將待測土體試樣高度輸入超聲波測試儀，啟動超聲波測試系統進行土體的縱波波速測試。

土體的極限強度可采用全自動三軸試驗系統通過三軸壓縮試驗測試確定，試驗過程可由相應的操作系統控制，自動采集并處理相關試驗數據，進而獲得試驗土樣在不同圍壓下的極限強度。

2.2 ?極限強度預測模型的建立與驗證

基于超聲波波速測試和三軸壓縮試驗的試驗結果，對不同圍壓狀態下路基壓實土的極限強度進行多元非線性回歸分析，從而建立路基土的極限強度 與超聲波波速 和圍壓 之間的定量函數關系式。在多元非線性回歸分析時，可預先進行分析和預判，初步假定土體的極限強度與超聲波波速和圍壓的函數關系式，然后利用相關多元統計分析軟件及算法進行迭代計算確定預測模型的相關參數，并通過三軸壓縮試驗獲取同一路基土不同圍壓下的極限強度，對比驗證極限強度預測模型的可靠性與可行性。

2.3 ?土體抗剪強度參數預測方法的構建與應用

土的抗剪強度參數又稱抗剪強度指標，包括凝聚力和內摩擦角，根據莫爾-庫侖強度破壞理論準則，土的抗剪強度表達式為：

式中： 為土體抗剪強度， 為作用于剪切面上的法向應力， 、 分別為土的凝聚力和內摩擦角。

在基于式（1）利用本文提出的土體抗剪強度參數預測方法進行土體抗剪強度參數確定的實施程序為：

首先在室內成型需要確定其抗剪強度參數土體的試驗試件，按本項目研究所提出的操作方法進行超聲波波速測試，獲取該土樣的超聲波波速代表值;

然后根據路基工程的實際使用狀態確定三個擬定圍壓值，并連同上述所獲取的超聲波波速代表值帶入回歸分析得到的極限強度預測模型分別計算得到三個擬定圍壓下的土體極限強度預測值;

最后將不同擬定圍壓條件下土體破壞時的莫爾應力圓繪制在 坐標圖上，并求出這些莫爾應力圓的抗剪強度包線。則該抗剪強度包線在 坐標縱軸上的截距即為試驗土體的凝聚力 ，傾角即為土體的內摩擦角 。

3 結 ?語

本文以超聲波在路基土體傳播過程中的聲學參數變化特征與物理力學性質參數的相關性為基礎，探討了一種基于超聲波技術的土體抗剪強度參數預測方法，可為為路基土抗剪強度參數的獲取提供一種新的途徑，對于降低試驗成本、加快設計與施工進程以及指導工程實踐等具有有重要的現實價值和意義。

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基金項目：吉林建筑大學大學生創新創業訓練計劃項目：基于超聲波技術的路基土力學試驗試樣選擇方法研究（202010191120）

作者簡介：宋昊林（2000-），男，吉林公主嶺人，本科，主要從事路基土力學性能方面研究。