徐欣悦 朱玉国 吴 强 李世男
中国民航大学 天津 300300
摘要：地基土作为建筑施工的基础，其土应力与剪切波的研究在国内仍处于空白，本仪器旨在通过测定剪切波速与应力相关性，对工程现场的剪切波速进行应力因素修正，大幅提升剪切波速评估地基压实质量的可靠性。
关键词：地基土应力；剪切波速；压实度；仪器
土层的剪切波速是反映土体动力特性的重要参数。它被广泛的应用在各种工程实践中。我国现行的建筑抗震规范、工程场地地震安全性评价技术规范、岩土工程勘察规范、地基动力特性测试规范等，在岩土弹性参数计算、地基刚度和阻尼比计算、场地类别划分、场地地基卓越周期计算、沙土液化判别时都规定要利用土层的剪切波速资料。因此，剪切波速及其测试得出有关的科学数据具有重要的实际工程意义。
一、地基土剪切波速测试仪的理论基础
1.现行测量方式的不足
目前，地基土的压实度等特性是通过现场原位地基土剪切波得到的。但是，现有的计算关系并没有考虑到地基土所受的应力，而由土的承压模型可知，剪切波的震动通过土骨架传播，土层压力由土骨架（有效应力）所承，即应力对剪切波速的传递有着理论上的影响，这一理论也在以往的研究中证实，但由于剪切波的测量既没有国际标准，操作又因人而异，况且实验土块所受应力状态也各有不同，因而产生的误差很大。，其准确关系式并未得到。所以，如何设计一个便捷高效的仪器用以测试不同应力下的剪切波速，成为下步研究的必经之路。
2.设计仪器的理论基础
本仪器的核心是利用等效替代的思想，排除地基密度、弹性模量和泊松比对剪切波速的干扰，同时模拟自重应力来改变测试土体的应力状态下，测量其剪切波速，选择具有代表性的数据，进行统计分析、综合与归纳，考虑土的基本物理力学指标，选择反映土的特点的重要指标，建立了地基剪切波速与土层所受应力间的关系模型为工程压实度的计算提供更为精确的数据。也为大型填方工程中地基分层压实度检测提供更为精确有效的数据支撑。
二、地基土剪切波速测试仪的设计与分析
1.地基土剪切波速测试仪的设计
本仪器主要分为土样的制作、零件的选取与测试仪的整体布局三方面。
1.1土样的制作
剪切波速的主要影响因素是实验土体的岩性、裂隙、孔隙度、孔隙中充填物、土体的风化与破碎带等土体参数，它们的性质对剪切波速的影响很大，所以本课题的试验是采用相同含水率、压实度，除去杂质的粘性土试件。土样制作用脱模法，即在保持土样最大干密度与含水率的基础上，依据传感器剪切波速激发能量强度确定测试土样尺寸厚度。制作该尺寸下土样模具，用击实仪击实土样，脱模后得到土样模型。以此制作出的标准压实度土样，可忽略加压过程中体积的变化。
1.2零部件选取原理
1.2.1电机加压
加压部分需要实现两个目标，首先加压稳定，其次加压连续。所以需选用液压电机。现市面上电机的开发与研究已趋于成熟，本小组采用加压范围为0~600N的伺服电机，通过齿轮联动设施，将电机的水平转动转化为竖直方向上的位移，对土样进行连续加压。
1.2.2剪切波速的测定
为保证测定既定压力下的剪切波速，我们将剪切波速传感器固定在加压片上，加压过程中，通过传感器对土样进行加压，既测得了该应力下的剪切波速，又能通过压力将传感器紧贴土样表面，保证剪切波传播的有效性和连续性。
1.2.3压力数值的提取
电机只能实现对土样的连续加压，但为得到剪切波速与应力之间的关系，我们必须随时掌控加压进程，这就要求我们需要将压力数值从电机中提取出来。所以我们在现有仪器上加入了压力传感器，并将传感器固定在剪切波速传感器上，配合压力显示仪显示加压过程中土样所承受的压力。
1.3测试仪的整体
整体布局方面，将仪器繁杂线路和电机整合固定到测试仪底座中，仪器外部仅有传动加压设施及预留出的固定土样位置。整个仪器外部除总电源线外，无其他线路暴露，整体看起来和谐稳定。现提供测试仪内部原理图如下
1.4地基土剪切波速测试仪分析
现市面上该仪器所需各部分零件，如液压机、剪切波测试仪，压力显示仪等设计已趋于成熟，其单独运行成果已满足现阶段的数据需求。所以本仪器设计难点在于如何连接各个部件，这分为数据连接及外形连接。为实现数据连接，我们将电机施加的压力数据通过压力显示仪提取，并通过继电器转化电压，实现压力显示仪（弱电）对电机（强电）的控制信号处理功能，实现电机的自动化运行。为实现电机和剪切波速传感器的外形连接，本仪器采用的齿轮联动设施巧妙的解决了这个问题，通过设计这一过度，将电机与波速感应片紧密结合，使设想具有可实行。
三、地基土剪切波速测试仪的发展前景（结语）
设计并加工地基土应力剪切波速测试仪，实现测试不同应力状态下地基土剪切波速的技术目标，可以填补国内具有该功能测试仪器的空白。通过选用该仪器测试出的代表性数据，进行统计分析、综合与归纳，考虑土的基本物理力学指标，选择反映土的特点的重要指标，建立了地基剪切波速与土层所受应力间的关系模型为工程压实度的计算提供更为精确的数据。也为大型填方工程中地基分层压实度检测提供更为精确有效的数据支撑。
参考文献：
[1]张宇辉.地基应力对土基剪切波速的影响建模［J］.南京航空航天大学学报，2017（0）
[2]张献民.基于泊松比的土石混填地基应力波测试研究［J］.四川大学大学学报，2015（0）
[3]李少波.路基压实度剪切波测试新技术［J］.
论文作者:徐欣悦,朱玉国,吴,强,李世男
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/30
标签：波速论文; 地基论文; 应力论文; 测试仪论文; 仪器论文; 电机论文; 压力论文; 《防护工程》2018年第15期论文;