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水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 根据波速计算多相土石地基压实度的理论模型 赵明阶 重庆交通大学河海学院 重庆 摘要 本文基于多相复合介质的波动传播特性 导出介质内纵 横波速的理论计算公式 通过对影响因素分析 建 立了横波波速与土石复合介质的干密度之间的近似理论关系 在此基础上 推导出土石地基压实度的波速计算理 论模型的近似表达式 最后进行了现场地基的波速测试和灌砂法测试 通过理论计算和灌砂法测试结果的对比分 析 表明该近似模型是可行的 并且其在对非均匀土石复合地基的压实质量评价中优越于传统的密度法 关键词 土石地基 压实度 波速 中图分类号 文献标识码 研究背景 土石复合介质是典型的多相介质 由土颗粒 岩石颗粒 颗粒间的孔隙以及孔隙中的气体和水等部 分组成 其动力响应是众多技术领域内一直备受关注的研究内容 在岩土工程中 通过研究应力波 在介质中的传播来间接解决土石复合地基的变形 强度 承载力以及稳定性等问题 通过土石复合地基 的波速测试评价其强度和压实度 其波速越高 波能量越强 地基的强度和压实度就越大 试验研究 也表明 随着地基中波速的增大 地基土体的容重增大 含水率和孔隙比降低 实际上 要通过测定地 基土体的波速来定量计算地基物性参数仍然存在较大的难度 其原因是多相土石复合介质的波动传播 问题本身就是一个非饱和介质的波动问题 目前还缺乏该类介质物性参数的波速反演模型 因此在地 基的压实质量的评价中 广泛采用的波速测试仍仅仅是一种定性评价 文献 通过模型试验给出了压实度与波速的经验关系 并将该关系用于其试验模型上与灌砂法进 行比较 看似结果一致 但实际上没有普遍意义 后经现场应用证实了这一点 为了给出具有普遍意义 的理论关系 笔者曾运用宏观等效与微观分析相结合的手段从理论上研究了土石多相复合介质的波动 传播特性 在宏观上将多相土石复合介质等效为均匀各向同性的连续介质 然后利用微观理论模型中的 方程 颗粒接触理论 等效流体模量等求取土石复合介质的等效体积模量和等效剪切模量并通 过理论计算获得土石复合介质的纵 横波速与干密度 土石比 含水率 厚度 石料粒径以及饱和度之间 的关系曲线和拟合表达式 本文在此基础上 推导出多相土石复合介质的理论波速计算公式的显式 表达式 然后基于土石复合介质的压实度定义 建立压实度与波速相关性的简化模型 并进行现场测试 试验 对试验结果与理论计算结果进行对比 土石复合介质理论波速公式推导 多相土石复合介质等效模量可由下式表示 收稿日期 基金项目 重庆市交通重点科技项目 作者简介 赵明阶 男 四川广元人 博士 教授 主要从事岩土动力学研究 式中 为土石多相复合介质的等效体积模量 为土石多相复合介质颗粒的平均接触点数 为土石多相复合介质孔隙度 为土石多相复合介质泊松比 为土石 介质的厚度 为固体颗粒的剪切模量 为土石多相复合介质密度 ? 为重力加速 度 ? 为 孔隙弹性系数 ? 为固体相介质的等效体积模量 为固体颗粒的体积模量 为水饱和度 为空气和水的体积模 为土石多相复合介质的等效剪切模量 可定义为 土石多相复合介质密度 可由下式确定 式中 为水的密度 ? 为空气的密度 ? 为固体颗粒等效密度 ? 分别为土 石颗粒的体积分数 ? ? 为土石比 为土 石固体相的等效密度 干密度 ?