宋昊林 李华 鄢诣明 曹禧麟 孔雀

摘要：鉴于目前通过室内直接剪切试验或三轴压缩试验等破坏性试验获得土体抗剪强度参数存在试验周期长、成本高和试验量大等缺点，本文以超声波在土体传播过程中的声学参数变化特征与物理力学性质参数的相关性为基础，探索提出了一种基于超声波技术的土体抗剪强度参数预测方法，为土体抗剪强度参数的获取提供了一种新的途径，对于降低试验成本、加快设计与施工进程以及指导工程实践等方面具有重要的参考价值。

关键词：抗剪强度参数;超声波技术

1 引  言

抗剪强度参数作为土体抵抗剪切破坏能力的表征，是相关工程土压力计算、边坡稳定性验算以及土体强度和抗变形能力评价的重要力学指标，其取值对于指导工程设计与施工以及保证其强度与稳定性具有举足轻重的作用。目前，土体抗剪强度参数的获取主要是通过室内直接剪切试验或三轴压缩试验获得，但两者均为破坏性试验，需要准备大量的试验试样以通过室内试验获取土体不同围压下的极限强度，并通过绘制摩尔应力圆最终确定土体抗剪强度参数。超声波检测技术作为一种新型的无损检测技术，由于具有操作简便、成本低廉和全程无损等特点，近年来越来越多地受到岩土工作者的关注，在相关领域的工程和科研实践中得到了广泛的应用。土体是一个典型的由土颗粒、水和空气组成的复杂三相体系，超声波作为波动的一种形式，在土体内部传播时必然产生散射、反射和绕射等现象，从而使得通过不同土体或不同性状的同一土体时的速度、振幅和波形等参数表现出不同的变化特征，而这些声学参数的变化蕴含了土体力学参数及内部微观结构信息，现有研究也表明土体的物理力学性质与其超声波波速存在着密切的联系[1-4]。目前超声波技术目前在岩土领域的应用，主要集中在利用超声波声学参数来反映不同性状及条件下土体物理性质、微观特征及力学性质的变化[1-7]，有关基于超声波技术的路基土抗剪强度参数预测方面的研究尚鲜有报道。基于此，本文拟以超声波在路基土体传播过程中的声学参数变化特征与物理力学性质参数的相关性为基础，探讨一种基于超声波技术的土体抗剪强度参数预测方法，以为土体抗剪强度参数的获取提供一种新的途径。

2  B2  基于超声波技术的土体抗剪强度参数预测方法

2.1  土体波速和极限强度的获取

选取分布广泛并在工程实践中应用较为普遍的典型土，在对其基本物理力学性质试验研究的基础上，成型最佳含水率状态下的试验试样，测试确定试验土体的纵波波速以及不同围压下的极限强度。

土体的纵波波速可利用相关非金属超声测试系统，采用透射法进行测试，具体测试方法和程序为：在安装、调试好超声波测试系统之后，取待测土体试样，并在放置发射换能器和接收换能器的两个端面均匀涂抹适量耦合剂以保证换能器与试样的紧密贴合和良好耦合;接着，将待测土体试样高度输入超声波测试仪，启动超声波测试系统进行土体的纵波波速测试。

土体的极限强度可采用全自动三轴试验系统通过三轴压缩试验测试确定，试验过程可由相应的操作系统控制，自动采集并处理相关试验数据，进而获得试验土样在不同围压下的极限强度。

2.2  极限强度预测模型的建立与验证

基于超声波波速测试和三轴压缩试验的试验结果，对不同围压状态下路基压实土的极限强度进行多元非线性回归分析，从而建立路基土的极限强度 与超声波波速 和围压 之间的定量函数关系式。在多元非线性回归分析时，可预先进行分析和预判，初步假定土体的极限强度与超声波波速和围压的函数关系式，然后利用相关多元统计分析软件及算法进行迭代计算确定预测模型的相关参数，并通过三轴压缩试验获取同一路基土不同围压下的极限强度，对比验证极限强度预测模型的可靠性与可行性。

2.3  土体抗剪强度参数预测方法的构建与应用

土的抗剪强度参数又称抗剪强度指标，包括凝聚力和内摩擦角，根据莫尔-库仑强度破坏理论准则，土的抗剪强度表达式为：

式中： 为土体抗剪强度， 为作用于剪切面上的法向应力， 、 分别为土的凝聚力和内摩擦角。

在基于式（1）利用本文提出的土体抗剪强度參数预测方法进行土体抗剪强度参数确定的实施程序为：

首先在室内成型需要确定其抗剪强度参数土体的试验试件，按本项目研究所提出的操作方法进行超声波波速测试，获取该土样的超声波波速代表值;

然后根据路基工程的实际使用状态确定三个拟定围压值，并连同上述所获取的超声波波速代表值带入回归分析得到的极限强度预测模型分别计算得到三个拟定围压下的土体极限强度预测值;

最后将不同拟定围压条件下土体破坏时的莫尔应力圆绘制在 坐标图上，并求出这些莫尔应力圆的抗剪强度包线。则该抗剪强度包线在 坐标纵轴上的截距即为试验土体的凝聚力 ，倾角即为土体的内摩擦角 。

3 结  语

本文以超声波在路基土体传播过程中的声学参数变化特征与物理力学性质参数的相关性为基础，探讨了一种基于超声波技术的土体抗剪强度参数预测方法，可为为路基土抗剪强度参数的获取提供一种新的途径，对于降低试验成本、加快设计与施工进程以及指导工程实践等具有有重要的现实价值和意义。

参考文献：

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基金项目：吉林建筑大学大学生创新创业训练计划项目：基于超声波技术的路基土力学试验试样选择方法研究（202010191120）

作者简介：宋昊林（2000-），男，吉林公主岭人，本科，主要从事路基土力学性能方面研究。