康碩, 洪溢都, 張建輝， 劉茹， 饒昱貝

(1.河北大學建筑工程學院， 保定 071002； 2.福州大學環(huán)境與安全工程學院， 福州 350000；3.中國科學院海西研究院泉州裝備制造研究中心， 泉州 362200)

滑坡是世界上最常見且破壞力巨大的自然災害，常常給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生命財產(chǎn)造成巨大損失，并且隨著經(jīng)濟發(fā)展對自然環(huán)境影響的加劇，滑坡造成的災害日趨嚴重[1]。中國是亞洲乃至世界范圍內(nèi)受滑坡災害影響較嚴重的地區(qū)之一，統(tǒng)計資料顯示，進入21世紀以來，中國發(fā)生的地質(zhì)災害災情超過3.86×105起，其中滑坡、崩塌和泥石流占地質(zhì)災害總數(shù)的比例超過95%[2]。

現(xiàn)行的邊坡破壞預警方法均基于土體物理性質(zhì)如邊坡位移和傾角、體積含水量、孔隙水壓力等參數(shù)，若土體的相關(guān)物理參數(shù)超過了臨界值就會發(fā)出預警信息。如Uchimura等[3-4]提出基于傾斜傳感器和體積水含量傳感器的方法來定義發(fā)出預警的判斷標準。Byung-Gon等[5]認為降雨型滑坡與體積含水量相關(guān)。陳賀等[6-7]提出了基于動能和動能變化率的臨滑預警方法。賀可強等[8]用位移率為預警臨界值，建立了基于邊坡破壞垂直位移方向率的預警方法。張明等[9]通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)降雨型滑坡機理主要在于降雨入滲改變了斜坡的力學狀態(tài)。葉唐進等[10]通過模型試驗分析不同條件下，斜坡的穩(wěn)定性和含水率、孔隙水壓力及土壓力的關(guān)系，由此得到了斜坡的穩(wěn)定性計算方法。Sorbino等[11]認為邊坡破壞的首要因素是降雨，雨水入滲使非飽和土基質(zhì)吸力和抗剪強度降低，同時自然或人為因素誘發(fā)邊坡局部孔壓產(chǎn)生階梯性變化。

但是上述滑坡預警方法，大多數(shù)均需依靠各類傳感器進行監(jiān)測，然而由于傳感器信號受傳播介質(zhì)影響較大，有效監(jiān)測范圍只能集中于傳感器周邊，因此應用此類方法開展大規(guī)模監(jiān)測具有很大的局限性。針對上述不足，劉愛華等[12]對當前滑坡監(jiān)測研究進行分析總結(jié)，認為充分應用現(xiàn)有的先進科技對滑坡進行監(jiān)測和預警預報，是降雨型滑坡預警發(fā)展的關(guān)鍵。王念秦等[13]通過對當前邊坡監(jiān)測技術(shù)進行總結(jié)，認為非接觸型實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，擁有更為方便、快捷的特點，目前正處于快速上升發(fā)展的時期。

尤其是近年來，部分學者利用彈性波表征巖土體在降雨條件下的變化規(guī)律，開發(fā)了一系列基于彈性波監(jiān)測的降雨型滑坡預警方法，實現(xiàn)了對大范圍邊坡的區(qū)域性監(jiān)測。如陳宇龍等[14-15]指出彈性波波速隨含水量增大緩慢減小，而隨變形增大急劇減小。Tao等[16]提出了一種利用彈性波衰減預測邊坡破壞的方法，認為波能比變化可用于指示土體飽和狀態(tài)。Chen等[17]指出基于彈性波速度的早期預警系統(tǒng)可用于評估土壤邊坡的穩(wěn)定性。Irfan等[18]認為通過監(jiān)視波速的下降速度可以預測邊坡的移動速度。

土體中的彈性波傳播速度不僅與含水量等外部因素有關(guān)，而且與土體結(jié)構(gòu)和變形等自身因素有關(guān)。盡管部分學者已經(jīng)對含水量、變形與彈性波速度的關(guān)系進行研究，但是彈性波在不同影響因素，如傳感器布置方式造成的傳播距離變化，以及土體結(jié)構(gòu)和含水量組合變化條件下的響應規(guī)律仍然不明確。因此，為了進一步明確上述因素對彈性波速度的影響規(guī)律，現(xiàn)利用模型盒試驗對土體結(jié)構(gòu)和含水量對彈性波速度的影響開展研究，并對其變化機制進行了解釋。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

采用福建沿海某地的一種砂土作為試驗材料，按照土工試驗方法標準(GB/T 50123—2019)，得到該土樣的物理力學性能指標(表1)和粒徑級配曲線(圖1)。如圖2所示，通過擊實試驗得到土樣的壓實特性曲線，土樣最大干密度為1.717 g/cm3，最優(yōu)含水率為16.1%。

表1 土樣物理性能指標

圖1 粒徑級配曲線

圖2 壓實特性曲線

1.2 試驗設備

試驗系統(tǒng)(圖3)包括模型盒、數(shù)據(jù)采集器、PC端和彈性波系統(tǒng)。其中彈性波系統(tǒng)由電磁閥、IEPE加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、單片機等組成(圖4)。電磁閥作為彈性波波源，它由繞在鐵芯上的螺旋形線圈組成，通電時電磁線圈產(chǎn)生電磁力帶動鐵芯運動，斷電時電磁力消失，彈簧把鐵芯壓回閥座，鐵芯在電磁力的作用下運動產(chǎn)生信號。

圖3 試驗系統(tǒng)示意圖

a為IEPE加速度傳感器；b為推拉式電磁鐵；c為單片機；d為數(shù)據(jù)采集器

彈性波接收裝置采用加速度傳感器。數(shù)據(jù)采集器采用MCC公司生產(chǎn)的DT9837，用于采集并記錄彈性波信號數(shù)據(jù)。單片機通過C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)Keil進行編程，實現(xiàn)對電磁閥的自動控制，并且可以根據(jù)具體的試驗需要自定義電磁閥的運動間隔和次數(shù)。

試驗得到的彈性波信號曲線如圖5所示。為了計算彈性波的傳播時間Δt，確定彈性波首次到達時間t0，把接收器GS0和發(fā)生器緊固在一起，GS0對應波形的第一個拐點即為t0時刻點，GS1、GS2、GS3對應波形的第一個拐點時刻分別為t1、t2、t3，則t1、t2、t3與t0的差值即為彈性波在土樣中的傳播時間Δt。

圖5 試驗測得的彈性波信號曲線

彈性波速度的計算公式為

v=H/Δt

(1)

式(1)中：v為彈性波速度；H為彈性波發(fā)射器與接收器的間距；Δt為彈性波的傳播時間。

利用模型盒試驗研究不同粒徑和不同含水量條件下彈性波在巖土體內(nèi)的傳播規(guī)律。模型盒長為 60 cm、寬40 cm、高 40 cm，并分為A、B兩部分(圖6)。彈性波發(fā)生器布置于模型盒A部分，位于距離模型盒左側(cè) 5 cm，表層以下10 cm 處；接收器(GS1、GS2、GS3)布置于模型盒B部分，位于表層以下5 cm 位置處，且接收器相互間隔10 cm，發(fā)生器與接收器均位于模型盒中位面上。為充分體現(xiàn)土體的層理結(jié)構(gòu)差異，確保彈性波發(fā)射端和接收端土體密度的可區(qū)分性，添加土樣前把光滑無孔格柵放置于模型盒內(nèi)部的卡槽中，然后分層添加土樣并在預定位置埋設傳感器，添加完成后沿垂直方向小心移除格柵。

圖6 模型盒示意圖

該試驗通過控制模型盒A區(qū)域和模型盒B區(qū)域的密度差異來表征土體的層理結(jié)構(gòu)，試驗共分為三組。

(1)第一組考慮土體密度對彈性波速度的影響。A、B兩部分采用同一種土體土樣，同一種密度。土體密度分別為1.20、1.25、1.30、1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3等7種情況時，彈性波速度的變化規(guī)律，整個試驗過程含水量均保持一致。

(2)第二組考察土體密度不均勻分布對彈性波速度的影響。A、B兩部分采用同一種土體土樣，不同密度。研究兩部分土體在7種密度組合條件下的彈性波速度變化規(guī)律，整個試驗過程含水量均保持一致。

(3)第三組考察土體含水量的影響。采用同一種土體土樣，設置為同一密度，分別研究不同含水量下彈性波的傳播規(guī)律。

1.3 試驗過程

試驗開始前校準各類儀器，確保所有設備均可正常工作，然后在模型盒內(nèi)利用定位膠線，標記好傳感器埋設點，根據(jù)設定的測試密度，稱量預定質(zhì)量的土樣。試驗時由單片機控制電磁閥中的鐵芯在電磁力的作用下自動工作，此過程產(chǎn)生的彈性波信號由加速度傳感器接收，然后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行處理分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 密度的影響

2.1.1 均勻密度的影響

土體密度與彈性波速度關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，隨著土樣密度升高，彈性波速度均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。這可能是由密度變化引起彈性波的傳播介質(zhì)發(fā)生改變造成的。物理研究表明，波在固體中的傳播速度最快，液體次之，氣體最慢[19]。

圖7 均勻密度-彈性波速度關(guān)系

試驗時初始狀態(tài)的土樣孔隙度較大，此時彈性波傳播介質(zhì)主要為空氣；隨著土樣壓實度和密度的升高，土顆粒排列更為緊密，空氣體積逐漸減小，土體物理狀態(tài)更加趨近于巖石等固體材料，此時彈性波的主要傳播介質(zhì)為土顆粒，因此彈性波速度呈現(xiàn)出上述變化形態(tài)。

2.1.2 不均勻密度分布的影響

根據(jù)土樣密度非均勻分布的模型盒試驗，可以得到模型盒A部分的土體密度恒定，模型盒B部分的土體密度分別為1.20、1.25、1.30、1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3時彈性波速度的變化關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。

可以發(fā)現(xiàn)模型盒B部分的土體密度不變時， A部分土體密度越高，彈性波的傳播速度越快。圖8中同時給出了彈性波速度與土體密度的二次擬合曲線，以及波速增長率與密度的變化關(guān)系。擬合系數(shù)R2用于說明回歸趨勢線對數(shù)據(jù)的擬合程度，越接近1.0，擬合度越好，反之擬合度越差，從圖8中可以看出R2均大于0.94，這充分說明二次方程式可以較好地表征土體密度和彈性波速度的關(guān)系。

圖8 不均勻密度組合-彈性波速度關(guān)系圖

表2所示為分別以模型盒B部分和A部分密度恒為1.2 g/cm3的情況為例，另一部分密度差(A和B)與彈性波速度增長率的關(guān)系，可以看出模型盒A部分密度差異對彈性波速度的影響遠大于模型盒B部分，并且二者密度差異越大，彈性波速度變化越明顯，這說明彈性波發(fā)射端的土體密度越高，土體越致密，彈性波速度增長速率越快。

表2 密度差與彈性波速度增長率關(guān)系

2.2 傳播距離的影響

接收器與發(fā)生器的位置距離，也是造成彈性波速度發(fā)生顯著變化的重要原因。試驗時在距離波源的不同位置，由近及遠分別布置三個彈性波接收器(GS1、GS2、GS3)，如圖9所示為各點的彈性波速度與土體密度關(guān)系。

從圖9可以看出接收器距離發(fā)生器越遠，彈性波在土體內(nèi)部的傳播距離越長，波速越小。如果模型盒B部分密度恒定，同一位置的彈性波速度，在A部分密度為1.50 g/cm3時總是要比密度為1.20～1.45 g/cm3時更大，換句話說，接收器所在位置的土體密度不變，發(fā)生器所在位置的土體密度越高，三點的彈性波速度均越快。這種變化的原因是彈性波作為能量波的一種，其在巖土體內(nèi)部的傳播速度，會由于傳播過程介質(zhì)變化以及土體顆粒的阻礙等因素逐漸減小。

圖9 不均勻密度組合-彈性波速度關(guān)系

為了更為直觀地分析彈性波傳播距離對速度的影響，如圖10所示得到了二者的關(guān)系曲線，此時模型盒A部分土體密度為1.2 g/cm3，不同顏色曲線代表B部分土體密度。分析結(jié)果表明，當彈性波傳播距離從0.1 m增大到0.3 m時，彈性波速度下降了約45%，隨著傳播距離和能量損失的增大，彈性波衰減愈發(fā)顯著。

圖10 彈性波傳播距離-速度關(guān)系圖

以距離作為自變量，波速作為因變量得到了二者的線性關(guān)系函數(shù)，如表3所示，彈性波的最大傳播距離為0.628～0.675，當傳播距離超過此區(qū)間時，將無法測得彈性波信號。為了減小傳播距離和能量損失造成的彈性波衰減，同時保證彈性波傳播信號位于接收傳感器的有效監(jiān)測范圍內(nèi)，對于此類試驗，彈性波發(fā)射器和接收器的布置距離不宜超過0.5 m。

表3 波速與傳播距離的關(guān)系函數(shù)

2.3 含水量影響試驗

為研究彈性波速度隨含水量的變化情況，利用前述試驗裝置(圖6)進行試驗。圖11為彈性波速度與土體體積含水量的關(guān)系曲線，可以看出隨著含水量的增加，三個不同位置的接收器測得的彈性波速度均呈緩慢下降趨勢，土體從干燥狀態(tài)到接近飽和狀態(tài)的過程，彈性波速度下降了10%～30%。

圖11 彈性波速度-體積含水量關(guān)系

由于土中水包含自由水(毛細水和重力水)和結(jié)合水(強結(jié)合水和弱結(jié)合水)，試驗時土體水含量從初始狀態(tài)到飽和狀態(tài)的過程，水不僅會占據(jù)土顆粒的孔隙體積，多余的水還會以結(jié)合水的形式儲存于土體內(nèi)部，所以土體含水量上升對彈性波速度的影響要遠大于孔隙介質(zhì)變化對于彈性波速度的影響。對比三條曲線可以發(fā)現(xiàn)，彈性波接收器距離發(fā)生器越遠，彈性波速度降低越明顯，因此彈性波的速度變化不僅受含水量影響，還受彈性波的傳播距離和土顆粒的阻礙等因素的影響，與2.1節(jié)和2.2節(jié)得到的結(jié)論一致。

剪切波和壓縮波分別是G0和M0的函數(shù)，計算公式[14]為

(2)

(3)

式中:vs為橫波速度；vp為縱波速度；ρ為密度；G0為剪切模量；M0為壓縮模量。

彈性波速度隨含水量的這種變化機制可以概括為以下幾點。

(1)水分增大導致土體有效應力和抗剪強度降低，剪切模量和壓縮模量也隨之不斷下降，土壤密度隨著水分的吸收而增大，因此彈性波速度隨含水量的增加而減小。

(2)土壤含水量越高，控制基質(zhì)吸力的孔隙和彎液面水膜形態(tài)發(fā)生了變化，這種變化引起土體產(chǎn)生應變，而由剛度退化曲線[20]可知，應變增大剛度模量隨之減小，所以含水量升高彈性波波速逐漸減小。

(3)研究表明，電磁閥發(fā)射的波源信號類型可能為S波[21]，并且隨著含水量的增加，非飽和土的飽和度也逐漸增加[22]，因此S波波速一直降低。

3 結(jié)論

土體中的彈性波傳播速度不僅與含水量等外部因素有關(guān)，而且與土體結(jié)構(gòu)和變形等自身因素有關(guān)。鑒于彈性波在不同影響因素下的響應規(guī)律仍然不明確，通過三組試驗研究了土體層理結(jié)構(gòu)和含水量變化對彈性波速度的影響。第一組研究土體密度同步變化時彈性波速度的響應規(guī)律；第二組由彈性波發(fā)射端和接收端的密度差異來體現(xiàn)土體層理結(jié)構(gòu)差異，研究了不同密度組合變化時彈性波的傳播特性，同時分析了彈性波傳播距離對速度的影響；第三組研究含水量對彈性波速度的影響，由于材料吸水性較強，無法保證整個試驗過程中模型盒A、B兩部分土樣含水量始終處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，因此本組試驗僅考慮兩部分土體含水量同步變化對彈性波速度的影響。結(jié)合上述試驗數(shù)據(jù)對試驗過程中的彈性波速度變化機制進行解釋，得到如下結(jié)論。

(1)土體層理結(jié)構(gòu)會對彈性波速度產(chǎn)生顯著影響。均勻密度試驗表明，土體密度越大彈性波傳播速度越快，這可能是由于密度變化引起的彈性波傳播質(zhì)改變造成的。不均勻密度分布試驗表明，模型盒A部分土體密度越高，初始彈性波速度越快，并且模型盒兩部分土體密度差越大，彈性波速度變化越明顯。

(2)彈性波傳播距離增大和土體含水量升高，彈性波速度會逐漸衰減。彈性波傳播距離由0.1 m增大至0.3 m，波速下降約45%，隨著傳播距離和能量損失的增大，彈性波衰減愈發(fā)顯著，試驗時建議彈性波發(fā)生器和接收器布置間距不超過0.5 m；含水量升高土體有效應力和強度降低，剪切模量和壓縮模量下降，引起彈性波速度越小。

能量在介質(zhì)中的傳遞是彈性波的基本特征之一，因此應重點考慮介質(zhì)特性對彈性波傳播的影響，試驗過程的水分和密度變化，必然會導致彈性波的傳播介質(zhì)和傳播路徑發(fā)生改變，這種變化更體現(xiàn)在土顆?？紫吨械目諝庾兂伤a(chǎn)生的影響。限于試驗條件和時間，在介質(zhì)變化對彈性波速度的影響規(guī)律方面的研究仍不明確，因此針對此問題開展進一步研究，仍是未來關(guān)注的重點。