目前有关剪切波速的工程应用和室内试验多集中于目前主要有钻孔法和面波法以及共振柱试验,而对于地震波孔压静力触探和弯曲元试验的讨论与解析,国内起步稍晚于国外,研究与应用体系都尚在发展中。具体已开展的研究内容(学术问题)主要包括:
(1)以循环应力法及其修正方法(基于 CPT、 SPT或 Vs)是评价土体液化广泛使用的方法,但无论是基于 Vs、PGA的砂土液化势预测方法还是基于 VSE、H或 TS的抗震场地分类方法,均为多参数联合评测方法提供了思路。采用指数函数、“幂函数+一次函数”等回归模型或神经网络、模糊数学等数学方法,建立了 Vs与土体各物理力学指标的关系,并通过随机场法反演了剪切波速。由于剪切波波形的复杂性,剪切波初至的拾取算法也是研究计算方法的一个方向,主要有以下几种:互相关法、人工拾取法、相位反向交叉法以及能量变化率法。
(2)剪切波速就是初判液化敏感性土标准中的重要参数,随着研究的推进,其影响因素往往是复杂的。砂土中土层埋深的影响较大,砾性土中固结应力是影响较为显著,饱和度在黄土中有较大影响,而近海软土的剪切波速则与土的种类、组构状态、物理力学性质、有效应力状态等诸多因素相关。
(3)由于离散元计算速度的发展,基于孔隙比和围压与砂土 Vs的关系,从微观的角度,研究了细颗粒对 Vs和 G0的影响,不仅定性表述了配位数的上升是观察到的 G0增加的微观机制,还与土体临界状态相关联,建立了多参数归一化模型。基于球形颗粒接触理论、能量守恒定律、考虑颗粒旋转推导了砂土剪切波速公式;并采用弯曲元试验进行对比。
(4)与传统 Vs测定相比,弯曲元和 SCPTU测试技术都因为操作便捷被逐渐应用,国内外学者对这两种试验的研究尚在深入之中,前者对比共振柱试验或离散元,验证了含粉量与剪切波速呈负相关,而细颗粒则相反;还发展出了弯曲-伸缩元联合测试法,剪切波速与相对密度联合测试方法。通过 SCPTU测定的 Vs国内外学者建立了与土体物理力学参数和 CPTU获得参数之间的关系,值得提醒的是累积分布曲线用于总结和分析 CPT-Vs公式中。
在充分分析国内外学者关于剪切波速的已有优秀研究成果的基础上发现,因波速在传播过程中均面临非均质各项此异性的土体赋存环境以及采集过程中的噪音、初至波等波形解析问题,要想较好地有关剪切波速研究的核心学术问题,面临以下技术难题及挑战:
(1)以循环应力法为基础,多参数联合评测地震液化或抗震场地分类的方法已有研究,但诸多参数的参与又会降低评测方法的适用性,发展少量参数的适用评测方法可能是研究和发展趋势。采用常规函数、神经网络、模糊数学等数学方法或随机场法,建立了 Vs与土体各物理力学指标的关系,目前各有优势,尚未形成广泛公认的方法。由于剪切波波形的复杂性,剪切波中的噪音和初至波的拾取算法目前还需进一步研究。
(2)砂土、砾性土、黄土、软土剪切波速的最重要影响因素均不相同,也从侧面反映了研究的必要性和复杂性,定性的解释不同类型不同埋深土体的影响因素以及定量化、归一化表达可能更容易在学者和技术人员之间形成共识。
(3)虽然随着计算速度的进步,离散元在微观领域的应用越来越多,但参数选取、流固耦合以及时长仍旧是制约离散元在剪切波速中应用的因素。微观领域中除了细颗粒外的其它因素,比如孔压、裂缝、颗粒旋转、非圆形颗粒对剪切波速的影响尚未进行深入研究。土体临界状态是在剪切波速中的应用是一个方面,但它与土体液化的关系以及与离散元计算中的体现,目前仍是难点。
(4)有关 CPTU测试技术的研究较多,但对于 SCPTU测试技术的研究尚在深入之中,SCPTU测定的 Vs与土体物理力学参数虽然建立了关系,但不同类型不同埋深土体中多参数的公式化表达及影响排序还需要继续研究。而累积分布曲线在经验公式中的应用也有一定的发展前景。
(5)有关弯曲元研究的成熟度和研究深度比 SCPTU更低,弯曲元与伸缩元等的联合测试法较少,与现场试验的对比,以及对砂土粉土外的其他土类的研究尚待推进。
(6)用弯曲元和 SCPTU测试技术分析剪切波速的规范方法也是一个亟待解决的问题,这有利于科学研究和工程应用。