本文是一篇工程硕士论文，本文以珊瑚砂重塑样为研究主体，在对取样珊瑚砂进行了基本物性试验的基础上进行了弯曲元波速测试研究。首先对弯曲元在珊瑚砂试样上剪切波与纵波的基本波形特征进行观察，对比测试了目前主流和最新的弯曲元接收波识别方法所得到的波速结果。在选定弯曲元激发频率与识别方法后，分别对珊瑚砂的纵波和剪切波对于围压、粒组、相对密实度、含水率等物理参数的变化而变化的趋势展开研究。最后基于两种 Hardin 经验公式的形式对试验波速数据进行了模拟分析，确定了其中更合适使用的一种，并给出了公式参数值与粗粒含量的关系。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
珊瑚礁是珊瑚群体死亡后遗骸构成的岩体(赵焕庭，1998)，而珊瑚砂是珊瑚侵蚀、破碎、沉积在近岸环境中尚未成岩的生物碎屑，是从粉土到砾石均有分布的宽级配土(Mejia 等, 1995)。
南海诸多岛礁是中国最早发现的领土，共有岛、礁石、滩 270 多座，其总面积占中国海洋面积的 2/3，蕴藏着丰富的石油、天然气、可燃冰等资源，也是国家天然屏障与战略通道(李弘毅等，2018)。自 2013 年国家提出的建设“一带一路”和“海上丝绸之路”，海洋资源发开与利用逐渐进入大众视线。与此同时，在南海周边分布着的多个国家也因觊觎我国南海丰富的矿产资源及其战略要道的地位而与我国频频发生摩擦。
南海地区的工程场地除个别天然岛礁(永兴岛)能够满足人类正常生产生活需要，大部分岛礁无法满足船只港口停靠补给、飞机起降等活动，就地取材成了最为经济合理的选择，这就需要人工通过绞吸船将泻湖里的珊瑚碎屑吹填到珊瑚礁坪形成人工岛。为了提高我国在南海地区的开发程度与增强实际控制力，我国研制出“天鲸”号挖泥船等造岛神器，开始在地区进行填岛作业。南海岛礁吹填工程是珊瑚礁岩土作为工程介质服务于国家建设的最典型案例。但由于以往对珊瑚礁岩土利用的实践偏少，目前对珊瑚礁岩土工程特性的认识仍处于探索阶段(袁征等，2016)。。
目前针对珊瑚砂研究多集中于常规力学试验(胡明鉴等，2017；WANG Xing 等，2018)，对其体波特性的研究较少，而体波的纵（P）波与剪切（S）波在液化判别、各向异性评价、地震反应分析等方面都具有重要作用。尤其是剪切波速(Vs),是土体在弹性应变范围内极重要的参数。目前实验室测量土体的剪切波速主要采用共振柱和弯曲元两种试验方法。共振柱试验需要对测试条件进行假设(即单自由度体系)，计算过程较繁琐。相比之下，弯曲元测试技术具有操作简便、成本低、以及无损检测等特性，自 1978 年被引入土工试验以来，该测试系统已经被广泛的安装在固结仪、三轴仪和循环扭剪仪等室内试验设备上，在分析土单元强度以及变形规律的同时，利用弯曲元可以计算试样的剪切波速(Viggiani G 等,1995)。并且随着技术发展，一对弯曲元件可同时具备测得纵波(P波)或剪切波(S 波)的能力。另外，泊松比是土体数值计算的一个重要参数，而常规试验无法直接获取，珊瑚砂与陆源砂的物理、力学性质差别很大，珊瑚砂的泊松比选取经验值难免会出现较大的误差，通过 P、S 波特性可得到珊瑚砂的泊松比。因此，研究珊瑚砂的体波特性具有很大工程应用价值。
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1.2 国内外发展现状
1.2.1 纵波与剪切波测试与应用
20 世纪 30 年代，Iida 根据波长与共振频率在实验室内算出了土体波速，随后 Taylor和 Whitman(1954)首次在实验室根据距离与时间之比完成波速的测试。经过几十年的发展，土体体波波速在岩土界获得了广泛的应用和研究。
在波动基础理论方面，早在 1821 年，Navier 就建立了弹性固体与振动的普通性方程，奠定了单相弹性介质内弹性波传播理论的基础。Poisson 在 1829 年发现在位于远离震源的质点上存在两种不同类型的体波：纵波和剪切波。之后，弹性波传播的数学理论渐渐发展成熟。Stokes 在 1845 年证明了纵波是胀缩波，又在 1849 年证明剪切波是畸形波。但是对于天然的工程材料如土和岩石，用多孔介质的模型来模拟将是一种更加理想的处理方法。当固体颗粒骨架之间的孔隙被流体充满，将形成饱和多孔介质材料。Biot(1956)最早建立了流体饱和多孔介质理论并对其中的三种体波(Pl、P2、S 波)进行了理论求解；Plona(1980)和 Berryman(1980)先后通过室内试验验证了双相多孔介质中三种体波的存在；诸国桢等(2000)运用光学方法也验证了双相多孔介质中慢纵波(P2波)的存在；Berryman(1988)研究了流体饱和多孔介质中地震波的衰减特性；吴世明和陈龙珠(1989)分析了饱和土中弹性波的传播速度并通过室内试验进行了验证。非饱和多孔介质中体波传播理论模型较多，国内的学者薛威(2005)和周新民(2006)对准饱和土中的波的传播进行了较为系统的研究。李保忠(2006)将其进行分类并分别进行了相应的简述。现在应用比较广泛的计算理论模型主要是从两个方向进行研究：一类是在经典 Biot 波动理论的理论框架内发展得来。另一类基于广义的多孔介质混合物理论建立。
在纵波的实践研究上，国内外学者对各类土的波速与物理力学性质展开了广泛研究。袁建新等(1987)较早地对石英砂的纵波波速开展了室内试验，建立了纵波速与物理力学性质的经验表达式。20 世纪末，随着青藏铁路的规划与建设，沿线高原冻土的动力参数特性获得了众多学者关注(王大雁等，2003；赵淑萍等，2003)，对其展开了大量超声波室内试验研究，并取得了相应的研究成果。凌贤长等(2002)对哈尔滨冻结粉质黏土进行了室内纵波波速测定，指出负温和含水率是影响冻土纵波波速的主要因素。T.Wichtmann 和T.Triantafyllidis(2010)使用石英砂系统研究了级配曲线对纵波的影响并提出了经验公式。此外，海底沉积物声学特性一直是国内外学者研究的热点。Anderson(1974)和Hamilton(1980)各自对海底沉积物的纵波波速与其物理力学参数关系建立了经验公式。
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第二章 珊瑚砂弯曲元试验准备与方案
2.1 珊瑚砂基本物理特性
2.1.1 基本情况
本文所使用珊瑚砂取自南海海域，由于其特殊成因，自然状态下珊瑚砂呈松散无胶结样，因此实验试样皆为完全重塑状态。珊瑚砂土体整体呈现乳白色，夹杂部分灰色颗粒；土体颗粒多棱角、多为不规则形状，有块状、枝条状、扁平状、生物碎屑状等，颗粒中还夹杂贝壳、螺等遗骸；粗颗粒表面存在肉眼可见的明显孔隙，细颗粒则较为均匀，颗粒磨圆度较高。
2.1.2 颗分试验
颗分试验用于测定干土中各种粒状组所占该土总质量百分数。本文所用珊瑚砂粒径仅保留了 10mm 以内，且剔除黏粒(＜0.075mm)含量。在对试验土体风干后采用标准筛确定颗粒级配，珊瑚砂依次过 10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm 标准筛，为了减小筛分对颗粒磨圆度的影响，筛分时间严格控制在 15min 以内。通过筛分法测得的珊瑚砂级配曲线如下图所示。
图 2.1 珊瑚砂原级配曲线
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2.2 试验设备与原理
本文弯曲元波速测系统基于双线电磁振动仪(型号 ELDyn)，皆为英国 GDS 公司生产。组成单元有：三轴加载主体，压力室，数据采集仪，围压反压体积控制器，弯曲元晶片，弯曲元控制台以及系统控制主机，如下图所示。
2.2.1 弯曲元工作原理
弯曲元波速测试系统最核心的部件在于由压电陶瓷材料组成的压电晶头,压电特性是指可以在受到电压时产生机械弯曲或是在受到外力作用时产生电信号的一种性质，且目前发展的压电材料精度极高可以对极微小的机械能或电势能作出反应，因此是一种良好的传感器。在一套完整系统中一般具有两个弯曲元晶头分别用作发射信号与接收信号。
每个压电陶瓷弯曲元晶头通常由两片可纵向伸缩的压电陶瓷晶片组成，不同厂家型号的晶头可能由采用不同极化方向与导线连接方式的晶片组成。基于三轴平台的压电陶瓷弯曲元安装时,一端穿过特制底座固定,另一端穿过特制的三轴试样帽可以相对自由的移动。在制好样后将自由的一端插入土样中，但需注意两端的弯曲元晶头应该平行对齐安放，由于底座一端已经固定所以只能调整自由端，并且注意安放时两端的晶头相位是否 180°反转，否则可能导致接收剪切波信号与激发波信号反相从而造成误判(纵波由于运动与水平方向无关因此不受影响)。因此在测试开始前应采用两端晶头直接接触的方式进行相位测试。正确情况下接收波信号此时应与激发波信号同相，但接收信号在时域上由于系统延迟的存在会有略微滞后，如图 2.6。
图 2.6 弯曲元晶头直接接触时的信号(频率 5000Hz)
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第三章 弯曲元接收信号初至波识别方法对比分析............................16
3.1 常见初至波识别方法..............................16
(1)初至法.....................................16
(2) 峰值法....................................17
第四章 珊瑚砂纵波特性试验研究.................................31
4.1 引言............................31
4.2 珊瑚砂纵波波速与围压、相对密实度、级配的关系..........................31
第五章 珊瑚砂剪切波
