Page 192 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 王海生，等： 砂砾土中爆炸模型试验相似材料性能测试及配制方法 第 4 期

弯曲元发射元在试样底端激发压缩波（P 波）及剪切波（S 波）输出信号，通过试样传播后到达顶端接
收元。依次施加 25、50、100、200、300 和 600 kPa 等 6 个等级的等向围压。在试验中发现，不同输入频
率下 P 波、S 波的传播时间相同，表明在测试频率范围内试样没有弥散性，因此，在测试过程中会根据围
压的不同，选择合适的激发频率，以获取清晰可靠的测量结果。
图 6(a) 和 (b) 分别给出了试样 D-10 在不同围压下采用不同激发频率获得的 P 波、S 波测试结果。
从图 6(a) 可以看出，P 波的输出信号较输入信号复杂得多，但它们初始极化相同（均向上），输出 P 波的初
始到达点非常清晰，很容易准确地确定传播时间 [21] 。因此，P 波采用时域初达波法确定传播时间。

Transmitted wave Received wave

15 25 kPa 15 50 kPa
10 5 10 5

Transmitted wave Received wave Voltage/V 0 Voltage/V 0
−5
20 Δt=0.106 0 ms −10 Near-field Δt=0.619 ms −10 Δt=0.510 ms
−5
L=105 mm
10
Voltage/V −10 0 600 kPa L=105 mm −15 0 effect 1.0 v s =169.6 m/s −15 0 1 2 v s =205.9 m/s
L=105 mm
v p =990.57 m/s
0.5
4
3
1.5
2.0
5
−20
10
Voltage/V −10 0 300 kPa Δt=0.126 6 ms 15 Time/ms 15 Time/ms
L=105 mm
v p =829.38 m/s
200 kPa
100 kPa
10
10
20
Voltage/V −10 0 200 kPa Δt=0.138 4 ms Voltage/V −10 5 0 Δt=0.422 ms Voltage/V −10 5 0 Δt=0.335 ms
10
L=105 mm
−5
−5
v p =758.67 m/s
L=105 mm
L=105 mm
−20
v s =313.4 m/s
v s =248.8 m/s
Voltage/V −10 0 100 kPa Δt=0.158 9 ms −15 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 −15 0 0.5 Time/ms 1.5 2.0
10
L=105 mm
1.0
v p =660.79 m/s
Time/ms
20
Voltage/V −10 0 50 kPa Δt=0.189 7 ms 15 5 0 300 kPa 15 5 0 600 kPa
10
L=105 mm
10
10
v p =553.51 m/s
−20
Voltage/V −10 0 25 kPa Δt=0.228 1 ms Voltage/V −10 Δt=0.294 ms Voltage/V −10 Δt=0.237 ms
10
−5
−5
L=105 mm
L=105 mm
L=105 mm
v p =460.32 m/s
v s =357.8 m/s
v s =444.0 m/s
−15
−15
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Time/ms Time/ms Time/ms
(a) P-wave (b) S-wave
图 6 试样 D-10 的 P 波、S 波测试时程曲线
Fig. 6 P-wave and S-wave test time-history curves of specimen D-10
图 6(b) 中的 S 波输出信号波形相对简单（与输入波形较一致），但存在明显的近场效应，Viggiani 等 [26]
认为，由于受到近场效应的影响，时域初达波法会高估剪切模量 14% 以上。因此，采用时域峰值法能够
更准确地确定 S 波传播时间。
试验结果表明，土体的弹性波速表现出显著的围压依赖性特征。如图 7 所示，随围压增大，剪切波
速 v 与压缩波速 v 均呈幂函数增长趋势，且 v 对围压的敏感性显著强于 v 。其数学关系可表示为：
s
p
p
s
v p = kσ , v s = kσ n s (6)
n p
式中：k 为材料常数，n 、n 分别为压缩波速和剪切波速对应的应力指数，σ 为围压。
s
p
值得注意的是，在相同相对密实度条件下，各试样的 v 与 p v 呈现良好的线性相关性（图 8）。通过最
s
小二乘法拟合得到：
v p = 1.78v s +174.3 (7)
2
式 (7) 中，决定系数 R =0.981。
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