1.1目的及意义

颗粒固体在自然界和人们的生产生活中广泛存在，自从上世纪末开始，人们对颗粒物质展开了深入的研究，认识到颗粒固体体系是一类不同与通常固体的物质聚集体。在颗粒固体体系中分布着强度各异的力链结构，并且强力链的分布具有各向异性的特征，但却承担了体系大部分的力；强力链上的颗粒的位置稍微的变化都可能导致体系宏观性质的变化。颗粒固体对外界荷载的传递是沿力链传递的，并非像液体是均匀传递的。由于组成颗粒固体体系的颗粒间相互接触构成的网络结构和力链结构的非线性、敏感性、复杂性，在实验和理论方面，对其动力学和机理还有待更进一步的探索，也有利于人们对地震、山体滑坡等灾难形成的机制的理解。

我国的国土面积占世界7%却承受全球33%的大陆强震，是大陆强震最多的国家，同时也是世界上地震灾害最严重的国家。砂土作为一种颗粒材料广泛存在于自然界，其作为各类工程的地基，可能会受到地震荷载作用。地震荷载在岩土介质中主要通过地震波的方式传播，而剪切波又是造成砂土液化、震陷，引起建筑物失稳与破坏的重要影响因素。

虽然以往的研究对砂土的动力特性进行了大量的试验和理论研究，仍存在很多不足之处。影响砂土动力特性最主要的因素即为动模量和阻尼比。以往的研究多侧重于砂土宏观地震荷载响应特性的研究，而较少研究地震剪切波在砂土中传播的过程研究，尤其是波在砂土颗粒固体介质中传播的微观分析更少有报道。探讨剪切波在砂土颗粒体系中传播的宏细观响应机制，厘清波动如何通过力链体系进行传播与能量耗散的过程，对于深入理解砂土小应变宏观动力响应和地震波传播的细观机理具有重要理论意义和价值。

1.2 国内外研究现状分析

岩土动模量的测试方法一般有两种，一种是现场测试，另一种是实验室测试，两者相互补充，各有所长，有时可以相互验证。现场试验以波动法为主，通过测定土体的剪切波波速来计算剪切模量，常用的方法有表面波法、下孔法和跨孔法等。实验室试验分为静力法、动力法和波动法等三类方法。针对我们的实验室试验方法中，静力方法以高精度的三轴试验和循环扭剪试验为代表，根据动应力和动应变关系的滞回曲线，求出各项参数指标，但要给出动剪切模量，需假定泊松比不变的情况下进行转换，这与实际情况不符，还有待于进一步研究；动力法以共振柱为代表，通过共振柱的驱动系统对试样施加不同激振频率来测定试样的共振频率，然后基于动力学理论计算试样的剪切模量，通过自由振动衰减曲线测得阻尼比，共振柱法测定土体小应变剪切模量是目前国际上公认的最可靠的方法；波动法以弯曲元为代表，首先测定剪切波在土体中的传播速度，然后基于所测剪切波波速，根据波动理论计算土体小应变剪切模量，并根据剪切波的衰减曲线测得阻尼比。

1978年，Shirley等首次将弯曲元测试技术应用于岩土工程领域。1985年，Dyvik等进一步发展了弯曲元测试技术，比较了弯曲元与共振柱两种测试方法，得到了较为一致的结果，使弯曲元测试方法的可靠性得到了较为广泛的认可，至此弯曲元测试方法作为测量岩土体剪切模量和压缩模量的一种新的方法开始广泛的应用。由于弯曲元具有原理明确、操作简单、成本经济、无损测试和方便移植等特点，研究者们开始将弯曲元与实验室试验设备相结合，如Dyvik等、Viggiani等、Jocicic等将弯曲元与土工三轴仪相结合、Dyvik等、Zeng等将弯曲元与固结仪相结合、Dyvik等将弯曲元与直剪仪相结合。

共振柱仪的结果较为可靠，已经被列进行业测试标准之中，但共振柱仪会使试样产生较大的应变（10^-4），会对试样产生一个振密的作用，改变试样的初始密实度，使得无法进行连续的重复试验。近年来许多学者开始使用应变量级（10^-6）更小的弯曲元来进行土体小应变动力特性的研究，以减少迎应变的影响，但弯曲元在剪切波初达时间的确定方面尚存在争议，使用弯曲元进行土体小应变动力特性研究的前提是对弯曲元进行合理的标定，而目前罕见学者利用标定后的弯曲元进行土体的小应变动力特性研究。因此有必要将两种方法综合使用以利用各自方法的优点。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究内容及目标

以纯净干砂为基本研究对象，首先从原理、构造方面详细的分别对共振柱和弯曲元测定土体动参数的基本原理进行介绍，针对两种不同方法测定的并指出两种测试方法的优点与局限性，阐明开发弯曲元—共振柱仪联合试验仪的必要性以及理论基础；基于新研发的弯曲元—共振柱联合试验仪，对弯曲元法测试土体小应变参数提出合理化建议，并利用弯曲元—共振柱联合试验仪对福建标准砂干砂的小应变动力特性开展研究。

基于室内弯曲元共振柱—共振柱试验现象，结合PFC3D离散元分析程序，建立宏观试验的细观模型，采用尺寸等条件保持完全一致的情况下进行建模，对弯曲元宏观试验进行对比分析，并与导师进行探讨后确定影响干砂中剪切波传播的主要影响因素，并对其影响程度进行分析。