第十章 土的動力特征

1、第十章第十章 土的動力特征土的動力特征 10.1 概述概述 ?10.2 土的壓實性土的壓實性?10.3 土的振動液化土的振動液化?10.4 10.4 周期荷載下土的強(qiáng)度和變形特征周期荷載下土的強(qiáng)度和變形特征?10.5 土的動力特征參數(shù)簡介土的動力特征參數(shù)簡介10.1 概述概述 在土木工程建設(shè)中，土體經(jīng)常會遇到天然振源的地在土木工程建設(shè)中，土體經(jīng)常會遇到天然振源的地震、波浪、風(fēng)或人工振源的車輛、爆炸、打樁、強(qiáng)震、波浪、風(fēng)或人工振源的車輛、爆炸、打樁、強(qiáng)夯、動力機(jī)器基礎(chǔ)等引起的動荷載作用。夯、動力機(jī)器基礎(chǔ)等引起的動荷載作用。 在動荷載作用下，土的強(qiáng)度和變形特性都將受到影在動荷載作用下，土的強(qiáng)度和變

2、形特性都將受到影響。響。 動荷載可能造成土體的破壞，必須加以充分重視；動荷載可能造成土體的破壞，必須加以充分重視； 動荷載可被利用改善不良土體的性質(zhì)，如地基處理動荷載可被利用改善不良土體的性質(zhì)，如地基處理中的爆炸法、強(qiáng)夯法等。中的爆炸法、強(qiáng)夯法等。10.1 概述概述圖圖10.1 動荷載的類型動荷載的類型(a)沖擊荷載；(b)不規(guī)則荷載；(c)周期荷載壓實：壓實：指通過夯打、振動、碾壓等，使土體變得密指通過夯打、振動、碾壓等，使土體變得密實、以提高土的強(qiáng)度、減小土的壓縮性和滲透性實、以提高土的強(qiáng)度、減小土的壓縮性和滲透性壓實性：壓實性：指土在一定壓實能量作用下密度增長的特性指土在一定壓實能量作用

3、下密度增長的特性研究擊實性的目的：研究擊實性的目的： 以最小的能量消耗獲得最大的壓實密度以最小的能量消耗獲得最大的壓實密度 擊實方法擊實方法：室內(nèi)擊實試驗室內(nèi)擊實試驗現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗: : 夯打、振動、碾壓夯打、振動、碾壓10.2 10.2 土的壓實性土的壓實性10.2 10.2 土的壓實性土的壓實性一一. . 室內(nèi)擊實試驗室內(nèi)擊實試驗 二二. . 細(xì)粒土的壓實性細(xì)粒土的壓實性 三三. . 粗粒土的壓實性粗粒土的壓實性 一一. . 室內(nèi)擊實試驗室內(nèi)擊實試驗 試驗設(shè)備試驗設(shè)備 擊實筒擊實筒V=997V=997cm3；擊實錘擊實錘m=2.5kg；錘底直徑錘底直徑d=5cm 試驗條件試驗條件 土樣分

4、層土樣分層n=3層；落高層；落高h(yuǎn)=30cm；擊數(shù)擊數(shù)N=27/ /層層 擊實能量擊實能量 3/598mKJE 試驗方法試驗方法 對對=cosnst的土；分三層壓實；的土；分三層壓實； 測定擊實后的測定擊實后的、，算定算定d 注意注意：僅適用于細(xì)粒土；對粗粒土，可用較大尺僅適用于細(xì)粒土；對粗粒土，可用較大尺寸的擊實儀寸的擊實儀土土10.2 10.2 土的壓實性土的壓實性公路土工試驗規(guī)程教材：教材：DL/T5355-2006和和GB-T50123-1999二二. . 細(xì)粒土的壓實性細(xì)粒土的壓實性 1.1.擊實曲線擊實曲線2 2. .理論分析理論分析 3 3. .影響因素影響因素4 4. .壓實標(biāo)

5、準(zhǔn)壓實標(biāo)準(zhǔn)10.2 10.2 土的壓實性土的壓實性1 1. .擊實曲線擊實曲線 特點：特點：具有峰值具有峰值位于飽和曲線之下位于飽和曲線之下 粘性土滲透系數(shù)粘性土滲透系數(shù)K K很小，壓很小，壓實過程中含水量幾乎不變，實過程中含水量幾乎不變，要想擊實到飽和狀態(tài)是不可要想擊實到飽和狀態(tài)是不可能的能的。satdd)( 0 4 8 12 16 20 24 28含水量含水量w(%)2.01.81.61.4干密度干密度 d(g/cm3)飽和曲線飽和曲線 dmax=1.86wop=12.1rswsdS/wG1G wG1G)(swssatd 1Sr 最大干密度最大干密度最優(yōu)含水量最優(yōu)含水量10.2 10.2

6、土的壓實性土的壓實性2 2. . 理論分析理論分析 壓實機(jī)理：壓實機(jī)理： 顆粒被擊碎，土粒定向排列顆粒被擊碎，土粒定向排列; 土粒破碎，粒間聯(lián)結(jié)力被破土粒破碎，粒間聯(lián)結(jié)力被破壞而發(fā)生孔隙體積減小壞而發(fā)生孔隙體積減小; 氣被擠出或被壓縮等氣被擠出或被壓縮等水膜潤滑作用效果最佳水膜潤滑作用效果最佳; ; 尚沒有形成封閉氣泡，氣易于排出尚沒有形成封閉氣泡，氣易于排出; ;顆粒表面水膜很薄，相對移動困難顆粒表面水膜很薄，相對移動困難 孔壓力升高顯著，抵消部分擊實功孔壓力升高顯著，抵消部分擊實功;形成封閉氣泡和水難以排出形成封閉氣泡和水難以排出; op, d dmax op , d op , d95 %

7、Dc95 %其他公路其他公路 Dc93%Dc93%、級土石壩級土石壩 Dc9598%Dc9598% 級土石壩級土石壩 Dc9295% Dc9295% 10.2 10.2 土的壓實性土的壓實性不存在最優(yōu)含水量不存在最優(yōu)含水量； 在完全風(fēng)干和飽和兩種狀態(tài)在完全風(fēng)干和飽和兩種狀態(tài) 下易于擊實下易于擊實；潮濕狀態(tài)下潮濕狀態(tài)下d明顯降低明顯降低。 三三. . 粗粒土的壓實性粗粒土的壓實性 1 1. .擊實曲線擊實曲線特點特點d 20%20%粗砂粗砂 =45%中砂中砂 =7%； 時，干密度最小時，干密度最小 2. 理論分析理論分析 對粗粒土，擊實過程中可以自由排水，不存在細(xì)粒土中出現(xiàn)的現(xiàn)象。對粗粒土，擊實

8、過程中可以自由排水，不存在細(xì)粒土中出現(xiàn)的現(xiàn)象。 在潮濕狀態(tài)下，存在著假凝聚力，加大了阻力。在潮濕狀態(tài)下，存在著假凝聚力，加大了阻力。3. 壓實標(biāo)準(zhǔn)壓實標(biāo)準(zhǔn) 常用相對密度常用相對密度控制控制 Dr0.70.75 施工過程中要么風(fēng)干，要么就充分灑水，使土料飽和施工過程中要么風(fēng)干，要么就充分灑水，使土料飽和 10.2 10.2 土的壓實性土的壓實性6.66.6土的動強(qiáng)度與砂土的振動液化土的動強(qiáng)度與砂土的振動液化10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化 飽和松砂在振動情況下孔壓急劇升高 在瞬間砂土呈液態(tài)時間T孔壓 U一一. . 飽和松砂的振動液化飽和松砂的振動液化1. 1. 液化現(xiàn)象液化現(xiàn)象10.

9、3 10.3 土的振動液化土的振動液化10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化日本阪神地震引起的路面塌陷日本阪神地震引起的路面塌陷10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化由于液化引起的河道破壞由于液化引起的河道破壞日本神戶日本神戶10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化阪神地震中新干線的傾覆阪神地震中新干線的傾覆10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化地基液化引起的儲油罐地基液化引起的儲油罐傾斜傾斜日本神戶日本神戶10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化日本阪神地震引起的地面下沉房屋脫離地面日本阪神地震引起的地面下沉房屋脫離地面10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化樁

10、基礎(chǔ)（房屋基礎(chǔ)露出地面）樁基礎(chǔ)（房屋基礎(chǔ)露出地面）10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化（1）初始的疏松狀態(tài)（2）振動以后處于懸浮狀態(tài) 孔壓升高（液化）（3）振后處于密實狀態(tài)一一. . 飽和松砂的振動液化飽和松砂的振動液化2. 2. 液化機(jī)理液化機(jī)理10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化振前砂土結(jié)構(gòu)振中顆粒懸浮，有效應(yīng)力為零振后砂土變密實一一. . 飽和松砂的振動液化飽和松砂的振動液化2. 2. 液化機(jī)理液化機(jī)理10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化一一. . 飽和松砂的振動液化飽和松砂的振動液化2. 2. 液化機(jī)理液化機(jī)理10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化一一.

11、. 飽和松砂的振動液化飽和松砂的振動液化2. 2. 液化機(jī)理液化機(jī)理10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化 在飽和砂土中，由于振動引起顆粒的懸浮，超靜孔隙水壓力急劇升高，直到其孔隙水壓力等于總應(yīng)力時，有效應(yīng)力為零，砂土的強(qiáng)度喪失，砂土呈液體流動狀態(tài)，稱為液化現(xiàn)象。一一. . 飽和松砂的振動液化飽和松砂的振動液化3. 3. 液化定義液化定義10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化 4.1 土類 4.2 土的密度 相對密度Dr60% 4.3 土的初始應(yīng)力狀態(tài)一一. . 飽和松砂的振動液化飽和松砂的振動液化4. 4. 砂土液化的影響因素砂土液化的影響因素（228228頁）頁）5. 地基液化

12、判別與防治（230頁）10.3 10.3 土的振動液化土的振動液化10.4 10.4 周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形特征周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形特征一是具有時間性，通常在10s以內(nèi)應(yīng)作為動力問題；二是荷載的反復(fù)性(加卸荷)或周期性(荷載變向)。由于動荷載的這兩個特性，使得土在動荷載作用下，其力學(xué)性質(zhì)與靜荷載作用時相比有很大差異。動荷載特性動荷載特性10.4 10.4 周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形特征周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形特征此圖反映了荷載作用次數(shù)對土強(qiáng)度的影響。動荷載反復(fù)作用次數(shù)越少，動強(qiáng)度越高，隨著次數(shù)的增加，土的強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)反復(fù)作用100次(壓實黏性土)或50次(飽和軟黏土)時，動強(qiáng)度

13、已接近或低于靜強(qiáng)度，若次數(shù)再增加，則低于靜強(qiáng)度。 10.4 10.4 周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形特征周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形特征土的動強(qiáng)度可以用數(shù)種動力試驗方法確定。根據(jù)試驗的加荷方式，動力試驗方法可分為四種類型，如圖10-18所示。(a)單調(diào)加載； (b)單調(diào)循環(huán)加載；(c)循環(huán)單調(diào)加載；(d)單調(diào)增加循環(huán)加載10.4 10.4 周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形特征周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形特征圖10-19反映了反復(fù)荷載作用下土的變形特性。由圖可知，應(yīng)變隨作用次數(shù)的增加而增加、隨動應(yīng)力與豎向應(yīng)力之比d/z值的增加而增加。10.4 10.4 周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形特征周期荷載下的土的強(qiáng)度和變形

14、特征 動荷載的加荷速度，對土的強(qiáng)度與變形也將產(chǎn)生影響。如圖10-20所示，加荷速度越慢，其強(qiáng)度越低，但承受的應(yīng)變范圍越大。10.5 10.5 土的動力特征參數(shù)簡介土的動力特征參數(shù)簡介土的動力特征參數(shù)包括：動彈性模量或動剪切模量、阻尼比或衰減系數(shù)、動強(qiáng)度或液化周期剪應(yīng)力以及振動孔隙水壓力增長規(guī)律等。其中動剪切模量和阻尼比是表征土的動力特征的兩個主要參數(shù)，本節(jié)簡介這兩個動力特征參數(shù)。動力特征參數(shù)動力特征參數(shù)10.5 10.5 土的動力特征參數(shù)簡介土的動力特征參數(shù)簡介動剪切模量動剪切模量土的動剪切模量Gd是指產(chǎn)生單位動剪應(yīng)變時所需要的動剪應(yīng)力，即動剪應(yīng)力d與動剪應(yīng)變d之比值: Gd = d /d (

15、10-8)10.5 10.5 土的動力特征參數(shù)簡介土的動力特征參數(shù)簡介阻尼比阻尼比土體作為一個振動體系，其質(zhì)點在運(yùn)動過程中由于黏滯摩擦作用而有一定的能量損失，這種現(xiàn)象稱為阻尼，也稱黏滯阻尼。在自由振動中，阻尼表現(xiàn)為質(zhì)點的振幅隨振次而逐漸衰減。在強(qiáng)迫振動中，則表現(xiàn)為應(yīng)變滯后于應(yīng)力而形成滯回圈。土的阻尼比是指阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)的比值。由物理學(xué)可知，非彈性體對振動波的傳播有阻尼作用，這種阻尼力作用與振動的速度成正比關(guān)系，比例系數(shù)即為阻尼系數(shù)，使非彈性體產(chǎn)生振動過渡到不產(chǎn)生振動時的阻尼系數(shù)，稱為臨界阻尼系數(shù)。阻尼比是衡量吸收振動能量的尺度。地基或土工建筑物振動時，阻尼有兩類，一類是逸散阻尼，另一類是材料阻尼。前者是土體中積蓄的振動能量以表面波或體波(包含剪切波和壓縮波)向四周和下方擴(kuò)散而產(chǎn)生的，后者是土粒間摩擦和孔隙中水與氣體的黏滯性產(chǎn)生的。10.5 10.5