第11章土的基本动力特性

44—1土质学与土力学吉林大学建设工程学院许多工程问题和土的动荷载有关，一般的处理是做某些变通，以适当的方式将动荷载转化或量化为静荷载来分析和考虑。11.1概述土动力学问题研究内容归类1应变问题：小应变问题不可忽视2静力和动力加载条件的差异重视加载速度和重复加载效应3土的变形特性与剪应变的相关性应变大小决定是否残生加载速度效应44—2土质学与土力学吉林大学建设工程学院土的动力问题分类44—3土质学与土力学吉林大学建设工程学院土的性能随剪应变的变化44—4土质学与土力学吉林大学建设工程学院11.2土的压实性压实的目的在于降低土的渗透性，提高其强度。粘性土的压实性土的压实性是通过击实试验进行的，得到对应的一系列含水量和干密度的关系并做出曲线。最优含水量：最容易使土压实且最容易达到最大密度时对应的含水量称为土的最优含水量wop粘性土的击实曲线44—5土质学与土力学吉林大学建设工程学院压实功能：指压实单位体积土所消耗的能量，可用下式表达：VWdNnE从压实曲线中看出，压实功能越大，得到的最后含水量越小，相应的干密度越大。同一种土，最优含水量和最大干密度并不是恒定不变的，而是随着压密功能而变化的。不同压实功能的击实曲线44—6土质学与土力学吉林大学建设工程学院填土的含水量和碾压标准的控制含水量控制在最有含水量左右，以便获得最大的压实密度；填土的压密标准，工程上采用压实度Dr控制，定义为：maxddrD大干密度室内标准功能击实的最填土干密度44—7土质学与土力学吉林大学建设工程学院无粘性土的压实性砂、砾石等无粘性土的压实性也与含水量有关，但不存在最优含水量问题。一般在完全干燥或者充分洒水饱和下容易压实达到较大的干密度。44—8土质学与土力学吉林大学建设工程学院44—9土质学与土力学吉林大学建设工程学院44—10土质学与土力学吉林大学建设工程学院11.3土的动强度和变形特征动力试验的加荷方式：四种类型(a)单调加荷(b)单调-循环加荷(c)循环-单调加荷(d)单调增加循环加荷44—11土质学与土力学吉林大学建设工程学院粘性土的动强度单阶段循环加荷试验土样先在适当的围压下固结，然后在排水或不排水条件下施加轴向应力。44—12土质学与土力学吉林大学建设工程学院多阶段循环加荷试验同样，土样先被固结并施加一个初始静剪应力和较小幅值的循环剪应力系列；之后持续增大循环剪应力系列，可得到应力-应变曲线。若有效土样有限，则可采用多阶段循环荷载试验。44—13土质学与土力学吉林大学建设工程学院动剪应力-残余剪应变曲线与循环次数的关系：44—14土质学与土力学吉林大学建设工程学院粘性土的动强度及其影响因素在三轴试验中，首先使土样固结，再在不排水条件下施加静轴向荷载，等变形稳定后再加循环轴向荷载，在多次循环后达到破坏。结论：循环反复加载使土的刚度降低。44—15土质学与土力学吉林大学建设工程学院加载时间对粘性土强度的影响44—16土质学与土力学吉林大学建设工程学院循环加载方式土样45°面上的剪应力44—17土质学与土力学吉林大学建设工程学院循环强度比与初试应力比的关系循环强度比定义为土的循环强度与土的静强度之比值44—18土质学与土力学吉林大学建设工程学院单向循环加载、不同循环次数试验结果44—19土质学与土力学吉林大学建设工程学院不规则荷载试验的剪应力-残余应变的关系44—20土质学与土力学吉林大学建设工程学院循环强度与初始静剪应力的关系44—21土质学与土力学吉林大学建设工程学院剪应力-残余剪应变的关系44—22土质学与土力学吉林大学建设工程学院粘性土的动强度与静强度的关系静动荷载下莫尔圆和破坏包络线的构造动强度和动粘聚力的关系可表述为)1/)(tan1(1/'0fDfDccc44—23土质学与土力学吉林大学建设工程学院静动荷载试验得到的破坏包络线44—24土质学与土力学吉林大学建设工程学院试验条件与结果火山沉积粘土火山沉积砂质粘土火山沉积砂质粘土重度13.318.719.0含水量110~14022~2320~21饱和度85~9082~8482~84塑性指数301818静粘聚力202832内摩擦角171416动粘聚力485251cD/c2.41.861.59两种粘土的静动力试验结果44—25土质学与土力学吉林大学建设工程学院11.4砂性土液化机理模拟现场应力条件44—26土质学与土力学吉林大学建设工程学院砂性土液化机理侧向变形有约束的扭转剪切试验：由于侧向变形受到约束，不排水，故整个试验过程中轴向和侧向应变始终为零。在往返加载过程中，有效侧向应力和孔隙水压力持续增长直到扭转剪应变突然增大，表明砂土发生了软化。砂土液化或循环软化44—27土质学与土力学吉林大学建设工程学院侧面变形受约束的空心圆柱土样侧向应力和累积孔隙压力的变化44—28土质学与土力学吉林大学建设工程学院侧向变形无约束的扭转剪切试验：不排水条件下施加往返扭转应力，土样既可以发生竖向也可以发生侧向变形。模拟饱和砂土存在的倾斜地面斜坡、堤坝等。侧向应力和累积孔隙压力的变化44—29土质学与土力学吉林大学建设工程学院循环软化或液化的定义：在往返三轴试验的不同加载阶段土样的应力状态如图，先在均等固结压力下固结，然后在不排水条件下施加轴向压力。往返三轴试验中土中静应力和循环应力的模拟44—30土质学与土力学吉林大学建设工程学院典型试验结果表明，随着往返轴向应力的施加，孔隙水压力逐渐增长，最终达到初始围护压力，从而产生约5%的双幅轴向应变。这样的状态称为初始液化。在往返三轴试验中，通常把同样产生5%双幅轴向应变作为循环软化或液化的标准。44—31土质学与土力学吉林大学建设工程学院砂性土的循环强度或抗液化强度饱和砂土的抗液化强度主要受初始围护压力的大小，循环应力幅值，循环应力往返次数和砂土的相对密度或孔隙比的影响。44—32土质学与土力学吉林大学建设工程学院如图，随着砂土相对密度Dr的增加，抗液化强度几乎线性地增加；但当相对密度Dr超过70%时，砂土的液化强度急剧增加。44—33土质学与土力学吉林大学建设工程学院固结比对砂土抗液化的影响如下图。显然，固结比K0越大，抗液化强度越高。44—34土质学与土力学吉林大学建设工程学院而不同的K0值的试验数据与循环次数的关系曲线几乎是一致的。44—35土质学与土力学吉林大学建设工程学院11.5砂性土地基液化判别地震液化初判图44—36土质学与土力学吉林大学建设工程学院我国有关抗震规范所用的液化判别基本上采用地质年代、粘粒含量百分率、地下水位深度和土上覆非液化土层厚度等指标。饱和砂土和粉土地基液化判别的经验方法NCEER（美国国家地震工程中心）建议的方法地震引起的等效循环应力比CSRdvvvavrgaCSR'max'65.044—37土质学与土力学吉林大学建设工程学院应力折减系数与深度的关系：zrmzmzrmzmzrmzddd00857.0757.030230267.0174.12315.900765.00.115.9深度深度深度44—38土质学与土力学吉林大学建设工程学院以标准贯入击数表示的砂土抗液化强度CRR2001]45)(10[50135)()(34126016016015.7NNNCRR以剪切波速数表示的饱和砂土抗液化强度CRR)11(8.2)100(022.0**2slslVVVVCRRslsl饱和砂土抗液化安全系数FSKKMSFCSRCRRFS)/(5.744—39土质学与土力学吉林大学建设工程学院《建筑抗震设计规范》的液化判别方法cscrcwscrcrdNNmddNNmNN/3)1.04.2(2015/3)](1.09.0[15005.63深度范围内在地面以下深度范围内在地面以下别为液化满足下式要求时，可判当饱和砂土或粉土地基44—40土质学与土力学吉林大学建设工程学院《核电厂抗震设计规范》的液化判别方法310310/iiiiibNbN《公路工程抗震设计规范》的液化判别方法cvhvvlCRNlCKNNCN17.01]09.8)06.131(8.11[2/1'44—41土质学与土力学吉林大学建设工程学院《铁路工程抗震设计规范》的液化判别方法cusscrddddNNs17.01)2(05.01005.0175.052.0)2(065.014322143210《岩土工程勘察规范》的液化判别方法cswsssscrddddVV/3)/185.00.1()0133.0(5.02044—42土质学与土力学吉林大学建设工程学院以静力触探锥尖阻力qc值为指标的液化判别方法Evavcrcldq)//(22.01255)('饱和砂土液化的概率判别法1max'65.0MSFrgaCSRdvv44—43土质学与土力学吉林大学建设工程学院静力触探判别砂土液化44—44土质学与土力学吉林大学建设工程学院11.6砂性土地基液化程度等级划分《建筑抗震设计规范》方法判别场地液化时，液化指数iinicriiLEwdNNI1)/1(《公路工程抗震设计规范》方法判别场地液化时，地面下20m内液化指数iinilcriliLEwdNNI1)/1(