第十章 土的动力特征

第十章土的动力特征§10.1概述?§10.2土的压实性?§10.3土的振动液化?§10.4周期荷载下土的强度和变形特征?§10.5土的动力特征参数简介§10.1概述•在土木工程建设中，土体经常会遇到天然振源的地震、波浪、风或人工振源的车辆、爆炸、打桩、强夯、动力机器基础等引起的动荷载作用。•在动荷载作用下，土的强度和变形特性都将受到影响。•动荷载可能造成土体的破坏，必须加以充分重视；•动荷载可被利用改善不良土体的性质，如地基处理中的爆炸法、强夯法等。§10.1概述图10.1动荷载的类型(a)冲击荷载；(b)不规则荷载；(c)周期荷载压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度击实方法：室内击实试验现场试验:夯打、振动、碾压§10.2土的压实性§10.2土的压实性一.室内击实试验二.细粒土的压实性三.粗粒土的压实性一.室内击实试验•试验设备击实筒V=997cm3；击实锤m=2.5kg；锤底直径d=5cm•试验条件土样分层n=3层；落高h=30cm；击数N=27/层•击实能量3/598mKJE•试验方法对ω=cosnst的土；分三层压实；测定击实后的ω、ρ，算定ρd•注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土§10.2土的压实性公路土工试验规程教材：DL/T5355-2006和GB-T50123-1999二.细粒土的压实性1.击实曲线2.理论分析3.影响因素4.压实标准§10.2土的压实性1.击实曲线特点：①具有峰值②位于饱和曲线之下粘性土渗透系数K很小，压实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。satdd)(0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)dmax=1.86wop=12.1rswsdS/wG1GwG1G)(swssatd1Sr最大干密度最优含水量§10.2土的压实性2.理论分析压实机理：颗粒被击碎，土粒定向排列;土粒破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小;气被挤出或被压缩等•水膜润滑作用效果最佳;•尚没有形成封闭气泡，气易于排出;•颗粒表面水膜很薄，相对移动困难•孔压力升高显著，抵消部分击实功;•形成封闭气泡和水难以排出;ωωop,ρdρdmaxωωop,ρdρdmaxωωop,ρdρdmax0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)dmax=1.86wop=12.1§10.2土的压实性3.影响因素a.击实功能d50N30N10Nmax,dop,,E存在一个上界d,E,constb.土的级配d321constE越大max级配越好，其c.击实方式夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适constddE§10.2土的压实性4.压实标准a.粘性土存在最优含水量ωop，在填土施工中应该将土料的含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax，通常取%)32(opb.工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）%100Dmaxdc室内标准击实试验的填土的干密度高速公路和一级公路Dc95%其他公路Dc93%Ⅰ、Ⅱ级土石坝Dc95~98%Ⅳ~Ⅴ级土石坝Dc92~95%§10.2土的压实性①不存在最优含水量；②在完全风干和饱和两种状态下易于击实；③潮湿状态下ρd明显降低。三.粗粒土的压实性1.击实曲线特点d20%粗砂ω=4~5%中砂ω=7%；时，干密度最小2.理论分析对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。3.压实标准常用相对密度控制Dr0.7~0.75施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和§10.2土的压实性§6.6土的动强度与砂土的振动液化§10.3土的振动液化•饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高•在瞬间砂土呈液态时间T孔压U一.饱和松砂的振动液化1.液化现象§10.3土的振动液化§10.3土的振动液化日本阪神地震引起的路面塌陷§10.3土的振动液化由于液化引起的河道破坏—日本神户§10.3土的振动液化阪神地震中新干线的倾覆§10.3土的振动液化地基液化引起的储油罐倾斜—日本神户§10.3土的振动液化日本阪神地震引起的地面下沉房屋脱离地面§10.3土的振动液化桩基础（房屋基础露出地面）§10.3土的振动液化（1）初始的疏松状态（2）振动以后处于悬浮状态—孔压升高（液化）（3）振后处于密实状态一.饱和松砂的振动液化2.液化机理§10.3土的振动液化振前砂土结构振中颗粒悬浮，有效应力为零振后砂土变密实一.饱和松砂的振动液化2.液化机理§10.3土的振动液化一.饱和松砂的振动液化2.液化机理§10.3土的振动液化•在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为液化现象。一.饱和松砂的振动液化3.液化定义§10.3土的振动液化•4.1土类•4.2土的密度相对密度Dr60%•4.3土的初始应力状态一.饱和松砂的振动液化4.砂土液化的影响因素（228页）5.地基液化判别与防治（230页）§10.3土的振动液化§10.4周期荷载下的土的强度和变形特征一是具有时间性，通常在10s以内应作为动力问题；二是荷载的反复性(加卸荷)或周期性(荷载变向)。由于动荷载的这两个特性，使得土在动荷载作用下，其力学性质与静荷载作用时相比有很大差异。动荷载特性§10.4周期荷载下的土的强度和变形特征此图反映了荷载作用次数对土强度的影响。动荷载反复作用次数越少，动强度越高，随着次数的增加，土的强度逐渐降低，当反复作用100次(压实黏性土)或50次(饱和软黏土)时，动强度已接近或低于静强度，若次数再增加，则低于静强度。§10.4周期荷载下的土的强度和变形特征土的动强度可以用数种动力试验方法确定。根据试验的加荷方式，动力试验方法可分为四种类型，如图10-18所示。(a)单调加载；(b)单调—循环加载；(c)循环—单调加载；(d)单调增加循环加载§10.4周期荷载下的土的强度和变形特征图10-19反映了反复荷载作用下土的变形特性。由图可知，应变随作用次数的增加而增加、随动应力与竖向应力之比σd/σz值的增加而增加。§10.4周期荷载下的土的强度和变形特征动荷载的加荷速度，对土的强度与变形也将产生影响。如图10-20所示，加荷速度越慢，其强度越低，但承受的应变范围越大。§10.5土的动力特征参数简介土的动力特征参数包括：动弹性模量或动剪切模量、阻尼比或衰减系数、动强度或液化周期剪应力以及振动孔隙水压力增长规律等。其中动剪切模量和阻尼比是表征土的动力特征的两个主要参数，本节简介这两个动力特征参数。动力特征参数§10.5土的动力特征参数简介动剪切模量土的动剪切模量Gd是指产生单位动剪应变时所需要的动剪应力，即动剪应力τd与动剪应变εd之比值:Gd=τd/εd(10-8)§10.5土的动力特征参数简介阻尼比土体作为一个振动体系，其质点在运动过程中由于黏滞摩擦作用而有一定的能量损失，这种现象称为阻尼，也称黏滞阻尼。在自由振动中，阻尼表现为质点的振幅随振次而逐渐衰减。在强迫振动中，则表现为应变滞后于应力而形成滞回圈。土的阻尼比ζ是指阻尼系数与临界阻尼系数的比值。由物理学可知，非弹性体对振动波的传播有阻尼作用，这种阻尼力作用与振动的速度成正比关系，比例系数即为阻尼系数，使非弹性体产生振动过渡到不产生振动时的阻尼系数，称为临界阻尼系数。阻尼比是衡量吸收振动能量的尺度。地基或土工建筑物振动时，阻尼有两类，一类是逸散阻尼，另一类是材料阻尼。前者是土体中积蓄的振动能量以表面波或体波(包含剪切波和压缩波)向四周和下方扩散而产生的，后者是土粒间摩擦和孔隙中水与气体的黏滞性产生的。§10.5土的动力特征参数简介试验方法动剪切模量阻尼比试验方法动剪切模量阻尼比超声波脉冲√周期单剪√√共振柱√√周期扭剪√√周期三轴剪√表10-8动剪切模量和阻尼比的室内试验方法§10.5土的动力特征参数简介表10-9动剪切模量和阻尼比的原位试验方法试验方法动剪切模量阻尼比试验方法动剪切模量阻尼比折射法√钻孔波速法√反射法√动力旁压试验√表面波法√标准贯人试验√