第十章土在动荷载作用下的力学性质

第十章土在动荷载作用下的力学性质土在动荷载作用下的力学性质10.1概述根据动荷载作用的特点，可以将其分成三种类型。(1)周期荷载(2)冲击荷载(3)不规则荷载0sinPtPt简谐荷载00tPtPt荷载随时间的变化无规律可循，即为不规则荷载。最为典型的不规则荷载就是地震荷载。土在动荷载作用下的力学性质10.2土的动强度和变形特性加荷速度不同，土的反应也不同。由图10.1所示，慢速加荷时强度虽然低于快速加荷，但承受的应变范围较大。土在动荷载作用下的力学性质10.2.1反复荷载下土的强度特征土在动荷载作用下的力学性质土在动荷载作用下的力学性质10.2.2反复荷载下土的变形特征土在动荷载作用下的力学性质1ddabE土在动荷载作用下的力学性质10.2.3土动力室内测试技术1）动力测试基本原理(1)激振(2)测振激振的基本原理就是向土样施加某种动荷载，使其尽可能地模拟实际的动力作用。室内模拟激振的方法主要有：①机械激振；②电磁激振；③电液激振；④气动激振。土动力试验的各项物理量，不论是仪器直接输出给试样的，还是试样间接反应回来的，均需要由振动系统进行量测。测振的参数包括三大类：①应力；②应变；③振动性状(阻尼、衰减等)。土在动荷载作用下的力学性质2）振动三轴试验2(1)ddEG土的动力参数可通过现场和室内试验测定。室内一般多采用振动三轴仪试验测定。试验时对圆柱形土样施加轴向循环变化的压缩与拉伸荷载，直接量测土样的应力和应变值，从而绘制应力~应变曲线即滞回圈(图10.9)。试验所得滞回圈是试样在循环荷载下压缩与拉伸的结果，所以求得的模量是动弹性模量Ed。而剪切模量Gd由下式求出：土在动荷载作用下的力学性质3）振动剪切试验对实际地基来说，土的振动变形大部分是由于从下卧层向上传递的剪切波引起的，如图10.11所示。对于地表为水平的土层，地震前在地下某一深度的水平面上只作用垂直应力σ0，而初始剪应力为零。由于地震作用，在水平面上附加一往复剪应力，而垂直应力σ0仍保持不变。当地面为倾斜面或有建筑物时，则地面某一深度水平面不仅有初始垂直应力σ0，而且还存在初始剪应力。土在动荷载作用下的力学性质4）共振柱试验共振柱试验是根据共振原理，在一个圆柱形试样上进行振动，改变振动频率使其产生共振，并借以测求试样的动弹性模量及阻尼比等参数。其工作原理可以用图10.12简化模型表示。图中圆柱形试样的底端固定，试样的顶端附加一个集中质量块，并通过该质量块对试样施加垂直轴向振动或水平振动。当土柱的顶端受到施加的周期荷载而处于强迫振动时，振动由柱体顶端以波动形式沿柱体向下传播，使整个柱体处于振动状态。共振柱试验是一种无损试验技术，它的优越性表现在试验的可逆性和重复性上，从而可求得十分稳定的结果。土在动荷载作用下的力学性质5）振动台试验振动台试验是20世纪70年发展起来的专门用于土的液化性状研究的室内大型动力试验。相对于常用的动三轴和动单剪试验，振动台试验有下述优点：(1)可以制备模拟现场状态饱和砂的大型均匀试样，可以测出土样内部的应变和加速度。(2)在低频和平面应变条件下，整个土样中将产生均匀的加速度，相当于现场剪切波的传播。(3)可以查出液化时大体积饱和土中实际孔隙水压力的分布。(4)在振动时能用肉眼观察试样。土在动荷载作用下的力学性质6）离心模型试验离心机模型试验首先需要根据试验研究的目的和要求，选择适合的用于单向或双向振动试验的模型箱，然后与静力离心模型试验一样需要综合考虑离心机的容量、原型的尺寸、模型箱尺寸和观测仪器的布置等，合理确定模型比尺。理想的模型箱应该具备的条件：(1)振动过程中，不影响剪切波或剪切应力的传递，尽量使水平剪切刚度为零，对土的变形无影响；(2)振动过程中模型箱水平断面尺寸应保持不变；(3)模型箱侧壁应具有足够的刚度；(4)尽量减少模型箱壁的质量，以减少边界处侧向动土压力。土在动荷载作用下的力学性质10.3砂土振动液化在动力荷载(振动)作用下砂土(特别是饱和砂土)表现出类似液体性状而完全失去了承载能力的现象称为砂土液化。10.3.1砂土液化机理1）砂土液化造成的灾害(1)喷砂冒水(2)震陷(3)滑坡(4)地基失稳2)液化机理当孔隙水压力以及时，没有黏聚力的砂土的强度就完全丧失，而处于没有抵抗外荷能力的悬浮状态，故产生了砂土“液化”。u0土在动荷载作用下的力学性质3)影响砂土液化的主要因素(1)土的种类粉细砂土、轻亚黏土比中、粗砂土容易液化；级配均匀的砂土比级配良好的砂土易发生液化。(2)土的密度松砂在振动中体积易于缩小，孔隙水压力上升快，故松砂较密砂容易液化。(3)土的初始应力状态试验亦表明，对于同样条件的土样，发生液化所需的动应力将随着固结压力的增加而增大。土在动荷载作用下的力学性质10.3.2砂性土地基液化判别砂性土地基液化判别方法现场试验室内试验经验对比法1)《建筑抗震设计规范》判别方法在地面下20m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：0ln(0.61.5)0.13/crrwcNNdd土在动荷载作用下的力学性质2)《公路工程抗震设计规范》判别方法在《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)中，砂性土液化判别公式是以SeedHB的液化判别图~曲线族中震级M=7.5的分界线为基础换算得到的，对地面以下20m深度范围内的砂土和亚砂土，其液化判别公式如下：/v1N163.5nNCN1/2011.8113.068.09chveNKC若，则判为液化，否则判为不液化。1cNN土在动荷载作用下的力学性质10.3.3场地液化危害性防治措施场地液化危害性防治措施加强基础方面消除或减轻土层液化可能性方面桩基或沉井全补偿伐板基础箱形基础等深基础换土加密胶结设置排水系统土在动荷载作用下的力学性质10.4土的压实性10.4.1土的实性对工程的意义土的压实就是指填土在压实能量作用下，使土颗粒克服颗粒间阻力而重新排列，使土中的孔隙减少、密度增加，从而使填土在短时间内得到新的结构强度。压实细粒土宜用夯击机具或压力较大的碾压机具，同时必须控制土的含水量。压实粗粒土时，则采用振动机具，同时充分洒水。在同一压实功能对于不同状态的土的压实效果可以完全不同，而为了达到同样的压实效果又可能要花费相当大的不符合技术经济要求的代价。为了技术上可靠和经济上的合理，就需要了解土的压实特性与变化规律。土在动荷载作用下的力学性质10.4.2击实试验与土的压实特性击实试验是研究土的压实性能的室内试验方法。击实试验所用的主要设备是击实仪。目前我国通用的击实仪有两种，即轻型击实仪和重型击实仪，其基本部分是击实筒和击实锤，前者是用来盛装制备土样，后者对土样施以夯压功能。1)击实试验1dw土在动荷载作用下的力学性质通过对每一个土样的击实试验结果就得到两个相对应的数据，即击实土的含水量ω与干容重γd。由一组几个不同含水量的同一种土样的击实试验结果绘制击实曲线如图所示。土在动荷载作用下的力学性质击实曲线是研究土的压实特性的基本关系图。从图中可见，击实曲线上有一峰值，此处的干容重为最大，称为最大干容重。与之对应的制备土样含水量则称为最佳含水量。2)土的压实特性(1)压实曲线性状土在动荷载作用下的力学性质(2)土类对压实特性的影响土在动荷载作用下的力学性质(3)击实功能对压实特性的影响图10.19则表示同一种土样在不同击实功能作用下所得到的压实曲线。随着压实功能的增大，击实曲线形态不变，但位置发生了向左上方的移动即增大了，而却减小了。图中的曲线形态还表明，当土为偏干时，增加击实功对提高干容重的影响较大，偏湿时则收效不大，故对偏湿的土采用增大击实功以提高它的密度是不经济的。土在动荷载作用下的力学性质(4)土的压实机理解释击实曲线所反映的变化说明了土压实性的复杂，其内在机理解释或者所谓压实理论尚在发展中。直至七十年代经过学者们不断研究和探索，基本上认为土的压实特性同土的组成与结构、土粒的表面现象、毛细管压力、孔隙水和孔隙气压力等均有关系，所以因素是复杂的。土的压实特性变化的外观因素主要有：土类、制备含水量和外部击实功能，这三者的不同组合与作用通过土的颗粒变位，结构调整，引力和孔隙压力(包括水和气)的作用等内在因素表现出不同的结果。土在动荷载作用下的力学性质(5)压实特性在现场填土中的应用'ddK土在动荷载作用下的力学性质10.4.3压实土的压缩性和强度1)压缩性一般来说，填土在压实到一定密度以后，其压缩性就大为减小。当填土的干密度时，变形模量E0显著提高。这对于作为建筑物地基的填土显得尤为重要。316.5/dkNm土在动荷载作用下的力学性质2)强度压实土的抗剪强度性状取决于受剪时的密度和含水量。填筑水量对强度的影响，在偏干和偏湿时均不相同。土在动荷载作用下的力学性质从图10.24所示曲线可见，当压实土的含水量低于最佳含水量时（偏干状态），虽然干重度比较小，强度却比最大干重度时大得多。土在动荷载作用下的力学性质10.5本章小结1.土在动荷载作用下的变形与强度特性不同于静载情况。饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出类似液体的性状，完全失去强度和刚度形成砂土液化，它的工程危害严重，应对场地液化危害性进行评价并采取防治措施。2.砂土液化与土的种类、土的密度、土的初始应力状态等因素有关。3.砂性土液化的判别是地基基础抗震设计的一项重要任务。目前的判别方法很多，归纳起来主要是现场试验，室内试验及经验对比法三大类。4.场地液化危害性防治措施：一方面加强基础，另一方面消除或减轻土层液化可能性。土在动荷载作用下的力学性质10.5本章小结5.土的压实就是指填土在压实能量作用下，使土颗粒克服颗粒间阻力而重新排列，使土中的孔隙减少、密度增加，从而使填土在短时间内得到新的结构强度，以减少其沉降量，降低其透水性，提高其强度。6.击实曲线上有一峰值，此处的干容重为最大，称为最大干容重。与之对应的制备土样含水量则称为最佳含水量。该两项指标可用于指导填土压实施工，也可由于压实填土的质量控制。7.击实试验分为轻型击实和重型击实，击实筒分为大、小两种，大击实筒适用于最大粒径38mm的土，小击实筒适用于最大粒径为25mm的土。含粗粒越多的土样其最大干容重越大、而最佳含水量越小。