土的動(dòng)力特性教材

1、土的動(dòng)力特性（二）振動(dòng)液化特性土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性2 液化是土動(dòng)力學(xué)中一個(gè)非常實(shí)際、也非常重要的問題。面對土和土體的液化，必須面對如下5個(gè)問題作出回答：什么是液化？土在什么條件下容易液化？容易液化的土是否會(huì)在實(shí)際上啟動(dòng)液化？液化的啟動(dòng)會(huì)不會(huì)導(dǎo)致破壞與危害？防止和減小液化的危害可采取什么樣的對策？ 涉及振動(dòng)液化的基本概念與影響振動(dòng)液化的主要因素。土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性3 一、液化發(fā)生的機(jī)理 振動(dòng)液化就是飽和土在動(dòng)荷載作用下喪失其原有強(qiáng)度而轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N類似液體狀態(tài)的現(xiàn)象。它是一種特殊的強(qiáng)度問題，以強(qiáng)度的大幅度驟然喪失為特征。比如飽和砂土表現(xiàn)出的噴砂冒水、長距離的迅速滑移、土

2、體中輕型結(jié)構(gòu)物的上浮或土體上建筑物的下陷等現(xiàn)象。土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性4 當(dāng)振動(dòng)作用到土上時(shí)，土骨架會(huì)因振動(dòng)的影響而受到一定的慣性力和干擾力。由于各個(gè)土粒的質(zhì)量不同，各處土粒的排列狀況不同，或者各點(diǎn)作用的起始應(yīng)力和傳遞到達(dá)的動(dòng)荷載強(qiáng)度不同，作用它們在各個(gè)土粒上的力，其在大小、方向和所產(chǎn)生的實(shí)際影響等方面就會(huì)有明顯的差異，從而在土粒的接觸點(diǎn)引起新的應(yīng)力。當(dāng)這種應(yīng)力超過一定的數(shù)值時(shí)，就會(huì)破壞土粒之間原來的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使砂粒彼此之間脫離接觸。原先由砂粒通過它的接觸點(diǎn)所傳遞的壓力（有效壓力），就要傳給孔隙水來承擔(dān)，引起孔隙水壓力的驟然增高。 土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性5 此

3、時(shí)，一方面是孔隙水在一定超靜水壓力的作用 下力圖向上排除，另一方面是土顆粒在其重力作用下又力圖向下沉落，這就有可能使土在結(jié)構(gòu)破壞的瞬間或一定時(shí)間內(nèi)，土粒因其向下的沉落為孔隙水的向上排除所阻礙，處于局部或全部懸?。紫端畨毫Φ扔谟行Ц采w壓力）狀態(tài)，土的抗剪強(qiáng)度局部地或全部地喪失，出現(xiàn)不同程度的變形或完全液化（振動(dòng)液化）。此后，隨著孔隙水逐漸擠出，孔隙水壓力就逐漸減小，土粒又逐漸沉落，重新堆積排列，壓力重新由孔隙水傳給了土粒承受，砂土即達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)（振動(dòng)壓密）。土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性6 振動(dòng)液化的發(fā)生和發(fā)展必須同時(shí)具備的兩個(gè)基本條件： 1.振動(dòng)作用足以使土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞（即振動(dòng)荷

4、載較大或砂土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較?。?，這是土中產(chǎn)生動(dòng)孔壓的先決條件； 2.在土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞后，土粒發(fā)生移動(dòng)的趨勢不是松脹而是壓密，這是使動(dòng)孔壓迅速大幅增長的充分條件。 所以說疏松的飽和砂土比密實(shí)砂土容易發(fā)生振動(dòng)液化。（結(jié)構(gòu)不易破壞、孔壓下降）土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性7 二、流動(dòng)液化與循環(huán)液化 當(dāng)土中孔壓發(fā)展到等于上覆有效壓力時(shí)，我們稱土發(fā)生了初始液化。此后，在動(dòng)荷載的作用下土中可能會(huì)引起兩種不同的情況： 1.流動(dòng)液化：每一個(gè)振次均能使土發(fā)生迅速而持續(xù)發(fā)展的變形，表現(xiàn)出無限流動(dòng)的特征，它的移動(dòng)具有突發(fā)性和持續(xù)性，只能在飽和剪縮性土中發(fā)生。土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性8 2.循環(huán)液化：每

5、一個(gè)振次只能產(chǎn)生一定的有限變形，這種變形具有隨振動(dòng)而逐漸增加的特性或者趨于穩(wěn)定往復(fù)變化的趨勢，它發(fā)生在具有剪脹行或有一定阻力或在荷載作用下有硬化趨勢的土中。 剪脹的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致土體出現(xiàn)非液化狀態(tài)，使動(dòng)力過程表現(xiàn)出液化狀態(tài)與非液化狀態(tài)的交織變化。每一次應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生有限變形，變形不斷增長，最終導(dǎo)致土體破壞。 當(dāng)土體在荷載作用下具有的硬化較強(qiáng)時(shí)，甚至只會(huì)產(chǎn)生往返活動(dòng)性的液化，而不再有變形增長的發(fā)生。土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性9 三、剪縮性土和剪脹性土 大量的試驗(yàn)表明，密實(shí)的砂土在剪切破壞時(shí)會(huì)發(fā)生剪脹而疏松的砂土?xí)l(fā)生剪縮。 臨界孔隙比：與土上作用的法向固結(jié)應(yīng)力有關(guān)。（土在剪切破壞時(shí)既不剪脹也不

6、剪縮） 根據(jù)前面所述振動(dòng)液化發(fā)生的條件可知剪縮性砂土容易發(fā)生振動(dòng)液化。 相態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)：孔壓先升高后降低時(shí)應(yīng)力路徑上所對應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。不同應(yīng)力路徑上這類點(diǎn)的連線即為相態(tài)轉(zhuǎn)換線。土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性10 四、流動(dòng)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)態(tài)線 流動(dòng)結(jié)構(gòu)：在發(fā)生大變形的情況下，土?xí)玫揭环N所謂的“流動(dòng)結(jié)構(gòu)”，處于常值剪應(yīng)力、常值有效應(yīng)力、常值體積和常速度的流動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，土的變形只依賴于密度并稱之為穩(wěn)態(tài)。 穩(wěn)態(tài)時(shí)的土所具有的抗剪強(qiáng)度稱為穩(wěn)態(tài)剪切強(qiáng)度。穩(wěn)態(tài)剪切強(qiáng)度雖然一般很低，但卻不會(huì)等于零。如果將對應(yīng)于此情況的密度e、法向有效應(yīng)力 和剪切強(qiáng)度在e- -的三維空間坐標(biāo)內(nèi)繪出，它就會(huì)形成一條穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度線。將其繪于

7、 平面內(nèi)時(shí)，可以得到一條直線并稱之為穩(wěn)態(tài)線。 ce3log土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性11 穩(wěn)態(tài)線的垂直位置主要受粒度的影響，斜率主要受顆粒形狀的影響。如果土所受的靜剪應(yīng)力超過了穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度，土易發(fā)生流動(dòng)液化，但循環(huán)液化可以在靜剪應(yīng)力超過穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度的時(shí)候發(fā)生，也可以在未超過穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度的時(shí)候發(fā)生，視靜、動(dòng)剪應(yīng)力大小間的情況而定。土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性12 五、影響土振動(dòng)液化的主要因素（為了了解土在什么條件下容易液化） 研究表明，影響飽和砂土振動(dòng)液化可能性的主要因素有土性條件、起始應(yīng)力條件、動(dòng)荷載條件以及排水條件。 1.土性條件 土性條件主要指土的粒度特征、密度特征和結(jié)構(gòu)特征。土的動(dòng)力特

8、性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性13 （1）從土的粒度特征即平均粒徑d50、不均勻系數(shù)cu和粘粒含量pc來看，它們均與土的抗液化強(qiáng)度成正比。 （2）從土的密度特征即相對密度Dr或孔隙比e及干重度rd等來看，Dr ，e ，rd ，抗液化強(qiáng)度 。 （3）從土的結(jié)構(gòu)特征即土的排列和膠結(jié)狀況來看，排列結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和膠結(jié)狀況良好的土均具有較高的抗液化能力。重塑土1的動(dòng)強(qiáng)度（剪應(yīng)力可能只有大小的變化，而沒有或較小有方向上的變化）大于Kc=1的動(dòng)強(qiáng)度（剪應(yīng)力發(fā)生反復(fù)的方向變化）。當(dāng)然，如果初始固結(jié)應(yīng)力比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，初始剪應(yīng)力很大，則在動(dòng)應(yīng)力作用下的靜、動(dòng)剪應(yīng)力有可能大于土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土的抗液化強(qiáng)度必將進(jìn)一步降低。vo

9、c3c1cK00土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性15 3.動(dòng)荷載條件 （1）從動(dòng)荷載作用的波形條件看，砂土對于液化的抵抗能力在沖擊波（僅在部分時(shí)間內(nèi)具有相同的最大加速度，在它前只有1-2個(gè)峰的振幅超過最大振幅的60%）作用時(shí)最大，振動(dòng)型波（在最大振幅的一側(cè)波形內(nèi)有3個(gè)以上的峰，其振幅超過最大振幅的60%）作用時(shí)次之，正弦型波作用時(shí)最小。 （2）從動(dòng)荷載的振幅A和頻率f來看，它們與振動(dòng)的最大加速度有直接關(guān)系， 。試驗(yàn)表明，只要加速度不變，低頻高幅和高頻低幅的不同組合對土的動(dòng)力效應(yīng)一般并沒有多大的差別。Af4a22土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性16 （3）動(dòng)荷載作用的持續(xù)時(shí)間對砂土液化的發(fā)展具有極大的影響。如振動(dòng)的時(shí)間很長，幅值并不很大的動(dòng)荷載也可能引起土的液化。 （4）對于振動(dòng)作用的方向，試驗(yàn)表明，振動(dòng)方向接近土的內(nèi)摩擦角時(shí)抗剪強(qiáng)度最低。 4.排水條件 排水條件是指土層的透水程度、排水路徑、及排滲邊界條件。 當(dāng)在多層地基中有可液化土層存在時(shí)，其他土層對可液化土層的影響主要表現(xiàn)在排滲能力（透水程度和實(shí)際厚度）和層位結(jié)構(gòu)（不同液化勢組成的土層）兩個(gè)方面。土的動(dòng)力特性規(guī)律（二）振動(dòng)液化特性17 排滲能力越強(qiáng)，抗液化強(qiáng)度越大。成層地基中的可液化土層，即使其相鄰?fù)翆硬o顯著的排滲條件，但由于動(dòng)荷載作用下鄰層土中所引起的動(dòng)孔壓很低，也可以對液化土層中本應(yīng)產(chǎn)生的高孔壓起到拉