第九章 土在動荷載作用下特性

1、第九章第九章 土在動荷載作用下的特土在動荷載作用下的特性性本章內容本章內容9.19.1概述概述9.29.2土在動荷載下的性質土在動荷載下的性質9.39.3土的振動液化土的振動液化9.49.4防治土液化的工程措施防治土液化的工程措施圣法南度水庫（加利福尼亞）大壩在圣法南度水庫（加利福尼亞）大壩在19711971年地震時地基液化造成大壩沉陷年地震時地基液化造成大壩沉陷地震來臨的時候，地震來臨的時候，在砂土地基上會發(fā)在砂土地基上會發(fā)生什么生什么? ?工程背景9.1 9.1 概述概述地基液化導致?lián)跬翂笸翂毫υ龃?地基失穩(wěn)1964新舄縣中越地震新舄縣中越地震, 日本日本 地震造成的涌砂地震造成昭和大橋

2、基礎移位,橋梁落臺.1964 阿拉斯加地震，美國阿拉斯加地震，美國 砂土液化造成砂質邊坡失穩(wěn) 路基下的薄粉砂層和透鏡體液化后造成粘土路基開裂1925 圣巴巴拉地震、美國加利福尼亞州圣巴巴拉地震、美國加利福尼亞州粉質砂土填筑的水庫大壩液化坍塌地震液化后的涌砂鐵路路基涌砂1989 洛馬普列塔洛馬普列塔 , 美國舊金山美國舊金山 地震液化后的涌砂塞納河堤在地震液化后的沉陷1995 神戶大地震、日本神戶大地震、日本 地基液化對公路的損壞地基液化對公路的損壞靜荷載：由零逐漸緩慢增加到結構上的荷載。靜荷載：由零逐漸緩慢增加到結構上的荷載。周期荷載：荷載隨時間周期荷載：荷載隨時間t t的變化規(guī)律可以用正弦或

3、余弦函數(shù)表示的變化規(guī)律可以用正弦或余弦函數(shù)表示沖擊荷載：短時間內，荷載急劇增大或縮小，各類爆炸。沖擊荷載：短時間內，荷載急劇增大或縮小，各類爆炸。 隨機荷載（非確定性荷載或不規(guī)則荷載）：荷載在將來任一時隨機荷載（非確定性荷載或不規(guī)則荷載）：荷載在將來任一時刻的數(shù)值無法事先確定，則稱為隨機荷載?？痰臄?shù)值無法事先確定，則稱為隨機荷載。 9.1.1 9.1.1 動力荷載的類型及特點動力荷載的類型及特點動荷載：荷載的大小、方向和作用位置隨時間而變化。動荷載：荷載的大小、方向和作用位置隨時間而變化。 荷載P時 間 t峰 值g0加速度(g)0時 間 t時 間 t0P1t0t) (tP0P荷載P時間t峰值0

4、P1t0tg)(tP0P00時間t時間t加速度荷載荷載P時 間 t峰 值g0加速度(g)0時 間 t時 間 t0P1t0t)(tP0P動荷載的類型動荷載的類型 a a）沖擊荷載）沖擊荷載 b b）不規(guī)則荷載）不規(guī)則荷載 c c）周期荷載）周期荷載9.1.1 9.1.1 動力荷載的類型及特點動力荷載的類型及特點9.1.2 9.1.2 動力荷載對地基土體的影響動力荷載對地基土體的影響1）土的強度降低；）土的強度降低； 2）地基產生附加沉降；）地基產生附加沉降； 3）砂土與粉土的液化；）砂土與粉土的液化； 4）粘性土產生蠕變。）粘性土產生蠕變。 動力荷載作用大小由于隨時間動力荷載作用大小由于隨時間變

5、化而發(fā)生改變，將對地基土體產變化而發(fā)生改變，將對地基土體產生不同的效應。如速率效應與循環(huán)生不同的效應。如速率效應與循環(huán)效應等。在循環(huán)效應的影響下，即效應等。在循環(huán)效應的影響下，即使很小的應變仍能引起土體的破壞，使很小的應變仍能引起土體的破壞，其根本原因在于土體的抗剪強度的其根本原因在于土體的抗剪強度的降低。降低。 研究土在各種動荷載作用下的強度和變形特性、振動研究土在各種動荷載作用下的強度和變形特性、振動波在土中傳播的規(guī)律，以及地基和土工建筑物的動力分析波在土中傳播的規(guī)律，以及地基和土工建筑物的動力分析和工程抗震問題。和工程抗震問題。 動荷載作用下的變形、強度以及液化的規(guī)律，比靜荷動荷載作用下

6、的變形、強度以及液化的規(guī)律，比靜荷載作用下的更復雜，更難把握，因而也就更不成熟，更有載作用下的更復雜，更難把握，因而也就更不成熟，更有發(fā)展余地發(fā)展余地. . 砂土振動液化是動力分析中的一個重要課題。砂土振動液化是動力分析中的一個重要課題。 9.1.3 9.1.3 土動力學問題土動力學問題 當土體受到如地震、爆破、機械震動、車輛運行等動力作當土體受到如地震、爆破、機械震動、車輛運行等動力作用時，土內產生新的壓力而引起土的變形。用時，土內產生新的壓力而引起土的變形。 土在動力作用下的變形可分為彈性變形與殘余變形。當動土在動力作用下的變形可分為彈性變形與殘余變形。當動荷載強度較小不超過土的彈性極限時

7、，它所引起的變形主要為荷載強度較小不超過土的彈性極限時，它所引起的變形主要為彈性變形，彈性模量，泊松比，振動阻尼系數(shù)等為其主要動力彈性變形，彈性模量，泊松比，振動阻尼系數(shù)等為其主要動力參數(shù)。參數(shù)。 當動力強度較大時，它所引起的變形為殘余變形，動力越當動力強度較大時，它所引起的變形為殘余變形，動力越大，變形越大，結果使土的結構破壞，土體壓縮沉降，強度減大，變形越大，結果使土的結構破壞，土體壓縮沉降，強度減弱，嚴重者可使土體失去強度而威脅建筑物及邊坡等穩(wěn)定性。弱，嚴重者可使土體失去強度而威脅建筑物及邊坡等穩(wěn)定性。 （1 1）振動力作用下土的密度）振動力作用下土的密度 在動力作用下，顆粒活動能力增大

8、，致使土的顆粒間連接在動力作用下，顆?；顒幽芰υ龃?，致使土的顆粒間連接力削弱，土的壓縮性增大，特別對砂土來說尤為顯著。砂土在力削弱，土的壓縮性增大，特別對砂土來說尤為顯著。砂土在靜荷載作用下壓縮性小，在一般建筑物荷載下可不予考慮；但靜荷載作用下壓縮性小，在一般建筑物荷載下可不予考慮；但在振動荷載作用下，具有較大的壓縮性。在振動荷載作用下，具有較大的壓縮性。 在振動荷載作用下，砂土的壓縮、飽和砂的液化及軟粘土在振動荷載作用下，砂土的壓縮、飽和砂的液化及軟粘土的觸變?yōu)樗鼈兊闹饕獎恿μ匦?。的觸變?yōu)樗鼈兊闹饕獎恿μ匦浴?（2 2）振動力作用下的抗剪強度）振動力作用下的抗剪強度 振動力作用下土的抗剪強度

9、降低，對砂土來說尤為顯著。振動力作用下土的抗剪強度降低，對砂土來說尤為顯著。因為在振動力作用下，砂土顆粒間摩擦力降低，當振動加速因為在振動力作用下，砂土顆粒間摩擦力降低，當振動加速度達到某一起始加速度時，砂土的強度隨著加速度增大而不度達到某一起始加速度時，砂土的強度隨著加速度增大而不斷降低。斷降低。 動荷載對一般粘性土的強度影響不大，而對飽水軟粘土動荷載對一般粘性土的強度影響不大，而對飽水軟粘土如淤泥及淤泥質亞粘土、粘土等則影響顯。在振動作用下飽如淤泥及淤泥質亞粘土、粘土等則影響顯。在振動作用下飽和軟粘土的結構會遭到破壞，而使其強度及粘滯性劇烈降低。和軟粘土的結構會遭到破壞，而使其強度及粘滯性

10、劇烈降低。 （3 3）砂土的結構變化）砂土的結構變化 受高頻振動時，顆粒位置重新調整，使砂更趨密實。受高頻振動時，顆粒位置重新調整，使砂更趨密實。 飽和的粉砂、細砂在動荷載作用下，會失去強度，產生飽和的粉砂、細砂在動荷載作用下，會失去強度，產生砂土液化。砂土液化。 土的類型和所處狀態(tài)不同，對動荷載的反應也不相同土的類型和所處狀態(tài)不同，對動荷載的反應也不相同處于飽和狀態(tài)的砂土和粉土在周期性動荷載作用下可能液化處于飽和狀態(tài)的砂土和粉土在周期性動荷載作用下可能液化淤泥、淤泥質土在周期性動荷載作用下，由于孔隙水壓力上淤泥、淤泥質土在周期性動荷載作用下，由于孔隙水壓力上升，強度降低等緣故會導致沉降和滑移

11、升，強度降低等緣故會導致沉降和滑移9.2 9.2 土在動荷載下的性質土在動荷載下的性質9.2.19.2.1動荷載對地基土的影響動荷載對地基土的影響當動荷載很小時，土顆粒之間的聯(lián)結幾乎沒有遭到破壞，土當動荷載很小時，土顆粒之間的聯(lián)結幾乎沒有遭到破壞，土骨架的變形能夠恢復，并且土顆粒之間相互移動所損耗的能骨架的變形能夠恢復，并且土顆粒之間相互移動所損耗的能量也少，土處于理想的彈粘性力學狀態(tài)量也少，土處于理想的彈粘性力學狀態(tài)隨動荷載增大，顆粒之間的聯(lián)結遭到破壞，土骨架產生不可隨動荷載增大，顆粒之間的聯(lián)結遭到破壞，土骨架產生不可恢復的變形。土顆粒之間相互移動所損耗的能量增大，土越恢復的變形。土顆粒之間

12、相互移動所損耗的能量增大，土越來越表現(xiàn)出非彈性或塑性性能來越表現(xiàn)出非彈性或塑性性能當動荷載增大到一定程度時，土顆粒之間的聯(lián)結幾乎完全破當動荷載增大到一定程度時，土顆粒之間的聯(lián)結幾乎完全破壞，土處于流動或破壞狀態(tài)壞，土處于流動或破壞狀態(tài)9.2 9.2 土在動荷載下的性質土在動荷載下的性質9.2.29.2.2土在動荷載作用下的破壞特征土在動荷載作用下的破壞特征變形變形往返變形和永久變形往返變形和永久變形孔隙水壓力孔隙水壓力加靜載時，土內可能產生負的孔壓；加動載時孔壓總是加靜載時，土內可能產生負的孔壓；加動載時孔壓總是增高的。增高的。飽和砂土地震時孔壓上升至靜的有效正應力，會導致砂飽和砂土地震時孔壓

13、上升至靜的有效正應力，會導致砂土液化。是否液化主要取決于土的密度。土液化。是否液化主要取決于土的密度。粘性土地震時可以增量很小原因在于粘性土顆粒之間的粘性土地震時可以增量很小原因在于粘性土顆粒之間的連接的電化學本質。連接的電化學本質。9.2 9.2 土在動荷載下的性質土在動荷載下的性質9.2.39.2.3土對地震荷載反應的主要表現(xiàn)土對地震荷載反應的主要表現(xiàn) 對地震反應明顯：中等密度或松的飽和砂土；粘粒含量小于對地震反應明顯：中等密度或松的飽和砂土；粘粒含量小于10101515的飽和砂質粘土或粉質軟粘土；含礫量的飽和砂質粘土或粉質軟粘土；含礫量7080%7080%7080%的砂礫石土等的砂礫石土

14、等9.2 9.2 土在動荷載下的性質土在動荷載下的性質9.2.4 9.2.4 根據(jù)土對地震荷載反應的分類根據(jù)土對地震荷載反應的分類 引起結構物振動引起結構物振動 破壞地基破壞地基 動力機器引起基礎過大的振幅（甚至共振）動力機器引起基礎過大的振幅（甚至共振） 高層建筑（高層建筑（20203030層）在軟基上容易損壞，而低層建筑層）在軟基上容易損壞，而低層建筑（5 56 6層）在硬基上反而比較容易損壞層）在硬基上反而比較容易損壞9.2 9.2 土在動荷載下的性質土在動荷載下的性質9.2.5 9.2.5 動荷載作用對工程建筑的影響動荷載作用對工程建筑的影響9.39.3土的振動液化土的振動液化 9.3

15、.1 9.3.1 土的振動液化機理土的振動液化機理 飽和、松散砂土、粉土飽和、松散砂土、粉土土中孔隙水壓力逐漸積累（增大）土中孔隙水壓力逐漸積累（增大）土的有效應力降低至為零土的有效應力降低至為零在荷載作用下在荷載作用下土處于懸浮狀態(tài)似水的性質土處于懸浮狀態(tài)似水的性質抗剪強度完全喪失抗剪強度完全喪失土的振動液土的振動液化化土的類別 土的初始密實度 土的飽和度 內因方面9.3.2 9.3.2 土液化的影響因素土液化的影響因素土的初始應力狀態(tài) 往復應力(地震)強度 往復次數(shù)(地震歷時) 地下水位的變化 外因方面9.3.2 9.3.2 土液化的影響因素土液化的影響因素 塑性指數(shù)高的粘土不易液化塑性指

16、數(shù)高的粘土不易液化低塑性、無塑性易于液化低塑性、無塑性易于液化振動作用下發(fā)生液化的飽和土振動作用下發(fā)生液化的飽和土1、土的影響、土的影響粒徑小于粒徑小于2mm黏粒含量低于（黏粒含量低于（10-15）%塑性指數(shù)低于塑性指數(shù)低于7010.10.20.331030100液化應力比往返加荷次數(shù)飽和度Sr=0.980.990.9950.9981Dr=0.45飽和度少有減小，液化應力比明顯增大，即容易液化飽和度少有減小，液化應力比明顯增大，即容易液化2.2.土的初始密度的影響土的初始密度的影響土的初始密實度越大土的初始密實度越大土越不易液化土越不易液化3 3、土的初始固結壓力的影響、土的初始固結壓力的影響土的周圍壓力越大土的周圍壓力越大土層埋藏越深土層埋藏越深土越不易液化土越不易液化4 4、往復應力強度與次數(shù)的影響、往復應力強度與次數(shù)的影響往復應力越小往復應力越小需越多的振動次數(shù)才可產生液化需越多的振動次數(shù)才可產生液化結結 論論 要持續(xù)足夠的應力周期才發(fā)生液化、土體失去穩(wěn)定要持續(xù)足夠的應力周期才發(fā)生液化、土體失去穩(wěn)定9.4 9.4 防止土液化的工程措施防止土液化的工程措施(1)(1)一般不宜將建筑基礎放在未經處理的液化土層上一般不宜將建筑基礎放在未經處理