第十章土在動荷載作用下的力學性質(zhì)

1、第十章第十章土在動荷載作用下的力學性質(zhì)土在動荷載作用下的力學性質(zhì)土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.1 概述概述 根據(jù)動荷載作用的特點，可以將其分成三種類型。(1) 周期荷載(2) 沖擊荷載(3) 不規(guī)則荷載 0sinP tPt簡諧荷載 00tP tPt 荷載隨時間的變化無規(guī)律可循，即為不規(guī)則荷載。最為典型的不規(guī)則荷載就是地震荷載。 土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.2 土的動強度和變形特性土的動強度和變形特性 加荷速度不同，土的反應也不同。由圖10.1所示，慢速加荷時強度雖然低于快速加荷，但承受的應變范圍較大 。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用

2、下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.2.1 反復荷載下土的強度特征反復荷載下土的強度特征 土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.2.2 反復荷載下土的變形特征反復荷載下土的變形特征土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)1ddabE土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.2.3 土動力室內(nèi)測試技術土動力室內(nèi)測試技術1）動力測試基本原理(1) 激振(2) 測振 激振的基本原理就是向土樣施加某種動荷載，使其盡可能地模擬實際的動力作用。室內(nèi)模擬激振的方法主要有： 機械激振； 電磁激振； 電液激振；氣動激振。 土

3、動力試驗的各項物理量，不論是儀器直接輸出給試樣的，還是試樣間接反應回來的，均需要由振動系統(tǒng)進行量測。測振的參數(shù)包括三大類： 應力； 應變；振動性狀(阻尼、衰減等)。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)2）振動三軸試驗2(1)ddEG 土的動力參數(shù)可通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗測定。室內(nèi)一般多采用振動三軸儀試驗測定。試驗時對圓柱形土樣施加軸向循環(huán)變化的壓縮與拉伸荷載，直接量測土樣的應力和應變值，從而繪制應力應變曲線即滯回圈(圖10.9)。試驗所得滯回圈是試樣在循環(huán)荷載下壓縮與拉伸的結(jié)果，所以求得的模量是動彈性模量Ed。而剪切模量Gd由下式求出：土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性

4、性質(zhì)質(zhì)3）振動剪切試驗 對實際地基來說，土的振動變形大部分是由于從下臥層向上傳遞的剪切波引起的，如圖10.11所示。對于地表為水平的土層，地震前在地下某一深度的水平面上只作用垂直應力0，而初始剪應力為零。由于地震作用，在水平面上附加一往復剪應力，而垂直應力0仍保持不變。當?shù)孛鏋閮A斜面或有建筑物時，則地面某一深度水平面不僅有初始垂直應力0，而且還存在初始剪應力。 土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)4）共振柱試驗 共振柱試驗是根據(jù)共振原理，在一個圓柱形試樣上進行振動，改變振動頻率使其產(chǎn)生共振，并借以測求試樣的動彈性模量及阻尼比等參數(shù)。其工作原理可以用圖10.12簡化模型表示。圖中

5、圓柱形試樣的底端固定，試樣的頂端附加一個集中質(zhì)量塊，并通過該質(zhì)量塊對試樣施加垂直軸向振動或水平振動。當土柱的頂端受到施加的周期荷載而處于強迫振動時，振動由柱體頂端以波動形式沿柱體向下傳播，使整個柱體處于振動狀態(tài)。共振柱試驗是一種無損試驗技術，它的優(yōu)越性表現(xiàn)在試驗的可逆性和重復性上，從而可求得十分穩(wěn)定的結(jié)果。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)5）振動臺試驗 振動臺試驗是20世紀70年發(fā)展起來的專門用于土的液化性狀研究的室內(nèi)大型動力試驗。相對于常用的動三軸和動單剪試驗，振動臺試驗有下述優(yōu)點：(1) 可以制備模擬現(xiàn)場狀態(tài)飽和砂的大型均勻試樣，可以測出土樣內(nèi)部的應變和加速度。(2)

6、在低頻和平面應變條件下，整個土樣中將產(chǎn)生均勻的加速度，相當于現(xiàn)場剪切波的傳播。(3) 可以查出液化時大體積飽和土中實際孔隙水壓力的分布。(4) 在振動時能用肉眼觀察試樣。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)6）離心模型試驗 離心機模型試驗首先需要根據(jù)試驗研究的目的和要求，選擇適合的用于單向或雙向振動試驗的模型箱，然后與靜力離心模型試驗一樣需要綜合考慮離心機的容量、原型的尺寸、模型箱尺寸和觀測儀器的布置等，合理確定模型比尺。理想的模型箱應該具備的條件 ：(1) 振動過程中，不影響剪切波或剪切應力的傳遞，盡量使水平剪切剛度為零，對土的變形無影響；(2) 振動過程中模型箱水平斷面尺寸

7、應保持不變；(3) 模型箱側(cè)壁應具有足夠的剛度；(4) 盡量減少模型箱壁的質(zhì)量，以減少邊界處側(cè)向動土壓力。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.3 砂土振動液化砂土振動液化 在動力荷載(振動)作用下砂土(特別是飽和砂土)表現(xiàn)出類似液體性狀而完全失去了承載能力的現(xiàn)象稱為砂土液化砂土液化。 10.3.1 砂土液化機理砂土液化機理1）砂土液化造成的災害(1) 噴砂冒水(2) 震陷(3) 滑坡(4) 地基失穩(wěn)2)液化機理 當孔隙水壓力 以及 時，沒有黏聚力的砂土的強度就完全喪失，而處于沒有抵抗外荷能力的懸浮狀態(tài)，故產(chǎn)生了砂土“液化”。 u0土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學

8、學性性質(zhì)質(zhì)3) 影響砂土液化的主要因素(1) 土的種類 粉細砂土、輕亞黏土比中、粗砂土容易液化；級配均勻的砂土比級配良好的砂土易發(fā)生液化。(2) 土的密度 松砂在振動中體積易于縮小，孔隙水壓力上升快，故松砂較密砂容易液化。(3) 土的初始應力狀態(tài) 試驗亦表明，對于同樣條件的土樣，發(fā)生液化所需的動應力將隨著固結(jié)壓力的增加而增大。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.3.2 砂性土地基液化判別砂性土地基液化判別砂性土地基液化判別方法現(xiàn)場試驗室內(nèi)試驗經(jīng)驗對比法1)建筑抗震設計規(guī)范判別方法 在地面下20m深度范圍內(nèi)，液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計算：0ln(0.61.5)0

9、.13/crrwcNNdd土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)2)公路工程抗震設計規(guī)范判別方法 在公路工程抗震設計規(guī)范(JTJ004-89)中，砂性土液化判別公式是以Seed H B的液化判別圖 曲線族中震級M=7.5的分界線為基礎換算得到的，對地面以下20m 深度范圍內(nèi)的砂土和亞砂土，其液化判別公式如下：/v1N163.5nNC N1/2011.8 1 13.068.09chveNK C若 ，則判為液化，否則判為不液化。1cNN土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.3.3 場地液化危害性防治措施場地液化危害性防治措施場地液化危害性防治措施加強基礎方面消除或

10、減輕土層液化可能性方面樁基或沉井全補償伐板基礎箱形基礎等深基礎換土加密膠結(jié)設置排水系統(tǒng)土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.4 土的壓實性土的壓實性10.4.1 土的實性對工程的意義土的實性對工程的意義 土的壓實土的壓實就是指填土在壓實能量作用下，使土顆?？朔w粒間阻力而重新排列，使土中的孔隙減少、密度增加，從而使填土在短時間內(nèi)得到新的結(jié)構(gòu)強度。 壓實細粒土宜用夯擊機具或壓力較大的碾壓機具，同時必須控制土的含水量。 壓實粗粒土時，則采用振動機具，同時充分灑水。 在同一壓實功能對于不同狀態(tài)的土的壓實效果可以完全不同，而為了達到同樣的壓實效果又可能要花費相當大的不符合技術經(jīng)濟要

11、求的代價。為了技術上可靠和經(jīng)濟上的合理，就需要了解土的壓實特性與變化規(guī)律。 土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.4.2 擊實試驗與土的壓實特性擊實試驗與土的壓實特性 擊實試驗是研究土的壓實性能的室內(nèi)試驗方法。擊實試驗所用的主要設備是擊實儀。目前我國通用的擊實儀有兩種，即輕型擊實儀和重型擊實儀，其基本部分是擊實筒和擊實錘，前者是用來 盛裝制備土樣， 后者對土樣施 以夯壓功能。1) 擊實試驗1dw土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì) 通過對每一個土樣的擊實試驗結(jié)果就得到兩個相對應的數(shù)據(jù)，即擊實土的含水量與干容重d 。由一組幾個不同含水量的同一種土樣的擊實試驗結(jié)

12、果繪制擊實曲線如圖所示。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì) 擊實曲線是研究土的壓實特性的基本關系圖。從圖中可見，擊實曲線上有一峰值，此處的干容重為最大，稱為最大干容最大干容重重。與之對應的制備土樣含水量則稱為最佳含水量最佳含水量。2)土的壓實特性(1) 壓實曲線性狀土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)(2) 土類對壓實特性的影響土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)(3) 擊實功能對壓實特性的影響 圖10.19則表示同一種土樣在不同擊實功能作用下所得到的壓實曲線。隨著壓實功能的增大，擊實曲線形態(tài)不變，但位置發(fā)生了向左上方的移動即增大了，而卻減小了

13、。圖中的曲線形態(tài)還表明，當土為偏干時，增加擊實功對提高干容重的影響較大，偏濕時則收 效不大，故對偏 濕的土采用增大 擊實功以提高它 的密度是不經(jīng)濟 的。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)(4) 土的壓實機理解釋 擊實曲線所反映的變化說明了土壓實性的復雜，其內(nèi)在機理解釋或者所謂壓實理論尚在發(fā)展中。直至七十年代經(jīng)過學者們不斷研究和探索，基本上認為土的壓實特性同土的組成與結(jié)構(gòu)、土粒的表面現(xiàn)象、毛細管壓力、孔隙水和孔隙氣壓力等均有關系，所以因素是復雜的。 土的壓實特性變化的外觀因素主要有：土類、制備含水量和外部擊實功能，這三者的不同組合與作用通過土的顆粒變位，結(jié)構(gòu)調(diào)整，引力和孔隙壓力

14、(包括水和氣)的作用等內(nèi)在因素表現(xiàn)出不同的結(jié)果。 土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)(5) 壓實特性在現(xiàn)場填土中的應用ddK土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.4.3 壓實土的壓縮性和強度壓實土的壓縮性和強度1) 壓縮性 一般來說，填土在壓實到一定密度以后，其壓縮性就大為減小。當填土的干密度 時，變形模量E0顯著提高。這對于作為建筑物地基的填土顯得尤為重要。316.5/dkN m土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)2) 強度 壓實土的抗剪強度性狀取決于受剪時的密度和含水量。填筑水量對強度的影響，在偏干和偏濕時均不相同。 土在土在動動荷荷載

15、載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì) 從圖10.24所示曲線可見，當壓實土的含水量低于最佳含水量時（偏干狀態(tài)），雖然干重度比較小，強度卻比最大干重度時大得多。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.5 本章小結(jié)本章小結(jié)1.土在動荷載作用下的變形與強度特性不同于靜載情況。飽和狀態(tài)砂土或粉土在一定強度的動荷載作用下表現(xiàn)出類似液體的性狀，完全失去強度和剛度形成砂土液化，它的工程危害嚴重，應對場地液化危害性進行評價并采取防治措施。2.砂土液化與土的種類、土的密度、土的初始應力狀態(tài)等因素有關。3.砂性土液化的判別是地基基礎抗震設計的一項重要任務。目前的判別方法很多，歸納起來主要是現(xiàn)場試驗，室內(nèi)試驗及經(jīng)驗對比法三大類。4.場地液化危害性防治措施：一方面加強基礎，另一方面消除或減輕土層液化可能性。土在土在動動荷荷載載作用下的力作用下的力學學性性質(zhì)質(zhì)10.5 本章小結(jié)本章小結(jié)5.土的壓實就是指填土在壓實能量作用下，使土顆