土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)第10章-土在動荷載作用下的特性課件

1、第10章土在動荷載作用下的特性10.1土的壓實性10.2砂土和粉土的振動液化10.1土的壓實性10.1.1土的壓實性對工程的意義 土的壓實是指采用人工或機械對土施以夯壓能量(如夯、碾、振動等方式),使土顆粒重新排列壓實變密,外部的夯壓功能使土在短時間內(nèi)得到新的結(jié)構(gòu)強度,包括增強粗顆粒土之間的摩擦和咬合,以及增加細粒土之間的分子引力以改善土的性質(zhì)。 實踐表明,由于土的基本性質(zhì)復(fù)雜多變,不同土類對外界因素作用的反應(yīng)不同。同一壓實功能對于不同狀態(tài)的土壓實效果完全不同,而為了達到同樣的壓實效果又可能付出相當(dāng)大的不符合技術(shù)經(jīng)濟要求的代價。因此為了技術(shù)可靠和經(jīng)濟合理,需要了解土的壓實性及其變化規(guī)律。 在工

2、程建設(shè)中,經(jīng)常遇到填土,為了改善這些土的工程性質(zhì),常采用壓實的方法使土變得密實。如路堤、土壩以及10.1土的壓實性用土作為橋臺、擋土墻、埋設(shè)的管道或基礎(chǔ)的墊層或回填土等,都是把土作為建筑材料,按一定要求和范圍進行堆填而成。填土不同于天然土層,經(jīng)過挖掘、搬運之后,原狀結(jié)構(gòu)已被破壞,含水量也已變化,堆填時必然在土團之間留下許多大孔隙。未經(jīng)壓實的填土強度低,壓縮性大而且不均勻,遇水易發(fā)生塌陷、崩解等。為滿足工程要求,必須按一定標(biāo)準(zhǔn)壓實。特別是路堤在車輛反復(fù)動荷載作用下,可能出現(xiàn)不均勻、過大的沉陷或塌落甚至失穩(wěn)滑動,路堤填土必須具有足夠的密實度以確保通行安全。對于松散土層構(gòu)成的路塹地段的路基,為改善其

3、工作條件也應(yīng)予以壓實。 土的壓實也用在地基處理方面,某些松軟的地基土,由于其強度低、變形大,直接在其上修建建筑物,不能滿足地基承載力、變形的設(shè)計要求,需進行加固處理。10.1土的壓實性 可采用換填墊層法加固,通過分層壓實改善土的不良性質(zhì)。土的壓實是在動荷載作用下得到的,提高了土的密實度,從而使土的強度得到提高,土的壓縮性降低和透水性減小。還可采用重錘夯實處理軟弱地基提高其承載力。 本節(jié)從土質(zhì)學(xué)和土力學(xué)的角度,介紹土體壓實的機理及壓實土的力學(xué)特性與指標(biāo)。圖10-1擊錘和導(dǎo)桿(單位:mm)a)2.5kg擊錘-落高30cmb)4.5kg擊錘-落高45cm1提手2導(dǎo)筒3硬橡皮墊4擊錘10.1土的壓實性

4、10.1.2土的擊實試驗與土的壓實特性1.土的擊實試驗 擊實試驗是研究土壓實性能的室內(nèi)試驗方法,主要設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)擊實儀,如圖10-1、圖10-2所示。擊實儀的基本部分是擊實筒和擊實錘,前者用來盛裝制備土樣,后者對土樣施以夯實功能。根據(jù)擊實土的最大粒徑,分別采用兩種不同規(guī)格的擊實筒,擊實筒的規(guī)格如圖10-2所示。擊實試驗方法和相應(yīng)設(shè)備的主要參數(shù)應(yīng)符合表10-1的規(guī)定。擊實試驗分輕型擊實和重型擊實。輕型擊實試驗適用于粒徑不大于20mm的土,重型擊實試驗適用于粒徑不大于40mm的土。10.1土的壓實性圖10-2擊實筒(單位:mm)a)小擊實筒b)大擊實筒1套筒2擊實筒3底板4墊塊表10-1擊實試驗方法

5、種類試驗方法類別錘底直徑/cm錘質(zhì)量/kg落高/cm試筒尺寸試樣尺寸層數(shù)每層擊數(shù)擊實功/(kJ/m3)最大粒徑/mm內(nèi)徑/cm高/cm高/cm體積/cm3輕 型-1-2552.52.530301015.212.71712.7129972177332759598.2598.22040重型-1-2554.54.545451015.212.71712.71299721775327982687.02677.2204010.1土的壓實性 試驗時,按土的塑限估計最佳含水量,并依次按相差約2%的含水量制備一組試樣(不少于5個),其中有兩個大于和兩個小于最佳含水量。將含水量一定的土樣分層裝入擊實筒內(nèi),每裝一層

6、后都用擊實錘按規(guī)定的落距錘擊一定的次數(shù),然后由擊實筒的體積和筒內(nèi)被擊實土的總質(zhì)量計算出被擊實土的濕密度,從已被擊實的土中取樣測定其含水量,由式(10-1)計算擊實土樣的干密度d,即 d= (10-1) 這樣通過對一個土樣的擊實試驗就得到一對數(shù)據(jù),即擊實土的含水量與干密度d。對一組不同含水量的同一種土樣按上述方法作擊實試驗,便可得到一組成對的含水量和干重度,將這些數(shù)據(jù)繪制成擊實曲線,如圖10-3所示。擊實曲線反映了在一定擊實功作用下土的含水量與干密度的關(guān)系。10.1土的壓實性圖10-3擊實曲線2.土的壓實特性 (1)壓實曲線形狀擊實試驗得到的擊實曲線是研究土壓實特性的基本關(guān)系圖。從圖10-3可見

7、,擊實曲線上有一峰值,此處的干密度最大,稱為最大干密度;與之對應(yīng)的含水量稱為最佳含水量op(或稱最優(yōu)含水量)。峰值點表明,在一定的擊實功作用下,只有當(dāng)壓實土為最佳含水量時,土才能被擊實到最大干密度,才能達到最佳壓實效果。10.1土的壓實性 最佳含水量op和最大干重度 對于路基設(shè)計和施工都很有用。為了在現(xiàn)場控制施工質(zhì)量,保證在一定的施工條件下壓實填土達到設(shè)計所要求的壓實度標(biāo)準(zhǔn),需要得到路基土壓實的最大干密度和相應(yīng)的最佳含水量。這樣在模擬現(xiàn)場施工條件下,進行擊實試驗得到擊實曲線,再結(jié)合現(xiàn)場土密度的測定與控制,既可達到控制填土壓實度的目的。 最佳含水量與土的塑限含水量p接近,在擊實試驗時可取op=p

8、或op=p+2%,也可用經(jīng)驗公式op= L等作為選擇合適的制備土樣含水量范圍的參考。表10-2給出了塑性指數(shù)小于22的土的最大干密度和最佳含水量的經(jīng)驗值。10.1土的壓實性表10-2最大干密度和最佳含水量的經(jīng)驗值 從圖10-3的曲線形態(tài)還可看到,曲線左段比右段的坡度陡。表明含水量變化對于干密度的影響在偏干(含水量低于最佳含水量)時比偏濕(含水量高于最佳含水量)時更為明顯。 在d-曲線中還給出了飽和曲線,它表示當(dāng)土處于飽和狀態(tài)時的d-關(guān)系。飽和曲線與擊實曲線的位置說明,土是不可能被擊實到完全飽和狀態(tài)的。試驗表明,黏性土在最佳擊實狀態(tài)下(即擊實曲線峰值點),其飽和度通常為80%左右,整個擊實曲線始

9、終在飽和曲線左下側(cè)。這一點可以這樣理解,當(dāng)土的含水量接近和大于最佳值時,土孔隙塑性指數(shù)Ip最大干重度/(g/cm3)最佳含水量op(%)1.851.65g/cm3時,變形模量E0顯著提高。這對于作為建筑物地基的填土尤其重要。 (2)強度壓實土的抗剪強度也主要取決于受剪時的密度和含水量。如圖10-6所示為兩個含水量不同(偏干和偏濕)的壓實土試樣無側(cè)限抗壓強度試驗曲線。由圖可見,偏干試樣的強度較大,但試樣具有明顯的脆性破壞特點。如圖10-7所示則是對同樣條件的擊實土試樣進行三軸不固結(jié)不排水試驗和固結(jié)不排水試驗的對比曲線,試驗時所施加的側(cè)壓力同為3=175kPa。從圖中可見,當(dāng)試樣受到一有效軸向荷載

10、/kPa 填 筑 條 件低于最佳含水量1%時(d=1.76g/cm3)最佳含水量時(d=1.76g/cm3)高于最佳含水量1%時(d=1.76g/cm3)1751.91.92.37002.93.74.512255.25.97.617506.87.89.010.1土的壓實性定大小的側(cè)壓力時,偏干試樣強度也較大,但不呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特性。所以用偏干的土填筑強度較高。這一室內(nèi)試驗得出的結(jié)論已為相當(dāng)多的現(xiàn)場資料所證實。圖10-6不同含水量壓實土的 圖10-7不同含水量壓實土的三軸試驗 無側(cè)限抗壓強度試驗 從如圖10-8所示曲線可見,當(dāng)壓實土的含水量低于最佳含水量時(偏干狀態(tài)),雖干密度比較小,強度卻

11、比最大干密10.1土的壓實性度時大得多。圖10-8壓實土強度與干密度、含水量的關(guān)系 這是因為此時的擊實雖未使土達到最密實狀態(tài),但它克服了土粒引力等的聯(lián)結(jié),形成了新的結(jié)構(gòu),能量轉(zhuǎn)化為土強度的提高。即壓實土的強度在一定條件下可以通過增加壓實功予以提高。 關(guān)于土的強度試驗結(jié)果說明,一般情況下,只要滿足某些給定的條件,壓實土的強度還是比較高的。但正如關(guān)于它的壓縮性特性的研究所發(fā)現(xiàn)的,與壓實土遇水飽和會發(fā)生10.1土的壓實性附加壓縮問題一樣,在強度方面也有潛在危險,即浸水軟化會使強度降低(實際上附加壓縮可以看作是強度軟化的外觀表現(xiàn)形態(tài)),這就是所謂水穩(wěn)定性問題。公路、鐵路的路堤和堤壩等土工構(gòu)筑物都無法避

12、免浸水潤濕,尤其是那些修筑于河灘地段的過水路堤,其水穩(wěn)定性的研究與控制更為重要?！纠?0-1】某填土料場為中液限黏性土,天然含水量=21%,土粒相對密度Gs=2.70。室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗得到最大干密度dmax=1.85g/cm3。設(shè)計中壓實度標(biāo)準(zhǔn)k=d/dmax=95%,要求壓實后土的飽和度Sr0.9。問土料的天然含水量是否適用于填筑?碾壓時土料應(yīng)控制在多大的含水量?10.1土的壓實性解:(1)壓實土的干密度為d=kdmax=0.951.85g/cm3=1.76g/cm3 (2)求壓實后土的孔隙比。設(shè)Vs=1.0,根據(jù)干密度d,由三相比例關(guān)系求孔隙比e,即d= =1.76g/cm3 e=0.53

13、4 (3)求碾壓含水量。根據(jù)題意,按飽和度Sr=0.9控制含水量,由Sr=Vw/Vv計算水的體積,則Vw=SrVv=(0.90.534)cm3=0.48cm3因此,水的質(zhì)量mw=wVw=0.48g。= 100%=17.8%Cr (10-6)10.2砂土和粉土的振動液化式中Cr考慮室內(nèi)試驗條件與現(xiàn)場差別的修正系數(shù),一般取0.6。 在應(yīng)用式(10-6)時,還要考慮等效動剪應(yīng)力的作用周數(shù)Neq?？梢愿鶕?jù)可能的地震震級M,按表10-6確定Neq值。表10-6地震震級M與等效動剪應(yīng)力的作用周數(shù)Neq的統(tǒng)計關(guān)系3.場地液化危害性評價 前面介紹的方法是對某一土層的液化可能性進行判別。事實上,震害調(diào)查表明,對

14、于某一場地而言,液化導(dǎo)致的危害程度,還應(yīng)該與可液化土層的厚度、埋藏深度以及液化可能性的大小聯(lián)系起來。因此,GB 500112010建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定,對存在液化砂土層、粉土層的地基,應(yīng)震級M等效動剪應(yīng)力的作用周數(shù)Neq5.56.056.587.0127.5208.03010.2砂土和粉土的振動液化探明各液化土層的深度和厚度,按式(10-7)計算每個鉆孔的液化指數(shù),并按表10-7綜合劃分地基的液化等級IlE= diWi(10-7)式中IlE液化指數(shù);n在判別深度范圍內(nèi)每一個鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點的總數(shù);Ni、Ncrii點標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實測值和臨界值,當(dāng)實測值大于臨界值時應(yīng)取臨界值,當(dāng)只需要判別1

15、5m范圍以內(nèi)的液化時,15m以下的實測值可按臨界值采用;dii點所代表的土層厚度(m),可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點深度差的一半,但上界不高于地下水位深度,下界不低于液化深度;Wii土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值10.2砂土和粉土的振動液化(m-1)。當(dāng)該層中點深度不大于5m 時應(yīng)采用10,等于20m時應(yīng)采用零值,520m時應(yīng)按線性內(nèi)插法取值。表10-7液化等級與液化指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系 對應(yīng)于不同的液化等級,應(yīng)采取不同的抗液化措施。不宜將未經(jīng)處理的液化土層作為天然地基持力層。10.2.4防止砂土液化的工程措施 地震時因砂土地基液化而造成建筑物毀壞的情況十分普遍。所以,當(dāng)

16、判明建筑物地基中有可液化的砂土層時,必須采取相應(yīng)的工程措施,以防止震害。砂土液化的處理原則是避開、挖除或加固。如果可能液化的范圍不大,可以根據(jù)具體情況采取避開或挖除。但如果范圍較廣較深時,一般只能采取加固的措施。我國目前常用的加固方法有人液 化 等 級輕微中等嚴(yán)重液化指數(shù)IlE0IlE661810.2砂土和粉土的振動液化工加密、圍封、樁基以及蓋重等。 1)人工加密是增加砂土層密度,如用振浮法、砂樁擠密法以及國內(nèi)外近年推行的強夯法等。前兩者已經(jīng)實踐證明可有效地提高地基抗液化能力。后者經(jīng)近年實踐證明也是可行的。 2)圍封是用板樁把有可能液化的范圍包圍起來。 3)樁基建筑物基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),而樁必須穿過可能液化的砂層,支承在下部不液化的密實土層上。 4)蓋重是加大可液化砂層的上覆壓力。如在可能液化范圍的地面上加載(如堆土)等,這對防止液化也有一定效果。如果在增加上覆壓力過程中同時采取排水措施,還可使砂土進一步加密,抗液化效果更好。習(xí)題10-1某黏性土土樣的擊實試驗結(jié)果見表10-8。該土的顆粒重度s=27.0kN/m3。試?yán)L出擊實曲線,確定最佳含水量op及最大干重度dmax,并求出相應(yīng)于擊實曲線峰值點的飽和度與孔隙比。表10-8習(xí)題10-1表10-2將土以不同含水量配制成試樣,用標(biāo)準(zhǔn)的夯擊能使土樣擊實