土的動力性質(zhì)

土的動力性質(zhì)正文動力作用下的土的力學(xué)性能。當土的應(yīng)變（縱向應(yīng)變或剪應(yīng)變）在10-6?10-4范圍（如由于動力機器基礎(chǔ)、車輛行駛等所引起的振動）時，土顯示出近似彈性的特性；當應(yīng)變在10-4?10-2范圍（如打樁、中等程度的地震等所引起的振動）時，土具有彈塑性的特性；當應(yīng)變達到百分之幾的量級（如0.02?0.05）時，土將發(fā)生振動壓密、破壞、液化等現(xiàn)象。因此，土的主要動力特性通常以10-4的應(yīng)變值作為大、小應(yīng)變的界限值。在小應(yīng)變幅情況下，主要是研究土的動剪切模量和阻尼；在大應(yīng)變幅情況下則主要研究土的振動壓密和動強度問題；而振動液化則是特殊條件下的動強度問題。所以，土的動力性質(zhì)主要是指動剪切模量、阻尼、振動壓密、動強度和液化（見砂土液化）等五個方面。土的動剪切模量小應(yīng)變幅的動剪切模量常用野外波速法和室內(nèi)共振柱試驗測定，也可用經(jīng)驗公式估算。波速法根據(jù)所測得的從振源到拾振器之間的距離和剪切波（或壓縮波）到達拾振器所需要的時間來計算剪切波波速匕，則得：式中Gd為土的動剪切模量；p為土的質(zhì)量密度。波速法按其激振和接收方式的不同，有表面波波速法、上孔法、下孔法和跨孔法（兩個或更多個鉆孔）等，以后者用得較多（見工程地球物理勘探）。共振柱法在實心或空心的圓柱形土樣上施加縱向振動或扭轉(zhuǎn)振動，并逐級增大驅(qū)動頻率，直到試樣發(fā)生共振為止。根據(jù)一端固定、一端自由的端部條件，并忽視端部激振器的質(zhì)量，可得Gd=16/2W/9 （2）式中f為扭轉(zhuǎn)振動時的共振頻率；/為試樣的高度；Y為土的容重；9為重力加速度。影響土的動剪切模量的變量有剪應(yīng)變幅、有效平均主應(yīng)力、孔隙比、顆粒特征、土的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力歷史、振動頻率、飽和度和溫度等，其中有幾個變量是相互聯(lián)系的（如土的孔隙比、結(jié)構(gòu)和顆粒特征）。對小應(yīng)變幅動剪切模量，剪應(yīng)變幅的影響可以忽略。對于凈砂，在小剪應(yīng)變幅（小于10-5）的情況下，動剪切模量主要是孔隙比和有效平均主應(yīng)力的函數(shù)。較大的剪應(yīng)變幅將使動剪切模量減小。顆粒特征、飽和度和振動頻率對動剪切模量的影響很小。用共振柱法試驗時，土的最大粒徑不大于5.0毫米；但在1981年也報道了極粗粒土（如鐵路道碴d50=45毫米）的共振柱法試驗研究。在共振柱法中，如考慮到次時間效應(yīng)（對砂土，可忽略），就會使試驗結(jié)果較接近于現(xiàn)場實測值，且誤差在10%以內(nèi)。土的阻尼分幾何阻尼（或稱輻射阻尼）和內(nèi)阻尼（或稱材料阻尼），幾何阻尼是由于振動通過彈性波向外傳播時因波面增大而使能量耗失，內(nèi)阻尼是由于土的滯后和粘性效應(yīng)所產(chǎn)生的內(nèi)部能量損失。幾何阻尼可用彈性半空間理論計算。反映內(nèi)阻尼特性的常用指標有對數(shù)遞減率S和阻尼比。，它們間的關(guān)系如下：6值可用共振柱試驗求得：砂土的6值可大到0.2。在振動三軸儀試驗中，當記錄得土的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變滯回曲線如圖所示時，得沽回曲象噬土的動力性質(zhì)D=AL/4nAT （4）式中Al為滯回圈的總面積；At為圖中影線部分所示的面積。各種土的內(nèi)阻尼比如下：干砂和飽和砂為0.01?0.03；粘土為0.02?0.05。土的阻尼比隨著應(yīng)變幅的增加而增大，并分別隨著有效平均主應(yīng)力、孔隙比和加荷循環(huán)次數(shù)的增加而減小。土的振動壓密松土，特別是無粘性土，由于振動作用，其孔隙比將逐漸減小，并導(dǎo)致振陷，其值可達幾十厘米。當無外荷載作用時，不同飽和度的砂土將在下述振動加速度下（如干砂為0.2?1.2g，飽和砂為0.5?2.09，濕砂為2.0g）振動壓密到密實狀態(tài)。當有外荷載作用時，只有當振動加速度超過某一臨界振動加速度（稱振動壓密界限）時,土才會產(chǎn)生振動壓密作用，隨著振動加速度的增加，振動壓密將達到某一特定的孔隙比％或振動壓密指數(shù)L%=（ed—卵也）/（印以x一伊也） （5）式中/以、界皿為最大、最小孔隙比。粗砂的Id值為0.55?0.60,中砂為0.58?0.60,細砂為0.80?0.82。當天然砂土的相對密度小于Id時，則振動將導(dǎo)致地基振陷。土的動強度通常指土在一定振動循環(huán)次數(shù)下產(chǎn)生某一破壞應(yīng)變〔對均壓固結(jié)或偏壓固結(jié)分別采用5%（雙幅應(yīng)變）或10%（綜合應(yīng)變））時所需的動應(yīng)力，常用振動三軸儀、振動單剪儀、振動扭剪儀測定。在快速加載情況下，土的動強度大于靜強度，如砂土約增10?20%，飽和粘性土約增50?200%,部分飽和土約增50?150%，而且土的含水量愈大，動強度增加得愈多（尤以粘土為甚）。飽和砂土（特別如粉砂）在周期荷載作用下往往形成所謂液化現(xiàn)象。在不發(fā)生液化的情況下，飽和砂土的動摩擦系數(shù)將降低，并隨著振動加速度比a（振動加速度/重力加速度）的增加而減小。但當a<1,且頻率為1?5赫時，砂土的有效動摩擦系數(shù)只略小于有效靜摩擦系數(shù)。在周期荷載作用下，飽和粘土的動強度有可能小于或大于其靜強度，視土的類別和動荷特性(如振次)而定。粘性土的動強度一般變化不大，但隨著振次的增加，其強度降低，并接近于或小于其靜強度，這在軟粘土中減少得更為明顯；振次愈多，動強度愈小。參考書目F.E.小理查特等著，徐攸在等譯，錢鴻縉校：《土與基礎(chǔ)的振動》，中國建筑工業(yè)出版社，北京，1976。(F.E.Richart.Jr.，etal.，Vibrations