土動(dòng)力學(xué)-緒論

土動(dòng)力學(xué)

（SOILDYNAMICS)

第一章緒論

§1.1

土動(dòng)力學(xué)的任務(wù)、內(nèi)容、研究途徑土動(dòng)力學(xué)是土力學(xué)的一個(gè)分支，是研究動(dòng)荷載作用下土的變形和強(qiáng)度特性及土體穩(wěn)定性的一門(mén)學(xué)科。

土動(dòng)力學(xué)的任務(wù)在于探求動(dòng)荷載作用下土變形強(qiáng)度特性變化的規(guī)律性，應(yīng)用近代力學(xué)的原理，分析研究土工建筑物及建筑物土質(zhì)地基在各種動(dòng)力影響下的變形穩(wěn)定性和強(qiáng)度穩(wěn)定性。土動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容包括土的動(dòng)力特性;土體的動(dòng)力穩(wěn)定性(包括土與結(jié)構(gòu)物相互作用)兩大部分。由于動(dòng)荷具體作用的特性不同，土可能在下同應(yīng)力水平和動(dòng)應(yīng)變幅下工作，顯示出不同的應(yīng)力—應(yīng)變特性規(guī)律。故上述兩個(gè)部分的分析研究，必須盡量模擬實(shí)際動(dòng)荷作用的特點(diǎn)，面向動(dòng)荷作用下工程建設(shè)中的實(shí)際問(wèn)題，建立起自己的理論體系和分析解決問(wèn)題的基本方法。土動(dòng)力學(xué)解決的問(wèn)題：(1)工程建筑中的各種動(dòng)荷作用及其特點(diǎn)問(wèn)題；(2)動(dòng)荷所引起的振動(dòng)和波動(dòng)及其在土中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律問(wèn)題；(3)土的動(dòng)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系問(wèn)題；(4)土的動(dòng)強(qiáng)度和變形問(wèn)題；(5)土的振動(dòng)液化問(wèn)題；(6)土動(dòng)力特性測(cè)試設(shè)備與測(cè)試技術(shù)問(wèn)題；(7)動(dòng)荷條件下的地基承載力，土坡穩(wěn)定及擋土墻上土壓力問(wèn)題；(8)土與結(jié)構(gòu)物的相互作用問(wèn)題(包括動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)問(wèn)題)；土動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究的基礎(chǔ)：土力學(xué)、地震工程學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、土工抗震學(xué)等一系列學(xué)科。充分運(yùn)用現(xiàn)有室內(nèi)外試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)，廣泛積累原型觀測(cè)和工程實(shí)錄資料，作出理論聯(lián)系實(shí)際的分析，建立科學(xué)的分析方法。解決問(wèn)題的途徑：建立起一定理論下的計(jì)算方法，引入一些表征動(dòng)力作用和土動(dòng)力特性的相應(yīng)指標(biāo)，作為動(dòng)力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并在不斷的實(shí)踐中加以檢驗(yàn)和修正；直接用模型試驗(yàn)的方法作為基礎(chǔ)，根據(jù)運(yùn)用相似律模擬的精確程度和量測(cè)手段的完善程度，為設(shè)計(jì)提供出定性或定量的依據(jù)；研究方法：將理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)緊密結(jié)合起來(lái)，各取所長(zhǎng)，互相促進(jìn)，作出多途徑長(zhǎng)時(shí)期的系統(tǒng)探索。§1.2

動(dòng)荷的類(lèi)型及其對(duì)土體的作用特點(diǎn)1、與靜荷載區(qū)別加荷時(shí)間：爆炸荷載的加荷時(shí)間幾個(gè)毫秒，一般動(dòng)力荷載百分之幾秒或零點(diǎn)幾秒。周期效應(yīng)：多次反復(fù)施加。應(yīng)變大小<10-3

在動(dòng)荷條件下研究

>10-3在靜荷條件下研究

動(dòng)力與靜力的區(qū)別在于動(dòng)力必須具備三個(gè)充要條件：

1.力的作用是循環(huán)往復(fù)的。

2.力的作用結(jié)果應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)致受力物體的波動(dòng)變形或質(zhì)點(diǎn)的往復(fù)位移。

3.力的作用伴隨著交變的加速度。2、動(dòng)荷載基本特點(diǎn)振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間、波型的變化3、動(dòng)荷類(lèi)型沖擊荷載（impactload)：墜落重物所引起的荷載，其大小取決于傳遞結(jié)構(gòu)的彈性和慣性，作用時(shí)間短。振動(dòng)荷載（vibratingload）

有限次往返，方向變化,幅值是變化的地震波風(fēng)荷載打樁荷載疲勞荷載（fatigueload）

加荷及幾萬(wàn)次、幾十萬(wàn)次幅值基本不變周期基本不變車(chē)輛荷載機(jī)器基礎(chǔ)動(dòng)荷作用的共同特點(diǎn)：大小隨時(shí)間而發(fā)生變化；動(dòng)荷在隨時(shí)間變化過(guò)程中的兩種效應(yīng)：速率效應(yīng)，即荷載在很短的時(shí)間內(nèi)以很高的速率加于土體所引起的效應(yīng)；循環(huán)效應(yīng)，即荷載的增減，多次往復(fù)循環(huán)地施加于土體所起的效應(yīng)；

§1.3

動(dòng)荷作用對(duì)工程建筑的影響一、地基破壞二、結(jié)構(gòu)破壞

§1.4

土動(dòng)力學(xué)的發(fā)展動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)（machinefoundation)：

20世紀(jì)30年代,以德國(guó)的E.Reissner和前蘇聯(lián)的D.D.Barkan為代表。防護(hù)工程（protectiveconstruction)：二次世界大戰(zhàn)以后。地震工程（earthquakeengineering)：60年代以后，隨幾次大地震的發(fā)生，迅速發(fā)展。1977年第九屆國(guó)際土力學(xué)及基礎(chǔ)工程工程學(xué)會(huì)會(huì)議上正式分列出土動(dòng)力學(xué)問(wèn)題討論為標(biāo)志。1981年Shamsher

Prakash出版了專(zhuān)著《SoilDynamics》,1983年B.T.Das出版了《FoundationofSoilDynamics》）1964年日本新瀉地震、美國(guó)阿拉斯加地震、1971年美國(guó)圣費(fèi)爾南多地震,1995年日本神戶(hù)大地震等使土動(dòng)力學(xué)和巖土地震工程的研究達(dá)到了一個(gè)新的高潮,取得了豐碩的成果.

70年代,隨著近海重力式平臺(tái)的大量興建,研究者們的注意力集中在波浪等周期荷載作用下砂土液化的可能性和液化強(qiáng)度等問(wèn)題，后來(lái)又注意到了孔隙水壓力消散的影響。另一方面，周期荷載作用下粘性土性狀的研究也取得較多的成果。Andersen等人應(yīng)北海重力式石油平臺(tái)建設(shè)的需要曾對(duì)粘土進(jìn)行了系統(tǒng)而廣泛的研究。

分析了諸如試驗(yàn)方式、剪應(yīng)力幅值、超固結(jié)比等因素的影響，而Matsui的研究則較多地關(guān)注了孔隙水壓力的發(fā)展變化，分析了殘余孔壓與剪應(yīng)變之間的相互關(guān)系以及循環(huán)荷載作用歷史對(duì)剪切特性的影響。Ba1igh曾給出一個(gè)較為完善的循環(huán)荷載作用下的固結(jié)理論。

低路提在交通荷載作用下的變形特性也早已引起人們的重視。較早的如Seed及其同事們的工作，后來(lái)其他學(xué)者也繼續(xù)了這項(xiàng)工作。進(jìn)入80年代，這項(xiàng)工作進(jìn)一步深入，Yasuhara等提出了一個(gè)排水循環(huán)荷載作用下土體變形的近似預(yù)測(cè)方法，F(xiàn)ujiwara的研究則集中在排水條件下考慮固結(jié)影響的變形計(jì)算。

近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者從不同的方向?qū)ν羷?dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究。這些研究的主要內(nèi)容包括：土的動(dòng)力特性和本構(gòu)關(guān)系、地層液化勢(shì)與地面破壞、動(dòng)土壓力和擋土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)、土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用、土坡和土壩的抗震穩(wěn)定性、周期或瞬態(tài)荷載作用下的變形和強(qiáng)度問(wèn)題等方面。

在以往的地震反應(yīng)分析中，地震作用一般以水平剪切為主，因此按Serff假設(shè)可以將水平面近似作為最大剪應(yīng)力作用面，地震產(chǎn)生的破壞就是在這些水平動(dòng)剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。然而日本阪神等地震的破壞形式表明豎向地震作用產(chǎn)生的破壞是相當(dāng)大的。1995年1月17日發(fā)生的日本阪神大地震中，有許多結(jié)構(gòu)的破壞是由于豎向地震作用引起的。可見(jiàn)，在以往的抗震設(shè)計(jì)中，只考慮水平剪切的作用，對(duì)工程抗震設(shè)計(jì)是不夠安全的。

我國(guó)的土動(dòng)力學(xué)發(fā)展較晚,1961年我國(guó)巖土學(xué)科創(chuàng)始人黃文熙先生率先發(fā)表了有關(guān)飽和砂土地基及土坡液化穩(wěn)定分析成果,標(biāo)志著土動(dòng)力學(xué)這門(mén)學(xué)科在我國(guó)的興起。1966年我國(guó)邢臺(tái)地震和1976年我國(guó)唐山地震等許多實(shí)踐課題促進(jìn)了這門(mén)學(xué)科的迅速發(fā)展。地震作用下土的性狀地震時(shí)土的力學(xué)狀態(tài)如果用應(yīng)力應(yīng)變來(lái)表示地震作用力的大小，地震屬于中變形和大變形開(kāi)始階段中變形小變形大變形10-310-410-210-110-5110彈塑性破壞彈性地震土對(duì)地震荷載的兩類(lèi)效應(yīng)宏觀反應(yīng)：變形；往返變形，殘余變形孔壓；升高宏觀效應(yīng)：砂土液化破裂滑坡a.對(duì)地震反應(yīng)不明顯的土：干砂，壓密粘性土，飽和密實(shí)砂b.對(duì)地震反應(yīng)明顯的土：飽和松砂，振動(dòng)效應(yīng)由于土體本身的尺寸、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等特征，引起地面地震動(dòng)地改變（放大、減緩）。土的動(dòng)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系土的動(dòng)變形與動(dòng)強(qiáng)度地震作用下土的變形與強(qiáng)度土體地震反應(yīng)分析動(dòng)土壓力與擋土墻第二章飽和土的液化

2.1振動(dòng)液化機(jī)理飽和土在動(dòng)荷作用下往往會(huì)喪失其原有的強(qiáng)度而轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N類(lèi)似液體的狀態(tài)。

1978年美國(guó)巖土工程學(xué)會(huì)土力學(xué)委員會(huì)討論，認(rèn)為：液化是使任何物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的作用和過(guò)程。在無(wú)粘性土中，這種轉(zhuǎn)變是由固態(tài)到液態(tài)，它是孔壓增加，有效應(yīng)力減小的結(jié)果。

液化一般發(fā)生在飽和土中，非飽和的黃土也會(huì)發(fā)生類(lèi)似現(xiàn)象。液化有廣義和狹義的理解廣義的液化為孔壓上升的過(guò)程狹義的液化為最后抗剪強(qiáng)度達(dá)到0的狀態(tài)?？讐旱纳仙灿袕V義和狹義的理解廣義的理解限于封閉條件下土體內(nèi)孔隙壓力的增高狹義的理解包括由高孔壓區(qū)向低孔壓區(qū)的轉(zhuǎn)移液化是剪縮性的土體在不排水條件下孔隙壓力不斷累積的結(jié)果。液化的過(guò)程：（1）在振動(dòng)荷載持續(xù)作用下，砂土經(jīng)歷了由土粒傳給孔隙水，壓力又由孔隙水傳給土粒兩個(gè)階段。（2）砂土發(fā)生液化必須具備兩個(gè)條件，一是振動(dòng)的強(qiáng)度足以使土體結(jié)構(gòu)破壞；二是土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞后，土粒發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)是壓密而不是松脹。2.2影響飽和土振動(dòng)液化的主要因素（1）土性條件（內(nèi)因）（2）起始應(yīng)力條件（外因）

(3)動(dòng)荷條件（外因）（4）排水條件（媒介）1、土性條件（1）土的