第十章-土的動(dòng)力特性和土的壓實(shí)性

《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》第十章土的動(dòng)力特性和土的壓實(shí)性第一節(jié)動(dòng)荷載類型第二節(jié)土的動(dòng)力特性第三節(jié)土的振動(dòng)液化第四節(jié)土的壓實(shí)性本章以前所涉及的變形和穩(wěn)定問題，都認(rèn)為荷載是靜止的，不隨時(shí)間而變化，稱為靜力問題。動(dòng)荷載是指荷載的大小、方向、作用為止隨時(shí)間而變化而且，對(duì)作用體系所產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)不能忽略。一般情況下，當(dāng)荷載變化的周期為結(jié)構(gòu)自振周期的5倍以上時(shí)，就可以簡(jiǎn)化為靜荷載計(jì)算。第十章土的動(dòng)力特性和土的壓實(shí)性第一節(jié)動(dòng)荷載類型一、周期荷載二、沖擊荷載三、不規(guī)則荷載作用在地基或建筑物上的動(dòng)荷載種類很多，如機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的慣性力、車輛荷載、爆破引起的沖擊荷載、風(fēng)荷載以及地震荷載等。這些荷載有的的變化速率很大，有的是循環(huán)作用次數(shù)很多，可以歸納為一下三類：第一節(jié)動(dòng)荷載類型周期荷載沖擊荷載不規(guī)則荷載周期荷載——以同一振幅和周期

反復(fù)循環(huán)作用的荷載沖擊荷載——荷載強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間短機(jī)器震動(dòng)、車輛荷載爆破、打樁荷載不規(guī)則荷載——荷載隨時(shí)間變化

沒有規(guī)律可循地震荷載第一節(jié)動(dòng)荷載類型

一、土的動(dòng)力特性試驗(yàn)

二、動(dòng)荷載下土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及動(dòng)力特性參數(shù)

三、土在動(dòng)荷載下的強(qiáng)度特性第二節(jié)土的動(dòng)力特性一、土的動(dòng)力特性試驗(yàn)1、振動(dòng)三軸試驗(yàn)2、動(dòng)單剪試驗(yàn)等3、現(xiàn)場(chǎng)波速試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)缺點(diǎn)：取土?xí)頂_動(dòng)，影響結(jié)果動(dòng)三軸試驗(yàn)動(dòng)單剪試驗(yàn)共振柱試驗(yàn)動(dòng)扭剪試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)土動(dòng)力性能的室內(nèi)試驗(yàn)第二節(jié)土的動(dòng)力特性第二節(jié)土的動(dòng)力特性第二節(jié)土的動(dòng)力特性二、動(dòng)荷載下土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及動(dòng)力特性參數(shù)1.土的動(dòng)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型在按正弦變化的周期動(dòng)應(yīng)力作用下，線性粘彈性單質(zhì)點(diǎn)的滯回曲線為一橢圓。

滯回圈面積包括粘性和塑性能量耗損兩部分。

粘性能量耗損與變形速度有關(guān)，而塑性能量耗損與塑性變形有關(guān)。

土的阻尼分為粘性阻尼和塑性阻尼兩部分。

骨干曲線大體上符合雙曲線規(guī)律

第二節(jié)土的動(dòng)力特性2.土的動(dòng)力特性參數(shù)（1）動(dòng)剪切模量

動(dòng)模量

動(dòng)剪切模量（2）阻尼比剪切模量和阻尼比是表示土動(dòng)力特性的兩個(gè)主要參數(shù)。每一個(gè)滯回環(huán)的特征將由這兩個(gè)參數(shù)來定義。滯回環(huán)的形狀將隨著應(yīng)變的大小面變化。動(dòng)剪切模量Gd隨應(yīng)變的增加而減小，而阻尼比則隨應(yīng)變的增大而增大。

第二節(jié)土的動(dòng)力特性三、土在動(dòng)荷載下的強(qiáng)度特性土的動(dòng)強(qiáng)度是指在一定動(dòng)荷載作用次數(shù)下產(chǎn)生某一破壞應(yīng)變所需的動(dòng)應(yīng)力大小。也可以通過抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

得到反映。黏性土的動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)是指黏性土在動(dòng)荷載下發(fā)生破壞或產(chǎn)生足夠大的應(yīng)變時(shí)所具有的黏聚力和內(nèi)摩擦角。土的動(dòng)強(qiáng)度(抗剪強(qiáng)度)不同于靜強(qiáng)度。在周期性循環(huán)荷載作用下，土的動(dòng)強(qiáng)度可能低于靜強(qiáng)度，也可能高于靜強(qiáng)度，這取決于土的類別、所處的應(yīng)力狀態(tài)、加荷速度、循環(huán)次數(shù)（振次n）等因素的影響。第二節(jié)土的動(dòng)力特性

一、液化的機(jī)理

二、影響砂土液化的主要因素

三、砂土地基液化可能性的判別

四、防止土體液化的工程措施簡(jiǎn)介第三節(jié)土的振動(dòng)液化振動(dòng)液化是飽和土在動(dòng)荷作用下由于其原有強(qiáng)度的喪失而轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N類似液體狀態(tài)的現(xiàn)象。它是一種以強(qiáng)度的大幅度驟然喪失為特征的強(qiáng)度問題。地震、波浪、車輛行駛、機(jī)器振動(dòng)、打樁及爆破等都可能引起飽和砂土的液化，其中以地層引起的液化面積廣，所造成的危害最大。此外，岸坡或壩坡中的飽和砂層因液化而喪失抗剪強(qiáng)度，會(huì)使土坡失去穩(wěn)定，而產(chǎn)生滑坡。第三節(jié)土的振動(dòng)液化一、液化的機(jī)理振動(dòng)液化的機(jī)制是飽和砂土體在振動(dòng)作用下有顆粒移動(dòng)和變密的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)力的承受從砂土骨架轉(zhuǎn)向水，由于粉土和細(xì)砂土的滲透力不良，孔隙水壓力會(huì)急劇增大，當(dāng)孔隙水壓力大到總應(yīng)力值時(shí)，有效應(yīng)力就降到0，顆粒懸浮在水中，砂土體即發(fā)生液化。第三節(jié)土的振動(dòng)液化日本新瀉1964年地震時(shí)砂土液化引起震陷。這些設(shè)計(jì)為抗震的建筑物傾斜而未受損壞。第三節(jié)土的振動(dòng)液化唐山地震造成的噴水冒砂區(qū)分布圖第三節(jié)土的振動(dòng)液化二、影響砂土液化的主要因素內(nèi)因土類及其顆粒級(jí)配土的密實(shí)程度、飽水特性土結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度外因地震作用特征地震強(qiáng)度（震級(jí)、烈度）地震頻率和周期震動(dòng)歷時(shí)環(huán)境條件場(chǎng)地地貌單元飽水砂土的埋藏條件地下水條件建筑物類型、基礎(chǔ)特性第三節(jié)土的振動(dòng)液化砂土液化造成的災(zāi)害的宏觀表現(xiàn)1）噴砂冒水2）震陷3）滑坡4）上浮第三節(jié)土的振動(dòng)液化加州沃森維爾附近的野外涌沙第三節(jié)土的振動(dòng)液化三、砂土地基液化可能性的判別首先根據(jù)砂層時(shí)代和當(dāng)?shù)氐卣鹆叶冗M(jìn)行初判。一般認(rèn)為，對(duì)更新世及其以前的砂層和地震烈度低于Ⅶ度的地區(qū),不考慮砂土液化問題。然后，對(duì)已初步判別為可能發(fā)生液化的砂層再作進(jìn)一步判定。用以進(jìn)一步判定砂土液化可能性的方法主要有三種。（1）場(chǎng)地地震剪應(yīng)力與該飽和砂土層的液化抗剪強(qiáng)度

（引起液化的最小剪應(yīng)力）對(duì)比法。（2）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法（見巖土試驗(yàn)）。（3）綜合指標(biāo)法。通常用以綜合判定液化可能性的指標(biāo)有相對(duì)密度、平均粒徑

、孔隙比、不均勻系數(shù)等。第三節(jié)土的振動(dòng)液化四、防止土體液化的工程措施簡(jiǎn)介當(dāng)判明建筑物的地基中有可液化的土層時(shí)，必須采取相應(yīng)的工程措施，以防止震害。主要從預(yù)防砂土液化的發(fā)生和防止或減輕建筑物不均勻沉陷兩方面入手。包括合理選擇場(chǎng)地；采取振沖、夯實(shí)、爆炸、擠密樁等措施，提高砂土密度；排水降低砂土孔隙水壓力；換土，板樁圍封，以及采用整體性較好的筏基、深樁基等方法。第三節(jié)土的振動(dòng)液化

一、概述

二、土的壓實(shí)原理

三、擊實(shí)試驗(yàn)

四、影響擊實(shí)效果的因素

五、壓實(shí)特性的工程應(yīng)用以及壓實(shí)度的檢測(cè)與控制第四節(jié)土的壓實(shí)性一、概述

工程建設(shè)中常常遇到填土或松軟地基，為了改善這些土的工程性質(zhì)，常采用壓實(shí)的方法使土變得密實(shí)，這往往是一種經(jīng)濟(jì)合理的改善土的工程性質(zhì)的方法。實(shí)踐表明，由于土的基本性質(zhì)復(fù)雜多變，同一壓實(shí)功對(duì)于不同土類、不同狀態(tài)的土的壓實(shí)效果可以完全不同。第四節(jié)土的壓實(shí)性青藏鐵路壓實(shí)路基廣州白云機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程京福高速公路第四節(jié)土的壓實(shí)性第四節(jié)土的壓實(shí)性第四節(jié)土的壓實(shí)性第四節(jié)土的壓實(shí)性第四節(jié)土的壓實(shí)性二、土的壓實(shí)原理壓實(shí)是指利用機(jī)械能將土中的空氣和水排出。大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，濕度過大的土在壓實(shí)時(shí)會(huì)出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象，土密度不會(huì)增加；而濕度過小的土也難以充分壓實(shí)。只有在適當(dāng)?shù)暮糠秶鷥?nèi)才能壓實(shí)。當(dāng)土中的含水量適當(dāng)時(shí)，水在其中起潤(rùn)滑作用，并且也不占有太多的孔隙時(shí)，使土粒易于靠攏而形成最密實(shí)的排列。土的壓實(shí)程度用干密度度來表示。當(dāng)含水量

=0時(shí)，密度等于干密度；使壓實(shí)土達(dá)到最大干密度時(shí)的含水量，稱為土的最優(yōu)含水量(或稱最佳含水量opt)，相對(duì)應(yīng)的干密度稱最大干密度。。第四節(jié)土的壓實(shí)性三、擊實(shí)試驗(yàn)1、土的擊實(shí)試驗(yàn)

我國(guó)目前通用的擊實(shí)儀有兩種：即輕型擊實(shí)儀與重型擊實(shí)儀，并根據(jù)擊實(shí)土的最大粒徑，分別采用兩種不同規(guī)格的擊實(shí)筒。輕型擊實(shí)試驗(yàn)擊錘質(zhì)量為2.5kg。把制備成一定含水量的土料分3層裝入擊實(shí)筒，每層土料用擊錘均勻錘擊27（59）擊，擊錘落高為30cm。重型擊實(shí)試驗(yàn)擊錘質(zhì)量為4.5kg，擊錘落高為45cm。分3（5）層擊實(shí)，每層27（98）擊。根據(jù)擊實(shí)后土樣的密度和實(shí)測(cè)含水量計(jì)算相應(yīng)的干密度。第四節(jié)土的壓實(shí)性通過對(duì)一個(gè)土樣的擊實(shí)試驗(yàn)就得到一對(duì)數(shù)據(jù)，即擊實(shí)土的含水量與土體干密度。對(duì)不同含水量的同一種土按上述方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，便可得到一組成對(duì)的含水量與干密度數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)繪制成擊實(shí)曲線，它表明在一定擊實(shí)功作用下，土的含水量與干密度的關(guān)系。

含水量（％）第四節(jié)土的壓實(shí)性2、土的壓實(shí)特性

1）壓實(shí)曲線性能

擊實(shí)試驗(yàn)所得到的擊實(shí)曲線是研究土的壓實(shí)特性的基本關(guān)系圖。

峰值點(diǎn)表明在一定擊實(shí)功作用下，只有當(dāng)壓實(shí)土樣處在最佳含水量時(shí)，土體才能被擊實(shí)到最大干密度，才能得到最佳壓實(shí)效果。

第四節(jié)土的壓實(shí)性含粗粒越多的土樣最大重度越大，最佳含水量越小。顆粒級(jí)配良好的土容易被壓實(shí)，顆粒級(jí)配均勻則最大干密度偏小。2）不同土類與不同擊實(shí)功對(duì)擊實(shí)特性的影響

土樣偏干時(shí)，增加擊實(shí)功對(duì)于提高干密度的影響較大；而土樣偏濕則收效不大。

四、影響擊實(shí)效果的因素

1、含水量

土的含水量對(duì)壓實(shí)效果的影響比較顯著。含水量較小時(shí)，土顆粒較疏松，但由于水膜潤(rùn)滑作用不明顯，土粒相對(duì)移動(dòng)也不容易，壓實(shí)效果較差。含水量逐漸增大時(shí)，水膜變厚，起潤(rùn)滑作用，壓實(shí)效果漸佳。含水量過大時(shí)，孔隙中出現(xiàn)自由水，壓實(shí)功能的一部分被自由水所抵消，壓實(shí)效果反而降低。第四節(jié)土的壓實(shí)性2、壓實(shí)功能

在開始?jí)簩?shí)時(shí)，土的干密度急劇增加，待到接近土的最大干密度時(shí)，壓實(shí)功雖然增加許多，而土的干密度幾乎沒有變化。因此，在實(shí)際施工中，不要盲目過多地增加壓實(shí)遍數(shù)。（壓實(shí)遍數(shù)參考數(shù)據(jù)）第四節(jié)土的壓實(shí)性3、每層填土厚度

土在壓實(shí)功的作用下，壓應(yīng)力隨深度增加而逐漸減小，其影響深度與壓實(shí)機(jī)械、土的性質(zhì)和含水量等有關(guān)。鋪土厚度應(yīng)小于壓實(shí)機(jī)械壓土?xí)r的作用深度，但其中還有最優(yōu)土層厚度問題，鋪得過厚，要壓很多遍才能達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度。鋪得過薄，則也要增加機(jī)械的總壓實(shí)遍數(shù)。恰當(dāng)?shù)匿佂梁穸龋▍⒖急恚┠苁雇练綁簩?shí)而機(jī)械的功耗費(fèi)最少。填方每層的鋪土厚度和壓實(shí)遍數(shù)壓實(shí)機(jī)具每層鋪土厚度（mm)每層壓實(shí)遍數(shù)平碾200~3006~8羊足碾200~3508~16蛙式打夯機(jī)200~2503~4人工打夯不大于2003~4第四節(jié)土的壓實(shí)性五、壓實(shí)特性的工程應(yīng)用以及壓實(shí)度的檢測(cè)與控制1.壓實(shí)性的工程應(yīng)用工程上利用土的壓實(shí)特性進(jìn)行地基處理等工作，如重錘法、碾壓法、振動(dòng)法等。重錘法:采用80～400kN的重錘，從很高處(8～20m)自由落下，對(duì)土體進(jìn)行強(qiáng)力夯實(shí)的方法。這是在的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)。強(qiáng)夯法是用很大的沖擊能，使土體中出現(xiàn)沖擊波和很大的應(yīng)力，致使孔隙被壓縮，土體局部液化，夯實(shí)點(diǎn)周圍產(chǎn)生裂隙，形成良好排水通道，土體迅速固結(jié)。最大加固深度可達(dá)11～12m或更大。此法不僅能加固陸上土層，也能加固水中土層；適用于多種土類：粗粒土、低飽和度的細(xì)粒土、雜填土、素填土、濕陷性黃土；不僅能提高地基承載力，也可防止地基液化。對(duì)于飽和細(xì)粒土，要慎用。第四節(jié)土的壓實(shí)性2.壓實(shí)度的檢測(cè)與控制壓實(shí)度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法主要有灌砂法、環(huán)刀法、核子密度儀法等。下面重點(diǎn)介紹灌砂法。

灌砂法測(cè)壓實(shí)度所用的檢測(cè)工具有灌砂筒、基板、挖洞及從洞中取料的合適工具、標(biāo)準(zhǔn)砂、天平、臺(tái)秤、盛砂的容器、含水量檢測(cè)工具等。

灌沙法的檢測(cè)步驟

首先要在試驗(yàn)地點(diǎn)選一塊平坦表面，其面積不得小于基板面積，并將其清掃干凈。將基板放在此平坦表面上，沿基板中孔鑿洞，洞的直徑100毫米，在鑿洞過程中應(yīng)注意不使鑿出的試樣丟失，并隨時(shí)將鑿松的材料取出，放在已知質(zhì)量的塑料袋內(nèi)，密封。試洞的深度應(yīng)等于碾壓層厚度。鑿洞畢，稱此袋中全部試樣質(zhì)量，準(zhǔn)確至1克。減去已知塑料袋的質(zhì)量后即為試樣的總質(zhì)量。

第四節(jié)土的壓實(shí)性然后從挖出的全部試樣中取有代表性的樣品，放入鋁盒，用酒精燃燒法測(cè)其含水量。

最后將灌砂筒直接安放在挖好的試洞上，這時(shí)灌砂筒內(nèi)應(yīng)放滿砂，使灌砂筒的下口對(duì)準(zhǔn)試洞。打開灌砂筒開關(guān)，讓砂流入試洞內(nèi)。直到灌砂筒內(nèi)的砂不再下流時(shí)，關(guān)閉開關(guān)，取走灌砂筒，稱量筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量，準(zhǔn)確至1克。試洞內(nèi)砂的質(zhì)量=砂至滿筒時(shí)的質(zhì)量－灌砂完成后筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量－錐體的質(zhì)量挖出土的總質(zhì)量除以試洞內(nèi)砂的質(zhì)量再乘以標(biāo)準(zhǔn)砂的密度可計(jì)算路基土的濕密度。干密度就等于濕密度/(1+含水量)壓實(shí)度就等于土的干密度/土的最大干密度＊100%第四節(jié)土的壓實(shí)性在路基施工過程中，為控制好路基壓實(shí)質(zhì)量，提高現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)機(jī)械的工作效率，需要重點(diǎn)做好四方面工作：