土力学第十章 土的动力性质和压实性

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1、土力学第十章土的动力性质和压实性第十章土的动力性质和压实性第一节土在动荷载作用下的变形和强度特性一、作用于土体的动荷载和土中波车辆的行驶、风力、波浪、地震、爆炸以及机器的振动，都可能是作用在土体的动力荷载。这类荷载的特点，一是荷载施加的瞬时性，二是荷载施加的反复性（加卸荷或者荷载变化方向）。一般将加荷时间在10s以上者都看做静力问题，10s以下者则应视作动力问题。反复荷载作用的周期往往短至几秒、几分之一秒乃至几十分之一秒，反复次数从几次、几十次乃至千万次。由于这两个特点，在动力条件下考虑土的变形和强度问题时，往往都要考虑

2、速度效应和循环（振次）效应。考虑速度效应时，需要将加荷时间的长短换算成加荷速度或相应的应变速度，加荷速度的不同，土的反应也不同。如图10-1所示，慢速加荷时，土的强度虽然低于快速加荷，但承受的应变范围较大。循环（振次）效应是指土的力学特性受荷载循环次数的影响情况。图10-2是说明振次效应的一个实例，土中σf表示静力破坏强度，σd为动应力幅值，σs是在加动应力前对土样所施加的一个小于σf的竖向静偏应力。由图可见，振次愈少，土的动强度愈高。随着动荷载反复作用，土的强度逐渐降低，当反复作用10次时，土样的动强度（σd+σs）几

3、乎与静强度σf相同，在加大作用次数，动强度就会低于静强度。所以，对于动荷载，除了必须考虑其幅值大小以外，尚应考虑其说包含的频率成分和反复作用的次数。当汽车通过路面或火车通过轨道时，将动荷传到路基上，它们荷载的周期不规则，可从0.1s到数分钟，其特点是反复多次加荷，而且循环次数很多，往往多达103次以上。因此必须从防止土体反复应变产生疲劳的角度考虑其性质变化。地震荷载也是随机作用的动荷载，一般为0.2~1.0s的周期作用，但次数不多。位于土体表面、内部或者基岩的振源所引起的土单元体的动应力、动应变，将以波动的方式在土体中传

4、播。土中波的形式有以拉压应变为主的纵波、以剪应变为主的横波和主要发生在土体自由界面附近的表面波（瑞利波）。作用于地表面的竖向动荷载主要以表面波的形式扩散能量。水平土层中传播的地震波，主要是剪切波。波动能量在土体表面和内部层面处将发生反射、折射和透射等物理现象。二、土的动力变形特性在周期性的循环荷载作用下，土的变形特性已不能用静力条件的概念和指标来表征，而需要了解动态的应力——应变的关系。影响土的动力变形特性的因素包括土体周围压力、孔隙比、颗粒组成、含水率等，同时它还受到应变幅值的影响，而且又以后者为显著。同一种土，它的动

5、力变形性状将会随着应变幅值的不同而发生质的变化。日本石原研究而的研究指出，只有当应变幅值在10-6~10-4及以下的范围内时，土的变形特性可认为是属于弹性性质。一般由火车、汽车的行驶以及机器基础等所产生的振动的反应都属于这种弹性范围。这种条件下土的应力——应变关系及相应参数可在现场或室内进行测定。当应变幅值在10-4~10-2范围内时，土表现为弹塑性性质，如打桩、地震等所产生的土体振动反应即属于此，可以用非线性的弹性应力——应变关系来加以描述。当应变幅值超过10-2时，土将破坏或产生液化、压密等现象，此时土的动力变形特性

6、可用仅仅反复几个周期的循环荷载试验来确定。第二节砂土和粉土的振动液化一、土体液化现象及其工程危害土体液化是指饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载总用下表现出类似液体的性状，完全失去强度和刚度的现象。地震、波浪、车辆、机器振动、打桩以及爆破等都可能引起饱和砂土或粉土的液化，其中又以地震引起的大面积甚至深层的土体液化的危害性最大，它具有面广、危害重等特点，常会造成场地的整体性失稳。因此，近年来土体液化引起国内为工程界的普遍重视，成为工程抗震设计的重要内容之一。砂土液化造成的灾害的宏观表现主要有如下几种：（1）喷砂冒水。液化土

7、层中出现相当高的孔隙水压力，会导致低洼的地方或土层缝隙处喷出砂、水混合物。喷出的砂粒可能破坏农田，淤塞渠道。喷砂冒水的范围往往很大，持续时间可达几小时甚至几天，水头可高达2～3米。(2)震陷。液化时喷砂冒水带走了大量土颗粒，地基产生不均匀沉陷，使建筑物倾斜、开裂甚至倒塌。例如，1964年日本新泻地震时，有的建筑物结构本身并未损坏，却因地基液化而发生整体倾斜；又如1976年唐山地震时，天津某农场高10m左右的砖砌水塔，因其西北角处地基土喷砂冒水，水塔整体向西北倾斜了6度。（3）滑坡。在岸坡或坝坡中的饱和砂粉土层，由于液化而

8、丧尸抗剪强度，使土坡失去稳定，沿着液化层滑动，形成大面积滑坡。1971年美国加利福尼亚州圣费南多坝在地震中发生上游坝坡大滑动，研究证明这是因为在地震振动即将结束时，在靠近坝底和黏土心墙上游处广阔区域内砂土发生液化的缘故；1964年美国阿拉斯加地震中，海岸的水下流滑带走了许多港口设施，并引起海岸涌浪，造成沿海地带的次生