第十一章：土的动力特性
土的动力特征参数
土的动力特征参数土的动力特征参数2010-04-1809:399.5.1土的主要动力特征参数在实际应用中需要用某种数学的或物理的模型来描述土在动荷载作用下应力应变关系，这就是动力特征参数。
土的动力特征参数一般分为两类。
一类是与土的抗震稳定性直接有关的参数，如动强度、液化特性、震陷性质等;另一类是土作为地震波传播介质时表现出来的性质，也就是土层动力反应分析中使用的参数，如剪切波速、动模量(动弹性模量或动剪切模量)、阻尼特性(阻尼比或衰减系数)、振动条件下的体积模量和泊松比等。
其中动剪切模量和阻尼比是表征土的动力特征的两个很重要的参数。
1.土的动剪切模量动剪切模量Gd是指产生单位动剪应变时所需要的动剪应力，即动剪应力与动剪应变之比值，按下式计算:(9-5)动剪切模量Gd可由滞回曲线顶点与原点的直线的斜率表示。
由骨架曲线可知,随着或的增大，Gd越来越小，即土的动剪切模量随着动应力或动应变的增大而减小。
2.土的阻尼比土的阻尼比是指阻尼系数与临界阻尼系数的比值。
阻尼比是衡量吸收振动能量的尺度。
土体作为一个振动体系，其质点在运动过程中由于粘滞摩擦作用而有一定能量的损失，这种现象称为阻尼，也称粘滞阻尼。
在自由振动中，阻尼表现为质点的振幅随振次而逐渐衰减。
在强迫振动中，则表现为应变滞后于应力而形成滞回圈。
由物理学可知，非弹性体对振动波的传播有阻尼作用，这种阻尼力作用与振动的速度成正比关系，比例系数即为阻尼系数，使非弹性体产生振动过渡到不产生振动时的阻尼系数，称为临界阻尼系数。
地基或土工结构物振动时，阻尼有两类，一类是逸散阻尼，由于土体中积蓄的振动能量以表面波或体波(包含剪切波和压缩波)向四周和下方扩散而产生的;另一类是材料阻尼,由于土粒间摩擦和孔隙中水与气体的粘滞性引起。
在用有限元分析地震影响时,由于已经考虑了振动能量的扩散,故仅采用材料阻尼。
无粘性土的阻尼比受有效应力的影响明显,粘性土的阻尼比随着塑性指数的增加而降低，随着时间增长而降低。
土的动力性质
土的动力性质正文动力作用下的土的力学性能。
当土的应变（纵向应变或剪应变）在10-6～10-4范围（如由于动力机器基础、车辆行驶等所引起的振动）时，土显示出近似弹性的特性；当应变在10-4～10-2范围（如打桩、中等程度的地震等所引起的振动）时，土具有弹塑性的特性；当应变达到百分之几的量级（如0.02～0.05）时，土将发生振动压密、破坏、液化等现象。
因此，土的主要动力特性通常以10-4的应变值作为大、小应变的界限值。
在小应变幅情况下，主要是研究土的动剪切模量和阻尼；在大应变幅情况下则主要研究土的振动压密和动强度问题；而振动液化则是特殊条件下的动强度问题。
所以，土的动力性质主要是指动剪切模量、阻尼、振动压密、动强度和液化（见砂土液化）等五个方面。
土的动剪切模量小应变幅的动剪切模量常用野外波速法和室内共振柱试验测定，也可用经验公式估算。
波速法根据所测得的从振源到拾振器之间的距离和剪切波（或压缩波）到达拾振器所需要的时间来计算剪切波波速v s，则得：(1)式中G d为土的动剪切模量；ρ为土的质量密度。
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（两个或更多个钻孔）等，以后者用得较多（见工程地球物理勘探）。
共振柱法在实心或空心的圆柱形土样上施加纵向振动或扭转振动，并逐级增大驱动频率，直到试样发生共振为止。
根据一端固定、一端自由的端部条件，并忽视端部激振器的质量，可得G d＝16f2l2γ/ɡ(2)式中f为扭转振动时的共振频率；l为试样的高度；γ为土的容重；ɡ为重力加速度。
影响土的动剪切模量的变量有剪应变幅、有效平均主应力、孔隙比、颗粒特征、土的结构、应力历史、振动频率、饱和度和温度等，其中有几个变量是相互联系的（如土的孔隙比、结构和颗粒特征）。
对小应变幅动剪切模量，剪应变幅的影响可以忽略。
对于净砂，在小剪应变幅（小于10-5）的情况下,动剪切模量主要是孔隙比和有效平均主应力的函数。
饱和重塑黄土的动力特性
饱和重塑黄土的动力特性法制备试样。
先将原[HJ2.1mm]状土风干，利用木锤将原状土碾碎但注意不能压碎颗粒，将碾碎后的土样过2 mm筛，根据重塑黄土的干密度，计算所需重塑黄土的质量。
为了与原状黄土动力试验进行对比，本次试验所取重塑黄土干密度与原状黄土相同为141 g/cm研究该干密度下饱和重塑黄土的动力力学特性。
试样的直径和高度分别为50 mm和100 mm。
然后称取一定质量的重塑黄土，分四层击实，每一层击4下，控制每层的击实厚度为25 cm，层与层之间要进行刮毛，确保每层土接触良好，以保证试样具有良好的整体性。
将击实完成后的土样按照操作步骤安装在试验仪器上如图1所示。
然后对试样进行饱和，由于该黄土抽气饱和之后很软，制样难以成形，经反复尝试后，试验决定采用水头饱和（先抽气饱和1 h，立即取出试样，防止试样过软，然后置于仪器上进行水头饱和），首先对试样施加20 kPa的围压。
然后提高进水管的水位，控制进水管的水面与黄土试样中部之间的水位差为1 m左右。
打开进水阀，使水从底部进入试样，从试样顶部缓缓溢出。
饱和完成后，在不排水的条件下施加周围压力，检查孔压系数B值可以达到090～095，确保试样饱和度基本达到要求。
1.2试验内容饱和重塑黄土静力试验和动力试验均做3组，偏压固结（Kc=σ1c/σ3c=15，围压σ3c=50、100、200kPa）。
具体试验安排见表1和表2。
静、动力试验均采用GCTS伺服控制气压式激振三轴仪。
该三轴仪可以直接数字伺服控制轴向荷载、围压和孔隙水压，其中轴向动荷载通过气压施加，围压通过气压或水压施加。
试验过程完全由计算机软件来控制和设计，试验数据数字化，并且试验软件可以进行基本的图形显示以及向其它软件如Excel输出数据，试验仪器见图2。
静、动力试验均进行的是不排水试验。
静力试验的剪切速率为006 mm/min。
动力试验先在偏压状态下进行固结，固结完成后，关闭排水阀，然后进行振动试验，施加的循环动偏应力的加载波形为等幅正弦波，频率为1Hz。
岩土工程中的动力特性与地震响应分析
岩土工程中的动力特性与地震响应分析岩土工程是土壤和岩石在人类建设活动中的应用领域，涉及到地基工程、地下工程和地质工程等方面。
在这些工程中，了解岩土的动力特性并进行地震响应分析是非常重要的，它可以帮助工程师评估结构在地震发生时的抗震性能，以保障人们的生命财产安全。
一、岩土的动力特性岩土的动力特性是指在受到外力作用时，岩土体所表现出的力学性质和行为。
它包括了弹性模量、剪切模量、泊松比、阻尼比等指标。
1. 弹性模量弹性模量是岩土在受到外力影响下的变形特性指标。
它反映了岩土在应力作用下产生的变形程度，也可以用来描述其刚度。
弹性模量的大小与岩土的刚性有关，刚性越大，弹性模量也越大。
2. 剪切模量剪切模量是岩土在受到剪切力作用时变形特性的指标。
它反映了岩土在剪切过程中的变形能力，也可以用来描述其抗剪切性。
剪切模量的大小与岩土的抗剪强度有关，抗剪强度越大，剪切模量也越大。
3. 泊松比泊松比是描述岩土体材料变形特性的参数，用来表示岩土体在径向压缩应变时，轴向应变的比例关系。
泊松比的大小与岩土体的变形性质相关，变形能力越弱，泊松比也越小。
4. 阻尼比阻尼比是描述岩土在振动或地震荷载作用下能量损耗的指标。
它可以反映岩土的耗能能力和耗能效果，在地震工程中具有重要的作用。
阻尼比的大小与岩土体的波动特性有关，岩土体的耗能能力越高，阻尼比也越大。
二、岩土的地震响应分析地震响应分析是指对岩土体在地震荷载作用下产生的动力响应进行计算和分析。
通过地震响应分析，可以评估结构体在地震发生时的受力状况，以及结构的破坏程度。
1. 荷载输入地震荷载是地震响应分析的输入条件，它是指地震发生时作用在结构上的力。
地震荷载的大小与地震的震级和距离有关，需要详细的地震参数分析来确定。
2. 结构模型在进行地震响应分析时，需要将岩土体建立为数学模型。
这个模型可以通过有限元法等数值计算方法进行建立，以描述岩土体在地震作用下的变形和受力状态。
3. 响应分析响应分析是指对结构体在地震荷载下产生的变形和受力状态进行计算和分析。
土动力学——精选推荐
⼟动⼒学1. 饱和砂⼟的动⼒特性研究综述各国学者从不同的⽅向对⼟动⼒学进⾏了深⼊研究。
这些研究的主要内容包括：⼟的动⼒特性和本构关系，地震液化势与地⾯破坏，动⼟压⼒和挡⼟结构的抗震设计，⼟⼀结构动⼒相互作⽤，⼟坡和⼟坝的抗震稳定性，周期或瞬态荷载作⽤下的变形和强度问题等⽅⾯。
其中，⼟的动⼒变形和强度特性及本构关系模型是⼟动⼒学研究的基本问题。
饱和砂⼟在动载(如地震荷载、爆炸荷载、振动荷载等)作⽤下液化问题是防灾减灾领域中重要的研究内容。
建⽴系统研究饱和砂⼟在爆炸、地震和振动荷载下的动⼒特性及变形预测，⽆论是防御和减轻爆炸、天然地震及有源振动所产⽣的灾害，还是解决⽣产设计所⾯临的实际问题及⼟动⼒学的发展均是具有重要理论和实际意义的问题。
饱和沙⼟的动⼒本构模型它们⼤致可以分为两⼤类，即基于粘弹性理论的模型和基于弹塑性理论的模型。
和砂⼟的动强度和砂⼟的液化特性2.第11届国际⼟动⼒学和地震⼯程会议及第13届世界地震⼯程会议砂⼟液化研究综述孙锐袁晓铭液化特性液化判别液化⼤变形3. ⼟-结构动⼒相互作⽤研究综述前⾔地震时⼟体与结构的相互作⽤是⼀个普遍存在的问题。
⼟-结构物的动⼒相互作⽤问题，是⼀个涉及到⼟动⼒学、结构动⼒学、⾮线性振动理论、地震⼯程学、岩⼟及结构抗震⼯程学、计算⼒学及计算机技术等众多学科的交叉性研究课题，也是⼀个涉及到⾮线性、⼤变形、接触⾯、局部不连续等当代⼒学领域众多理论与技术热点的前沿性研究课题。
随着科学计算技术的迅猛发展和实验⼿段的不断改进，重⼤和复杂体系⼯程的不断建造，促进了⼟与结构动⼒相互作⽤的深⼊研究，⼏⼗年来⼀直引起国内外的⼴泛重视和研究。
1964 年⽇本新泻地震、1976年我国唐⼭地震、1985年墨西哥地震和等许多实践课题促进了这门学科的迅速发展，1995年⽇本神户⼤地震、1999年⼟⽿其地震和中国台湾地震［1］等使⼟动⼒学和⼟与结构动⼒相互作⽤的研究达到了⼀个新的⾼潮，取得了丰硕的成果。
东南大学等四校合编《土力学》第4版重点笔记
东南大学等四校合编《土力学》第4版重点笔记东南大学等四校合编《土力学》（第4版）笔记和课后习题（含考研真题）详解目录绪论0.1 复习笔记第一章土的组成1.1 复习笔记1.2 课后习题详解1.3 考研真题与典型题详解第二章土的物理性质及分类2.1 复习笔记2.2 课后习题详解2.3 考研真题与典型题详解第三章土的渗透性及渗流3.1 复习笔记3.2 课后习题详解3.3 考研真题与典型题详解第四章土中应力4.1 复习笔记4.2 课后习题详解4.3 考研真题与典型题详解第五章土的压缩性5.1 复习笔记5.2 课后习题详解5.3 考研真题与典型题详解第六章地基变形6.1 复习笔记6.2 课后习题详解6.3 考研真题与典型题详解第七章土的抗剪强度7.1 复习笔记7.2 课后习题详解7.3 考研真题与典型题详解第八章土压力8.1 复习笔记8.2 课后习题详解8.3 考研真题与典型题详解第九章地基承载力9.1 复习笔记9.2 课后习题详解9.3 考研真题与典型题详解第十章土坡和地基的稳定性10.1 复习笔记10.2 课后习题详解10.3 考研真题与典型题详解第十一章土在动荷载作用下的特性11.1 复习笔记11.2 课后习题详解11.3 考研真题与典型题详解•试看部分内容复习笔记考点一：土力学的概念及学科特点★（1）土力学是指研究土体的一门力学，它是研究土体的应力、变形、强度、渗流及长期稳定性的一门学科。
广义的土力学包括土的生成、组成、物理化学性质及分类在内的土质学。
（2）土是由岩石经历物理、化学、生物风化作用以及剥蚀、搬运、沉积作用等交错复杂的自然环境中所生成的各类沉积物。
（3）特殊土有遇水沉陷的湿陷性土（如常见的湿陷性黄土）、湿胀干缩的胀缩性土（习称膨胀土）、冻胀性土（习称冻土）、红黏土、软土、填土、混合土、盐渍土、污染土、风化岩与残积土等。
（4）对土的基本力学性质和土工问题计算方法的研究验证，是土力学的两大重要研究课题。
土的动力特性
10
土的动力特性规律（二）————振动液化特性
• 稳态线的垂直位置主要受粒度的影响，斜率主要 受颗粒形状的影响。如果土所受的静剪应力超过 了稳态强度，土易发生流动液化，但循环液化可 以在静剪应力超过稳态强度的时候发生，也可以 在未超过稳态强度的时候发生，视静、动剪应力 大小间的情况而定。
11
土的动力特性规律（二）————振动液化特性
9
土的动力特性规律（二）————振动液化特性
• 四、流动结构与稳态线 • 流动结构：在发生大变形的情况下，土会得到一 种所谓的“流动结构”，处于常值剪应力、常值 有效应力、常值体积和常速度的流动状态。此时， 土的变形只依赖于密度并称之为稳态。 • 稳态时的土所具有的抗剪强度称为稳态剪切强度。 稳态剪切强度虽然一般很低，但却不会等于零。 如果将对应于此情况的密度e、法向有效应力 和 剪切强度τ 在e- -τ 的三维空间坐标内绘出，它 就会形成一条稳态强度线。将其绘于 e log 3c平 面内时，可以得到一条直线并称之为稳态线。
15
土的动力特性规律（二）————振动液化特性
• （3）动荷载作用的持续时间对砂土液化的发展具 有极大的影响。如振动的时间很长，幅值并不很 大的动荷载也可能引起土的液化。 • （4）对于振动作用的方向，试验表明，振动方向 接近土的内摩擦角时抗剪强度最低。 • 4.排水条件 • 排水条件是指土层的透水程度、排水路径、及排 渗边界条件。 • 当在多层地基中有可液化土层存在时，其他土层 对可液化土层的影响主要表现在排渗能力（透水 程度和实际厚度）和层位结构（不同液化势组成 的土层）两个方面。
5
土的动力特性规律（二）————振动液化特性
• 振动液化的发生和发展必须同时具备的两个基本 条件： • 1.振动作用足以使土体的结构发生破坏（即振动 荷载较大或砂土的结构强度较小），这是土中产 生动孔压的先决条件； • 2.在土体结构发生破坏后，土粒发生移动的趋势 不是松胀而是压密，这是使动孔压迅速大幅增长 的充分条件。 • 所以说疏松的饱和砂土比密实砂土容易发生振动 液化。（结构不易破坏、孔压下降）
列车动荷载作用下土的动力特性分析
关
键 词 ：动荷载 ；动力特性 ；应力路径 ；孔 隙水压力 中图分 类号 ：Ｕ ｌ， ２１ 文 献标 识码 ：Ａ 文 章编 号 ：１０．８３２ １） １ ０ ５０ ４ ０ ６６５ （００ ０ － ２ － ０ ４
在大多数建筑工程 中， 地基土体 的承载力验算 、 变形验算及稳定验算均采用静荷载或等效静荷载作 为 附件 荷 载 来 进 行 计 算 及 分 析 ．实 际 工 程 中动 荷 载
沉降是相当可观的【 Ｊ Ｊ ． 当列 车静止时 ， 会在地基 中产生静应力场 ； 当列 车运动时 ， 应力场也会一起运动 ， 并在地基 中产生应
在移动荷载作用下 ， 轨道结构的位移和地基表面的反 力 ， 以通 过单 个 移动 荷载 引起 的轨道位 移 和地 基表 可 面反 力进 行叠 加获 得 ． ｎ ｌ Ｗｉｋｅ ｒ地基 一Ｔｍｏｈｎ ｏ梁 ｉ ｓｅｋ
动荷 载 的 特性 主 要包 括振 动形 式 、 动 频率 、 振 振
幅 和 振 次 ．振 幅 和振 次 对 地 基 土 孔 压 和变 形 的影 响
１ 列车荷载对地基振动效应的影响
列 车 运行 会 引起 轨道 和地 基 的振 动 ， 当列 车速 度 达到轨 道 地基 系统 的 临界速 度 时 ， 振动 能 量无 法及 时
的 简化 ， 方 面 使 工程 计 算 简单 ， 另 一 方 面却使 得 一 但 工程安全性受到质疑． 随着经济 的快速发展 ， 越来越
力波 ， 这是 引 起 地基 振 动 的最 主要 原 因 ． 种 动力 响 这 应 主要受 到列 车 轴 向荷载 、 轮轴 间距 和列 车速 度 的影
响Ｌ． １ 另外 一 些 因素亦 可 以增 大上 述应 力场 产 生 的振 Ｊ 动 ， 列 车 的不 平 稳性 、 道 的不 连 续性 以及 支 撑 的 如 轨
地基土的动力特性参数的取值
作 者 简 介 ：杨 时英 何 旭 芳
９７７
９７８ ９７８
男 ，浙 江 省 第 七 地 质 大 队 高 级 工 程 师 。
女 ，浙 江万邦工程管理咨询有 限公司工程师 。
女 ，浙 江 万 邦 工 程 管 理 咨 询 有 限公 司工 程 师 。 男 ，浙 江 省 第 七 地 质 大 队 助 理 工 程 师 。
文 化 内涵 深 厚 。
（ ）以 山 口集 中 区为 代 表 的 叶蜡 石 矿 ，其 稀 有 性 、观 赏 ２ 价值、科学价值和 保存完整性在 “ 四大 国石 ” 中特 征 突 出 ， 为 青 田石 所 独 有 。 （ ）综合 青 田县 各 种 地 质遗 迹 类 型 及其 评 价 结论 ， 田 ２ 青 县遗 迹 集 中 区遗 迹 类 型 全 面 、 系 统 完 善 ，达 到 了构 建 国家 级
沟 、 地 脚 螺 栓 等 的尺 寸 及 位 置 ； （ ）机 器 的扰 力 和 扰 力 矩 及 其 方 向 ； ３ （ ） 基 础 在 建 筑 物 中 的位 置 ； ４
（ ）建筑场地 的地质勘察资料 。 ５
其 中第 ５条 就 是 地 质 勘 察 部 门 所 要 提供 的 资 料 。动 力 机 器 基 础 勘 察 要 求 较 高 ，除 了 需 要提 供 一 般 建 筑 勘 察 所 需 的 岩
参 考 文献 … Ｊ Ｊ ４ ２ ０ ，建 筑 桩 基技 术 规 范 ［ ． １ Ｇ９— ０８ ｓ 】 ［ ２ 】工 程地 质 手 册 ［ ＿（ 三 版 、 第 四 版 ） Ｍ１ 第 ． 【 Ｇ ５０ — ６ ３ Ｂ ０ ４ ９ ，动 力机 器基 础 设 计 规 范 【 ． 】 ｓ Ｊ 【 ４ 】ＤＢ ３ １０ — ０ ３ 建 筑地 基 基 础 设 计 规 范 【Ｊ 浙 江 省 标 ３ ／０ １ ２ ０ ， ｓ．
土结构性的剪切波速表征及对动力特性的影响
土结构性的剪切波速表征及对动力特性的影响一、本文概述土的结构性是指土颗粒之间的排列方式、连接方式以及由此产生的整体力学特性。
在土动力学中，剪切波速是描述土体在剪切应力作用下波动传播速度的重要参数，它与土的结构性密切相关。
剪切波速不仅影响土体的变形特性，还是评价地基稳定性、地震波传播、地下工程安全等多个领域的关键指标。
研究土结构性的剪切波速表征及其对动力特性的影响，对于深入理解土的力学行为、提高工程安全性和优化工程设计具有重要意义。
本文旨在通过理论分析和实验研究，探讨土结构性的剪切波速表征方法及其对动力特性的影响。
我们将介绍土结构性的基本概念和剪切波速的定义及测量方法。
通过室内试验和现场测试，分析不同土样在剪切波速方面的差异性，以及土结构性对剪切波速的影响机制。
接着，我们将讨论剪切波速与土的动力特性之间的关系，包括土的阻尼比、刚度等。
结合工程实例，评估剪切波速在工程实践中的应用价值，并提出相应的建议和展望。
通过本文的研究，我们期望能够为土木工程领域的学者和工程师提供关于土结构性的剪切波速表征及其对动力特性影响的深入理解，为未来的工程实践提供理论支持和指导。
二、土结构性的剪切波速表征土的结构性是指土颗粒之间的排列方式、连接方式以及颗粒间的相互作用力等特性，这些特性对土的力学行为，包括剪切波速的传播特性，具有重要影响。
剪切波速，即剪切波在介质中传播的速度，是反映介质动力特性的重要参数，尤其在地震工程、岩土工程以及波动分析等领域中，具有广泛的应用。
在土的结构性研究中，剪切波速的表征是一个关键问题。
通常，剪切波速可以通过多种方式进行测量和表征，包括野外原位测试、室内试验以及数值模拟等。
野外原位测试如跨孔波速测试、面波测试等，可以直接获取实际工程场地中土的剪切波速，对于理解土的结构性和动力特性具有重要意义。
室内试验则可以通过控制试验条件，模拟不同结构性土的剪切波速特性，从而更深入地研究土的结构性对剪切波速的影响。
土力学 第11章 土的动力特性
土的压实性
土体在不规则荷载作用下其密度增加的特 性。土的压实性指标通常在室内采用击实 试验测定；
土的压实度：现场土质材料的干密度与室 内试验标准最大干密度的比值；
最大干密度
一定击实功作用下，土体压实后能够得到的
最大的干密度值。
最优含水量
一定击实功作用下，土体只有在一定的初始 含水量条件小才能够获得最大干密度，此初始含 水量即“最优含水量”。
工程危害
喷砂冒泥 土层震陷 滑坡 结构物上浮
1964年6月16日日本新瀉7.5级地震
机理Fra bibliotek振动改变土颗粒间接触状态，土体积减小(松散砂土有剪缩 性)，从而导致孔隙水压力上升，土颗粒间的有效应力减小， 直至有效应力完全丧失，而孔隙水承担了总应力，最终使 土颗粒呈悬浮状态，土体表现为整体可流动的液化状态；
第11章 土在动荷载作用下的特性
土的压实原理
含水量太小，土中水以强结合水为主，土颗粒间 电引力为主，土颗粒间摩擦力、粘聚力大，难以 压实； 含水量太大，土中除了强结合水、弱结合水外， 尚有大量自由水，压实过程中孔隙水不容易排除， 压实困难； 只有在适当含水量条件下，土颗粒外包裹一定的 结合水，土颗粒间电引力减小，颗粒调整难度减 小，能够获得最佳的压实效果。
影响振动液化的因素 土的类别：粉砂土、细砂土、粉土易发生 土的颗粒级配及密实度 土体中的初始应力状态 振动荷载的方向、强度、频率
土体振动液化判别及防治措施
判别依据：根据标准贯入击数，按经验公式判别
防治措施：
改善土性：改善土性、提高密实度、提高固结度
改变基础设计：采用深基础穿过液化危险地层
土的动力特性分析方法探讨
土的动力特性分析方法探讨冯子江;刘玉;侯晓燕;鲜莉莉;徐成中【摘要】针对土的动力特性传统分析方法的局限性,讨论了应用微细观结构动力分析方法分析土的动力特性的必要性,从土的微细观结构入手,提出分析动力荷载作用下土体与建筑物基础共同作用的分析方法是离散单元法与有限单元法相结合的数值分析法.最后,探讨了求解土动力学问题的方法.【期刊名称】《华北水利水电学院学报》【年(卷),期】2012(033)003【总页数】3页(P97-99)【关键词】土体;动力特性;微细观结构;数值方法;动态松弛法【作者】冯子江;刘玉;侯晓燕;鲜莉莉;徐成中【作者单位】无锡中粮工程科技有限公司,江苏无锡214035;长安大学,陕西西安710064;无锡中粮工程科技有限公司,江苏无锡214035;无锡中粮工程科技有限公司,江苏无锡214035;无锡中粮工程科技有限公司,江苏无锡214035【正文语种】中文在过去的几十年里，强震在世界范围内频繁发生，这是推动土动力学发展的主要客观原因之一.计算机技术、数值方法的快速发展，土工测试技术的不断提高以及不同学科之间的相互渗透等是推动土动力学发展的理论基础与方法依据.随着研究手段的提高，研究方法的深入，人们已经不再满足于简易的数学计算，而期望在更高层次上把握与认识土的动力特性.土的动力特性是指在动荷载作用下土的动强度和抗液化强度不断变化的特性［1］.通过弹塑性模型能够比较真实地反映土的动力特性.然而，受到土静力学和经典力学方法的束缚，土动力学模型与实际差异较大，适用范围相对狭窄，求解也有较大的盲目性，而且模型根据应用条件不同需要不断修正.因而，传统方法模型的应用效率较差，且造成人力与物力的浪费.目前，土的微细观结构动力分析方法在各种土质分析中的应用已经引起广泛关注.从土的微细观层次上分析土的动力特性能够弥补传统方法的不足，能够充分揭示土体的破坏机理.在此，笔者将探讨应用微细观结构动力分析方法分析土的动力特性的必要性，并从微细观结构分析入手，讨论动荷载作用下土体与建筑物基础共同作用的分析方法以及求解动力学问题的方法.土是一种特殊的建筑材料，具有复杂的非线性特征、历史性与不确定性.一直以来，由于受研究手段的限制，人们通常基于线性分析从宏观层次上应用连续介质力学方法分析土体的动力特性，并通过室内试验探索土体的工程性质，而从微细观层次上揭示土体破坏机理的研究却不太普遍.现代科技的快速发展，尤其是图像技术与数值方法的快速发展为突破传统研究方法的局限性提供了可能.譬如，现代图像技术已用于分析矿料颗粒的形状与分布特征等［2］;数值模拟方法已用于模拟地基的回弹特性［3］、土体颗粒的排列形式［4］及非线性特征［5］等.事实上，土的宏观工程行为是微观或细观结构的反映，很大程度上受到微观或细观参数的直接或间接影响，尤其土体中颗粒的形状、大小差异也较大.因此，采用均匀化处理的连续介质模式来处理土的动力学问题很难准确表达其结构的复杂性.土的性质、结构组分不同，其表现出的动力特性也不同.例如相对于黏土，砂土更易液化，粉土根据其黏粒的含量不同表现出不同的抗液化性能等.土体液化与土的结构组成有关，是土体微观结构力学行为的宏观反映［6］.因此只有从土的微结构出发探索土的动力特性，应用微细观结构动力分析方法才能完全揭示土在宏观上反映出的土体液化和在动力荷载作用下动强度的变化机理.在建筑结构分析过程中，常常把上部结构、基础、地基三者分开来考虑.首先，用固定支座来代替地基基础，并假设基础的变形可以忽略，计算上部结构的应力与变形并求得作用在基础上的支座反力;然后，把上一步计算得到的支座反力作用到地基基础上，基于材料力学求解地基基础底部的反力，并进而确定边界条件，求得基础内部的应力与变形;最后，施加上一步计算得到的地基基础反力到地基上，以验算地基承载力与变形.显然，这种计算方法简化了结构与地基基础设计，方便应用且计算量较小，但它忽略了3个计算步骤之间的联系，忽略了上部结构、地基基础及地基本身在接触部位的协调变形.由此产生的后果是上部结构的计算内力通常小于底层和边跨梁柱的实际内力，而基础的计算内力却远比实际内力小.显然，在工程设计中应当合理地考虑上部结构、基础与地基之间的协调变形能力与相互作用的影响.研究在动荷载作用下土体与建筑物地基的共同作用问题时需注意以下事项:①合理考虑土与结构之间的相互作用，研究因相互作用而带来的附加影响，以及这种附加影响在何种条件下有利;②通过选择合理的计算模型与方法，正确评价土与结构相互作用带来的影响;③考虑新建模型或方法的广泛适用性;④把上部结构计算在内，建立土－基础－上部结构相互作用的计算模型［7］，对于不同种类的桩基础，选择合适的分析程序［8］.室内或现场试验是研究工程问题的重要方法，但通过试验研究土体与建筑物基础的相互作用相当困难.有限单元法是解决工程力学问题最为广泛的数值方法，它在模拟连续介质力学问题上已经相当成熟，也有很多研究者用于模拟建筑结构与基础.譬如用有限元程序对钢梁进行力学分析，还有通过有限元程序进行高层结构设计与分析［9－10］.而土体微结构属于颗粒组合体，内部存在不连续面及空隙，因此采用基于连续介质力学的有限单元法模拟土体结构非常困难.而离散单元法是一种基于非连续介质力学理论(分子动力学)的数值方法，已经被广泛应用于岩土工程领域.如张承荣等基于离散单元法模拟岩体锚固作用［11］，孙玉杰等用于模拟岩体渗流［12］，周先齐等用它分析边坡稳定性问题［13］.而建筑物基础与土体的动力相互作用涉及连续介质与非连续介质的力学问题，因此应采用离散单元法与有限单元法相结合的数值分析方法.在19世纪，Raylei提出一种力学新概念，即动态松弛法.根据这一概念，受力系统的静力解可与相应的动力解相对应或等价，为解决非线性静力问题提供一种新思路，即把非线性静力问题转化为与其相对应的动力问题求解.动态松弛法的基本思想可以描述为:首先，结构体的质量可以简化并集中在节点上，惯性力和阻尼力虚拟施加在节点上，其结果必然是把节点的静力平衡方程转化为动力平衡方程.然后，基于数学方法(差分法或其他积分或微分方程)并以初始状态为出发点，显式求解非线性问题.动态松弛法的出发点是用动力学的观点求解静力学问题，其根本出发点是用牛顿第二定律求解每个离散单元上的运动方程.动力学问题和静力学问题的差别就在于作用荷载的不同，一个是动荷载，一个是静荷载，即求解动力和静力问题的力的边界条件不同，一个是动力边界，一个是静力边界，但求解的过程相同.由于离散单元法求解位移大多采用动态松弛法，因此用动态松弛法求解土动力学问题有比较成熟的理论和计算方法的支持.由于土体是岩石风化的产物，具有明显的非线性特征，用基于小变形假设的连续介质力学解析或数值分析方法很难模拟土体微观结构的性质和行为，不能真实地反映土体在动力荷载作用下的破坏状态和破坏过程中土体内部结构的变化机理.提出的从土的微细观结构分析入手，采用离散单元法与有限单元法相结合的数值分析法研究动力荷载作用下土体与建筑物基础的共同作用，应用动态松弛法求解土动力问题的思路合理、可行.【相关文献】［1］吴世明.土动力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.［2］Chandan C，Sivakumar K，Eyad Masad，et al.Application of imaging techniques to geometry analysis of aggregate particles［J］.Journal of Computing in Civil Engineering，2004，18(1):75 －82.［3］Zeghal M.Discrete-element method investigation of the resilient behavior of granular materials［J］.Journal of Transportation Engineering，2004，130(4):503 －509. ［4］Yu Huanan，Shen Shihui.Impact of aggregate packing on dynamic modulus of hot mix asphalt mixtures using threedimensional discrete element method［J］.Construction and Building Materials，2012，26(1):302 －309.［5］Tutumluer E，Kim M.Considerations for nonlinear analyses of pavement foundation geomaterials in the Finite Element Modeling of flexible pavements［C］∥Proceedings of the 15th US National Congress of Theoretical and Applied Mechanics.UnitedStates:American Society of Civil Engineers，2007.［6］汪闻韶.土的动力强度和液化特性［M］.北京:中国电力出版社，1997.［7］Radtke F K F，Simone A，Sluys L J.A computational model for failure analysis of fibre reinforced concrete with discrete treatment of fibres［J］.Engineering Fracture Mechanics，2010，77(4):597 －620.［8］Pham H B，Al-Mahaidi R，Saouma V.Modelling of CFRP-concrete bond using smeared and discrete cracks［J］.Composite Structures，2006，75(1 －4):145 －150. ［9］韩雪芳.基于MIDAS的行走式塔吊轨承钢梁分析研究［J］.山西建筑，2010(15):43 －44. ［10］李和平，曾学敏，周锋.武汉某超限高层结构设计分析［J］.国外建材科技，2008，29(5):66 －68.［11］张承荣，许振华.应用离散单元法分析工程岩体锚固作用［J］.江西有色金属，2010，1(1):13 －16.［12］孙玉杰，邬爱清，张宜虎，等.基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合作用机制研究［J］.长江科学院院报，2009，26(10):62 －66.［13］周先齐，徐卫亚，钮新强，等.基于强度折减的离散单元法在岩质边坡稳定性分析中的应用［J］.长江科学院院报，2008，25(5):107 －110.。
土力学(董建华)PPT7 土的动力特性
Kc=2 Nf=10
d
② ①
cd
3
d0
1
d0
线
f
①
以无粘性土为例，其安 全系数为： FS=
f
1
=
0
3
f
②
3
3
1
2 2
1f - 3 cos 1 - 3 cos
K cf - 1 1f - 3 = = Kc -1 1 - 3
N eq
n eqi = i 1
K
Nef ni = Nif i1
max
K
动应力d
eq=0.65max
时间 t
(a)
d eq i
Nef Nd Nf Nmax=6
eq=0.65max
N
(b)
(c)
（2）地震的等价震次
40
（平均值+标准差）
此处：等价震 次都是以震级 为依据而不是 以烈度为依据
P(t ) P0 ( t t0 )
式中：P0—冲击荷载的峰值； t ( ) —是描述冲击荷载形状的无因次时 t 间函数。
0
7.2.2 不规则荷载作用下土的动强度 荷载随时间的变化没有规律可循，即为 不规则荷载，如地震荷载。
工程上为简化计算，通常把不规则荷载简 化成等价的均匀周期荷载处理。 （1）不规则荷载的等价循环周数
7.3.3 土液化的主要影响因素 土液化的主要影响因素有： 土类的影响 土的初始密实度 土的初始固结压力 往复应力强度与往复次数
7.3.5 地基液化判别与防治 为了具体判定饱和砂土振动液化的可能 性，已经提出了一系列的方法，如临界孔 隙比法、振动稳定密度法、临界标贯击数 法、标准爆破沉降量法、抗液化剪应力法、 剪切波速法、综合指标法、静力触探法， 统计法和室内外试验综合法。他们的共同 特点是用对比促使液化方面和阻抗液化方 面的某种代表性物理量的相对大小的方法 做出液化可能性的判断。
2.7 土的动力特性(压实特性)
土力学讲座系列四
3 2020/2/3
击实试验
土力学讲座系列四
轻型：粒径小于5毫米
V 947cm3 G 2.5Kg
H 30.5cm
25下，分三层击实
重型：粒径小于40毫米
V 2104cm3 G 4.5Kg
H 45.7cm
56下，分5层击实
2.7 土的动力特性（土的压实特性）
贵州大学土木工程建筑学院
Байду номын сангаас
土力学讲座系列四
1 2020/2/3
土的压实性
人们很早就用土作为建筑材料，而 且 知 道 要 把 松 土 击 实 。 公 元 前 200 多年，我国秦朝修筑驰实（行车大 道），就有用“铁锥筑土坚实”的 记载，说明那时人们已经认识到土 的密度和土的工程特性有关。
料在相同击实功能下 的最大干密度和最有 含水率不同。对于轻
wop wop 1 P5 wab P5
型击实试验，可按下
式修正
土力学讲座系列四
12 2020/2/3
土的振动液化-----**砂土的液化
液化：任何物质转化为液体的行为或过程
砂土液化：砂土在突发的动荷载作用下，不 能在短时间排水固结，为抵抗剪力引起的体 积缩小的趋势，将产生很大的孔隙水压力， 从而导致土体的抗剪能力完全丧失的现象。
土力学讲座系列四
2 2020/2/3
土的压实性
土的压实性指在一定的含水率下，以人工或 机械的方法，使土体能够压实到某种密实程 度的性质。
土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用 土作为建筑材料填筑而成，为了保证填土有 足够的强度，较小的压缩性和透水性。在施 工中常常需要压密填料，以提高土的密实度 和均匀性。填土的密实度常以其干密度来表 示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
w′ 1 − P5 ) + wab P5 op = wop (
P5：粒径大于 5mm土的质量百分比； GS5：粒径大于 5mm土粒的饱和面干 比重； wab：粒径大于 5mm土粒的吸着含水量
• 土的压实度
• 土的压实度或压实系数λc ：定义为工地压实时要求达到 的干密度ρd与室内击实试验所得到的最大干密度ρdmax之比 值，可由下式表示：
λc =
ρd ρ d max
• 在工程中，填土的质量标准常以压实度来控制。要求压 实度越接近于1，表明对压实质量的要求越高。根据工程 性质及填土的受力状况，所要求的压实度是不一样的； • 在工地上对压实度的检验，一般可用环刀法、灌砂（或 水）法、湿度密度仪法或核子密度仪法等来测定土的干密 度和含水量，具体选用哪种方法，可根据工地的实际情况 决定。
• 影响土的压实性的因素
• 粗粒含量的影响
由于击实仪尺寸的限制， 实际试验中可能剔除超出 粒径的部分，然后进行试 验。这样测得的最大干密 度和最有含水率与实际土 料在相同击实功能下的最 大干密度和最有含水率不 同。对于轻型击实试验， 可按右式修正。
′ max = ρd
1 1 − P5 P5 − ρ d max ρ w于5毫米
V = 947.4cm3 G = 2 .5 Kg H = 30.5cm
25下，分三层击实 重型：粒径小于20毫米
V = 2103.9cm3 G = 4.5 Kg H = 45.7cm
56下，分5层击实
• 击实仪示意图
• 击实仪的构造
• 击实曲线
S r = 1 → e = ωd s = ω =(
• 影响土的压实性的因素
• 土类和级配的影响
• 同样的含水量情况下，粘性土的粘 粒含量越高或塑性指数越大，越难 于压实； • 对于无粘性土，含水率对压实性的 影响没有像粘性土那么敏感，其击 实曲线与粘性土不同，在含水率较 大时得到较高的干密度。因此在无 粘性土的实际填筑中，同时需要不 断洒水使其在较高含水率下压实。 无粘性土的填筑标准，通常是用相 对密实度来控制的，一般不进行击 实试验； • 级配良好的土易于压实，反之则不 易压实
第十一章：土在动荷载作用下的特性 11.1 概述
• 公路路堤、土坝以及建筑场地的回填土等，都是以土作为建 筑材料。土体由于经过开挖、搬运及堆筑，原有结构遭到破 坏，含水量发生变化，堆填时必然造成土体中留下很多孔隙， 如不经人工压实，其均匀性差、抗剪强度低、压缩性大、水稳 定性不良，往往难以满足工程的需要。因此，研究土的压实性 是土工建筑物的重要课题。 • 某些松软的地基土，由于其强度低、变形大，直接在其上修 建建筑物，不能满足地基承载力、变形的设计要求，需进行加 固处理。可采用换填垫层法加固，通过分层压实改善土的不良 性质。土的压实是在动荷载作用下得到的，提高了土的密实 度，从而土的强度得到提高，土的压缩性减低和透水性变小。
d s (1 + ω ) ρ w d ρ −1 = s w −1 (1 + ω ) ρd ρd
ρw 1 - ) × 100% ρd d s
ρw 1 ω=( − ) × 100 % ρd d s
饱 和 曲 线
• 压实土的特性
• 压实曲线峰值所对应的纵坐标值为最大干密度 ρdmax， 对应的横坐标值为最优含水量 ωop； • 人工压实不是挤出土中水而是挤出土中气来达到压实 目的的； • 当含水量低于最优含水量时，干密度随含水量不同的 变化较大，即含水量变化对干密度的影响在偏干时比 偏湿时更加明显。因此，击实曲线的左段（低于最优 含水量）比右段的坡度陡。
• 影响土的压实性的因素
• 击实功能的影响 • 实验室中的击实功能是 用击数来反映的，对同一 种土，压实功能小，则能 达到的最大干密度也小， 最优含水率大；压实功能 大，则能达到的最大干密 度也大，最优含水率小； 用同一种土料在不同含 水率下分别用不同的击数 进行击实试验，就能得到 一组随击数而异的含水率 与干密度关系曲线。
•
• 影响土的压实性的因素
• 击实功能的影响 讨论： • 土料的最大干密度和最优含水率不是常数。最大干密度 随击数的增加而逐渐增大，最优含水率则逐渐减小。但是 这种增大或减小的速率是递减的，因而光靠增加击实功能 来提高土的干密度是有一定限度的； • 含水率较低时击数的影响显著。当含水率较高时，含水 率与干密度的关系曲线趋近于饱和线，也就是说，这时提 高击实功能是无效的。填料的含水率过高和过低都是不利 的，过高恶化土体的力学性质，过低则填土遇水后容易引 起湿陷。
• 击实试验与压实度
• 击实试验
目前较少使用
在实验室内进行击实试验，是研究土压实性 的基本方法。击实试验分轻型和重型两种。轻型 击实试验适用于粒径小于 5mm的粘性土，而重型 击实试验适用于粒径不大于 20mm的土。击实试 验所用的主要设备是击实仪，包括击实筒、击锤 及导筒等。击实试验仪有轻型和重型两种，击实 筒容积分别为947.4cm3和2103.9cm3；击锤质 量分别为2.5kg和4.5kg；落高分别为30.5cm和 45.7cm。
11.2 土的压实性
• 土的压实性 ---在一定的含水率下，以人工或机械的方 法，使土体能够压实到某种密实程度的性质； • 土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用土作为建 筑材料填筑而成，为了保证填土有足够的强度，较小 的压缩性和透水性。在施工中常常需要压密填料，以 提高土的密实度和均匀性。填土的密实度常以其干密 度来表示； • 在实验室内研究土的密实性是通过击实试验进行的。
• 影响土的压实性的因素
• 含水量的影响
• 对同一种土料，分别在不同的 含水率下，用同一击数将他们分 层击实，测定土样的含水率和密 度，然后以含水率为横坐标，干 密度为纵坐标，绘制击实曲线； • 从图中可以看出，当含水率较 小时，土的干密度随着含水率的 增加而增大，而当干密度增加到 某一值后，含水率继续增加反而 使干密度减小。干密度的这一最 大值称为该击数下的 最大干密 度，此时对应的含水率称为 最优 含水率；