土动力学-绪论

（1）土性条件（内因） （2）起始应力条件（外因） (3) 动荷条件（外因） （4）排水条件（媒介）
1、土性条件 （1）土的颗粒特征 • 平均粒径d50 • 不均匀系数cu • 粘粒含量Mco
粗砂、中砂、细砂、粉砂液化的可能性
逐渐增大； 不均匀系数超过10的砂土一般较难发生 液化； 粘粒含量大于10％，土的动力稳定性增 加；
• 1977年第九届国际土力学及基础工程工 •
程学会会议上正式分列出土动力学问题 讨论为标志。 1981年Shamsher Prakash出版了专著 《Soil Dynamics》,1983年B.T.Das出版了 《Foundation of Soil Dynamics》）

1964年日本新泻地震、美国阿拉斯加地 震、 1971年美国圣费尔南多地震, 1995年 日本神户大地震等使土动力学和岩土地 震工程的研究达到了一个新的高潮,取得 了丰硕的成果.
近年来，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、地层液化势与地面破坏、动土压力 和挡土结构的抗震设计、土—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。
在以往的地震反应分析中，地震作 用一般以水平剪切为主，因此按Serff假 设可以将水平面近似作为最大剪应力作 用面，地震产生的破坏就是在这些水平 动剪应力作用下产生的。然而日本阪神 等地震的破坏形式表明竖向地震作用产 生的破坏是相当大的。1995年1月17日发 生的日本阪神大地震中，有许多结构的 破坏是由于竖向地震作用引起的。可见， 在以往的抗震设计中，只考虑水平剪切 的作用，对工程抗震设计是不够安全的。
振动效应 由于土体本身的尺寸、结构、动力学性质 等特征，引起地面地震动地改变（放大、 减缓）。
土的动应力－应变关系 土的动变形与动强度 地震作用下土的变形与强度 土体地震反应分析 动土压力与挡土墙

第二章 饱和土的液化
2.1 振动液化机理
饱和土在动荷作用下往往会丧失其原 有的强度而转变为一种类似液体的状态。 1978年美国岩土工程学会土力学委员 会讨论，认为：液化是使任何物质转变为 液体的作用和过程。在无粘性土中，这种 转变是由固态到液态，它是孔压增加，有 效应力减小的结果。
2、动荷载基本特点 振幅、频率、持续时间、波型的变化

3、动荷类型 冲击荷载（impact load)：坠落重物所引起 的荷载，其大小取决于传递结构的弹性 和惯性，作用时间短。
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振动荷载（vibrating load） 有限次往返，方向变化, 幅值是变化的
地震波 风荷载 打桩荷载
疲劳荷载（fatigue load） 加荷及几万次、几十万次 幅值基本不变 周期基本不变
70年代,随着近海重力式平台的大量 兴建,研究者们的注意力集中在波浪等周 期荷载作用下砂土液化的可能性和液化 强度等问题，后来又注意到了孔隙水压 力消散的影响。 另一方面，周期荷载作用下粘性土 性状的研究也取得较多的成果。 Andersen等人应北海重力式石油平台建 设的需要曾对粘土进行了系统而广泛的 研究。
土动力学解决的问题：
(1)工程建筑中的各种动荷作用及其特点问题； (2)动荷所引起的振动和波动及其在土中运动的规 律问题； (3)土的动应力－应变关系问题； (4)土的动强度和变形问题； (5)土的振动液化问题； (6)土动力特性测试设备与测试技术问题； (7)动荷条件下的地基承载力，土坡稳定及挡土墙 上土压力问题； (8)土与结构物的相互作用问题(包括动力机器基 础问题)；
土动力学研究的内容包括
• 土的动力特性; • 土体的动力稳定性(包括土与结构物相互 作用)两大部分。 由于动荷具体作用的特性不同，土可能 在下同应力水平和动应变幅下工作，显 示出不同的应力—应变特性规律。故上 述两个部分的分析研究，必须尽量模拟 实际动荷作用的特点，面向动荷作用下 工程建设中的实际问题，建立起自己的 理论体系和分析解决问题的基本方法。
§1.2 动荷的类型及其对土体的作用特点
1、与静荷载区别 加荷时间：爆炸荷载的加荷时间几个毫 秒，一般动力荷载百分之几 秒或零点几秒。 周期效应：多次反复施加。 应变大小 <10-3 在动荷条件下研究 > 10-3在静荷条件下研究
动力与静力的区别在于动力必须具 备三个充要条件： 1.力的作用是循环往复的。 2.力的作用结果应当是导致受力物体的波 动变形或质点的往复位移。 3.力的作用伴随着交变的加速度。
我国的土动力学发展较晚, 1961年我 国岩土学科创始人黄文熙先生率先发表 了有关饱和砂土地基及土坡液化稳定分 析成果,标志着土动力学这门学科在我国 的兴起。1966年我国邢台地震和1976年 我国唐山地震等许多实践课题促进了这 门学科的迅速发展。
地震作用下土的性状

地震时土的力学状态如果用应力应变来 表示地震作用力的大小，地震属于中变 形和大变形开始阶段
密度特征 相对密实度Dr（N） 孔隙比e 干重度
结构特征（土的排列和胶结特征） • 原状土比重塑土难液化 • 古砂层比新砂层难液化 • 遭受过地震的砂土比未遭受地震的砂土 难液化 • 预压土样抗液化性能提高
饱和度的影响

• 液化一般发生在饱和土中，非饱和的黄
土也会发生类似现象。 • 液化有广义和狭义的理解 广义的液化为孔压上升的过程 狭义的液化为最后抗剪强度达到0的状态。 • 孔压的上升也有广义和狭义的理解 广义的理解限于封闭条件下土体内孔隙 压力的增高 狭义的理解包括由高孔压区向低孔压区 的转移
• 液化是剪缩性的土体在不排水条件
土动力学问题研究的基础：
土力学、地震工程学、结构动力学、土工 抗震学等一系列学科。 充分运用现有室内外试验量测技术，广 泛积累原型观测和工程实录资料，作出 理论联系实际的分析，建立科学的分析 方法。
解决问题的途径：
• 建立起一定理论下的计算方法，引入一些表征 动力作用和土动力特性的相应指标，作为动力 设计的基础，并在不断的实践中加以检验和修 正； • 直接用模型试验的方法作为基础，根据运用相 似律模拟的精确程度和量测手段的完善程度， 为设计提供出定性或定量的依据； 研究方法：将理论分析、室内试验、现场试验、 原型观测和模型试验紧密结合起来，各取所长， 互相促进，作出多途径长时期的系统探索。
土动力学
（SOIL DYNAMICS)
第一章
绪 论
§1.1 土动力学的任务、内容、研究途径 土动力学是土力学的一个分支，是 研究动荷载作用下土的变形和强度特性 及土体稳定性的一门学科。 土动力学的任务在于探求动荷载作 用下土变形强度特性变化的规律性，应 用近代力学的原理，分析研究土工建筑 物及建筑物土质地基在各种动力影响下 的变形稳定性和强度稳定性。
地震 弹性
弹塑性
破坏
小变形
中变4
10-3
10-2
10-1
1
10
土对地震荷载的两类效应 宏观反应 ： 变形 ；往返变形，残余变形 孔压；升高 宏观效应：砂土液化 破裂 滑坡 a.对地震反应不明显的土： 干砂，压密粘 性土，饱和密实砂 b.对地震反应明显的土：饱和松砂，


下孔隙压力不断累积的结果。 • 液化的过程： （1）在振动荷载持续作用下，砂土经 历了由土粒传给孔隙水，压力又由孔 隙水传给土粒两个阶段。 （2）砂土发生液化必须具备两个条件， 一是振动的强度足以使土体结构破坏； 二是土体结构发生破坏后，土粒发生 移动的趋势是压密而不是松胀。
2.2 影响饱和土振动液化的主要因素
分析了诸如试验方式、剪应力幅值、 超固结比等因素的影响，而Matsui的研 究则较多地关注了孔隙水压力的发展变 化，分析了残余孔压与剪应变之间的相 互关系以及循环荷载作用历史对剪切特 性的影响。Ba1igh曾给出一个较为完善 的循环荷载作用下的固结理论。
低路提在交通荷载作用下的变形特性 也早已引起人们的重视。较早的如Seed 及其同事们的工作，后来其他学者也继 续了这项工作。进入80年代，这项工作 进一步深入，Yasuhara等提出了一个排 水循环荷载作用下土体变形的近似预测 方法，Fujiwara的研究则集中在排水条 件下考虑固结影响的变形计算。
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车辆荷载 机器基础
动荷作用的共同特点：大小随时间而发生 变化； 动荷在随时间变化过程中的两种效应： 速率效应，即荷载在很短的时间内以很高 的速率加于土体所引起的效应； 循环效应，即荷载的增减，多次往复循环 地施加于土体所起的效应；
§1.3 动荷作用对工程建筑的影响
一、地基破坏 二、结构破坏
§1.4 土动力学的发展 动力机器基础（machine foundation)： 20世纪30年代,以德国的E.Reissner和前苏 联的D.D.Barkan为代表。 防护工程（protective construction)：二 次世界大战以后。 地震工程（earthquake engineering)：60 年代以后，随几次大地震的发生，迅速 发展。