土在动荷载作用下的力学性质
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第十章 土在动荷载作用下的力学性质
土在动荷载作用下的力学性质
10.1 概述
根据动荷载作用的特点，可以将其分成三种类型。 (1) 周期荷载
P t P0 sin t
(2) 冲击荷载
简谐荷载
t P t P0 t0
(3) 不规则荷载 荷载随时间的变化无规律可循，即为不规则荷载。最为典 型的不规则荷载就是地震荷载。
(1) 可以制备模拟现场状态饱和砂的大型均匀试样，可以测出
土样内部的应变和加速度。
(2) 在低频和平面应变条件下，整个土样中将产生均匀的加速
度，相当于现场剪切波的传播。
(3) 可以查出液化时大体积饱和土中实际孔隙水压力的分布。
(4) 在振动时能用肉眼观察试样。
Байду номын сангаас
土在动荷载作用下的力学性质
6）离心模型试验 离心机模型试验首先需要根据试验研究的目的和要求，选 择适合的用于单向或双向振动试验的模型箱，然后与静力离心 模型试验一样需要综合考虑离心机的容量、原型的尺寸、模型 箱尺寸和观测仪器的布置等，合理确定模型比尺。理想的模型 箱应该具备的条件 ：
试验亦表明，对于同样条 件的土样，发生液化所需的 动应力将随着固结压力的增 加而增大。
土在动荷载作用下的力学性质
10.3.2 砂性土地基液化判别 现场试验 砂性土地基液化判别方法 室内试验 经验对比法 1)《建筑抗震设计规范》判别方法
在地面下20m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按
下式计算：
土在动荷载作用下的力学性质
1 a b d Ed
土在动荷载作用下的力学性质
10.2.3 土动力室内测试技术 1）动力测试基本原理 (1) 激振 激振的基本原理就是向土样施加某种动荷载，使其尽可能地
模拟实际的动力作用。室内模拟激振的方法主要有：① 机械激
振；② 电磁激振；③ 电液激振；④气动激振。 (2) 测振 土动力试验的各项物理量，不论是仪器直接输出给试样的， 还是试样间接反应回来的，均需要由振动系统进行量测。测振 的参数包括三大类：① 应力；② 应变；③振动性状(阻尼、衰 减等)。
Ncr N0 ln(0.6dr 1.5) 0.1d w 3 / c
土在动荷载作用下的力学性质
2)《公路工程抗震设计规范》判别方法 在《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)中，砂性土液化
判别公式是以Seed H B的液化判别图 / v ~
N1 曲线族中震级
M=7.5的分界线为基础换算得到的，对地面以下20m 深度范 围内的砂土和亚砂土，其液化判别公式如下：
Ed Gd 2(1 )
土在动荷载作用下的力学性质
3）振动剪切试验 对实际地基来说，土的振动变形大部分是由于从下卧层向上 传递的剪切波引起的，如图10.11所示。对于地表为水平的土层， 地震前在地下某一深度的水平面上只作用垂直应力σ0，而初始 剪应力为零。由于地震作用， 在水平面上附加一往复剪应力， 而垂直应力σ0仍保持不变。当 地面为倾斜面或有建筑物时， 则地面某一深度水平面不仅有 初始垂直应力σ0，而且还存在 初始剪应力。
土在动荷载作用下的力学性质
10.2 土的动强度和变形特性
加荷速度不同，土的反应也不同。由图10.1所示，慢速加 荷时强度虽然低于快速加荷，但承受的应变范围较大 。
土在动荷载作用下的力学性质
10.2.1 反复荷载下土的强度特征
土在动荷载作用下的力学性质
土在动荷载作用下的力学性质
10.2.2 反复荷载下土的变形特征
1）砂土液化造成的灾害
(1) 喷砂冒水 (2) 震陷 (3) 滑坡 (4) 地基失稳
2)液化机理
当孔隙水压力 u 以及 0时，没有黏聚力的砂土的强度 就完全丧失，而处于没有抵抗外荷能力的悬浮状态，故产生了 砂土“液化”。
土在动荷载作用下的力学性质
3) 影响砂土液化的主要因素 (1) 土的种类 粉细砂土、轻亚黏土比 中、粗砂土容易液化；级配 均匀的砂土比级配良好的砂 土易发生液化。 (2) 土的密度 松砂在振动中体积易于缩 小，孔隙水压力上升快，故 松砂较密砂容易液化。 (3) 土的初始应力状态
N1 Cn N63.5
1/ 2 0 N c 11.8 1 13.06 K h Cv 8.09 e
载而处于强迫振动时，振动由柱体顶端以波动形
式沿柱体向下传播，使整个柱体处于振动状态。 共振柱试验是一种无损试验技术，它的优越性表
现在试验的可逆性和重复性上，从而可求得十分
稳定的结果。
土在动荷载作用下的力学性质
5）振动台试验 振动台试验是20世纪70年发展起来的专门用于土的液化性 状研究的室内大型动力试验。相对于常用的动三轴和动单剪试 验，振动台试验有下述优点：
土在动荷载作用下的力学性质
4）共振柱试验
共振柱试验是根据共振原理，在一个圆柱形
试样上进行振动，改变振动频率使其产生共振，
并借以测求试样的动弹性模量及阻尼比等参数。 其工作原理可以用图 10.12简化模型表示。图中圆
柱形试样的底端固定，试样的顶端附加一个集中
质量块，并通过该质量块对试样施加垂直轴向振 动或水平振动。当土柱的顶端受到施加的周期荷
(1) 振动过程中，不影响剪切波或剪切应力的传递，尽量使水
平剪切刚度为零，对土的变形无影响；
(2) 振动过程中模型箱水平断面尺寸应保持不变； (3) 模型箱侧壁应具有足够的刚度； (4) 尽量减少模型箱壁的质量，以减少边界处侧向动土压力。
土在动荷载作用下的力学性质
10.3 砂土振动液化
在动力荷载(振动)作用下砂土(特别是饱和砂土)表现出类似 液体性状而完全失去了承载能力的现象称为砂土液化。 10.3.1 砂土液化机理
土在动荷载作用下的力学性质
2）振动三轴试验 土的动力参数可通过现场和室内试验测定。室内一般多采用 振动三轴仪试验测定。试验时对圆柱形土样施加轴向循环变化 的压缩与拉伸荷载，直接量测土样的应力和应变值，从而绘制 应力~应变曲线即滞回圈(图10.9)。试验所得滞回圈是试样在循 环荷载下压缩与拉伸的 结果，所以求得的模量 是动弹性模量Ed。而剪 切模量Gd由下式求出：
土在动荷载作用下的力学性质
10.1 概述
根据动荷载作用的特点，可以将其分成三种类型。 (1) 周期荷载
P t P0 sin t
(2) 冲击荷载
简谐荷载
t P t P0 t0
(3) 不规则荷载 荷载随时间的变化无规律可循，即为不规则荷载。最为典 型的不规则荷载就是地震荷载。
(1) 可以制备模拟现场状态饱和砂的大型均匀试样，可以测出
土样内部的应变和加速度。
(2) 在低频和平面应变条件下，整个土样中将产生均匀的加速
度，相当于现场剪切波的传播。
(3) 可以查出液化时大体积饱和土中实际孔隙水压力的分布。
(4) 在振动时能用肉眼观察试样。
Байду номын сангаас
土在动荷载作用下的力学性质
6）离心模型试验 离心机模型试验首先需要根据试验研究的目的和要求，选 择适合的用于单向或双向振动试验的模型箱，然后与静力离心 模型试验一样需要综合考虑离心机的容量、原型的尺寸、模型 箱尺寸和观测仪器的布置等，合理确定模型比尺。理想的模型 箱应该具备的条件 ：
试验亦表明，对于同样条 件的土样，发生液化所需的 动应力将随着固结压力的增 加而增大。
土在动荷载作用下的力学性质
10.3.2 砂性土地基液化判别 现场试验 砂性土地基液化判别方法 室内试验 经验对比法 1)《建筑抗震设计规范》判别方法
在地面下20m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按
下式计算：
土在动荷载作用下的力学性质
1 a b d Ed
土在动荷载作用下的力学性质
10.2.3 土动力室内测试技术 1）动力测试基本原理 (1) 激振 激振的基本原理就是向土样施加某种动荷载，使其尽可能地
模拟实际的动力作用。室内模拟激振的方法主要有：① 机械激
振；② 电磁激振；③ 电液激振；④气动激振。 (2) 测振 土动力试验的各项物理量，不论是仪器直接输出给试样的， 还是试样间接反应回来的，均需要由振动系统进行量测。测振 的参数包括三大类：① 应力；② 应变；③振动性状(阻尼、衰 减等)。
Ncr N0 ln(0.6dr 1.5) 0.1d w 3 / c
土在动荷载作用下的力学性质
2)《公路工程抗震设计规范》判别方法 在《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)中，砂性土液化
判别公式是以Seed H B的液化判别图 / v ~
N1 曲线族中震级
M=7.5的分界线为基础换算得到的，对地面以下20m 深度范 围内的砂土和亚砂土，其液化判别公式如下：
Ed Gd 2(1 )
土在动荷载作用下的力学性质
3）振动剪切试验 对实际地基来说，土的振动变形大部分是由于从下卧层向上 传递的剪切波引起的，如图10.11所示。对于地表为水平的土层， 地震前在地下某一深度的水平面上只作用垂直应力σ0，而初始 剪应力为零。由于地震作用， 在水平面上附加一往复剪应力， 而垂直应力σ0仍保持不变。当 地面为倾斜面或有建筑物时， 则地面某一深度水平面不仅有 初始垂直应力σ0，而且还存在 初始剪应力。
土在动荷载作用下的力学性质
10.2 土的动强度和变形特性
加荷速度不同，土的反应也不同。由图10.1所示，慢速加 荷时强度虽然低于快速加荷，但承受的应变范围较大 。
土在动荷载作用下的力学性质
10.2.1 反复荷载下土的强度特征
土在动荷载作用下的力学性质
土在动荷载作用下的力学性质
10.2.2 反复荷载下土的变形特征
1）砂土液化造成的灾害
(1) 喷砂冒水 (2) 震陷 (3) 滑坡 (4) 地基失稳
2)液化机理
当孔隙水压力 u 以及 0时，没有黏聚力的砂土的强度 就完全丧失，而处于没有抵抗外荷能力的悬浮状态，故产生了 砂土“液化”。
土在动荷载作用下的力学性质
3) 影响砂土液化的主要因素 (1) 土的种类 粉细砂土、轻亚黏土比 中、粗砂土容易液化；级配 均匀的砂土比级配良好的砂 土易发生液化。 (2) 土的密度 松砂在振动中体积易于缩 小，孔隙水压力上升快，故 松砂较密砂容易液化。 (3) 土的初始应力状态
N1 Cn N63.5
1/ 2 0 N c 11.8 1 13.06 K h Cv 8.09 e
载而处于强迫振动时，振动由柱体顶端以波动形
式沿柱体向下传播，使整个柱体处于振动状态。 共振柱试验是一种无损试验技术，它的优越性表
现在试验的可逆性和重复性上，从而可求得十分
稳定的结果。
土在动荷载作用下的力学性质
5）振动台试验 振动台试验是20世纪70年发展起来的专门用于土的液化性 状研究的室内大型动力试验。相对于常用的动三轴和动单剪试 验，振动台试验有下述优点：
土在动荷载作用下的力学性质
4）共振柱试验
共振柱试验是根据共振原理，在一个圆柱形
试样上进行振动，改变振动频率使其产生共振，
并借以测求试样的动弹性模量及阻尼比等参数。 其工作原理可以用图 10.12简化模型表示。图中圆
柱形试样的底端固定，试样的顶端附加一个集中
质量块，并通过该质量块对试样施加垂直轴向振 动或水平振动。当土柱的顶端受到施加的周期荷
(1) 振动过程中，不影响剪切波或剪切应力的传递，尽量使水
平剪切刚度为零，对土的变形无影响；
(2) 振动过程中模型箱水平断面尺寸应保持不变； (3) 模型箱侧壁应具有足够的刚度； (4) 尽量减少模型箱壁的质量，以减少边界处侧向动土压力。
土在动荷载作用下的力学性质
10.3 砂土振动液化
在动力荷载(振动)作用下砂土(特别是饱和砂土)表现出类似 液体性状而完全失去了承载能力的现象称为砂土液化。 10.3.1 砂土液化机理
土在动荷载作用下的力学性质
2）振动三轴试验 土的动力参数可通过现场和室内试验测定。室内一般多采用 振动三轴仪试验测定。试验时对圆柱形土样施加轴向循环变化 的压缩与拉伸荷载，直接量测土样的应力和应变值，从而绘制 应力~应变曲线即滞回圈(图10.9)。试验所得滞回圈是试样在循 环荷载下压缩与拉伸的 结果，所以求得的模量 是动弹性模量Ed。而剪 切模量Gd由下式求出：