土的动力特征
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第十章 土的动力特征
➢ §10.1 概述 ? §10.2 土的压实性 ? §10.3 土的振动液化 ? §10.4 周期荷载下土的强度和变形特征 ? §10.5 土的动力特征参数简介
§10.1 概述
• 在土木工程建设中，土体经常会遇到天然振源的地 震、波浪、风或人工振源的车辆、爆炸、打桩、强 夯、动力机器基础等引起的动荷载作用。
§10.3 土的振动液化
地基液化引起的储油罐 倾斜—日本神户
§10.3 土的振动液化
日本阪神地震引起的地面下沉房屋脱离地面
§10.3 土的振动液化
桩基础（房屋基础露出地面）
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
2. 液化机理
（1）初始的疏松状态
（2）振动以后处于悬浮状态 —孔压升高（液化）
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
No Image
动荷载的加荷速度，对土的强度与变形也将 产生影响。如图10-20所示，加荷速度越慢， 其强度越低，但承受的应变范围越大。
§10.5 土的动力特征参数简介
动力特征参数
土的动力特征参数包括： 动弹性模量或动剪切模量、阻尼比或衰减 系数、动强度或液化周期剪应力以及振动 孔隙水压力增长规律等。 其中动剪切模量和阻尼比是表征土的动力 特征的两个主要参数，本节简介这两个动 力特征参数。
压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性
研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实密度
击实方法： 室内击实试验 现场试验: 夯打、振动、碾压
§10.2 土的压实性
一. 室内击实试验 二. 细粒土的压实性 三. 粗粒土的压实性
§10.2 土的压实性
一. 室内击实试验
• 试验设备 击实筒V=997cm3；击实锤m=2.5kg；锤底直径d=5cm
（3）振后处于密实状态
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
2. 液化机理
振前砂土结构
振中颗粒悬浮，有效 应力为零
振后砂土变密 实
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
2. 液化机理
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
3. 液化定义
• 在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮， 超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水 压力等于总应力时，有效应力为零，砂土 的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为 液化现象。
✓ 土粒破碎，粒间联结力被破 1.6
坏而发生孔隙体积减小;
✓ 气被挤出或被压缩等
1.4
wop=12.1
0 4 8 12 16 20 含水量w(%)
Biblioteka Baidu
d ω ωop, ρ d ρdmax d ω< ωop , ρ d< ρdmax d ω> ωop , ρ d< ρdmax
•水膜润滑作用效果最佳; •尚没有形成封闭气泡，气易于排出;
N50
c. 击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适
§10.2 土的压实性
4. 压实标准
a. 粘性土存在最优含水量ωop，在填土施工中应该将土料的 含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax，通常取
填土的干密度
Dc
10% 0
室内标准击实d试 max验的
b. 工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）
§10.5 土的动力特征参数简介
动剪切模量
土的动剪切模量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τd与动剪应 变εd之比值:
Gd = τd /εd
(10-8)
§10.5 土的动力特征参数简介
阻尼比
土体作为一个振动体系，其质点在运动过程中由于黏滞摩擦作用 而有一定的能量损失，这种现象称为阻尼，也称黏滞阻尼。 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。 土的阻尼比ζ是指阻尼系数与临界阻尼系数的比值。 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。阻尼比是衡量吸收振动能量的尺度。地基或土工建筑物振 动时，阻尼有两类，一类是逸散阻尼，另一类是材料阻尼。前者 是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，后者是土粒间摩擦和孔隙中水与气体 的黏滞性产生的。
§10.2 土的压实性
二. 细粒土的压实性
1.击实曲线 2.理论分析 3.影响因素 4.压实标准
§10.2 土的压实性
1.击实曲线
最大干密度 特点： 最优含水量 ①具有峰值 ②位于饱和曲线之下
d1G G ss w w /Sr
干密度d(g/cm3)
2.0
dmax=1.86
1.8
1.6
1.4
wop=12.1
由于动荷载的这两个特性，使得土在动荷载 作用下，其力学性质与静荷载作用时相比有 很大差异。
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
此图反映了荷载作用次数对土强度的影响。动荷 载反复作用次数越少，动强度越高，随着次数的 增加，土的强度逐渐降低，当反复作用100次(压 实黏性土)或50次(饱和软黏土)时，动强度已接 近或低于静强度，若次数再增加，则低于静强度。
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化 4. 砂土液化的影响因素（228页）
• 4.1 土类 • 4.2 土的密度 相对密度Dr<60% • 4.3 土的初始应力状态
5. 地基液化判别与防治（230页）
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
动荷载特性
一是具有时间性，通常在10s以内应作为动 力问题； 二是荷载的反复性(加卸荷)或周期性(荷载变 向)。
• 在动荷载作用下，土的强度和变形特性都将受到影 响。
• 动荷载可能造成土体的破坏，必须加以充分重视； • 动荷载可被利用改善不良土体的性质，如地基处理
中的爆炸法、强夯法等。
§10.1 概述
图10.1 动荷载的类型 (a)冲击荷载；(b)不规则荷载；(c)周期荷载
§10.2 土的压实性
压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密 实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性
•颗粒表面水膜很薄，相对移动困难
•孔压力升高显著，抵消部分击实功; •形成封闭气泡和水难以排出;
24 28
§10.2 土的压实性
3. 影响因素
a. 击实功能
N30
b. 土的级配
N10
E,op,d,max
N50
con,sEt,d存在一个上界
级配越好，max其越大
2
1
Econst
op(23%)
d
E
3
const
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
土的动强度可以用数种动力试验方法确定。根 据试验的加荷方式，动力试验方法可分为四种 类型，如图10-18所示。 (a)单调加载； (b)单调—循环加载； (c)循环—单调加载；(d)单调增加循环加载
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
图10-19反映了反复荷载作用下土的变形特性。 由图可知，应变随作用次数的增加而增加、随 动应力与竖向应力之比σd/σz值的增加而增加。
中砂 ω=7%；
2. 理论分析
✓ 对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。
✓ 在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。
3. 压实标准
✓ 常用相对密度控制 Dr>0.7~0.75 ✓ 施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和
§10.3 土的振动液化
§6.6土的动强度与砂土的振动液化
• 试验条件 土样分层n=3层；落高h=30cm；击数N=27/层
• 击实能量
E59 K8 /J m 3
• 试验方法 对ω=cosnst的土；分三层压实； 测定击实后的ω、ρ，算定ρd
• 注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺 寸的击实仪
土
公路土工试验规程
d(d)sa
教材：DL/T5355-2006和GB-T50123-1999
§10.5 土的动力特征参数简介
-8 动剪切模量和阻尼比的室内试验方法
试验方法 动剪切模量 阻 尼 比 试验方法 动剪切模量 阻 尼 比
超声波脉冲
√
周期单剪
√
√
共振柱
√
√
周期扭剪
√
√
周期三轴剪
√
§10.5 土的动力特征参数简介
-9 动剪切模量和阻尼比的原位试验方法
试验方法 动剪切模量 阻 尼 比 试验方法
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
1. 液化现象
孔
压
• 饱和松砂在振动情
U
况下孔压急剧升高
• 在瞬间砂土呈液态
时间T
§10.3 土的振动液化
§10.3 土的振动液化
日本阪神地震引起的路面塌陷
§10.3 土的振动液化
由于液化引起的河道破坏—日本神户
§10.3 土的振动液化
阪 神 地 震 中 新 干 线 的 倾 覆
0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%)
粘性土渗透系数K很小，压 实过程中含水量几乎不变， 要想击实到饱和状态是不可 能的。
(d)sat1G sG sww
Sr 1
§10.2 土的压实性
干密度d(g/cm3)
2. 理论分析
压实机理：
2.0
dmax=1.86
1.8
✓ 颗粒被击碎，土粒定向排列;
高速公路和一级公路 Dc>95 % 其他公路 Dc>93% Ⅰ、Ⅱ级土石坝 Dc>95~98% Ⅳ~Ⅴ 级土石坝 Dc>92~95%
§10.2 土的压实性
三1.击. 粗实曲粒线土的压实性
特点
①不存在最优含水量； ②在完全风干和饱和两种状态 下易于击实； N50 ③潮湿状态下ρd明显降低。
20% 粗砂 ω =4~5% 时，干密度最小
折射法 √
钻孔波速法
动剪切模量 阻 尼 比 √
反射法 √ 表面波法 √
动力旁压试验
√
标准贯人试验 √
➢ §10.1 概述 ? §10.2 土的压实性 ? §10.3 土的振动液化 ? §10.4 周期荷载下土的强度和变形特征 ? §10.5 土的动力特征参数简介
§10.1 概述
• 在土木工程建设中，土体经常会遇到天然振源的地 震、波浪、风或人工振源的车辆、爆炸、打桩、强 夯、动力机器基础等引起的动荷载作用。
§10.3 土的振动液化
地基液化引起的储油罐 倾斜—日本神户
§10.3 土的振动液化
日本阪神地震引起的地面下沉房屋脱离地面
§10.3 土的振动液化
桩基础（房屋基础露出地面）
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
2. 液化机理
（1）初始的疏松状态
（2）振动以后处于悬浮状态 —孔压升高（液化）
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
No Image
动荷载的加荷速度，对土的强度与变形也将 产生影响。如图10-20所示，加荷速度越慢， 其强度越低，但承受的应变范围越大。
§10.5 土的动力特征参数简介
动力特征参数
土的动力特征参数包括： 动弹性模量或动剪切模量、阻尼比或衰减 系数、动强度或液化周期剪应力以及振动 孔隙水压力增长规律等。 其中动剪切模量和阻尼比是表征土的动力 特征的两个主要参数，本节简介这两个动 力特征参数。
压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性
研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实密度
击实方法： 室内击实试验 现场试验: 夯打、振动、碾压
§10.2 土的压实性
一. 室内击实试验 二. 细粒土的压实性 三. 粗粒土的压实性
§10.2 土的压实性
一. 室内击实试验
• 试验设备 击实筒V=997cm3；击实锤m=2.5kg；锤底直径d=5cm
（3）振后处于密实状态
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
2. 液化机理
振前砂土结构
振中颗粒悬浮，有效 应力为零
振后砂土变密 实
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
2. 液化机理
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
3. 液化定义
• 在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮， 超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水 压力等于总应力时，有效应力为零，砂土 的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为 液化现象。
✓ 土粒破碎，粒间联结力被破 1.6
坏而发生孔隙体积减小;
✓ 气被挤出或被压缩等
1.4
wop=12.1
0 4 8 12 16 20 含水量w(%)
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d ω ωop, ρ d ρdmax d ω< ωop , ρ d< ρdmax d ω> ωop , ρ d< ρdmax
•水膜润滑作用效果最佳; •尚没有形成封闭气泡，气易于排出;
N50
c. 击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适
§10.2 土的压实性
4. 压实标准
a. 粘性土存在最优含水量ωop，在填土施工中应该将土料的 含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax，通常取
填土的干密度
Dc
10% 0
室内标准击实d试 max验的
b. 工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）
§10.5 土的动力特征参数简介
动剪切模量
土的动剪切模量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τd与动剪应 变εd之比值:
Gd = τd /εd
(10-8)
§10.5 土的动力特征参数简介
阻尼比
土体作为一个振动体系，其质点在运动过程中由于黏滞摩擦作用 而有一定的能量损失，这种现象称为阻尼，也称黏滞阻尼。 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。 土的阻尼比ζ是指阻尼系数与临界阻尼系数的比值。 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。阻尼比是衡量吸收振动能量的尺度。地基或土工建筑物振 动时，阻尼有两类，一类是逸散阻尼，另一类是材料阻尼。前者 是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，后者是土粒间摩擦和孔隙中水与气体 的黏滞性产生的。
§10.2 土的压实性
二. 细粒土的压实性
1.击实曲线 2.理论分析 3.影响因素 4.压实标准
§10.2 土的压实性
1.击实曲线
最大干密度 特点： 最优含水量 ①具有峰值 ②位于饱和曲线之下
d1G G ss w w /Sr
干密度d(g/cm3)
2.0
dmax=1.86
1.8
1.6
1.4
wop=12.1
由于动荷载的这两个特性，使得土在动荷载 作用下，其力学性质与静荷载作用时相比有 很大差异。
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
此图反映了荷载作用次数对土强度的影响。动荷 载反复作用次数越少，动强度越高，随着次数的 增加，土的强度逐渐降低，当反复作用100次(压 实黏性土)或50次(饱和软黏土)时，动强度已接 近或低于静强度，若次数再增加，则低于静强度。
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化 4. 砂土液化的影响因素（228页）
• 4.1 土类 • 4.2 土的密度 相对密度Dr<60% • 4.3 土的初始应力状态
5. 地基液化判别与防治（230页）
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
动荷载特性
一是具有时间性，通常在10s以内应作为动 力问题； 二是荷载的反复性(加卸荷)或周期性(荷载变 向)。
• 在动荷载作用下，土的强度和变形特性都将受到影 响。
• 动荷载可能造成土体的破坏，必须加以充分重视； • 动荷载可被利用改善不良土体的性质，如地基处理
中的爆炸法、强夯法等。
§10.1 概述
图10.1 动荷载的类型 (a)冲击荷载；(b)不规则荷载；(c)周期荷载
§10.2 土的压实性
压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密 实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性
•颗粒表面水膜很薄，相对移动困难
•孔压力升高显著，抵消部分击实功; •形成封闭气泡和水难以排出;
24 28
§10.2 土的压实性
3. 影响因素
a. 击实功能
N30
b. 土的级配
N10
E,op,d,max
N50
con,sEt,d存在一个上界
级配越好，max其越大
2
1
Econst
op(23%)
d
E
3
const
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
土的动强度可以用数种动力试验方法确定。根 据试验的加荷方式，动力试验方法可分为四种 类型，如图10-18所示。 (a)单调加载； (b)单调—循环加载； (c)循环—单调加载；(d)单调增加循环加载
§10.4 周期荷载下的土的强度和变形特征
图10-19反映了反复荷载作用下土的变形特性。 由图可知，应变随作用次数的增加而增加、随 动应力与竖向应力之比σd/σz值的增加而增加。
中砂 ω=7%；
2. 理论分析
✓ 对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。
✓ 在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。
3. 压实标准
✓ 常用相对密度控制 Dr>0.7~0.75 ✓ 施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和
§10.3 土的振动液化
§6.6土的动强度与砂土的振动液化
• 试验条件 土样分层n=3层；落高h=30cm；击数N=27/层
• 击实能量
E59 K8 /J m 3
• 试验方法 对ω=cosnst的土；分三层压实； 测定击实后的ω、ρ，算定ρd
• 注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺 寸的击实仪
土
公路土工试验规程
d(d)sa
教材：DL/T5355-2006和GB-T50123-1999
§10.5 土的动力特征参数简介
-8 动剪切模量和阻尼比的室内试验方法
试验方法 动剪切模量 阻 尼 比 试验方法 动剪切模量 阻 尼 比
超声波脉冲
√
周期单剪
√
√
共振柱
√
√
周期扭剪
√
√
周期三轴剪
√
§10.5 土的动力特征参数简介
-9 动剪切模量和阻尼比的原位试验方法
试验方法 动剪切模量 阻 尼 比 试验方法
§10.3 土的振动液化 一. 饱和松砂的振动液化
1. 液化现象
孔
压
• 饱和松砂在振动情
U
况下孔压急剧升高
• 在瞬间砂土呈液态
时间T
§10.3 土的振动液化
§10.3 土的振动液化
日本阪神地震引起的路面塌陷
§10.3 土的振动液化
由于液化引起的河道破坏—日本神户
§10.3 土的振动液化
阪 神 地 震 中 新 干 线 的 倾 覆
0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%)
粘性土渗透系数K很小，压 实过程中含水量几乎不变， 要想击实到饱和状态是不可 能的。
(d)sat1G sG sww
Sr 1
§10.2 土的压实性
干密度d(g/cm3)
2. 理论分析
压实机理：
2.0
dmax=1.86
1.8
✓ 颗粒被击碎，土粒定向排列;
高速公路和一级公路 Dc>95 % 其他公路 Dc>93% Ⅰ、Ⅱ级土石坝 Dc>95~98% Ⅳ~Ⅴ 级土石坝 Dc>92~95%
§10.2 土的压实性
三1.击. 粗实曲粒线土的压实性
特点
①不存在最优含水量； ②在完全风干和饱和两种状态 下易于击实； N50 ③潮湿状态下ρd明显降低。
20% 粗砂 ω =4~5% 时，干密度最小
折射法 √
钻孔波速法
动剪切模量 阻 尼 比 √
反射法 √ 表面波法 √
动力旁压试验
√
标准贯人试验 √