土动力学

2016/4/20
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2u 纵向振动作用于顶端的 惯性力为m 2 t 2 扭转振动作用于顶端的 惯性力为J m 2 t 土动力学
2 2u u 2 对于纵向振动 vp 2 2 t z 2 2 2 对于扭转振动 vs 2 2 t z 式（5 - 21 ）的解为

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使土柱在激振下以某一固有振动方式振 动，可以纵向激振，也可以扭转激振， 从而分别给出压缩波速和剪切波速 调节激振频率使土样发生共振 根据共振频率、土样和激振设备的几何 特性计算模量 在共振时停机记录振幅的衰减，可计算 出对数衰减率和阻尼
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单孔波速法
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测试原理

利用直达波的原理。测出激发震源与 信号接收点之间的距离以及剪切波的 传播时间，即可由下式求剪切波速 vs ＝ ΔL /Δt （5－1）

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震源设备
击板法 弹簧激振法 定向爆破法


测试设备
孔内三分量检波器（震动接受器） 地震仪（包括波记录器和计时器）
一、波速试验

试验目的
场地地层分类和场地类别划分 提供地基土的动力参数 为场地地震反应分析提供依据 探测地质异常体

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弹性波在土中的传播速度反映了土的弹性性 质 土只有在小应变的情况下才被视为弹性体 对于饱和土，充满在孔隙中的水可以传递压 缩波，水的压缩波波速为1300～1500m/s，远 大于土的骨架传递的波速（300m/s左右）。 因此，饱和土中的压缩波波速不反映土的骨 架的弹性性质，而是水的性质，并且为一常 数
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主要动力参数



土的抗剪强度参数（c、υ） 动模量（E、G） 泊松比μ 阻尼比λ 液化参数：循环剪应力比、循环变形和 孔隙水压力反应 由于动力试验条件的复杂性，一项动力参数可 以通过多种试验方法测求
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现场测定方法
波速法 荷载板震动法 动力旁压试验
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室内试验方法
动单剪试验 动三轴试验 共振柱试验

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不同试验方法的测量应变范围
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第二节 现场试验
在现场激振，产生动荷载作用，测定土 的实际性状（应力、应变、孔隙水压力、 速度、加速度） 进行原型观测和实录分析

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(5 - 21) (5 - 22)
u U A cos nt B sin nt vp 4 fn H
2 2 16 f H 2 n E v p g E G 21 2016/4/20 土动力学
(5 - 23) (5 - 24) (5 - 25) (5 - 26)
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3、破坏应变标准

对于不出现液化的土，试验过程中u始终小于σ3。常采 用破坏应变εf=5%或10%作为破坏标准。当Kc=1.0时， 规定双幅应变2εd=5%或10%作为破坏标准.当Kc>1.0时， 规定总应变（包括残留应变εr和动应变εd）达到5%或 10%作为破坏标准。
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震源采用机械式或电磁式激振器。前者 振动能力较大，频率较低；后者频率高， 衰减较快，传输距离短。 拾振器必须是宽频带的，并与激振器的 频率范围一致

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资料分析与成果整理




求得在各个频率下的面波波速值，取平均值， 即为场地的面波波速 剪切波波速略大于面波波速 随泊松比（0～0.5）增高，面波波速接近剪切 波速 土层的泊松比一般为0.3～0.5 饱和软粘土的泊松比为0.45～0.5，因此 vs/vR=0.98作用 面波测试的有效深度为半波长，即H=L/2
粘土 粉质粘土 粉土 砂土

μ= 0.45~0.50 μ= 0.40~0.45 μ= 0.35~0.45 μ= 0.30~0.35
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vs 4 f n H 16 f n2 H 2 G g z M zs
1 当 1时，M n 2
则 1 1 zs 2M 2 z max (2 - 27)

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量测设备系统
传感器 放大器 记录仪 数据处理系统 量测的物理量


动应力、动应变、围压、孔隙水压力、体积 应变
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二、振动单剪试验 Dynamic simple shear
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刚 性 式 单 剪 仪
(5 - 30)
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动力试验破坏标准
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2、液化标准

在Kc=σ1/σ3=1.0的条件下施加动载，孔隙压力u不断上 升，当u=σ3时，有效应力等于零。土完全丧失强度， 处于粘滞液体状态，称为液化状态。这种状态作为土 的破坏标准，即为液化标准。
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计算场地的卓越周期
4H i T i 1 vsi
n
(5 -14)
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二、荷载板振动试验
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三、 动 力 旁 压 试 验
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等效剪切模量和等效阻尼比
p Ge V0 Vm V 1 1 v e tg sin 2 V
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柔性式单剪仪
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动单剪试验的观察结论
对于给定的σv和Dr，τh减小，则引起液化 所需的N值增加 对于给定的Dr和N值，σv减小，则产生液 化所需的τh也减小 当Dr <80%时。引起液化所需的τh随Dr的 增加而线性增加

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土动力学
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自 动 触 发 式 声 波 仪
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跨孔法
L vs t
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(5 - 3)
表面振动法
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试验原理 在地面施加一定频率的稳态振动，振 动能量以面波的形式向四周传播 面波的波速 vR = f L 土层的面波波速是一定的，面波波长 随波动频率的不同而变化 测试时，人为控制频率，只要测出面 波波长，就可以求得面波波速
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不规则荷载的等效循环周数
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neqi ni
K
N ef N if
K
(5 - 31) N ef N if (5 - 32)
N eq neqi ni
i 1 i 1
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震级
7.0 7.5 8.0
等效循环周数
12 20 30
划分场地土的抗震类别
类别
坚硬场地土
平均剪切波速 （m/s) >500 250~500
140~250 ≤140
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中硬场地土
中软场地土 软弱场地土
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地基刚度系数计算
地基抗压刚度系数 地基抗弯刚度系数 地基抗剪刚度系数 Ed 1 Cz z 2 1 d F Ed 1 C 2 1 d F Ed 1 Cx x 2 1 d F (5 - 11) (5 - 12) (5 - 13)
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对于非饱和土，随着含水量的变化，压 缩波速具有不确定性，因此也不用 岩体除外，压缩波速远大于水（3500m/s 以上）。

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土中的孔隙水不能传递剪切波。 剪切波在土中只受土的骨架的剪切变形 所控制 土的波速测试，主要是测剪切波波速

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波速法在工程中的应用

岩土动力参数计算
Ed
v 3v 4v
2 s 2 p
2 s

v v
2 p 2 s 2 s 2 s
2 s
(5 - 8) (5 - 9)
Gd v
d
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v 2v 2 v v
2 p

2 p

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(5 - 10)

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d Gd d
1 Gd a b d Gd
(5 - 16) (5 - 17) (5 - 18)
d 1 Gmax max
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1
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1 AL 4 AT
(5 - 19)
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1 f 2 f1 2 fn
(5 - 28)
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zn ln zn 1 zn 1 1 ln 2 2 zn1 (5 - 29)
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四、动三轴试验
•动三轴试验通过对 试样施加模拟的动主 应力，测求试样在承 受动荷载作用时的动 态反应。
•最基本和最主要的 动态反应是动应力与 动应变、动应力与孔 隙水压力。 •根据应力、应变和 孔压的相对关系求各 2016/4/20 种参数
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试验原理
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破坏标准

1、极限平衡标准
1 3 1 3 d 0 1 sin c ucr 2 2 sin tg
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四、动强度指标Cd和υd


在某种静应力状态下,周期荷载使土试件在某一振次下 发生破坏,这时试件45○面上的动剪应力σd/2，即为土的 动强度。 动强度曲线
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五、不规则荷载作用下的动强度



工程上常把不规则荷载简化成等价的均匀周期荷载处 理。 直接利用动强度曲线将不规则荷载等价转换成应力幅 值为τeq，周数为Neq的均匀周期荷载。 习惯上取τeq=0.65τmax
max
d
d max
Gmax
(5 - 20)
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三、 共 振 柱 试 验
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测定振动模量和阻尼特性的共振柱试验， 是以波在圆柱形杆中传播的原理为基础。 可以采用实心柱状土样，也可以采用空 心柱状土样 试样的下端固定，上端为自由端
第五章 土的动力指标及其测定
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第一节 概述

动力计算方法大致可分为两大类
拟静力法（c、υ） 动力反应分析方法（G、λ） 试验目的分为三个方面 测定土的基本动力参数 土体的动力反应试验 土体结构在受振条件下的原型观测

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试验条件分类 原位试验 室内试验 现场模拟试验 原型观测
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震源常采用偏心质量块产生不平衡扰力
p me e vR f LR
2
(5 - 4) (5 - 5) r r0 F (5 - 6)
1 Ar ln r r0 A0 式中 r0

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成果整理与应用
L vs t G vs2 ; E 2vs2 1 (5 - 1) (5 - 2)
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成果分析
提出场地内各类土层的波速范围 按波速分层 对波速低的土层分析液化的可能性 估计场地的卓越周期 分析场地稳定性和边坡稳定性 为划分场地土的类别提供依据
(5 - 15)
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第三节 室内试验

土动力试验的物质基础包括成样设备、 激振设备和量测设备三大系统
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一、试验设备
圆桶试验 动力直剪仪 动三轴仪 震动单剪仪 扭剪仪

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激振设备
机械式激振、：偏心式、离心式、冲击式 电磁式激振 电动-液压式 气动式激振