岩土工程专业土动力学课件(非常完整)

第一章绪论

土动力学是研究各种动荷载作用下土的变形、强度特性及土体稳定性的一门学科。

一、动荷载的类型及特点

有两类常见的动荷载：冲击荷载与振动荷载。

1.冲击荷载。爆破、爆炸以及各种冲击引起的荷载，这类荷载对土体的作用主要体现在荷载的速率效应对土体强度与变形的影响。

2.振动荷载。地震，波浪，交通，大型机器基础等引起的荷载，这类荷载对土体的作用主要体现在3个方面：

（1）荷载的速率效应对土体强度与变形的影响

（2）荷载循环次数的影响（疲劳）

（3）荷载幅值的大小

二、土动力学的研究任务

探求动荷载作用下土体变形、强度变化的规律性，运用近代力学的原理，分析研究土工建筑物及建筑物地基在各种动力影响下的变形与破坏规律。研究内容包括两大方面的内容：

土的动力特性

土的动力稳定性

6个方面的研究问题，包括：

（1）工程建筑中的各种动荷作用及其特点

（2）土体中波的传播

（3）土的动力特性：土的动强度、动变形、土的震动液化等。

（4）动荷载作用下的土体本构关系（土的动应力应变关系问题）

（5）土动力特性测试方法与测试技术

（6）动荷载作用下土体的稳定性，包括动荷作用下土与结构物的相互作用，地基承载力，土坡稳定性以及挡土墙的土压力。

三、土动力学发展阶段与发展趋势

第1阶段（20世纪30年代）动力机器基础研究

第2阶段（2次世界大战以后）冲击荷载作用下土的动力学问题研究第3阶段（20世纪60年代以后）振动荷载作用下土的动力学问题研究（地震、海洋、交通等）

当前的主要发展趋势（4点）：

（1）注重研究土体的动力失稳机理

（2）进一步深化对土的动应力应变关系的研究

（3）进一步深化土与结构物相互作用的研究，即利用更加真实的土动应力应变关系，将结构物与土体相互作用过程中的变形与破坏作为一个整体进行仿真计算分析。

（4）注重现场观测结构、模型试验结果、计算分析结果的相互印证研究

第二章土的动力特性

土的动力特性是指动荷载作用下土的动强度特性与土的动变形特性。

研究土的动力特性，就是依据动荷载作用特点，揭示土的动力破坏机理，探求动变形规律，建立动强度、动变形与各个影响因素之间的关系。

研究土的动力特性，可以为进一步研究土的动应力应变关系奠定基础，也可以为解决动荷载作用下土体变形与破坏问题奠定基础。

第一节土的动强度特性

一、土的动强度

土的动强度是指土抵抗动力破坏的极限能力，包括两方面含义：

1、冲击荷载作用下土的动强度，与单调荷载作用下土的强度定义一致，区别在于速率对强度的影响

2、振动荷载作用下土的动强度（循环强度）：在一定动荷循环作用次数下，土体达到某一破坏标准（破坏应变）所需的动应力。

二、影响土动强度的6个因素

1、加载速率对土动强度的影响

一般讲，加载速率对土动强度影响程度与土体的含水率有关，对于粘土，土的含水率越高，加载速率的影响就越明显，此时加载速率越高，土的强度也就越大；对于干燥土，加载速率的变化对土强度影响不明显。此处有图---091634

单调加载时土的动强度大于静强度。

2、动荷的循环效应对土强度特性的影响

2.1当给定循环作用次数时，土的动应变将随动应力的增大而增大

此处有图---091842

2.2当给定动应力幅值时，土的动应变将随动应力循环次数增加而变大。此处有图---092146

综上：可以用少循环次数、大幅值的动应力或者用多循环次数、小幅值的动应力达到同一个动应变。

注意这一推论只有动应力大于振动稳定动应力时才成立！

3、动荷载作用前土的应力状态（初始应力状态）

包括固结应力（体积应力）的大小，偏应力的大小。

此处有图---092925

4、动应力的幅值大小

5、土性对土的强度特性的影响。包括土类、土的含水量、饱和度、密实（坚硬）程度。

6、动、静应力的作用方式。三轴、单剪、扭剪、一般应力状态。这就需要利用强度理论进行分析。

此处有图---093526

三、确定动强度的标准

1、应变标准。依据某一给定应变确定动强度的标准，以应力控制振动三轴试验为例，对于等压固结条件下的土样，按照土样轴向某一峰值应变确定循环荷载次数；对于偏压固结下的土样，按照土样轴向某一循环累积应变确定循环破坏次数。

此处有图---095527

2、孔压标准。依据有效应力原理，当饱和土体中的有效应力变位零时，土体发生破坏。对于某一应力状态下的土单元，依据有效应力为零时的孔压确定循环次数。对于等压固结的动三轴试验土样，当土样中的累积孔压等于围压时即为孔压破坏标准；对于水平场地的饱和土层，土层中的累积孔压达到土层上覆有效压力时的孔压。

此处有图---095822

3、屈服破坏标准。在应力控制条件下，应变随振动次数急速增加的转折点为土屈服破坏的依据。

四、动强度曲线（循环强度曲线）与动强度指标

1、动强度曲线的定义。相同初始应力状态下，动应力（或动应力比）随循环（振动）破坏次数的变化关系曲线称为动强度曲线。

等压固结不排水动三轴试验动应力比：σd/2σc

动单剪试验：τd/2σv

此处少了点

3、mohr-column动强度指标的确定方法

（1）确定一定破坏振次Nr下的应力状态，σ1,σ3

（2）做出与应力状态对应的应力圆，至少三个

（3）做出应力圆的公切线，并确定mohr-column动强度指标φd和Cd

此处有图---101514

以三轴压缩为例：

1.使土样Ko固结，模拟建筑物修建之前实际场地土层的应力状态。

2.在不排水条件下，给土样施加增量剪应力（偏应力），以此模拟建筑物修

建后在土层中引起的增量剪应力

3.在此基础上，施加循环应力，直到土样达到破坏为止。取平均剪应变与循

环剪应变达到15%为确定破坏振次的标准。并按下式确定循环强度：

τf,cy=(τa + τcy)f

此处少了点

第二节饱和无粘性土与少粘性土的振动液化

一液化的定义

美国土木工程协会岩土工程分部土动力学委员会于1978年2月组织了广泛讨论认为：液化是使任何物体转变为液体的行为和过程。就无粘性土而言，