第11章 土的基本动力特性
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11.1 概述
许多工程问题和土的动荷载有关，一般的处理是做某些变通，以 适当的方式将动荷载转化或量化为静荷载来分析和考虑。 土动力学问题研究内容归类 1 应变问题： 小应变问题不可忽视 2 静力和动力加载条件的差异 重视加载速度和重复加载效应 3 土的变形特性与剪应变的相关性 应变大小决定是否残生加载速度效应
同样，土样先被固 结并施加一个初始静剪 应力和较小幅值的循环 剪应力系列；之后持续 增大循环剪应力系列， 可得到应力-应变曲线。
土质学与土力学
44—12
吉林大学建设工程学院
动剪应力-残余剪应变曲线与循环次数的关系：
土质学与土力学
44—13
吉林大学建设工程学院
粘性土的动强度及其影响因素 在三轴试验中，首先使土样固结，再在不排水条件下施加静轴向荷载， 等变形稳定后再加循环轴向荷载，在多次循环后达到破坏。
《岩土工程勘察规范》的液化判别方法
Vscr Vs 0 (d s 0.0133 d s2 )0.5 (1.0 0.185d w / d s ) 3 / c
土质学与土力学
44—41
吉林大学建设工程学院
以静力触探锥尖阻力qc值为指标的液化判别方法
(qcld ) cr
255 1 0.22 /( av / v' ) E
砂土液化或循环软化
土质学与土力学
44—26
吉林大学建设工程学院
侧面变形受约束的空心圆 柱土样侧向应力和累积孔 隙压力的变化
土质学与土力学
44—27
吉林大学建设工程学院
侧向变形无约束的扭转剪切试验：
不排水条件下施加往返扭转应 力，土样既可以发生竖向也可以 发生侧向变形。模拟饱和砂土存 在的倾斜地面斜坡、堤坝等。
1 0.17 c
土质学与土力学
44—40
吉林大学建设工程学院
《铁路工程抗震设计规范》的液化判别方法
N cr N 01 2 3 4
1 1 0.065(d s 2) 2 0.52 0.175d s 0.005d 2
s
3 1 0.05(d u 2) 4 1 0.17 c
(a)单调加荷 (b)单调-循环加荷 (c)循环-单调加荷 (d)单调增加循环加荷
土质学与土力学
44—10
吉林大学建设工程学院
粘性土的动强度
单阶段循环加荷试验
土样先在适当的围压下固结，然后在排水或不排水条件下施加 轴向应力。
土质学与土力学
44—11
吉林大学建设工程学院
多阶段循环加荷试验
若有效土样有限，则可采用多阶段循环荷载试验。
土质学与土力学
44—39
吉林大学建设工程学院
《核电厂抗震设计规范》的液化判别方法
N 0 bi N 0i / bi
i 1 i 1
3
3
《公路工程抗震设计规范》的液化判别方法
Nl CN N N lCR [11.8(1 13.06
v 1/ 2 K C ) 8.09] h v ' v
20
17 48 2.4
44—24
28
14 52 1.86
32
16 51 1.59
吉林大学建设工程学院
11.4 砂性土液化机理
模拟现场应力条件
土质学与土力学
44—25
吉林大学建设工程学院
砂性土液化机理 侧向变形有约束的扭转剪切试验：
由于侧向变形受到约束，不排水，故 整个试验过程中轴向和侧向应变始终 为零。 在往返加载过程中，有效侧 向应力和孔隙水压力持续增长直 到扭转剪应变突然增大，表明砂 土发生了软化。
砂、砾石等无粘性土的 压实性也与含水量有关， 但不存在最优含水量问题。
一般在完全干燥或者充分 洒水饱和下容易压实达到 较大的干密度。
土质学与土力学
44—7
吉林大学建设工程学院
土质学与土力学
44—8
吉林大学建设工程学院
土质学与土力学
44—9
吉林大学建设工程学院
11.3 土的动强度和变形特征
动力试验的加荷方式：四种类型
i 1
n
《公路工程抗震设计规范》方法判别场地液化时，地面下20m内液 化指数
I LE (1 N li / N lcri )d i wi
i 1
n
土质学与土力学
44—44
吉林大学建设工程学院
粘性土的击实曲线
44—4
土质学与土力学
吉林大学建设工程学院
压实功能：指压实单位体积土所消耗的能量，可用下式表达：
WdNn V
E
从压实曲线中看出，压实功 能越大，得到的最后含水量越 小，相应的干密度越大。 同一种土，最优含水量和最 大干密度并不是恒定不变的， 而是随着压密功能而变化的。
不同压实功能的击实曲线
土质学与土力学
44—17
吉林大学建设工程学院
单向循环加 载、不同循 环次数试验 结果
土质学与土力学
44—18
吉林大学建设工程学院
不规则荷载试验的剪应力-残余应变的关系
土质学与土力学
44—19
吉林大学建设工程学院
循环强度与初始静剪应力的关系
土质学与土力学
44—20
吉林大学建设工程学院
剪应力-残余剪应变的关系
在往返三轴试验中，通常把同样产生5%双幅轴向应变作为循 环软化或液化的标准。
土质学与土力学
44—30
吉林大学建设工程学院
砂性土的循环强度或抗液化强度
饱和砂土的抗液化 强度主要受初始围护 压力的大小，循环应 力幅值，循环应力往 返次数和砂土的相对 密度或孔隙比的影响。
土质学与土力学
44—31
吉林大学建设工程学院
土质学与土力学
44—37
吉林大学建设工程学院
以标准贯入击数表示的砂土抗液化强度CRR
(N ) 1 50 1 1 60 34 ( N1 )60 135 [10( N1 ) 60 45]2 200
CRR7.5
以剪切波速数表示的饱和砂土抗液化强度CRR
V sl 2 1 1 CRR 0.022( ) 2.8( * *) 100 Vsl V sl Vsl
结论：循环反
复加载使土的 刚度降低。
土质学与土力学
44—14
吉林大学建设工程学院
加载时间对粘性土强度的影响
土质学与土力学
44—15
吉林大学建设工程学院
循环加载方式
Leabharlann Baidu
土样45°面上的剪应力
土质学与土力学
44—16
吉林大学建设工程学院
循环强度比与初试应力比的关系
循环强度 比定义为土的 循环强度与土 的静强度之比 值
饱和砂土抗液化安全系数FS
FS (CRR7.5 / CSR) MSF K K
土质学与土力学
44—38
吉林大学建设工程学院
《建筑抗震设计规范》的液化判别方法
当饱和砂土或粉土地基 满足下式要求时，可判 别为液化 N 63.5 N cr 在地面以下 15m深度范围内 N cr N 0 [0.9 0.1(d s d w )] 3 / c 在地面以下 15 20m深度范围内 N cr N 0 (2.4 0.1d s ) 3 / c
土质学与土力学
44—23
吉林大学建设工程学院
两种粘土的静动力试验结果
试验条件与结果 重度 火山沉积粘土 火山沉积砂质粘土 火山沉积砂质粘土
13.3
18.7
19.0
含水量 饱和度
塑性指数
110~140 85~90
30
22~23 82~84
18
20~21 82~84
18
静粘聚力
内摩擦角 动粘聚力 cD/c 土质学与土力学
饱和砂土液化的概率判别法
v amax CSR 0.65 ' rd MSF 1 v g
土质学与土力学
44—42
吉林大学建设工程学院
静力触探判别砂土液化
土质学与土力学
44—43
吉林大学建设工程学院
11.6 砂性土地基液化程度等级划分
《建筑抗震设计规范》方法判别场地液化时，液化指数
I LE (1 Ni / N cri )di wi
土质学与土力学
44—1
吉林大学建设工程学院
土的动力问题分类
土质学与土力学
44—2
吉林大学建设工程学院
土的性能随剪应变的变化
土质学与土力学
44—3
吉林大学建设工程学院
11.2 土的压实性
压实的目的在于降低土的渗透性，提高其强度。 粘性土的压实性 土的压实性是通过击实试验进 行的，得到对应的一系列含水量 和干密度的关系并做出曲线。 最优含水量：最容易使土压 实且最容易达到最大密度时 对应的含水量称为土的最优 含水量wop
地震引起的等效循环应力比CSR
av amax v CSR ' 0.65 r ' d v g v
土质学与土力学
44—36
吉林大学建设工程学院
应力折减系数与深度的关系：
深度z 9.15m rd 1.0 0.00765 z 深度9.15m z 23m rd 1.174 0.0267z 深度23m z 30m rd 0.757 0.00857z
土质学与土力学
44—34
吉林大学建设工程学院
11.5 砂性土地基液化判别
地震液化初判图
土质学与土力学
44—35
吉林大学建设工程学院
我国有关抗震规范所用的液化判别基本上采用地质年代、粘粒含 量百分率、地下水位深度和土上覆非液化土层厚度等指标。
饱和砂土和粉土地基液化判别的经验方法 NCEER（美国国家地震工程中心）建议的方法
如图，随着砂土相对 密度Dr的增加，抗液化 强度几乎线性地增加； 但当相对密度Dr超过 70%时，砂土的液化强 度急剧增加。
土质学与土力学
44—32
吉林大学建设工程学院
固结比对砂土抗液化的影响如下图。显然，固结比K0 越大，抗液化强度越高。
土质学与土力学
44—33
吉林大学建设工程学院
而不同的K0值的试验数据与循环次数的关系曲线几乎是 一致的。
土质学与土力学
44—21
吉林大学建设工程学院
粘性土的动强度与静强度的关系
静动荷载下莫 尔圆和破坏包 络线的构造
动强度和动粘聚力的关系可 表述为
cD / c 1 (1
' 0
c
tan )( Df / f 1)
土质学与土力学
44—22
吉林大学建设工程学院
静动荷载试验得到的破坏包络线
侧向应力和累积孔隙压力的变化
土质学与土力学
44—28
吉林大学建设工程学院
循环软化或液化的定义：
在往返三轴试验的不同加载 阶段土样的应力状态如图，先 在均等固结压力下固结，然后 在不排水条件下施加轴向压力。
往返三轴试验中土中静应力和 循环应力的模拟
土质学与土力学
44—29
吉林大学建设工程学院
典型试验结果表明，随着往返轴向应力的施加，孔隙水压力逐渐 增长，最终达到初始围护压力，从而产生约5%的双幅轴向应变。这 样的状态称为初始液化。
土质学与土力学
44—5
吉林大学建设工程学院
填土的含水量和碾压标准的控制
含水量控制在最有含水量左右，以便获得最大的压实密度； 填土的压密标准，工程上采用压实度Dr控制，定义为：
填土干密度 d 室内标准功能击实的最 大干密度 d max
Dr
土质学与土力学
44—6
吉林大学建设工程学院
无粘性土的压实性
许多工程问题和土的动荷载有关，一般的处理是做某些变通，以 适当的方式将动荷载转化或量化为静荷载来分析和考虑。 土动力学问题研究内容归类 1 应变问题： 小应变问题不可忽视 2 静力和动力加载条件的差异 重视加载速度和重复加载效应 3 土的变形特性与剪应变的相关性 应变大小决定是否残生加载速度效应
同样，土样先被固 结并施加一个初始静剪 应力和较小幅值的循环 剪应力系列；之后持续 增大循环剪应力系列， 可得到应力-应变曲线。
土质学与土力学
44—12
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动剪应力-残余剪应变曲线与循环次数的关系：
土质学与土力学
44—13
吉林大学建设工程学院
粘性土的动强度及其影响因素 在三轴试验中，首先使土样固结，再在不排水条件下施加静轴向荷载， 等变形稳定后再加循环轴向荷载，在多次循环后达到破坏。
《岩土工程勘察规范》的液化判别方法
Vscr Vs 0 (d s 0.0133 d s2 )0.5 (1.0 0.185d w / d s ) 3 / c
土质学与土力学
44—41
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以静力触探锥尖阻力qc值为指标的液化判别方法
(qcld ) cr
255 1 0.22 /( av / v' ) E
砂土液化或循环软化
土质学与土力学
44—26
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侧面变形受约束的空心圆 柱土样侧向应力和累积孔 隙压力的变化
土质学与土力学
44—27
吉林大学建设工程学院
侧向变形无约束的扭转剪切试验：
不排水条件下施加往返扭转应 力，土样既可以发生竖向也可以 发生侧向变形。模拟饱和砂土存 在的倾斜地面斜坡、堤坝等。
1 0.17 c
土质学与土力学
44—40
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《铁路工程抗震设计规范》的液化判别方法
N cr N 01 2 3 4
1 1 0.065(d s 2) 2 0.52 0.175d s 0.005d 2
s
3 1 0.05(d u 2) 4 1 0.17 c
(a)单调加荷 (b)单调-循环加荷 (c)循环-单调加荷 (d)单调增加循环加荷
土质学与土力学
44—10
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粘性土的动强度
单阶段循环加荷试验
土样先在适当的围压下固结，然后在排水或不排水条件下施加 轴向应力。
土质学与土力学
44—11
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多阶段循环加荷试验
若有效土样有限，则可采用多阶段循环荷载试验。
土质学与土力学
44—39
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《核电厂抗震设计规范》的液化判别方法
N 0 bi N 0i / bi
i 1 i 1
3
3
《公路工程抗震设计规范》的液化判别方法
Nl CN N N lCR [11.8(1 13.06
v 1/ 2 K C ) 8.09] h v ' v
20
17 48 2.4
44—24
28
14 52 1.86
32
16 51 1.59
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11.4 砂性土液化机理
模拟现场应力条件
土质学与土力学
44—25
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砂性土液化机理 侧向变形有约束的扭转剪切试验：
由于侧向变形受到约束，不排水，故 整个试验过程中轴向和侧向应变始终 为零。 在往返加载过程中，有效侧 向应力和孔隙水压力持续增长直 到扭转剪应变突然增大，表明砂 土发生了软化。
砂、砾石等无粘性土的 压实性也与含水量有关， 但不存在最优含水量问题。
一般在完全干燥或者充分 洒水饱和下容易压实达到 较大的干密度。
土质学与土力学
44—7
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土质学与土力学
44—8
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土质学与土力学
44—9
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11.3 土的动强度和变形特征
动力试验的加荷方式：四种类型
i 1
n
《公路工程抗震设计规范》方法判别场地液化时，地面下20m内液 化指数
I LE (1 N li / N lcri )d i wi
i 1
n
土质学与土力学
44—44
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粘性土的击实曲线
44—4
土质学与土力学
吉林大学建设工程学院
压实功能：指压实单位体积土所消耗的能量，可用下式表达：
WdNn V
E
从压实曲线中看出，压实功 能越大，得到的最后含水量越 小，相应的干密度越大。 同一种土，最优含水量和最 大干密度并不是恒定不变的， 而是随着压密功能而变化的。
不同压实功能的击实曲线
土质学与土力学
44—17
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单向循环加 载、不同循 环次数试验 结果
土质学与土力学
44—18
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不规则荷载试验的剪应力-残余应变的关系
土质学与土力学
44—19
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循环强度与初始静剪应力的关系
土质学与土力学
44—20
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剪应力-残余剪应变的关系
在往返三轴试验中，通常把同样产生5%双幅轴向应变作为循 环软化或液化的标准。
土质学与土力学
44—30
吉林大学建设工程学院
砂性土的循环强度或抗液化强度
饱和砂土的抗液化 强度主要受初始围护 压力的大小，循环应 力幅值，循环应力往 返次数和砂土的相对 密度或孔隙比的影响。
土质学与土力学
44—31
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土质学与土力学
44—37
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以标准贯入击数表示的砂土抗液化强度CRR
(N ) 1 50 1 1 60 34 ( N1 )60 135 [10( N1 ) 60 45]2 200
CRR7.5
以剪切波速数表示的饱和砂土抗液化强度CRR
V sl 2 1 1 CRR 0.022( ) 2.8( * *) 100 Vsl V sl Vsl
结论：循环反
复加载使土的 刚度降低。
土质学与土力学
44—14
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加载时间对粘性土强度的影响
土质学与土力学
44—15
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循环加载方式
Leabharlann Baidu
土样45°面上的剪应力
土质学与土力学
44—16
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循环强度比与初试应力比的关系
循环强度 比定义为土的 循环强度与土 的静强度之比 值
饱和砂土抗液化安全系数FS
FS (CRR7.5 / CSR) MSF K K
土质学与土力学
44—38
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《建筑抗震设计规范》的液化判别方法
当饱和砂土或粉土地基 满足下式要求时，可判 别为液化 N 63.5 N cr 在地面以下 15m深度范围内 N cr N 0 [0.9 0.1(d s d w )] 3 / c 在地面以下 15 20m深度范围内 N cr N 0 (2.4 0.1d s ) 3 / c
土质学与土力学
44—23
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两种粘土的静动力试验结果
试验条件与结果 重度 火山沉积粘土 火山沉积砂质粘土 火山沉积砂质粘土
13.3
18.7
19.0
含水量 饱和度
塑性指数
110~140 85~90
30
22~23 82~84
18
20~21 82~84
18
静粘聚力
内摩擦角 动粘聚力 cD/c 土质学与土力学
饱和砂土液化的概率判别法
v amax CSR 0.65 ' rd MSF 1 v g
土质学与土力学
44—42
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静力触探判别砂土液化
土质学与土力学
44—43
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11.6 砂性土地基液化程度等级划分
《建筑抗震设计规范》方法判别场地液化时，液化指数
I LE (1 Ni / N cri )di wi
土质学与土力学
44—1
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土的动力问题分类
土质学与土力学
44—2
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土的性能随剪应变的变化
土质学与土力学
44—3
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11.2 土的压实性
压实的目的在于降低土的渗透性，提高其强度。 粘性土的压实性 土的压实性是通过击实试验进 行的，得到对应的一系列含水量 和干密度的关系并做出曲线。 最优含水量：最容易使土压 实且最容易达到最大密度时 对应的含水量称为土的最优 含水量wop
地震引起的等效循环应力比CSR
av amax v CSR ' 0.65 r ' d v g v
土质学与土力学
44—36
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应力折减系数与深度的关系：
深度z 9.15m rd 1.0 0.00765 z 深度9.15m z 23m rd 1.174 0.0267z 深度23m z 30m rd 0.757 0.00857z
土质学与土力学
44—34
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11.5 砂性土地基液化判别
地震液化初判图
土质学与土力学
44—35
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我国有关抗震规范所用的液化判别基本上采用地质年代、粘粒含 量百分率、地下水位深度和土上覆非液化土层厚度等指标。
饱和砂土和粉土地基液化判别的经验方法 NCEER（美国国家地震工程中心）建议的方法
如图，随着砂土相对 密度Dr的增加，抗液化 强度几乎线性地增加； 但当相对密度Dr超过 70%时，砂土的液化强 度急剧增加。
土质学与土力学
44—32
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固结比对砂土抗液化的影响如下图。显然，固结比K0 越大，抗液化强度越高。
土质学与土力学
44—33
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而不同的K0值的试验数据与循环次数的关系曲线几乎是 一致的。
土质学与土力学
44—21
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粘性土的动强度与静强度的关系
静动荷载下莫 尔圆和破坏包 络线的构造
动强度和动粘聚力的关系可 表述为
cD / c 1 (1
' 0
c
tan )( Df / f 1)
土质学与土力学
44—22
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静动荷载试验得到的破坏包络线
侧向应力和累积孔隙压力的变化
土质学与土力学
44—28
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循环软化或液化的定义：
在往返三轴试验的不同加载 阶段土样的应力状态如图，先 在均等固结压力下固结，然后 在不排水条件下施加轴向压力。
往返三轴试验中土中静应力和 循环应力的模拟
土质学与土力学
44—29
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典型试验结果表明，随着往返轴向应力的施加，孔隙水压力逐渐 增长，最终达到初始围护压力，从而产生约5%的双幅轴向应变。这 样的状态称为初始液化。
土质学与土力学
44—5
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填土的含水量和碾压标准的控制
含水量控制在最有含水量左右，以便获得最大的压实密度； 填土的压密标准，工程上采用压实度Dr控制，定义为：
填土干密度 d 室内标准功能击实的最 大干密度 d max
Dr
土质学与土力学
44—6
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无粘性土的压实性