第九章 土在动荷载作用下特性

1、第九章第九章 土在动荷载作用下的特土在动荷载作用下的特性性本章内容本章内容9.19.1概述概述9.29.2土在动荷载下的性质土在动荷载下的性质9.39.3土的振动液化土的振动液化9.49.4防治土液化的工程措施防治土液化的工程措施圣法南度水库（加利福尼亚）大坝在圣法南度水库（加利福尼亚）大坝在19711971年地震时地基液化造成大坝沉陷年地震时地基液化造成大坝沉陷地震来临的时候，地震来临的时候，在砂土地基上会发在砂土地基上会发生什么生什么? ?工程背景9.1 9.1 概述概述地基液化导致挡土墙后土压力增大,地基失稳1964新舄县中越地震新舄县中越地震, 日本日本 地震造成的涌砂地震造成昭和大桥

2、基础移位,桥梁落台.1964 阿拉斯加地震，美国阿拉斯加地震，美国 砂土液化造成砂质边坡失稳 路基下的薄粉砂层和透镜体液化后造成粘土路基开裂1925 圣巴巴拉地震、美国加利福尼亚州圣巴巴拉地震、美国加利福尼亚州粉质砂土填筑的水库大坝液化坍塌地震液化后的涌砂铁路路基涌砂1989 洛马普列塔洛马普列塔 , 美国旧金山美国旧金山 地震液化后的涌砂塞纳河堤在地震液化后的沉陷1995 神户大地震、日本神户大地震、日本 地基液化对公路的损坏地基液化对公路的损坏静荷载：由零逐渐缓慢增加到结构上的荷载。静荷载：由零逐渐缓慢增加到结构上的荷载。周期荷载：荷载随时间周期荷载：荷载随时间t t的变化规律可以用正弦或

3、余弦函数表示的变化规律可以用正弦或余弦函数表示冲击荷载：短时间内，荷载急剧增大或缩小，各类爆炸。冲击荷载：短时间内，荷载急剧增大或缩小，各类爆炸。 随机荷载（非确定性荷载或不规则荷载）：荷载在将来任一时随机荷载（非确定性荷载或不规则荷载）：荷载在将来任一时刻的数值无法事先确定，则称为随机荷载。刻的数值无法事先确定，则称为随机荷载。 9.1.1 9.1.1 动力荷载的类型及特点动力荷载的类型及特点动荷载：荷载的大小、方向和作用位置随时间而变化。动荷载：荷载的大小、方向和作用位置随时间而变化。 荷载P时 间 t峰 值g0加速度(g)0时 间 t时 间 t0P1t0t) (tP0P荷载P时间t峰值0

4、P1t0tg)(tP0P00时间t时间t加速度荷载荷载P时 间 t峰 值g0加速度(g)0时 间 t时 间 t0P1t0t)(tP0P动荷载的类型动荷载的类型 a a）冲击荷载）冲击荷载 b b）不规则荷载）不规则荷载 c c）周期荷载）周期荷载9.1.1 9.1.1 动力荷载的类型及特点动力荷载的类型及特点9.1.2 9.1.2 动力荷载对地基土体的影响动力荷载对地基土体的影响1）土的强度降低；）土的强度降低； 2）地基产生附加沉降；）地基产生附加沉降； 3）砂土与粉土的液化；）砂土与粉土的液化； 4）粘性土产生蠕变。）粘性土产生蠕变。 动力荷载作用大小由于随时间动力荷载作用大小由于随时间变

5、化而发生改变，将对地基土体产变化而发生改变，将对地基土体产生不同的效应。如速率效应与循环生不同的效应。如速率效应与循环效应等。在循环效应的影响下，即效应等。在循环效应的影响下，即使很小的应变仍能引起土体的破坏，使很小的应变仍能引起土体的破坏，其根本原因在于土体的抗剪强度的其根本原因在于土体的抗剪强度的降低。降低。 研究土在各种动荷载作用下的强度和变形特性、振动研究土在各种动荷载作用下的强度和变形特性、振动波在土中传播的规律，以及地基和土工建筑物的动力分析波在土中传播的规律，以及地基和土工建筑物的动力分析和工程抗震问题。和工程抗震问题。 动荷载作用下的变形、强度以及液化的规律，比静荷动荷载作用下

6、的变形、强度以及液化的规律，比静荷载作用下的更复杂，更难把握，因而也就更不成熟，更有载作用下的更复杂，更难把握，因而也就更不成熟，更有发展余地发展余地. . 砂土振动液化是动力分析中的一个重要课题。砂土振动液化是动力分析中的一个重要课题。 9.1.3 9.1.3 土动力学问题土动力学问题 当土体受到如地震、爆破、机械震动、车辆运行等动力作当土体受到如地震、爆破、机械震动、车辆运行等动力作用时，土内产生新的压力而引起土的变形。用时，土内产生新的压力而引起土的变形。 土在动力作用下的变形可分为弹性变形与残余变形。当动土在动力作用下的变形可分为弹性变形与残余变形。当动荷载强度较小不超过土的弹性极限时

7、，它所引起的变形主要为荷载强度较小不超过土的弹性极限时，它所引起的变形主要为弹性变形，弹性模量，泊松比，振动阻尼系数等为其主要动力弹性变形，弹性模量，泊松比，振动阻尼系数等为其主要动力参数。参数。 当动力强度较大时，它所引起的变形为残余变形，动力越当动力强度较大时，它所引起的变形为残余变形，动力越大，变形越大，结果使土的结构破坏，土体压缩沉降，强度减大，变形越大，结果使土的结构破坏，土体压缩沉降，强度减弱，严重者可使土体失去强度而威胁建筑物及边坡等稳定性。弱，严重者可使土体失去强度而威胁建筑物及边坡等稳定性。 （1 1）振动力作用下土的密度）振动力作用下土的密度 在动力作用下，颗粒活动能力增大

8、，致使土的颗粒间连接在动力作用下，颗粒活动能力增大，致使土的颗粒间连接力削弱，土的压缩性增大，特别对砂土来说尤为显著。砂土在力削弱，土的压缩性增大，特别对砂土来说尤为显著。砂土在静荷载作用下压缩性小，在一般建筑物荷载下可不予考虑；但静荷载作用下压缩性小，在一般建筑物荷载下可不予考虑；但在振动荷载作用下，具有较大的压缩性。在振动荷载作用下，具有较大的压缩性。 在振动荷载作用下，砂土的压缩、饱和砂的液化及软粘土在振动荷载作用下，砂土的压缩、饱和砂的液化及软粘土的触变为它们的主要动力特性。的触变为它们的主要动力特性。 （2 2）振动力作用下的抗剪强度）振动力作用下的抗剪强度 振动力作用下土的抗剪强度

9、降低，对砂土来说尤为显著。振动力作用下土的抗剪强度降低，对砂土来说尤为显著。因为在振动力作用下，砂土颗粒间摩擦力降低，当振动加速因为在振动力作用下，砂土颗粒间摩擦力降低，当振动加速度达到某一起始加速度时，砂土的强度随着加速度增大而不度达到某一起始加速度时，砂土的强度随着加速度增大而不断降低。断降低。 动荷载对一般粘性土的强度影响不大，而对饱水软粘土动荷载对一般粘性土的强度影响不大，而对饱水软粘土如淤泥及淤泥质亚粘土、粘土等则影响显。在振动作用下饱如淤泥及淤泥质亚粘土、粘土等则影响显。在振动作用下饱和软粘土的结构会遭到破坏，而使其强度及粘滞性剧烈降低。和软粘土的结构会遭到破坏，而使其强度及粘滞性

10、剧烈降低。 （3 3）砂土的结构变化）砂土的结构变化 受高频振动时，颗粒位置重新调整，使砂更趋密实。受高频振动时，颗粒位置重新调整，使砂更趋密实。 饱和的粉砂、细砂在动荷载作用下，会失去强度，产生饱和的粉砂、细砂在动荷载作用下，会失去强度，产生砂土液化。砂土液化。 土的类型和所处状态不同，对动荷载的反应也不相同土的类型和所处状态不同，对动荷载的反应也不相同处于饱和状态的砂土和粉土在周期性动荷载作用下可能液化处于饱和状态的砂土和粉土在周期性动荷载作用下可能液化淤泥、淤泥质土在周期性动荷载作用下，由于孔隙水压力上淤泥、淤泥质土在周期性动荷载作用下，由于孔隙水压力上升，强度降低等缘故会导致沉降和滑移

11、升，强度降低等缘故会导致沉降和滑移9.2 9.2 土在动荷载下的性质土在动荷载下的性质9.2.19.2.1动荷载对地基土的影响动荷载对地基土的影响当动荷载很小时，土颗粒之间的联结几乎没有遭到破坏，土当动荷载很小时，土颗粒之间的联结几乎没有遭到破坏，土骨架的变形能够恢复，并且土颗粒之间相互移动所损耗的能骨架的变形能够恢复，并且土颗粒之间相互移动所损耗的能量也少，土处于理想的弹粘性力学状态量也少，土处于理想的弹粘性力学状态随动荷载增大，颗粒之间的联结遭到破坏，土骨架产生不可随动荷载增大，颗粒之间的联结遭到破坏，土骨架产生不可恢复的变形。土颗粒之间相互移动所损耗的能量增大，土越恢复的变形。土颗粒之间

12、相互移动所损耗的能量增大，土越来越表现出非弹性或塑性性能来越表现出非弹性或塑性性能当动荷载增大到一定程度时，土颗粒之间的联结几乎完全破当动荷载增大到一定程度时，土颗粒之间的联结几乎完全破坏，土处于流动或破坏状态坏，土处于流动或破坏状态9.2 9.2 土在动荷载下的性质土在动荷载下的性质9.2.29.2.2土在动荷载作用下的破坏特征土在动荷载作用下的破坏特征变形变形往返变形和永久变形往返变形和永久变形孔隙水压力孔隙水压力加静载时，土内可能产生负的孔压；加动载时孔压总是加静载时，土内可能产生负的孔压；加动载时孔压总是增高的。增高的。饱和砂土地震时孔压上升至静的有效正应力，会导致砂饱和砂土地震时孔压

13、上升至静的有效正应力，会导致砂土液化。是否液化主要取决于土的密度。土液化。是否液化主要取决于土的密度。粘性土地震时可以增量很小原因在于粘性土颗粒之间的粘性土地震时可以增量很小原因在于粘性土颗粒之间的连接的电化学本质。连接的电化学本质。9.2 9.2 土在动荷载下的性质土在动荷载下的性质9.2.39.2.3土对地震荷载反应的主要表现土对地震荷载反应的主要表现 对地震反应明显：中等密度或松的饱和砂土；粘粒含量小于对地震反应明显：中等密度或松的饱和砂土；粘粒含量小于10101515的饱和砂质粘土或粉质软粘土；含砾量的饱和砂质粘土或粉质软粘土；含砾量7080%7080%7080%的砂砾石土等的砂砾石土

14、等9.2 9.2 土在动荷载下的性质土在动荷载下的性质9.2.4 9.2.4 根据土对地震荷载反应的分类根据土对地震荷载反应的分类 引起结构物振动引起结构物振动 破坏地基破坏地基 动力机器引起基础过大的振幅（甚至共振）动力机器引起基础过大的振幅（甚至共振） 高层建筑（高层建筑（20203030层）在软基上容易损坏，而低层建筑层）在软基上容易损坏，而低层建筑（5 56 6层）在硬基上反而比较容易损坏层）在硬基上反而比较容易损坏9.2 9.2 土在动荷载下的性质土在动荷载下的性质9.2.5 9.2.5 动荷载作用对工程建筑的影响动荷载作用对工程建筑的影响9.39.3土的振动液化土的振动液化 9.3

15、.1 9.3.1 土的振动液化机理土的振动液化机理 饱和、松散砂土、粉土饱和、松散砂土、粉土土中孔隙水压力逐渐积累（增大）土中孔隙水压力逐渐积累（增大）土的有效应力降低至为零土的有效应力降低至为零在荷载作用下在荷载作用下土处于悬浮状态似水的性质土处于悬浮状态似水的性质抗剪强度完全丧失抗剪强度完全丧失土的振动液土的振动液化化土的类别 土的初始密实度 土的饱和度 内因方面9.3.2 9.3.2 土液化的影响因素土液化的影响因素土的初始应力状态 往复应力(地震)强度 往复次数(地震历时) 地下水位的变化 外因方面9.3.2 9.3.2 土液化的影响因素土液化的影响因素 塑性指数高的粘土不易液化塑性指

16、数高的粘土不易液化低塑性、无塑性易于液化低塑性、无塑性易于液化振动作用下发生液化的饱和土振动作用下发生液化的饱和土1、土的影响、土的影响粒径小于粒径小于2mm黏粒含量低于（黏粒含量低于（10-15）%塑性指数低于塑性指数低于7010.10.20.331030100液化应力比往返加荷次数饱和度Sr=0.980.990.9950.9981Dr=0.45饱和度少有减小，液化应力比明显增大，即容易液化饱和度少有减小，液化应力比明显增大，即容易液化2.2.土的初始密度的影响土的初始密度的影响土的初始密实度越大土的初始密实度越大土越不易液化土越不易液化3 3、土的初始固结压力的影响、土的初始固结压力的影响土的周围压力越大土的周围压力越大土层埋藏越深土层埋藏越深土越不易液化土越不易液化4 4、往复应力强度与次数的影响、往复应力强度与次数的影响往复应力越小往复应力越小需越多的振动次数才可产生液化需越多的振动次数才可产生液化结结 论论 要持续足够的应力周期才发生液化、土体失去稳定要持续足够的应力周期才发生液化、土体失去稳定9.4 9.4 防止土液化的工程措施防止土液化的工程措施(1)(1)一般不宜将建筑基础放在未经处理的液化土层上一般不宜将建筑基础放在未经处理