土质与土力学课件第十章

1、第十章 土的动力性质和压实性鲁东大学岩土与地下工程教研室第一节 动力作用下变形和强度性质一、作用于土体的动荷载和波特点：瞬时性、反复性 速率效应、循环效应交通荷载：周期不规则，0.1s几min，循环次数大于1000次；必须考虑到土体反复应变产生的疲劳地震荷载：随机性、0.2s1s，次数不多，但是产生的荷载幅值较大波动形式 振源引起的土单元的动应力，以波动的方式在土体中传播。 作用于地表面的竖向荷载以表面波形式，地震波是以剪切波形式。 波动在土体表面和内部层面将发生反射、折射和透射现象。土的动力变形性质 土的动力变形性状随着应变幅值的不同而发生 应变幅在10-610-4及以下范围时，弹性 如：交

2、通荷载、机器振动 应变幅值在10-410-2之间，弹塑性 如：打桩、地震、波浪 应变幅值大于10-2，土将破坏或者液化， 流体土的动强度 土在动荷载作用下的抗剪强度动强度 循环荷载作用下土的动强度有可能高于或低于静强度，主要因素为:土的类别、所处的应力状态以及加载速率、循环次数等有关。 黏性土强度的降低与循环应变的幅值有很大关系。 土的动强度指标黏性土在动荷载作用下发生屈服破坏或者产生较大应变(15%)时具有的黏聚力cd和内摩角d。动力试验 动三轴试验(d10-4) 动单剪(d10-4)初始模量E0、G0 (公式10-5) 共振柱试验(10-3d10-6) 现场波速试验(d10-7)复杂应力条

3、件(1) 复杂初始应力状态113333331111(v-h)/2vh(v-h)/2(v-h)/2vhvh潜在滑动面上各点处土单潜在滑动面上各点处土单元的初始主应力方向角是元的初始主应力方向角是不同的不同的(2) 复杂循环加载方式(v-h)/2vh1c3c3c1c1d1d1d1d波浪荷载作用下海床中某点处土单元的主应力方向随时间连续变化 土工静力土工静力- -动力液压三轴动力液压三轴- -扭转多功能剪扭转多功能剪切仪切仪(DUT) 试验设备竖向液压伺服阀扭转向液压伺服阀三 轴室外腔体变计内腔体变计试样体变计加荷系统气水转换系统模拟控制系统 采集、计算机控制系统液压源数字记录仪计算机放大器I/O转

4、换箱扩展箱竖向荷载控制器相位差控制器侧压控制器力矩控制器竖 向 位 移计12通道无 气 水罐真空罐传统土工实验中试样的应力路径土工静力动力液压三轴扭剪多功能剪切仪中空心圆柱试样应力状态分析循环扭剪试验的应力应变关系曲线-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1-20-1001020dz(%)0246-15-10-5051015dz(%)-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1-15-10-5051015dz(%) -0.4 -0.20.00.20.4-30030dz(%)-0.4-0.20.00.2-10-50510dz(%)0=00=900=300=450=60竖向扭转耦合剪切试验的应力应

5、变关系曲线 -0.6 -0.4 -0.20.00.2-20-1001020dz(%)-0.10.00.10.20.3-8-4048 dz(%)012345-15-10-5051015dz(%)02468-15-10-5051015dz(%)-4-3-2-101-10-50510dz(%) 0=900=450=600=00=30(d) 有效应力路径 30405060708090100110-25-20-15-10-50510152025 z/kPap/kPaABCDEFGMN-20 -15 -10 -50510 15 2017181920u/kPaz/kPaHIJKL-20 -15 -10 -5

6、0510 15 200369121518u/kPaz/kPa初始主应力角为30时剪胀剪缩特性 0510152025303540010203040506070u/kPaz/kPa0510 15 20 25 30 35 400102030405060u/kPaz/kPa0510 15 20 25 30 35 4040424446485052545658u/kPaz/kPaABCDE(a) uz (b) uz (c) uz 01020304050607080901001100510152025303540 z/kPap/kPaM(d) 有效应力路径 初始主应力角为90时剪胀剪缩特性 -10 -8 -

7、6 -4 -202468 100102030405060u/kPaz/kPa-9-6-3036955565758u/kPaz/kPaABCDEFG(a) uz (b) uz 应力控制循环三轴试验数值模拟 (Van Eekelen与Potts，1978)平面应变有限元计算模型平面应变有限元计算模型波高H=1m时的结构水平位移与加载时间的关系波高H=3m时的结构水平位移与加载时间的关系砂土和粉土的振动液化 定义：饱和砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出类似液体的性状、完全失去强度和刚度的现象。 液化灾害的四种宏观现象： 喷砂冒水 震陷 滑坡 管线上浮公园道路由于地基液化引起的震陷破坏公园地面的

8、大裂缝地震引起的滑坡地震引起的边坡破坏边坡破坏液化机理及影响因素 液化机理(饱和松砂)tantanuf nKGBackgroundTaichung Harbour, Taiwan, China (1999)1.1 BackgroundLuntung Harbour, Taiwan, China (1994)1.1 BackgroundBackground1.1 BackgroundBackground1.1 BackgroundBackground1.1 BackgroundBackground1.1 BackgroundBackgroundStability of Seabedand Str

9、ucture1.1 Background影响液化的因素 土类(黏性土、粗粒土一般不会液化) 土的密度 初始应力状态：有效上覆压力 地震强度和持续时间： 液化一般发生在7度以上的地震场地，低于5.5级的地震，引起液化可能性不大5 . 0minmaxmaxeeeeDrkPa100v液化可能性的判别 标贯次数 室内试验的计算对比法 01vdeqmaxdeq/65. 0rvdCgar液化程度 液化指数 Fli液化阻抗系数 Fli=N/Ncr 或者 Fli=/1 5 轻微液化 515 中等液化 15 严重液化对于不同液化等级，采取不同液化措施。 iinililedWFI11抗液化措施 加强基础：桩基、沉

10、井、箱形基础等深基础 消除或减轻土层液化：换土、加密、胶结和排水压实：压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密指通过夯打、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实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特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：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以最小的能量消耗获得最大的压实密度 击实方法击实方法：室内击实试验室内击实试验现场试验现场试验: : 夯打、振动、碾压夯打、振动、碾压10.3 10.3 土的压实性土的压实性（P222P222）1 1

11、 土的物性与分类土的物性与分类1.6 1.6 土的压实性土的压实性一一. . 室内击实试验室内击实试验 二二. . 细粒土的压实性细粒土的压实性 三三. . 粗粒土的压实性粗粒土的压实性 一一. . 室内击实试验室内击实试验 试验设备试验设备 击实筒击实筒V=997V=997cm3；击实锤击实锤m=2.5kg；锤底直径锤底直径d=5cm 试验条件试验条件 土样分层土样分层n=3层；落高层；落高h=30cm；击数击数N=27/ /层层 击实能量击实能量 3/598mKJE 试验方法试验方法 对对=cosnst的土；分三层压实；的土；分三层压实； 测定击实后的测定击实后的、，算定算定d 注意注意：

12、仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪寸的击实仪1 1 土的物性与分类土的物性与分类1.6 1.6 土的压实性土的压实性土土1 1 土的物性与分类土的物性与分类1.6 1.6 土的压实性土的压实性二二. . 细粒土的压实性细粒土的压实性 1.1.击实曲线击实曲线2 2. .理论分析理论分析 3 3. .影响因素影响因素4 4. .压实标准压实标准1 1. .击实曲线击实曲线 特点：特点：具有峰值具有峰值位于饱和曲线之下位于饱和曲线之下 粘性土渗透系数粘性土渗透系数K K很小，压很小，压实过程中含水量几乎不变，实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态

13、是不可要想击实到饱和状态是不可能的能的。satdd)( 1 1 土的物性与分类土的物性与分类0 4 8 12 16 20 24 28含水量含水量w(%)2.01.81.61.4干密度干密度 d(g/cm3)饱和曲线饱和曲线 dmax=1.86wop=12.1rswsdS/wG1G wG1G)(swssatd 1Sr 1.6 1.6 土的压实性土的压实性二二. . 细粒土的压实性细粒土的压实性 最大干密度最大干密度最优含水量最优含水量 预估含水量 wop=wp；wop=wp+2 wop=(0.650.75)wL 曲线左端比右端陡，说明含水量对于干密度的影响在偏干时更为明显。 黏性土在最佳击实情况

14、下，饱和度一般为80%，因此土不可能被击实到饱和状态。3. 影响因素影响因素a. 击实功能击实功能d 50 N30 N10 Nmax,dopE存在一个上界d,E,const 1 1 土的物性与分类土的物性与分类1.6 1.6 土的压实性土的压实性二二. . 细粒土的压实性细粒土的压实性 b. 土的级配土的级配 d 321constE 越大max级配越好，其c. c. 击实方式击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适 const d d E二二. . 细粒土的压实性细粒土的压实性 2 2. . 理论分析理论分析 压实机理：压实机理： 颗粒被击碎，土粒定向

15、排列颗粒被击碎，土粒定向排列; 土粒破碎，粒间联结力被破土粒破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小坏而发生孔隙体积减小; 气被挤出或被压缩等气被挤出或被压缩等水膜润滑作用效果最佳水膜润滑作用效果最佳; ; 尚没有形成封闭气泡，气易于排出尚没有形成封闭气泡，气易于排出; ;颗粒表面水膜很薄，相对移动困难颗粒表面水膜很薄，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形成封闭气泡和水难以排出; (橡皮土橡皮土) op, d dmax op , d op , d95 %Dc95 %其他公路其他公路 Dc93%Dc93%、级土石坝级土石坝 Dc9

16、598%Dc9598% 级土石坝级土石坝 Dc9295% Dc9295% 1 1 土的物性与分类土的物性与分类1.6 1.6 土的压实性土的压实性二二. . 细粒土的压实性细粒土的压实性 不存在最优含水量不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态在完全风干和饱和两种状态 下易于击实下易于击实；潮湿状态下潮湿状态下d明显降低明显降低。 三三. . 粗粒土的压实性粗粒土的压实性 1 1. .击实曲线击实曲线特点特点d 20%20%粗砂粗砂 =45%中砂中砂 =7%； 时，干密度最小时，干密度最小 1 1 土的物性与分类土的物性与分类1.6 1.6 土的压实性土的压实性2. 理论分析理论分析 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。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。在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。3. 压实标