土的动力性质

土的动力性质正文动力作用下的土的力学性能。当土的应变（纵向应变或剪应变）在10-6〜10-4范围（如由于动力机器基础、车辆行驶等所引起的振动）时，土显示出近似弹性的特性；当应变在10-4〜10-2范围（如打桩、中等程度的地震等所引起的振动）时，土具有弹塑性的特性；当应变达到百分之几的量级（如0.02〜0.05）时，土将发生振动压密、破坏、液化等现象。因此，土的主要动力特性通常以10-4的应变值作为大、小应变的界限值。在小应变幅情况下，主要是研究土的动剪切模量和阻尼；在大应变幅情况下则主要研究土的振动压密和动强度问题；而振动液化则是特殊条件下的动强度问题。所以，土的动力性质主要是指动剪切模量、阻尼、振动压密、动强度和液化（见砂土液化）等五个方面。土的动剪切模量小应变幅的动剪切模量常用野外波速法和室内共振柱试验测定，也可用经验公式估算。波速法根据所测得的从振源到拾振器之间的距离和剪切波（或压缩波）到达拾振器所需要的时间来计算剪切波波速匕，则得：式中Gd为土的动剪切模量；p为土的质量密度。波速法按其激振和接收方式的不同，有表面波波速法、上孔法、下孔法和跨孔法（两个或更多个钻孔）等，以后者用得较多（见工程地球物理勘探）。共振柱法在实心或空心的圆柱形土样上施加纵向振动或扭转振动，并逐级增大驱动频率，直到试样发生共振为止。根据一端固定、一端自由的端部条件，并忽视端部激振器的质量，可得Gd=16/2W/9 （2）式中f为扭转振动时的共振频率；/为试样的高度；Y为土的容重；9为重力加速度。影响土的动剪切模量的变量有剪应变幅、有效平均主应力、孔隙比、颗粒特征、土的结构、应力历史、振动频率、饱和度和温度等，其中有几个变量是相互联系的（如土的孔隙比、结构和颗粒特征）。对小应变幅动剪切模量，剪应变幅的影响可以忽略。对于净砂，在小剪应变幅（小于10-5）的情况下，动剪切模量主要是孔隙比和有效平均主应力的函数。较大的剪应变幅将使动剪切模量减小。颗粒特征、饱和度和振动频率对动剪切模量的影响很小。用共振柱法试验时，土的最大粒径不大于5.0毫米；但在1981年也报道了极粗粒土（如铁路道碴d50=45毫米）的共振柱法试验研究。在共振柱法中，如考虑到次时间效应（对砂土，可忽略），就会使试验结果较接近于现场实测值，且误差在10%以内。土的阻尼分几何阻尼（或称辐射阻尼）和内阻尼（或称材料阻尼），几何阻尼是由于振动通过弹性波向外传播时因波面增大而使能量耗失，内阻尼是由于土的滞后和粘性效应所产生的内部能量损失。几何阻尼可用弹性半空间理论计算。反映内阻尼特性的常用指标有对数递减率S和阻尼比。，它们间的关系如下：6值可用共振柱试验求得：砂土的6值可大到0.2。在振动三轴仪试验中，当记录得土的剪应力-剪应变滞回曲线如图所示时，得沽回曲象噬土的动力性质D=AL/4nAT （4）式中Al为滞回圈的总面积；At为图中影线部分所示的面积。各种土的内阻尼比如下：干砂和饱和砂为0.01〜0.03；粘土为0.02〜0.05。土的阻尼比随着应变幅的增加而增大，并分别随着有效平均主应力、孔隙比和加荷循环次数的增加而减小。土的振动压密松土，特别是无粘性土，由于振动作用，其孔隙比将逐渐减小，并导致振陷，其值可达几十厘米。当无外荷载作用时，不同饱和度的砂土将在下述振动加速度下（如干砂为0.2〜1.2g，饱和砂为0.5〜2.09，湿砂为2.0g）振动压密到密实状态。当有外荷载作用时，只有当振动加速度超过某一临界振动加速度（称振动压密界限）时,土才会产生振动压密作用，随着振动加速度的增加，振动压密将达到某一特定的孔隙比％或振动压密指数L%=（ed—卵也）/（印以x一伊也） （5）式中/以、界皿为最大、最小孔隙比。粗砂的Id值为0.55〜0.60,中砂为0.58〜0.60,细砂为0.80〜0.82。当天然砂土的相对密度小于Id时，则振动将导致地基振陷。土的动强度通常指土在一定振动循环次数下产生某一破坏应变〔对均压固结或偏压固结分别采用5%（双幅应变）或10%（综合应变））时所需的动应力，常用振动三轴仪、振动单剪仪、振动扭剪仪测定。在快速加载情况下，土的动强度大于静强度，如砂土约增10〜20%，饱和粘性土约增50〜200%,部分饱和土约增50〜150%，而且土的含水量愈大，动强度增加得愈多（尤以粘土为甚）。饱和砂土（特别如粉砂）在周期荷载作用下往往形成所谓液化现象。在不发生液化的情况下，饱和砂土的动摩擦系数将降低，并随着振动加速度比a（振动加速度/重力加速度）的增加而减小。但当a<1,且频率为1〜5赫时，砂土的有效动摩擦系数只略小于有效静摩擦系数。在周期荷载作用下，饱和粘土的动强度有可能小于或大于其静强度，视土的类别和动荷特性(如振次)而定。粘性土的动强度一般变化不大，但随着振次的增加，其强度降低，并接近于或小于其静强度，这在软粘土中减少得更为明显；振次愈多，动强度愈小。参考书目F.E.小理查特等著，徐攸在等译，钱鸿缙校：《土与基础的振动》，中国建筑工业出版社，北京，1976。(F.E.Richart.Jr.，etal.，Vibrations