第十章土在动荷载下特性

第10章土在动荷载下的特性The

characteristicsof

soil

underdynamicloading土力学1土体经常会受到地震、波浪、风或人工振源的交通、爆炸、打桩、强夯、机器基础等引起的动荷载作用。在动荷载作用下，土的强度与变形特性都将受到影响，可造成土体的破坏，也可利用改善不良土体的性质(如屈炸法、强夯法)。

天然振源和人工振源的振动频率、振动次数和振动波形各不相同。天然振源发生随机振动荷载，其振动周期、幅值及方向都是不规则的；人工振源有瞬时脉冲振动荷载，一次作用时间很短，但土的动应变较大，也有规则的循环荷载，土的动应变属小应变范围。在不同的动荷载作用之下，土的强度和变形各不相同，其共同特点是都受到加荷速率和加荷次数的影响。按动荷载的加荷次数，可以分为：

①冲击荷载：一次快速施加的瞬时荷载，如爆炸和爆破作业，加荷时间非常短，所引起土体的振动，由于受到阻尼作用，振幅在不长的时间内衰减为军，称为冲击荷载，如图10—1(a)所示；

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§10.1概述Dr.HanWX2②不规则荷载：加荷几次至几十次甚至干百次的动荷载，如地震、打校引起的振动作用等，荷载随时间的变化没有规律可循，称为不规则荷载，如图10—1(b)所示；

③周期荷载：加荷几万次以上的动荷载，加车辆行驶对路基的作用、机器基础对地基的作用等，以同一振幅和周期反复循环作用的荷载，称为周期荷载，如图10—1(c)所示

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§10.1概述Dr.HanWX3

公路路堤、土坝以及建筑场地的填筑：土体由于经过开挖、搬运及堆筑，原有结构遇到破坏，含水量发生变化，堆填时必然造成土体中留下很多孔隙，如不经人工压实，其均匀性差、抗剪强度低、压缩性大、水稳定性不良，往往难以满足工程的需要。因此，研究土的压实性是土工构筑物的重要课题。

地基加固：某些松软的地基土，由于其强度低、变形大，直接在其上修建建筑物，不能满足地基承载力、变形的设计要求，需进行加固处理。可采用换填垫层法加固，通过分层压实改善土的不良性质。土的压实是在动荷载作用下得到的，提高了上的密实度，从而土的强度得到提高，土的压缩性减低和透水性变小。

振动液化：当地基土特别是饱和松散的砂土在地震作用下，会表现出类似于液体性质而完全丧失承载力的现象，即振动液化现象，从而发生地表喷水冒砂、滑坡及地基失稳等，最终导致建筑物或构筑物的破坏。

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§10.1概述Dr.HanWX4

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§10.2土的压实性Dr.HanWX

10.2.1击实试验及压实度

1、击实试验和击实曲线在实验室内进行击实试验，是研究土压实性的基本方法。击实试验分轻型和重型两种。轻型击实试验适用于粒径小于5mm的粘性上，而重型击实试验适用于粒径不大于20mm的土。击实试验所用的主要设备是击实仪，包括击实筒、击锤及导简等。

5

1、击实试验和击实曲线由击实简的体积和简内被压实土的总重计算出湿密度，并可算出干密度d，d＝/(1+w)，w为土的含水量。由一组几个(通常为5个)不同含水量的同一种土样分别按上述方法进行试验，绘制一条击实曲线，如图10—3所示。

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§10.2土的压实性Dr.HanWX

10.2.1击实试验及压实度wd(wopt,dmax)6

1、击实试验和击实曲线击实曲线反映上的压实特性如下：

(1)对于某一土样，在一定的击实功能作用下，只有当土的含水量为某一适宜值时，土样才能达到最密实，因此在击实曲线上就反映出有一峰值，峰点所对应的纵坐标值为最大干密度dmax对应的横坐标值为最优含水量wopt。

(2)土在击实(压实)过程中，通过土粒的相互位移，很容易将土中气体挤出，但要挤出土中水分来达到压实的效果，对于枯性土，不是短时间的加载所能办到的。因此，人工压实不是挤出土中水分而是挤出土中气体来达到压实目的的。同时，当土的含水量接近或大于最优含水量时，土孔隙中的气体越来越处于与大气不连通的状态，击实作用已不能将其排出土体之外。一般压实最好的土，气体含量也还有3%-5％(以总体计)留在土中，亦即击实土不可能被击实到完全饱和状态，击实曲线必然位于饱和曲线的左侧而不可能与饱和曲线有交点(见图10—6)。

(3)当含水量低于最优含水量时，于密度受含水量变化的影响较大，即含水量变化对于密度的影响在偏于时比偏湿时更加明显。因此，击实曲线的左段(低于最优含水量)比右段的坡度陡。

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10.2.1击实试验及压实度7

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10.2.1击实试验及压实度8

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§10.2土的压实性Dr.HanWX

10.2.1击实试验及压实度

2．土的压实度土的压实度或压实系数c。定义为工地压实时要求达到的干密度d与室内击实试验所得到的最大干密度dmax之比值，可由下式表示：

c

＝d

/dmax(10—1)

在工程中，填土的质量标准常以压实度来控制。要求压实度越接近于1，表明对压实质量的要求越高。根据工程性质及填土的受力状况，所要求的压实度是不一样的。必须指出，现场施工的填土压实，无论是在压实能量、压实方法还是在土的变形条件方面，与室内击实试验都存在着一定差异。因此，室内击实试验用来模拟工地压实仅是一种半经验的方法，要使填土压实的现场施工确保质量，达到要求的压实度，还应该进行现场检验。在工地上对压实度的检验，一般可用环刀法法或核子密度仅法等来测定土的干密度和含水量地的实际情况决定。灌砂(或水)法、湿度密度仪具体选用哪种方法，可根据工地的实际情况决定。9

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§10.2土的压实性Dr.HanWX

10.2.1击实试验及压实度10

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§10.2土的压实性Dr.HanWX

10.2.2土的压实机理及其影响因素

1、压实机理在外力作用之下土的压实机理．可用结合水膜润滑及电化学性质理论来解释

在粘性土中含水量较低时，由于土粒表面的结合水膜较薄，土粒间距较小，粒间电作用力就以引力占优势，土粒的相对位移阻力大，在击实功能作用下，比较难以克服这种阻力，因此压实效果就差。随着土中含水量增加，结合水膜增厚，土粒间距也逐渐增加，这时斥力增加而引力相对减小，压实功能比较容易克服粒问引力而使土粒相互位移，趋于密实，压实效果较好。

当土中含水量较大时，虽能使粒间引力减小，土中也会出现自由水，击实时孔隙中过多的水分不易立即排出，势必阻止土粒的靠拢，同时排不出去的气体，以封闭气泡的形式存在于土体内，击实时气泡暂时减小，很大一部分击实功能由孔隙气承担，转化为孔隙压力，粒间所受的力减小，击实仅能导致土粒更高程度的定向排列，而土体几乎不发生体积变化，所以压实效果反而下降。试验证明，粘性土的最优含水量与其塑限含水量十分接近，大致为wopt＝wp+2(％)。11

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§10.2土的压实性Dr.HanWX

10.2.2土的压实机理及其影响因素

1、压实机理

对于无粘性土．因击实时土中多余的水分容易排出，它的干密度与含水量之间关系如图10—4所示，没有峰值点反映在击实曲线上，放员优含水量的概念一般不适用于无枯性土。无粘性土的压实标准，常以相对密实度Dr控制，一般不进行室内击实试验。

2．影响土压实性的主要因素

(1)含水量的影响对较干(含水量较小)的土进行夯实或碾压，不能使土充分压实；对较湿(含水量较大)的土进行夯实或碾压，也不能使土得到充分压实，此时土体还出现软弹现象．俗称“橡皮土”；只有当含水量控制为某一适宜值即最佳含水量时，土才能得到充分压实．得到土的最大干密度。

当压实土达到最大干密度时，其强度并非最大。研究发现，在含水量小于最优含水量时，土的抗剪强度和模量均比最优含水量时高，但将其浸水饱和后，则强度损失很大，只有在最优含水量时浸水饱和后的强度损失最小，压实土的稳定性最好。12

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§10.2土的压实性Dr.HanWX

10.2.2土的压实机理及其影响因素2．影响土压实性的主要因素

(2)土类及级配的影响

在相同击实功能条件下，不同土类及级配其压实性是不一样的。图10-5(a)所示五种不同土料的级配曲线；图10-5(b)是其在同一标准的击实试验中所得到的五条击实曲线。从图中可见，含粗粒越多的土样其最大干密度越大，而最忧含水量越小，即随着粗粒土增多，曲线形态不变但朝左上方移动。在同一土类中，土的级配对它的压实性影响亦很大。级配均匀的土，压实后其干密度要比级配不均匀的低，这是因为在级配均匀的土体内，较租土粒形成的孔隙很少有细土粒去填充，而级配不均匀的土则相反，有足够的细土粒填充，因而可以获得较高的干密度。13

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§10.2土的压实性Dr.HanWX

10.2.2土的压实机理及其影响因素2．影响土压实性的主要因素

(3)击实功能的影响

对于同一土料，加大击实功能，能克服较大的粒间阻力，会使土的最大干密度增加，而最优含水量减小，如图10-6所示。同时，当含水量较低时击数(能量)的影响较为显著。当含水量较高时，含水量与干密度的关系曲线趋近于饱和曲线，也就是说，这时靠加大击实功能来提高土的密实度是无效的。100%saturationWatercontentw%woptDrydensity,

ddmaxLineofoptimums90%R.C.acIncreasecompactionenergyb14

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§10.3土的振动液化Dr.HanWX

10.3.1土的振动液化机理及试验分析土特别是饱和松散的砂土，在振动荷载作用下，土中[超]孔隙水压力逐渐累积，有效应力下降，当孔隙水压力累积至总应力时，有效应力为零，土粒处于悬浮状态，表现出类似于水的性质而完全丧失其抗剪强度，这种现象称为土的液化。地震、波浪以及车辆荷载、打桩、爆炸、机器振动等引起的振动力，均可能引起土的振动液化。振动力通常可引起无粘性土、低塑性粘性土、粉土、粉煤灰等的振动液化。根据饱和土的有效应力原理和无粘性土抗剪强度公式f=(σ-u)tan’＝σ’tan’

可知，当有效应力为零即抗剪强度为零时．没有粘聚力的饱和松散砂土就丧失了承载能力，这就是饱和砂土振动液化的基本原理。15

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§10.3土的振动液化Dr.HanWX

10.3.1土的振动液化机理及试验分析

土的振动液化可由室内试验研究分析，但室内试验必须模拟现场上体实际的受力状态。图11-10(a)表示现场微单元土体在地震前的应力状态，此时，单元土体的竖向有效应力和水平向有效应力分别σv和σh=K0σv，其中K0为静止土压力系数；图11-10(b)表示地震作用时，单元土体的应力状态，此时，层动引起的往复剪应力σh作用在单元体上。因此，任何室内研究液化问题的试验，都必须模拟这样一种状态．即：有不变的法向应力和往复的剪应力作用在土样的某一个平面上。16

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§10.3土的振动液化Dr.HanWX

10.3.1土的振动液化机理及试验分析

土的振动液化可由室内试验研究分析室内研究液化问题的试验方法很多，如周期加荷三轴试验、周期加荷单剪试验等，其中周期加荷三轴试验是最普遍使用的试验。饱和砂样的室内周期加荷三轴试验，其方法是先给土样施加周围压力σ3完成固结，然后仅在轴向作用大小为σd的往复荷载，并不允许排水(见图10-8)。在往复加荷过程中，可以测出轴向应变和超孔隙水压力。17

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§10.3土的振动液化Dr.HanWX

10.3.2影响土液化的主要因素

1．土类粘性土具有粘聚力，即使超孔隙水压力等于总应力．有效应力为零．抗剪强度也不会完全消失，难以发生液化，砾石等粗粒土因为进水性大，超孔隙水压力能迅速消散，不会造成孔隙水压力累积至总应力而使有效应力为零．难以发生液化；只有中等粒组的砂土和粉土易发生液化，由于渗透性系数小，不足以在第二次振动前把孔隙水压力全部消散，才有可能累积孔隙水压力并使强度完全丧失而发生液化。所以，一般情况下．塑性指数高的粘土不易液化，低塑性和无塑性的土易液化。在振动作用下发生液化的饱和土，一般平均粒径小于2mm．粘粒含量低于10％一15％，塑性指数低于7。

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10.3.2影响土液化的主要因素2．土的初始密实度土的初始密实度对液化的影响表示在图10-14中(周期加荷三轴压缩试验结果）。土中孔隙水压力等于固结压力σ3是产生液化的必要条件，此时定义为初始液化。在大多数场合下，20％的全幅应变值被认为土样已经破坏。说明，当土的初始密实度越大，在振动力作用下，土越不容易产生液化。19

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10.3.2影响土液化的主要因素3．上的初始固结压力对于给定的韧始孔隙比、初始相对密实度和往复应力峰值，引起初始液化和20％全幅应变所需的往复荷载次数都将随着固结压力的增加而增加(对所有的相对密实度都适用)。这说明周围压力越大，在其他条件相同的情况下，越不容易发生液化。地震前地基土的固结压力可以用土层有效的覆盖压力乘以侧压力系数来表示，因此，地震时土层埋藏越深，越不易液化。20

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10.3.2影响土液化的主要因素4．往复应力强度与往复次数

对于给定的固结压力σv和不同相对密实度Dr，就同一种土类而言，往复应力越小，则需越多的振动次数才可产生液化，反之，则在很少振动次数时，就可产生液化。21

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§10.3土的振动液化Dr.HanWX

10.3.3地基液化判别与防治

饱和的砂土或粉土(不含黄土)，当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化：

1地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及其以前时，7、8度时可判为不液化。

2粉土的粘粒(粒径小于0.005mm的颗粒)含量百分率，7度8度和9度分别不小于10、13、和16时，可判为不液化土。

3天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响：

du

＞d0+db-2

dw

＞d0+db-3

du+dw

＞1.5d0+2db-4.5

式中dw——地下水位深度(m)，宜按设计基准期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用；

du——上覆盖非液化土层厚度(m)，计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除；

db——基础埋置深度(m)，不超过2m时应采用2m；

d0——液化土特征深度(m)，可按表4.3.3采用。22

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§10.3土的振动液化Dr.HanWX当初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下15m深度范围内的液化；当采用桩基或埋深大于5m的深基础时，尚应判别15～20m范围内土的液化。当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。当有成熟经验时，尚可采用其他判别方法。

在地面下15m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

在地面下15～20m范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

式中Ncr－液化判别标准贯入锤击数临界值；

N0——液化判别标准贯入锤击数基准值，应按表4.3.4采用；

ds——