土动力学讲义

土动力学soildynamics主讲方云2/4/2023土动力学第一章绪论土动力学是研究各种动荷载作用下土的变形强度特性及土体稳定性的一门学科土力学中“stress”一词原定义包括“静的”（static)和“动的”（dynamic)应力，但传统土力学中通常仅意味静应力2/4/2023土动力学1964年新泻地震造成房屋倾斜2/4/2023土动力学土动力学的发展是不平衡的研究的荷载来源各不相同对各种实际问题要求解决的迫切程度不同2/4/2023土动力学地震最新的地震报道北京时间2005年10月8日11时50分，在巴基斯坦（北纬34.4度、东经73.6度）发生7.8级地震，震中位于巴基斯坦北部巴控克什米尔山区，距首都伊斯兰堡约90公里，距我国和巴基斯坦边境线约300公里。巴基斯坦官员11月8日宣布，巴基斯坦在南亚大地震中的死亡人数已经达到8．735万人。2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学据中国台网测定，2005年11月26日,08时49分38.6秒在江西九江、瑞昌间(北纬29.7,东经115.7)发生5.7级地震。

湖北省武汉、洪湖、鄂州、黄冈、赤壁、通城、咸宁等地建筑物有明显震感，部分建筑物墙面破裂，震动持续时间约为20秒。2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学地震2005年3月20日日本福冈以西当地时间上午10点53分发生里氏7级强烈地震，至20日晚上9点止共发生83次余震。伤亡人数超过500人，许多房屋被毁。2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学阿尔及利亚地震2003年5月21日夜阿尔及利亚首都阿尔及尔地区发生了里氏6.7级大地震，造成该国2300人死亡，1万1千人受伤。在那次大地震后，阿尔及尔地区又经历了多达上千次的大大小小的余震。2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学菲律宾地震2003年5月27号凌晨2点多，印尼东北部地区发生里氏6.4级地震。此次地震的震中位于印尼马鲁古省的莫罗2/4/2023土动力学从2003年5月1日的土耳其地震开始，到5月21日的阿尔及利亚地震，到5月26日的日本地震、5月27日的印度尼西亚地震、菲律宾地震，短短的20多天，就发生了5次六级以上的地震。2/4/2023土动力学

近期发生的地震基本上处在环太平洋的西部和欧亚地震带上，而这两个地震带都是老的地震带，同时又都位于几大板块的边缘。这些地震的发生意味着板块的积压，板块撞击，因为地球是由几大板块构成的，在它的边缘上发生一些重大地震，意味着这些板块确实是在运动，在活动，它的运动和活动标志着整个地球的深部可能有动力源在活动。2/4/2023土动力学2003年至今我国大陆新疆、内蒙、甘肃等地连续发生地震过去10年来，台湾平均每年发生里氏6级以上地震3．4次，去年共发生3次。

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伊朗地震2003年12月26日早晨5时28分，伊朗中部克尔曼省首府克尔曼附近发生里氏6.8级地震，是这一地区自1998年以来最强烈的一次地震，震源约在地下33公里。千年历史的古城———巴姆市的老城区已全部被毁，该市的许多历史建筑几乎彻底被毁。死亡人数为4.1万人。2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学

据介绍，伊朗地震灾害频发，全境共分布4条地震带，其中最长最宽的一条从土耳其、伊朗边境地区起，经过首都德黑兰，向东延伸数百公里。更糟糕的是，德黑兰地下还分布着北、南、东3条断层。目前德黑兰小震不断。近年来德黑兰周围地区发生了数起较大地震，2002年6月22日凌晨加兹温发生了里氏6.3级的地震，200多人在地震中丧生。2/4/2023土动力学

伊朗地震专家预测，未来几年里，德黑兰发生7级左右地震的可能性极大。德黑兰建筑物的抗震性能令人担忧。德黑兰建有160万套住房，其中70万套属危旧住房。日本的地震专家经过实地考察后认为，德黑兰大部分建筑不符合抗大地震的要求，如果德黑兰发生7级地震，将有约50万套住房倒塌，55%的建筑受损，财产损失相当于伊朗国民收入的22%，将有38万人丧生，国家将陷于瘫痪。2/4/2023土动力学

日本神户地震1995年1月17日凌晨5时47分日本神户发生里氏7.2级地震，延续时间20秒城市直下型活断层地震经济损失1000亿美元死亡6000多人，负伤3万多人房屋毁损99515栋路面开裂，地基变形，铁道弯曲，列车脱轨，港口破坏，拦腰折断的大楼倒下来将道路隔截，断裂的高速公路从几十米高处塌落下来2/4/2023土动力学中国是一个多地震的国家。20世纪以来中国共发生8级以上大震9次7～7.9级地震99次6～6.9级地震470余次4.8级以上地震3800余次2/4/2023土动力学20世纪以来中国陆地地震活动经历了四个活跃期，目前正处于第五个活跃期。期间可能发生多次7级以上的强震，强震的主体地区在中国西部。2/4/2023土动力学土动力学研究的问题各种动荷载及其特点振动和波动在土中的运动规律土的动应力应变关系动强度与变形问题振动液化动力特性测试的设备与技术动荷载作用下的地基承载力、土坡稳定性及动土压力土与结构物的相互作用（动力机器基础问题）2/4/2023土动力学相关学科土力学地震工程学结构动力学土工抗震学2/4/2023土动力学解决途径引入表征动力作用和土动力特性的相应指标，建立土动力学的计算方法以模型试验为基础，为设计提供定性或定量的依据2/4/2023土动力学发展趋势探讨动力作用下土体失稳的机理动本构定律粉土和砂砾土的液化孔隙水压力的变化规律土与上部结构的相互作用随机波及高频波的研究应用高应力水平复杂应力状态下的室内试验研究现场试验、实录分析及模型试验2/4/2023土动力学研究特点注重土的室内试验和现场试验研究注重工程经验的研究注重实用的计算分析方法2/4/2023土动力学参考教材方云等：《土力学》第十章谢鼎义：《土动力学》1988张克绪等：《土动力学》19892/4/2023土动力学第二章动荷载特性2/4/2023土动力学第一节动、静问题的区别加荷速度T/4>几十秒静力学问题T/4<几十秒动力学问题应变范围微小应变范围（<10-5)中等应变范围（10-5~10-3)大应变范围（>10-3)循环效应2/4/2023土动力学第二节动荷载特性荷载的大小、方向、作用位置随时间而变化，且荷载对作用体系的动力效应不可忽略。这样的荷载称为动荷载（dynamicload）。动荷载的性质用振幅（amplitudevibrition）、频率（frequency）和持续作用时间（durationofvibrition）来表示。动荷载的持续作用时间用循环作用次数N来表示。2/4/2023土动力学如果运动在相同的时间间隔内重现，就称为周期运动。运动重现一次称为一个循环。单位时间内所完成的循环数，称为频率完成一个循环所需要的时间，称为周期，以T表示。2/4/2023土动力学动荷载可以分为三种类型1、周期荷载（cyclicloading）以同一振幅和周期往复循环作用的荷载称为周期荷载。周期荷载的最简单形式是简谐荷载（harmonicloading）。简谐荷载随时间t的变化规律可用正弦或余弦函数表示。（2-2）半周期内的峰值荷载P0，称为振幅。双幅值2P0指在周期T内荷载变化的最大幅度。2/4/2023土动力学简谐荷载是工程中常用的荷载简谐荷载与地震荷载的区别振幅几乎不变周期不变持续作用次数大现场实际荷载与简谐荷载的差别非周期性峰值可能不同荷载总是动静荷载的组合2/4/2023土动力学若干个振幅和周期各不相同的的简谐荷载可相互叠加，组成一般性的周期荷载。（2-3）2/4/2023土动力学2、冲击荷载冲击荷载是一种瞬时荷载，强度大，持续时间短。（2-4）2/4/2023土动力学两个特点只有一次脉冲作用作用持续时间短（ms），压力升高速率大2/4/2023土动力学多脉冲瞬时动荷载2/4/2023土动力学打桩引起的地表垂直加速度轨迹2/4/2023土动力学3、不规则荷载荷载随时间的变化没有规律可循，如地震荷载。2/4/2023土动力学地震应力的统计性质T=0.2～1.0s持续时间和主要作用次数与震级有关，震级越大，t和N值越大每个脉冲的波形更接近于正弦变化的曲线2/4/2023土动力学第三节动荷载对地基土的影响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2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学2/4/2023土动力学土在动荷载作用下的破坏过程当动荷载很小时，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，土骨架产生不可恢复的变形。土颗粒之间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2/4/2023土动力学土对地震荷载反应的主要表现变形孔隙水压力2/4/2023土动力学根据土对地震荷载反应的分类对地震反应明显：中等密度或松的饱和砂土；粘粒含量小于10～15％的饱和砂质粘土或粉质软粘土；含砾量<70~80%，砂料处于中密或松散状态的砂砾石土等对地震反应不明显：干砂、压密粘土饱和密实砂；含砾量>70~80%的砂砾石土等2/4/2023土动力学动荷载作用对工程建筑的影响引起结构物振动破坏地基动力机器引起基础过大的振幅（甚至共振）高层建筑（20～30层）在软基上容易损坏，而低层建筑（5～6层）在硬基上反而比较容易损坏2/4/2023土动力学地震工程中的土体土体不仅指土材料，还包括土的分布和几何尺寸基岩的地震剪切波通过土层向上传播，引起土层表面的运动，产生对基岩运动的位移、速度和加速度反应。根据土柱的横向振动理论，土柱顶点对基岩运动的反应与土柱的自振特性有关2/4/2023土动力学土柱的自振圆频率n=1,3,5……由公式中H可知土层表面对基岩地震运动的反应不仅取决于土的力学性质，还取决于土层的几何尺寸2/4/2023土动力学因为结构体系的地震反应取决于体系的质量和刚度分布，因此靠近建筑物或斜坡的点的地震反应也必将受到土的动力学特性和土层几何尺寸的影响2/4/2023土动力学ABCDEFG各点与基岩地震运动的时程曲线明显不同1