土动力学-绪论

土动力学

（SOILDYNAMICS)

第一章绪论

§1.1

土动力学的任务、内容、研究途径土动力学是土力学的一个分支，是研究动荷载作用下土的变形和强度特性及土体稳定性的一门学科。

土动力学的任务在于探求动荷载作用下土变形强度特性变化的规律性，应用近代力学的原理，分析研究土工建筑物及建筑物土质地基在各种动力影响下的变形稳定性和强度稳定性。土动力学研究的内容包括土的动力特性;土体的动力稳定性(包括土与结构物相互作用)两大部分。由于动荷具体作用的特性不同，土可能在下同应力水平和动应变幅下工作，显示出不同的应力—应变特性规律。故上述两个部分的分析研究，必须尽量模拟实际动荷作用的特点，面向动荷作用下工程建设中的实际问题，建立起自己的理论体系和分析解决问题的基本方法。土动力学解决的问题：(1)工程建筑中的各种动荷作用及其特点问题；(2)动荷所引起的振动和波动及其在土中运动的规律问题；(3)土的动应力－应变关系问题；(4)土的动强度和变形问题；(5)土的振动液化问题；(6)土动力特性测试设备与测试技术问题；(7)动荷条件下的地基承载力，土坡稳定及挡土墙上土压力问题；(8)土与结构物的相互作用问题(包括动力机器基础问题)；土动力学问题研究的基础：土力学、地震工程学、结构动力学、土工抗震学等一系列学科。充分运用现有室内外试验量测技术，广泛积累原型观测和工程实录资料，作出理论联系实际的分析，建立科学的分析方法。解决问题的途径：建立起一定理论下的计算方法，引入一些表征动力作用和土动力特性的相应指标，作为动力设计的基础，并在不断的实践中加以检验和修正；直接用模型试验的方法作为基础，根据运用相似律模拟的精确程度和量测手段的完善程度，为设计提供出定性或定量的依据；研究方法：将理论分析、室内试验、现场试验、原型观测和模型试验紧密结合起来，各取所长，互相促进，作出多途径长时期的系统探索。§1.2

动荷的类型及其对土体的作用特点1、与静荷载区别加荷时间：爆炸荷载的加荷时间几个毫秒，一般动力荷载百分之几秒或零点几秒。周期效应：多次反复施加。应变大小<10-3

在动荷条件下研究

>10-3在静荷条件下研究

动力与静力的区别在于动力必须具备三个充要条件：

1.力的作用是循环往复的。

2.力的作用结果应当是导致受力物体的波动变形或质点的往复位移。

3.力的作用伴随着交变的加速度。2、动荷载基本特点振幅、频率、持续时间、波型的变化3、动荷类型冲击荷载（impactload)：坠落重物所引起的荷载，其大小取决于传递结构的弹性和惯性，作用时间短。振动荷载（vibratingload）

有限次往返，方向变化,幅值是变化的地震波风荷载打桩荷载疲劳荷载（fatigueload）

加荷及几万次、几十万次幅值基本不变周期基本不变车辆荷载机器基础动荷作用的共同特点：大小随时间而发生变化；动荷在随时间变化过程中的两种效应：速率效应，即荷载在很短的时间内以很高的速率加于土体所引起的效应；循环效应，即荷载的增减，多次往复循环地施加于土体所起的效应；

§1.3

动荷作用对工程建筑的影响一、地基破坏二、结构破坏

§1.4

土动力学的发展动力机器基础（machinefoundation)：

20世纪30年代,以德国的E.Reissner和前苏联的D.D.Barkan为代表。防护工程（protectiveconstruction)：二次世界大战以后。地震工程（earthquakeengineering)：60年代以后，随几次大地震的发生，迅速发展。1977年第九届国际土力学及基础工程工程学会会议上正式分列出土动力学问题讨论为标志。1981年Shamsher

Prakash出版了专著《SoilDynamics》,1983年B.T.Das出版了《FoundationofSoilDynamics》）1964年日本新泻地震、美国阿拉斯加地震、1971年美国圣费尔南多地震,1995年日本神户大地震等使土动力学和岩土地震工程的研究达到了一个新的高潮,取得了丰硕的成果.

70年代,随着近海重力式平台的大量兴建,研究者们的注意力集中在波浪等周期荷载作用下砂土液化的可能性和液化强度等问题，后来又注意到了孔隙水压力消散的影响。另一方面，周期荷载作用下粘性土性状的研究也取得较多的成果。Andersen等人应北海重力式石油平台建设的需要曾对粘土进行了系统而广泛的研究。

分析了诸如试验方式、剪应力幅值、超固结比等因素的影响，而Matsui的研究则较多地关注了孔隙水压力的发展变化，分析了残余孔压与剪应变之间的相互关系以及循环荷载作用历史对剪切特性的影响。Ba1igh曾给出一个较为完善的循环荷载作用下的固结理论。

低路提在交通荷载作用下的变形特性也早已引起人们的重视。较早的如Seed及其同事们的工作，后来其他学者也继续了这项工作。进入80年代，这项工作进一步深入，Yasuhara等提出了一个排水循环荷载作用下土体变形的近似预测方法，Fujiwara的研究则集中在排水条件下考虑固结影响的变形计算。

近年来，各国学者从不同的方向对土动力学进行了深入研究。这些研究的主要内容包括：土的动力特性和本构关系、地层液化势与地面破坏、动土压力和挡土结构的抗震设计、土—结构动力相互作用、土坡和土坝的抗震稳定性、周期或瞬态荷载作用下的变形和强度问题等方面。

在以往的地震反应分析中，地震作用一般以水平剪切为主，因此按Serff假设可以将水平面近似作为最大剪应力作用面，地震产生的破坏就是在这些水平动剪应力作用下产生的。然而日本阪神等地震的破坏形式表明竖向地震作用产生的破坏是相当大的。1995年1月17日发生的日本阪神大地震中，有许多结构的破坏是由于竖向地震作用引起的。可见，在以往的抗震设计中，只考虑水平剪切的作用，对工程抗震设计是不够安全的。

我国的土动力学发展较晚,1961年我国岩土学科创始人黄文熙先生率先发表了有关饱和砂土地基及土坡液化稳定分析成果,标志着土动力学这门学科在我国的兴起。1966年我国邢台地震和1976年我国唐山地震等许多实践课题促进了这门学科的迅速发展。地震作用下土的性状地震时土的力学状态如果用应力应变来表示地震作用力的大小，地震属于中变形和大变形开始阶段中变形小变形大变形10-310-410-210-110-5110弹塑性破坏弹性地震土对地震荷载的两类效应宏观反应：变形；往返变形，残余变形孔压；升高宏观效应：砂土液化破裂滑坡a.对地震反应不明显的土：干砂，压密粘性土，饱和密实砂b.对地震反应明显的土：饱和松砂，振动效应由于土体本身的尺寸、结构、动力学性质等特征，引起地面地震动地改变（放大、减缓）。土的动应力－应变关系土的动变形与动强度地震作用下土的变形与强度土体地震反应分析动土压力与挡土墙第二章饱和土的液化

2.1振动液化机理饱和土在动荷作用下往往会丧失其原有的强度而转变为一种类似液体的状态。

1978年美国岩土工程学会土力学委员会讨论，认为：液化是使任何物质转变为液体的作用和过程。在无粘性土中，这种转变是由固态到液态，它是孔压增加，有效应力减小的结果。

液化一般发生在饱和土中，非饱和的黄土也会发生类似现象。液化有广义和狭义的理解广义的液化为孔压上升的过程狭义的液化为最后抗剪强度达到0的状态。孔压的上升也有广义和狭义的理解广义的理解限于封闭条件下土体内孔隙压力的增高狭义的理解包括由高孔压区向低孔压区的转移液化是剪缩性的土体在不排水条件下孔隙压力不断累积的结果。液化的过程：（1）在振动荷载持续作用下，砂土经历了由土粒传给孔隙水，压力又由孔隙水传给土粒两个阶段。（2）砂土发生液化必须具备两个条件，一是振动的强度足以使土体结构破坏；二是土体结构发生破坏后，土粒发生移动的趋势是压密而不是松胀。2.2影响饱和土振动液化的主要因素（1）土性条件（内因）（2）起始应力条件（外因）

(3)动荷条件（外因）（4）排水条件（媒介）1、土性条件（1）土的