第十章-土的动力特性和土的压实性

《土质学与土力学》第十章土的动力特性和土的压实性第一节动荷载类型第二节土的动力特性第三节土的振动液化第四节土的压实性本章以前所涉及的变形和稳定问题，都认为荷载是静止的，不随时间而变化，称为静力问题。动荷载是指荷载的大小、方向、作用为止随时间而变化而且，对作用体系所产生的动力效应不能忽略。一般情况下，当荷载变化的周期为结构自振周期的5倍以上时，就可以简化为静荷载计算。第十章土的动力特性和土的压实性第一节动荷载类型一、周期荷载二、冲击荷载三、不规则荷载作用在地基或建筑物上的动荷载种类很多，如机械运转的惯性力、车辆荷载、爆破引起的冲击荷载、风荷载以及地震荷载等。这些荷载有的的变化速率很大，有的是循环作用次数很多，可以归纳为一下三类：第一节动荷载类型周期荷载冲击荷载不规则荷载周期荷载——以同一振幅和周期

反复循环作用的荷载冲击荷载——荷载强度大，持续时间短机器震动、车辆荷载爆破、打桩荷载不规则荷载——荷载随时间变化

没有规律可循地震荷载第一节动荷载类型

一、土的动力特性试验

二、动荷载下土的应力-应变关系及动力特性参数

三、土在动荷载下的强度特性第二节土的动力特性一、土的动力特性试验1、振动三轴试验2、动单剪试验等3、现场波速试验室内试验缺点：取土会带来扰动，影响结果动三轴试验动单剪试验共振柱试验动扭剪试验振动台试验土动力性能的室内试验第二节土的动力特性第二节土的动力特性第二节土的动力特性二、动荷载下土的应力-应变关系及动力特性参数1.土的动应力－应变关系模型在按正弦变化的周期动应力作用下，线性粘弹性单质点的滞回曲线为一椭圆。

滞回圈面积包括粘性和塑性能量耗损两部分。

粘性能量耗损与变形速度有关，而塑性能量耗损与塑性变形有关。

土的阻尼分为粘性阻尼和塑性阻尼两部分。

骨干曲线大体上符合双曲线规律

第二节土的动力特性2.土的动力特性参数（1）动剪切模量

动模量

动剪切模量（2）阻尼比剪切模量和阻尼比是表示土动力特性的两个主要参数。每一个滞回环的特征将由这两个参数来定义。滞回环的形状将随着应变的大小面变化。动剪切模量Gd随应变的增加而减小，而阻尼比则随应变的增大而增大。

第二节土的动力特性三、土在动荷载下的强度特性土的动强度是指在一定动荷载作用次数下产生某一破坏应变所需的动应力大小。也可以通过抗剪强度指标

得到反映。黏性土的动强度指标是指黏性土在动荷载下发生破坏或产生足够大的应变时所具有的黏聚力和内摩擦角。土的动强度(抗剪强度)不同于静强度。在周期性循环荷载作用下，土的动强度可能低于静强度，也可能高于静强度，这取决于土的类别、所处的应力状态、加荷速度、循环次数（振次n）等因素的影响。第二节土的动力特性

一、液化的机理

二、影响砂土液化的主要因素

三、砂土地基液化可能性的判别

四、防止土体液化的工程措施简介第三节土的振动液化振动液化是饱和土在动荷作用下由于其原有强度的丧失而转变为一种类似液体状态的现象。它是一种以强度的大幅度骤然丧失为特征的强度问题。地震、波浪、车辆行驶、机器振动、打桩及爆破等都可能引起饱和砂土的液化，其中以地层引起的液化面积广，所造成的危害最大。此外，岸坡或坝坡中的饱和砂层因液化而丧失抗剪强度，会使土坡失去稳定，而产生滑坡。第三节土的振动液化一、液化的机理振动液化的机制是饱和砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受从砂土骨架转向水，由于粉土和细砂土的渗透力不良，孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力值时，有效应力就降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生液化。第三节土的振动液化日本新泻1964年地震时砂土液化引起震陷。这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。第三节土的振动液化唐山地震造成的喷水冒砂区分布图第三节土的振动液化二、影响砂土液化的主要因素内因土类及其颗粒级配土的密实程度、饱水特性土结构的抗剪强度外因地震作用特征地震强度（震级、烈度）地震频率和周期震动历时环境条件场地地貌单元饱水砂土的埋藏条件地下水条件建筑物类型、基础特性第三节土的振动液化砂土液化造成的灾害的宏观表现1）喷砂冒水2）震陷3）滑坡4）上浮第三节土的振动液化加州沃森维尔附近的野外涌沙第三节土的振动液化三、砂土地基液化可能性的判别首先根据砂层时代和当地地震烈度进行初判。一般认为，对更新世及其以前的砂层和地震烈度低于Ⅶ度的地区,不考虑砂土液化问题。然后，对已初步判别为可能发生液化的砂层再作进一步判定。用以进一步判定砂土液化可能性的方法主要有三种。（1）场地地震剪应力与该饱和砂土层的液化抗剪强度

（引起液化的最小剪应力）对比法。（2）标准贯入试验法（见岩土试验）。（3）综合指标法。通常用以综合判定液化可能性的指标有相对密度、平均粒径

、孔隙比、不均匀系数等。第三节土的振动液化四、防止土体液化的工程措施简介当判明建筑物的地基中有可液化的土层时，必须采取相应的工程措施，以防止震害。主要从预防砂土液化的发生和防止或减轻建筑物不均匀沉陷两方面入手。包括合理选择场地；采取振冲、夯实、爆炸、挤密桩等措施，提高砂土密度；排水降低砂土孔隙水压力；换土，板桩围封，以及采用整体性较好的筏基、深桩基等方法。第三节土的振动液化

一、概述

二、土的压实原理

三、击实试验

四、影响击实效果的因素

五、压实特性的工程应用以及压实度的检测与控制第四节土的压实性一、概述

工程建设中常常遇到填土或松软地基，为了改善这些土的工程性质，常采用压实的方法使土变得密实，这往往是一种经济合理的改善土的工程性质的方法。实践表明，由于土的基本性质复杂多变，同一压实功对于不同土类、不同状态的土的压实效果可以完全不同。第四节土的压实性青藏铁路压实路基广州白云机场扩建工程京福高速公路第四节土的压实性第四节土的压实性第四节土的压实性第四节土的压实性第四节土的压实性二、土的压实原理压实是指利用机械能将土中的空气和水排出。大量工程实践经验表明，湿度过大的土在压实时会出现软弹现象，土密度不会增加；而湿度过小的土也难以充分压实。只有在适当的含水量范围内才能压实。当土中的含水量适当时，水在其中起润滑作用，并且也不占有太多的孔隙时，使土粒易于靠拢而形成最密实的排列。土的压实程度用干密度度来表示。当含水量

=0时，密度等于干密度；使压实土达到最大干密度时的含水量，称为土的最优含水量(或称最佳含水量opt)，相对应的干密度称最大干密度。。第四节土的压实性三、击实试验1、土的击实试验

我国目前通用的击实仪有两种：即轻型击实仪与重型击实仪，并根据击实土的最大粒径，分别采用两种不同规格的击实筒。轻型击实试验击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水量的土料分3层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击27（59）击，击锤落高为30cm。重型击实试验击锤质量为4.5kg，击锤落高为45cm。分3（5）层击实，每层27（98）击。根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度。第四节土的压实性通过对一个土样的击实试验就得到一对数据，即击实土的含水量与土体干密度。对不同含水量的同一种土按上述方法进行击实试验，便可得到一组成对的含水量与干密度数据，将这些数据绘制成击实曲线，它表明在一定击实功作用下，土的含水量与干密度的关系。

含水量（％）第四节土的压实性2、土的压实特性

1）压实曲线性能

击实试验所得到的击实曲线是研究土的压实特性的基本关系图。

峰值点表明在一定击实功作用下，只有当压实土样处在最佳含水量时，土体才能被击实到最大干密度，才能得到最佳压实效果。

第四节土的压实性含粗粒越多的土样最大重度越大，最佳含水量越小。颗粒级配良好的土容易被压实，颗粒级配均匀则最大干密度偏小。2）不同土类与不同击实功对击实特性的影响

土样偏干时，增加击实功对于提高干密度的影响较大；而土样偏湿则收效不大。

四、影响击实效果的因素

1、含水量

土的含水量对压实效果的影响比较显著。含水量较小时，土颗粒较疏松，但由于水膜润滑作用不明显，土粒相对移动也不容易，压实效果较差。含水量逐渐增大时，水膜变厚，起润滑作用，压实效果渐佳。含水量过大时，孔隙中出现自由水，压实功能的一部分被自由水所抵消，压实效果反而降低。第四节土的压实性2、压实功能

在开始压实时，土的干密度急剧增加，待到接近土的最大干密度时，压实功虽然增加许多，而土的干密度几乎没有变化。因此，在实际施工中，不要盲目过多地增加压实遍数。（压实遍数参考数据）第四节土的压实性3、每层填土厚度

土在压实功的作用下，压应力随深度增加而逐渐减小，其影响深度与压实机械、土的性质和含水量等有关。铺土厚度应小于压实机械压土时的作用深度，但其中还有最优土层厚度问题，铺得过厚，要压很多遍才能达到规定的密实度。铺得过薄，则也要增加机械的总压实遍数。恰当的铺土厚度（参考表）能使土方压实而机械的功耗费最少。填方每层的铺土厚度和压实遍数压实机具每层铺土厚度（mm)每层压实遍数平碾200~3006~8羊足碾200~3508~16蛙式打夯机200~2503~4人工打夯不大于2003~4第四节土的压实性五、压实特性的工程应用以及压实度的检测与控制1.压实性的工程应用工程上利用土的压实特性进行地基处理等工作，如重锤法、碾压法、振动法等。重锤法:采用80～400kN的重锤，从很高处(8～20m)自由落下，对土体进行强力夯实的方法。这是在的基础上发展起来的一项技术。强夯法是用很大的冲击能，使土体中出现冲击波和很大的应力，致使孔隙被压缩，土体局部液化，夯实点周围产生裂隙，形成良好排水通道，土体迅速固结。最大加固深度可达11～12m或更大。此法不仅能加固陆上土层，也能加固水中土层；适用于多种土类：粗粒土、低饱和度的细粒土、杂填土、素填土、湿陷性黄土；不仅能提高地基承载力，也可防止地基液化。对于饱和细粒土，要慎用。第四节土的压实性2.压实度的检测与控制压实度的现场检测方法主要有灌砂法、环刀法、核子密度仪法等。下面重点介绍灌砂法。

灌砂法测压实度所用的检测工具有灌砂筒、基板、挖洞及从洞中取料的合适工具、标准砂、天平、台秤、盛砂的容器、含水量检测工具等。

灌沙法的检测步骤

首先要在试验地点选一块平坦表面，其面积不得小于基板面积，并将其清扫干净。将基板放在此平坦表面上，沿基板中孔凿洞，洞的直径100毫米，在凿洞过程中应注意不使凿出的试样丢失，并随时将凿松的材料取出，放在已知质量的塑料袋内，密封。试洞的深度应等于碾压层厚度。凿洞毕，称此袋中全部试样质量，准确至1克。减去已知塑料袋的质量后即为试样的总质量。

第四节土的压实性然后从挖出的全部试样中取有代表性的样品，放入铝盒，用酒精燃烧法测其含水量。

最后将灌砂筒直接安放在挖好的试洞上，这时灌砂筒内应放满砂，使灌砂筒的下口对准试洞。打开灌砂筒开关，让砂流入试洞内。直到灌砂筒内的砂不再下流时，关闭开关，取走灌砂筒，称量筒内剩余砂的质量，准确至1克。试洞内砂的质量=砂至满筒时的质量－灌砂完成后筒内剩余砂的质量－锥体的质量挖出土的总质量除以试洞内砂的质量再乘以标准砂的密度可计算路基土的湿密度。干密度就等于湿密度/(1+含水量)压实度就等于土的干密度/土的最大干密度＊100%第四节土的压实性在路基施工过程中，为控制好路基压实质量，提高现场压实机械的工作效率，需要重点做好四方面工作：