土动力学.pptx

课程安排课程安排n n授课时间：授课时间：授课时间：授课时间：1 1 7 7 周周周周 26 26 学时学时学时学时n n课程性质：考试课课程性质：考试课课程性质：考试课课程性质：考试课n n授课教师：王幼青授课教师：王幼青授课教师：王幼青授课教师：王幼青 n n教材：教材：教材：教材：土动力学张克绪土动力学张克绪土动力学张克绪土动力学张克绪 谢君斐谢君斐谢君斐谢君斐 著著著著n n参考书：参考书：参考书：参考书：土动力学原理土动力学原理土动力学原理土动力学原理Braja M.Das Braja M.Das 著著著著 岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 绪绪 论论11 土动力学的基本概念土动力学的基本概念12 动荷载及其特点动荷载及其特点13 在动荷载作用下土的速率效应和疲劳效应在动荷载作用下土的速率效应和疲劳效应14 在动荷载作用下土的受力水平及工作状态在动荷载作用下土的受力水平及工作状态15 在动荷载作用下土的分类在动荷载作用下土的分类第二章第二章 土的动力性能及动力学模型土的动力性能及动力学模型21 概述概述 动变形标准动变形标准 耗能标准耗能标准 动强度标准动强度标准 动孔隙水压力标准动孔隙水压力标准 土的动力学模型土的动力学模型22 土动力试验仪器及试验方法土动力试验仪器及试验方法23 线性粘弹性模型线性粘弹性模型24 等效线性化模型等效线性化模型25 模型参数的测试模型参数的测试26 土的动强度土的动强度27 土的动孔隙水压力土的动孔隙水压力28 土剪切波速的现场测试土剪切波速的现场测试 岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 饱和砂土液化饱和砂土液化31 概述概述 液化现象和机制液化现象和机制 液化试验液化试验 影响液化的因素影响液化的因素 液化与循环滚动性液化与循环滚动性 液化判别法的分类液化判别法的分类32 场地液化判别方法场地液化判别方法Seed简化法简化法33 场地液化判别方法场地液化判别方法中国建筑抗震设计规范法中国建筑抗震设计规范法34 防止液化和减轻液化危害的工程措施防止液化和减轻液化危害的工程措施第四章第四章 土体动力反映分析土体动力反映分析41 概述概述 土体动力反映分析的目的土体动力反映分析的目的 土体动力反映分析方程式土体动力反映分析方程式以水平场地为例以水平场地为例 求解土体动力反映分析方程式的方法求解土体动力反映分析方程式的方法以水平场地为例以水平场地为例42 等效线性化模型在土体反映分析中的应用等效线性化模型在土体反映分析中的应用第一章第一章 绪绪 论论1.1 1.1 土动力学的基本概念土动力学的基本概念 1问题的提出问题的提出地基地基和和土工结构土工结构中的土体不仅受静荷作用，在某些情况下还受动荷作用，例如：在中的土体不仅受静荷作用，在某些情况下还受动荷作用，例如：在地基地基和和土工结构土工结构设计时，不仅要在静荷作用下满足稳定性和变形要求，也要在动荷作用设计时，不仅要在静荷作用下满足稳定性和变形要求，也要在动荷作用下满足稳定性和变形要求。为了确定下满足稳定性和变形要求。为了确定地基地基和和土工结构物土工结构物在动荷作用下的稳定性和变形，在动荷作用下的稳定性和变形，必须研究如下问题：必须研究如下问题：）土的动力性能，包括：变形特性、强度特性、耗能特性、孔隙水压力特性。）土的动力性能，包括：变形特性、强度特性、耗能特性、孔隙水压力特性。）在动荷作用下，）在动荷作用下，地基地基和和土工结构物土工结构物中土体的应力、应变和变形的分析方法，中土体的应力、应变和变形的分析方法，也叫也叫动力反应分析方法动力反应分析方法。）在动荷作用下，）在动荷作用下，地基地基和和土工结构物土工结构物中土体的稳定性分析方法。中土体的稳定性分析方法。2土动力学的定义土动力学的定义土动力学是土力学的一个重要分支，它是研究在动荷作用下土的动力性能、土动力学是土力学的一个重要分支，它是研究在动荷作用下土的动力性能、地基地基和和土工结构物土工结构物中土体的变形和稳定性的一门学科。中土体的变形和稳定性的一门学科。1.2 1.2 动荷载及其特点动荷载及其特点1动荷载动荷载的定义的定义在荷载作用期间，其在荷载作用期间，其幅值幅值随时间以某种形式发生变化的荷载。其变化包括：随时间以某种形式发生变化的荷载。其变化包括：）只有）只有幅值幅值大小的改变：例如大小的改变：例如交通荷载交通荷载。）除）除幅值幅值大小变化外，还有频率、方向的改变，成为大小变化外，还有频率、方向的改变，成为交变荷载交变荷载，如，如地震荷载地震荷载。岩土工程研究所岩土工程研究所2描述动荷载的要素描述动荷载的要素）最大幅值）最大幅值）频率）频率）持续时间或作用次数）持续时间或作用次数3动荷载的类型动荷载的类型）一次冲击型荷载：例如爆炸荷载，仅有大小的变化。）一次冲击型荷载：例如爆炸荷载，仅有大小的变化。）有限循环作用次数的随机荷载：例如地震、风浪荷载等，有大小变化和正负）有限循环作用次数的随机荷载：例如地震、风浪荷载等，有大小变化和正负的变化，正的变化，正负负正正 叫一次循环，循环次数是有限的，通常小于叫一次循环，循环次数是有限的，通常小于1000次。次。）循环作用次数非常大的疲劳荷载：例如稳态机械振动荷载，其幅值和频率几）循环作用次数非常大的疲劳荷载：例如稳态机械振动荷载，其幅值和频率几乎不变，循环次数非常大，通常大于乎不变，循环次数非常大，通常大于1000次。次。1.3 1.3 在动荷载作用下土的速率效应和疲劳效应在动荷载作用下土的速率效应和疲劳效应1动荷作用下土的变形特点动荷作用下土的变形特点动荷载的大小是随时间而改变的动荷载的大小是随时间而改变的,而土的变形需要改变土的结构而土的变形需要改变土的结构,土结构的改土结构的改变则需要一个时间过程。这样变则需要一个时间过程。这样,土受某一个大小的荷载作用所持续的时段非常短土受某一个大小的荷载作用所持续的时段非常短,然然后其荷载的大小就改变了后其荷载的大小就改变了,在这样短的时段内变形不能得到充分发展在这样短的时段内变形不能得到充分发展,其变形与同样其变形与同样大小静荷载引起的变形相比要小。大小静荷载引起的变形相比要小。如果动荷载是循环荷载，每次循环作用都会使土的结构发生一定的破坏如果动荷载是循环荷载，每次循环作用都会使土的结构发生一定的破坏,并且并且每一次循环对土的结构破坏作用随动荷载的幅值增加而增大。这样每一次循环对土的结构破坏作用随动荷载的幅值增加而增大。这样,土在幅值不变的土在幅值不变的循环荷载作用下其变形要随作用次数的增加而增大循环荷载作用下其变形要随作用次数的增加而增大,并且每一次循环作用引起的土的并且每一次循环作用引起的土的变形增量要随动荷幅值的增大而增大。变形增量要随动荷幅值的增大而增大。岩土工程研究所岩土工程研究所2速率效应速率效应速率效应是指土的变形模量和强度随动荷载的变化速率的增加而增大的力学现速率效应是指土的变形模量和强度随动荷载的变化速率的增加而增大的力学现象。速率效应的机制是上述的第一个在动荷作用下土变形的特点。按上述，动荷载象。速率效应的机制是上述的第一个在动荷作用下土变形的特点。按上述，动荷载的变化速率越大，则在某一时刻荷载作用持续的时段越短，土的变形越不能充分发的变化速率越大，则在某一时刻荷载作用持续的时段越短，土的变形越不能充分发展，其速率效应则越显著。展，其速率效应则越显著。3疲劳效应疲劳效应疲劳效应是指在动荷载作用下土的变形随作用次数的增加逐次累计增大，最后疲劳效应是指在动荷载作用下土的变形随作用次数的增加逐次累计增大，最后使土发生破坏的力学现象。土的疲劳效应的机制是上述第二个在动荷作用下土变形使土发生破坏的力学现象。土的疲劳效应的机制是上述第二个在动荷作用下土变形的特点。由于土破坏时的变形大约是相同的，按上述，动荷载幅值越大土破坏时相的特点。由于土破坏时的变形大约是相同的，按上述，动荷载幅值越大土破坏时相应的动荷载作用次数就越小。应的动荷载作用次数就越小。4两种效应的意义两种效应的意义两种效应是土的动力性能与静力性能不同的根本原因。两种效应是土的动力性能与静力性能不同的根本原因。土的速率效应与疲劳效应是在动荷载作用下同时存在的两种相反作用。速率土的速率效应与疲劳效应是在动荷载作用下同时存在的两种相反作用。速率效应使土的变形模量和强度增大，疲劳效应使土的强度降低。这样，在动荷作用下效应使土的变形模量和强度增大，疲劳效应使土的强度降低。这样，在动荷作用下土的力学性能取决于这两种效应哪一个占主导。如果速率效应占主导，则土具有较土的力学性能取决于这两种效应哪一个占主导。如果速率效应占主导，则土具有较好的动力学性能；如果疲劳效应占主导，则土具有较差的动力学性能。好的动力学性能；如果疲劳效应占主导，则土具有较差的动力学性能。不同的土类所表现出来的两种效应是不同的。一般结构易受破坏的土类，即不同的土类所表现出来的两种效应是不同的。一般结构易受破坏的土类，即结构性强的土类，疲劳效应占主导作用；相反，则速率效应占主导作用。因此，不结构性强的土类，疲劳效应占主导作用；相反，则速率效应占主导作用。因此，不同的土类，其动力学性能有明显差别。同的土类，其动力学性能有明显差别。岩土工程研究所岩土工程研究所1.4 1.4 在动荷载作用下土的受力水平及工作状态在动荷载作用下土的受力水平及工作状态1.土的受力水平土的受力水平土是一种结构性很强的力学介质或工程材料，土受力越大，土结构的破坏性也越土是一种结构性很强的力学介质或工程材料，土受力越大，土结构的破坏性也越大，土的变形越发展，土也越趋于破坏。因此，在确定土的力学性能时，必须考虑土大，土的变形越发展，土也越趋于破坏。因此，在确定土的力学性能时，必须考虑土的受力水平。的受力水平。土的受力水平是土受力大小和土结构的破坏程度的一种表示。因此，需要一个定土的受力水平是土受力大小和土结构的破坏程度的一种表示。因此，需要一个定量指标表示土的受力水平。表示土受力水平的定量指标有两种：量指标表示土的受力水平。表示土受力水平的定量指标有两种：动剪应力幅值或动剪应力幅值比动剪应力幅值或动剪应力幅值比一般说，土的破坏是由剪切引起的，土所受的动剪应力越大，土越接近破坏。因一般说，土的破坏是由剪切引起的，土所受的动剪应力越大，土越接近破坏。因此，可以用动剪应力幅值表示土的受力水平。但是，土破坏所需的动剪应力幅值随所此，可以用动剪应力幅值表示土的受力水平。但是，土破坏所需的动剪应力幅值随所受的有效静正应力的增大而增大。因此，即使同一种土当所受的动剪应力幅值相同而受的有效静正应力的增大而增大。因此，即使同一种土当所受的动剪应力幅值相同而有效静正应力不同时，其接近破坏的程度也不相同，因此，以动剪应力幅值与有效静有效静正应力不同时，其接近破坏的程度也不相同，因此，以动剪应力幅值与有效静正应力比值代替动剪应力幅值表示土的受力水平更合理。正应力比值代替动剪应力幅值表示土的受力水平更合理。动剪应变幅值动剪应变幅值当动剪应力幅值或动剪应力幅值比相同时，不同类型的土产生的动剪切变形是不当动剪应力幅值或动剪应力幅值比相同时，不同类型的土产生的动剪切变形是不同的。软土产生的动剪切变形大，硬土所产生的动剪切变形小；相应地，土结构的破同的。软土产生的动剪切变形大，硬土所产生的动剪切变形小；相应地，土结构的破坏程度也不同。因此，以动应力作用所引起的动剪应变幅值来表示土的受力水平更为坏程度也不同。因此，以动应力作用所引起的动剪应变幅值来表示土的受力水平更为适宜。适宜。岩土工程研究所岩土工程研究所2土的工作状态土的工作状态按上述，土的受力水平越高，土结构的破坏就越大。当土结构的破坏很小时，在动按上述，土的受力水平越高，土结构的破坏就越大。当土结构的破坏很小时，在动应力作用下土所引起的变形是可恢复的，土表现出弹性性能，称为应力作用下土所引起的变形是可恢复的，土表现出弹性性能，称为弹性工作状态弹性工作状态。当土。当土的结构的破坏达到一定程度时，动应力作用所引起的变形将不再能完全恢复，发生了不的结构的破坏达到一定程度时，动应力作用所引起的变形将不再能完全恢复，发生了不可恢复塑性变形，土表现出弹塑性性能，称为可恢复塑性变形，土表现出弹塑性性能，称为弹塑性工作状态弹塑性工作状态。土的结构破坏越大，所。土的结构破坏越大，所发生的塑性变形及其在总变形中所占的比例越大，土越接近破坏。最后，土发生破坏，发生的塑性变形及其在总变形中所占的比例越大，土越接近破坏。最后，土发生破坏，称之为称之为破坏状态破坏状态或流动。或流动。由于土的结构破坏与受力水平有关，则土所处的工作状态也与受力水平有关。按上由于土的结构破坏与受力水平有关，则土所处的工作状态也与受力水平有关。按上述，土的受力水平以动剪应变幅值表示，则根据动剪应变幅值大小土的受力水平分为述，土的受力水平以动剪应变幅值表示，则根据动剪应变幅值大小土的受力水平分为小小变形阶段变形阶段、中变形阶段中变形阶段、大变形阶段大变形阶段：不同变形阶段土所处的工作状态如下图所示：不同变形阶段土所处的工作状态如下图所示：从上图可见，在从上图可见，在小变形阶段小变形阶段，土处于弹性工作状态，在，土处于弹性工作状态，在中等变形阶段中等变形阶段，土处于弹塑，土处于弹塑性工作状态，在性工作状态，在大变形阶段大变形阶段，土处于破坏阶段。，土处于破坏阶段。岩土工程研究所岩土工程研究所3.界限剪应变幅值界限剪应变幅值界限剪应变幅值是区分土结构破坏程度的剪应变幅值。界限剪应变幅值是区分土结构破坏程度的剪应变幅值。弹性限弹性限当土所受的剪应变幅值小于当土所受的剪应变幅值小于弹性限弹性限 时，土的结构没有破坏，土的变形完全可以时，土的结构没有破坏，土的变形完全可以恢复。一般说，恢复。一般说，。屈服限屈服限当土所受的剪应变幅值大于当土所受的剪应变幅值大于屈服限屈服限 时，土的结构发生明显的破坏，要发生明显时，土的结构发生明显的破坏，要发生明显的塑性变形，最终可能导致破坏。按此定义，屈服限应是上图中的弹性工作状态的结尾的塑性变形，最终可能导致破坏。按此定义，屈服限应是上图中的弹性工作状态的结尾阶段。当剪应变幅值大于屈服限时，土已处于弹塑工作状态，一般说，阶段。当剪应变幅值大于屈服限时，土已处于弹塑工作状态，一般说，。1.5 1.5 动荷作用下的两大类土动荷作用下的两大类土1两大类土定义两大类土定义在动荷载作用下力学性能不好的土，称之为对动荷作用敏感的土。所谓力学性能不在动荷载作用下力学性能不好的土，称之为对动荷作用敏感的土。所谓力学性能不好，是指在动荷作用下土产生大的变形，或高的孔隙水压力，或部分或完全丧失抗剪强好，是指在动荷作用下土产生大的变形，或高的孔隙水压力，或部分或完全丧失抗剪强度。度。在动荷载作用下力学性能好的土，称之为对动荷载作用不敏感的土。所谓力学性能在动荷载作用下力学性能好的土，称之为对动荷载作用不敏感的土。所谓力学性能好，是指在动荷作用下土不会产生大的变形，或高的孔隙水压力，基本上能保持其抗剪好，是指在动荷作用下土不会产生大的变形，或高的孔隙水压力，基本上能保持其抗剪强度。强度。岩土工程研究所岩土工程研究所2划分两大类土的依据划分两大类土的依据 理论依据理论依据在动荷载作用下，如果与速率效应相比疲劳效应占主导，则土的动力性能不好，如在动荷载作用下，如果与速率效应相比疲劳效应占主导，则土的动力性能不好，如果与疲劳效应相比速率效应占主导，则土的动力性能好，并且哪种效应占主导与土的类果与疲劳效应相比速率效应占主导，则土的动力性能好，并且哪种效应占主导与土的类型有关。这样，就有可能根据土的动力性能将土划分成两大类。型有关。这样，就有可能根据土的动力性能将土划分成两大类。试验依据试验依据土动力试验数据表明，在动荷作用下某些土类，例如中等密度以下的饱和砂土、粘土动力试验数据表明，在动荷作用下某些土类，例如中等密度以下的饱和砂土、粘粒含量小于粒含量小于10%的饱和粉质粘土、砾粒含量小于的饱和粉质粘土、砾粒含量小于70%的饱和砂砾石，会部分或完全丧失的饱和砂砾石，会部分或完全丧失强度，而饱和软粘土、淤泥质粘土，则会产生较大的变形。强度，而饱和软粘土、淤泥质粘土，则会产生较大的变形。动荷作用引起的工程灾害实例依据动荷作用引起的工程灾害实例依据动荷作用，特别是地震作用，引起的工程灾害实例表明，凡是发生工程灾害的地基动荷作用，特别是地震作用，引起的工程灾害实例表明，凡是发生工程灾害的地基和土工建筑其土体中都含有和土工建筑其土体中都含有松砂、中密饱和砂土、黏粒含量小于松砂、中密饱和砂土、黏粒含量小于10%10%15%15%的饱和砂质黏的饱和砂质黏土、黏粒含量小于土、黏粒含量小于10%10%15%15%的饱和粉质黏土、含砾量小于的饱和粉质黏土、含砾量小于70%70%80%80%中密以下的砂砾石中密以下的砂砾石，并，并且是由这些土在动荷作用下部分或完全丧失强度、或产生大的变形引起的。且是由这些土在动荷作用下部分或完全丧失强度、或产生大的变形引起的。3.两大类土的土类两大类土的土类 对动力作用敏感的土对动力作用敏感的土 对动力作用不敏感的土对动力作用不敏感的土4两大类土划分的意义两大类土划分的意义两大类土划分的意义在于为初步的工程判断或评估提供依据。如果在地基和土工结两大类土划分的意义在于为初步的工程判断或评估提供依据。如果在地基和土工结构物中存在对动力作用敏感的土，则这类地基和土工结构物在动力作用下的变形和稳定构物中存在对动力作用敏感的土，则这类地基和土工结构物在动力作用下的变形和稳定性是一个必须予以特别关注的问题，应进行专门研究；否则，可做一般问题处理。性是一个必须予以特别关注的问题，应进行专门研究；否则，可做一般问题处理。