第九章 土在動荷載作用下特性

1、第九章第九章 土在動荷載作用下的特土在動荷載作用下的特性性本章內(nèi)容本章內(nèi)容9.19.1概述概述9.29.2土在動荷載下的性質(zhì)土在動荷載下的性質(zhì)9.39.3土的振動液化土的振動液化9.49.4防治土液化的工程措施防治土液化的工程措施圣法南度水庫（加利福尼亞）大壩在圣法南度水庫（加利福尼亞）大壩在19711971年地震時(shí)地基液化造成大壩沉陷年地震時(shí)地基液化造成大壩沉陷地震來臨的時(shí)候，地震來臨的時(shí)候，在砂土地基上會發(fā)在砂土地基上會發(fā)生什么生什么? ?工程背景9.1 9.1 概述概述地基液化導(dǎo)致?lián)跬翂笸翂毫υ龃?地基失穩(wěn)1964新舄縣中越地震新舄縣中越地震, 日本日本 地震造成的涌砂地震造成昭和大橋

2、基礎(chǔ)移位,橋梁落臺.1964 阿拉斯加地震，美國阿拉斯加地震，美國 砂土液化造成砂質(zhì)邊坡失穩(wěn) 路基下的薄粉砂層和透鏡體液化后造成粘土路基開裂1925 圣巴巴拉地震、美國加利福尼亞州圣巴巴拉地震、美國加利福尼亞州粉質(zhì)砂土填筑的水庫大壩液化坍塌地震液化后的涌砂鐵路路基涌砂1989 洛馬普列塔洛馬普列塔 , 美國舊金山美國舊金山 地震液化后的涌砂塞納河堤在地震液化后的沉陷1995 神戶大地震、日本神戶大地震、日本 地基液化對公路的損壞地基液化對公路的損壞靜荷載：由零逐漸緩慢增加到結(jié)構(gòu)上的荷載。靜荷載：由零逐漸緩慢增加到結(jié)構(gòu)上的荷載。周期荷載：荷載隨時(shí)間周期荷載：荷載隨時(shí)間t t的變化規(guī)律可以用正弦或

3、余弦函數(shù)表示的變化規(guī)律可以用正弦或余弦函數(shù)表示沖擊荷載：短時(shí)間內(nèi)，荷載急劇增大或縮小，各類爆炸。沖擊荷載：短時(shí)間內(nèi)，荷載急劇增大或縮小，各類爆炸。 隨機(jī)荷載（非確定性荷載或不規(guī)則荷載）：荷載在將來任一時(shí)隨機(jī)荷載（非確定性荷載或不規(guī)則荷載）：荷載在將來任一時(shí)刻的數(shù)值無法事先確定，則稱為隨機(jī)荷載。刻的數(shù)值無法事先確定，則稱為隨機(jī)荷載。 9.1.1 9.1.1 動力荷載的類型及特點(diǎn)動力荷載的類型及特點(diǎn)動荷載：荷載的大小、方向和作用位置隨時(shí)間而變化。動荷載：荷載的大小、方向和作用位置隨時(shí)間而變化。 荷載P時(shí) 間 t峰 值g0加速度(g)0時(shí) 間 t時(shí) 間 t0P1t0t) (tP0P荷載P時(shí)間t峰值0

4、P1t0tg)(tP0P00時(shí)間t時(shí)間t加速度荷載荷載P時(shí) 間 t峰 值g0加速度(g)0時(shí) 間 t時(shí) 間 t0P1t0t)(tP0P動荷載的類型動荷載的類型 a a）沖擊荷載）沖擊荷載 b b）不規(guī)則荷載）不規(guī)則荷載 c c）周期荷載）周期荷載9.1.1 9.1.1 動力荷載的類型及特點(diǎn)動力荷載的類型及特點(diǎn)9.1.2 9.1.2 動力荷載對地基土體的影響動力荷載對地基土體的影響1）土的強(qiáng)度降低；）土的強(qiáng)度降低； 2）地基產(chǎn)生附加沉降；）地基產(chǎn)生附加沉降； 3）砂土與粉土的液化；）砂土與粉土的液化； 4）粘性土產(chǎn)生蠕變。）粘性土產(chǎn)生蠕變。 動力荷載作用大小由于隨時(shí)間動力荷載作用大小由于隨時(shí)間變

5、化而發(fā)生改變，將對地基土體產(chǎn)變化而發(fā)生改變，將對地基土體產(chǎn)生不同的效應(yīng)。如速率效應(yīng)與循環(huán)生不同的效應(yīng)。如速率效應(yīng)與循環(huán)效應(yīng)等。在循環(huán)效應(yīng)的影響下，即效應(yīng)等。在循環(huán)效應(yīng)的影響下，即使很小的應(yīng)變?nèi)阅芤鹜馏w的破壞，使很小的應(yīng)變?nèi)阅芤鹜馏w的破壞，其根本原因在于土體的抗剪強(qiáng)度的其根本原因在于土體的抗剪強(qiáng)度的降低。降低。 研究土在各種動荷載作用下的強(qiáng)度和變形特性、振動研究土在各種動荷載作用下的強(qiáng)度和變形特性、振動波在土中傳播的規(guī)律，以及地基和土工建筑物的動力分析波在土中傳播的規(guī)律，以及地基和土工建筑物的動力分析和工程抗震問題。和工程抗震問題。 動荷載作用下的變形、強(qiáng)度以及液化的規(guī)律，比靜荷動荷載作用下

6、的變形、強(qiáng)度以及液化的規(guī)律，比靜荷載作用下的更復(fù)雜，更難把握，因而也就更不成熟，更有載作用下的更復(fù)雜，更難把握，因而也就更不成熟，更有發(fā)展余地發(fā)展余地. . 砂土振動液化是動力分析中的一個(gè)重要課題。砂土振動液化是動力分析中的一個(gè)重要課題。 9.1.3 9.1.3 土動力學(xué)問題土動力學(xué)問題 當(dāng)土體受到如地震、爆破、機(jī)械震動、車輛運(yùn)行等動力作當(dāng)土體受到如地震、爆破、機(jī)械震動、車輛運(yùn)行等動力作用時(shí)，土內(nèi)產(chǎn)生新的壓力而引起土的變形。用時(shí)，土內(nèi)產(chǎn)生新的壓力而引起土的變形。 土在動力作用下的變形可分為彈性變形與殘余變形。當(dāng)動土在動力作用下的變形可分為彈性變形與殘余變形。當(dāng)動荷載強(qiáng)度較小不超過土的彈性極限時(shí)

7、，它所引起的變形主要為荷載強(qiáng)度較小不超過土的彈性極限時(shí)，它所引起的變形主要為彈性變形，彈性模量，泊松比，振動阻尼系數(shù)等為其主要?jiǎng)恿椥宰冃?，彈性模量，泊松比，振動阻尼系?shù)等為其主要?jiǎng)恿?shù)。參數(shù)。 當(dāng)動力強(qiáng)度較大時(shí)，它所引起的變形為殘余變形，動力越當(dāng)動力強(qiáng)度較大時(shí)，它所引起的變形為殘余變形，動力越大，變形越大，結(jié)果使土的結(jié)構(gòu)破壞，土體壓縮沉降，強(qiáng)度減大，變形越大，結(jié)果使土的結(jié)構(gòu)破壞，土體壓縮沉降，強(qiáng)度減弱，嚴(yán)重者可使土體失去強(qiáng)度而威脅建筑物及邊坡等穩(wěn)定性。弱，嚴(yán)重者可使土體失去強(qiáng)度而威脅建筑物及邊坡等穩(wěn)定性。 （1 1）振動力作用下土的密度）振動力作用下土的密度 在動力作用下，顆?；顒幽芰υ龃?/p>

8、，致使土的顆粒間連接在動力作用下，顆?；顒幽芰υ龃螅率雇恋念w粒間連接力削弱，土的壓縮性增大，特別對砂土來說尤為顯著。砂土在力削弱，土的壓縮性增大，特別對砂土來說尤為顯著。砂土在靜荷載作用下壓縮性小，在一般建筑物荷載下可不予考慮；但靜荷載作用下壓縮性小，在一般建筑物荷載下可不予考慮；但在振動荷載作用下，具有較大的壓縮性。在振動荷載作用下，具有較大的壓縮性。 在振動荷載作用下，砂土的壓縮、飽和砂的液化及軟粘土在振動荷載作用下，砂土的壓縮、飽和砂的液化及軟粘土的觸變?yōu)樗鼈兊闹饕獎(jiǎng)恿μ匦浴５挠|變?yōu)樗鼈兊闹饕獎(jiǎng)恿μ匦浴?（2 2）振動力作用下的抗剪強(qiáng)度）振動力作用下的抗剪強(qiáng)度 振動力作用下土的抗剪強(qiáng)度

9、降低，對砂土來說尤為顯著。振動力作用下土的抗剪強(qiáng)度降低，對砂土來說尤為顯著。因?yàn)樵谡駝恿ψ饔孟?，砂土顆粒間摩擦力降低，當(dāng)振動加速因?yàn)樵谡駝恿ψ饔孟?，砂土顆粒間摩擦力降低，當(dāng)振動加速度達(dá)到某一起始加速度時(shí)，砂土的強(qiáng)度隨著加速度增大而不度達(dá)到某一起始加速度時(shí)，砂土的強(qiáng)度隨著加速度增大而不斷降低。斷降低。 動荷載對一般粘性土的強(qiáng)度影響不大，而對飽水軟粘土動荷載對一般粘性土的強(qiáng)度影響不大，而對飽水軟粘土如淤泥及淤泥質(zhì)亞粘土、粘土等則影響顯。在振動作用下飽如淤泥及淤泥質(zhì)亞粘土、粘土等則影響顯。在振動作用下飽和軟粘土的結(jié)構(gòu)會遭到破壞，而使其強(qiáng)度及粘滯性劇烈降低。和軟粘土的結(jié)構(gòu)會遭到破壞，而使其強(qiáng)度及粘滯性

10、劇烈降低。 （3 3）砂土的結(jié)構(gòu)變化）砂土的結(jié)構(gòu)變化 受高頻振動時(shí)，顆粒位置重新調(diào)整，使砂更趨密實(shí)。受高頻振動時(shí)，顆粒位置重新調(diào)整，使砂更趨密實(shí)。 飽和的粉砂、細(xì)砂在動荷載作用下，會失去強(qiáng)度，產(chǎn)生飽和的粉砂、細(xì)砂在動荷載作用下，會失去強(qiáng)度，產(chǎn)生砂土液化。砂土液化。 土的類型和所處狀態(tài)不同，對動荷載的反應(yīng)也不相同土的類型和所處狀態(tài)不同，對動荷載的反應(yīng)也不相同處于飽和狀態(tài)的砂土和粉土在周期性動荷載作用下可能液化處于飽和狀態(tài)的砂土和粉土在周期性動荷載作用下可能液化淤泥、淤泥質(zhì)土在周期性動荷載作用下，由于孔隙水壓力上淤泥、淤泥質(zhì)土在周期性動荷載作用下，由于孔隙水壓力上升，強(qiáng)度降低等緣故會導(dǎo)致沉降和滑移

11、升，強(qiáng)度降低等緣故會導(dǎo)致沉降和滑移9.2 9.2 土在動荷載下的性質(zhì)土在動荷載下的性質(zhì)9.2.19.2.1動荷載對地基土的影響動荷載對地基土的影響當(dāng)動荷載很小時(shí)，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)幾乎沒有遭到破壞，土當(dāng)動荷載很小時(shí)，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)幾乎沒有遭到破壞，土骨架的變形能夠恢復(fù)，并且土顆粒之間相互移動所損耗的能骨架的變形能夠恢復(fù)，并且土顆粒之間相互移動所損耗的能量也少，土處于理想的彈粘性力學(xué)狀態(tài)量也少，土處于理想的彈粘性力學(xué)狀態(tài)隨動荷載增大，顆粒之間的聯(lián)結(jié)遭到破壞，土骨架產(chǎn)生不可隨動荷載增大，顆粒之間的聯(lián)結(jié)遭到破壞，土骨架產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形。土顆粒之間相互移動所損耗的能量增大，土越恢復(fù)的變形。土顆粒之間

12、相互移動所損耗的能量增大，土越來越表現(xiàn)出非彈性或塑性性能來越表現(xiàn)出非彈性或塑性性能當(dāng)動荷載增大到一定程度時(shí)，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)幾乎完全破當(dāng)動荷載增大到一定程度時(shí)，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)幾乎完全破壞，土處于流動或破壞狀態(tài)壞，土處于流動或破壞狀態(tài)9.2 9.2 土在動荷載下的性質(zhì)土在動荷載下的性質(zhì)9.2.29.2.2土在動荷載作用下的破壞特征土在動荷載作用下的破壞特征變形變形往返變形和永久變形往返變形和永久變形孔隙水壓力孔隙水壓力加靜載時(shí)，土內(nèi)可能產(chǎn)生負(fù)的孔壓；加動載時(shí)孔壓總是加靜載時(shí)，土內(nèi)可能產(chǎn)生負(fù)的孔壓；加動載時(shí)孔壓總是增高的。增高的。飽和砂土地震時(shí)孔壓上升至靜的有效正應(yīng)力，會導(dǎo)致砂飽和砂土地震時(shí)孔壓

13、上升至靜的有效正應(yīng)力，會導(dǎo)致砂土液化。是否液化主要取決于土的密度。土液化。是否液化主要取決于土的密度。粘性土地震時(shí)可以增量很小原因在于粘性土顆粒之間的粘性土地震時(shí)可以增量很小原因在于粘性土顆粒之間的連接的電化學(xué)本質(zhì)。連接的電化學(xué)本質(zhì)。9.2 9.2 土在動荷載下的性質(zhì)土在動荷載下的性質(zhì)9.2.39.2.3土對地震荷載反應(yīng)的主要表現(xiàn)土對地震荷載反應(yīng)的主要表現(xiàn) 對地震反應(yīng)明顯：中等密度或松的飽和砂土；粘粒含量小于對地震反應(yīng)明顯：中等密度或松的飽和砂土；粘粒含量小于10101515的飽和砂質(zhì)粘土或粉質(zhì)軟粘土；含礫量的飽和砂質(zhì)粘土或粉質(zhì)軟粘土；含礫量7080%7080%7080%的砂礫石土等的砂礫石土

14、等9.2 9.2 土在動荷載下的性質(zhì)土在動荷載下的性質(zhì)9.2.4 9.2.4 根據(jù)土對地震荷載反應(yīng)的分類根據(jù)土對地震荷載反應(yīng)的分類 引起結(jié)構(gòu)物振動引起結(jié)構(gòu)物振動 破壞地基破壞地基 動力機(jī)器引起基礎(chǔ)過大的振幅（甚至共振）動力機(jī)器引起基礎(chǔ)過大的振幅（甚至共振） 高層建筑（高層建筑（20203030層）在軟基上容易損壞，而低層建筑層）在軟基上容易損壞，而低層建筑（5 56 6層）在硬基上反而比較容易損壞層）在硬基上反而比較容易損壞9.2 9.2 土在動荷載下的性質(zhì)土在動荷載下的性質(zhì)9.2.5 9.2.5 動荷載作用對工程建筑的影響動荷載作用對工程建筑的影響9.39.3土的振動液化土的振動液化 9.3

15、.1 9.3.1 土的振動液化機(jī)理土的振動液化機(jī)理 飽和、松散砂土、粉土飽和、松散砂土、粉土土中孔隙水壓力逐漸積累（增大）土中孔隙水壓力逐漸積累（增大）土的有效應(yīng)力降低至為零土的有效應(yīng)力降低至為零在荷載作用下在荷載作用下土處于懸浮狀態(tài)似水的性質(zhì)土處于懸浮狀態(tài)似水的性質(zhì)抗剪強(qiáng)度完全喪失抗剪強(qiáng)度完全喪失土的振動液土的振動液化化土的類別 土的初始密實(shí)度 土的飽和度 內(nèi)因方面9.3.2 9.3.2 土液化的影響因素土液化的影響因素土的初始應(yīng)力狀態(tài) 往復(fù)應(yīng)力(地震)強(qiáng)度 往復(fù)次數(shù)(地震歷時(shí)) 地下水位的變化 外因方面9.3.2 9.3.2 土液化的影響因素土液化的影響因素 塑性指數(shù)高的粘土不易液化塑性指

16、數(shù)高的粘土不易液化低塑性、無塑性易于液化低塑性、無塑性易于液化振動作用下發(fā)生液化的飽和土振動作用下發(fā)生液化的飽和土1、土的影響、土的影響粒徑小于粒徑小于2mm黏粒含量低于（黏粒含量低于（10-15）%塑性指數(shù)低于塑性指數(shù)低于7010.10.20.331030100液化應(yīng)力比往返加荷次數(shù)飽和度Sr=0.980.990.9950.9981Dr=0.45飽和度少有減小，液化應(yīng)力比明顯增大，即容易液化飽和度少有減小，液化應(yīng)力比明顯增大，即容易液化2.2.土的初始密度的影響土的初始密度的影響土的初始密實(shí)度越大土的初始密實(shí)度越大土越不易液化土越不易液化3 3、土的初始固結(jié)壓力的影響、土的初始固結(jié)壓力的影響土的周圍壓力越大土的周圍壓力越大土層埋藏越深土層埋藏越深土越不易液化土越不易液化4 4、往復(fù)應(yīng)力強(qiáng)度與次數(shù)的影響、往復(fù)應(yīng)力強(qiáng)度與次數(shù)的影響往復(fù)應(yīng)力越小往復(fù)應(yīng)力越小需越多的振動次數(shù)才可產(chǎn)生液化需越多的振動次數(shù)才可產(chǎn)生液化結(jié)結(jié) 論論 要持續(xù)足夠的應(yīng)力周期才發(fā)生液化、土體失去穩(wěn)定要持續(xù)足夠的應(yīng)力周期才發(fā)生液化、土體失去穩(wěn)定9.4 9.4 防止土液化的工程措施防止土液化的工程措施(1)(1)一般不宜將建筑基礎(chǔ)放在未經(jīng)處理的液化土層上一般不宜將建筑基礎(chǔ)放在未經(jīng)處理