土質(zhì)與土力學課件第十章

1、第十章 土的動力性質(zhì)和壓實性魯東大學巖土與地下工程教研室第一節(jié) 動力作用下變形和強度性質(zhì)一、作用于土體的動荷載和波特點：瞬時性、反復(fù)性 速率效應(yīng)、循環(huán)效應(yīng)交通荷載：周期不規(guī)則，0.1s幾min，循環(huán)次數(shù)大于1000次；必須考慮到土體反復(fù)應(yīng)變產(chǎn)生的疲勞地震荷載：隨機性、0.2s1s，次數(shù)不多，但是產(chǎn)生的荷載幅值較大波動形式 振源引起的土單元的動應(yīng)力，以波動的方式在土體中傳播。 作用于地表面的豎向荷載以表面波形式，地震波是以剪切波形式。 波動在土體表面和內(nèi)部層面將發(fā)生反射、折射和透射現(xiàn)象。土的動力變形性質(zhì) 土的動力變形性狀隨著應(yīng)變幅值的不同而發(fā)生 應(yīng)變幅在10-610-4及以下范圍時，彈性 如：交

2、通荷載、機器振動 應(yīng)變幅值在10-410-2之間，彈塑性 如：打樁、地震、波浪 應(yīng)變幅值大于10-2，土將破壞或者液化， 流體土的動強度 土在動荷載作用下的抗剪強度動強度 循環(huán)荷載作用下土的動強度有可能高于或低于靜強度，主要因素為:土的類別、所處的應(yīng)力狀態(tài)以及加載速率、循環(huán)次數(shù)等有關(guān)。 黏性土強度的降低與循環(huán)應(yīng)變的幅值有很大關(guān)系。 土的動強度指標黏性土在動荷載作用下發(fā)生屈服破壞或者產(chǎn)生較大應(yīng)變(15%)時具有的黏聚力cd和內(nèi)摩角d。動力試驗 動三軸試驗(d10-4) 動單剪(d10-4)初始模量E0、G0 (公式10-5) 共振柱試驗(10-3d10-6) 現(xiàn)場波速試驗(d10-7)復(fù)雜應(yīng)力條

3、件(1) 復(fù)雜初始應(yīng)力狀態(tài)113333331111(v-h)/2vh(v-h)/2(v-h)/2vhvh潛在滑動面上各點處土單潛在滑動面上各點處土單元的初始主應(yīng)力方向角是元的初始主應(yīng)力方向角是不同的不同的(2) 復(fù)雜循環(huán)加載方式(v-h)/2vh1c3c3c1c1d1d1d1d波浪荷載作用下海床中某點處土單元的主應(yīng)力方向隨時間連續(xù)變化 土工靜力土工靜力- -動力液壓三軸動力液壓三軸- -扭轉(zhuǎn)多功能剪扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀切儀(DUT) 試驗設(shè)備豎向液壓伺服閥扭轉(zhuǎn)向液壓伺服閥三 軸室外腔體變計內(nèi)腔體變計試樣體變計加荷系統(tǒng)氣水轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng) 采集、計算機控制系統(tǒng)液壓源數(shù)字記錄儀計算機放大器I/O轉(zhuǎn)

4、換箱擴展箱豎向荷載控制器相位差控制器側(cè)壓控制器力矩控制器豎 向 位 移計12通道無 氣 水罐真空罐傳統(tǒng)土工實驗中試樣的應(yīng)力路徑土工靜力動力液壓三軸扭剪多功能剪切儀中空心圓柱試樣應(yīng)力狀態(tài)分析循環(huán)扭剪試驗的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1-20-1001020dz(%)0246-15-10-5051015dz(%)-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1-15-10-5051015dz(%) -0.4 -0.20.00.20.4-30030dz(%)-0.4-0.20.00.2-10-50510dz(%)0=00=900=300=450=60豎向扭轉(zhuǎn)耦合剪切試驗的應(yīng)力應(yīng)

5、變關(guān)系曲線 -0.6 -0.4 -0.20.00.2-20-1001020dz(%)-0.10.00.10.20.3-8-4048 dz(%)012345-15-10-5051015dz(%)02468-15-10-5051015dz(%)-4-3-2-101-10-50510dz(%) 0=900=450=600=00=30(d) 有效應(yīng)力路徑 30405060708090100110-25-20-15-10-50510152025 z/kPap/kPaABCDEFGMN-20 -15 -10 -50510 15 2017181920u/kPaz/kPaHIJKL-20 -15 -10 -5

6、0510 15 200369121518u/kPaz/kPa初始主應(yīng)力角為30時剪脹剪縮特性 0510152025303540010203040506070u/kPaz/kPa0510 15 20 25 30 35 400102030405060u/kPaz/kPa0510 15 20 25 30 35 4040424446485052545658u/kPaz/kPaABCDE(a) uz (b) uz (c) uz 01020304050607080901001100510152025303540 z/kPap/kPaM(d) 有效應(yīng)力路徑 初始主應(yīng)力角為90時剪脹剪縮特性 -10 -8 -

7、6 -4 -202468 100102030405060u/kPaz/kPa-9-6-3036955565758u/kPaz/kPaABCDEFG(a) uz (b) uz 應(yīng)力控制循環(huán)三軸試驗數(shù)值模擬 (Van Eekelen與Potts，1978)平面應(yīng)變有限元計算模型平面應(yīng)變有限元計算模型波高H=1m時的結(jié)構(gòu)水平位移與加載時間的關(guān)系波高H=3m時的結(jié)構(gòu)水平位移與加載時間的關(guān)系砂土和粉土的振動液化 定義：飽和砂土或粉土在一定強度的動荷載作用下表現(xiàn)出類似液體的性狀、完全失去強度和剛度的現(xiàn)象。 液化災(zāi)害的四種宏觀現(xiàn)象： 噴砂冒水 震陷 滑坡 管線上浮公園道路由于地基液化引起的震陷破壞公園地面的

8、大裂縫地震引起的滑坡地震引起的邊坡破壞邊坡破壞液化機理及影響因素 液化機理(飽和松砂)tantanuf nKGBackgroundTaichung Harbour, Taiwan, China (1999)1.1 BackgroundLuntung Harbour, Taiwan, China (1994)1.1 BackgroundBackground1.1 BackgroundBackground1.1 BackgroundBackground1.1 BackgroundBackground1.1 BackgroundBackgroundStability of Seabedand Str

9、ucture1.1 Background影響液化的因素 土類(黏性土、粗粒土一般不會液化) 土的密度 初始應(yīng)力狀態(tài)：有效上覆壓力 地震強度和持續(xù)時間： 液化一般發(fā)生在7度以上的地震場地，低于5.5級的地震，引起液化可能性不大5 . 0minmaxmaxeeeeDrkPa100v液化可能性的判別 標貫次數(shù) 室內(nèi)試驗的計算對比法 01vdeqmaxdeq/65. 0rvdCgar液化程度 液化指數(shù) Fli液化阻抗系數(shù) Fli=N/Ncr 或者 Fli=/1 5 輕微液化 515 中等液化 15 嚴重液化對于不同液化等級，采取不同液化措施。 iinililedWFI11抗液化措施 加強基礎(chǔ)：樁基、沉

10、井、箱形基礎(chǔ)等深基礎(chǔ) 消除或減輕土層液化：換土、加密、膠結(jié)和排水壓實：壓實：指通過夯打、振動、碾壓等，使土體變得密指通過夯打、振動、碾壓等，使土體變得密實、以提高土的強度、減小土的壓縮性和滲透性實、以提高土的強度、減小土的壓縮性和滲透性壓實性：壓實性：指土在一定壓實能量作用下密度增長的特性指土在一定壓實能量作用下密度增長的特性研究擊實性的目的：研究擊實性的目的： 以最小的能量消耗獲得最大的壓實密度以最小的能量消耗獲得最大的壓實密度 擊實方法擊實方法：室內(nèi)擊實試驗室內(nèi)擊實試驗現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗: : 夯打、振動、碾壓夯打、振動、碾壓10.3 10.3 土的壓實性土的壓實性（P222P222）1 1

11、 土的物性與分類土的物性與分類1.6 1.6 土的壓實性土的壓實性一一. . 室內(nèi)擊實試驗室內(nèi)擊實試驗 二二. . 細粒土的壓實性細粒土的壓實性 三三. . 粗粒土的壓實性粗粒土的壓實性 一一. . 室內(nèi)擊實試驗室內(nèi)擊實試驗 試驗設(shè)備試驗設(shè)備 擊實筒擊實筒V=997V=997cm3；擊實錘擊實錘m=2.5kg；錘底直徑錘底直徑d=5cm 試驗條件試驗條件 土樣分層土樣分層n=3層；落高層；落高h=30cm；擊數(shù)擊數(shù)N=27/ /層層 擊實能量擊實能量 3/598mKJE 試驗方法試驗方法 對對=cosnst的土；分三層壓實；的土；分三層壓實； 測定擊實后的測定擊實后的、，算定算定d 注意注意：

12、僅適用于細粒土；對粗粒土，可用較大尺僅適用于細粒土；對粗粒土，可用較大尺寸的擊實儀寸的擊實儀1 1 土的物性與分類土的物性與分類1.6 1.6 土的壓實性土的壓實性土土1 1 土的物性與分類土的物性與分類1.6 1.6 土的壓實性土的壓實性二二. . 細粒土的壓實性細粒土的壓實性 1.1.擊實曲線擊實曲線2 2. .理論分析理論分析 3 3. .影響因素影響因素4 4. .壓實標準壓實標準1 1. .擊實曲線擊實曲線 特點：特點：具有峰值具有峰值位于飽和曲線之下位于飽和曲線之下 粘性土滲透系數(shù)粘性土滲透系數(shù)K K很小，壓很小，壓實過程中含水量幾乎不變，實過程中含水量幾乎不變，要想擊實到飽和狀態(tài)

13、是不可要想擊實到飽和狀態(tài)是不可能的能的。satdd)( 1 1 土的物性與分類土的物性與分類0 4 8 12 16 20 24 28含水量含水量w(%)2.01.81.61.4干密度干密度 d(g/cm3)飽和曲線飽和曲線 dmax=1.86wop=12.1rswsdS/wG1G wG1G)(swssatd 1Sr 1.6 1.6 土的壓實性土的壓實性二二. . 細粒土的壓實性細粒土的壓實性 最大干密度最大干密度最優(yōu)含水量最優(yōu)含水量 預(yù)估含水量 wop=wp；wop=wp+2 wop=(0.650.75)wL 曲線左端比右端陡，說明含水量對于干密度的影響在偏干時更為明顯。 黏性土在最佳擊實情況

14、下，飽和度一般為80%，因此土不可能被擊實到飽和狀態(tài)。3. 影響因素影響因素a. 擊實功能擊實功能d 50 N30 N10 Nmax,dopE存在一個上界d,E,const 1 1 土的物性與分類土的物性與分類1.6 1.6 土的壓實性土的壓實性二二. . 細粒土的壓實性細粒土的壓實性 b. 土的級配土的級配 d 321constE 越大max級配越好，其c. c. 擊實方式擊實方式 夯實、輾壓、振動；輾壓對粘土比較合適夯實、輾壓、振動；輾壓對粘土比較合適 const d d E二二. . 細粒土的壓實性細粒土的壓實性 2 2. . 理論分析理論分析 壓實機理：壓實機理： 顆粒被擊碎，土粒定向

15、排列顆粒被擊碎，土粒定向排列; 土粒破碎，粒間聯(lián)結(jié)力被破土粒破碎，粒間聯(lián)結(jié)力被破壞而發(fā)生孔隙體積減小壞而發(fā)生孔隙體積減小; 氣被擠出或被壓縮等氣被擠出或被壓縮等水膜潤滑作用效果最佳水膜潤滑作用效果最佳; ; 尚沒有形成封閉氣泡，氣易于排出尚沒有形成封閉氣泡，氣易于排出; ;顆粒表面水膜很薄，相對移動困難顆粒表面水膜很薄，相對移動困難 孔壓力升高顯著，抵消部分擊實功孔壓力升高顯著，抵消部分擊實功;形成封閉氣泡和水難以排出形成封閉氣泡和水難以排出; (橡皮土橡皮土) op, d dmax op , d op , d95 %Dc95 %其他公路其他公路 Dc93%Dc93%、級土石壩級土石壩 Dc9

16、598%Dc9598% 級土石壩級土石壩 Dc9295% Dc9295% 1 1 土的物性與分類土的物性與分類1.6 1.6 土的壓實性土的壓實性二二. . 細粒土的壓實性細粒土的壓實性 不存在最優(yōu)含水量不存在最優(yōu)含水量； 在完全風干和飽和兩種狀態(tài)在完全風干和飽和兩種狀態(tài) 下易于擊實下易于擊實；潮濕狀態(tài)下潮濕狀態(tài)下d明顯降低明顯降低。 三三. . 粗粒土的壓實性粗粒土的壓實性 1 1. .擊實曲線擊實曲線特點特點d 20%20%粗砂粗砂 =45%中砂中砂 =7%； 時，干密度最小時，干密度最小 1 1 土的物性與分類土的物性與分類1.6 1.6 土的壓實性土的壓實性2. 理論分析理論分析 對粗粒土，擊實過程中可以自由排水，不存在細粒土中出現(xiàn)的現(xiàn)象。對粗粒土，擊實過程中可以自由排水，不存在細粒土中出現(xiàn)的現(xiàn)象。 在潮濕狀態(tài)下，存在著假凝聚力，加大了阻力。在潮濕狀態(tài)下，存在著假凝聚力，加大了阻力。3. 壓實標