土動力學(xué)論文

1、土動力學(xué)的研究與論述【摘 要】土動力學(xué)是土力學(xué)的一個新的學(xué)科分支，它是土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、地震工程學(xué)以 及土工抗震學(xué)等相結(jié)合的產(chǎn)物。它研究的對象不僅包括復(fù)雜的巖土介質(zhì)，而且包括了性質(zhì)復(fù) 雜的動力荷載，具有廣闊的范圍。土動力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展，主要是從土的動力特性、 土體動本構(gòu)關(guān)系，以及土工動力測試?yán)碚摰葞讉€方面加以論述。本文主要探討目前土體動力 本構(gòu)關(guān)系、動力分析現(xiàn)狀和進展，并進一步指出室內(nèi)土動力測試的研究方向與重點是試驗研 究材料的擴大與延伸、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下土動力特性?！娟P(guān)鍵詞】土動力學(xué);動力特性;動本構(gòu)關(guān)系，土動力測試中國位于世界兩大地震活動帶（環(huán)太平 洋及喜馬拉雅構(gòu)造帶）之間，地震區(qū)域

2、廣闊 而分散，地震頻繁而強烈。據(jù)歷史記載，幾乎 中國各省都曾發(fā)生過破壞性地震。20世紀(jì)全 球發(fā)生的7級以上強震中，中國占35%,有3 次震級為8級以上的巨大地震發(fā)生在中國。 中國是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之 一。地震使城市房屋、工業(yè)廠房與設(shè)備、城 市建設(shè)、交通運輸、水電設(shè)施及臨近的水利 工程遭受嚴(yán)重破壞。建筑物地基液化分析、 修筑在地震區(qū)的土石壩抗震設(shè)計時進行的 動力分析,均需要有可靠的設(shè)計地震動及地 基土或壩料靜動力性質(zhì)的資料。工程地區(qū)的 各種地震動參數(shù)通常是由地震學(xué)家和地震 工程學(xué)家通過地震危險性分析和設(shè)防基巖 地震動的研究給出的，而地基土或壩料的靜 動力性質(zhì)則由實驗室試驗得到。因此，

3、室內(nèi) 土動力試驗提供土體的可靠的動強度和動 力參數(shù)取值是建筑物地基液化分析和土石 壩地震動力分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵1 土體動力本構(gòu)關(guān)系研究在實驗室中以等幅等周期的循環(huán)荷載 模擬地震動荷載作用于土上，土在受周期荷 載作用時,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不能以一條單純的 直線或曲線來表達，而是在每一個荷載循環(huán) 內(nèi)表現(xiàn)為一滯回圈。若將土視為粘彈性體， 則此滯回圈表達了粘彈性體的能量耗散。不 同荷載循環(huán)頂點（具有最大周期剪應(yīng)力和最 大周期剪應(yīng)變）的連線稱為骨架曲線，骨架 曲線通常非常接近于單調(diào)加載時的應(yīng)力應(yīng) 變曲線。骨架曲線和滯回曲線分別反應(yīng)了土 在周期荷載作用下應(yīng)力應(yīng)變的兩大特性，即 非線性和滯后性。為了模擬這兩大特性，

4、國 內(nèi)外學(xué)者了大量研究，提出了許多動本構(gòu)模 型來描述骨干曲線和滯回曲線。目前已提出 的動本構(gòu)模型主要分為3類，即粘彈性、彈 塑性和內(nèi)時動本構(gòu)模型。圖1滯回圈示意圖1.1粘彈性理論常用的粘彈性理論有等效線性模型和曼 辛型非線性模型兩大類。前者把土體視為粘 彈性材料，不尋求滯回曲線（即描述卸載與 再加載時應(yīng)力，應(yīng)變規(guī)律的曲線）的具體數(shù) 學(xué)表達式,而是給出等效彈性模量和等效阻 尼比隨剪應(yīng)變幅值和有效應(yīng)力狀態(tài)變化的 表達式;后者則根據(jù)不同的加載條件、卸載 和再加載條件直接給出動應(yīng)力應(yīng)變的表達 式。在給出初始加載條件下的動應(yīng)力應(yīng)變關(guān) 系式（骨干曲線方程）后，再利用曼辛二倍法 得出卸荷和再加荷條件下的動應(yīng)

5、力應(yīng)變關(guān) 系，以構(gòu)成滯回曲線方程Har dinDrnevich 模型、Ramberg Osgo od模型、雙線性模型 及一些組合曲線模型均屬于等效線性模型。 粘彈性理論是目前生產(chǎn)應(yīng)用中的主流，盡 管還存在多方面的不足，如不能考慮應(yīng)變軟 化、應(yīng)力路徑的影響、土的各向異性以及大 應(yīng)變時誤差大等等。1.2彈塑性理論塑性硬化模量場理論的基本概念是：在 應(yīng)力空間中定義一個邊界面和一個初始屈 服面。邊界面是初始加載過程中形成的相應(yīng) 于最大加載應(yīng)力的最大屈服面，在邊界面內(nèi) 側(cè)有一簇套疊著的互不允許相交的幾何相 似屈服面,它們隨塑性應(yīng)變的產(chǎn)生和發(fā)展在 邊界面內(nèi)以一定的規(guī)則依次產(chǎn)生脹縮和移 動,來模擬材料的非等

6、向加工硬化特性。其 中每個套疊面以及邊界面都代表有一定的 硬化模量值,故這簇套疊面當(dāng)前的相對位置 既反映了材料過去的應(yīng)力歷史，又代表了應(yīng) 力空間中塑性硬化模量場當(dāng)前的大小及其 分布。當(dāng)套疊屈服面在應(yīng)力空間中隨應(yīng)力點 的變化而平移和脹縮時，應(yīng)力空間中的塑性 模量場，即隨著應(yīng)力點的移動而不斷變化， 從而可描述土在循環(huán)荷載作用下的卸載非 線性、再加載和反向加載時出現(xiàn)的不可恢復(fù) 塑性變形的形象?；谏鲜鏊枷胨⒌乃?性土模型，常稱之為多面模型或多屈服面模 型。他們模型的主要差別在于邊界面與套疊 面的形狀及其移動規(guī)則以及硬化模量場的 研究方法不同。為了避免在有限元計算時對 應(yīng)力空間中所有屈服面進行跟蹤

7、，一些學(xué)者 提出了兩面模型，即只采用初始加載面和邊 界面，在這兩個面之間的套疊屈服面場用解 析內(nèi)插函數(shù)來代替，加載面上的塑性模量取 決于加載面上的應(yīng)力點與邊界面上相應(yīng)共 軛點之間的距離。近代試驗土力學(xué)深刻揭示 了土在非比例加載下的重要變形特性，也暴 露了經(jīng)典彈塑性理論在描述中性變載、旋轉(zhuǎn) 剪切應(yīng)力路徑下土體變形時的無能為力。20 世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)在動力彈塑性模型方 面也取得了長足的進展。沈珠江在借用理性 力學(xué)及內(nèi)時理論中的減退記憶原理和老化 原理的同時,提出了塑性應(yīng)變的慣性原理、 協(xié)同作用原理及驅(qū)動應(yīng)力等新概念，在此基 礎(chǔ)上建立了一個反映砂土在循環(huán)荷載作用 下的廣義彈塑性模型，數(shù)值模擬與

8、多種應(yīng)力 路徑下試驗結(jié)果的對比表明了其合理性。2 土的動力特性建筑物地基和土工建筑物在動荷載作用 下發(fā)生振動，土的強度和變形特性都要受 到影響，在不同動荷載下土的強度和變形 各不相同，其共同特點是都將受到荷速率 和加荷次數(shù)的影響。2.1動荷載下土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系動荷載下土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是表征土 動力學(xué)特性的基本關(guān)系，也是分析土體動力 失穩(wěn)過程一系列特性的重要基礎(chǔ)。（l） 土的 動應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的特征由于土具有明顯 的各向異性，加上土中水的影響，使土的動 應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出非線性，滯后性和變 形積累三方面的特征。骨干曲線表示最大剪 應(yīng)力與最大剪應(yīng)變之間的關(guān)系，反映了動應(yīng) 變的非線性;滯回曲線

9、表示某一個應(yīng)力環(huán)內(nèi) 各時刻剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之間的關(guān)系，反映了 應(yīng)變對應(yīng)力的滯后性，它們一起反映了應(yīng)力 一應(yīng)變關(guān)系的全過程（2）應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的 力學(xué)模型，土受力后的表現(xiàn)可以抽象出以下 三個基本力學(xué)元件，即彈性元件粘性元件和 塑性元件，并且可用這三個元件的組合來近 似地描述土的力學(xué)性能。彈性元件和塑性元 件的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系組合可得理想彈性模 型，對于粘彈性模式,在土動力學(xué)中，只分析 滯后模型（克爾文體）另外還可組合成粘塑 性模式（冰罕姆體）和雙線性模式。2. 2砂土的液化美國土木工程師協(xié)會巖土工程分部土動 力學(xué)委員會（1978年）對“液化”一詞的定義 是“液化一任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的行為或過 程。就

10、無粘性土而言，這種由固體狀態(tài)變?yōu)?液體狀態(tài)的轉(zhuǎn)化是孔隙壓力增大和有效應(yīng) 力減小的結(jié)果。”（l）三種典型的液化機理。 a）砂沸，當(dāng)一個飽和砂沉積體中的孔隙水壓 力，由于地下水頭變化而上升到等于或超過 它的上覆壓力時，該飽和砂沉積體就會發(fā)生 上浮或“沸騰”現(xiàn)象，并且全部喪失承載能 力。這個過程與砂的密實程度和體積應(yīng)變無 關(guān),而是滲透壓力引起的液化。b）流滑，流 滑是飽和松砂的顆粒骨架在單程剪切作用 下呈現(xiàn)出不可逆的體積壓縮，在不排水條件 下，引起孔隙水壓增大和有效應(yīng)力減小，最 后導(dǎo)致“無限度”的流動變形C）循環(huán)活動 性，循環(huán)活動性主要曾被發(fā)現(xiàn)于相對于相對 密度較大（中密以上到緊密）的飽和無粘性 土

11、的固結(jié)不排水循環(huán)三軸或循環(huán)單剪切和 循環(huán)扭剪試驗中。它主要與試件在循環(huán)作用 中的剪縮和剪脹交替變化有關(guān)，從而形成了 間歇性瞬態(tài)液化和有限度斷續(xù)變形的格局。 飽和砂土發(fā)生液化，取決于一系列因素的綜 合影響主要因素有：土性條件起始應(yīng)力條 件，動荷條件和排水條件。（2）砂土液化的 預(yù)估方法，評定砂土液化的可能性，是對比 促使液化方面和阻抗液化方面的某種代表 性物理量的相對大小而作出判斷。Cas刊孕 朋de（1936年）提出了臨界孔隙比法，認為存 在一個剪切破壞時體積不發(fā)生改變，既不壓 實又不松脹的密度，其相應(yīng)的孔隙比為臨界 孔隙比Seed（1971年）提出了抗液法剪應(yīng)力 法，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的

12、方法，它的 關(guān)鍵在于正確確定出地震剪應(yīng)力和抗液化 剪應(yīng)力MacjioH.H.（1970年）提出了臨界加 速度法。我國工業(yè)民用建筑地基抗震設(shè)計 規(guī)范采用臨界標(biāo)準(zhǔn)貫人擊數(shù)法，該法基本 上反映了影響飽和砂土振動液化的各個主 要因素，且比較簡單，可以和場地勘察工作 同時進行。另外還有振動穩(wěn)定密度法、標(biāo)準(zhǔn) 爆破沉降量法、波速法、綜合指標(biāo)法、靜力 觸探和統(tǒng)計法。3動剪切模量與阻尼比土在動力作用下的變形特性受很多因素 影響，在微小應(yīng)變范圍內(nèi)可作為彈性變形， 用彈性波速法和共振柱試驗測定動剪切模 量與阻尼比;當(dāng)應(yīng)變在10以上時，非線性變 形性質(zhì)顯著,用周期加載試驗測應(yīng)力與應(yīng)變 關(guān)系曲線確定。影響土的剪切模量與

13、阻尼比 重要因素有剪應(yīng)變幅值、平均有效應(yīng)力、孔 隙比和周期加荷次數(shù)，此外還有飽和度、超 固結(jié)比、周期加荷頻率土粒特征、土的結(jié)構(gòu) 等一些次要的因素，以下分別敘述剪切模量 與阻尼比的主要影響因素和表示方法，動剪 切模量，砂土的剪切模量C在很大的應(yīng)變范 圍內(nèi)與（平均有效應(yīng)力）呈直線關(guān)系 （Hardin&Richard）,但在不同剪應(yīng)變時的斜 率不同，剪切模量隨著剪應(yīng)變的增大而減 小。粘性土的剪切模量除了與平均有效應(yīng) 力、孔隙比、剪應(yīng)變有關(guān)外 還受超固結(jié)比 和時間影響。粘性土試樣在主固結(jié)完后，若 保持固結(jié)壓力不變，隨著時間的增長，剪切 模量將繼續(xù)增大，這種影響稱為時間效應(yīng)。 粘性土的剪切模量也隨剪應(yīng)變

14、的增大而下 降，但是不同的土的曲線下降不同。地基或 土工結(jié)構(gòu)物振動時，阻尼有兩大類：一類是 逸散阻尼，由土體中積蓄的振動能量以表面 波和體波（包括剪切波和壓縮波）向四周和 下方擴散引起；一類是材料阻尼，由土粒間 的摩擦、孔隙水和空氣的粘滯性產(chǎn)生。在用 有限元法分析中，考慮了土體中振動擴散， 只采用材料阻尼。砂土的阻尼比受平均有效 應(yīng)力的影響明顯，粘性土的阻尼比隨著塑性 指數(shù)吞的增大而降低，隨著時間的增長而減 小，各種土的陰尼比都隨著剪應(yīng)變的增大而 增大。4室內(nèi)土動力測試的研究方向與重點近年來室內(nèi)土動力測試技術(shù)主要指在室 內(nèi)或現(xiàn)場對土體及土體原型或模型的測試 理論、測試設(shè)備和測試技術(shù)的研究。它直

15、接 影響著土動力學(xué)的發(fā)展，起著正確揭示固有 規(guī)律和完善計算分析的重要作用，是土動力 學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)前，室內(nèi)動力特性測試所 研究的材料，不僅局限于砂性土和細粒土， 還涉及到黃土、膨脹土、凍土等各種具有特 殊性質(zhì)的區(qū)域性土，并延伸至尾礦料、粉煤 灰、海洋土及垃圾土等。4. 1室內(nèi)測試土的動力室內(nèi)測試試驗是將土的試樣按 要求的濕度、密度、結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)制備于 容器中，然后施加不同形式和不同強度的振 動荷載作用，再測量在振動作用下試樣的應(yīng) 力和應(yīng)變,從而對土性和有關(guān)指標(biāo)的變化規(guī) 律作出判斷。室內(nèi)測試手段主要有動三軸試 驗、振動扭剪和振動單剪試驗、共振柱試驗、 振動臺試驗和離心模型試驗等5種類型。4.

16、2原位測試原位測試技術(shù)是土動力學(xué)的一個重要分 支，是土動力學(xué)在工程應(yīng)用方面的重大進 展。土動力特性在現(xiàn)場的原位測試技術(shù)，目 前在國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的是:（1）樁的動 力測試;（2）地基的動力測試;（3） 土層的波 動測試。近幾年來土的動力測試研究方法從 多注意室內(nèi)試驗研究，在室內(nèi)試驗研究以低 應(yīng)力水平、簡單應(yīng)力狀態(tài)為主，向著更注重 現(xiàn)場試驗、模型試驗、實錄分析和經(jīng)驗總結(jié) 和驗證的方向轉(zhuǎn)變。并且在室內(nèi)試驗中提高 了應(yīng)力水平，探討平面應(yīng)變，真三軸以及更 復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑下的規(guī)律。5結(jié)束語經(jīng)過各國學(xué)者的艱苦努力，土動力學(xué)這 門學(xué)科已取得了令人矚目的成果，在工程實 踐中發(fā)揮了愈來愈大的作用。今

17、后，土動力 學(xué)的研究需要進一步將理論分析、室內(nèi)試 驗、原位試驗和模型試驗緊密聯(lián)系起來，并 結(jié)合高速發(fā)展的計算機技術(shù)，各取所長、互 相促進，作出多途徑、長時間的系統(tǒng)探索，以 便更好的指導(dǎo)工程實踐。參考文獻謝定義，張建民.極限平衡理論在飽和砂 土動力失穩(wěn)過程中的應(yīng)用J. 土木工程學(xué) 報，1981,14(4):1728.劉漢龍，陸兆臻，錢家歡.土石壩非線性 隨機反應(yīng)及動力可靠性分析J.河海大學(xué) 學(xué)報，1996,24(3):105109.沈珠江.一個計算砂土液化變形的等價 粘彈性模型A.中國土木工程學(xué)會土力學(xué) 及基礎(chǔ)工程學(xué)會.第四屆全國土力學(xué)及基礎(chǔ) 工程學(xué)術(shù)會議論文集C.北京:建筑工業(yè)出 版社，1986.199207.徐干成，謝定義.飽和砂土循環(huán)動應(yīng)力應(yīng) 變特性的彈塑性模擬研究J.巖土工程學(xué) 報，1995,17(2):112.張建民.飽和砂土瞬態(tài)動力學(xué)理論及其 應(yīng)用研究D.西安:陜西機械學(xué)院,1999.欒茂田,林皋.場地地震反應(yīng)非線性分析 的有效時域算法J.