土動(dòng)力學(xué)(第1章)

土動(dòng)力學(xué)駱亞生二零零八年四月Soildynamics12/2/20231水利與建筑工程學(xué)院第一章緒論土動(dòng)力學(xué)的定義動(dòng)荷載的類型及其對(duì)土體的作用特點(diǎn)動(dòng)荷載作用對(duì)工程建筑的影響土動(dòng)力學(xué)的任務(wù)、內(nèi)容與研究途徑土動(dòng)力學(xué)的發(fā)展歷史與趨勢(shì)12/2/20232水利與建筑工程學(xué)院土動(dòng)力學(xué)是土力學(xué)的一個(gè)分支，是研究各種（由地震、爆炸、海浪以及動(dòng)力機(jī)械等所引起的）動(dòng)荷載作用下土的變形強(qiáng)度特性及土體變形穩(wěn)定性的一門科學(xué)。土動(dòng)力學(xué)在現(xiàn)代工程建設(shè)中占據(jù)著重要的地位，是設(shè)計(jì)具有良好抗震、抗爆性能的地基、基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)物的一種有力工具。什么是土動(dòng)力學(xué)？12/2/20233水利與建筑工程學(xué)院動(dòng)荷載的類型在土動(dòng)力學(xué)的研究中，常根據(jù)主要的動(dòng)荷作用特點(diǎn)，基本上可以分為以下三類問題：①單一的、單脈沖荷載問題，如爆破引起的動(dòng)力作用；②多次重復(fù)的微幅振動(dòng)問題，如機(jī)器基礎(chǔ)引起的振動(dòng)作用；③有限次的、無規(guī)律的振動(dòng)問題，如地震引起的振動(dòng)問題。12/2/20234水利與建筑工程學(xué)院12/2/20235水利與建筑工程學(xué)院動(dòng)荷載對(duì)土體的作用特點(diǎn)不同原因引起的動(dòng)荷載具有不同的作用特點(diǎn)，這要從動(dòng)荷載作用的基本要素（即振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間和波形的變化）來分析。各種動(dòng)荷作用的共同特點(diǎn)是它的大小隨時(shí)間而發(fā)生變化，必須注意動(dòng)荷在變化過程中的兩種效應(yīng)：①速率效應(yīng)，即荷載在很短時(shí)間內(nèi)以很高的速率施加于土體所引起的效應(yīng)；②循環(huán)效應(yīng)，即荷載的增減，多次往復(fù)循環(huán)地施加于土體所引起的效應(yīng)。12/2/20236水利與建筑工程學(xué)院對(duì)于第一類動(dòng)荷，主要表現(xiàn)出速率效應(yīng)的影響；對(duì)于第二類動(dòng)荷，主要表現(xiàn)出循環(huán)效應(yīng)的影響對(duì)于第三類動(dòng)荷，其速率效應(yīng)與循環(huán)效應(yīng)的影響要視地震的震級(jí)大小和震距的遠(yuǎn)近而不同，表現(xiàn)出兩種效應(yīng)共同影響的過程。通常，在小應(yīng)變范圍主要研究土的彈性參數(shù)，動(dòng)模量、動(dòng)泊松比和阻尼比問題；在大應(yīng)變范圍主要研究土的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)變形問題、液化問題以及土體動(dòng)力穩(wěn)定問題。12/2/20237水利與建筑工程學(xué)院荷載作用對(duì)工程建筑的影響任何建筑物最終必將固定在地基巖土中。由基巖傳播而來的動(dòng)荷載作用，一方面將引起地基振動(dòng)，當(dāng)?shù)鼗恋膹?qiáng)度或變形能力經(jīng)受不住地基振動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)力或變形時(shí)，地基就被破壞；另一方面會(huì)引起結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度或變形經(jīng)受不住振動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)力和變形時(shí)，結(jié)構(gòu)物就被破壞。地基的破壞同樣會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)物的損壞。不同程度的破壞，可以由各種動(dòng)荷載所引起，由于地震作用引起的破壞對(duì)建筑物的威脅更大，是土動(dòng)力學(xué)、土工抗震等研究的主要對(duì)象。12/2/20238水利與建筑工程學(xué)院荷載作用對(duì)工程建筑的影響影響震害程度的主要因素有：地震的震級(jí)、震中距離、震動(dòng)持續(xù)時(shí)間、頻率特性、地基條件、建筑物結(jié)構(gòu)形式和施工質(zhì)量等。在相同的地基條件和建筑物結(jié)構(gòu)形式的情況下，震害將主要取決于地面運(yùn)動(dòng)的震動(dòng)強(qiáng)度（如地面運(yùn)動(dòng)最大加速度等），地面運(yùn)動(dòng)的頻率特性及震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。加速度愈高、持時(shí)愈長(zhǎng)、頻率愈低，則破壞愈烈，反之加速度愈低、持時(shí)愈短、頻率愈高，則破壞愈小。12/2/20239水利與建筑工程學(xué)院荷載作用對(duì)工程建筑的影響在震級(jí)、震中距離、頻率特性和震動(dòng)持續(xù)時(shí)間等相同的情況下，地基愈松軟，地基土對(duì)地震振幅的放大和不均勻沉陷愈大，一般震害也愈嚴(yán)重?？紤]到建筑物的不同剛度，則柔性愈大，在軟基上共振的影響愈大；剛性愈大，在硬基上的共振影響愈大，相應(yīng)的震害也愈顯著。12/2/202310水利與建筑工程學(xué)院土動(dòng)力學(xué)的任務(wù)土動(dòng)力學(xué)的任務(wù)在于探求動(dòng)荷載作用下土變形強(qiáng)度特性變化的規(guī)律性，應(yīng)用近代力學(xué)的原理，分析土工建筑物及建筑物土質(zhì)地基在各種動(dòng)力影響下的變形穩(wěn)定性和強(qiáng)度穩(wěn)定性。12/2/202311水利與建筑工程學(xué)院土動(dòng)力學(xué)涉及的內(nèi)容土動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容包括土的動(dòng)力特性和土體的動(dòng)力穩(wěn)定性（包括土與結(jié)構(gòu)物相互作用）兩大部分。一般說來，土動(dòng)力學(xué)研究的問題可以包括：①工程建筑中的各種動(dòng)荷作用及其特點(diǎn)問題；②動(dòng)荷所引起的振動(dòng)和波動(dòng)及其在土中運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題；③土的動(dòng)應(yīng)力～動(dòng)應(yīng)變關(guān)系問題；④土的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)變形問題；⑤土的振動(dòng)液化問題；⑥土動(dòng)力特性測(cè)試設(shè)備與測(cè)試技術(shù)問題；⑦動(dòng)荷條件下的地基承載力，土坡穩(wěn)定及擋土墻土壓力問題；⑧土與結(jié)構(gòu)物的相互作用問題（包括動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)問題）。12/2/202312水利與建筑工程學(xué)院土動(dòng)力學(xué)的研究途徑土動(dòng)力學(xué)問題的研究，必須建立在土力學(xué)、地震工程學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、土工抗震學(xué)等一系列學(xué)科的基礎(chǔ)上，并且充分運(yùn)用現(xiàn)有室內(nèi)外試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)，廣泛積累原型觀測(cè)和工程實(shí)錄資料，作出理論聯(lián)系實(shí)際的分析，建立科學(xué)的理論方法。目前解決這一問題的途徑有：一是，建立起一定理論下的計(jì)算方法，引入一些表征動(dòng)力作用和土動(dòng)力特性的相應(yīng)指標(biāo)，作為動(dòng)力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并在不斷地實(shí)踐中加以檢驗(yàn)和修正；二是，直接用模型試驗(yàn)的方法作為基礎(chǔ)，并根據(jù)運(yùn)用相似律模擬的精確程度和量測(cè)手段的完善程度，為設(shè)計(jì)提供定性或定量的依據(jù)。12/2/202313水利與建筑工程學(xué)院土動(dòng)力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)從著重闡明一系列單一因素的變化對(duì)動(dòng)變形或動(dòng)強(qiáng)度的影響，到更注意研究失穩(wěn)機(jī)理的探討；從純粹的土性試驗(yàn)測(cè)定土的動(dòng)力特性指標(biāo)，到重視土的動(dòng)本構(gòu)定律、發(fā)展土的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變模型；從研究飽和砂土液化特性，到研究輕亞粘土甚至砂礫土的液化問題；從總應(yīng)力法，到有效應(yīng)力法；