第十章土在動荷載下特性

第10章土在動荷載下的特性The

characteristicsof

soil

underdynamicloading土力學1土體經(jīng)常會受到地震、波浪、風或人工振源的交通、爆炸、打樁、強夯、機器基礎(chǔ)等引起的動荷載作用。在動荷載作用下，土的強度與變形特性都將受到影響，可造成土體的破壞，也可利用改善不良土體的性質(zhì)(如屈炸法、強夯法)。

天然振源和人工振源的振動頻率、振動次數(shù)和振動波形各不相同。天然振源發(fā)生隨機振動荷載，其振動周期、幅值及方向都是不規(guī)則的；人工振源有瞬時脈沖振動荷載，一次作用時間很短，但土的動應變較大，也有規(guī)則的循環(huán)荷載，土的動應變屬小應變范圍。在不同的動荷載作用之下，土的強度和變形各不相同，其共同特點是都受到加荷速率和加荷次數(shù)的影響。按動荷載的加荷次數(shù)，可以分為：

①沖擊荷載：一次快速施加的瞬時荷載，如爆炸和爆破作業(yè)，加荷時間非常短，所引起土體的振動，由于受到阻尼作用，振幅在不長的時間內(nèi)衰減為軍，稱為沖擊荷載，如圖10—1(a)所示；

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.1概述Dr.HanWX2②不規(guī)則荷載：加荷幾次至幾十次甚至干百次的動荷載，如地震、打校引起的振動作用等，荷載隨時間的變化沒有規(guī)律可循，稱為不規(guī)則荷載，如圖10—1(b)所示；

③周期荷載：加荷幾萬次以上的動荷載，加車輛行駛對路基的作用、機器基礎(chǔ)對地基的作用等，以同一振幅和周期反復循環(huán)作用的荷載，稱為周期荷載，如圖10—1(c)所示

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.1概述Dr.HanWX3

公路路堤、土壩以及建筑場地的填筑：土體由于經(jīng)過開挖、搬運及堆筑，原有結(jié)構(gòu)遇到破壞，含水量發(fā)生變化，堆填時必然造成土體中留下很多孔隙，如不經(jīng)人工壓實，其均勻性差、抗剪強度低、壓縮性大、水穩(wěn)定性不良，往往難以滿足工程的需要。因此，研究土的壓實性是土工構(gòu)筑物的重要課題。

地基加固：某些松軟的地基土，由于其強度低、變形大，直接在其上修建建筑物，不能滿足地基承載力、變形的設(shè)計要求，需進行加固處理?？刹捎脫Q填墊層法加固，通過分層壓實改善土的不良性質(zhì)。土的壓實是在動荷載作用下得到的，提高了上的密實度，從而土的強度得到提高，土的壓縮性減低和透水性變小。

振動液化：當?shù)鼗撂貏e是飽和松散的砂土在地震作用下，會表現(xiàn)出類似于液體性質(zhì)而完全喪失承載力的現(xiàn)象，即振動液化現(xiàn)象，從而發(fā)生地表噴水冒砂、滑坡及地基失穩(wěn)等，最終導致建筑物或構(gòu)筑物的破壞。

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.1概述Dr.HanWX4

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.1擊實試驗及壓實度

1、擊實試驗和擊實曲線在實驗室內(nèi)進行擊實試驗，是研究土壓實性的基本方法。擊實試驗分輕型和重型兩種。輕型擊實試驗適用于粒徑小于5mm的粘性上，而重型擊實試驗適用于粒徑不大于20mm的土。擊實試驗所用的主要設(shè)備是擊實儀，包括擊實筒、擊錘及導簡等。

5

1、擊實試驗和擊實曲線由擊實簡的體積和簡內(nèi)被壓實土的總重計算出濕密度，并可算出干密度d，d＝/(1+w)，w為土的含水量。由一組幾個(通常為5個)不同含水量的同一種土樣分別按上述方法進行試驗，繪制一條擊實曲線，如圖10—3所示。

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.1擊實試驗及壓實度wd(wopt,dmax)6

1、擊實試驗和擊實曲線擊實曲線反映上的壓實特性如下：

(1)對于某一土樣，在一定的擊實功能作用下，只有當土的含水量為某一適宜值時，土樣才能達到最密實，因此在擊實曲線上就反映出有一峰值，峰點所對應的縱坐標值為最大干密度dmax對應的橫坐標值為最優(yōu)含水量wopt。

(2)土在擊實(壓實)過程中，通過土粒的相互位移，很容易將土中氣體擠出，但要擠出土中水分來達到壓實的效果，對于枯性土，不是短時間的加載所能辦到的。因此，人工壓實不是擠出土中水分而是擠出土中氣體來達到壓實目的的。同時，當土的含水量接近或大于最優(yōu)含水量時，土孔隙中的氣體越來越處于與大氣不連通的狀態(tài)，擊實作用已不能將其排出土體之外。一般壓實最好的土，氣體含量也還有3%-5％(以總體計)留在土中，亦即擊實土不可能被擊實到完全飽和狀態(tài)，擊實曲線必然位于飽和曲線的左側(cè)而不可能與飽和曲線有交點(見圖10—6)。

(3)當含水量低于最優(yōu)含水量時，于密度受含水量變化的影響較大，即含水量變化對于密度的影響在偏于時比偏濕時更加明顯。因此，擊實曲線的左段(低于最優(yōu)含水量)比右段的坡度陡。

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.1擊實試驗及壓實度7

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.1擊實試驗及壓實度8

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.1擊實試驗及壓實度

2．土的壓實度土的壓實度或壓實系數(shù)c。定義為工地壓實時要求達到的干密度d與室內(nèi)擊實試驗所得到的最大干密度dmax之比值，可由下式表示：

c

＝d

/dmax(10—1)

在工程中，填土的質(zhì)量標準常以壓實度來控制。要求壓實度越接近于1，表明對壓實質(zhì)量的要求越高。根據(jù)工程性質(zhì)及填土的受力狀況，所要求的壓實度是不一樣的。必須指出，現(xiàn)場施工的填土壓實，無論是在壓實能量、壓實方法還是在土的變形條件方面，與室內(nèi)擊實試驗都存在著一定差異。因此，室內(nèi)擊實試驗用來模擬工地壓實僅是一種半經(jīng)驗的方法，要使填土壓實的現(xiàn)場施工確保質(zhì)量，達到要求的壓實度，還應該進行現(xiàn)場檢驗。在工地上對壓實度的檢驗，一般可用環(huán)刀法法或核子密度僅法等來測定土的干密度和含水量地的實際情況決定。灌砂(或水)法、濕度密度儀具體選用哪種方法，可根據(jù)工地的實際情況決定。9

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.1擊實試驗及壓實度10

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.2土的壓實機理及其影響因素

1、壓實機理在外力作用之下土的壓實機理．可用結(jié)合水膜潤滑及電化學性質(zhì)理論來解釋

在粘性土中含水量較低時，由于土粒表面的結(jié)合水膜較薄，土粒間距較小，粒間電作用力就以引力占優(yōu)勢，土粒的相對位移阻力大，在擊實功能作用下，比較難以克服這種阻力，因此壓實效果就差。隨著土中含水量增加，結(jié)合水膜增厚，土粒間距也逐漸增加，這時斥力增加而引力相對減小，壓實功能比較容易克服粒問引力而使土粒相互位移，趨于密實，壓實效果較好。

當土中含水量較大時，雖能使粒間引力減小，土中也會出現(xiàn)自由水，擊實時孔隙中過多的水分不易立即排出，勢必阻止土粒的靠攏，同時排不出去的氣體，以封閉氣泡的形式存在于土體內(nèi)，擊實時氣泡暫時減小，很大一部分擊實功能由孔隙氣承擔，轉(zhuǎn)化為孔隙壓力，粒間所受的力減小，擊實僅能導致土粒更高程度的定向排列，而土體幾乎不發(fā)生體積變化，所以壓實效果反而下降。試驗證明，粘性土的最優(yōu)含水量與其塑限含水量十分接近，大致為wopt＝wp+2(％)。11

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.2土的壓實機理及其影響因素

1、壓實機理

對于無粘性土．因擊實時土中多余的水分容易排出，它的干密度與含水量之間關(guān)系如圖10—4所示，沒有峰值點反映在擊實曲線上，放員優(yōu)含水量的概念一般不適用于無枯性土。無粘性土的壓實標準，常以相對密實度Dr控制，一般不進行室內(nèi)擊實試驗。

2．影響土壓實性的主要因素

(1)含水量的影響對較干(含水量較小)的土進行夯實或碾壓，不能使土充分壓實；對較濕(含水量較大)的土進行夯實或碾壓，也不能使土得到充分壓實，此時土體還出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象．俗稱“橡皮土”；只有當含水量控制為某一適宜值即最佳含水量時，土才能得到充分壓實．得到土的最大干密度。

當壓實土達到最大干密度時，其強度并非最大。研究發(fā)現(xiàn)，在含水量小于最優(yōu)含水量時，土的抗剪強度和模量均比最優(yōu)含水量時高，但將其浸水飽和后，則強度損失很大，只有在最優(yōu)含水量時浸水飽和后的強度損失最小，壓實土的穩(wěn)定性最好。12

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.2土的壓實機理及其影響因素2．影響土壓實性的主要因素

(2)土類及級配的影響

在相同擊實功能條件下，不同土類及級配其壓實性是不一樣的。圖10-5(a)所示五種不同土料的級配曲線；圖10-5(b)是其在同一標準的擊實試驗中所得到的五條擊實曲線。從圖中可見，含粗粒越多的土樣其最大干密度越大，而最憂含水量越小，即隨著粗粒土增多，曲線形態(tài)不變但朝左上方移動。在同一土類中，土的級配對它的壓實性影響亦很大。級配均勻的土，壓實后其干密度要比級配不均勻的低，這是因為在級配均勻的土體內(nèi)，較租土粒形成的孔隙很少有細土粒去填充，而級配不均勻的土則相反，有足夠的細土粒填充，因而可以獲得較高的干密度。13

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.2土的壓實性Dr.HanWX

10.2.2土的壓實機理及其影響因素2．影響土壓實性的主要因素

(3)擊實功能的影響

對于同一土料，加大擊實功能，能克服較大的粒間阻力，會使土的最大干密度增加，而最優(yōu)含水量減小，如圖10-6所示。同時，當含水量較低時擊數(shù)(能量)的影響較為顯著。當含水量較高時，含水量與干密度的關(guān)系曲線趨近于飽和曲線，也就是說，這時靠加大擊實功能來提高土的密實度是無效的。100%saturationWatercontentw%woptDrydensity,

ddmaxLineofoptimums90%R.C.acIncreasecompactionenergyb14

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.3土的振動液化Dr.HanWX

10.3.1土的振動液化機理及試驗分析土特別是飽和松散的砂土，在振動荷載作用下，土中[超]孔隙水壓力逐漸累積，有效應力下降，當孔隙水壓力累積至總應力時，有效應力為零，土粒處于懸浮狀態(tài)，表現(xiàn)出類似于水的性質(zhì)而完全喪失其抗剪強度，這種現(xiàn)象稱為土的液化。地震、波浪以及車輛荷載、打樁、爆炸、機器振動等引起的振動力，均可能引起土的振動液化。振動力通?？梢馃o粘性土、低塑性粘性土、粉土、粉煤灰等的振動液化。根據(jù)飽和土的有效應力原理和無粘性土抗剪強度公式f=(σ-u)tan’＝σ’tan’

可知，當有效應力為零即抗剪強度為零時．沒有粘聚力的飽和松散砂土就喪失了承載能力，這就是飽和砂土振動液化的基本原理。15

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.3土的振動液化Dr.HanWX

10.3.1土的振動液化機理及試驗分析

土的振動液化可由室內(nèi)試驗研究分析，但室內(nèi)試驗必須模擬現(xiàn)場上體實際的受力狀態(tài)。圖11-10(a)表示現(xiàn)場微單元土體在地震前的應力狀態(tài)，此時，單元土體的豎向有效應力和水平向有效應力分別σv和σh=K0σv，其中K0為靜止土壓力系數(shù)；圖11-10(b)表示地震作用時，單元土體的應力狀態(tài)，此時，層動引起的往復剪應力σh作用在單元體上。因此，任何室內(nèi)研究液化問題的試驗，都必須模擬這樣一種狀態(tài)．即：有不變的法向應力和往復的剪應力作用在土樣的某一個平面上。16

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.3土的振動液化Dr.HanWX

10.3.1土的振動液化機理及試驗分析

土的振動液化可由室內(nèi)試驗研究分析室內(nèi)研究液化問題的試驗方法很多，如周期加荷三軸試驗、周期加荷單剪試驗等，其中周期加荷三軸試驗是最普遍使用的試驗。飽和砂樣的室內(nèi)周期加荷三軸試驗，其方法是先給土樣施加周圍壓力σ3完成固結(jié)，然后僅在軸向作用大小為σd的往復荷載，并不允許排水(見圖10-8)。在往復加荷過程中，可以測出軸向應變和超孔隙水壓力。17

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.3土的振動液化Dr.HanWX

10.3.2影響土液化的主要因素

1．土類粘性土具有粘聚力，即使超孔隙水壓力等于總應力．有效應力為零．抗剪強度也不會完全消失，難以發(fā)生液化，礫石等粗粒土因為進水性大，超孔隙水壓力能迅速消散，不會造成孔隙水壓力累積至總應力而使有效應力為零．難以發(fā)生液化；只有中等粒組的砂土和粉土易發(fā)生液化，由于滲透性系數(shù)小，不足以在第二次振動前把孔隙水壓力全部消散，才有可能累積孔隙水壓力并使強度完全喪失而發(fā)生液化。所以，一般情況下．塑性指數(shù)高的粘土不易液化，低塑性和無塑性的土易液化。在振動作用下發(fā)生液化的飽和土，一般平均粒徑小于2mm．粘粒含量低于10％一15％，塑性指數(shù)低于7。

18

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.3土的振動液化Dr.HanWX

10.3.2影響土液化的主要因素2．土的初始密實度土的初始密實度對液化的影響表示在圖10-14中(周期加荷三軸壓縮試驗結(jié)果）。土中孔隙水壓力等于固結(jié)壓力σ3是產(chǎn)生液化的必要條件，此時定義為初始液化。在大多數(shù)場合下，20％的全幅應變值被認為土樣已經(jīng)破壞。說明，當土的初始密實度越大，在振動力作用下，土越不容易產(chǎn)生液化。19

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.3土的振動液化Dr.HanWX

10.3.2影響土液化的主要因素3．上的初始固結(jié)壓力對于給定的韌始孔隙比、初始相對密實度和往復應力峰值，引起初始液化和20％全幅應變所需的往復荷載次數(shù)都將隨著固結(jié)壓力的增加而增加(對所有的相對密實度都適用)。這說明周圍壓力越大，在其他條件相同的情況下，越不容易發(fā)生液化。地震前地基土的固結(jié)壓力可以用土層有效的覆蓋壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)來表示，因此，地震時土層埋藏越深，越不易液化。20

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.3土的振動液化Dr.HanWX

10.3.2影響土液化的主要因素4．往復應力強度與往復次數(shù)

對于給定的固結(jié)壓力σv和不同相對密實度Dr，就同一種土類而言，往復應力越小，則需越多的振動次數(shù)才可產(chǎn)生液化，反之，則在很少振動次數(shù)時，就可產(chǎn)生液化。21

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.3土的振動液化Dr.HanWX

10.3.3地基液化判別與防治

飽和的砂土或粉土(不含黃土)，當符合下列條件之一時，可初步判別為不液化：

1地質(zhì)年代為第四紀晚更新世(Q3)及其以前時，7、8度時可判為不液化。

2粉土的粘粒(粒徑小于0.005mm的顆粒)含量百分率，7度8度和9度分別不小于10、13、和16時，可判為不液化土。

3天然地基的建筑，當上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響：

du

＞d0+db-2

dw

＞d0+db-3

du+dw

＞1.5d0+2db-4.5

式中dw——地下水位深度(m)，宜按設(shè)計基準期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近期內(nèi)年最高水位采用；

du——上覆蓋非液化土層厚度(m)，計算時宜將淤泥和淤泥質(zhì)土層扣除；

db——基礎(chǔ)埋置深度(m)，不超過2m時應采用2m；

d0——液化土特征深度(m)，可按表4.3.3采用。22

《土力學》

第10章土在動荷載下的特性

§10.3土的振動液化Dr.HanWX當初步判別認為需進一步進行液化判別時，應采用標準貫入試驗判別法判別地面下15m深度范圍內(nèi)的液化；當采用樁基或埋深大于5m的深基礎(chǔ)時，尚應判別15～20m范圍內(nèi)土的液化。當飽和土標準貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長修正)小于液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值時，應判為液化土。當有成熟經(jīng)驗時，尚可采用其他判別方法。

在地面下15m深度范圍內(nèi)，液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計算：

在地面下15～20m范圍內(nèi)，液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計算：

式中Ncr－液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；

N0——液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，應按表4.3.4采用；

ds——