第十章-土的動力特性和土的壓實性

《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》第十章土的動力特性和土的壓實性第一節(jié)動荷載類型第二節(jié)土的動力特性第三節(jié)土的振動液化第四節(jié)土的壓實性本章以前所涉及的變形和穩(wěn)定問題，都認為荷載是靜止的，不隨時間而變化，稱為靜力問題。動荷載是指荷載的大小、方向、作用為止隨時間而變化而且，對作用體系所產(chǎn)生的動力效應(yīng)不能忽略。一般情況下，當荷載變化的周期為結(jié)構(gòu)自振周期的5倍以上時，就可以簡化為靜荷載計算。第十章土的動力特性和土的壓實性第一節(jié)動荷載類型一、周期荷載二、沖擊荷載三、不規(guī)則荷載作用在地基或建筑物上的動荷載種類很多，如機械運轉(zhuǎn)的慣性力、車輛荷載、爆破引起的沖擊荷載、風(fēng)荷載以及地震荷載等。這些荷載有的的變化速率很大，有的是循環(huán)作用次數(shù)很多，可以歸納為一下三類：第一節(jié)動荷載類型周期荷載沖擊荷載不規(guī)則荷載周期荷載——以同一振幅和周期

反復(fù)循環(huán)作用的荷載沖擊荷載——荷載強度大，持續(xù)時間短機器震動、車輛荷載爆破、打樁荷載不規(guī)則荷載——荷載隨時間變化

沒有規(guī)律可循地震荷載第一節(jié)動荷載類型

一、土的動力特性試驗

二、動荷載下土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及動力特性參數(shù)

三、土在動荷載下的強度特性第二節(jié)土的動力特性一、土的動力特性試驗1、振動三軸試驗2、動單剪試驗等3、現(xiàn)場波速試驗室內(nèi)試驗缺點：取土?xí)頂_動，影響結(jié)果動三軸試驗動單剪試驗共振柱試驗動扭剪試驗振動臺試驗土動力性能的室內(nèi)試驗第二節(jié)土的動力特性第二節(jié)土的動力特性第二節(jié)土的動力特性二、動荷載下土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及動力特性參數(shù)1.土的動應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型在按正弦變化的周期動應(yīng)力作用下，線性粘彈性單質(zhì)點的滯回曲線為一橢圓。

滯回圈面積包括粘性和塑性能量耗損兩部分。

粘性能量耗損與變形速度有關(guān)，而塑性能量耗損與塑性變形有關(guān)。

土的阻尼分為粘性阻尼和塑性阻尼兩部分。

骨干曲線大體上符合雙曲線規(guī)律

第二節(jié)土的動力特性2.土的動力特性參數(shù)（1）動剪切模量

動模量

動剪切模量（2）阻尼比剪切模量和阻尼比是表示土動力特性的兩個主要參數(shù)。每一個滯回環(huán)的特征將由這兩個參數(shù)來定義。滯回環(huán)的形狀將隨著應(yīng)變的大小面變化。動剪切模量Gd隨應(yīng)變的增加而減小，而阻尼比則隨應(yīng)變的增大而增大。

第二節(jié)土的動力特性三、土在動荷載下的強度特性土的動強度是指在一定動荷載作用次數(shù)下產(chǎn)生某一破壞應(yīng)變所需的動應(yīng)力大小。也可以通過抗剪強度指標

得到反映。黏性土的動強度指標是指黏性土在動荷載下發(fā)生破壞或產(chǎn)生足夠大的應(yīng)變時所具有的黏聚力和內(nèi)摩擦角。土的動強度(抗剪強度)不同于靜強度。在周期性循環(huán)荷載作用下，土的動強度可能低于靜強度，也可能高于靜強度，這取決于土的類別、所處的應(yīng)力狀態(tài)、加荷速度、循環(huán)次數(shù)（振次n）等因素的影響。第二節(jié)土的動力特性

一、液化的機理

二、影響砂土液化的主要因素

三、砂土地基液化可能性的判別

四、防止土體液化的工程措施簡介第三節(jié)土的振動液化振動液化是飽和土在動荷作用下由于其原有強度的喪失而轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N類似液體狀態(tài)的現(xiàn)象。它是一種以強度的大幅度驟然喪失為特征的強度問題。地震、波浪、車輛行駛、機器振動、打樁及爆破等都可能引起飽和砂土的液化，其中以地層引起的液化面積廣，所造成的危害最大。此外，岸坡或壩坡中的飽和砂層因液化而喪失抗剪強度，會使土坡失去穩(wěn)定，而產(chǎn)生滑坡。第三節(jié)土的振動液化一、液化的機理振動液化的機制是飽和砂土體在振動作用下有顆粒移動和變密的趨勢，對應(yīng)力的承受從砂土骨架轉(zhuǎn)向水，由于粉土和細砂土的滲透力不良，孔隙水壓力會急劇增大，當孔隙水壓力大到總應(yīng)力值時，有效應(yīng)力就降到0，顆粒懸浮在水中，砂土體即發(fā)生液化。第三節(jié)土的振動液化日本新瀉1964年地震時砂土液化引起震陷。這些設(shè)計為抗震的建筑物傾斜而未受損壞。第三節(jié)土的振動液化唐山地震造成的噴水冒砂區(qū)分布圖第三節(jié)土的振動液化二、影響砂土液化的主要因素內(nèi)因土類及其顆粒級配土的密實程度、飽水特性土結(jié)構(gòu)的抗剪強度外因地震作用特征地震強度（震級、烈度）地震頻率和周期震動歷時環(huán)境條件場地地貌單元飽水砂土的埋藏條件地下水條件建筑物類型、基礎(chǔ)特性第三節(jié)土的振動液化砂土液化造成的災(zāi)害的宏觀表現(xiàn)1）噴砂冒水2）震陷3）滑坡4）上浮第三節(jié)土的振動液化加州沃森維爾附近的野外涌沙第三節(jié)土的振動液化三、砂土地基液化可能性的判別首先根據(jù)砂層時代和當?shù)氐卣鹆叶冗M行初判。一般認為，對更新世及其以前的砂層和地震烈度低于Ⅶ度的地區(qū),不考慮砂土液化問題。然后，對已初步判別為可能發(fā)生液化的砂層再作進一步判定。用以進一步判定砂土液化可能性的方法主要有三種。（1）場地地震剪應(yīng)力與該飽和砂土層的液化抗剪強度

（引起液化的最小剪應(yīng)力）對比法。（2）標準貫入試驗法（見巖土試驗）。（3）綜合指標法。通常用以綜合判定液化可能性的指標有相對密度、平均粒徑

、孔隙比、不均勻系數(shù)等。第三節(jié)土的振動液化四、防止土體液化的工程措施簡介當判明建筑物的地基中有可液化的土層時，必須采取相應(yīng)的工程措施，以防止震害。主要從預(yù)防砂土液化的發(fā)生和防止或減輕建筑物不均勻沉陷兩方面入手。包括合理選擇場地；采取振沖、夯實、爆炸、擠密樁等措施，提高砂土密度；排水降低砂土孔隙水壓力；換土，板樁圍封，以及采用整體性較好的筏基、深樁基等方法。第三節(jié)土的振動液化

一、概述

二、土的壓實原理

三、擊實試驗

四、影響擊實效果的因素

五、壓實特性的工程應(yīng)用以及壓實度的檢測與控制第四節(jié)土的壓實性一、概述

工程建設(shè)中常常遇到填土或松軟地基，為了改善這些土的工程性質(zhì)，常采用壓實的方法使土變得密實，這往往是一種經(jīng)濟合理的改善土的工程性質(zhì)的方法。實踐表明，由于土的基本性質(zhì)復(fù)雜多變，同一壓實功對于不同土類、不同狀態(tài)的土的壓實效果可以完全不同。第四節(jié)土的壓實性青藏鐵路壓實路基廣州白云機場擴建工程京福高速公路第四節(jié)土的壓實性第四節(jié)土的壓實性第四節(jié)土的壓實性第四節(jié)土的壓實性第四節(jié)土的壓實性二、土的壓實原理壓實是指利用機械能將土中的空氣和水排出。大量工程實踐經(jīng)驗表明，濕度過大的土在壓實時會出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象，土密度不會增加；而濕度過小的土也難以充分壓實。只有在適當?shù)暮糠秶鷥?nèi)才能壓實。當土中的含水量適當時，水在其中起潤滑作用，并且也不占有太多的孔隙時，使土粒易于靠攏而形成最密實的排列。土的壓實程度用干密度度來表示。當含水量

=0時，密度等于干密度；使壓實土達到最大干密度時的含水量，稱為土的最優(yōu)含水量(或稱最佳含水量opt)，相對應(yīng)的干密度稱最大干密度。。第四節(jié)土的壓實性三、擊實試驗1、土的擊實試驗

我國目前通用的擊實儀有兩種：即輕型擊實儀與重型擊實儀，并根據(jù)擊實土的最大粒徑，分別采用兩種不同規(guī)格的擊實筒。輕型擊實試驗擊錘質(zhì)量為2.5kg。把制備成一定含水量的土料分3層裝入擊實筒，每層土料用擊錘均勻錘擊27（59）擊，擊錘落高為30cm。重型擊實試驗擊錘質(zhì)量為4.5kg，擊錘落高為45cm。分3（5）層擊實，每層27（98）擊。根據(jù)擊實后土樣的密度和實測含水量計算相應(yīng)的干密度。第四節(jié)土的壓實性通過對一個土樣的擊實試驗就得到一對數(shù)據(jù)，即擊實土的含水量與土體干密度。對不同含水量的同一種土按上述方法進行擊實試驗，便可得到一組成對的含水量與干密度數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)繪制成擊實曲線，它表明在一定擊實功作用下，土的含水量與干密度的關(guān)系。

含水量（％）第四節(jié)土的壓實性2、土的壓實特性

1）壓實曲線性能

擊實試驗所得到的擊實曲線是研究土的壓實特性的基本關(guān)系圖。

峰值點表明在一定擊實功作用下，只有當壓實土樣處在最佳含水量時，土體才能被擊實到最大干密度，才能得到最佳壓實效果。

第四節(jié)土的壓實性含粗粒越多的土樣最大重度越大，最佳含水量越小。顆粒級配良好的土容易被壓實，顆粒級配均勻則最大干密度偏小。2）不同土類與不同擊實功對擊實特性的影響

土樣偏干時，增加擊實功對于提高干密度的影響較大；而土樣偏濕則收效不大。

四、影響擊實效果的因素

1、含水量

土的含水量對壓實效果的影響比較顯著。含水量較小時，土顆粒較疏松，但由于水膜潤滑作用不明顯，土粒相對移動也不容易，壓實效果較差。含水量逐漸增大時，水膜變厚，起潤滑作用，壓實效果漸佳。含水量過大時，孔隙中出現(xiàn)自由水，壓實功能的一部分被自由水所抵消，壓實效果反而降低。第四節(jié)土的壓實性2、壓實功能

在開始壓實時，土的干密度急劇增加，待到接近土的最大干密度時，壓實功雖然增加許多，而土的干密度幾乎沒有變化。因此，在實際施工中，不要盲目過多地增加壓實遍數(shù)。（壓實遍數(shù)參考數(shù)據(jù)）第四節(jié)土的壓實性3、每層填土厚度

土在壓實功的作用下，壓應(yīng)力隨深度增加而逐漸減小，其影響深度與壓實機械、土的性質(zhì)和含水量等有關(guān)。鋪土厚度應(yīng)小于壓實機械壓土?xí)r的作用深度，但其中還有最優(yōu)土層厚度問題，鋪得過厚，要壓很多遍才能達到規(guī)定的密實度。鋪得過薄，則也要增加機械的總壓實遍數(shù)。恰當?shù)匿佂梁穸龋▍⒖急恚┠苁雇练綁簩嵍鴻C械的功耗費最少。填方每層的鋪土厚度和壓實遍數(shù)壓實機具每層鋪土厚度（mm)每層壓實遍數(shù)平碾200~3006~8羊足碾200~3508~16蛙式打夯機200~2503~4人工打夯不大于2003~4第四節(jié)土的壓實性五、壓實特性的工程應(yīng)用以及壓實度的檢測與控制1.壓實性的工程應(yīng)用工程上利用土的壓實特性進行地基處理等工作，如重錘法、碾壓法、振動法等。重錘法:采用80～400kN的重錘，從很高處(8～20m)自由落下，對土體進行強力夯實的方法。這是在的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項技術(shù)。強夯法是用很大的沖擊能，使土體中出現(xiàn)沖擊波和很大的應(yīng)力，致使孔隙被壓縮，土體局部液化，夯實點周圍產(chǎn)生裂隙，形成良好排水通道，土體迅速固結(jié)。最大加固深度可達11～12m或更大。此法不僅能加固陸上土層，也能加固水中土層；適用于多種土類：粗粒土、低飽和度的細粒土、雜填土、素填土、濕陷性黃土；不僅能提高地基承載力，也可防止地基液化。對于飽和細粒土，要慎用。第四節(jié)土的壓實性2.壓實度的檢測與控制壓實度的現(xiàn)場檢測方法主要有灌砂法、環(huán)刀法、核子密度儀法等。下面重點介紹灌砂法。

灌砂法測壓實度所用的檢測工具有灌砂筒、基板、挖洞及從洞中取料的合適工具、標準砂、天平、臺秤、盛砂的容器、含水量檢測工具等。

灌沙法的檢測步驟

首先要在試驗地點選一塊平坦表面，其面積不得小于基板面積，并將其清掃干凈。將基板放在此平坦表面上，沿基板中孔鑿洞，洞的直徑100毫米，在鑿洞過程中應(yīng)注意不使鑿出的試樣丟失，并隨時將鑿松的材料取出，放在已知質(zhì)量的塑料袋內(nèi)，密封。試洞的深度應(yīng)等于碾壓層厚度。鑿洞畢，稱此袋中全部試樣質(zhì)量，準確至1克。減去已知塑料袋的質(zhì)量后即為試樣的總質(zhì)量。

第四節(jié)土的壓實性然后從挖出的全部試樣中取有代表性的樣品，放入鋁盒，用酒精燃燒法測其含水量。

最后將灌砂筒直接安放在挖好的試洞上，這時灌砂筒內(nèi)應(yīng)放滿砂，使灌砂筒的下口對準試洞。打開灌砂筒開關(guān)，讓砂流入試洞內(nèi)。直到灌砂筒內(nèi)的砂不再下流時，關(guān)閉開關(guān)，取走灌砂筒，稱量筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量，準確至1克。試洞內(nèi)砂的質(zhì)量=砂至滿筒時的質(zhì)量－灌砂完成后筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量－錐體的質(zhì)量挖出土的總質(zhì)量除以試洞內(nèi)砂的質(zhì)量再乘以標準砂的密度可計算路基土的濕密度。干密度就等于濕密度/(1+含水量)壓實度就等于土的干密度/土的最大干密度＊100%第四節(jié)土的壓實性在路基施工過程中，為控制好路基壓實質(zhì)量，提高現(xiàn)場壓實機械的工作效率，需要重點做好四方面工作：