土力学第十章 土的动力性质和压实性.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流土力学第十章 土的动力性质和压实性.精品文档.土力学第十章 土的动力性质和压实性 第十章 土的动力性质和压实性 第一节 土在动荷载作用下的变形和强度特性 一、作用于土体的动荷载和土中波 车辆的行驶、风力、波浪、地震、爆炸以及机器的振动,都可能是作用在土体的动力荷载。这类荷载的特点,一是荷载施加的瞬时性,二是荷载施加的反复性(加卸荷或者荷载变化方向)。一般将加荷时间在10s以上者都看做静力问题,10s以下者则应视作动力问题。反复荷载作用的周期往往短至几秒、几分之一秒乃至几十分之一秒,反复次数从几次、几十次乃至千万次。由于这两个特点,在动力条件下
2、考虑土的变形和强度问题时,往往都要考虑速度效应和循环(振次)效应。考虑速度效应时,需要将加荷时间的长短换算成加荷速度或相应的应变速度,加荷速度的不同,土的反应也不同。 如图10-1所示,慢速加荷时,土的强度虽然低于快速 加荷,但承受的应变范围较大。循环(振次)效应是指土的 力学特性受荷载循环次数的影响情况。图10-2是说明振次 效应的一个实例,土中f表示静力破坏强度,d为动应力 幅值,s是在加动应力前对土样所施加的一个小于f的竖 向静偏应力。由图可见,振次愈少,土的动强度愈高。随着 动荷载反复作用,土的强度逐渐降低,当反复作用10次 时,土样的动强度(d+s)几乎与静强度f相同,在加大作用次数
3、,动强度就会低于静强度。所以,对于动荷载,除了必须考虑其幅值大小以外,尚应考虑其说包含的频率成分和反复作用的次数。 当汽车通过路面或火车通过轨道时,将动荷传到路基上, 它们荷载的周期不规则,可从0.1s到数分钟,其特点是反复多 次加荷,而且循环次数很多,往往多达103次以上。因此必须从 防止土体反复应变产生疲劳的角度考虑其性质变化。地震荷载也 是随机作用的动荷载,一般为0.21.0s的周期作用,但次数不多。 位于土体表面、内部或者基岩的振源所引起的土单元体的 动应力、动应变,将以波动的方式在土体中传播。土中波的形式 有以拉压应变为主的纵波、以剪应变为主的横波和主要发生在土 体自由界面附近的表面
4、波(瑞利波)。作用于地表面的竖向动荷 载主要以表面波的形式扩散能量。水平土层中传播的地震波,主要是剪切波。波动能量在土体表面和内部层面处将发生反射、折射和透射等物理现象。 二、土的动力变形特性 在周期性的循环荷载作用下,土的变形特性已不能用静力条件的概念和指标来表征,而需要了解动态的应力应变的关系。影响土的动力变形特性的因素包括土体周围压力、孔隙比、颗粒组成、含水率等,同时它还受到应变幅值的影响,而且又以后者为显著。同一种土,它的动力变形性状将会随着应变幅值的不同而发生质的变化。日本石原研究而的研究指出,只有当应变幅值在10-610-4及以下的范围内时,土的变形特性可认为是属于弹性性质。一般由
5、火车、汽车的行驶以及机器基础等所产生的振动的反应都属于这种弹性范围。 这 种条件下土的应力应变关系及相应参数可在现场或室内进行测定。当应变幅值在10-410-2范围内时,土表现为弹塑性性质,如打桩、地震等所产生的土体振动反应即属于此,可以用非线性的弹性应力应变关系来加以描述。当应变幅值超过10-2时,土将破坏或产生液化、压密等现象,此时土的动力变形特性可用仅仅反复几个周期的循环荷载试验来确定。 第二节 砂土和粉土的振动液化 一、土体液化现象及其工程危害 土体液化是指饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载总用下表现出类似液体的性状,完全失去强度和刚度的现象。 地震、波浪、车辆、机器振动、打桩以及爆
6、破等都可能引起饱和砂土或粉土的液化,其中又以地震引起的大面积甚至深层的土体液化的危害性最大,它具有面广、危害重等特点,常会造成场地的整体性失稳。因此,近年来土体液化引起国内为工程界的普遍重视,成为工程抗震设计的重要内容之一。 砂土液化造成的灾害的宏观表现主要有如下几种: (1)喷砂冒水。液化土层中出现相当高的孔隙水压力,会导致低洼的地方或土层缝隙处喷出砂、水混合物。喷出的砂粒可能破坏农田,淤塞渠道。喷砂冒水的范围往往很大,持续时间可达几小时甚至几天,水头可高达23米。 (2) 震陷。液化时喷砂冒水带走了大量土颗粒,地基产生不均匀沉陷,使建筑物倾斜、开裂甚至倒塌。例如,1964年日本新泻地震时,
7、有的建筑物结构本身并未损坏,却因地基液化而发生整体倾斜;又如1976年唐山地震时,天津某农场高10m左右的砖砌水塔,因其西北角处地基土喷砂冒水,水塔整体向西北倾斜了6度。 (3)滑坡。在岸坡或坝坡中的饱和砂粉土层,由于液化而丧尸抗剪强度,使土坡失去稳定,沿着液化层滑动,形成大面积滑坡。1971年美国加利福尼亚州圣费南多坝在地震中发生上游坝坡大滑动,研究证明这是因为在地震振动即将结束时,在靠近坝底和黏土心墙上游处广阔区域内砂土发生液化的缘故;1964年美国阿拉斯加地震中,海岸的水下流滑带走了许多港口设施,并引起海岸涌浪,造成沿海地带的次生灾害。 (4)上浮。贮罐、管道等空腔埋置结构可能在周围土体
8、液化时上浮,对于生命线工程来讲,这种上浮常常引起严重的后果。 二、液化机理及影响因素 饱和的、较松散的、无黏性的或少黏性的土在往复剪应力作用下,颗粒排列将趋于密实(剪缩性),而细、粉砂和粉土的透水性并不太大,孔隙水一时间来不及排出,从而导致孔隙水压力上升,有效应力减小。当周期性荷载作用下积累起来的孔隙水压力等于总应力时,有效应力就变为零。根据有效应力原理,饱和砂土抗剪强度可表达为: f=tan?=(-u)tan? 可见,当孔隙水压力等于总应力''' (10-1) u=时,有效应力'=0,此时,没有黏聚力的砂土其强度就完全丧失。同时,土体平衡外力的能力,即模量的大
9、小,也是与土木的有效应力成正比关系,如剪切模量: G=K(')n 式中:K、n实验常数。 (10-2) 显然,当' 趋向于零的时候,G也趋向于零,即土体处于没有抵抗外荷载能力的悬液 状态。这就是所谓的“液化”。 在地震时,土单元体所受的动应力主要是由从基岩向上传播的剪切波所引起的。水平地层内土单元体理想的受力状态如图10-3所示。在地震前,单元体上受到有效应力 的作用( 应力'v和K0P0K0为静止土压力系数)。在地震时,单元上将受到大小和方向都在不断变化的剪d的反复作用。在试验和动单剪试验里通过模拟上述受力情况进行试验研究有助于揭示液化的机理,其中动三轴试验和动单剪试
10、验是被广泛使用的两种试验方法。试验中,土样是在不排水条件下,承受着均匀周期荷载。当地震时,实际发生的剪应力大小是不规则的,但经过分析认为可以转换为等效的均匀周期荷载,这就比较容易在试验中重现。 通过饱和粉砂的液化试验可以得到以下结果:周期偏应力 力d、动应变d和动孔隙水压ud等与循环次数那关系的曲线可以看到,即使偏应力在很小的范围内变动,每次应力循环后都残留着一定的孔隙水压力;随着应力循环次数的增加,孔隙水压力因积累而逐步上升,有效应力逐步减小;最后有效应力接近于零,土的刚度和强度也骤然下降至零,试样发生液化。应变幅值的变化在开始阶段很小,动应力d维持等幅值循环,孔隙水压力逐渐上升;到了某个循
11、环以后,孔隙水压力急剧上升,应变幅值急剧放大,动应力幅值开始降低,这说明已在孕育着液化,土的刚度和承载力正在逐渐丧失;而到达孔隙水压力与固结压力几乎相等时,土已不能再承受荷载,应变猛增,动应力缩减到零,从此进入完全的液化状态,土全部丧失其承载能力。 研究与观察发现,并不是所有的饱和砂土和少黏性土在地震时都一定发生液化现象,因此必须了解影响砂土液化的主要因素,才能作出正确的判断。影响砂土液化的主要因素有如下几种。 (1)土类。土类是一个重要的条件,粘性土由于有黏聚力c,即使孔隙水压力等于全部固结应力,抗剪强度也不会全部丧失,因而不具备液化的内在条件。粗颗粒砂土由于透水性好,孔隙水压力易于消散,在
12、周期荷载作用下,孔隙水压力亦不易积累增长,因而一般也不会产生液化。只有没有黏聚力或黏聚力相当小的处于地下水位以下的粉细砂和粉土,渗透系数比较小,不足以在第二次荷载施加之前把孔隙水压力全部消散掉,才具有积累孔隙水压力并使强度完全丧失的内部条件。因此,土的粒径大小和级配是影响土体液化可能性的一个重 要因素。试验及实测资料都表明:粉、细砂土和粉土比中、粗砂土容易液化;级配均匀的砂 土比级配良好的砂土容易发生液化。有文献提出,平均粒径d50=0.05-0.09mm的粉细砂最易液化。而根据多处震害调查实例却发现,实际发生液化的土类范围还要更广一些。可以认为,在地震作用下发生液化的饱和土的平均粒径d50一
13、般小于2mm,黏粒含量一般低于10%-15%,塑性指数Ip常在8以下。 (2)土的密度。松砂在震动中体积易于缩小,孔隙水压力上升快,故松砂比较容易液化。1964年日本新泻地震表明,相对密度Dr为0.5的地方普遍液化,而相对密度大于0.7的地方就没有液化。关于海城地震砂土液化的报告中亦提到,7度的地震作用下,相对密度大于0.5的砂土不会液化;砂土相对密度大于0.7时,即使8度地震也不易发生液化。根据关于砂土液化机理的论述可知,往复剪切时,孔隙水压力增长的原因在于松砂的剪缩性,而随着砂土密度的增大,其剪缩性会减弱,一旦砂土开始具有剪胀性的时候,剪切时土体内部便产生负的孔隙水压力,土体阻抗反而增大了
14、,因而不可能发生易化。 (3)土的初始应力状态。在地震作用下,土中孔隙水压力等于固结压力是初始液化的必要条件,如果固结压力越大,则在其他条件相同时越不易发生液化。试验表明,对于同样条件的结压力是随着它的埋藏深度和地下水位深度而直线增加的,然而,地震在土单元体的中引起的动剪应力是随深度的增加却不如固结压力的增加来得快。于是,土的埋藏深度和地下水位深度,即土的有效覆盖压力大小就成了直接影响土体液化可能性的因素。前述关于海城地震沙土夜话的考察报告指出,有效覆盖压力小于50kPa的地区,液化普遍且严重;有效覆盖压力介于50-100kPa地方,液化现象较轻;而未发生液化地段,有效覆盖压力大多大于100k
15、Pa。调查资料还表明,埋藏深度大于20m时,甚至松砂也很少发生液化。 (4)地震强度和地震持续时间。室内试验表明,对于同一类和相近密度的土,在一定固结压力时,动应力较高,则振动次数不多就会发生液化;而动应力较低时,需要较多振次才发生液化,宏观震害调查亦证明了这一点。如日本新泻地区在过去三百多年中虽遭受过25次地震,但记录新泻及其附近地区发生了液化的只有3次,而在这3次地震中,地面加速度都在1.3m/s2以上。1964年地震时,记录到地面最大加速度为1.6m/s2,其余22次地震的地面加速度估计都在1.3m/s2以下。1964年美国阿拉斯加地震时,安科雷奇滑坡是在地震开始以后90s才发生的,这表
16、明,要持续足够的振动持续时间后才会发生液化和土体失稳。根据已有的资料,就荷载条件而言,液化现象通常出现在7度以上的地震场地,或者说,地面水平加速度峰值01.g可以作为一个门槛值。同时,使土体发生液化的振动持续时间一般都在15s以上,按地震主频率值换算可以得到,引起液化的震动次数Neq=5-30,这样的振动次数大体上对应于地震震级M=5.5-8,这也就意味着,低于5.5级的地震,引起土层液化的可能性不大的。 三、土体液化可能性的判别 1、基于现场试验的经验对比方法 饱和沙土和粉尘的地震现场调查是一种重要的研究手段。液化调查应在如下三个方面取 的定量的资料:场地受到的地震作用,即地震震级、震中距或
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