动力性质

岩土工程术语

动力性质主要是指土的动剪切模量、阻尼、振动压密、动强度和液化等五个方面。

简介

动力性质是指动力作用下的土的力学性能。当土的应变（纵向应变或剪应变）在10-6～10-4范围（如由于动力机器基础、车辆行驶等所引起的振动）时，土显示出近似弹性的特性；当应变在10-4～10-2范围（如打桩、中等程度的地震等所引起的振动）时，土具有弹塑性的特性；当应变达到百分之几的量级（如0.02～0.05）时，土将发生振动压密、破坏、液化等现象。因此，土的主要动力特性通常以10的应变值作为大、小应变的界限值。在小应变幅情况下，主要是研究土的动剪切模量和阻尼；在大应变幅情况下则主要研究土的振动压密和动强度问题；而振动液化则是特殊条件下的动强度问题。

动剪切模量

小应变幅的动剪切模量常用野外波速法和室内共振柱试验测定，也可用经验公式估算。

1、波速法

根据所测得的从振源到拾振器之间的距离和剪切波（或压缩波）到达拾振器所需要的时间来计算剪切波波速vs，则得：

式中Gd为土的动剪切模量；ρ为土的质量密度。

波速法按其激振和接收方式的不同，有表面波波速法、上孔法、下孔法和跨孔法（两个或更多个钻孔）等，以后者用得较多。

2、共振柱法

在实心或空心的圆柱形土样上施加纵向振动或扭转振动，并逐级增大驱动频率，直到试样发生共振为止。根据一端固定、一端自由的端部条件，并忽视端部激振器的质量，可得

式中 f为扭转振动时的共振频率；l为试样的高度；γ为土的容重；ɡ为重力加速度。

影响土的动剪切模量的变量有剪应变幅、有效平均主应力、孔隙比、颗粒特征、土的结构、应力历史、振动频率、饱和度和温度等，其中有几个变量是相互联系的（如土的孔隙比、结构和颗粒特征）。对小应变幅动剪切模量，剪应变幅的影响可以忽略。

对于净砂，在小剪应变幅（小于10-5）的情况下,动剪切模量主要是孔隙比和有效平均主应力的函数。较大的剪应变幅将使动剪切模量减小。颗粒特征、饱和度和振动频率对动剪切模量的影响很小。

用共振柱法试验时，土的最大粒径不大于5.0毫米；但在1981年也报道了极粗粒土(如铁路道碴d50=45毫米)的共振柱法试验研究。在共振柱法中，如考虑到次时间效应（对砂土，可忽略），就会使试验结果较接近于现场实测值，且误差在10%以内。

土的阻尼

分几何阻尼（或称辐射阻尼）和内阻尼（或称材料阻尼），几何阻尼是由于振动通过弹性波向外传播时因波面增大而使能量耗失，内阻尼是由于土的滞后和粘性效应所产生的内部能量损失。几何阻尼可用弹性半空间理论计算。

反映内阻尼特性的常用指标有对数递减率 δ和阻尼比D，它们间的关系如下：

δ值可用共振柱试验求得：砂土的δ值可大到0.2。

在振动三轴仪试验中,当记录得土的剪应力-剪应变滞回曲线如《图1：土的动力性质》所示时，得

式中AL为滞回圈的总面积；AT为《图1：土的动力性质》中影线部分所示的面积。

各种土的内阻尼比如下：干砂和饱和砂为 0.01 ～0.03；粘土为0.02～0.05。

土的阻尼比随着应变幅的增加而增大，并分别随着有效平均主应力、孔隙比和加荷循环次数的增加而减小。

土的振动压密

松土，特别是无粘性土，由于振动作用，其孔隙比将逐渐减小，并导致振陷，其值可达几十厘米。当无外荷载作用时，不同饱和度的砂土将在下述振动加速度下（如干砂为0.2～1.2ɡ，饱和砂为0.5～2.0ɡ，湿砂为2.0ɡ）振动压密到密实状态。当有外荷载作用时,只有当振动加速度超过某一临界振动加速度(称振动压密界限)时,土才会产生振动压密作用，随着振动加速度的增加，振动压密将达到某一特定的孔隙比ed或振动压密指数Id

式中 emax、emin为最大、最小孔隙比。粗砂的Id值为0.55～0.60,中砂为0.58～0.60,细砂为0.80～0.82。当天然砂土的相对密度小于Id时，则振动将导致地基振陷。

土的压实特性

（1）压实曲线性状

击实试验所得到的击实曲线是研究土的压实特性的基本关系图。

如图2所示，击实曲线上有一峰值，此处的干密度为最大，称为最大干密度；其相应的含水率则称为最佳含水率。峰点表明，在一定击实功作用下，只有当压实土粒为最佳含水率时，土才能被击实至最大干密度，从而达到最大压实效果。

由于最佳含水率与塑限比较接近，因此可根据土的塑限预估最优含水率加水湿润制备不少于5个含水率的式样，含水率依次相差为2%，且其中有两个含水率大于塑限，两个含水率小雨塑限，一个含水率接近塑限。

（2）从图2中的曲线形态还可以看到，曲线的左段比右段的坡度陡。这表明含水率变化对于干密度影响在偏干时比偏湿时更为明显。

在曲线中还给出了饱和曲线，它表示当土处于饱和状态使的关系。饱和曲线与击实曲线的位置说明，土是不可能被击实到完全饱和状态的。

（3）土的压实特性的机理解释

土的压实特与土的组成与结构、土粒的表面现象、毛细管压力、孔隙水和孔隙气压力等均有关系，所以因素是复杂的。压实的作用是使土块变形和结构调整以致密实，当松散土的含水率处于偏干状态时，由于粒间引力使土保持比较疏松的凝聚结构，土中孔隙大多相互连通，水少而气多，在一定的外部压实功能作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，密度可以增大，但由于较薄的强结合水水膜润滑作用不明显以及外部功能不足以客服粒间引力，土粒相对移动便不显著，因此压实效果比较差；当含水率逐渐加大时，水膜变厚、土块变软，粒间引力减弱，施以外部压实功能则土粒移动，加之水膜的润滑作用，压实效果渐佳；在最佳含水率附近时，土中所含的水量最有利于土粒受击时发生相对移动，以致能达到最大干密度；当含水率再增加到偏湿状态时，孔隙中出现了自由水，击实时不可能使土中多余的水和气体排出，从而孔隙压力升高更为显著，抵消了部分击实功，击实功效反而下降。这便出现了图2中击实段曲线右段所示的干密度下降的趋势。在排水不畅的情况下，过多次数的反复击实，甚至会导致土体密度不加大而土体结构被破坏的结果，出现工程上所谓的“橡皮土”现象。

压实土的压缩性和强度

（1）压缩性

压实土的压缩性取决于它的密度和加载时的含水率，对击实土进行压缩试验时可发现，在某一荷载作用下，有些土样压缩稳定后，如加水使之饱和，土样就会在同一荷载作用下出现明显的附加压缩。而这一现象的出现与否和击实式样时的含水率很有关系。

一般来说，填土在压实到一定密度以后，其压缩性就大为减小。当土的干密度大于1.65克每立方厘米时，变形模量显著提高，这对于作为建筑物地基的填土显得尤为重要。

（2）强度

压实土的抗剪强度性状也主要取决于受剪时的密度和含水率。偏干式样强度较偏湿式样强度大，但不呈现明显的脆性破坏特性，所以就强度而言，用偏干的土样去填筑是大有好处的，这一室内试验得出的论点已为相当多的现场资料所证实。

上述关于土的强度试验结果说明，一般情况下，只要满足某些给定的条件，压实土的强度还是比较高的。但正如关于它的压缩性特征的研究所发现的压实土遇水饱和会发生附加压缩问题一样，在强度方面它也有潜在的危险的一面，即浸水软化会使强度降低，这就是所谓水稳定性问题。公路、铁路的路堤和堤坝等土工构筑物都无法避免浸水湿润，尤其是那些修筑于河滩地带的过水路堤，水稳定性的研究与控制更为重要。

土的动强度

通常指土在一定振动循环次数下产生某一破坏应变〔对均压固结或偏压固结分别采用5%(双幅应变)或10%（综合应变）〕时所需的动应力,常用振动三轴仪、振动单剪仪、振动扭剪仪测定。

在快速加载情况下，土的动强度大于静强度，如砂土约增10～20%，饱和粘性土约增50～200%,部分饱和土约增50～150%，而且土的含水量愈大,动强度增加得愈多（尤以粘土为甚）。

饱和砂土（特别如粉砂）在周期荷载作用下往往形成所谓液化现象。在不发生液化的情况下，饱和砂土的动摩擦系数将降低，并随着振动加速度比 α（振动加速度/重力加速度）的增加而减小。但当 α<1,且频率为1～5赫时,砂土的有效动摩擦系数只略小于有效静摩擦系数。

在周期荷载作用下，饱和粘土的动强度有可能小于或大于其静强度，视土的类别和动荷特性（如振次）而定。粘性土的动强度一般变化不大，但随着振次的增加，其强度降低，并接近于或小于其静强度，这在软粘土中减少得更为明显；振次愈多，动强度愈小。

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2～3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，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、影响因素

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，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100kPa。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。

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