什么是土的动力性质?

什么是土的动力性质?

[拼音]：tu de dongli xingzhi

[外文]：dynamic properties of soil

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d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d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10-4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。所以，土的动力性质主要是指动剪切模量、阻尼、振动压密、动强度和液化（见砂土液化）等五个方面。

土的动剪切模量

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。

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：

(1)

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（见工程地球物理勘探）。

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

Gd＝16f2l2γ/ɡ (2)

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d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d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：

(3)

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所示时，得

D＝AL/4πAT (4)

式中AL为滞回圈的总面积；AT为图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

Id＝(ed－e


)/(e


－e


) (5)

式中 e


、e


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。

参考书目

F.E.小理查特等著，徐攸在等译，钱鸿缙校：《土与基础的振动》，中国建筑工业出版社，北京，1976。(F.E. Richart.Jr.，etal.，Vibrations of Soils and Foundations， Prentice-Hall ，Enɡlewood Cliffs，New Jersey，1970.)钱鸿缙等编：《动力机器基础设计》，中国建筑工业出版社，北京，1980。