土動力學

（SOILDYNAMICS)

第一章緒論

§1.1

土動力學的任務、內容、研究途徑土動力學是土力學的一個分支，是研究動荷載作用下土的變形和強度特性及土體穩定性的一門學科。

土動力學的任務在于探求動荷載作用下土變形強度特性變化的規律性，應用近代力學的原理，分析研究土工建筑物及建筑物土質地基在各種動力影響下的變形穩定性和強度穩定性。土動力學研究的內容包括土的動力特性;土體的動力穩定性(包括土與結構物相互作用)兩大部分。由于動荷具體作用的特性不同，土可能在下同應力水平和動應變幅下工作，顯示出不同的應力—應變特性規律。故上述兩個部分的分析研究，必須盡量模擬實際動荷作用的特點，面向動荷作用下工程建設中的實際問題，建立起自己的理論體系和分析解決問題的基本方法。土動力學解決的問題：(1)工程建筑中的各種動荷作用及其特點問題；(2)動荷所引起的振動和波動及其在土中運動的規律問題；(3)土的動應力－應變關系問題；(4)土的動強度和變形問題；(5)土的振動液化問題；(6)土動力特性測試設備與測試技術問題；(7)動荷條件下的地基承載力，土坡穩定及擋土墻上土壓力問題；(8)土與結構物的相互作用問題(包括動力機器基礎問題)；土動力學問題研究的基礎：土力學、地震工程學、結構動力學、土工抗震學等一系列學科。充分運用現有室內外試驗量測技術，廣泛積累原型觀測和工程實錄資料，作出理論聯系實際的分析，建立科學的分析方法。解決問題的途徑：建立起一定理論下的計算方法，引入一些表征動力作用和土動力特性的相應指標，作為動力設計的基礎，并在不斷的實踐中加以檢驗和修正；直接用模型試驗的方法作為基礎，根據運用相似律模擬的精確程度和量測手段的完善程度，為設計提供出定性或定量的依據；研究方法：將理論分析、室內試驗、現場試驗、原型觀測和模型試驗緊密結合起來，各取所長，互相促進，作出多途徑長時期的系統探索。§1.2

動荷的類型及其對土體的作用特點1、與靜荷載區別加荷時間：爆炸荷載的加荷時間幾個毫秒，一般動力荷載百分之幾秒或零點幾秒。周期效應：多次反復施加。應變大小<10-3

在動荷條件下研究

>10-3在靜荷條件下研究

動力與靜力的區別在于動力必須具備三個充要條件：

1.力的作用是循環往復的。

2.力的作用結果應當是導致受力物體的波動變形或質點的往復位移。

3.力的作用伴隨著交變的加速度。2、動荷載基本特點振幅、頻率、持續時間、波型的變化3、動荷類型沖擊荷載（impactload)：墜落重物所引起的荷載，其大小取決于傳遞結構的彈性和慣性，作用時間短。振動荷載（vibratingload）

有限次往返，方向變化,幅值是變化的地震波風荷載打樁荷載疲勞荷載（fatigueload）

加荷及幾萬次、幾十萬次幅值基本不變周期基本不變車輛荷載機器基礎動荷作用的共同特點：大小隨時間而發生變化；動荷在隨時間變化過程中的兩種效應：速率效應，即荷載在很短的時間內以很高的速率加于土體所引起的效應；循環效應，即荷載的增減，多次往復循環地施加于土體所起的效應；

§1.3

動荷作用對工程建筑的影響一、地基破壞二、結構破壞

§1.4

土動力學的發展動力機器基礎（machinefoundation)：

20世紀30年代,以德國的E.Reissner和前蘇聯的D.D.Barkan為代表。防護工程（protectiveconstruction)：二次世界大戰以后。地震工程（earthquakeengineering)：60年代以后，隨幾次大地震的發生，迅速發展。1977年第九屆國際土力學及基礎工程工程學會會議上正式分列出土動力學問題討論為標志。1981年Shamsher

Prakash出版了專著《SoilDynamics》,1983年B.T.Das出版了《FoundationofSoilDynamics》）1964年日本新瀉地震、美國阿拉斯加地震、1971年美國圣費爾南多地震,1995年日本神戶大地震等使土動力學和巖土地震工程的研究達到了一個新的高潮,取得了豐碩的成果.

70年代,隨著近海重力式平臺的大量興建,研究者們的注意力集中在波浪等周期荷載作用下砂土液化的可能性和液化強度等問題，后來又注意到了孔隙水壓力消散的影響。另一方面，周期荷載作用下粘性土性狀的研究也取得較多的成果。Andersen等人應北海重力式石油平臺建設的需要曾對粘土進行了系統而廣泛的研究。

分析了諸如試驗方式、剪應力幅值、超固結比等因素的影響，而Matsui的研究則較多地關注了孔隙水壓力的發展變化，分析了殘余孔壓與剪應變之間的相互關系以及循環荷載作用歷史對剪切特性的影響。Ba1igh曾給出一個較為完善的循環荷載作用下的固結理論。

低路提在交通荷載作用下的變形特性也早已引起人們的重視。較早的如Seed及其同事們的工作，后來其他學者也繼續了這項工作。進入80年代，這項工作進一步深入，Yasuhara等提出了一個排水循環荷載作用下土體變形的近似預測方法，Fujiwara的研究則集中在排水條件下考慮固結影響的變形計算。

近年來，各國學者從不同的方向對土動力學進行了深入研究。這些研究的主要內容包括：土的動力特性和本構關系、地層液化勢與地面破壞、動土壓力和擋土結構的抗震設計、土—結構動力相互作用、土坡和土壩的抗震穩定性、周期或瞬態荷載作用下的變形和強度問題等方面。

在以往的地震反應分析中，地震作用一般以水平剪切為主，因此按Serff假設可以將水平面近似作為最大剪應力作用面，地震產生的破壞就是在這些水平動剪應力作用下產生的。然而日本阪神等地震的破壞形式表明豎向地震作用產生的破壞是相當大的。1995年1月17日發生的日本阪神大地震中，有許多結構的破壞是由于豎向地震作用引起的。可見，在以往的抗震設計中，只考慮水平剪切的作用，對工程抗震設計是不夠安全的。

我國的土動力學發展較晚,1961年我國巖土學科創始人黃文熙先生率先發表了有關飽和砂土地基及土坡液化穩定分析成果,標志著土動力學這門學科在我國的興起。1966年我國邢臺地震和1976年我國唐山地震等許多實踐課題促進了這門學科的迅速發展。地震作用下土的性狀地震時土的力學狀態如果用應力應變來表示地震作用力的大小，地震屬于中變形和大變形開始階段中變形小變形大變形10-310-410-210-110-5110彈塑性破壞彈性地震土對地震荷載的兩類效應宏觀反應：變形；往返變形，殘余變形孔壓；升高宏觀效應：砂土液化破裂滑坡a.對地震反應不明顯的土：干砂，壓密粘性土，飽和密實砂b.對地震反應明顯的土：飽和松砂，振動效應由于土體本身的尺寸、結構、動力學性質等特征，引起地面地震動地改變（放大、減緩）。土的動應力－應變關系土的動變形與動強度地震作用下土的變形與強度土體地震反應分析動土壓力與擋土墻第二章飽和土的液化

2.1振動液化機理飽和土在動荷作用下往往會喪失其原有的強度而轉變為一種類似液體的狀態。

1978年美國巖土工程學會土力學委員會討論，認為：液化是使任何物質轉變為液體的作用和過程。在無粘性土中，這種轉變是由固態到液態，它是孔壓增加，有效應力減小的結果。

液化一般發生在飽和土中，非飽和的黃土也會發生類似現象。液化有廣義和狹義的理解廣義的液化為孔壓上升的過程狹義的液化為最后抗剪強度達到0的狀態。孔壓的上升也有廣義和狹義的理解廣義的理解限于封閉條件下土體內孔隙壓力的增高狹義的理解包括由高孔壓區向低孔壓區的轉移液化是剪縮性的土體在不排水條件下孔隙壓力不斷累積的結果。液化的過程：（1）在振動荷載持續作用下，砂土經歷了由土粒傳給孔隙水，壓力又由孔隙水傳給土粒兩個階段。（2）砂土發生液化必須具備兩個條件，一是振動的強度足以使土體結構破壞；二是土體結構發生破壞后，土粒發生移動的趨勢是壓密而不是松脹。2.2影響飽和土振動液化的主要因素（1）土性條件（內因）（2）起始應力條件（外因）

(3)動荷條件（外因）（4）排水條件（媒介）1、土性條件（1）土的