動力性質

動力性質主要是指土的動剪下模量、阻尼、振動壓密、動強度和液化等五個方面。

在周期性的循環荷載作用下，土的變形特性已不能用靜力條件的概念和指標來表征，而需要了解動態的應力——應變的關係。影響土的動力變形特性的因素包括土體周圍壓力、孔隙比、顆粒組成、含水率等，同時它還受到應變幅值的影響，而且又以後者為顯著。同一種土，它的動力變形性狀將會隨著應變幅值的不同而發生質的變化。

基本介紹

• 中文名：動力性質
• 外文名：Dynamic properties
• 學科：岩土工程
• 內容：動剪下模量、阻尼、振動壓密等
• 影響因素：土體周圍壓力、孔隙比、顆粒組成
• 特點：隨著應變幅值的不同而發生變化

簡介

動力性質是指動力作用下的土的力學性能。當土的應變（縱向應變或剪應變）在10^-6～10^-4範圍（如由於動力機器基礎、車輛行駛等所引起的振動）時，土顯示出近似彈性的特性；當應變在10^-4～10^-2範圍（如打樁、中等程度的地震等所引起的振動）時，土具有彈塑性的特性；當應變達到百分之幾的量級（如0.02～0.05）時，土將發生振動壓密、破壞、液化等現象。因此，土的主要動力特性通常以10的應變值作為大、小應變的界限值。 在小應變幅情況下，主要是研究土的動剪下模量和阻尼；在大應變幅情況下則主要研究土的振動壓密和動強度問題；而振動液化則是特殊條件下的動強度問題。

動剪下模量

小應變幅的動剪下模量常用野外波速法和室內共振柱試驗測定，也可用經驗公式估算。
1、波速法

根據所測得的從振源到拾振器之間的距離和剪下波（或壓縮波）到達拾振器所需要的時間來計算剪下波波速v_s，則得：

式中G_d為土的動剪下模量；ρ為土的質量密度。

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（兩個或更多個鑽孔）等，以後者用得較多。

2、共振柱法

在實心或空心的圓柱形土樣上施加縱向振動或扭轉振動，並逐級增大驅動頻率，直到試樣發生共振為止。根據一端固定、一端自由的端部條件，並忽視端部激振器的質量，可得

式中 f為扭轉振動時的共振頻率；l為試樣的高度；γ為土的容重；ɡ為重力加速度。
影響土的動剪下模量的變數有剪應變幅、有效平均主應力、孔隙比、顆粒特徵、土的結構、應力歷史、振動頻率、飽和度和溫度等，其中有幾個變數是相互聯繫的（如土的孔隙比、結構和顆粒特徵）。對小應變幅動剪下模量，剪應變幅的影響可以忽略。
對於淨砂，在小剪應變幅（小於10^-5）的情況下,動剪下模量主要是孔隙比和有效平均主應力的函式。較大的剪應變幅將使動剪下模量減小。顆粒特徵、飽和度和振動頻率對動剪下模量的影響很小。
用共振柱法試驗時， 土的最大粒徑不大於5.0毫米；但在1981年也報導了極粗粒土(如鐵路道碴d₅₀=45毫米)的共振柱法試驗研究。在共振柱法中，如考慮到次時間效應（對砂土，可忽略），就會使試驗結果較接近於現場實測值，且誤差在10%以內。

土的阻尼

分幾何阻尼（或稱輻射阻尼）和內阻尼（或稱材料阻尼），幾何阻尼是由於振動通過彈性波向外傳播時因波面增大而使能量耗失，內阻尼是由於土的滯後和粘性效應所產生的內部能量損失。幾何阻尼可用彈性半空間理論計算。

反映內阻尼特性的常用指標有對數遞減率 δ和阻尼比D，它們間的關係如下：

δ值可用共振柱試驗求得：砂土的δ值可大到0.2。
在振動三軸儀試驗中,當記錄得土的剪應力-剪應變滯回曲線如圖所示時，得

式中A_L為滯迴圈的總面積；A_T為圖中影線部分所示的面積。

各種土的內阻尼比如下：乾砂和飽和砂為 0.01 ～0.03；粘土為0.02～0.05。

土的阻尼比隨著應變幅的增加而增大，並分別隨著有效平均主應力、孔隙比和加荷循環次數的增加而減小。

土的振動壓密

鬆土，特別是無粘性土，由於振動作用，其孔隙比將逐漸減小，並導致振陷，其值可達幾十厘米。當無外荷載作用時，不同飽和度的砂土將在下述振動加速度下（如乾砂為0.2～1.2ɡ，飽和砂為0.5～2.0ɡ，濕砂為2.0ɡ）振動壓密到密實狀態。當有外荷載作用時,只有當振動加速度超過某一臨界振動加速度(稱振動壓密界限)時,土才會產生振動壓密作用，隨著振動加速度的增加，振動壓密將達到某一特定的孔隙比e_d或振動壓密指數I_d

式中 e_max、e_min為最大、最小孔隙比。粗砂的I_d值為0.55～0.60,中砂為0.58～0.60,細砂為0.80～0.82。當天然砂土的相對密度小於I_d時，則振動將導致地基振陷。

土的壓實特性

（1） 壓實曲線性狀

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係圖。

從圖中可見，擊實曲線上有一峰值，此處的乾密度為最大，稱為最大幹密度；其相應的含水率則稱為最佳含水率。峰點表明，在一定擊實功作用下，只有當壓實土粒為最佳含水率時，土才能被擊實至最大幹密度，從而達到最大壓實效果。

由於最佳含水率與塑限比較接近，因此可根據土的塑限預估最優含水率加水濕潤製備不少於5個含水率的式樣，含水率依次相差為2%，且其中有兩個含水率大於塑限，兩個含水率小雨塑限，一個含水率接近塑限。

（2）從圖中的曲線形態還可以看到，曲線的左段比右段的坡度陡。這表明含水率變化對於乾密度影響在偏乾時比偏濕時更為明顯。

在曲線中還給出了飽和曲線，它表示當土處於飽和狀態使的關係。飽和曲線與擊實曲線的位置說明，土是不可能被擊實到完全飽和狀態的。

（3）土的壓實特性的機理解釋

土的壓實特與土的組成與結構、土粒的表面現象、毛細管壓力、孔隙水和孔隙氣壓力等均有關係，所以因素是複雜的。壓實的作用是使土塊變形和結構調整以緻密實，當鬆散土的含水率處於偏乾狀態時，由於粒間引力使土保持比較疏鬆的凝聚結構，土中孔隙大多相互連通，水少而氣多，在一定的外部壓實功能作用下，雖然土孔隙中氣體易被排出，密度可以增大，但由於較薄的強結合水水膜潤滑作用不明顯以及外部功能不足以客服粒間引力，土粒相對移動便不顯著，因此壓實效果比較差；當含水率逐漸加大時，水膜變厚、土塊變軟，粒間引力減弱，施以外部壓實功能則土粒移動，加之水膜的潤滑作用，壓實效果漸佳；在最佳含水率附近時，土中所含的水量最有利於土粒受擊時發生相對移動，以致能達到最大幹密度；當含水率再增加到偏濕狀態時，孔隙中出現了自由水，擊實時不可能使土中多餘的水和氣體排出，從而孔隙壓力升高更為顯著，抵消了部分擊實功，擊實功效反而下降。這便出現了圖中擊實段曲線右段所示的乾密度下降的趨勢。在排水不暢的情況下，過多次數的反覆擊實，甚至會導致土體密度不加大而土體結構被破壞的結果，出現工程上所謂的“橡皮土”現象。

壓實土的壓縮性和強度

（1）壓縮性

壓實土的壓縮性取決於它的密度和載入時的含水率，對擊實土進行壓縮試驗時可發現，在某一荷載作用下，有些土樣壓縮穩定後，如加水使之飽和，土樣就會在同一荷載作用下出現明顯的附加壓縮。而這一現象的出現與否和擊實式樣時的含水率很有關係。

一般來說，填土在壓實到一定密度以後，其壓縮性就大為減小。當土的乾密度大於1.65克每立方厘米時，變形模量顯著提高，這對於作為建築物地基的填土顯得尤為重要。

（2）強度

壓實土的抗剪強度性狀也主要取決於受剪時的密度和含水率。偏乾式樣強度較偏濕式樣強度大，但不呈現明顯的脆性破壞特性，所以就強度而言，用偏乾的土樣去填築是大有好處的，這一室內試驗得出的論點已為相當多的現場資料所證實。

上述關於土的強度試驗結果說明，一般情況下，只要滿足某些給定的條件，壓實土的強度還是比較高的。但正如關於它的壓縮性特徵的研究所發現的壓實土遇水飽和會發生附加壓縮問題一樣，在強度方面它也有潛在的危險的一面，即浸水軟化會使強度降低，這就是所謂水穩定性問題。公路、鐵路的路堤和堤壩等土工構築物都無法避免浸水濕潤，尤其是那些修築於河灘地帶的過水路堤，水穩定性的研究與控制更為重要。

土的動強度

通常指土在一定振動循環次數下產生某一破壞應變〔對均壓固結或偏壓固結分別採用5%(雙幅應變)或10%（綜合應變）〕時所需的動應力,常用振動三軸儀、振動單剪儀、振動扭剪儀測定。
在快速載入情況下，土的動強度大於靜強度，如砂土約增10～20%，飽和粘性土約增50～200%,部分飽和土約增50～150%，而且土的含水量愈大,動強度增加得愈多（尤以粘土為甚）。
飽和砂土（特別如粉砂）在周期荷載作用下往往形成所謂液化現象。在不發生液化的情況下，飽和砂土的動摩擦係數將降低，並隨著振動加速度比 α（振動加速度/重力加速度）的增加而減小。 但當 α<1,且頻率為1～5赫時,砂土的有效動摩擦係數只略小於有效靜摩擦係數。
在周期荷載作用下，飽和粘土的動強度有可能小於或大於其靜強度，視土的類別和動荷特性（如振次）而定。粘性土的動強度一般變化不大，但隨著振次的增加，其強度降低，並接近於或小於其靜強度，這在軟粘土中減少得更為明顯；振次愈多，動強度愈小。

土的振動液化

一、土體液化現象及其工程危害

土體液化是指飽和狀態砂土或粉土在一定強度的動荷載總用下表現出類似液體的性狀，完全失去強度和剛度的現象。

地震、波浪、車輛、機器振動、打樁以及爆破等都可能引起飽和砂土或粉土的液化，其中又以地震引起的大面積甚至深層的土體液化的危害性最大，它具有面廣、危害重等特點，常會造成場地的整體性失穩。因此，近年來土體液化引起國內為工程界的普遍重視，成為工程抗震設計的重要內容之一。

砂土液化造成的災害的巨觀表現主要有如下幾種：

（1）噴砂冒水。液化土層中出現相當高的孔隙水壓力，會導致低洼的地方或土層縫隙處噴出砂、水混合物。噴出的砂粒可能破壞農田，淤塞渠道。噴砂冒水的範圍往往很大，持續時間可達幾小時甚至幾天，水頭可高達2～3米。

(2) 震陷。液化時噴砂冒水帶走了大量土顆粒，地基產生不均勻沉陷，使建築物傾斜、開裂甚至倒塌。例如，1964年日本新瀉地震時，有的建築物結構本身並未損壞，卻因地基液化而發生整體傾斜；又如1976年唐山地震時，天津某農場高10m左右的磚砌水塔，因其西北角處地基土噴砂冒水，水塔整體向西北傾斜了6度。

（3）滑坡。在岸坡或壩坡中的飽和砂粉土層，由於液化而喪屍抗剪強度，使土坡失去穩定，沿著液化層滑動，形成大面積滑坡。1971年美國加利福尼亞州聖費南多壩在地震中發生上游壩坡大滑動，研究證明這是因為在地震振動即將結束時，在靠近壩底和黏土心牆上游處廣闊區域內砂土發生液化的緣故；1964年美國阿拉斯加地震中，海岸的水下流滑帶走了許多港口設施，並引起海岸涌浪，造成沿海地帶的次生災害。

（4）上浮。貯罐、管道等空腔埋置結構可能在周圍土體液化時上浮，對於生命線工程來講，這種上浮常常引起嚴重的後果。

二、影響因素

研究與觀察發現，並不是所有的飽和砂土和少黏性土在地震時都一定發生液化現象，因此必須了解影響砂土液化的主要因素，才能作出正確的判斷。影響砂土液化的主要因素有如下幾種。

（1）土類。土類是一個重要的條件，粘性土由於有黏聚力c，即使孔隙水壓力等於全部固結應力，抗剪強度也不會全部喪失，因而不具備液化的內在條件。粗顆粒砂土由於透水性好，孔隙水壓力易於消散，在周期荷載作用下，孔隙水壓力亦不易積累增長，因而一般也不會產生液化。只有沒有黏聚力或黏聚力相當小的處於地下水位以下的粉細砂和粉土，滲透係數比較小，不足以在第二次荷載施加之前把孔隙水壓力全部消散掉，才具有積累孔隙水壓力並使強度完全喪失的內部條件。因此，土的粒徑大小和級配是影響土體液化可能性的一個重要因素。試驗及實測資料都表明：粉、細砂土和粉土比中、粗砂土容易液化；級配均勻的砂土比級配良好的砂土容易發生液化。有文獻提出，平均粒徑d₅₀=0.05-0.09mm的粉細砂最易液化。而根據多處震害調查實例卻發現，實際發生液化的土類範圍還要更廣一些。可以認為，在地震作用下發生液化的飽和土的平均粒徑d₅₀一般小於2mm，黏粒含量一般低於10%-15%，塑性指數Ip常在8以下。

（2）土的密度。松砂在震動中體積易於縮小，孔隙水壓力上升快，故松砂比較容易液化。1964年日本新瀉地震表明，相對密度Dr為0.5的地方普遍液化，而相對密度大於0.7的地方就沒有液化。關於海城地震砂土液化的報告中亦提到，7度的地震作用下，相對密度大於0.5的砂土不會液化；砂土相對密度大於0.7時，即使8度地震也不易發生液化。根據關於砂土液化機理的論述可知，往復剪下時，孔隙水壓力增長的原因在於松砂的剪縮性，而隨著砂土密度的增大，其剪縮性會減弱，一旦砂土開始具有剪脹性的時候，剪下時土體內部便產生負的孔隙水壓力，土體阻抗反而增大了，因而不可能發生易化。

（3）土的初始應力狀態。在地震作用下，土中孔隙水壓力等於固結壓力是初始液化的必要條件，如果固結壓力越大，則在其他條件相同時越不易發生液化。試驗表明，對於同樣條件的結壓力是隨著它的埋藏深度和地下水位深度而直線增加的，然而，地震在土單元體的中引起的動剪應力是隨深度的增加卻不如固結壓力的增加來得快。於是，土的埋藏深度和地下水位深度，即土的有效覆蓋壓力大小就成了直接影響土體液化可能性的因素。前述關於海城地震沙土夜話的考察報告指出，有效覆蓋壓力小於50kPa的地區，液化普遍且嚴重；有效覆蓋壓力介於50-100kPa地方，液化現象較輕；而未發生液化地段，有效覆蓋壓力大多大於100kPa。調查資料還表明，埋藏深度大於20m時，甚至松砂也很少發生液化。

（4）地震強度和地震持續時間。室內試驗表明，對於同一類和相近密度的土，在一定固結壓力時，動應力較高，則振動次數不多就會發生液化；而動應力較低時，需要較多振次才發生液化，巨觀震害調查亦證明了這一點。如日本新瀉地區在過去三百多年中雖遭受過25次地震，但記錄新瀉及其附近地區發生了液化的只有3次，而在這3次地震中，地面加速度都在1.3m/s2以上。1964年地震時，記錄到地面最大加速度為1.6m/s²，其餘22次地震的地面加速度估計都在1.3m/s2以下。1964年美國阿拉斯加地震時，安科雷奇滑坡是在地震開始以後90s才發生的，這表明，要持續足夠的振動持續時間後才會發生液化和土體失穩。根據已有的資料，就荷載條件而言，液化現象通常出現在7度以上的地震場地，或者說，地面水平加速度峰值01.g可以作為一個門檻值。同時，使土體發生液化的振動持續時間一般都在15s以上，按地震主頻率值換算可以得到，引起液化的震動次數N_eq=5-30，這樣的振動次數大體上對應於地震震級M=5.5-8，這也就意味著，低於5.5級的地震，引起土層液化的可能性不大的。