基本介紹
- 中文名：土的動力性質
- 釋義：動力作用下的土的力學性能
原理,套用方法,
原理
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10-4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。所以，土的動力性質主要是指動剪下模量、阻尼、振動壓密、動強度和液化（見砂土液化）等五個方面。
套用方法
土的動剪下模量 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。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vs，則得：(1)式中Gd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（見工程地球物理勘探）。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Gd＝16f2l2γ/ɡ(2)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：(3)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D＝AL/4πAT (4)式中AL為滯迴圈的總面積；AT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ed或振動壓密指數IdId＝(ed－e)/(e－e) (5)式中e、e為最大、最小孔隙比。粗砂的Id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Id時，則振動將導致地基振陷。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。參考書目 F.E.小理查特等著，徐攸在等譯，錢鴻縉校：《土與基礎的振動》，中國建築工業出版社，北京，1976。(F.E.Richart.Jr.，etal.，VibrationsofSoilsandFoundations，Prentice-Hall，EnɡlewoodCliffs，NewJersey，1970.) 錢鴻縉等編：《動力機器基礎設計》，中國建築工業出版社，北京，1980。
