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土的动力性质

土在动力作用下的应力、应变和强度特性。在土力学中,一般列为动力作用的有爆炸、地震、机器和车辆振动,施工中的振动(如打桩、夯击、振捣)、风和波浪等。土的动力性质直接与动力作用或动力荷载的性质有关。动力作用或动力荷载可大致分为冲击型和往返型两类,往返型又可分为周期型和随机型两种,冲击型中还有一次冲击和多次冲击之别。

土在动力作用下的应力、应变和强度特性。在土力学中,一般列为动力作用的有爆炸、地震、机器和车辆振动,施工中的振动(如打桩、夯击、振捣)、风和波浪等。土的动力性质直接与动力作用或动力荷载的性质有关。动力作用或动力荷载可大致分为冲击型和往返型两类,往返型又可分为周期型和随机型两种,冲击型中还有一次冲击和多次冲击之别。

土在一次冲击作用下的抗剪强度,一般都高于静力作用下相应的值,对于粘土约高一倍,对于砂土约高10%。土在往返作用下的抗剪强度常随往返次数的增多而降低,一般可降低到静力强度的80~90%,对于灵敏性粘土和可液化土则将更低,需通过专门试验确定。

土在小应变时(剪应变小于10-4~10-2%)呈线弹性性质。此时土的剪切模量最大,用Gmax表示,可用下列关系式求得:

土的动力性质

式中 ρ为土的单位体积质量;vs为土中剪切波速,可用跨孔波速法等在现场测定;f1为土柱扭转共振(或自振)频率,可在实验室内测定;H为土柱高度;Gmax值的大小与土类(沙土或粘土)有关,主要随孔隙比e的减小,有效周围压力σ0的增大,以及粘土超固结比(OCR)的增大而增大。哈丁(B.O.Hardin)、理查特(F.E.Richart)和布莱克(W.L.Black)等曾通过大量实验数据提出过一些估计Gmax值的经验公式。

当剪应变大于10-2%以后,土呈非线性弹塑性性质。此时剪切模量随动剪应变的增大而减小。

剪切模量 剪应力与剪应变之比,用G表示,在非线性范围内常采用割线斜率,对于往返作用,常以往返剪应力幅值τa与往返剪应变幅值γa之比作为土的动力剪切模量(见图1)。

图1 往返剪切滞回圈

比值G/Gmax随γa增大而减小(见图2)。

阻尼比 相对于单自由度粘弹性振动体系中的阻尼比,土的阻尼比只有当量或等效的意义,常用往返剪切试验(如往返扭剪、往返单剪和往返三轴试验等)测定。根据往返剪应力τ与往返剪应变γ形成的滞回圈(见图1),定义土的阻尼比D=(1/4π)(△W/W),其中△W为滞回圈包围的面积,W=τaγa/2。此外,土的阻尼比也可从自振衰减曲线或共振曲线中推求。前者可得D=(1/2π)δ,其中δ为对数递减率。后者可得D=(f″-f′)/(f″+f′),其中f′和f″分别为共振曲线上振幅等于(1/)(共振峰值振幅)处小于和大于共振频率的两个频率值。D一般随γa的增大而增大(见图3)。

图2 G/Gmax~γa关系实测平均曲线

图3 D~γa关系实测平均曲线

剪切模量和阻尼比是土体动力分析中的两个很重要的基本参数。剪切模量反映土体的应力应变关系和刚度。剪切模量愈大,则土体的刚度愈大。阻尼比反映土体中动能的耗散特性,阻尼比愈大,则动能的衰减愈快。两者对土体的动力反应和共振现象有重大影响。