[科普中国]-动力性质

简介

动力性质是指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，土显示出近似弹性的特性；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，土具有弹塑性的特性；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。1

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。
1、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：

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。

2、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

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。1

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弹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。几何阻尼可用弹性半空间理论计算。

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：

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

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。 1

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

式中 emax、emin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。1

土的压实特性（1） 压实曲线性状

击实试验所得到的击实曲线是研究土的压实特性的基本关系图。

从图中可见，击实曲线上有一峰值，此处的干密度为最大，称为最大干密度；其相应的含水率则称为最佳含水率。峰点表明，在一定击实功作用下，只有当压实土粒为最佳含水率时，土才能被击实至最大干密度，从而达到最大压实效果。

由于最佳含水率与塑限比较接近，因此可根据土的塑限预估最优含水率加水湿润制备不少于5个含水率的式样，含水率依次相差为2%，且其中有两个含水率大于塑限，两个含水率小雨塑限，一个含水率接近塑限。

（2）从图中的曲线形态还可以看到，曲线的左段比右段的坡度陡。这表明含水率变化对于干密度影响在偏干时比偏湿时更为明显。

在曲线中还给出了饱和曲线，它表示当土处于饱和状态使的关系。饱和曲线与击实曲线的位置说明，土是不可能被击实到完全饱和状态的。

（3）土的压实特性的机理解释

土的压实特与土的组成与结构、土粒的表面现象、毛细管压力、孔隙水和孔隙气压力等均有关系，所以因素是复杂的。压实的作用是使土块变形和结构调整以致密实，当松散土的含水率处于偏干状态时，由于粒间引力使土保持比较疏松的凝聚结构，土中孔隙大多相互连通，水少而气多，在一定的外部压实功能作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，密度可以增大，但由于较薄的强结合水水膜润滑作用不明显以及外部功能不足以客服粒间引力，土粒相对移动便不显著，因此压实效果比较差；当含水率逐渐加大时，水膜变厚、土块变软，粒间引力减弱，施以外部压实功能则土粒移动，加之水膜的润滑作用，压实效果渐佳；在最佳含水率附近时，土中所含的水量最有利于土粒受击时发生相对移动，以致能达到最大干密度；当含水率再增加到偏湿状态时，孔隙中出现了自由水，击实时不可能使土中多余的水和气体排出，从而孔隙压力升高更为显著，抵消了部分击实功，击实功效反而下降。这便出现了图中击实段曲线右段所示的干密度下降的趋势。在排水不畅的情况下，过多次数的反复击实，甚至会导致土体密度不加大而土体结构被破坏的结果，出现工程上所谓的“橡皮土”现象。1

压实土的压缩性和强度（1）压缩性

压实土的压缩性取决于它的密度和加载时的含水率，对击实土进行压缩试验时可发现，在某一荷载作用下，有些土样压缩稳定后，如加水使之饱和，土样就会在同一荷载作用下出现明显的附加压缩。而这一现象的出现与否和击实式样时的含水率很有关系。

一般来说，填土在压实到一定密度以后，其压缩性就大为减小。当土的干密度大于1.65克每立方厘米时，变形模量显著提高，这对于作为建筑物地基的填土显得尤为重要。

（2）强度

压实土的抗剪强度性状也主要取决于受剪时的密度和含水率。偏干式样强度较偏湿式样强度大，但不呈现明显的脆性破坏特性，所以就强度而言，用偏干的土样去填筑是大有好处的，这一室内试验得出的论点已为相当多的现场资料所证实。

上述关于土的强度试验结果说明，一般情况下，只要满足某些给定的条件，压实土的强度还是比较高的。但正如关于它的压缩性特征的研究所发现的压实土遇水饱和会发生附加压缩问题一样，在强度方面它也有潜在的危险的一面，即浸水软化会使强度降低，这就是所谓水稳定性问题。公路、铁路的路堤和堤坝等土工构筑物都无法避免浸水湿润，尤其是那些修筑于河滩地带的过水路堤，水稳定性的研究与控制更为重要。1

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