土動力學講義

土動力學soildynamics主講方云2/4/2023土動力學第一章緒論土動力學是研究各種動荷載作用下土的變形強度特性及土體穩(wěn)定性的一門學科土力學中“stress”一詞原定義包括“靜的”（static)和“動的”（dynamic)應(yīng)力，但傳統(tǒng)土力學中通常僅意味靜應(yīng)力2/4/2023土動力學1964年新瀉地震造成房屋傾斜2/4/2023土動力學土動力學的發(fā)展是不平衡的研究的荷載來源各不相同對各種實際問題要求解決的迫切程度不同2/4/2023土動力學地震最新的地震報道北京時間2005年10月8日11時50分，在巴基斯坦（北緯34.4度、東經(jīng)73.6度）發(fā)生7.8級地震，震中位于巴基斯坦北部巴控克什米爾山區(qū)，距首都伊斯蘭堡約90公里，距我國和巴基斯坦邊境線約300公里。巴基斯坦官員11月8日宣布，巴基斯坦在南亞大地震中的死亡人數(shù)已經(jīng)達到8．735萬人。2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學據(jù)中國臺網(wǎng)測定，2005年11月26日,08時49分38.6秒在江西九江、瑞昌間(北緯29.7,東經(jīng)115.7)發(fā)生5.7級地震。

湖北省武漢、洪湖、鄂州、黃岡、赤壁、通城、咸寧等地建筑物有明顯震感，部分建筑物墻面破裂，震動持續(xù)時間約為20秒。2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學地震2005年3月20日日本福岡以西當?shù)貢r間上午10點53分發(fā)生里氏7級強烈地震，至20日晚上9點止共發(fā)生83次余震。傷亡人數(shù)超過500人，許多房屋被毀。2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學阿爾及利亞地震2003年5月21日夜阿爾及利亞首都阿爾及爾地區(qū)發(fā)生了里氏6.7級大地震，造成該國2300人死亡，1萬1千人受傷。在那次大地震后，阿爾及爾地區(qū)又經(jīng)歷了多達上千次的大大小小的余震。2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學菲律賓地震2003年5月27號凌晨2點多，印尼東北部地區(qū)發(fā)生里氏6.4級地震。此次地震的震中位于印尼馬魯古省的莫羅2/4/2023土動力學從2003年5月1日的土耳其地震開始，到5月21日的阿爾及利亞地震，到5月26日的日本地震、5月27日的印度尼西亞地震、菲律賓地震，短短的20多天，就發(fā)生了5次六級以上的地震。2/4/2023土動力學

近期發(fā)生的地震基本上處在環(huán)太平洋的西部和歐亞地震帶上，而這兩個地震帶都是老的地震帶，同時又都位于幾大板塊的邊緣。這些地震的發(fā)生意味著板塊的積壓，板塊撞擊，因為地球是由幾大板塊構(gòu)成的，在它的邊緣上發(fā)生一些重大地震，意味著這些板塊確實是在運動，在活動，它的運動和活動標志著整個地球的深部可能有動力源在活動。2/4/2023土動力學2003年至今我國大陸新疆、內(nèi)蒙、甘肅等地連續(xù)發(fā)生地震過去10年來，臺灣平均每年發(fā)生里氏6級以上地震3．4次，去年共發(fā)生3次。

2/4/2023土動力學

伊朗地震2003年12月26日早晨5時28分，伊朗中部克爾曼省首府克爾曼附近發(fā)生里氏6.8級地震，是這一地區(qū)自1998年以來最強烈的一次地震，震源約在地下33公里。千年歷史的古城———巴姆市的老城區(qū)已全部被毀，該市的許多歷史建筑幾乎徹底被毀。死亡人數(shù)為4.1萬人。2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學

據(jù)介紹，伊朗地震災(zāi)害頻發(fā)，全境共分布4條地震帶，其中最長最寬的一條從土耳其、伊朗邊境地區(qū)起，經(jīng)過首都德黑蘭，向東延伸數(shù)百公里。更糟糕的是，德黑蘭地下還分布著北、南、東3條斷層。目前德黑蘭小震不斷。近年來德黑蘭周圍地區(qū)發(fā)生了數(shù)起較大地震，2002年6月22日凌晨加茲溫發(fā)生了里氏6.3級的地震，200多人在地震中喪生。2/4/2023土動力學

伊朗地震專家預(yù)測，未來幾年里，德黑蘭發(fā)生7級左右地震的可能性極大。德黑蘭建筑物的抗震性能令人擔憂。德黑蘭建有160萬套住房，其中70萬套屬危舊住房。日本的地震專家經(jīng)過實地考察后認為，德黑蘭大部分建筑不符合抗大地震的要求，如果德黑蘭發(fā)生7級地震，將有約50萬套住房倒塌，55%的建筑受損，財產(chǎn)損失相當于伊朗國民收入的22%，將有38萬人喪生，國家將陷于癱瘓。2/4/2023土動力學

日本神戶地震1995年1月17日凌晨5時47分日本神戶發(fā)生里氏7.2級地震，延續(xù)時間20秒城市直下型活斷層地震經(jīng)濟損失1000億美元死亡6000多人，負傷3萬多人房屋毀損99515棟路面開裂，地基變形，鐵道彎曲，列車脫軌，港口破壞，攔腰折斷的大樓倒下來將道路隔截，斷裂的高速公路從幾十米高處塌落下來2/4/2023土動力學中國是一個多地震的國家。20世紀以來中國共發(fā)生8級以上大震9次7～7.9級地震99次6～6.9級地震470余次4.8級以上地震3800余次2/4/2023土動力學20世紀以來中國陸地地震活動經(jīng)歷了四個活躍期，目前正處于第五個活躍期。期間可能發(fā)生多次7級以上的強震，強震的主體地區(qū)在中國西部。2/4/2023土動力學土動力學研究的問題各種動荷載及其特點振動和波動在土中的運動規(guī)律土的動應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系動強度與變形問題振動液化動力特性測試的設(shè)備與技術(shù)動荷載作用下的地基承載力、土坡穩(wěn)定性及動土壓力土與結(jié)構(gòu)物的相互作用（動力機器基礎(chǔ)問題）2/4/2023土動力學相關(guān)學科土力學地震工程學結(jié)構(gòu)動力學土工抗震學2/4/2023土動力學解決途徑引入表征動力作用和土動力特性的相應(yīng)指標，建立土動力學的計算方法以模型試驗為基礎(chǔ)，為設(shè)計提供定性或定量的依據(jù)2/4/2023土動力學發(fā)展趨勢探討動力作用下土體失穩(wěn)的機理動本構(gòu)定律粉土和砂礫土的液化孔隙水壓力的變化規(guī)律土與上部結(jié)構(gòu)的相互作用隨機波及高頻波的研究應(yīng)用高應(yīng)力水平復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的室內(nèi)試驗研究現(xiàn)場試驗、實錄分析及模型試驗2/4/2023土動力學研究特點注重土的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗研究注重工程經(jīng)驗的研究注重實用的計算分析方法2/4/2023土動力學參考教材方云等：《土力學》第十章謝鼎義：《土動力學》1988張克緒等：《土動力學》19892/4/2023土動力學第二章動荷載特性2/4/2023土動力學第一節(jié)動、靜問題的區(qū)別加荷速度T/4>幾十秒靜力學問題T/4<幾十秒動力學問題應(yīng)變范圍微小應(yīng)變范圍（<10-5)中等應(yīng)變范圍（10-5~10-3)大應(yīng)變范圍（>10-3)循環(huán)效應(yīng)2/4/2023土動力學第二節(jié)動荷載特性荷載的大小、方向、作用位置隨時間而變化，且荷載對作用體系的動力效應(yīng)不可忽略。這樣的荷載稱為動荷載（dynamicload）。動荷載的性質(zhì)用振幅（amplitudevibrition）、頻率（frequency）和持續(xù)作用時間（durationofvibrition）來表示。動荷載的持續(xù)作用時間用循環(huán)作用次數(shù)N來表示。2/4/2023土動力學如果運動在相同的時間間隔內(nèi)重現(xiàn)，就稱為周期運動。運動重現(xiàn)一次稱為一個循環(huán)。單位時間內(nèi)所完成的循環(huán)數(shù)，稱為頻率完成一個循環(huán)所需要的時間，稱為周期，以T表示。2/4/2023土動力學動荷載可以分為三種類型1、周期荷載（cyclicloading）以同一振幅和周期往復(fù)循環(huán)作用的荷載稱為周期荷載。周期荷載的最簡單形式是簡諧荷載（harmonicloading）。簡諧荷載隨時間t的變化規(guī)律可用正弦或余弦函數(shù)表示。（2-2）半周期內(nèi)的峰值荷載P0，稱為振幅。雙幅值2P0指在周期T內(nèi)荷載變化的最大幅度。2/4/2023土動力學簡諧荷載是工程中常用的荷載簡諧荷載與地震荷載的區(qū)別振幅幾乎不變周期不變持續(xù)作用次數(shù)大現(xiàn)場實際荷載與簡諧荷載的差別非周期性峰值可能不同荷載總是動靜荷載的組合2/4/2023土動力學若干個振幅和周期各不相同的的簡諧荷載可相互疊加，組成一般性的周期荷載。（2-3）2/4/2023土動力學2、沖擊荷載沖擊荷載是一種瞬時荷載，強度大，持續(xù)時間短。（2-4）2/4/2023土動力學兩個特點只有一次脈沖作用作用持續(xù)時間短（ms），壓力升高速率大2/4/2023土動力學多脈沖瞬時動荷載2/4/2023土動力學打樁引起的地表垂直加速度軌跡2/4/2023土動力學3、不規(guī)則荷載荷載隨時間的變化沒有規(guī)律可循，如地震荷載。2/4/2023土動力學地震應(yīng)力的統(tǒng)計性質(zhì)T=0.2～1.0s持續(xù)時間和主要作用次數(shù)與震級有關(guān)，震級越大，t和N值越大每個脈沖的波形更接近于正弦變化的曲線2/4/2023土動力學第三節(jié)動荷載對地基土的影響土的類型和所處狀態(tài)不同，對動荷載的反應(yīng)也不相同處于飽和狀態(tài)的砂土和粉土在周期性動荷載作用下可能液化淤泥、淤泥質(zhì)土在周期性動荷載作用下，由于孔隙水壓力上升，強度降低等緣故會導(dǎo)致沉降和滑移2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學2/4/2023土動力學土在動荷載作用下的破壞過程當動荷載很小時，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)幾乎沒有遭到破壞，土骨架的變形能夠恢復(fù)，并且土顆粒之間相互移動所損耗的能量也少，土處于理想的彈－粘性力學狀態(tài)隨動荷載增大，顆粒之間的聯(lián)結(jié)遭到破壞，土骨架產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形。土顆粒之間相互移動所損耗的能量增大，土越來越表現(xiàn)出非彈性或塑性性能當動荷載增大到一定程度時，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)幾乎完全破壞，土處于流動或破壞狀態(tài)2/4/2023土動力學土對地震荷載反應(yīng)的主要表現(xiàn)變形孔隙水壓力2/4/2023土動力學根據(jù)土對地震荷載反應(yīng)的分類對地震反應(yīng)明顯：中等密度或松的飽和砂土；粘粒含量小于10～15％的飽和砂質(zhì)粘土或粉質(zhì)軟粘土；含礫量<70~80%，砂料處于中密或松散狀態(tài)的砂礫石土等對地震反應(yīng)不明顯：干砂、壓密粘土飽和密實砂；含礫量>70~80%的砂礫石土等2/4/2023土動力學動荷載作用對工程建筑的影響引起結(jié)構(gòu)物振動破壞地基動力機器引起基礎(chǔ)過大的振幅（甚至共振）高層建筑（20～30層）在軟基上容易損壞，而低層建筑（5～6層）在硬基上反而比較容易損壞2/4/2023土動力學地震工程中的土體土體不僅指土材料，還包括土的分布和幾何尺寸基巖的地震剪切波通過土層向上傳播，引起土層表面的運動，產(chǎn)生對基巖運動的位移、速度和加速度反應(yīng)。根據(jù)土柱的橫向振動理論，土柱頂點對基巖運動的反應(yīng)與土柱的自振特性有關(guān)2/4/2023土動力學土柱的自振圓頻率n=1,3,5……由公式中H可知土層表面對基巖地震運動的反應(yīng)不僅取決于土的力學性質(zhì)，還取決于土層的幾何尺寸2/4/2023土動力學因為結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)取決于體系的質(zhì)量和剛度分布，因此靠近建筑物或斜坡的點的地震反應(yīng)也必將受到土的動力學特性和土層幾何尺寸的影響2/4/2023土動力學ABCDEFG各點與基巖地震運動的時程曲線明顯不同1