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1、土 动 力 学,河海大学 岩土工程研究所,物探法（也称弹性波法）：折射法、反射法、表面波速法、钻孔波速法 土工试验法：钻孔动荷载试验、标贯试验,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,一、折射法,弹性波和光波一样，在传递到不同土层（二层土的密度和性质不同）分界面时发生折射与反射。 设弹性波通过二层土的速度分别为v1、v2，且v2v1，则入射角和折射角的关系为： 当折射角 等于900时，折射线与界面平行，并以v2的速度传播，这时的入射角称为临界角 。,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,沿界面传播的弹性波在途中一部分又以临界角的方向向上层折
2、射，以v1的速度传播，在地面不同距离设拾震器，观测弹性波从震源到达观测点的时间，绘制观测点距离与波到达时间的关系曲线。 从A点发射的弹性波，有从上层直接传播的，也有从下层折射再回到地面的，距A点近的观测点首先到达的是直达波，距离远的首先到达的是折射波。从x-t相交的两条直线的斜率可以得到波速v1和v2。两线交点表示的距离x0称为临界距离。在x0处直达波与折射波同时达到，可计算出z。,一、折射法,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,求土层厚度： 从A点经B、C到达D点所需的总时间: 从A到B和C到D所需的时间： 从B到C所需的时间： 代入总时间公式得：,一、折射法,第二章 土的动力性质,
3、2-2 原位动力试验,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,二、反射法,适用于深层勘查，土层厚度可大于100m。 利用弹性波反射的原理，在地面上设振源，在距振源不同距离处设拾振器。 试验原理是入射角等于反射角，反射条件是上下层 不等，相差越大，反射能力越强。 在不同距离上设测振器，测得反射波达到时间： tx为双曲线，t2x2为直线 若x=0,反射波垂直发射与反射：,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,三、表面波速法,在地面上设置一稳态竖向振动的激振器，用两个拾振器观察所接受信号的相位差，直到两拾振器的信号输出同相位，二者的距离即为一个波长L。 由激振频率f 得到瑞利波速度： 对于
4、均质土，f 改变，vr不变，对于非均质土，f 改变，vr改变。 以不同频率激振可得到波速vr随频率f 或波长L变化的曲线，称为弥散曲线。vr不是真正的波速，称为相速度。根据弥散曲线可分析得到土层的真正波速。,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,三、表面波速法,稳态激振测瑞利波速简单易行，但现场的工作时间较多，发展了冲击荷载在地面激振的表面波谱分析法（Spectral Analysis of Surface Waves),简称SASW法。 表面波速法还可以量测地面上振源能量向四周扩散的衰减特性。 以上三种方法都是在地面测试，对难以钻孔取样和试验的土层如砾类土尤其适用。但地面上测试受干扰大
5、，用钻孔波速法可减少地面其它振动的干扰。,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,四、钻孔波速法,钻孔波速法按振源和拾振器的布置不同分为：孔下法、孔上法和跨孔法。 1. 孔下法 振源放在地面上，拾振器放在钻孔中，固定在要探测的深度。 振源：锤击厚板 波速： 压缩波比剪切波快先到达。 振动触探器：将拾振器安装在静力触探锥头内，可同时得到锥头阻力、摩擦力和剪切波速。,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,四、钻孔波速法,钻孔波速法按振源和拾振器的布置不同分为：孔下法、孔上法和跨孔法。 2. 孔上法 振源放在钻孔中，拾振器放在地面上，适用于爆炸振源。 孔上法与孔下法都只用一个钻孔，费用低，
6、但对不同土层测试的误差大。,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,四、钻孔波速法,钻孔波速法按振源和拾振器的布置不同分为：孔下法、孔上法和跨孔法。 3. 跨孔法 两个以上钻孔，在一个钻孔中用落锤夯击孔底作为振源，在另外二孔中放拾振器，观测波到达时间。 在不同深度测试可得到不同深度土层中波速的变化，误差小于5%。,第二章 土的动力性质,2-2 原位动力试验,除以上的原位动力测试方法外，还可以根据标准贯入试验的击数，用已有试验资料分析提供的经验关系推求剪切波速或压缩波速，计算土层的动剪切模量和动弹性模量。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,1.砂土液
7、化的判别 （1）室内试验确定液化剪应力 （2）标贯试验确定液化剪应力 （3）临界标贯击数 （4）Seed的简化方法 （5）临界剪切波速 （6）相对密实度 2.影响饱和砂土液化的主要因素 （1）土的密度 （2）粒径 （3）固结应力 （4）初始剪应力,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,1.砂土液化的判别 （1）室内试验确定液化剪应力 通过周期加荷三轴试验，测定在振动过程中试样的变形和孔隙水压力的变化。 松砂与密砂随着加荷次数增加，孔压增大，最后达到初始的有效固结压力时 ，称为初始液化，松砂在液化时变形很快增大，密砂在液化时不发生大变形，只产生有限应变的周期
8、软化，处于不稳定状态，称为周期活动性。根据试验资料，不论密砂还是松砂，达到初始液化时剪应变范围为2.5-3.5%，平均剪应变为3%，因此可以将剪应变3%作为初始液化或破坏的标准，对松砂和密砂都适合。将试验得到的 关系曲线作为液化分析的依据。通过计算分析得出动应力 ，从液化试验得出液化剪应力 。如果 即判别为液化。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,1.砂土液化的判别 （1）室内试验确定液化剪应力 达到初始液化 周期活动性,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,
9、一、砂土的振动液化,1.砂土液化的判别 （2）标贯试验确定液化剪应力 天然砂土层常含有一定的细颗粒（10-50%），随着细粒含量增多，抗液化能力提高。即在相同锤击数时，含细颗粒的土液化周期剪应力较高。 C细粒含量 以上公式限于砂土或粉土，对于低塑性尾矿砂、粉煤灰不适用。可用下式： 以上公式都是计算N=20周的周期剪应力，对于其它周数 可根据试验得到的资料推算（修正）。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,1.砂土液化的判别 （3）临界标贯击数 我国自60年代就开始用标准贯入试验锤击数作为区分土层液化与否的准则，根据对发生地震后曾液化与未液化土层的研究，提
10、出了一个抗震规范中的经验公式： 15m 15m-20m Ncr饱和砂土在深度为dsm,地下水位距地面dwm发生液化的临界贯入击数； ds判别土层的深藏的深度，m dw 地下水位距地面深度，m pc粘粒含量（d0.005mm) N0饱和砂土液化判别标贯击数基准值，与地震烈度、震级有关。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,1.砂土液化的判别 （3）临界标贯击数 近震烈度与震中烈度相差小于20的； 远震烈度与震中烈度等于或大于20的。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,1.砂土液化的判别 （4）Seed的简化方法 S
11、eed根据地震时发生液化与不液化的土层资料，得到根据地面加速度推算的周期剪应力比 与标准贯入阻力N1的关系。 液化 根据 与N1的关系可作一条液化与 未液化的分界线，得到任一给定N1 不液化 值时发生液化的最小周期剪应力。 N1=CNN63.5 N1 CN与有效土重压力和相对密度有关,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,1.砂土液化的判别 （4）Seed的简化方法,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,1.砂土液化的判别 （5）临界剪切波速 深度z(m)处土层的剪切波速vs(m/s)大于下式计算的临界剪切波速vsc时
12、， 可判为不液化。 KH地面地震加速度系数，与地震烈度有关。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,1.砂土液化的判别 （6）相对密实度 砂土发生液化时的剪应力近似与相对密实度成正比，以周期加荷20周发生液化的剪应力比为例，标准砂的剪应力比数值与相对密度有以下关系： 上式适用于相对密度在30%-70%的情况。 水工建筑物抗震规范对地震烈度为 6-9度的区域已有按砂土地层相对密度 判别液化的建议，有人认为可以外延到 烈度10度地区。 如果某地区的Dr大于表中的临界相对密度，则不会液化，反之则可能液化。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,
13、一、砂土的振动液化,判别液化的步骤： 1.确定可能地震时地面加速度时程线。震级、烈度（由地震局提供）；烈度 大于等于6度考虑液化，否则不考虑。 2.确定不同深度处由地震引起的不规则剪应力时程线。 3.将剪应力时程线变换为等效周数Neq的周期剪应力。绘出周期剪应力随深度变化的曲线。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,判别液化的步骤： 4.确定Neq周液化的剪应力，绘出液化剪应力随深度变化的曲线。 5.比较计算的周期剪应力与液化剪应力， 的范围内液化。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,2.影响饱和砂土液化的主要因
14、素 （1）土的密度 周期加荷20周发生液化的剪应力比（标准砂） 上式适用于Dr=30-70% Dr70%，不容易发生液化。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,2.影响饱和砂土液化的主要因素 （2）粒径 粘性土由于细颗粒有粘着力，难发生液化 砾砂等粗粒土透水性大，振动时孔压消散快，也难发生液化。中细粒径的砂土、粉土最容易发生液化。一般情况，塑性指数高的粘性土不易液化，低塑性和无塑性的土容易液化。尾矿砂、粉煤灰颗粒细，属于低塑性，但易于液化。含粘性土的砂、砾，抗液化能力强。 均匀的土 级配良好的土,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,2.影响饱和砂土液化的主要因素 （3）固结应力 天然土层是k0固结状态，即竖向有效应力为 ，侧向有效应力为 ，与动三轴试验时各向等压固结的应力状态不同。用动三轴试验结果来判别天然土层的液化可能性时，需加以修正。 天然土层平均固结应力： 按动三轴试验修正的应力比公式： Cr为考虑应力条件不同的修正系数，随Dr而异。,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,2.影响饱和砂土液化的主要因素 （3）固结应力,第二章 土的动力性质,2-3 砂土振动液化与土的动强度,一、砂土的振动液化,2.影响饱和砂土液化的主要因素 （4）初始剪应力 实
