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1、哈尔滨工业大学 岩土工程教研室哈尔滨工业大学 岩土工程教研室 Geotechnical Engineering Teaching Office Harbin Institute of Technology 土 动 力 学 Soil DynamicsSoil Dynamics 课程安排课程安排 ?授课时间：授课时间： 1220 周周36 学时学时 ?课程性质：考试课课程性质：考试课 ?授课教师：王幼清授课教师：王幼清 ?教材：土动力学张克绪 谢君斐 著教材：土动力学张克绪 谢君斐 著 ?参考书： 土动力学原理参考书： 土动力学原理Braja M.Das 著著 第一章 绪 论 第二章 土的动力学计
2、算模型 第三章 土的动力性能 第四章 饱和砂土体的液化判别 第五章 地震时饱和土体中孔隙水压力的增长和消散 第六章 土体地震反应分析 第七章 地震作用引起的土体永久变形 第一章 绪 论 第二章 土的动力学计算模型 第三章 土的动力性能 第四章 饱和砂土体的液化判别 第五章 地震时饱和土体中孔隙水压力的增长和消散 第六章 土体地震反应分析 第七章 地震作用引起的土体永久变形 第一章 绪 论第一章 绪 论 1.1 土动力学的基本概念1.1 土动力学的基本概念 1问题的提出问题的提出 地基地基和和土工结构土工结构中的土体不仅受静荷作用中的土体不仅受静荷作用，在某些情况下还受动荷作用在某些情况下还受动
3、荷作用，例如例如：高层 建筑要承受风和地震荷载作用 高层 建筑要承受风和地震荷载作用，地下人防工程要承受爆炸荷载作用等地下人防工程要承受爆炸荷载作用等。在在地基地基和和土工结构土工结构 设计时设计时，不仅要在静荷作用下满足稳定性和变形要求不仅要在静荷作用下满足稳定性和变形要求，也要在动荷作用下满足稳定性和变 形要求 也要在动荷作用下满足稳定性和变 形要求。为了确定为了确定地基地基和和土工结构物土工结构物在动荷作用下的稳定性和变形在动荷作用下的稳定性和变形，必须研究如下问题： ）土的动力性能，包括：变形特性、强度特性、耗能特性、孔隙水压力特性。 ）在动荷作用下， 必须研究如下问题： ）土的动力性
4、能，包括：变形特性、强度特性、耗能特性、孔隙水压力特性。 ）在动荷作用下，地基地基和和土工结构物土工结构物中土体的应力、应变和变形的分析方法， 也叫 中土体的应力、应变和变形的分析方法， 也叫动力反应分析方法动力反应分析方法。 ）在动荷作用下， 。 ）在动荷作用下，地基地基和和土工结构物土工结构物中土体的稳定性分析方法。中土体的稳定性分析方法。 2土动力学的定义 土动力学是土力学的一个重要分支，它是研究在动荷作用下土的动力性能、 土动力学的定义 土动力学是土力学的一个重要分支，它是研究在动荷作用下土的动力性能、地基地基和和 土工结构物土工结构物中土体的变形和稳定性的一门学科。中土体的变形和稳定
5、性的一门学科。 1.2 动荷载及其特点1.2 动荷载及其特点 1动荷载动荷载的定义 在荷载作用期间 的定义 在荷载作用期间，其其幅值幅值随时间以某种形式发生变化的荷载称为随时间以某种形式发生变化的荷载称为动荷载动荷载。其变化包括其变化包括： ）只有）只有幅值幅值大小的改变：例如大小的改变：例如交通荷载交通荷载。 ）除 。 ）除幅值幅值大小变化外，还有频率、方向的改变，成为大小变化外，还有频率、方向的改变，成为交变荷载交变荷载，如，如地震荷载地震荷载。 2描述动荷载的要素 ）最大幅值 ）频率 ）持续时间或作用次数 描述动荷载的要素 ）最大幅值 ）频率 ）持续时间或作用次数 3动荷载的类型 ）一次
6、冲击型荷载：例如 动荷载的类型 ）一次冲击型荷载：例如爆炸荷载爆炸荷载，仅有大小的变化。 ）有限循环作用次数的随机荷载：例如 ，仅有大小的变化。 ）有限循环作用次数的随机荷载：例如地震、风浪荷载地震、风浪荷载等，有大小变化和正负 的变化，正负正 叫一次循环，循环次数是有限的，通常小于 等，有大小变化和正负 的变化，正负正 叫一次循环，循环次数是有限的，通常小于1000次。 ）循环作用次数非常大的 次。 ）循环作用次数非常大的疲劳荷载疲劳荷载：例如稳态机械振动荷载，其幅值和频率几 乎不变，循环次数非常大，通常大于 ：例如稳态机械振动荷载，其幅值和频率几 乎不变，循环次数非常大，通常大于1000次
7、。次。 1.3 在动荷载作用下土的速率效应和疲劳效应1.3 在动荷载作用下土的速率效应和疲劳效应 1动荷作用下土的变形特点 动荷载的大小是随时间而改变的 动荷作用下土的变形特点 动荷载的大小是随时间而改变的, 而土的变形需要改变土的结构而土的变形需要改变土的结构, 土结构的改 变则需要一个时间过程。这样 土结构的改 变则需要一个时间过程。这样, 土受某一个大小的荷载作用所持续的时段非常短土受某一个大小的荷载作用所持续的时段非常短, 然 后其荷载的大小就改变了 然 后其荷载的大小就改变了, 在这样短的时段内变形不能得到充分发展在这样短的时段内变形不能得到充分发展, 其变形与同样 大小静荷载引起的
8、变形相比要小。 如果动荷载是循环荷载，每次循环作用都会使土的结构发生一定的破坏 其变形与同样 大小静荷载引起的变形相比要小。 如果动荷载是循环荷载，每次循环作用都会使土的结构发生一定的破坏,并且 每一次循环对土的结构破坏作用随动荷载的幅值增加而增大。这样 并且 每一次循环对土的结构破坏作用随动荷载的幅值增加而增大。这样,土在幅值不变的 循环荷载作用下其变形要随作用次数的增加而增大 土在幅值不变的 循环荷载作用下其变形要随作用次数的增加而增大,并且每一次循环作用引起的土的 变形增量要随动荷幅值的增大而增大。 并且每一次循环作用引起的土的 变形增量要随动荷幅值的增大而增大。 2速率效应 速率效应是
9、指土的变形模量和强度随动荷载的变化速率的增加而增大的力学现 象。速率效应的机制是上述的第一个在动荷作用下土变形的特点。按上述，动荷载 的变化速率越大，则在某一时刻荷载作用持续的时段越短，土的变形越不能充分发 展，其速率效应则越显著。 速率效应 速率效应是指土的变形模量和强度随动荷载的变化速率的增加而增大的力学现 象。速率效应的机制是上述的第一个在动荷作用下土变形的特点。按上述，动荷载 的变化速率越大，则在某一时刻荷载作用持续的时段越短，土的变形越不能充分发 展，其速率效应则越显著。 3疲劳效应 疲劳效应是指在动荷载作用下土的变形随作用次数的增加逐次累计增大，最后 使土发生破坏的力学现象。土的疲
10、劳效应的机制是上述第二个在动荷作用下土变形 的特点。由于土破坏时的变形大约是相同的，按上述，动荷载幅值越大土破坏时相 应的动荷载作用次数就越小。 疲劳效应 疲劳效应是指在动荷载作用下土的变形随作用次数的增加逐次累计增大，最后 使土发生破坏的力学现象。土的疲劳效应的机制是上述第二个在动荷作用下土变形 的特点。由于土破坏时的变形大约是相同的，按上述，动荷载幅值越大土破坏时相 应的动荷载作用次数就越小。 4两种效应的意义 两种效应是土的动力性能与静力性能不同的根本原因。 土的速率效应与疲劳效应是在动荷载作用下同时存在的两种相反作用。速率 效应使土的变形模量和强度增大，疲劳效应使土的强度降低。这样，在
11、动荷作用下 土的力学性能取决于这两种效应哪一个占主导。如果速率效应占主导，则土具有较 好的动力学性能；如果疲劳效应占主导，则土具有较差的动力学性能。 不同的土类所表现出来的两种效应是不同的。一般结构易受破坏的土类，即 结构性强的土类，疲劳效应占主导作用；相反，则速率效应占主导作用。因此，不 同的土类，其动力学性能有明显差别。 两种效应的意义 两种效应是土的动力性能与静力性能不同的根本原因。 土的速率效应与疲劳效应是在动荷载作用下同时存在的两种相反作用。速率 效应使土的变形模量和强度增大，疲劳效应使土的强度降低。这样，在动荷作用下 土的力学性能取决于这两种效应哪一个占主导。如果速率效应占主导，则
12、土具有较 好的动力学性能；如果疲劳效应占主导，则土具有较差的动力学性能。 不同的土类所表现出来的两种效应是不同的。一般结构易受破坏的土类，即 结构性强的土类，疲劳效应占主导作用；相反，则速率效应占主导作用。因此，不 同的土类，其动力学性能有明显差别。 1.4 1.4 在动荷载作用下土的受力水平及工作状态在动荷载作用下土的受力水平及工作状态 1. 土的受力水平 土是一种结构性很强的力学介质或工程材料，土受力越大，土结构的破坏性也越 大，土的变形越发展，土也越趋于破坏。因此，在确定土的力学性能时，必须考虑土 的受力水平。 土的受力水平是土受力大小和土结构的破坏程度的一种表示。因此，需要一个定 量指
13、标表示土的受力水平。表示土受力水平的定量指标有两种： 动剪应力幅值或动剪应力幅值比 一般说，土的破坏是由剪切引起的，土所受的动剪应力越大，土越接近破坏。因 此，可以用动剪应力幅值表示土的受力水平。但是，土破坏所需的动剪应力幅值随所 受的有效静正应力的增大而增大。因此，即使同一种土当所受的动剪应力幅值相同而 有效静正应力不同时，其接近破坏的程度也不相同，因此，以动剪应力幅值与有效静 正应力比值代替动剪应力幅值表示土的受力水平更合理。 动剪应变幅值 当动剪应力幅值或动剪应力幅值比相同时，不同类型的土产生的动剪切变形是不 同的。软土产生的动剪切变形大，硬土所产生的动剪切变形小；相应地，土结构的破 坏
14、程度也不同。因此，以动应力作用所引起的动剪应变幅值来表示土的受力水平更为 适宜。 土的受力水平 土是一种结构性很强的力学介质或工程材料，土受力越大，土结构的破坏性也越 大，土的变形越发展，土也越趋于破坏。因此，在确定土的力学性能时，必须考虑土 的受力水平。 土的受力水平是土受力大小和土结构的破坏程度的一种表示。因此，需要一个定 量指标表示土的受力水平。表示土受力水平的定量指标有两种： 动剪应力幅值或动剪应力幅值比 一般说，土的破坏是由剪切引起的，土所受的动剪应力越大，土越接近破坏。因 此，可以用动剪应力幅值表示土的受力水平。但是，土破坏所需的动剪应力幅值随所 受的有效静正应力的增大而增大。因此
15、，即使同一种土当所受的动剪应力幅值相同而 有效静正应力不同时，其接近破坏的程度也不相同，因此，以动剪应力幅值与有效静 正应力比值代替动剪应力幅值表示土的受力水平更合理。 动剪应变幅值 当动剪应力幅值或动剪应力幅值比相同时，不同类型的土产生的动剪切变形是不 同的。软土产生的动剪切变形大，硬土所产生的动剪切变形小；相应地，土结构的破 坏程度也不同。因此，以动应力作用所引起的动剪应变幅值来表示土的受力水平更为 适宜。 1.4 1.4 在动荷载作用下土的受力水平及工作状态在动荷载作用下土的受力水平及工作状态 1. 土的受力水平 土是一种结构性很强的力学介质或工程材料，土受力越大，土结构的破坏性也越 大
16、，土的变形越发展，土也越趋于破坏。因此，在确定土的力学性能时，必须考虑土 的受力水平。 土的受力水平是土受力大小和土结构的破坏程度的一种表示。因此，需要一个定 量指标表示土的受力水平。表示土受力水平的定量指标有两种： 动剪应力幅值或动剪应力幅值比 一般说，土的破坏是由剪切引起的，土所受的动剪应力越大，土越接近破坏。因 此，可以用动剪应力幅值表示土的受力水平。但是，土破坏所需的动剪应力幅值随所 受的有效静正应力的增大而增大。因此，即使同一种土当所受的动剪应力幅值相同而 有效静正应力不同时，其接近破坏的程度也不相同，因此，以动剪应力幅值与有效静 正应力比值代替动剪应力幅值表示土的受力水平更合理。 动剪应变幅值 当动剪应力幅值或动剪应力幅值比相同时，不同类型的土产生的动剪切变形是不 同的。软土产生的动剪切变形大，硬土所产生的动剪切变形小；相应地，土结构的破 坏程度也不同。因此，以动应力作用所引起的动剪应变幅值来表
