高等土力学.docx

1、高等土力学中国土动力学的发展现状与存在的问题*谢定义(西安理工大学,陕西西安 710048)摘 要:本文对中国土动力学领域的基本情况作了扼要的回顾,对近年来在这个学科领域内发生的重要变化、存在问题也作了较深刻的解剖与分析,提出了需要进一步研究的问题。关键词:土动力学;发展现状;问题;研究方向中图分类号: TU435 文献标识码: A 文章编号: 1000 -0844(2007)01 -0094 -02Developing Situation and Problems of Soil Dynamics in ChinaXIE Ding-yi( Xian University of Technol

2、ogy, Xian 710048,China)Abstract:The countrywide situation of soil dynamics field in China is given briefly, the importantchanges occurred in recent years, the shortcomings existed in the field and the directional prob-lems needed to be researched are analyzed in this paper.Key words: Soil dynamics;

3、Developing situation; Shortcomings; Research directions 土动力学和非饱和土力学是20世纪土力学发展的两个重要分支,它们分别以针对动力荷载研究的特殊性和针对三相组成共同作用研究的普遍性而得到了广泛的重视。尤其是土动力学,它是和一系列特殊作用的动荷载联系在一的。土动力学由早期的动力机器作用到后来的强地震作用,甚至海洋、交通等动力作用,都是从建设的实际需要提出来进行研究的,具有很强的针对性 虽然我国的土动力学研究曾经开创了用动三轴试验进行研究的新途径和孔隙水压力消散扩散的新理论,但是被人们广泛重视还是受了我国几次大地震,尤其是唐山地震的强烈推动

4、。1978年的唐山大地震对中国土动力学研究的作用,如同1964年日本的新泻大地震和1964年美国的阿拉斯加大地震对日本和美国土动力学的推动作用一样,都是无可辩驳地将土动力学研究的迫切性摆在了人们的面前,提上了重要的议事日程。一时间,国内出现了有150多人参加的饱和砂土抗震与液化机理分析的培训班;出现了全国知名专家的土动力学系列讲座;出现了各式各样动三轴以及共振柱仪研制的热潮;出现了全国范围内以提高试验精度为目的的动三轴仪试验方法的对比分析;出现了动三轴试验的操作规程;出现了土动力学全国性的学术讨论会;出现了很多高校与科研院所的动三轴试验室;出现了我国第一部土动力学的系统教材;出现了具有中国特色

5、的地基液化评判及水工建筑物抗液化设计的规程或有关条款;出现了用爆破沉降量判定地基液化的大型现场试验研究;出现了对火车经过饱和砂土地区时土中孔隙水压力和沉降变形的系统现场测定分析;出现了对黄土、海洋土、软粘土以及粉煤灰等材料动力特性的系统探索;出现了关于液化机理分析和液化评判方法、关于瞬态动力学的物态变化理论、关于非等向固结条件下孔隙水压力计算模型、关于现场地基土动力蠕变变形特性、关于桩的动力工作特性模型试验、关于振波在复杂介质中的传播理论等及其他方面一系列具有新见解的思路和方法。 从1988年土动力学学会成立后近20年的形势来看,我国在土动力学在其继续发展中,除了在一些问题上有了进一步的深化外

6、,在对不规则波作用的研究,对液化大变形的研究,对挡土墙上动土压力的研究,对非线性、弹塑性动本构关系的研究,对土工抗震分析软件的研究等方面都得到了令人鼓舞的成果。但是,不可否认我国的土动力学在获得继续发展的同时也开始经历着一些值得引起重视的变化。土动力学的研究队伍出现了新老间的自然交替;广大的硕、博士研究生加强了研究的力量;研究设备在出现大量退役的同时,发生了新的更新与重组分布;研究集体出现了新的分併与改制;研究经费来源受到了限制或分散,自然科学基金的资助也逐渐减小;研究的迫切感和积极性发生了由上到下的逐渐淡化,不少昔日有过辉煌的单位基本上下马换户;重要学报上的研究论文日益贫乏;许多有价值的思路

7、和方法被半途而废,后继乏人。如果这种现象并不是错觉的话,我们难道还不应该对它们引起足够的注视吗? 也许在这些所有的问题中,由上到下对土动力学研究紧迫感和积极性的淡化可能是一个最为关键的问题。我们不能因为今天没有火灾就不设置灭火器、消防队;我们不能因为心脏病最近没有发作就不准备一些硝酸甘油之类的药品;我们更不能因为大的地震几十年没有来就不研究土动力学或不加强建筑与地基的抗震设防。我相信只要我们能够从认识上加强忧患意识,提高对学科发展的责任感,土动力学的队伍、设备和集体的重组会形成良好的布局,土动力学研究与实际工程的结合会造就有特色的研究集体和他们之间的相互推动。的确,土动力学需要解决的问题还很多

8、,在学科的长远发展和工程的迫切需要方面都还需要做不少的工作。我们要求土动力学能解决实际问题,但它目前解决问题的局限性仍然不得不承认。这并不是土动力学的研究不需要,而恰恰说明了对土动力学研究的必要性。土动力学有液化、震陷等一类老问题,更有当代解决工程问题的有效方法,即数值分析方法所不能回避的本构模型问题,在这些问题上我们还缺乏令人满意的预估方法。这种现状不能不加剧我们对其进行工作的责任感。我们现在还缺乏对一个随机地震荷载进行模拟的正确有效方法,更缺乏对一个土动力学研究成果正确性做出客观评价的可靠手段。我们还很缺乏有系统成果的工程遭受地震作用时有关行为的实测成果,我们的不少成果还局限在对一些本来就

9、不完善的方法作一些评头论足,修修补补,甚至简单重复上。我们好一些研究者还不断受着经济杠杆的支配,打一枪换一个地方地做游击式的工作,妨碍着科研所必需的执著连续作战。我们的一些研究还很不善于从与研究课题密切相关的学科中汲取新的支撑点和营养。这些问题也是需要不断得到解决的。 现在我们国家的土动力学的发展特别需要有一大批前赴后继的骨干、名人、专家和集体。应该说我们现在的设备条件、经费条件、人力条件都要比20、30年前优越得多了,这就是我们工作信心的基础。我希望能够在今后的审稿中,在评奖中,在会议上,在学报上,能够进一步欣赏我国土动力学的特色,和大家一起共同来享受新进步的喜悦。岩土工程学报1卯8年呈现出

10、不可逆的体积压缩,在不排水条件下,引起孔隙水压增大和有效应力减小,最后导致“无限度”的流动变形。C)循环活动性循环活动性主要曾被发现于相对于相对密度较大(中密以上到紧密)的饱和无粘性土的固结不排水循环三轴或循环单剪切和循环扭剪试验中。它主要与试件在循环作用中的剪缩和剪胀交替变化有关,从而形成了间歇性瞬态液化和有限度断续变形的格局。饱和砂土发生液化,取决于一系列因素的综合影响。主要因素有:土性条件、起始应力条件、动荷条件和排水条件。(2)砂土液化的预估方法评定砂土液化的可能性,是对比促使液化方面和阻抗液化方面的某种代表性物理量的相对大小而作出判断。Cas刊孕朋de(1936年)提出了临界孔隙比法

11、,认为存在一个剪切破坏时体积不发生改变,既不压实又不松胀的密度,其相应的孔隙比为临界孔隙比。Seed(1971年)提出了抗液法剪应力法,是目前国内外应用最广泛的方法,它的关键在于正确确定出地震剪应力和抗液化剪应力。MacjiobH.H.(1970年)提出了临界加速度法。我国工业民用建筑地基抗震设计规范采用临界标准贯人击数法,该法基本上反映了影响饱和砂土振动液化的各个主要因素,且比较简单,可以和场地勘察工作同时进行。另外还有振动稳定密度法、标准爆破沉降量法、波速法、综合指标法、静力触探和统计法。2.3动剪切模量与阻尼比土在动力作用下的变形特性受很多因素影响,在微小应变范围内可作为弹性变形,用弹性

12、波速法和共振柱试验测定动剪切模量与阻尼比;当应变在104以上时,非线性变形性质显著,用周期加载试验测应力与应变关系曲线确定。影响土的剪切模量与阻尼比重要因素有剪应变幅值、平均有效应力、孔隙比和周期加荷次数,此外还有饱和度、超固结比、周期加荷频率、土粒特征、土的结构等一些次要的因素,以下分别叙述剪切模量与阻尼比的主要影响因素和表示方法。动剪切模量砂土的剪切模量C在很大的应变范围内,19与19。(平均有效应力)呈直线关系(Hardin&Richard),但在不同剪应变时的斜率不同,剪切模量随着剪应变的增大而减小。粘性土的剪切模量除了与平均有效应力、孔隙比、剪应变有关外,还受超固结比和时间影响。粘性

13、土试样在主固结完后,若保持固结压力不变,随着时间的增长,剪切模量将继续增大,这种影响称为时间效应。粘性土的剪切模量也随剪应变的增大而下降,但是不同的土的曲线下降不同。阻尼比地基或土工结构物振动时,阻尼有两大类:一类是逸散阻尼,由土体中积蓄的振动能量以表面波和体波(包括剪切波和压缩波)向四周和下方扩散引起;一类是材料阻尼,由土粒间的摩擦、孔隙水和空气的粘滞性产生。在用有限元法分析中,考虑了土体中振动扩散,只采用材料阻尼。砂土的阻尼比受平均有效应力的影响明显,粘性土的阻尼比随着塑性指数吞的增大而降低,随着时间的增长而减小。各种土的阴尼比都随着剪应变的增大而增大。3原位测试技术原位测试技术是土动力学

14、的一个重要分支,是土动力学在工程应用方面的重大进展。土动力特性在现场的原位测试技术,目前在国内外应用最广泛的是:桩的动力测试;地基的动力测试;土层的波速测试。下面我们就依次来介绍这些原位测试技术的原理及方法。3.1桩的动力测试桩基工程是地下的隐蔽工程,因此对桩的质量和承载力的检验是个重要问题。过去传统习惯是用超声探伤或钻孔取芯来检验桩的质量。用静力荷载试验来检验桩的承载力。但是这些方法成本高、费时、费力。因此国内外均大力发展用动力方法来检验桩的承载力和质量。(l)桩的完整性和质量检测用动力方法检验桩的完整性和质量,可以用两种方法,即频域法和时域法。前者在桩顶施加一稳态的简谐激振力(通常是用电磁

15、激振器)进行扫频激振,并用传感器测定桩顶的速度曲线,根据实测的桩顶速度频率曲线即可判断桩的质量和完整性;后者在桩顶施加一瞬态激振力(常用手锤敲击),并用传感器测得桩顶速度的时域曲线,即可判断桩的质量和完整性,这一方法也叫反射波法。(2)桩的承载力检测用动力方法检测桩的承载力,目前在国外都是用大应变的方法,用得较多的是波动方程法和静动法。前者用重锤冲击桩顶使桩产生3以上的贯人度,然后通过安装在桩上部的应变计和加速度传感器测得的F(t)和V(t),按波动应力的方法求得桩的极限承载吴世明等.土动力学现状与发展力。鉴于这种方法只能用于打人桩,故近年来又开发了后一种方法,静动法用燃烧固体燃料和压重,使桩

16、顶受一持续时间较长的反力,使桩产生较大的贯人度,而且不使桩顶损坏,然后按刚体运动的方法,扣除惯性力和土的阻尼力,即可得到与静力荷载试验方法相同的结果。国内开发一种新的小应变动测桩承载力的方法,目前已得到广泛的应用且已有国家规程(JGJ/玲3-95)。其中频域法与上述检验桩质量的方法相同,根据所得的桩顶速度频域曲线的低频段,即可确定桩的容许承载力。小应变动测法的时域法也与上述检验桩质量的方法相同,但需要求出瞬态激振下桩的基频,从而算出桩土体系的动刚度凡,并由此可求出桩的容许承载力。小应变动测方法要比国外的大应变动测法成本低、效率高、覆盖面大,不仅可以用于打入桩,而有可适用于国内数量较多的灌注桩。

17、3.2地基的动力测试对于天然地基或人工地基承载力的测定,按照传统的规范法,只有取原状土进行室内试验,根据其物理力学指标确定其承载力或者进行现场的静力荷载试验,但前者可靠性较差,有的土无法取原状土;后者则成本高、费时、费力,建设单位很少进行。因此急需一种替代的方法。我国目前有两种动力测定地基承载力的方法,都是从桩的动测方法演变过来的。一是动荷载试验法,类似于动测桩的共振法,它是在研究各类土的动、静模量比E洲E0的基础上提出来的,然后根据规范规定的容许沉降仁S,定出各类地基的容许承载力f0;另一种方法,类似于动测桩的动参数法,求出地基的抗压刚度系数C后,按我国的动力基础设计规范反求f0。目前国外也

18、在研究动测地基承载力的方法,美国德克萨斯A&M大学的J.L.勃里奥教授提出的WAK试验方法,从本质上与上述国内的第一种方法相同。3.3土层的波速度测试土层的波速度测试主要是利用物探中的地震法原理,量测弹性波在土层中传播的速度,计算土的动力变形特性参数。按其工作方式可简单地分为两大类,即钻孔法和表面法。(l)钻孔法目前岩土工程中已有的钻孔法按振源和检波器的布置不同可分为跨孔法、下孔法、上孔法、孔内法和孔底法等。应用这类方法时,须在地层中钻一个或多个孔,以此测定不同深度处岩土介质的尸波和S波速度以及波的衰减性质。钻孔法的原理较简单,按波传播的距离和历时即可计算波速。在计算波速时,常假定波沿直线传播

19、,只要改变检波器或振源或两者的位置即可测定不同深度处岩土的波速。(2)表面法用表面法进行波动勘测时,毋须在地层中钻孔,振源检波器均布置在地表面上。表面法目前主要包括折射波法、反射波法、稳态振动法和瞬态振动法,其实测数据分析均比钻孔法的要复杂。折射波法试验由于测试精度不高及在下层波速小于上层波速以及含软夹层的情况下不能使用等原因,在工程中多为初步勘测之用。反射法对测试仪器的要求较高,资料分析比较复杂,在工程中应用得不够广泛。稳态振动法能够得出地层S波速与深度的近似关系曲线。瞬态振动法又称表面波频谱分析法(SASW法)。稳态和瞬态振动法统称表面波法,虽然测试深度受振源能量大小的限制,对成层勘测仍不

20、失为一种有效方法,对于难以钻孔试验和取样的土层尤其适用。4土动力学室内测试技术土动力特性室内试验,是将土的试样按照要求的湿度、密度、结构和应力状态制备于一定试样容器之中,然后施加不同形式和不同强度的振动荷载作用,再量测在振动作用下试样的应力和应变,从而对土性和有关指标的变化规律作出定性和定量的判断。由于土动力问题研究的应变范围很大,需要用不同的测试方法来确定土动力计算中所用的特性参数。在室内可以做从小应变到大应变的试验。下面首先介绍各种动力试验的基本原理,然后分别介绍动三轴试验,振动剪切试验,共振柱试验,振动台试验和离心模型试验。4.1动力试验的基本原理各种动力试验一般都包括激振和测振两个部分

21、C(l)激振激振的基本要求是向土样施加某种动荷载,使其尽可能地模拟实际的动力作用。室内动力试验采用的激振方法主要有四种:机械激振、电磁激振、电液激振、气动激振。(2)测振土动力试验的各项物理量需由测振系统进行量测。需测振的参数总括有三大类:关于应力的;关于应变的;关于振动性状的(如阻尼、衰减等)。被测物理量的转换,放大和记录构成了电测的基本系统,包括传感器、放大器和记录仪。其中最关键的部件是各种类型的传感器。土动力试验中常用的传感器可分为两种类型,即能量型传感器(包括磁电式和压电式)和岩土工移学报1卯8年参数型传感器(包括电阻式和电感式)。测振中宜针对各自的特点予以选用。4.2室内动力试验(l

22、)动三轴试验动三轴试验是从静三轴试验发展得来的,它利用与静三轴试验相似的轴向应力条件,通过对试样施加模拟的动主应力,同时测得试样在承受施加的动荷载作用下所表现的动态反应。根据这几方面指标的相对关系,推出岩土的各项动弹性参数及粘弹性参数,以及试样在模拟某种实际振动的动应力作用下所表现的性状。动三轴试验的设备为动三轴仪。(2)振动剪切试验对实际地基来说,土的振动变形大部分是由于从下卧层向上传递的剪切波引起的。为了在试验室内真实地模拟实际地基的这种应力条件,70年代以来,相继发展了各种振动剪切试验设备,大致可分为振动(盒式)单剪仪和振动扭剪仪两类。(3)共振柱试验共振柱试验是根据共振原理在一个圆柱形

23、试样上进行振动,改变振动频率使其产生共振,并借以测求试样的动弹性模量及阻尼比等参数的试验。日本板田(Iida,1938年)开始进行此方法的研究,60年代以来,使用日益广泛,W以x1s(1978年)详细介绍了共振柱仪用于岩土地震工程中的发展史。共振柱是一种无损试验技术,其优越性表现在试验的可逆性和重复性上,从而可以求得十分稳定可靠的结果。(4)振动台试验振动台试验是70年代发展起来专用于土的液化性状研究的室内大型动力试验。它具有下述一些优点(Fin-n1972年):可制备模拟现场K0状态饱和砂的大型均匀试样;在低频和平面应变的条件下,整个土样中将产生均匀的加速度,相当于现场剪切波的传播;可以量出

24、液化时大体积饱和砂土中,实际孔隙水压力的分布;在振动时能用肉眼观察试样,但制备大型试样费用很高,不同的制备方法对试验结果的影响很大(Seed1976年)。(5)离心模型试验模型试验是一种研究土体动力特性的重要方法,它是将原型土体的尺寸按一定几何比尺缩小为模型后,对其按要求的相似条件选定材料,施加静动荷载,测定出应力、应变、最后反算到原型。要寻找能够完全满足各相似条件的材料往往是困难的。如果模型与原型采用同一种材料,又会歪曲原形的实际性状,为了克服这种困难,早在40多年前就提出离心模型试验的方法。模拟地震作用的离心机要求能够发生足够的力,能高速加卸有效荷载,故常用压电振动系统,它可以精确地控制其

25、幅值和持续时间。5土与结构动力相互作用土一结构动力相互作用问题的实质是研究地基对建筑物动力反应的影响。早在本世纪30年代后期,研究人员已经认识到在地震作用下上部结构和地基是相互的影响的藕连体系,应作为整体系统来研究其动力反应:Reussner(1936年)关于弹性半空间表面刚性圆形基础振动的研究(即通称的基础振动问题的Reissner理论)奠定了土一结构动力作用问题研究的基础。Pannelee(1967年)提出了比较合理的土一结构动力相互作用的理论计算模型,将结构和地基作为相互藕连的体系来研究其在地震作用下的动力反应,初步揭示了动力相互作用现象的一些基本规律。70年代以后,由于计算机技术的发展

26、,为土一结构动力相互作用的研究提供了有力的分析计算手段。此外,工程建设的实际需要,大大推动了土一结构动力相互作用的研究。相互作用的计算模型及分析方法也逐步得到完善。在研究的方法上大致可分为三类,即理论分析法、模型试验法、原位测试法。5.1理论分析法理论分析法是土一结构动力相互作用研究的基础。目前,土一结构动力相互作用分析,解析解虽然仍起着一定的作用,但主要采用数值模拟方法,可分为子结构法、有限元法和杂交法三种。(l)子结构法子结构法在分析土一结构动力相互作用问题时是较常用的一种方法。它一般可分为两步解决,第一步:分别求出上部结构、基础和地基的单体反应;第二步:联合各单体反应使其满足相互作用的条

27、件,从而得到整体系统的动力反应。WoifJP(1989年)对该方法作了详细的论述。它的优点在于对每个子系统(上部结构、基础、地基)的分析,均可采用最适合于整个问题中该局部部分的分析方法,而且在计算分析过程中可以得到中间结果,从而有助于加深对相互作用效应的理解,也有助于检验最终结果的精度。基础的振动阻抗是子结构法必不可少的研究内容。(2)有限元法这里指的是对整个土一结构动力体系进行有限元离散化计算动力反应的一种分析方法。从基本处理手法来说,与一般静力问题的有限元法是一致的,特殊之处在于如何将地基无限边界的动力问题处理成有限边界的动力问题,这一处理方法的好坏直接影响计算的土动力学现状与发展Stat

28、e一of一artanddeveloPmentof5011dynamies吴世明徐枚在(浙江大学,杭州,31(X)27)(冶金部建筑研究总院,北京,l仪幻88中图法分类号TLJ435作者简介吴世明,男,1945年生,1983年获美国密执安大学土木工程博士学位,现任浙江大学土木工程系教授,岩土工程研究所所长,中国土力学与基础工程学会理事,中国振动工程学会理事兼土动力学专业委员会主任委员。1引言土动力学是土力学的一个分支,是研究动荷载作用下土的变形和强度特性及土体稳定性的一门科学。作为一门发展中的学科,近年来,无论在对土的动力性质的认识还是在工程的应用,都有新的发现和进展。计算技术和量测技术的发展,

29、将土动力学的研究推向了一个崭新的阶段。这里将介绍土动力学的主要研究内容及其发展,包括土的动力特性、原位测试技术、室内测试技术、土与结构物相互作用和动力机器基础五大部分。2土的动力特性建筑物地基和土工建筑物在动荷载作用下发生振动,土的强度和变形特性都要受到影响,在不同动荷载下土的强度和变形各不相同,其共同特点是都将受到加荷速率和加荷次数的影响。2.1动荷载下土的应力一应变关系动荷载下土的应力一应变关系是表征土动力学特性的基本关系,也是分析土体动力失稳过程一系列特性的重要基础。(l)土的动应力一应变关系的特征由于土具有明显的各向异性,加上土中水的影响,使土的动应力一应变关系表现出非线性,滞后性和变

30、形积累三方面的特征。骨干曲线表示最大剪应力与最大剪应变之间的关系,反映了动应变的非线性;滞回曲线表示某一个应力环内各时刻剪应力与剪应变之间的关系,反映了应变对应力的滞后性,它们一起反映了应力一应变关系的全过程。(2)应力一应变关系的力学模型土受力后的表现可以抽象出以下三个基本力学元件,即弹性元件、粘性元件和塑性元件,并且可用这三个元件的组合来近似地描述土的力学性能。弹性元件和塑性元件的应力一应变关系组合可得理想弹性模型,对于粘弹性模式,在土动力学中,只分析滞后模型(克尔文体)。另外还可组合成粘塑性模式(冰罕姆体)和双线性模式。(3)土动力本构关系的模型粘弹性模型:主要包括双直线模型、等效线性模型(H词in一Dmevieh模型)、R歇lde屯一059拟l模型。弹塑性模型:大致可为多屈服面模型(Mroz&Iwan1977年,Mroz&Prevost),单屈服面模型(肠eg&Dafalias1975年,Mroz&Dafalias),点屈服面模型(Dafalias)和分屈服面模型(西女子一等),以及岩土弹塑性临界状态模型(Drucker,Roscot等)。内时模型:内时理论由ValaniS(1971年)首次提出,Val痴S(1980年)对内时理论作了重要修正。另外还有I模型和Martin一Finn一Seed模型。2.