单位文秘网 2021-07-22 08:10:23 点击: 次
摘要: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。本文主要涉及土体动力本构关系、室内土动力测试的进展等内容。
关键词:本构模型 原位测试 土动力学
0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,将土动力学的研究推向了一个崭新的阶段。动荷载下土的应力-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。本文主要涉及土体动力本构关系、室内土动力测试的进展等内容。
1土体动力特性
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。
动荷载下土的应力-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。
(1)土的动应力-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-应变关系表现出非线性,滞后性和变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-应变关系的全过程。
(2)应力-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(宾罕姆体)和双线性模式。
2土体动本构关系
土在动荷载(如地震荷载、爆炸荷载、振动荷载等)作用下土体内部产生的应力和应变与时间之间的关系,称为“土的动本构关系”。土的动本构关系反映了土在动荷作用下的基本特征,对研究土的动力反应分析或研究土的动强度、动变形以及土与结构的动力相互作用都十分重要。由于土是一种非线性和弹塑性材料,则饱和砂土实际动本构关系是极其复杂的,它在不同的荷载条件下,土性条件及排水条件下会表现出极不相同的动本构特性。要建立一个能够适用于各种不同条件的动本构模型的普遍形式是不切实际的。切实的方法是针对不同的工程问题,根据土体的不同要求和具体条件,有选择地舍弃部分次要因素,保留所有主要因素,建立一个能够反映实际情况的动本构模型。目前,具体建立的动本构模型已很多,大致可分为两个部分,即粘弹性理论和弹塑性模型。
(1)粘弹性模型
在土体的动力反应分析中,常用的粘弹性理论有等效线性模型和曼辛型非线性模型两大类。其中,等效线性模型包括Hardin-Drnevich模型、Ramberg-Osgood模型双线性模型及一些组合曲线模型。
自1968年Seed提出用等价线性方法近似考虑土的非线性以来,黏弹性理论已有较大的发展。一般的粘弹性模型不能计算永久变形。为此,Martin等人根据等应变反复单剪试验结果,提出了循环荷载作用下永久体积应变的增量公式。其后,日本学者八木、大冈和石桥等人分别由等应力动单剪试验及扭剪试验各自提出了计算永久体积应变增量的经验公式。沈珠江[1]对等价黏弹性模型进行较为全面的研究,认为一个完整的黏弹性模型应该包含四个经验公式:平均剪切模量、阻尼比、永久体积应变和永久剪切应变。当饱和土体处于完全不排水及部分排水条件下,还需要给出孔隙水压力增长和消散模型。采用常规的黏弹性模型在计算过程中不能同时拟合各种应变水平下的剪切模量和阻尼比随剪应变的变化曲线。
(2)弹塑性模型
弹塑性模型建立在弹性理论和塑性增量理论的基础上,将土体的应变分解为可恢复的弹性应变和不可恢复的塑性应变,并分别由弹性理论和塑性理论进行计算。
自20世纪70年代以来,对饱和砂土弹塑性动本构模型展开了较为广泛的研究,其中包括:Desai于1984年提出了单一屈服面的Desai模型,后来又发展成为可以考虑非等向硬化、非关联流动甚至可以考虑损伤的系列模型;以及基于塑性硬化模量场理论所建立的多面模型或多屈服面模型,目前已有的多面模型是由Provest以及Mroz、Norris与Zienkiewicz分别提出的。为了描述循环加载过程中的记忆消失现象,Mroz等人进一步发展了无限多面模型。
3原位测试技术
原位测试技术是土动力学的一个重要分支,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土层的波速测试。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P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,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结束语
经过各国学者的艰苦努力,土动力学这门学科已取得了令人瞩目的成果,在工程实践中发挥了愈来愈大的作用。今后,土动力学的研究需要进一步将理论分析、室内试验、原位试验和模型试验紧密联系起来,并结合高速发展的现代测试技术,各取所长、互相促进,以便更好的指导工程实践。
参考文献:
[1] 沈珠江.一个计算砂土液化变形的等价粘弹性模式[C].中国土木工程学会第四届土力学及基础工程学术会议论文集.北京:中国建筑工业出版社,1986
[2] 路德春,姚仰平,张在明,等.循环加载条件下土的应力路径本构模型[J].水利学报,2008,39(8):907-915
[3] 庄海洋,陈国兴,朱定华.土体动力粘塑性记忆型嵌套面本构模型及其验证[J].岩土工程学报,2006,28(10):1267-1272
[4] 吴世明.土动力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.
作者简介:朱珩(1963-),男,工作单位:南京东大岩土工程技术有限公司。
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