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土力学第十章土的动力性质和压实性第十章土的动力性质和压实性第一节土在动荷载作用下的变形和强度特性一、作用于土体的动荷载和土中波车辆的行驶、风力、波浪、地震、爆炸以及机器的振动，都可能是作用在土体的动力荷载。
这类荷载的特点，一是荷载施加的瞬时性，二是荷载施加的反复性（加卸荷或者荷载变化方向）。
一般将加荷时间在10s以上者都看做静力问题，10s以下者则应视作动力问题。
反复荷载作用的周期往往短至几秒、几分之一秒乃至几十分之一秒，反复次数从几次、几十次乃至千万次。
由于这两个特点，在动力条件下考虑土的变形和强度问题时，往往都要考虑速度效应和循环（振次）效应。
考虑速度效应时，需要将加荷时间的长短换算成加荷速度或相应的应变速度，加荷速度的不同，土的反应也不同。
如图10-1所示，慢速加荷时，土的强度虽然低于快速加荷，但承受的应变范围较大。
循环（振次）效应是指土的力学特性受荷载循环次数的影响情况。
图10-2是说明振次效应的一个实例，土中σf表示静力破坏强度，σd为动应力幅值，σs是在加动应力前对土样所施加的一个小于σf的竖向静偏应力。
由图可见，振次愈少，土的动强度愈高。
随着动荷载反复作用，土的强度逐渐降低，当反复作用10次时，土样的动强度（σd+σs）几乎与静强度σf相同，在加大作用次数，动强度就会低于静强度。
所以，对于动荷载，除了必须考虑其幅值大小以外，尚应考虑其说包含的频率成分和反复作用的次数。
当汽车通过路面或火车通过轨道时，将动荷传到路基上，它们荷载的周期不规则，可从0.1s到数分钟，其特点是反复多次加荷，而且循环次数很多，往往多达103次以上。
因此必须从防止土体反复应变产生疲劳的角度考虑其性质变化。
地震荷载也是随机作用的动荷载，一般为0.2~1.0s的周期作用，但次数不多。
位于土体表面、内部或者基岩的振源所引起的土单元体的动应力、动应变，将以波动的方式在土体中传播。
土中波的形式有以拉压应变为主的纵波、以剪应变为主的横波和主要发生在土体自由界面附近的表面波（瑞利波）。
土的压实性名词解释土的压实性是指土壤在受到外力作用后，减小孔隙度，提高颗粒间接触并增强颗粒之间的相互作用力的能力。
这种能力决定了土壤的稳定性、承载力和抗液化能力等重要土壤工程性质。
本文将从土的压实性的定义、影响因素及其应用等方面展开论述。
一、土的压实性的定义土的压实性是土壤经受外力作用后，颗粒之间的相互作用力增强，孔隙度减小的能力。
压实是指土的颗粒间接触增多，由原本较松散的状态转变为较紧密的状态。
而压实性则是指土壤的受力表现，即土壤在受到外力作用后，其受力特性发生变化。
通常可以通过测定土壤的密实度或孔隙度来评价土的压实性。
二、土的压实性的影响因素1.土壤含水量：土壤含水量的增加可以增加土壤颗粒之间的摩擦力，使土壤更容易压实。
适量的含水量可以促进土体颗粒接触和变形，进而增强土壤的压实性。
但过高的含水量会使土壤颗粒间势能降低，相互排斥减小，导致土壤的压实性下降。
2.土壤颗粒粒径分布：颗粒粒径分布的不均匀性对土体的压实性有较大影响。
当土壤颗粒粒径分布范围较大时，较小颗粒可以填充较大颗粒间的空隙，从而增强土壤的压实性。
3.孔隙度和孔隙结构：孔隙度和孔隙结构是决定土壤压实性的重要因素。
充实和合理分布的孔隙结构有利于土壤的压实性，而孔隙度过高则会降低土壤的压实性。
4.土壤粘粒含量：土壤中的粘粒含量越高，其颗粒间的相互作用力越强，压实性也就越好。
因此，在土壤工程中，有时会采取增加粘粒含量的方法来增强土壤的压实性。
三、土的压实性的应用土的压实性在土壤工程中具有重要的应用价值，主要体现在以下几个方面：1.土壤的稳定性：土壤在受到外力作用时，较好的压实性可以使土体的颗粒间接触增多，相互作用力增强，从而提高土壤的稳定性。
这对于需要保证土壤不发生塌方或滑移等问题的工程非常重要。
2.承载力与抗液化能力：土的压实性与土壤的承载力密切相关。
良好的压实性使得土壤的颗粒更加紧密排列，颗粒间的摩擦力增大，因此土壤的承载力也随之增强。
详细内容:土石料的压实，是土石坝施工质量的关键。
维持土石坝自身稳定的土料内部阻力（粘结力和摩擦力）、土料的防渗性能等，都是随土料密实度的增加而提高。
例如，干表观密度为l.4t／m³的砂壤土，压实后若提高到1．7t／m³，其抗压强度可提高4倍，渗透系数将降低至1／2000。
由于土料压实结果，可使坝坡加陡，加快施工进度，降低工程投资。
一、土料压实特性土料压实特性，与土料本身的性质、颗粒组成情况、级配特点、含水量大小以及压实功能等有关。
对于粘性土和非粘性土的压实有显著的差别。
一般粘性土的粘结力较大，摩擦力较小，具有较大的压缩性，但由于它的透水性小，排水困难，压缩过程慢，所以很难达到固结压实。
而非粘性土料则正好相反，它的粘结力小，摩擦力大，具有较小的压缩性，但由于它的透水性大，排水容易，压缩过程快，能很快达到密实。
土料颗粒粗细组成也影响压实效果。
颗粒愈细，空隙比就愈大，所含矿物分散度愈高，就愈不容易压实。
所以粘性土的压实干表观密度低于非粘性土的压实干表观密度。
颗粒不均匀的砂砾料，比颗粒均匀的细砂可能达到的干表观密度要大一些。
土料的含水量是影响压实效果的重要因素之一。
用原南京水利实验处击实仪（简称南实仪）对粘性土的击实试验，得到一组击实次数、干表观密度与含水量的关系曲线，如图4 2所示，图中”为击实次数，G为饱和度。
在某一击实次数下，干表观密度达到最大值时的含水量为最优含水量；对每一种土料，在一定的压实功能下，只有在最优含水量范围内，才能获得最大的干表观密度，且压实也较经济。
非粘性土料的透水性大，排水容易，压缩过程快，能够很快达到压实，不存在最优含水量，含水量不作专门控制。
这是非粘性土料与粘性土料压实特性的根本区别。
压实功能的大小，也影响着土料干表观密度的大小，从图4—2可见，击实次数增加，干表观密度电随之增大而最优含水量则随之减小。
说明同一种土料的最优含水量和最大干表观密度并不是一个恒定值，而是随压实功能的不同而异。
土的压实特性
一、土的击实试验
把土压实，土粒之间的孔隙减小，孔隙比减小，土的密度增大。
其结果是，在荷载的作用下沉降量减少，土的强度得到提高，透水性降低，土的力学性质得到改善。
所以，在道路、铁道、堤防、填海造田等的填土工程及土坝的筑造等工程中，土方的压实是一个重要的课题。
Proctor(1933)对同样的土进行了含水量不同、压实功不变的击实试验。
很有趣的是，他发现，在压实功不变的情况下，在某一含水量时，可以得到最大的干密度。
即，在同一压实能量的条件下，存在着最容易压实的含水量。
把这个含水量叫做最优含水量ωopt (这就是说，有时，在含水量不合适时，不论怎样增加压实功，也不容易压实，很不经济)。
可以这样考虑，含水量比最优含水量ωopt 小的时候，作为润滑剂的水过少，土不容易压实，含水量比最优含水量ωopt 大的时候，水过多，在压实的过程中，孔隙中的水在短时间排不出来，土也不容易压实。
所以，应事先求出填土的最优含水量，当现场土的天然含水量比最优含水量小的时候，施工时可以边洒水边碾压，并尽量控制填土含水量在最优含水量的附近压实。
但是，当现场的天然含水量比最优含水量大的时候，因为没有那样的大型干燥机，在现场要使填土干燥实际上是比较困难的。
图1 击实试验装置
(a) 击实筒(内径10cm)；(b)夯实器(2.5kg)
最优含水量ωopt 是由土的击实试验求出的。
这是在实验室内，用简单的试验装置模仿现场的压实机械的试验。
其方法是，在图1所示的容器内装入数层土，每层都用重锤锤击规定的次数，使土压实。
然后根据容器内土的质量求出土的天然密度ρt ，测出土的含水量ω，按下式计算土的干密度ρd ：
ω
ρρ+=1t d 改变土的含水量，反复进行上述试验，根据试验结果，以含水量ω为横坐标，以干密度ρd 为纵坐标，可以绘出图2那样的向上凸的山形曲线。
把这条曲线叫做击实曲线。
击实曲线顶点处于密度达到最大值，叫做最大干密度ρdmax ，这时的含水量叫最优含水量ωopt 。
图2 击实曲线和最优含水量ωopt
在图2中，作为参考，绘出了饱和度分别是S r ＝l00％、90％、80％、70％时干密度ρd 与含水量ω的理论关系曲线(图中ρω=1g/cm 3,G s =2.65)。
ρd 与ω的关系，如果以S r 为参数，根据式ωρρe G s d +=1和ωs r G eS =可以表示为下式： r
s s s s d S G G e G e G ωρρρρωωω+=+=+=111 由图2可以看到，随着含水量的增大，土趋近于饱和，所以击实曲线渐近于饱和度S r ＝l00％的曲线(孔隙全部被水充满，也称为零孔隙曲线)。
二、土的种类和击实曲线的特征
砂质土的土颗粒大，比表面积小，所以，最优含水量ωopt 小，在很少的水分下就可以压实，击实曲线的山形很陡。
而且，砂土的孔隙比e 比粘土的小，由公式ρd = G s ρω/(1+e )可知，干密度ρd 大。
反之，粘性土土颗粒小，比表面积大，所以，最优含水量ωopt 大，对水的效果不敏感，击实曲线的山形平缓。
并且，粘性土的孔隙比e 比砂土的大，通常干密度ρd 小[见图3(a)]。
图3 击实曲线中粒径、压实功的影响
对于相同的土，加大压实功，例如，加大锤重、提高落距、或者增加锤击次数，如图3(b)所示，此时有最大干密度增大、最优含水量减小的倾向。
而且可以看到，图3(a)、(b)中的压实曲线，右侧都与理论饱和曲线(S r ＝100％)渐近。
从而可知，随着干密度的增加，最优
含水量ωopt 会不断减少。
即使是不同的土，理论饱和曲线也几乎相等。
因为，在公式(1．19)中，S r ＝100％，ρω=1g/cm 3,只是G s 稍有不同，G s =2.65~2.7。
三、相对密度(relative density) D r
砂土的密实程度可以用孔隙比s v V V e =这一指标来衡量。
可是砂土的种类不同，最松状态的孔隙比(最大孔隙比)e max 以及最密实状态的孔隙比(最小孔隙比) e min 也不同，所以，仅仅依靠孔隙比e 绝对值的大小，还不能判断砂土实际的密实程度，因此引入相对密度D r 这一指标：
%100min
max max ⨯--=e e e e D r 式中，e 是砂土的实际孔隙比。
D r ＝0时，即e ＝e max ，砂土处于最松散的状态。
D r ＝100％时，即e ＝e min ，砂土处于最密实的状态。
通常，0＜D r ＜40％是松砂，40％＜D r ＜65％是中密砂，65％＜D r ＜100％是密实的砂。
