下载文档原格式
土的动力特征参数土的动力特征参数2010-04-1809:399.5.1土的主要动力特征参数在实际应用中需要用某种数学的或物理的模型来描述土在动荷载作用下应力应变关系，这就是动力特征参数。
土的动力特征参数一般分为两类。
一类是与土的抗震稳定性直接有关的参数，如动强度、液化特性、震陷性质等;另一类是土作为地震波传播介质时表现出来的性质，也就是土层动力反应分析中使用的参数，如剪切波速、动模量(动弹性模量或动剪切模量)、阻尼特性(阻尼比或衰减系数)、振动条件下的体积模量和泊松比等。
其中动剪切模量和阻尼比是表征土的动力特征的两个很重要的参数。
1.土的动剪切模量动剪切模量Gd是指产生单位动剪应变时所需要的动剪应力，即动剪应力与动剪应变之比值，按下式计算:(9-5)动剪切模量Gd可由滞回曲线顶点与原点的直线的斜率表示。
由骨架曲线可知,随着或的增大，Gd越来越小，即土的动剪切模量随着动应力或动应变的增大而减小。
2.土的阻尼比土的阻尼比是指阻尼系数与临界阻尼系数的比值。
阻尼比是衡量吸收振动能量的尺度。
土体作为一个振动体系，其质点在运动过程中由于粘滞摩擦作用而有一定能量的损失，这种现象称为阻尼，也称粘滞阻尼。
在自由振动中，阻尼表现为质点的振幅随振次而逐渐衰减。
在强迫振动中，则表现为应变滞后于应力而形成滞回圈。
由物理学可知，非弹性体对振动波的传播有阻尼作用，这种阻尼力作用与振动的速度成正比关系，比例系数即为阻尼系数，使非弹性体产生振动过渡到不产生振动时的阻尼系数，称为临界阻尼系数。
地基或土工结构物振动时，阻尼有两类，一类是逸散阻尼，由于土体中积蓄的振动能量以表面波或体波(包含剪切波和压缩波)向四周和下方扩散而产生的;另一类是材料阻尼,由于土粒间摩擦和孔隙中水与气体的粘滞性引起。
在用有限元分析地震影响时,由于已经考虑了振动能量的扩散,故仅采用材料阻尼。
无粘性土的阻尼比受有效应力的影响明显,粘性土的阻尼比随着塑性指数的增加而降低，随着时间增长而降低。
土的动力性质正文动力作用下的土的力学性能。
当土的应变（纵向应变或剪应变）在10-6～10-4范围（如由于动力机器基础、车辆行驶等所引起的振动）时，土显示出近似弹性的特性；当应变在10-4～10-2范围（如打桩、中等程度的地震等所引起的振动）时，土具有弹塑性的特性；当应变达到百分之几的量级（如0.02～0.05）时，土将发生振动压密、破坏、液化等现象。
因此，土的主要动力特性通常以10-4的应变值作为大、小应变的界限值。
在小应变幅情况下，主要是研究土的动剪切模量和阻尼；在大应变幅情况下则主要研究土的振动压密和动强度问题；而振动液化则是特殊条件下的动强度问题。
所以，土的动力性质主要是指动剪切模量、阻尼、振动压密、动强度和液化（见砂土液化）等五个方面。
土的动剪切模量小应变幅的动剪切模量常用野外波速法和室内共振柱试验测定，也可用经验公式估算。
波速法根据所测得的从振源到拾振器之间的距离和剪切波（或压缩波）到达拾振器所需要的时间来计算剪切波波速v s，则得：(1)式中G d为土的动剪切模量；ρ为土的质量密度。
波速法按其激振和接收方式的不同，有表面波波速法、上孔法、下孔法和跨孔法（两个或更多个钻孔）等，以后者用得较多（见工程地球物理勘探）。
共振柱法在实心或空心的圆柱形土样上施加纵向振动或扭转振动，并逐级增大驱动频率，直到试样发生共振为止。
根据一端固定、一端自由的端部条件，并忽视端部激振器的质量，可得G d＝16f2l2γ/ɡ(2)式中f为扭转振动时的共振频率；l为试样的高度；γ为土的容重；ɡ为重力加速度。
影响土的动剪切模量的变量有剪应变幅、有效平均主应力、孔隙比、颗粒特征、土的结构、应力历史、振动频率、饱和度和温度等，其中有几个变量是相互联系的（如土的孔隙比、结构和颗粒特征）。
对小应变幅动剪切模量，剪应变幅的影响可以忽略。
对于净砂，在小剪应变幅（小于10-5）的情况下,动剪切模量主要是孔隙比和有效平均主应力的函数。
土的动力特性分析方法探讨冯子江;刘玉;侯晓燕;鲜莉莉;徐成中【摘要】针对土的动力特性传统分析方法的局限性,讨论了应用微细观结构动力分析方法分析土的动力特性的必要性,从土的微细观结构入手,提出分析动力荷载作用下土体与建筑物基础共同作用的分析方法是离散单元法与有限单元法相结合的数值分析法.最后,探讨了求解土动力学问题的方法.【期刊名称】《华北水利水电学院学报》【年(卷),期】2012(033)003【总页数】3页(P97-99)【关键词】土体;动力特性;微细观结构;数值方法;动态松弛法【作者】冯子江;刘玉;侯晓燕;鲜莉莉;徐成中【作者单位】无锡中粮工程科技有限公司,江苏无锡214035;长安大学,陕西西安710064;无锡中粮工程科技有限公司,江苏无锡214035;无锡中粮工程科技有限公司,江苏无锡214035;无锡中粮工程科技有限公司,江苏无锡214035【正文语种】中文在过去的几十年里，强震在世界范围内频繁发生，这是推动土动力学发展的主要客观原因之一.计算机技术、数值方法的快速发展，土工测试技术的不断提高以及不同学科之间的相互渗透等是推动土动力学发展的理论基础与方法依据.随着研究手段的提高，研究方法的深入，人们已经不再满足于简易的数学计算，而期望在更高层次上把握与认识土的动力特性.土的动力特性是指在动荷载作用下土的动强度和抗液化强度不断变化的特性［1］.通过弹塑性模型能够比较真实地反映土的动力特性.然而，受到土静力学和经典力学方法的束缚，土动力学模型与实际差异较大，适用范围相对狭窄，求解也有较大的盲目性，而且模型根据应用条件不同需要不断修正.因而，传统方法模型的应用效率较差，且造成人力与物力的浪费.目前，土的微细观结构动力分析方法在各种土质分析中的应用已经引起广泛关注.从土的微细观层次上分析土的动力特性能够弥补传统方法的不足，能够充分揭示土体的破坏机理.在此，笔者将探讨应用微细观结构动力分析方法分析土的动力特性的必要性，并从微细观结构分析入手，讨论动荷载作用下土体与建筑物基础共同作用的分析方法以及求解动力学问题的方法.土是一种特殊的建筑材料，具有复杂的非线性特征、历史性与不确定性.一直以来，由于受研究手段的限制，人们通常基于线性分析从宏观层次上应用连续介质力学方法分析土体的动力特性，并通过室内试验探索土体的工程性质，而从微细观层次上揭示土体破坏机理的研究却不太普遍.现代科技的快速发展，尤其是图像技术与数值方法的快速发展为突破传统研究方法的局限性提供了可能.譬如，现代图像技术已用于分析矿料颗粒的形状与分布特征等［2］;数值模拟方法已用于模拟地基的回弹特性［3］、土体颗粒的排列形式［4］及非线性特征［5］等.事实上，土的宏观工程行为是微观或细观结构的反映，很大程度上受到微观或细观参数的直接或间接影响，尤其土体中颗粒的形状、大小差异也较大.因此，采用均匀化处理的连续介质模式来处理土的动力学问题很难准确表达其结构的复杂性.土的性质、结构组分不同，其表现出的动力特性也不同.例如相对于黏土，砂土更易液化，粉土根据其黏粒的含量不同表现出不同的抗液化性能等.土体液化与土的结构组成有关，是土体微观结构力学行为的宏观反映［6］.因此只有从土的微结构出发探索土的动力特性，应用微细观结构动力分析方法才能完全揭示土在宏观上反映出的土体液化和在动力荷载作用下动强度的变化机理.在建筑结构分析过程中，常常把上部结构、基础、地基三者分开来考虑.首先，用固定支座来代替地基基础，并假设基础的变形可以忽略，计算上部结构的应力与变形并求得作用在基础上的支座反力;然后，把上一步计算得到的支座反力作用到地基基础上，基于材料力学求解地基基础底部的反力，并进而确定边界条件，求得基础内部的应力与变形;最后，施加上一步计算得到的地基基础反力到地基上，以验算地基承载力与变形.显然，这种计算方法简化了结构与地基基础设计，方便应用且计算量较小，但它忽略了3个计算步骤之间的联系，忽略了上部结构、地基基础及地基本身在接触部位的协调变形.由此产生的后果是上部结构的计算内力通常小于底层和边跨梁柱的实际内力，而基础的计算内力却远比实际内力小.显然，在工程设计中应当合理地考虑上部结构、基础与地基之间的协调变形能力与相互作用的影响.研究在动荷载作用下土体与建筑物地基的共同作用问题时需注意以下事项:①合理考虑土与结构之间的相互作用，研究因相互作用而带来的附加影响，以及这种附加影响在何种条件下有利;②通过选择合理的计算模型与方法，正确评价土与结构相互作用带来的影响;③考虑新建模型或方法的广泛适用性;④把上部结构计算在内，建立土－基础－上部结构相互作用的计算模型［7］，对于不同种类的桩基础，选择合适的分析程序［8］.室内或现场试验是研究工程问题的重要方法，但通过试验研究土体与建筑物基础的相互作用相当困难.有限单元法是解决工程力学问题最为广泛的数值方法，它在模拟连续介质力学问题上已经相当成熟，也有很多研究者用于模拟建筑结构与基础.譬如用有限元程序对钢梁进行力学分析，还有通过有限元程序进行高层结构设计与分析［9－10］.而土体微结构属于颗粒组合体，内部存在不连续面及空隙，因此采用基于连续介质力学的有限单元法模拟土体结构非常困难.而离散单元法是一种基于非连续介质力学理论(分子动力学)的数值方法，已经被广泛应用于岩土工程领域.如张承荣等基于离散单元法模拟岩体锚固作用［11］，孙玉杰等用于模拟岩体渗流［12］，周先齐等用它分析边坡稳定性问题［13］.而建筑物基础与土体的动力相互作用涉及连续介质与非连续介质的力学问题，因此应采用离散单元法与有限单元法相结合的数值分析方法.在19世纪，Raylei提出一种力学新概念，即动态松弛法.根据这一概念，受力系统的静力解可与相应的动力解相对应或等价，为解决非线性静力问题提供一种新思路，即把非线性静力问题转化为与其相对应的动力问题求解.动态松弛法的基本思想可以描述为:首先，结构体的质量可以简化并集中在节点上，惯性力和阻尼力虚拟施加在节点上，其结果必然是把节点的静力平衡方程转化为动力平衡方程.然后，基于数学方法(差分法或其他积分或微分方程)并以初始状态为出发点，显式求解非线性问题.动态松弛法的出发点是用动力学的观点求解静力学问题，其根本出发点是用牛顿第二定律求解每个离散单元上的运动方程.动力学问题和静力学问题的差别就在于作用荷载的不同，一个是动荷载，一个是静荷载，即求解动力和静力问题的力的边界条件不同，一个是动力边界，一个是静力边界，但求解的过程相同.由于离散单元法求解位移大多采用动态松弛法，因此用动态松弛法求解土动力学问题有比较成熟的理论和计算方法的支持.由于土体是岩石风化的产物，具有明显的非线性特征，用基于小变形假设的连续介质力学解析或数值分析方法很难模拟土体微观结构的性质和行为，不能真实地反映土体在动力荷载作用下的破坏状态和破坏过程中土体内部结构的变化机理.提出的从土的微细观结构分析入手，采用离散单元法与有限单元法相结合的数值分析法研究动力荷载作用下土体与建筑物基础的共同作用，应用动态松弛法求解土动力问题的思路合理、可行.【相关文献】［1］吴世明.土动力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.［2］Chandan C，Sivakumar K，Eyad Masad，et al.Application of imaging techniques to geometry analysis of aggregate particles［J］.Journal of Computing in Civil Engineering，2004，18(1):75 －82.［3］Zeghal M.Discrete-element method investigation of the resilient behavior of granular materials［J］.Journal of Transportation Engineering，2004，130(4):503 －509. ［4］Yu Huanan，Shen Shihui.Impact of aggregate packing on dynamic modulus of hot mix asphalt mixtures using threedimensional discrete element method［J］.Construction and Building Materials，2012，26(1):302 －309.［5］Tutumluer E，Kim M.Considerations for nonlinear analyses of pavement foundation geomaterials in the Finite Element Modeling of flexible pavements［C］∥Proceedings of the 15th US National Congress of Theoretical and Applied Mechanics.UnitedStates:American Society of Civil Engineers，2007.［6］汪闻韶.土的动力强度和液化特性［M］.北京:中国电力出版社，1997.［7］Radtke F K F，Simone A，Sluys L J.A computational model for failure analysis of fibre reinforced concrete with discrete treatment of fibres［J］.Engineering Fracture Mechanics，2010，77(4):597 －620.［8］Pham H B，Al-Mahaidi R，Saouma V.Modelling of CFRP-concrete bond using smeared and discrete cracks［J］.Composite Structures，2006，75(1 －4):145 －150. ［9］韩雪芳.基于MIDAS的行走式塔吊轨承钢梁分析研究［J］.山西建筑，2010(15):43 －44. ［10］李和平，曾学敏，周锋.武汉某超限高层结构设计分析［J］.国外建材科技，2008，29(5):66 －68.［11］张承荣，许振华.应用离散单元法分析工程岩体锚固作用［J］.江西有色金属，2010，1(1):13 －16.［12］孙玉杰，邬爱清，张宜虎，等.基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合作用机制研究［J］.长江科学院院报，2009，26(10):62 －66.［13］周先齐，徐卫亚，钮新强，等.基于强度折减的离散单元法在岩质边坡稳定性分析中的应用［J］.长江科学院院报，2008，25(5):107 －110.。
土的动力学-概述说明以及解释1.引言1.1 概述土的动力学是研究土壤在受力作用下的变形和破坏规律的学科，是土力学的一个重要分支。
土体是由颗粒、空隙和水组成的多相复合体，受到外部载荷作用后会发生各种变形和破坏现象。
土的动力学研究了这些现象的规律和机理，为工程实践提供了重要的理论支撑。
本文将从动力学的定义和基本概念入手，探讨土的动力学特性及其在土壤工程中的应用，同时也展望了土壤动力学研究的发展方向和前景。
通过对土的动力学的深入探讨，我们能更好地理解土体在外部载荷作用下的行为特性，为土地利用和工程建设提供科学依据。
1.2 文章结构文章结构部分的内容应包括作者对整篇文章的大致安排和组织方式的说明，以帮助读者更好地理解文章内容和结构。
以下是可能的内容：文章结构部分介绍了本文的整体组织框架，包括各个章节的内容概要和关系。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，我们将简要概述土的动力学研究的背景和重要性，介绍本文的目的并提供整篇文章的概览。
在正文部分，我们将首先解释动力学的定义和基本概念，然后探讨土的动力学特性，包括其在土壤力学中的应用和意义。
最后，在结论部分，我们将总结动力学在土壤研究中的重要性和展望未来土壤动力学研究的发展方向。
通过这样的结构安排，我们希望读者能够全面了解土的动力学这一重要领域的知识和进展。
1.3 目的：本文的目的是探讨土的动力学特性以及动力学在土壤研究中的重要性。
通过对土的动力学定义和基本概念的介绍，以及对土的动力学特性的分析，希望能够深入了解土壤在外力作用下的行为和变化。
同时，通过总结动力学在土壤研究中的重要性，展望未来对土壤动力学的研究方向，进一步推动对土壤力学性质的认识和应用，为土壤工程和地质灾害研究提供理论支持和指导。
2.正文2.1 动力学的定义和基本概念动力学是研究物体运动的规律和机制的科学领域。
在土壤力学中，动力学则是指土壤颗粒在受力作用下产生变形和运动的过程。
土的动力学研究包括土体的变形、应力分布、应变速率、强度、稳定性等方面。
