浅谈土动力学的最新研究进展
摘要:20世纪60年代以来,土动力学的研究取得了很大的进展,成为土力学的一个独立分支。在国际范围内的土动力学研究成果已逐渐渗透进实际规划、设计和建筑物基础的施工过程之中。本文主要阐述土动力学的发展现状及最新研究进展还有本人对这一学科的一些观点。
关键词:土动力学研究进展地震
引言:
随着工业的发展,生产设备自身的振动(如机器运转)和环境振动(如车辆行驶)对附近的建筑物及生产、生活环境都带来有害的影响,已成为一种公害,需要加以限制。特别是20世纪下半叶的几次大地震造成的严重灾害,警示人们在市政建设、建筑物设计中必须合理规划和布设抗震防灾措施。解决这些问
题
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,需要运用工程地质学、工程地震学知识,土动力学、结构动力学、弹性动力学、弹塑性动力学以及机械振动学等方面的基本原理和方法,其中土动力学起着重要作用。
1 土动力学与土力学
太沙基(Terzaghi)指出,土木工程各方面的发展都要经历三个阶段:经验阶段,在此阶段中工程实例起着重要作用;科学阶段,在这阶段中取得了很大进展,然而,过分相信科学的力量有时也会导致失败;成熟阶段,即工程经验与科学
分析
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相结合而形成一种判断力,从而使工程师能够充分履行其
职责
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。但是土动力学的现状不能按太沙基的三个阶段来区分,相反它是一种奇特的混合,其中各部分的发展显著地不平衡。一部分是由经典的弹性介质动力学和经典的阻尼振动理论组成,它们已经很先进,只要结合地基土的实际问题的几何条件即可。土的有关性质可用静力的或最简单的动力试验来确定;另一方面,在研究土的液化问题中,土的独特的动力性质是主要的,经典理论只起次要作用。
2 土动力学的基本概念
土动力学是一门研究在各种动荷载作用下的土的力学性能、地基和土工结构物性状的分析方法及其在工程设计中应用的工程力学。在动荷载作用下土的力学性能是一个大的试验研究课题,在土动力学中占有非常重要的位置。这一点正是土力学,包括土动力学不同于其他工程力学的一个重要标志。在动荷载作用下地基和土工结构物性状的分析包括应力、变形和强度的分析,对饱和非粘性土还包括孔隙水压的分析。像其他应用力学一样,在做这些分析时常常要引用一些直观的假设;而且,在土动力学中这种做法要更多一些。由于土动力学发展较晚,土体的应力、变形、强度以及孔隙水压力的分析方法在70年代末80年代初才形成一个初步的体系。然而,这正是土动力学发展成为土力学一个独立分支的重要标志。在土动力学,它与在动荷载作用下的力学性能研究具有同等重要的位置。和其他应用力学相比,土力学,包括土动力学的工程实用性更强。
3 土动力学的发展
土动力学主要是由机器基础动力设计、防护工程和地震工程这三方面的需要
发展起来的一门学科。机器基础动力设计是土动力学的最早研究领域,大约始于本世纪30年代。由于各国学者的努力,在60年代达到较成熟的阶段。这方面的成果反映在各国现行的机器基础动力设计
规范
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和有关的著作中。防护工程也是土动力学的一个重要研究领域,大约始于40年代末。这方面的研究已取得了重大的进展。但是,由于这是一项与军事工程有关的研究,其成果很少见于公开的刊物。与机器基础动力设计和防护工程相比,地震工程领域中土动力学的研究开始较晚,较为系统的具有一定规模的研究大约始于60年代初。然而,在短短的20多年内却在多方面取得重大的进展。现在,说土动力学已发展成土力学的一个独立分支,本人以为似乎主要是针对在地震工程领域内取得的一系列重大成就而言的。
4 土体动力本构模型研究
饱和砂土的实际动本构关系的发展表现在本构理论、数值计算和测试技术三个方面, 它们是相辅相成的。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、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,其切实的
方法是对于不同的工程问题,应该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多达数十个,大致可分为两部分,即粘弹性理论和弹塑性理论。
4.1 粘弹性理论
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。前者把土体视为粘弹性
材料
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,不寻求滞回曲线( 即描述卸载与再加载时应力—应变规律的曲线) 的具体数学表达式,而是给出等效弹性模量和等效阻尼比随剪应变幅值和有效应力状态变化的表达式;后者则根据不同的加载条件、卸载和再加载条件直接给出动应力应变的表达式。在给出初始加载条件下的动应力应变关系式( 骨干曲线方程) 后,再利用曼辛二倍法得出卸荷和再加荷条件下的动应力应变关系, 以构成滞回曲线方程。Hardin Drnevich模型、Ramberg Osgood模型、双线性模型及一些组合曲线模型均属于等效线性模型。
粘弹性理论是目前生产应用中的主流, 尽管还存在多方面的不足,如不能考虑应变软化、应力路径的影响、土的各向异性以及大应变时误差大等等。但它毕竟是试验结果的归纳,形式上也比较直观简单,经过适当的处理和改进后结合动力有限元程序,同样,可以计算出循环荷载作用下土工构造物的孔隙水压力和永久变形的平均发展过程。
4.2 弹塑性理论
自20 世纪70 年代以来, 对饱和砂土弹塑性动本构模型展开较为广泛的研究, 所采用的途径一般有:
1) 采用单调加载条件下所建立的模型, 选用较为复杂的硬化规律, 如采用将等向硬化规律和运动硬化规律相结合的所谓非等向硬化规律或者允许边界面产生扩张或收缩运动。总的来说, 这类模型与饱和砂土实际性状之间有较大差距。
2) 以其他形式的塑性理论为基础所建立的动本构模型, 如采用塑性模量场理论、边界面理论、多机理概念的塑性理论等。
基于这几种理论的塑性模型代表了目前循环荷载作用下土的本构理论研究
现状与水平。
5方法
6结语
土动力学远非是一门发展均衡的学问,尚有重要的空白和需要研究的领域,有些重要的实际问题还很少论及,而另一些应用不广的问题却研究得很深。
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浙公网安备 33021202002483