土动力学基本原理

第1章 绪论 1

1.1 动力问题与静力问题的区别 1

1.1.1 小应变的不可忽略性 1

1.1.2 动荷载的循环效应与速率效应 2

1.2 土的动力特性 3

1.3 土动力学的主要研究内容 5

1.4 土动力学的发展历史 6

1.5 本书的主要内容 7

参考文献 8

第2章 土的基本力学性质 9

2.1 概述 9

2.2 土的三相性 10

2.2.1 土中的固体颗粒 10

2.2.2 土中的流体和气体 10

2.2.3 土-水-化学系统相互作用 11

2.2.4 土的物理性质及状态 11

2.3 土的渗透性 12

2.3.1 渗流的驱动力 12

2.3.2 达西定律 13

2.3.3 渗透破坏 14

2.4 有效应力原理 14

2.4.1 太沙基有效应力原理 14

2.4.2 土颗粒的粒间应力 15

2.5 土的压缩与剪切变形 16

2.5.1 压缩变形 17

2.5.2 剪切变形 17

2.6 土的剪胀性 18

2.6.1 剪胀机理 18

2.6.2 Taylor剪胀角与应力-剪胀方程 19

2.6.3 Rowe应力-剪胀方程 20

2.7 饱和土的固结性质 21

Ⅷ 土动力学基本原理

2.8 土的临界状态 23

2.8.1 土临界状态的试验表现 23

2.8.2 正常固结线与临界状态线 24

2.8.3 临界状态的物理意义 24

2.9 土的应力-应变关系特性 25

2.9.1 非线性 25

2.9.2 压硬性 26

2.9.3 弹塑性 26

2.9.4 结构性 26

2.9.5 各向异性 27

2.9.6 流变性 27

2.9.7 应力历史和应力路径的依赖性 27

参考文献 28

第3章 振动与波动基础 30

3.1 概述 30

3.1.1 振动的概念 30

3.1.2 波动的概念 31

3.2 单自由度体系的振动 32

3.2.1 自由振动与受迫振动 32

3.2.2 单自由度体系的振动方程 32

3.2.3 单自由度体系的自由振动 34

3.2.4 单自由度体系的受迫振动 35

3.3 多自由度体系的振动 39

3.3.1 两自由度体系的振动方程 39

3.3.2 多自由度体系的振动方程 40

3.4 滞变阻尼 41

3.5 时域和频域分析 43

3.5.1 振型叠加法 43

3.5.2 逐步积分法 43

3.5.3 Fourier变换法简介 44

参考文献 45

第4章 土体在典型动力荷载作用下的应力状态 46

4.1 概述 46

4.2 地震荷载作用下的土体应力状态 47

4.2.1 地震荷载 47

4.2.2 压缩波在半无限场地中产生的应力 47

4.2.3 剪切波在半无限场地中产生的应力 49

Ⅸ

4.2.4 二维条件下的应力状态 50

4.3 交通荷载 51

4.3.1 交通荷载作用下的应力路径 51

4.3.2 交通荷载作用下土体中的应力分布 53

4.4 波浪荷载 54

4.4.1 波浪荷载作用下的应力特点 54

4.4.2 旋转剪切问题 56

参考文献 57

第5章 固体中的弹性波 59

5.1 概述 59

5.2 一维弹性杆件中的波 59

5.2.1 一维波动方程的建立 59

5.2.2 行波法 61

5.2.3 拉普拉斯变换法 63

5.2.4 分离变量法 65

5.2.5 数值解法 67

5.2.6 一维弹性波的反射与透射 70

5.3 无限弹性介质中的波 72

5.3.1 无限弹性体中的三维波动方程 72

5.3.2 无限弹性体中波的类型 75

5.3.3 球面波 77

5.3.4 柱面波 80

5.4 半无限弹性介质中的波 85

5.4.1 半无限弹性介质中的平面波特性与分解 85

5.4.2 平面波的反射 87

5.4.3 瑞利波及其性质 90

5.4.4 成层介质中乐夫波 95

5.4.5 侧限条件下的半无限弹性介质中的波 95

5.5 表面移动荷载在半无限弹性平面中产生的波 98

5.5.1 移动波作用于半空间表面的解析解 98

5.5.2 移动条形荷载作用于半空间表面的解析解 101

参考文献 103

第6章 饱和土体中的波 104

6.1 概述 104

6.2 Biot理论 104

6.2.1 基本假设 105

6.2.2 Biot理论控制方程 105

Ⅹ 土动力学基本原理

6.2.3 饱和土中的弹性体波 106

6.3 一维饱和土柱中的波 110

6.3.1 问题模型 110

6.3.2 控制方程 110

6.3.3 u-w 形式的全耦合解 111

6.3.4 u-p 形式的解 115

6.3.5 全耦合解与u-p 解的对比 115

6.4 多孔介质中的一维平面波 115

6.4.1 基本控制方程 116

6.4.2 两种特殊情况下的解 118

6.4.3 波动方程的数值解法 120

参考文献 122

第7章 土的动变形与动强度特性 124

7.1 概述 124

7.1.1 动荷载作用下的土体平衡与失稳 124

7.1.2 土的动变形、动强度与动孔压 125

7.2 土的动变形特性 125

7.2.1 土的残余变形与波动变形 125

7.2.2 砂土的残余变形特征 125

7.2.3 黏性土的残余变形特征 126

7.3 土的动强度特征 127

7.3.1 典型荷载作用下土的动强度 127

7.3.2 动荷载的速率效应与循环效应 129

7.3.3 土的动力破坏标准与破坏曲线 131

7.4 黏性土的动强度 134

7.4.1 瞬态荷载作用下黏性土的动强度特性 135

7.4.2 循环荷载作用下黏性土的动强度特性 136

7.4.3 不规则荷载作用下黏性土的动强度特性 138

7.4.4 静荷载和动荷载综合作用下的强度特性 140

7.4.5 黏性土的破坏准则 141

7.4.6 黏性土动强度的影响因素 143

7.5 砂土的动强度与振动液化 145

参考文献 145

第8章 土的动应力-动应变关系 148

8.1 概述 148

8.1.1 土的动应力-动应变关系的基本特点 148

8.1.2 土的动应力-动应变关系的描述方法 149

Ⅺ

8.2 基本力学模型 157

8.3 黏弹性线性模型 160

8.4 黏弹性非线性模型 162

8.4.1 等效线性理论 162

8.4.2 双线性模型 166

8.4.3 Ramberg-Osgood模型 167

8.4.4 Hardin-Drnevich模型 168

8.4.5 M-F-S模型 169

8.5 弹塑性模型 170

8.5.1 弹塑性理论 170

8.5.2 卸荷引起的塑性变形 173

8.5.3 边界面模型 175

8.5.4 临界状态模型 179

8.6 土的动孔压模型 183

8.6.1 动孔压的概念及影响因素 183

8.6.2 砂土的动孔压模型 184

8.6.3 黏性土的动孔压模型 195

参考文献 197

第9章 饱和砂土液化问题 199

9.1 概述 199

9.2 液化的相关概念 200

9.2.1 孔隙水压力 200

9.2.2 剪缩土与剪胀土 200

9.2.3 初始液化、流滑与循环活动性 201

9.3 饱和砂土的液化机理 202

9.3.1 砂沸 202

9.3.2 流滑 203

9.3.3 循环活动性 207

9.3.4 液化机理研究的新进展 208

9.4 砂土液化的影响因素 211

9.4.1 土性条件的影响 212

9.4.2 初始应力条件的影响 214

9.4.3 预剪切的影响 214

9.4.4 动荷载条件的影响 215

9.4.5 排水条件的影响 216

9.5 饱和砂土液化性能评价与分析 217

9.5.1 临界标准贯入击数法 217

9.5.2 循环应力法(Seed简化法) 219

Ⅻ 土动力学基本原理

9.5.3 剪切波速法 224

9.5.4 稳态强度法 225

9.6 可液化场地地基处理 227

参考文献 229

第10章 土体动力反应分析 233

10.1 概述 233

10.2 一般计算方法 235

10.2.1 土体动力分析一般思路 235

10.2.2 有限元方程的建立 235

10.2.3 有限元方程的解法 237

10.3 总应力分析法 242

10.3.1 简化的Seed法(一维总应力法) 242

10.3.2 二维总应力法 242

10.3.3 三维总应力方法 244

10.4 有效应力分析法 244

10.4.1 不排水有效应力分析 245

10.4.2 排水有效应力分析 246

10.5 弹塑性方法 250

10.5.1 基于边界面模型的弹塑性动力分析 250

10.5.2 基于P-Z-C模型的弹塑性分析 251

10.6 水平土层地震反应分析简化方法 253

10.6.1 均匀土层的剪切梁法 253

10.6.2 分层土层的频域分析法 257

10.6.3 分层土层中的集中质量法 259

参考文献 260

第11章 土动力特性的试验测试 262

11.1 概述 262

11.2 制样、激振与测量系统 262

11.2.1 制样系统 262

11.2.2 激振系统 264

11.2.3 测量系统 266

11.3 动三轴试验 268

11.3.1 试验类型 268

11.3.2 试验条件 270

11.3.3 试验方法 271

11.3.4 试验成果及应用 272

11.4 动单剪试验 276

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11.4.1 基本概念 276

11.4.2 试验仪器 277

11.4.3 试验成果 277

11.5 扭剪试验 278

11.6 共振柱试验 280

11.7 试样的波速测试 284

11.7.1 超声波法 284

11.7.2 弯曲元法 285

11.8 振动台试验 286

11.9 离心模型试验 286

11.10 原位动力测试 288

11.10.1 波速试验 288

11.10.2 循环荷载板试验 295

参考文献 296

附录1 地震荷载作用下循环应力路径 298

附录2 交通荷载作用下循环应力路径 301

附录3 波浪荷载作用下循环应力路径 303

附录4 特征线求解一维波动问题 305

附录5 差分法求解波在一维桩中的传播 307

附录6 杆件分界面处透射波与反射波的波速变化 310

附录7 杆件分界面处透射波与反射波的应力变化 312

附录8 一维饱和土柱全耦合解 314

附录9 一维饱和土柱u-p 解 317

附录10 冲击荷载作用下多孔介质的孔隙水压力 320

附录11 剪切梁法的数值解法 322

附录12 剪切梁法的解析解法 3242100433B

本书系统介绍了国内外在土动力学领域主要的理论、测试技术和分析方法。主要内容包括：土的动力特性、测试技术，波在土介质中的传播、砂土液化分析方法、土体地震反应分析以及地基-基础动力相互作用等方面。

《土动力学》主要讲述了各种动荷载作用下土的变形、强度特性和土体的变形、强度稳定性，包括土材料的动力特性和土体的动力稳定性两大方面的问题。《土动力学》共10章，包括土动力学理论和试验基础、土的动力特性规律、土体的地震反应分析和土体的地震稳定性分析等几大部分。《土动力学》不仅保持了编著者1988年版<土动力学>(西安交通大学出版社出版)的系统性、完整性、简明性等特点，而且着重注意了先进性、启发性和实用性，汲取了大量新的思路与成果，扩充了知识的深度和广度。

由谢定义编著的《土动力学》。《土动力学》可作为土木工程类有关专业研究生、高年级本科生以及岩土工程界从事土动力学工作与研究人员的教材或参考书。

由谢定义编著的《土动力学》分为10章，主要包括了四大部分：土动力学理论和试验基础(绪论，土与土体中的动荷载，土的动力特性测试，共3章)，土的动力特性规律(土的动强度、动变形与动孔压特性，土的振动液化特性，土的动应力-动应变关系，共3章)，土体的地震反应分析(土体地震反应的地震反应谱分析法，土体地震反应的动力时程分析法，土体地震反应的总应力、有效应力分析法，共3章)，以及土体的地震稳定性分析(共1章)。

本书系统性、完整性、简明性、先进性、启发性和实用性较强，适合研究生和有关人员学习土动力学基础知识使用。

《土动力学基础》 是一本介绍土动力学基础知识的教材。 本书系统介绍了土动力学的基本原理、 测试技术及相关工程问题的分析方法。 主要内容包括: 动力学中的两个基本理论———质量—弹簧体系的振动理论及波动理论; 土的动力性质及测试方法, 包括现场波速测试及应用、 动荷载作用下土的剪切变形和强度特性、 土动力试验方法; 土动力学的几个经典问题的分析方法, 包括动力机器基础的振动、 地震地面运动及地震作用, 砂土的液化。 为便于学习, 每章均设置了例题、 思考题和习题。 本书可作为高等学校土木工程专业和地质工程专业本科生或研究生的教学用书, 也可供其他相关专业师生及工程技术人员参考。